Rajamangala University of Technology Phra Nakhon

สมดลเคม

These subjects will be presented according to the curriculum of Chemistry for Engineers (02-411-103)

Faculty of Science and Technology, RMUTP

iamworavith Dr.Woravith Chansuvarn Lasted update: Aug 2014

Dynamic equilibrium Equilibrium constant Le Chatelier’s principle

การวดผลการเรยนร กจกรรมและแบบฝกหด สอบปลายภาค

2

แผนการสอนและการเรยนร

จดประสงคการเรยนร อธบายภาวะสมดล ค านวณเกยวกบคาคงทสมดล อธบายหลกเลอชาเตอรเอร

บทเรยน 6.1 โครงสรางอะตอม

เอกสารประกอบการสอน

หนงสอ โครงการต าราวทยาศาสตรและคณตศาสตร มลนธ สอวน. 2550. เคม 3. กรงเทพฯ: บรษทดานสทธาการพมพ จ ากด.

อนทรา หาญพงษพนธ และ บญชา พลโภคา. 2545. เคมทวไป สาหรบนสตวศวกรรมศาสตร. กรงเทพฯ: ส านกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย.

อภสฏฐ ศงสะเสน, สรณนรนทร บงเกดผล และอาทตย สกลตนตเมธา. 2554. เคมทวไปสาหรบวศวกร. กรงเทพฯ: บรษท ทรฟเพล กรป จ ากด.

Brown L.S. and Holme H.E., 2006. Chemistry for Engineering Students, 2nd ed., Canada. Chang R. and Goldsby K.A., 2013. Chemistry, 7th ed., New York: McGraw-Hill. Silberberg M.S. 2013 Principle of General Chemistry, New York: McGraw-Hill.

3

เอกสารประกอบการสอน หนวยท 6 http://www.slideshare.net/woravith/rmutp-equilibrium-kinetics

เวบไซตแนะนา http://www.

ภาวะสมดล

4

ปฏกรยาผนกลบได : ปฏกรยาทเปลยนแปลงไปขางหนาและยอนกลบได

ปฏกรยาไปขางหนา H2O(l) H2O(g) (forward reaction) ปฏกรยายอนกลบ H2O(g) H2O(l) (reverse reaction)

ณ ภาวะสมดล H2O(l) H2O(g) “อตราการเกดปฏกรยาไปขางหนา = อตราการเกดปฏกรยายอนกลบ”

ภาวะสมดล: ความเขมขนกบเวลา

5

ทจดสมดลความเขมขนของสารตงตนและสารผลตภณฑไมเปลยนแปลงตามเวลา

A B

[A]

[B]

[B]

[A]

H2(g) + I2(g) 2HI(g)

6

7

อธบายภาวะสมดลในเทอมของปรมาณสารตงตนและสารผลตภณฑ ? (a) (b) (c)

คาคงทสมดล

aA + bB cC + dD สมการทวไป :

“อตราสวนระหวางผลคณของผลตภณฑยกกาลงสมประสทธของมนหารดวยผลคณของสารตงตนยกกาลงสมประสทธของมนในสมการทดล”

8

ba

dc

BA

DCK

][][

][][

[A] [B] คอความเขมขนของสารตงตน (mol/L) [C] [D] คอความเขมขนของสารผลตภณฑ (mol/L) a b c d คอ สมประสทธจ านวนโมลของ A B C D ตามล าดบ

9

[ ] คอ เครองหมายความเขมขน มหนวยเปน mol/L

c ตวยอของ concentration

คาคงทสมดล เครองหมายความเขมขน

สารผลตภณฑ สารตงตน

สมประสทธจ านวนโมล c d

c a b

[C] [D]K

[A] [B]

aA + bB cC + dD

ขนาดของคาคงทสมดล คาคงทสมดล (K) จะขนอยกบปฏกรยาเคมและอณหภม คา K

• บอกไดวาทภาวะสมดล สารตงตนและผลตภณฑมปรมาณเปนเทาใด

• บอกวาปฏกรยามผลผลต (%yield) ไดมากหรอนอย • บอกใหทราบวาแนวโนมปฏกรยาด าเนนไปทศทางใดมากกวากน (แตไมไดบอกวาปฏกรยาเกดเรวหรอชา)

10

ตวอยาง

11

การเขยนคา K สารทมสถานะเปนของแขง (solid) และของเหลว (liquid) มความเขมขนคงท ดงนนจงไมเขยนสารนนในสมการคาคงทสมดล

12

32

c 32

[H O]K

[H ]

2

c 2

[Cu ]K

[Ag ]

Al2O3(s) + 3H2(g) 2Al(l) + 3H2O(g)

Cu(s) + 2Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2Ag(s)

คาคงทสมดลในรปความดน สมการคาคงทสมดลสามารถเขยนในรปความดนของแกส

13

aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g)

P ตวยอของ pressure

สารตงตน

สารผลตภณฑ

c d

C D

P a b

A B

P PK

P P

ตวอยาง

14

ความสมพนธระหวาง KC กบ KP

15

n = จ านวนโมลของผลตภณฑ – จ านวนโมลของสารตงตน R = คาคงทของแกส (0.0821 L atm/mol K)

n

C PK K RT

n

P CK K RT

ตงอยาง 6.4

16

ปฏรยาการสลายตวท 25°C ดงสมการ N2O4(g) 2NO2(g) มคา Kc=4.6x103 จงหาคา KP ทภาวะสมดล วธคด

n

P CK K RT

1

-3

P

LatmK = (4.6x10 ) (0.082 )(298 K) = 0.112

molK

การค านวณคาคงทสมดล

17

เขยนปฏกรยาเคมและดลสมการเคม

เขยนสมการแสดงคาคงทสมดล

หาความเขมขนของสารทงหมดทภาวะสมดล

แทนความเขมขนของสารตางๆ ทภาวะสมดลลงในสมการคาคงทสมดล

(1) กาหนดความเขมขนทภาวะสมดลมาให (2) กาหนดความเขมขนเรมตน

ก าหนดความเขมขนทภาวะสมดล

18

กาหนดความเขมขนของสารตางๆ ทภาวะสมดลมาให

แทนความเขมขนของสารทภาวะสมดล ลงในสมการคาคงทสมดล

ขอสงเกต ความเขมขนทภาวะสมดลตองมหนวยเปน mol/L

ตวอยาง 6.6

19

จงหาคา Kc จากปฏกรยา N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ถาความเขมขนทภาวะสมดลของ N2=0.30 mol/L H2=1.25 mol/Lและ NH3=0.50 mol/L

2

c 3

(0.50) 0.25K = = = 0.43

0.58(0.30)(1.25)

2

3C 3

2 2

[NH ]K =

[N ][H ]วธคด เขยนสมการคาคงท

แทนความเขมขนทภาวะสมดลลงในสมการคาคงทสมดล

ตวอยาง

20

ความเขมขนทภาวะสมดลของปฏกรยาท 74 C ท [CO]=0.012 mol/L, [Cl2]=0.054 mol/L และ [COCl2]=0.14 mol/L จงค านวณหาคาคงทสมดล KC and KP

CO(g) + Cl2(g) COCl2(g)

KC = 220

KP = KC(RT) n

n = 1–2 = -1 R = 0.0821 T = 273+74 = 347 K

= 220x[(0.0821)(347)]-1 KP = 7.7

2C

2

[COCl ]K =

[CO][Cl ]

0.14 mol/L=

(0.012 mol/L)(0.054 mol/L)

ก าหนดความเขมขนเรมตนมาให

21

ก าหนดความเขมขนเรมตนของสารมาให

คานวณหาความเขมขนทภาวะสมดลของสารผลตภณฑและสารตงตนทเหลอกอน (หนวย mol/L)

แทนความเขมขนทภาวะสมดล ลงในสมการคาคงทสมดล

ก าหนดความเขมขน 3 สภาวะ • [ ] ทเรมตน • [ ] ทเปลยนแปลง • [ ] ทภาวะสมดล

มกก าหนดใหความเขมขนทเปลยนแปลงไปของสารผลตภณฑเปน x หนวย ความเขมขนของสารตงตนเปน -x ความเขมขนทเปลยนแปลงตองสมพนธกบจ านวนโมล

A B + C

[ ]เรมตน (mol/L) y 0 0 [ ]เปลยนแปลง (mol/L) -x +x +x [ ]ภาวะสมดล (mol/L) y-x x x

22

C

[B][C]K =

[A]

C

(x)(x)K =

y x

2

C

xK =

y x

2

C Cx K y K x

2

C Cx K x K y 0

จดรปสมการก าลงสอง

2b b 4acx

2a

2

C

xK =

a xให x <<< a มากๆ

2

C

xK =

a

Cx K a

A B + 2C

[ ]เรมตน (mol/L) a 0 0 [ ]เปลยนแปลง (mol/L) -x +x +2x [ ]ภาวะสมดล (mol/L) a-x x 2x

23

2

C

[B][C]K =

[A]

2

C

(x)(2x)K =

a x

3

C

4xK =

a x

ให x <<< a มากๆ 3

C

4xK =

a

C3K a

x4

ตวอยาง 6.8

24

ตวอยาง 6.9

25

26

27

ประโยชนของคาคงทสมดล

ท านายปฏกรยาเกดขนไดมากหรอนอย • ถา Kc>103 เกดสารผลตภณฑไดมากกวาสารตงตน (ปฏกรยาด าเนนไปขางหนาไดมาก)

• ถา Kc<10-3 เกดสารผลตภณฑไดนอยกวาสารตงตน (ปฏกรยาด าเนนไปขางหนาไดนอย)

• ถา 10-3<Kc<103 ความเขมขนของสารผลตภณฑกบสารตงตนมคาใกลเคยงกน

28

กจกรรม

ท ากจกรรม 6.1 ตอนท 1 อภปรายแลกเปลยนความรระหวางกลมเพอนและผสอน

29

เมอภาวะสมดลถกรบกวน จะเปนอยางไร?

30

หลกเลอชาเตอลเอร "ระบบทอยในภาวะสมดล เมอถกรบกวนจากปจจยภายนอก ซงจะสงผลใหสมดลของระบบเสยไป ระบบจะพยายามปรบตวไปในทศทางทจะท าใหปจจยทรบกวนนนลดลงเหลอนอยทสด แลวระบบจะกลบเขาสภาวะสมดลใหมอกครง"

ปจจยภายนอก

1) ความเขมขน 2) ความดนและปรมาตร (แกส) 3) อณหภม 4) คะตะลสต

31

ปจจยความเขมขน ระบบถกรบกวน เนองมาจากการเปลยนแปลงความเขมขนของสาร โดยการเพมหรอการลดความเขมขน

ระบบจะปรบเขาสภาวะสมดลใหม โดยลดตวรบกวน ถาเปนการเพมความเขมขนของสาร สมดลจะด าเนนไป

ในทศทางตรงกนขามกบดานทเพมลงไป ณ ภาวะสมดลใหม ความเขมขนของสารทถกเพมขนจะเพมขนกวาสมดลเดมเลกนอย

ถาเปนการลดความเขมขนของสารตงตนหรอสารผลตภณฑ สมดลจะด าเนนไปในทศทางเดยวกนกบดานทลดสารนน ณ ภาวะสมดลใหม ความเขมขนของสารทลดจะลดลงกวาสมดลเดมเลกนอย

32

33

2HI(g) H2(g) + I2(g) เมอเตม H2 ลงเพมในระบบ > ความเขมขนของ H2 เพม

ถาเอา H2 บางสวนออกจากระบบ จะเปนอยางไร?

34

2HI(g) H2(g) + I2(g) ถาเอา H2 บางสวนออกจากระบบ จะเปนอยางไร?

35

ปฏกรยาการเตรยมแอมโมเนย (NH3) N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

ปจจยความดน

มผลกระทบตอสมดลของปฏกรยาทเปนแกสเทานน ส าหรบปฏกรยาทจ านวนโมลรวมของสารตงตนและสารผลตภณฑเทากน (n = 0) การเปลยนแปลงความดนจะไมมผลตอต าแหนงสมดล แตมผลตออตราการเกดปฏกรยาเคม

36

H2(g) + I2(g) 2HI(g) 2 mol 2 mol

สมดลไมเปลยนแปลง

ความดนจะมผลตอภาวะสมดล ถาจ านวนโมลรวมของแกสของสารตงตนและสารผลตภณฑไมเทากน

ทศทางปฏกรยา คอ ถา เพมความดน จ านวนโมลมาก จ านวนโมลนอย ถา ลดความดน จ านวนโมลนอย จ านวนโมลมาก

H2(g) + CO2(g) H2O(l) + CO(g) 2 mol 1 mol เพม P ลด P

37

38

เพมความดน ลดความดน

ปจจยอณหภม

39

ระบบจะปรบเขาสภาวะสมดลใหม โดยการลดอณหภม อาศยปฏก รยาดดความรอน

เพมอณหภม ของระบบทภาวะสมดล

ลดอณหภม ของระบบทภาวะสมดล

ระบบจะปรบตวเพอใหเขาสภาวะสมดลใหม โดยการเพมอณหภม อาศยปฏกรยาคายความรอน

A + B C + D คายความรอน

ดดความรอน

40

ปฏกรยาดดความรอน (Ho บวก) ปฏกรยาคายความรอน (Ho ลบ)

เพมอณหภม ไปขางหนา เพมอณหภม ยอนกลบ ลดอณหภม ยอนกลบ ลดอณหภม ไปขางหนา

ปฏกรยาไปขางหนา K เพม (ผลตภณฑเพม) ปฏกรยาไปยอนกลบ K ลด (ผลตภณฑลด)

41

เพมอณหภม ลด อณหภม

ปจจยคะตะลสต

สารเรงปฏกรยาจะชวยเพมอตราเรวของปฏกรยาโดยการลดคาพลงงานกระตน (Ea)

พลงง

านศก

ย

สารตงตน

ผลตภณฑ

Ea Ea(cat)

42

ชวยลด activation energy (Ea) ท าใหอตราเรวของปฏกรยาเรวขน

ทงไปขางหนาและยอนกลบ ไมมผลตอ KC และ equilibrium

กจกรรม

ท ากจกรรม 6.1 ตอนท 2 อภปรายแลกเปลยนความรระหวางกลมเพอนและผสอน ท าแบบฝกหด

43