สมดุลเคมี

สมดุลเคมีไม่ใช่ภาวะที่ปฏิกิริยาหยุด ปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับยังเกิดอยู่ แต่มีอัตราเท่ากัน จึงทำให้องค์ประกอบที่มองในระดับมหภาคคงที่ตามเวลา

ค่าคงที่สมดุล K

สำหรับ aA + bB ⇌ cC + dD รูปเชิงอุณหพลศาสตร์ของ K นิยามด้วยแอกทิวิตีเทียบกับสถานะมาตรฐาน ทำให้ K ไม่มีมิติ ในสารละลายเจือจางหรือแก๊สความดันไม่สูงมาก เรามักใช้ความเข้มข้นหรือความดันย่อยเป็นค่าประมาณ

ของแข็งบริสุทธิ์และของเหลวบริสุทธิ์มีแอกทิวิตีใกล้ 1 จึงไม่เขียนในนิพจน์พื้นฐาน K ขึ้นกับอุณหภูมิ แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่เปลี่ยน K

Q บอกสถานะปัจจุบัน

Q มีรูปพีชคณิตเหมือน K แต่ใช้ค่าปัจจุบันของระบบ ถ้า Q < K การเปลี่ยนแปลงสุทธิไปทางผลิตภัณฑ์ ถ้า Q > K จะย้อนกลับไปทางสารตั้งต้น และเมื่อ Q = K ระบบอยู่ที่สมดุล

หลักเลอชาเตอลิเยร์อย่างมีเหตุผล

การเติมสารตั้งต้นหรือเอาผลิตภัณฑ์ออกมักทำให้ Q ลดลงและผลักการเปลี่ยนแปลงสุทธิไปข้างหน้า การอัดแก๊สเปลี่ยนความดันย่อยทุกชนิด ผลจริงขึ้นกับเลขชี้กำลังใน Q

อุณหภูมิต่างออกไป เพราะการเปลี่ยน T ทำให้ K เปลี่ยนเอง ปฏิกิริยาคายความร้อนมักถูกเอื้อทางผลิตภัณฑ์ที่อุณหภูมิต่ำกว่า แต่ถ้าต่ำเกินไปอัตราปฏิกิริยาอาจช้ามาก

ตาราง ICE และรากที่ยอมรับได้

ตาราง Initial–Change–Equilibrium ต้องเปลี่ยนปริมาณตามสัดส่วนสัมประสิทธิ์สมการ ถ้าแก้สมการได้หลายราก ต้องเลือกรากที่ทำให้ความเข้มข้นทุกชนิดไม่ติดลบ และถ้าใช้สมมติฐานว่า x เล็กต้องตรวจสอบย้อนหลัง

ขนาดของ K ไม่ใช่อัตราเร็ว

K ≫ 1 หมายถึงสมดุลเอนทางผลิตภัณฑ์ ส่วน K ≪ 1 เอนทางสารตั้งต้น แต่ไม่ได้บอกว่าถึงสมดุลเร็วเพียงใด ถ้ากลับสมการ ค่าใหม่เป็น 1/K; ถ้าคูณสัมประสิทธิ์ทุกตัวด้วย n ค่าใหม่เป็น Kⁿ

เหตุใดแอกทิวิตีจึงสำคัญ

ในอุณหพลศาสตร์ที่เคร่งครัด K เขียนด้วยแอกทิวิตีที่อ้างอิงสถานะมาตรฐาน จึงไม่มีมิติ การใช้ความเข้มข้นหรือความดันย่อยเป็นการประมาณที่ดีภายใต้เงื่อนไขเหมาะสม แต่ที่ความเข้มไอออนสูงหรือความดันแก๊สสูงอาจต้องใช้สัมประสิทธิ์แอกทิวิตีหรือ ฟูกาซิตี

จุดสำคัญไม่ใช่การทิ้งสูตร Kc หรือ Kp แต่คือการรู้ว่ามันเป็นแบบจำลองที่มีขอบเขต เมื่อเงื่อนไขเบี่ยงจากอุดมคติมากขึ้น การแก้ไขเชิงอุณหพลศาสตร์จึงมีความหมาย

สมดุลยังมีการเคลื่อนไหวระดับโมเลกุล

กราฟความเข้มข้นที่แบนราบไม่ได้หมายความว่าโมเลกุลหยุดชนหรือหยุดทำปฏิกิริยา การทดลองติดฉลากไอโซโทปสามารถแสดงการแลกเปลี่ยนต่อเนื่องได้แม้ความเข้มข้นรวมคงที่ สมดุลจึงหมายถึงฟลักซ์ไปและกลับเท่ากัน ไม่ใช่ความนิ่งของอนุภาค

ตัวอย่างกระบวนการฮาเบอร์

สำหรับ N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ การลดปริมาตรทำให้ความดันย่อยเพิ่ม แต่ Q เปลี่ยนตามกำลังของความดันในนิพจน์ ผลเริ่มต้นทำให้ Q ต่ำกว่า K และเกิดการเปลี่ยนสุทธิไปทาง NH₃ ซึ่งมีจำนวนโมลแก๊สน้อยกว่า

อุณหภูมิต่ำเอื้อ NH₃ ทางอุณหพลศาสตร์เพราะการเกิดแอมโมเนียคายความร้อน แต่โรงงานไม่เลือกอุณหภูมิต่ำที่สุด เพราะอัตราปฏิกิริยา การแยกผลิตภัณฑ์ และประสิทธิภาพตัวเร่งต้องพิจารณาร่วมกัน

แบบฝึกหัด

ทิศทาง

Q = 0.05 และ K = 20

เฉลย: Q < K จึงเกิดการเปลี่ยนแปลงสุทธิไปข้างหน้า

ตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งทำให้ K เปลี่ยนหรือไม่?

เฉลย: ไม่เปลี่ยน เพียงทำให้ทั้งสองทิศเร็วขึ้นและถึงสมดุลเร็วขึ้น

กลับสมการ

A ⇌ B มี K = 50 แล้ว B ⇌ A มี K เท่าใด?

เฉลย: 1/50 = 0.020