สมดุล เคมี (CHEMICAL EQUILIBRIUM)

20 ม.ค.

1 การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้

ปฏิกิริยาผันกลับได้

การเปลี่ยนแปลงโดยทั่วไป มักจะเป็นการเกิดปฏิกิริยาเคมี และการเกิดปฏิกิริยาแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ
ก. ปฏิกิริยาเกิดสมบูรณ์(Irreversible reaction)

                ปฏิกิริยาเกิดสมบูรณ์ หมายถึง ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากันจนหมด เกิดผลิตภัณฑ์อย่างสมบูรณ์ปฏิกิริยาจะยุติเมื่อสารตั้งต้นสารได้สารหนึ่งหมดและเป็นปฏิกิริยาที่ไม่ย้อนกลับ เช่น การเผาไหม้ของถ่านกับก๊าซออกซิเจนในอากาศจำนวนมากเกินพอเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เขียนแทนด้วยสมการ ดังนี้

โลหะสังกะสีทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริก เกิดก๊าซไฮโดรเจน เขียนแทนด้วยสมการ ดังนี้

* หมายเหตุ เครื่องหมาย แทนการเปลี่ยนแปลงที่เกิดสมบูรณ์ เช่น เกิดปฏิกิริยาสมบูรณ์

ข. ปฎิกิริยาเกิดไม่สมบูรณ์

                ปฏิกิริยาเกิดไม่สมบูรณ์ หมายถึง ปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นทำปฏิกิริยากัน ได้ผลิตภัณฑ์และในขณะเดียวกัน ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นบางส่วนทำปฏิกิริยากันกลับเป็นสารตั้งต้นใหม่ ทำให้ปฏิกิริยาเกิดไม่สมบูรณ์ ไม่ว่าจะใช้เวลานานเท่าใดก็ตาม ภายในระบบยังคงมีทั้งสารตั้งต้นทุกชนิดเหลือ และผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นทุกชนิด และระบบจะมีทั้งการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า และปฏิกิริยาย้อนกลับ เรียกปฏิกิริยาประเภทนี้ว่า ปฏิกิริยาผันกลับได้ (Reversible reaction) เช่น ปฏิกิริยาผันกลับที่เกิดขึ้นระหว่าง 

[Co(H2O)6] 2+ กับ Cl – ดังนี้

* หมายเหตุ เครื่องหมาย  แทนการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ และแสดงว่าเกิดสมดุล

การเปลี่ยนแปลงของระบบที่ผันกลับได้ ไม่จำเป็นต้องเป็นระบบที่มีการเกิดปฏิกิริยาเท่านั้น อาจจะเป็นการละลายเป็นสารละลาย หรือ การเปลี่ยนสถานะของสาร ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงของสารที่ผันกลับได้สามารถแบ่งเป็น 3 ประเภทดังนี้

การละลายเป็นสารละลาย

              การละลายเป็นสารละลาย โดยทั่วไปเป็นการละลายที่มีสถานะเป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ในตังทำละลายเป็นของเหลว เกิดสารละลาย เช่น การละลาย KNO3 ในน้ำเป็นสารละลาย KNO3 ดังนี้

            การเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้า และถ้าละลายต่อไปจนอิ่มตัว มี KNO3 เหลือ และมีการรวมตัวของ K+ กับ NO – 3 เป็น KNO3 ผันกลับได้ ดังนี้

การเปลี่ยนแปลงย้อนกลับเมื่อนำมาเขียนรวมๆ กันจะเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ คือ

การเปลี่ยนสถานะของสาร

               การเปลี่ยนสถานะของสาร สารต่างๆ ทุกชนิดสามารถเปลี่ยนสถานะให้เป็นของแข็ง ของเหลว หรือ ก๊าซได้โดยเกี่ยวข้องกับพลังงาน ไม่เ

ป็นแบบดูดความร้อน ก็เป็นแบบคายความร้อน เช่น การเปลี่ยนสถานะของสารที่เป็นของแข็งเป็นก๊าซ ดังนี้

             การเปลี่ยนแปลงขั้น 1 , 2 และ 4 เป็นแบบดูดความร้อน ส่วนการเปลี่ยนแปลงในขั้นที่ 3 , 5 และ 6 เป็นการคายความร้อน
ตัวอย่างการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำแข็งเป็นน้ำเหลว ดังนี้

   การเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้า

แต่ขณะเดียวกัน น้ำเหลวควบแน่นเป็นน้ำแข็ง ผันกลับได้ ดังนี้

  การเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ

เมื่อนำมาเขียนรวมกันจะเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้ คือ

การเกิดปฏิกิริยาเคมี

                การเกิดปฏิกิริยาเคมี เป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดสารใหม่ที่มีสมบัติแตกต่างจากสารเดิม ปฏิกิริยาเคมีมีทั้งชนิดไม่ผันกลับ(ปฏิกิริยาเกิดสมบูรณ์) และปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ (ปฏิกิริยาเกิดไม่สมบูรณ์) เช่น

- ปฏิกิริยาระหว่าง Cu2+ กับ Mg เกิด Cu และ Mg2+ ดังนื้

(ทิ้งไว้นานมาก) เกิดปฏิกิริยาสมบูรณ์ (ปฏิกิริยาไม่ผันกลับ)

- ปฏิกิริยาระหว่าง Fe3+ กับ I- เกิด Fe2+ และ I2 ดังนี้

ปฏิกิริยาไปข้างหน้าและ ในขณะเดียวกัน Fe2+ กับ I2 เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ Fe3 และ I- ดังนี้ 

เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับเมื่อนำมาเขียนรวมๆ กันจะเป็นการที่ผันกลับได้ คือ

 

2.การเปลี่ยนแปลงที่ทำให้เกิดภาวะสมดุล

ภาวะสมดุล

                  เมื่อนำของเหลวที่ระเหยได้จำนวนหนึ่งใส่ในภาชนะที่มีฝาปิดตั้งทิ้งไว้ในห้องที่มีอุณหภูมิคงที่ จะพบว่าระดับของเหลวจะลดลงจนในที่สุดจะคงที่ การที่เป็นเช่นนี้เพราะของเหลวบางส่วนระเหยกลายเป็นไอ และไอบางส่วนก็ควบแน่นกลับมาเป็นของเหลวอีก ในตอนแรกการระเหยจะมากกว่าการควบแน่น ทำให้ระดับของเหลวลดลงแต่เมื่อเวลาผ่านไป การควบแน่นจะมากขึ้นและในที่สุดอัตราการระเหยและการควบแน่นจะเท่ากัน ทำให้ระดับของของเหลวคงที่ เรียกภาวะที่ระบบมีการเปลี่ยนแปลงเท่ากันนี้ว่า ภาวะสมดุล
เมื่อระบบอยู่ในภาวะสมดุล สมบัติต่าง ๆ ของระบบจะคงที่ เช่น ความดัน ความหนาแน่น ความถ่วงจำเพาะ ความเข้มข้น และความเข้มของสีเป็นต้น
             การพิจารณาว่าระบบหนึ่ง ๆ อยู่ในภาวะสมดุลหรือไม่ ต้องใช้เวลาเท่าใดจึงจะอยู่ในภาวะสมดุลให้พิจารณาจากสมบัติต่าง ๆ ของระบบดังที่กล่าวมาแล้ว เช่นอาจจะดูจากสีของระบบ จากปริมาณของตะกอนในระบบหรือจากความดันของระบบ นอกจากจะดูด้วยตาเปล่าแล้วอาจจะทำให้เห็นชัดขึ้นโดยการนำสมบัติต่าง ๆ ของระบบมาเขียนกราฟร่วมกับเวลาที่ใช้ ถ้าเป็นระบบที่เกิดภาวะสมดุล เมื่อถึงระยะเวลาหนึ่งสมบัติเหล่านั้นจะคงที่ ดังกราฟตัวอย่างต่อไปนี้

                สมบัติของระบบอาจจะค่อย ๆ ลดลงจนถึงเวลา t แล้วคงที่ หรือค่อย ๆ เพิ่มขึ้นจนถึงเวลา t แล้วคงที่ ดังนั้น t จึงเป็นเวลาที่ระบบเริ่มอยู่ในภาวะสมดุล ถ้าไม่มีสิ่งใดมารบกวนสมดุล สมบัติของระบบจะคงที่ตลอดไป ลักษณะของกราฟจะเป็นเส้นตรงขนานกับแกนเวลา ในกรณีที่ระบบนั้นไม่มีภาวะสมดุล หรือในกรณีที่ปฏิกิริยานั้นเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ กราฟที่แสดงสมบัติของระบบจะไม่คงที่ ถ้าสมบัติเหล่านั้นลดลงก็จะลดลงจนกลายเป็นศูนย์ เช่นการเผา CaCO3 ในภาชนะเปิดตามสมการ

เนื่องจากเป็นระบบที่ไม่เกิดภาวะสมดุล ดังนั้นถ้าเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมวลของ CaCO3 ที่เหลือกับเวลา หรือปริมาตรของก๊าซ CO2 กับเวลาจะได้ดังนี้

 

สมดุลไดนามิก (Dynamic equilibrium)

                สมดุลไดนามิก เป็นภาวะสมดุลที่เกี่ยวข้องกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาของสาร “หมายถึงภาวะสมดุลที่ระบบมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ หรือมีอัตราการเปลี่ยนแปลงสุทธิเท่ากับศูนย์”

                 เมื่อระบบอยู่ในภาวะสมดุลจะมีอัตราเร็วสุทธิของปฏิกิริยาเท่ากับศูนย์ ทำให้ความเข้มข้นของสารต่าง ๆ ในระบบคงที่ อย่างไรก็ตามที่ภาวะสมดุลไม่ได้หมายความว่าจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ เกิดขึ้น การเปลี่ยนแปลงยังคงเกิดขึ้นตลอดเวลาทั้งปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับ เพียงแต่มีอัตราเร็วเท่ากัน เมื่อดูจากลักษณะภายนอกจึงคล้ายกับไม่เกิดการเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่นเมื่อใส่น้ำลงใส่ถ้วยแก้วที่ฝาปิด น้ำจะกลายเป็นไอทำให้ระดับน้ำในถ้วยแก้วลดลง ในขณะเดียวกันไอน้ำบางส่วนจะกลั่นตัวกลายเป็นน้ำ เมื่อถึงระยะเวลาหนึ่งระดับน้ำในถ้วยแก้วจะคงที่ซึ่งเป็นภาวะที่ระบบกำลังสมดุล ดูจากภายนอกจะไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น ทั้ง ๆ ที่ในขณะนั้นการระเหยและการกลั่นตัวยังคงเกิดขึ้นตลอดเวลาด้วยอัตราเร็วเท่ากัน

ประเภทของสมดุลไดนามิก
              โดยทั่ว ๆ ไป แบ่งประเภทสมดุลไดนามิกตามลักษณะการเปลี่ยนแปลงของสาร คือสมดุลไดนามิก เนื่องจากการเปลี่ยนสถานะ การเกิดสารละลายและการเกิดปฏิกิริยาเคมี ซึ่งจะได้กล่าวถึงรายละเอียดของแต่ละประเภทต่อไป

ภาวะสมดุลระหว่างสถานะ

            เนื่องจากสารแต่ละชนิดสามารถมีได้ทั้งของแข็ง ของเหลวและก๊าซ โดยที่สถานะต่าง ๆ ของสารสามารถจะเปลี่ยนกลับไปกลับมาได้โดยการเพิ่มหรือลดพลังงานให้แก่ระบบ ดังนั้นการเปลี่ยนสถานะของสารจึงมีภาวะสมดุลเกิดขึ้นได้ เช่น สมดุลระหว่างของแข็งกับของเหลว ของเหลวกับก๊าซ และของแข็งกับก๊าซ โดยมีชื่อเรียกต่าง ๆ กันตามลักษณะของการเปลี่ยนแปลง

ภาวะสมดุลในสารละลาย

            ดังที่ได้กล่าวมาในตอนต้นแล้วว่าการละลายของสามารถทำให้เกิดภาวะสมดุลขึ้นได้ ทั้งสารที่เป็นอิเล็กโทรไลต์และนอน – อิเล็กโทรไลต์ โดยแบ่งลักษณะสมดุลของการละลายเป็น 2 ประเภทดังนี้

ก.สมดุลของการแตกตัว เกิดขึ้นกับการละลายของอิเล็กโทรไลต์อ่อนในน้ำ บางส่วนจะแตกตัวเป็นไอออน ในขณะที่บางส่วนของไอออนจะรวมกันโมเลกุลเมื่อถึงภาวะสมดุลอัตราการแตกตัวเป็นไอออนจะเท่ากับอัตราการรวมกันเป็นโมเลกุล เรียกว่า สมดุลของการแตกตัว ตัวอย่างเช่นการละลายของกรดไฮโดรไซยานิก (HCN) ในน้อ HCN จะแตกตัวบางส่วนเป็นไอออนซึ่งจัดว่าเป็นปฏิกิริยาไปข้างหน้า

ข. สมดุลของการละลาย เกิดขึ้นกับการละลายของอิเล็กโทรไลต์แก่หรือนอน – อิเล็กโทรไลต์ที่อยู่ในภาวะอิ่มตัวและมีของแข็งเหลืออยู่ เมื่อนำอิเล็กโทรไลต์แก่เช่น NaCI หรือนอน-อิเล็กโทรไลต์ เช่น C6H12O6 ละลายในน้ำ ในตอนแรกของแข็งเหล่านี้จะละลายได้หมดไม่มีภาวะสมดุลเกิดขึ้น แต่เมื่อเติมของแข็งลงไปในน้ำเรื่อย ๆ จนได้สารละลายอิ่มตัวจะมีภาวะสมดุลเกิดขึ้น ผลึกของแข็งส่วนหนึ่งจะละลายในน้ำซึ่งเป็นปฏิกิริยาไปข้างหน้า ในขณะเดียวกันสารที่อยู่ในสารละลายอิ่มตัวจะรวมกันเกิดเป็นผลึกของแข็งขึ้นมาใหม่ซึ่งเป็นปฏิกิริยาย้อนกลับ ที่ภาวะสมดุลอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า (อัตราการละลาย) จะเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ (อัตราการตกผลึก) เรียกว่า สมดุลของการละลาย

ตัวอย่างเช่นสมดุลของการละลายของ I2 ในตัวทำละลายผสมระหว่างน้ำกับเอธานอล ซึ่งจัดว่าเป็นการละลายของนอน – อิเล็กโทรไลต์เมื่อ I2 ละลายในเอธานอลจนได้สารละลายอิ่มตัว มีผลึกของ I2 เหลืออยู่จะมีภาวะสมดุลเกิดขึ้น

ในกรณีการละลายของอิเล็กโทรไลต์แก่ก็เช่นเดียวกัน จะมีสมดุลของการละลายเกิดขึ้น เช่น การละลายของ CuSO4 ในน้ำ เมื่อสารละลายอิ่มตัวสีของสารละลายจะคงที่ (สีฟ้าของ Cu2+) และมีผลึก CuSO4 เหลืออยู่

จะเห็นได้ว่าการเกิดสารละลายสามารถมีภาวะสมดุลได้ 2 ประเภทคือสมดุลของการแตกตัวและสมดุลของการละลาย

สมดุลของการแตกตัวจะเกิดขึ้นกับการเกิดสารละลายของอิเล็กโทรไลต์อ่อนและสมดุลของการละลายจะเกิดขึ้นกับการเกิดสารละลายของอิเล็กโทรไลต์แก่

หรือนอนอิเล็กโทรไลต์ โดยที่สารละลายนั้นจะต้องอยู่ในภาวะอิ่มตัว (ถ้าไม่ใช่สารละลายอิ่มตัวจะไม่เกิดภาวะสมดุล)

2.1 สมดุลในปฎิกิริยาเคมี

            การเปลี่ยนแปลงทางเคมีก็สามารถเกิดภาวะสมดุลได้เช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ โดยมีชื่อเรียกต่าง ๆ กันตามลักษณะของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น เช่น

โดยทั่ว ๆ ไปปฏิกิริยาเคมีที่มีการเปลี่ยนแปลงแบบผันกลับได้ จะเกิดสมดุลไดนามิกได้ทั้งสิ้น แต่อาจจะใช้เวลาในการดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลไม่เท่ากับ เขียนเป็นสมการทั่ว ๆ ไปได้ดังนี้

 

3. ความสัมพันธ์ระหว่างเข้มข้นของสารต่างๆ ณ ภาวะสมดุล

3.1 ค่าคงที่สมดุลกับสมการเคมี

1.ค่าคงที่สมดุล

ระบบสมดุลของ H2-I2-HI โดยทำการทดลองสารที่มีปริมาณต่าง ๆ ทำปฏิกิริยากันเข้าสู่สมดุลที่อุณหภูมิ 731K ดังสมการของปฏิกิริยาสมดุล คือ

                                           H2 (g) + I2 (g) < ——— > 2HI(g)

ตารางพบว่า การทดลองที่ 1 ถึง 4 เริ่มต้นด้วยแก๊ส H และแก๊ส I เท่านั้น ส่วนการทดลองที่ 5 เริ่มต้นด้วยแก๊ส HI

จากสมการของปฏิกิริยาสมดุล ถ้าแก๊ส H2 1 โมล ทำปฏิกิริยาพอดีกับแก๊ส I2 1 โมล เกิดแก๊ส HI 2 โมล จากข้อมูลในตาราง 1 จะได้ว่า แก๊ส H2 หรือ I2 ทำปฏิกิริยาเกิดแก๊ส HI จำนวนโมล เป็น 2 เท่าของจำนวนโมลของ H2 หรือ I2 ที่ใช้ไป และแก๊ส HI สลายให้แก๊ส H2 และแก๊ส I2 ที่มีจำนวนโมลเท่ากัน

ทดลองคำนวณหาอัตราส่วนความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์กับสารตั้งต้น ที่ภาวะสมดุลามความสัมพันธ์ต่อไปนี้

          จากผลการทดลอง สามารถสรุปได้ว่า “ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ ไม่ว่าจะเริ่มต้นจากสารตั้งต้นที่มีความเข้มข้นเท่าใดก็ตาม ถ้าระบบเข้าสู่ภาวะสมดุล ความเข้มข้นของสารต่าง ๆ ในระบบจะมีค่าคงที่ ซึ่งนำความเข้มข้นของสารต่าง ๆ มาหาความสัมพันธ์กัน พบว่า อัตราส่วนระหว่างผลคูณของความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์แต่ละชนิดยกกำลัง ด้วยตัวเลขบอกจำนวนโมลของผลิตภัณฑ์นั้น ๆ กับผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เหลือแต่ละชนิดยกกำลัง ด้วยตัวเลขบอกจำนวนโมลของสารตั้งต้นนั้น จะได้ค่าคงที่เสมอ ณ อุณหภูมิคงที่ เรียกว่า ค่าคงที่สมดุล”

จากตาราง 3 สรุปได้ว่า

1. ค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาต่าง ๆ มีค่าแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับสมการของปฏิกิริยาที่ดุลแล้ว

2. ค่าคงที่สมดุลจะมีค่าเป็นบวกมากกว่าหนึ่ง หรือน้อยกว่าหนึ่ง แต่จะไม่มีค่าเป็น ติดลบ

3. โดยทั่วไป ณ อุณหภูมิหนึ่งเมื่อค่าคงที่สมดุล มากกว่า 1 แสดงว่า ผลคูณของคามเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ มีค่ามากกว่าผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เหลือ และถ้าคงที่สมดุลน้อยกว่า 1 แสดงว่าผลคูณของความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ มีค่าน้อยกว่าผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เหลือ

4. ถ้าค่าคงที่สมดุลมีค่ามาก แสดงว่า ก่อนเกิดสมดุลปฏิกิริยาเกิดไปข้างหน้า (ดำเนินไปทางขวามือ) ได้มาก แต่ถ้าค่าคงที่สมดุลมีค่าน้อย แสดงว่าก่อนเกิดสมดุลเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าได้น้อย

5. ค่าคงที่สมดุลมีค่ามาก หมายความว่า ที่สมดุลจะเกิดผลิตภัณฑ์มาก สารตั้งต้นเหลือน้อยเช่น 2H2(g) + O2(g) < ——— > 2H2O(l) มีค่า

K = 1.4 x 1083 ที่ 298 K แสดงว่า ที่สมดุลเกิดผลิตภัณฑ์มาก จนถือว่าปฏิกิริยาเกิดสมบูรณ์

6. ค่าคงที่สมดุลมีค่าน้อย หมายความว่า ที่สมดุลเกิดผลิตภัณฑ์น้อย สารตั้งต้นเหลือมากเช่น N2(g) + O2(g) < ——— > 2NO(g) K= 4.5 x10-31 ที่ 298 K แสดงว่า ที่สมดุลเกิดผลิตภัณฑ์น้อยกว่าสารตั้งต้นที่เหลือมากแสดงว่าเกิดปฏิกิริยาน้อยมาก จนถือว่าปฏิกิริยาไม่เกิด

2.ค่าคงที่สมดุลกับสมกราเคมี

การสังเคราะห์ CH3 OH(g) จาก CO(g) และ H2(g) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

แต่ถ้ากลับสมการของปฏิกิริยาที่ (1) เป็น CH3OH(g) < ——— > CO(g) + 2H2(g)

แสดงว่า เมื่อเขียนสมการของปฏิกิริยาเคมีกลับกันกับสมการเดิม ค่า K ใหม่ที่จะได้มีค่าเป็นส่วนกลับกับค่า K เดิม คือกลับเศษเป็นส่วนและส่วนเป็นเศษ

ถ้าสัมประสิทธิ์หน้าสูตรของสารในสมการเปลี่ยนไป ค่า K ก็มีค่าเปลี่ยนไปด้วย เช่น จากสมการของปฏิกิริยาที่ (1)

แสดงว่า เมื่อคูณตัวเลขใดเข้าไปในสมการของปฏิกิริยา ค่า K ใหม่ที่ได้จะต้องนำค่า K เดิมมายกกำลังด้วยตัวเลขที่คูณนั้น

สำหรับค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาที่เกิดจากปฏิกิริยาย่อยมารวมกัน จะมีค่าเท่ากับผลคูณของค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาย่อยเหล่านั้น เช่น แก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ทำปฏิกิริยากับแก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์ เกิดแก๊สซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ และแก๊สไนโตรเจนมอนอกไซด์

ถ้าปฏิกิริยาซัลเฟอร์ไดออกไซด์กับแก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์ เกิดจากปฏิกิริยาย่อยของสมดุลรวมกัน ดังนี้

ผลคูณของค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา (1) และ (2) คือ K1K2 = K

แสดงว่า ถ้าปฏิกิริยารวม เกิดจากปฏิกิริยาย่อยรวมกัน ค่าคงที่สมดุลจะเท่ากับค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยาย่อยคูณกัน

3.2 การคำนวณเกี่ยวกับค่าคงที่สมดุล

ตัวอย่างที่ 1 ปฏิกิริยา 2SO2 ( g ) + O2 < —– > 2SO3 ( g ) ซึ่งเกิดภายในภาชนะขนาด 1 ลิตร เมื่อปฏิกิริยาเข้าสู่ภาวะสมดุลพบว่าภายในภาชนะประกอบด้วย SO3 0.6 โมล SO2 0.2 โมลและ O2 0.3 โมล จงคำนวณหาค่าคงที่ของสมดุล

ตัวอย่างที่ 2 นำเหล็กและน้ำใส่ในภาชนะขนาด 5 dm3 แล้วปิดฝา เมื่อเผาภาชนะที่อุณหภูมิ 1000 C เกิดปฏิกิริยาดังนี้        3Fe ( s ) + 4 H2O( g ) <—–> Fe3O4(s) + 4H2(g )      เมื่อปฏิกิริยาเข้าสู่ภาววะสมดุล จากการวิเคราะห์พบว่า ภายในภาชนะประกอบด้วยแก็สไฮโดรเจน 1.10 กรัม และไอน้ำ 42.50 กรัม จงคำนวณหาค่าคงที่ของสมดุลสำหรับปฏิกิริยานี้ที่อุณหภูมิ 100 C    ( H=1 , O =16)

ตัวอย่างที่ 3 ที่ภาวะสมดุลของปฏิกิริยา CO2 (g) + H2 (g) < —– > CO(g) +H2O(g)ในภาชนะขนาด 6 ลิตรที่อุณหภูมิ 1007 C ความดันย่อยของแก๊สต่างๆเป็นดังนี้ CO2 = 63.1 บรรยากาศ H2 = 21.1 บรรยากาศ CO = 84.2 บรรยากาศและ H2O = 31.6 บรรยากาศ จงคำนวณหาค่าที่ของสมดุล( Kp)สำหรับปฏิกิริยานี้ที่อุณหภูมิ 1007 C

4. ปัจจัยที่มีผลต่อภาวะสมดุล

ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น ความดันและอุณหภูมิ

               ระบบสมดุลของปฏิกิริยาใดๆ จะพบว่ามีความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ และของสารตั้งต้นที่เหลือคงที่แต่ถ้าเปลี่ยนแปลงบางอย่างในระบบ เช่น เลี่ยนความเข้มข้น ความดัน และอุณภูมิ จะมีผลต่อสมดุลอย่างไรระบบของปฏิกิริยาจะดำเนินเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่หรือไม่ และถ้าเกิดสมดุลใหม่อีก ปริมาณของผลิตภัณฑ์ และของสารตั้งต้นที่เหลือจะเท่า หรือไม่เท่าปริมาณที่มีอยู่ในสมดุลเดิม

4.1 การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น

ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นที่มีต่อภาวะสมดุล

             การเปลี่ยนความเข้มข้นของสารในระบบสมดุล ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มหรือลดความเข้มข้น จะทำให้ระบบเสียภาวะสมดุล โดยระบบจะต้องมีการปรับตัวให้กลับสู่สภาวะสมดุลใหม่เสมอ เราลองพิจารณาตัวอย่างของปฏิกิริยาระหว่างไทโอโซยาเนตไอออน (SCN-) กับไอร์ออน (III)ไอออน จนเข้าสู่สมดุล ดังนี้

ระบบนี้เข้าสู่สมดุล พบว่า ความเข้มข้นของสีแดงคงที่ ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงภาวะสมดุลความเข้มข้นของสีแดงก็จะเปลี่ยนไป โดยที่สีแดงเข้ม แสดงว่ามีปริมาณ [FeSCN]2+ มาก และสีแดงจางลง แสดงว่าปริมาณ[FeSCN]2+ น้อย

               การรบกวนสมดุลด้วยการเปลี่ยนความเข้มข้นของสารต่างๆ ในระบบ จะทำให้ระบบเสียสมดุล และระบบจะต้องปรับตัวให้กลับเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่ ซึ่งอาจจะเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า หรือปฏิกิริยาย้อนกลับก็ได้ ทั้งนี้จะพิจารณาความเข้มของสีแดง บอกปริมาณ [FeSCN]2+ ได้ กล่าวคือ ถ้าสีแดงเข้มขึ้น แสดงว่า ระบบเกิดการปรับตัวเข้าสู่สมดุลใหม่ด้วยการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าให้ [FeSCN]2+ เพิ่มขึ้น และในทางตรงข้าม ถ้าสีแดงจางลงแสดงว่า ระบบจะปรับตัวเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ให้ [FeSCN]2+ ลดลง

การทดลองระบบสมดุลของปฏิกิริยาระหว่าง SCN- กับ Fe3+ ดังนี้

เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของสารตั้งต้นชนิดใดชนิดหนึ่ง เช่น เติม Fe3+ จะทำให้เกิดปฏิกิริยากับ SCN- เกิด[FeSCN]2+ มากขึ้น จึงทำให้สารละลายมีสีแดงเข้มขึ้น แสดงว่า เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น และระบบจะปรับตัวเข้าสู่สภาวะสมดุลใหม่อีกครั้งหนึ่ง ซึ่งจะทำให้ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เปลี่ยนไป

และถ้าลดความเข้มข้นของสารชนิดใดชนิดหนึ่ง เช่น ลด Fe3+ จะทำให้เกิดปฏิกิริยากับ SCN- น้อยลง จึงเกิด [FeSCN]2+ ลดลง จึงทำให้สารละลายสีแดงจางลง แสดงว่าเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า-น้อยลง เป็นผลทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับมาก แล้วระบบจะปรับตัวเข้าสู่สมดุลใหม่อีกครั้ง ณ สมดุลใหม่จะพบว่ามีความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เปลี่ยนไป

ในทำนองเดียวกัน ถ้าเพิ่มผลิตภัณฑ์ เช่น เดิม[FeSCN]2+ จะทำให้ปริมาณ[FeSCN]2+ มากขึ้น จึงสลายตัวเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับมากขึ้น ทำให้สารละลายสีแดงจางลง แล้วคงที่ เมื่อระบบปรับตัวเข้าสู่สมดุลใหม่อีกครั้งหนึ่ง ที่สมดุลใหม่นี้จะพบว่า มีความเข้มข้นของสารตั้งต้น และผลิตภัณฑ์เปลี่ยนไป

จากการเปลี่ยนความเข้มข้นของสารต่างๆ ในระบบสมดุล สามารถสรุปได้ว่า ถ้าเติมสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ลงไป

จากการเปลี่ยนความเข้มข้นของสารต่างๆ ในระบบสมดุล สาสมรถสรุปได้ว่า ถ้าเติมสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ลงไป เมื่อระบบสมดุลแล้วความเข้มข้นของสารนั้นจะเพิ่มขึ้น ซึ่งมีผลรบกวนสมดุล โดยระบบจะพยายามปรับตัว เพื่อลดปริมาณสารที่เพิ่มขึ้น ด้วยการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า หรือปฏิกิริยาย้อนกลับมากขึ้น ในที่สุดระบบจะเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่อีกครั้งหนึ่ง

4.2 การเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิ

ผลของการเปลี่ยนแปลงความดันที่มีต่อภาวะสมดุล

               การเปลี่ยนแปลงในความดันในที่นี้หมายถึง การเปลี่ยนแปลงปริมาตร เช่น การเพิ่มความดันก็คือ ลดปริมาตรของระบบ การเปลี่ยนแปลงความดันจะมีผลต่อภาวะสมดุลในระบบนั้นจะต้องมีสารอย่างน้อย 1 ชนิด มีสถานะเป็นก๊าซ ส่วนระบบที่ไม่มีก๊าซอยู่เลย จะพบว่า การเปลี่ยนแปลงความดันจะไม่มีผลต่อการรบกวนสมดุล

ก่อนที่จะพิจารณาว่าการเปลี่ยนแปลงความดันของระบบ มีผลต่อสมดุลอย่างไร ควรจะต้องทราบว่าความดันมีความสัมพันธ์กับสมบัติอื่นๆ ของก๊าซในระบบ เช่น ปริมาตร ความเข้มข้นและจำนวนโมลอย่างไร

จากการศึกษาความสัมพันธ์ต่างๆ ดังนี้

1. จากกฎของบอยส์

“ณ อุณหภูมิที่คงที่ ปริมาตรของก๊าซที่มีมวลคงที่ จะเป็นสัดส่วนผกผันกับความดันของก๊าซนั้นๆ ”

จะได้ว่า V  1/P เมื่อ T และ m คงที่

อธิบาย : ที่อุณหภูมิ และมวลของก๊าซในระบบคงที่ ถ้าปริมาณของก๊าซเพิ่มชึ้น ความดันจะลดลง และถ้าปริมาณของก๊าซลดลง ความดันก็เพิ่มขึ้น

2. จากกฎของสมการบอกสถานะของก๊าซ

สรุปเป็นสูตรได้ว่า PV = nRT

P = n(RT /V) ………….(1)

เมื่อ T,V และ R คงที่ จะได้ว่า P  n

อธิบาย : ที่อุณภูมิ ปริมาตร และมวลของก๊าซคงที่ ความดันแปรผันกับจำนวนโมลของก๊าซ กล่าวคือ ถ้าจำนวนโมลของก๊าซเพิ่มขึ้น ความดันของก๊าซจะเพิ่มขึ้น และถ้าจำนวนโมลของก๊าซลดลง ความดันของก๊าซก็จะลดลงด้วย ดังนั้น ถ้าต้องการให้ระบบมีความดันเพิ่มขึ้น จะต้องให้ระบบเกิดปกิกิริยาในทิศทางที่ลดจำนวนโมล และถ้าต้องการให้ระบบมีความดันลดลง จะต้องให้ระบบเกิดปฏิกิริยาในทิศทางที่ลดจำนวนโมล

จากสมการ จะได้ P = ( n / V )(RT)

เมื่อ T และ R คงที่ และให้ n /v = C = ความเข้มข้น

P     C

อธิบาย : ที่อุณหภูมิคงที่ ความดัน แปรผันกับความเข้มข้นของก๊าซ กล่าวคือ ถ้าความดันเพิ่มขึ้น ความเข้มข้นของก๊าซทุกชนิดในระบบก็เพิ่มขึ้น และถ้าความดันลดลง ความเข้มข้นของก๊าซทุกชนิดในระบบก็ลดลง

ผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีต่อภาวะสมดุล

สมดุลของปฏิกิริยาเคมี จำแนกตามการเปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบเป็นเกณฑ์ได้เป็น 2 ประเภทคือ

1.สมดุลของปฏิกิริยาคายความร้อน (Exothermic reaction equilibrium)

เขียนสมการแทนดังนี้ H 2(g) + I2 (g) 2HCl (g) H = -9.4 KJ

หรือ H2 (g) + I2 (g)  2HCl (g) + 9.4 KJ

สมดุลของปฏิกิริยาคายความร้อน เป็นสมดุลของระบบหลังเกิดปฏิกิริยาจะคายพลังงานให้แก่สิ่งแวดล้อม

สมดุลของปฏิกิริยาคายความร้อน จะพบว่า ปฏิกิริยาไปข้างหน้า คายความร้อน และปฏิกิริยาย้อนกลับ ดูดความร้อน และ จะเรียนซื่อสมดุลของปฏิกิริยาตามซื่อของปฏิกิริยาไปข้างหน้า คือปฏิกิริยาคายความร้อน

2. สมดุลของปกิกิริยาดูดความร้อน (Endothermic reaction equilibrium)
เขียนสมการแทนได้ดังนี้
N2O4(g) 2NO2(g) H = +57.2 KJ

หรือ N2O4(g) + 57.2 KJ 2NO2(g)

สมดุลของปฏิกิริยาดูดความร้อน จะพบว่าปฏิกิริยาไปข้างหน้าดูดความร้อน และ ปฏิกิริยาย้อนกลับ คายความร้อน และ จะเรียกซื่อสมดุลของปฏิกิริยาตามซื่อของปฏิกิริยาไปข้างหน้า คือปฏิกิริยาดูดความร้อน

5. หลักเลอชาเตอลิเอ

5.1 การใช้หลักของเลอชาเตอลิเอ

                ในอุตสาหกรรม นอกจากจะต้องคำนึงถึงการลงทุน และเวลาที่ใช้เป็นสำคัญแล้ว ยังต้องคำนึงถึงกรรมวิธีในการผลิต คือ การเปลี่ยนวัตถุดิบ หรือสารตั้งต้นให้เกิดผลิตภัณฑ์มากที่สุด โดยใช้เวลาน้อยที่สุดในที่นี้จะใช้หลักเลอ ชาเตอลิเอ มาพิจารณาวินิจฉัยผลการเปลี่ยนแปลงปัจจัยต่างๆ เช่น ความดันและอุณหภูมิ ว่ามีผลต่อปริมาณอย่างไรบ้าง และจะนำไปใช้ในอุตสาหกรรมผลิตสารต่างๆได้อย่างไร

ตัวอย่างการผลิตก๊าซแอมโมเนีย (NH3) ซึ่งเป็นสารตั้งต้น ในการผลิต ปุ๋ยแอมโมเนียซัลเฟต (NH4)2SO4 พลาสติก โชดาแอช และสีย้อม การเตรียมก๊าซ NH3 จากปฏิกิริยาระหว่าง N2(g) กับ H2(g) ดังนี้

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) +92 kj

ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน และเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้ ที่ภาวะสมดุล จึงมีสารตั้งต้น และผลิตภัณฑ์ทุกชนิดปนกัน

การทดลองผลิตกาซแอมโมเนีย (NH3) ที่อุณหภูมิ และ ความดันต่างๆ ได้ก๊าซ NH3คิดเป็นร้อยละต่างๆ ดังตาราง 13.16

ตาราง 13.16 ร้อยละโดยโมลของ NH3 ที่สมดุล ที่ความดันและอุณหภูมิต่าง ๆ

ที่มา : George. M. Bodner and Harry L. Pardue, Chemistry (An experimentalscience), 1989, 589 P.

ร้อยละโดยโมลของก๊าซ NH3 คิดจากจำนวนโมลของ NH3(g) ที่สมดุล หารด้วยจำนวนโมลรวมของก๊าซ N2, H2 และ NH3 ที่สมดุล คูณร้อย

จากตาราง 13.16 นำข้อมูลจากการทดลองผลิตก๊าซแอมโมนียที่อุณหภูมิ และความดันต่างๆ มาเขียนกราฟได้ดังรูป 13.9

รูป 13.9 กราฟแสดงร้อยละของ NH3 ผลิตได้ที่สมดุล ณ อุณหภูมิ และความดันต่างๆ เมื่อใช้N22(g) และH2 (g) ผสมในอัตราส่วน 1:3 โดยปริมาตร

จากกราฟในรูป 13.9 สรุปได้ว่า ณ ความดันค่าหนึ่ง เมื่อใช้อุณหภูมิต่ำ จะผลิตก๊าซ NH3 ปริมารมากกว่าเมื่อผลิตที่อุณหภูมิสูง และอุณหภูมิ ยิ่งผลิต NH3(g) ออกมาได้น้อย ซึ่งสามารถอธิบายโดยใช้หลักเอ ชาเตอลิเอ ดังนี้

เนื่องจากปฏิกิริยาของการผลิต NH3(g) เป็นแบบคายความร้อน ถ้าลดอุณหภูมิสมดุลของระบบเสียไป ในทิศทางที่จะต้องปรับตัวเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น เพื่อคายพลังงานเพิ่มขึ้น ตามหลังชาเตอลิเอ ที่สมดุลใหม่จะพว่ามีปริมาณ NH3(g) เพิ่มขึ้น ซึ่งเขียนสรุปได้ดังนี้

จากกราฟในรูป 13.9 สรุปได้ว่า ณ อุณหภูมิค่าหนึ่ง เมื่อเพิ่มความดันจะได้ก๊าซ NH3 มากขึ้น ซึ่งสามารถอธิบายโดยใช้หลัก เลอ ชาเตอลิเอ ดังนี้

ปฏิกิริยาที่เป้นก๊าซ จำนวนโมลของก๊าซที่เป็นสารตั้งต้นไม่เท่ากับจำนวนโมลของก๊าซที่เป็นผลิตภัณฑ์ในสมการที่ดุลแล้ว เมื่อเพิ่มความดัน ทำให้สมดุลเสียไปในทิศทางต้องเกิดจากการปรับตัวเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น ที่สมดุลใหม่จะพบว่าปริมาณ NH3 (g) เพิ่มขึ้น ซึ่งเขียนสรุปได้ดังนี้

             สรุป การผลิตก๊าซ NH3 ให้มีปริมาตรมาก ควรเลือกผลิตที่อุณหภุมิต่ำ และความดันสูง การผลิตก๊าซ NH3 ในอุตสาหกกรรม นอกจากต้องผลิต NH3 (g) มากๆ แล้วยังต้องคำนึงถึงเวลาที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยา คือ ถ้าผลิตที่อุณหภูมิต่ำ จะมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาต่ำ ทำให้ได้ก๊าซ NH3 ช้า เป็นการสิ้นเปลืองเวลา จากการทดลองพบว่า อุณหภูมิที่พอเหมาะในการผลิตก๊าซ NH3 คือ 500 C และเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้นจึงต้องใส่ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย ส่วนความดันที่ใช้ผลิตก๊าซ NH3 มีขอบเขตจำกัดทั้งนี้เนื่องจากอุปกรณ์ที่ใช้กับความดันสูงๆ ราคาแพงมาก ดังนั้น ความดันที่พอเหมาะในการผลิต NH3 คือ 350 atm

ฟริตช์ ฮาเบอ

             ฟริตช์ ฮาเบอร์ เป็นนักเคมีชาวเยอรมัน พบว่าภาวะเหมาะที่จะผลิต NH3 (g) ในอุตสาหกรรม คือ ใช้อุณหภูมิ 500๐C ความดัน 350 atm และมี Fe เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โดยให้ N2 (g) และ H2 (g) ทำปฏิกิริยาเดียวกัน พบว่า เกิด NH3 (g) เพียง 30% เท่านั้น แล้วแยกก๊าซ NH3 ออก ส่วนก๊าซ N2 และ H2 นำกลับไปใช้ผลิตใหม่ กระบวนการผลิต NH3 (g) นี้เรียกว่า กระบวนการฮาเบอร์ (Haber process)

             กระบวนการฮาเบอร์ ผลิต NH3 N2 เตรียมจากการกลั่นลำดับส่วนอากาศเหลว และ H2 เรียมจากแนฟทา หรือก๊าซธรรมชาติ กับไอน้ำ โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาดังนี้

การแยกก๊าซ CO ออกจากก๊าซผสม และอาจจะมีก๊าซที่เป็นสารประกอบของกำมะถัน ไอน้ำ และ ก๊าซ CO2ก็ต้องแยกออกไปด้วย แล้วนำก๊าซ H2 ไปใช้เตรียมก๊าซ NH3 ต่อไป

อุตสาหกรรมการผลิต SO3 ซึ่งใช้เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมกรดซัลฟิวริก (H2SO4) โดยใช้ก๊าซ SO2 ทำปฏิกิริยากับก๊าซ O2 ดังสมการ

ปฏิกิริยาคายความร้อน และเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้ อาศัยหลัก เลอ ชาเตอลิเอ ถ้าต้องการ SO3 มาก ควรลดอุณหภูมิ และเพิ่มความดัน ในทำนองเดียวกับการผลิตก๊าซ NH3 ดังนี้

ในการผลิตก๊าซ SO3 ใช้สารประกอบเนวาเดียม (เช่น VO3- หรือ V2O5) และแพลทินัม (Pt) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ภาวะที่พอเหมาะในการผลิต SO3 ให้ได้ปริมาณมาก ใช้อุณหภูมิ 450๐C จะเกิด SO3 97% และที่ความดันเพียง 1 atm ก็พอ

อุตสาหกรรมการสังเคราะห์เพชรจากแกรไฟต์ ซึ่ง นักวิทยาศาสตร์สังเคราะห์ได้สำเร็จในปี ค.ศ. 2497 เขียนแทนด้วยสมการดังนี้

ปฏิกิริยาเป็นแบบดูดความร้อน การเพิ่มอุณหภูมิจะรบกวนสมดุล อาศัยหลักของเลอชาเตอริเอ จะพบระบบการปรับตัวเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น ที่สมดุลใหม่มีผลิตภัณฑ์เพชรมากขึ้น นอกจากนี้ยังพบว่าเพชร มีความหนาแน่นสูงกว่าแกรไฟต์ จึงทำให้ปริมาตรต่อโมลของเพชรน้อยกว่าแกรไฟต์ การอัดแกรไฟต์ที่ความดันสูงมาก ๆ จะทำให้ปริมาตรต่อโมลยิ่งลดลง บางส่วนของแกรไฟต์ ถูกจัดเปลี่ยนโครงสร้างเป็นเพชรดังนั้น ภาวะที่เหมาะสมที่จะสังเคราะห์เพชร คือ อุณหภูมิประมาณ 2000๐C และความดันตั้งแต่ 50,000-100,000 atm และใช้ Fe หรือ Cr หรือ Pt เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

ประวัติบุคคลสำคัญ

อองรี ลุย เลอ ซาเตอลิเอ (1850-1936)

                อองรี ลุย เลอ ซาเตอริเอ เริ่มทำงานด้วยการเป็นวิศวกรเหมืองแร่ ก่อนที่จะมาสอนวิชาเคมี มันเป็นประสบการณ์ของเขาที่เป็นวิศวกร อย่างไรก็ตามเขาได้ค้นคว้าสิ่งต่างๆ เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์หลายอย่างที่สำคัญที่สุดที่เขาค้นคว้าเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ก็คือ กฎของสมการเคมี เรียกว่า หลักของเลอซาเตอลิเอ กล่าวว่า “ถ้าระบบของสมดุลใดๆ ถูกรบกวนระบบสมดุลนั้น ก็จะเปลี่ยนไปในทิศทางที่จะลดผลของการรบกวนนั้น เพื่อให้ระบบเข้าสู่สภาวะสมดุลอีกครั้งหนึ่งสำหรับในงานด้านอื่น ๆ เขาได้ปรับปรุงเครื่องวัดอุณหภูมิสูง ๆได้ เรียกว่า แพลทินัม-โรเดียมเทอร์-มอคอบบัพ นอกจากนั้นเขายังได้ออกแบบสร้างไมโครสคอปชนิดพิเศษสำหรับศึกษาโลหะ และได้ปรับปรุง กระบวนการขัดผิวโลหะใหม่ เพื่อตรวจสอบโลหะต่าง ๆ

 

6. สมดุลเคมีในสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม

                การดำรงชีวิตของมนุษย์จะเกี่ยวข้องกับกระบวนการและปฏิกิริยาต่างๆภายในร่างกาย ซึ่งเกิดขึ้นในลักษณะชองสมดุลไดนามิก เช่น กระบวนการหายใจและแลกเปลี่ยนแก๊สในระบบหมุนเวียนเลือด ในภาวะปกติขณะที่ร่างกายพักผ่อน

               ผู้ชายจะใช้ O2 ประมาณ 250 มิลลิลิตรต่อนาที และมีความต้องการเพิ่มขึ้นเมื่อทำกิจกรรมหรือออกแรงมากขึ้น O2 จะถูกลำเลียงไปยังส่วนต่างๆของร่างกายโดยรวมไปกับโมเลกุลของฮีโมโกลบิน (Hb) ซึ่งเป็นโปรตีนในเม็ดเลือดแดง โมเลกุลของฮีโมโกลบินที่รวมอยู่กับ O2 เรียกว่า ออกซีฮีโมโกลบิน เขียนสมการอย่างง่ายๆแสดงได้ดังนี้

ขณะที่หายใจเข้า O2 จะผ่านหลอดลมฝอยและเข้าสู่ถุงลมปอด ความดันของ O2 ในถุงลมปอดจะสูงกว่าความดันในเส้นเลือดฝอยและรวมตัวกับฮีโมโกลบินที่เม็ดเลือดแดงกลายเป็นออกซิโมโกลบิน ปฏิกิริยาจะดำเนินไปข้างหน้า เมื่อเลือดไหลเวียนไปยังเนื้อเยื่อต่างๆของร่างกายซึ่งจำเป็นต้องใช้ O2 เพื่อทำกิจกรรมต่างที่เป็นผลจากเมทาบอลิซึม O2 ในเลือดจึงถูกปล่อยออกมา ปฏิกิริยาจะเกิดในทิศทางย้อนกลับเพื่อเพิ่มปริมาณ O2 เนื่องจาก
กระบวนการทั้งสองนี้ดำเนินไปอย่างต่อเนื่องรวมทั้งมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับเท่ากัน จึงทำให้มีภาวะสมดุลเกิดขึ้น

ในกระบวนการหายใจ นอกจากจะมีการปรับสมดุลของ O2 แล้ว ให้พิจารณาสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกระบวนการเมทาบอลิซึมของกลูโคส ซึ่งใช้ออกซิเจนดังต่อไปนี้

จากสมการทำให้ทราบว่าในการเผาผลาญกลูโคส 1 โมเลกุล จะต้องใช้ O2 จำนวนมากและทำให้เกิด CO2 มากด้วยเช่นกัน เมื่อ CO2 ที่เนื้อเยื่อมีปริมาณสูงขึ้น CO2 จะแพร่เข้าสู่เลือดในหลอดเลือดฝอยเพื่อส่งผ่านไปยังปอด ซึ่ง CO2 จะทำปฏิกิริยากับน้ำเกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (H2 CO3) และแตะตัวอยู่ในรูปของไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน (HCO3) กับไฮโดรเจนไอออน (H+) ดังสมการ

ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออนถูกส่งถึงหลอดเลือดฝอยรอบถุงลมปอด ซึ่งภายในถุงลมปอดมีความดันของ CO2น้อย ปฏิกิริยาจะเกิดย้อนกลับเพื่อเพิ่มความดัน โดย CO2ในหลอดเลือดฝอยจะแพร่เจ้าสู่ถุงลมปอดและถูกขับออกจากปอดในขณะที่เราหายใจออก ระบบการขนส่ง O2 และ CO2 ของร่างกาย
จากการศึกษาพบว่าในเลือดของคนที่อาศัยอยู่ในพื้นที่ที่สูงกว่าระดับน้ำทะเลมากๆจะมีความเข้มข้นของฮีโมโกลบินเม็ดเลือดแดงสูง แสดงว่าภาวะแวดล้อมที่แตกต่างกันเป็นปัจจัยที่มีผลต่อการทำงานของระบบต่างๆภายในร่างกาย ดังนั้นผู้ที่ต้องเดินทางไปในพื้นที่ที่สูกว่า ระดับน้ำทะเลมากๆ อาจเกิดอาการที่เรียกว่า ไฮพอกเซีย (hypoxia) ซึ่งเกิดจากที่มีออกซิเจนไปเลี้ยงเนื้อเยื่อของร่างกายไม่เพียงพอ ในรายที่เป็นรุนแรงอาจถึงตายได้
เราทราบมานานแล้วว่าหน้าที่หลักของฮีโมโกลบินคือการขนส่งออกซิเจนไปเลี้ยงส่วนต่างๆของร่างกาย ซึ่งเขียนสมการอย่างง่ายแสดงปฏิกิริยาได้ดังนี้

เนื่องจากความดันของออกซิเจนที่ระดับความสูงจากระดับน้ำทะเลมากๆ มีค่าต่ำกว่าความดันของออกซิเจนในบรรยากาศมีค่าประมาณ 0.14 บรรยากาศ ส่วนความดันย่อยของออกซิเจนในบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลมีค่าประมาณ 0.2 บรรยากาศ ดังนั้นการอยู่ในที่ระดับความสูงมากๆ จึงมีปริมาณของ O2 ในอากาศลดลง ตามหลักของเลอชาเตอลิเอ เมื่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นในที่นี้คือออกซิเจนลดลง ปฏิกิริยาย้อนกลับจะเกิดมากขึ้น ทำให้ปริมาณของออกซีฮีโมโกลบินลดลง เป็นผลให้การขนส่ง O2 ไปเลี้ยงเนื้อเยื่อส่วนต่างๆได้น้อยลง จึงทำให้เกิดอาการไฮพอกเซีย อย่างไรก็ตามถ้าอยู่ในบริเวณนั้นนานๆ ร่างกายสามารถปรับตัวโดยสร้าง Hb ในเลือดให้เพิ่มมากขึ้นจนมีผลให้ฮีโมโกลบินสามารถจับกับ O2เกิดเป็นออกซีฮีโมโกลบินได้อย่างเพียงพอ ด้วยเหตุนี้คนที่อยู่ในบริเวณที่มีความสูงมากๆ จึงมีระดับความเข้มข้นของฮีโมโกลบินในเลือดสูงกว่าของคนที่อยู่ที่ระดับน้ำทะเลปกติ เนื่องจากกระบวนการทั้งสองเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและปฏิกิริยาย้อนกลับเท่ากัน ในที่สุดระบบก็จะปรับตัวเข้าสู่ภาวะสมดุล

นอกจากนี้ยังสามารถใช้ความรู้เกี่ยวกับสมดุลเคมีอธิบายสมดุลของแคลเซียมในร่างกายได้อีกด้วย แคลเซียมจัดเป็นธาตุที่มีปริมาณมากที่สุดในร่างกายของมนุษย์ โดยคิดเป็นร้อยละ 1.5 – 2 ของน้ำหนักร่างกายผู้ใหญ่ ปริมาณแคลเซียมในร่างกายร้อยละ 98-99 เป็นองค์ประกอบของฟันและกระดูก ส่วนที่เหลือจะอยู่ในเนื้อเยื่อและกระแสเลือด หน้าที่หลักของแคลเซียมในร่างกายคือการเสริมสร้างและซ่อมแซมกระดูกและฟัน นอกจากนี้ยังมีส่วนร่วมในการทำงานของเอนไซม์ กระบวนการเมทาบอลิซึมของวิตามินดี การหดตัวของกล้ามเนื้อ การเต้นของหัวใจ การแข็งตัวของเลือด การเจริญเติบโตของกระดูกจะถึงจุดสูงสุดเมื่ออายุประมาณ35 ปี และหลังจากอายุ 40 ปี จะเกิดการสูญเสียแคลเซียมในกระดูกไปร้อยละ 1 – 2 ต่อปี เมื่ออายุประมาณ 65 ปี จะสูญเสียแคลเซียมได้ถึง
ร้อยละ 30 – 50 ต่อปี การสูญเสียแคลเซียมของผู้หญิงจะเกิดเร็วในช่วงภาวะหมดประจำเดือน สำหรับผู้ชายจะมีการสูญเสียที่น้อยกว่า

เพื่อให้การทำงายของระบบต่างๆในร่างกายอยู่ในสภาพปกติ จึงต้องมีการรักษาระดับแคลเซียมในเลือดให้คงที่และอยู่ในภาวะสมดุลกับปริมาณแคลเซียมในกระดูก ภายใต้การควบคุมของวิตามินดีและพาราทอร์โมน การลดปริมาณแคลเซียมในเลือดเพียงเล็กน้อยจะไปกระตุ้นให้มีการปลดปล่อยแคลเซียมจากกระดูก เพิ่มการดูดซึมแคลเซียมจากลำไส้พร้อมกับลดการสูญเสียทางปัสสาวะ หรือขณะที่ร่างกายอยู่ภาวะที่มีการซ่อมแซมกระดูกที่แตกหักก็จะเกิดการดูดซึมแคลเซียมเข้าไปในกระแสเลือดเพิ่มมากขึ้น กระบวนการที่เกิดขึ้นตามที่กล่าวมาแล้วมีลักษณะของ
สมดุลไดนามิกทั้งสิ้น

สมดุลเคมีนอกจากจะเกิดขึ้นในระบบต่างๆของร่างกายตามที่กล่าวมาแล้ว ยังเกิดกับปรากฎการณ์ต่างๆในธรรมชาติอีกด้วย เช่น วัฎจักรของคาร์บอน อะตอมของคาร์บอนมีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางเคมีต่างๆ ทั้งในสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิต ทำให้เกิดสารประกอบของคาร์บอนจำนวนมาก สารประกอบของคาร์บอนอาจจะสะสมในรูปของมวลชีวภาพ สารอินทรีย์ที่ตกตะกอนทับถมกัน หรือในรูปของคาร์บอเนตในหินปูนในเปลือกหอยและปะการัง

สารประกอบของคาร์บอนจะมีการหมุนเวียนกลับสู่บรรยากาศและแหล่งน้ำได้โดยกระบวนการหายใจ การเผาไหม้และการเน่าเปื่อย เมื่อ CO2 ถูกปล่อยออกมาในบรรยากาศ บางส่วนจะคงอยู่ในบรรยากาศ บางส่วนจะละลายลงในแหล่งน้ำ มหาสมุทร หรือละลายในน้ำฝนแล้วซึมลงดิน ปริมาณของแก๊ส CO2 ในบรรยากาศกับในแหล่งน้ำบนพื้นโลกจะอยู่ในภาวะสมดุลกัน

การเพิ่มปริมาณ CO2 ให้กับบรรยากาศจะมีผลให้เกิดการละลายของ CO2 ลงในแหล่งน้ำมากขึ้น เพื่อลดผลของการรบกวนสมดุลตามหลักของเลอชาเตอลิเอ ซึ่งในที่สุดก็จะปรับเข้าสู่สมดุลใหม่ การละลายน้ำของแก๊ส CO2 เป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้น้ำในธรรมชาติมีสภาพเป็นกรด ปัจจุบันแก๊ส CO2 ในบรรยากาศมีปริมาณเพิ่มขึ้น เพราะว่ามีการเผาไหม้เชื้อเพลิงจำนวนมากในกระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรม การขับเคลื่อนยามพาหนะที่ใช้สัญจร และในการดำรงชีวิตประจำวัน รวมทั้งการทำลายป่า มีผลทำให้ฝนที่ตกลงมาและน้ำในแหล่งต่างๆมีความเป็นกรดเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาจากการละลายของ CO2 ที่ทำให้มีสภาพความเป็นกรดเป็นดังนี้

สภาพความเป็นกรดของน้ำในสิ่งแวดล้อมทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ ตัวอย่างที่พบเห็นในธรรมชาติ เช่น การเกิดหินงอกและหินย้อน ซึ่งเกิดจากน้ำที่มีสภาพความเป็นกรดไหลซึมผ่านพื้นดินและทำปฏิกิริยากับหินปูน จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นแคลเซียมไฮโดรเจนคาร์บอเนต แคลเซียมไฮโดรเจนคาร์บอเนตจะละลายในน้ำที่ซึมผ่านจนอิ่มตัวและอาจมีความเข้มข้นถึง 200 ppm เมื่อน้ำไหลซึมผ่านเข้าไปในถ้ำซึ่งมี CO2 ในบรรยากาศเข้มข้นประมาณร้อยละ 0.04 สารละลายดังกล่าวจะอยู่ในภาวะสมดุลกับบรรยากาศภายในถ้ำ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

ในปฏิกิริยารวมข้างต้นนี้ ปฏิกิริยาไปข้างหน้าถึงการละลายน้ำของ CO2 จากอากาศหรือจากการเน่าเปื่อยของซากพืชและสัตว์ในดิน ทำให้น้ำมีสภาพเป็นกรด ถ้าสารละลายมีความเป็นกรดสูงจะละลาย Ca CO2 จากแหล่งหินปูนได้ดี หินปูนจึงเกิดการผุกร่อนเป็นโพรงหรือถ้ำได้ เมื่อสารละลายไหลไปตามผนังหรือหยดลงบนพื้นถ้ำและน้ำหรือ CO2 สามารถแยกตัวออกจากสารละลายได้ ปฏิกิริยาจะเกิดย้อนกลับ เป็นผลให้มี Ca CO2 ตกผลึกแยกออกมาเกิดเป็นหินย้อยตามเพดานหรือหินงอกบนพื้นภายในถ้ำ ปฏิกิริยาย้อนกลับเกิดได้ช้ามาก ต้องใช้เวลานานหลายร้อยหลายพันปีกว่าจะได้หินย้อยและหินงอกที่มีสภาพใหญ่โตและสวยงามดังที่เห็นดังรูป

ความรู้เพิ่มเติม
เม็ดเลือดแดงของคนมีรูปร่างกลมแบน ตรงกลางเว้าทั้งสองด้าน ไม่มีนิวเคลียส ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 7.5 ถึง 8.5 ไมครอน เม็ดเลือดแดงมีสีแดง เนื่องจากฮีโมโกลบินที่มีธาตุเหล็กเป็นองค์ประกอบ ดังนั้นการขาดธาตุเหล็กทำให้ไม่สามารถสร้างเม็ดเลือดแดงและอาจเกิดโรคโลหิตจางได้ ในเลือด 1ลูกบาศก์มิลลิเมตร เพศชายจะมีเม็ดเลือดแดงอยู่ประมาณ 5 – 5.5 ล้านเม็ด ส่วนเพศหญิงจะมีประมาณ 4.5 – 5 ล้านเม็ด ไขกระดูกจะสร้างเม็ดเลือดแดงขึ้นมาทดแทนทุกวันประมาณร้อยวะ 1 ของจำนวนนี้ เม็ดเลือดแดงมีอายุเฉลี่ยประมาณ 100 – 120 วัน

มวลชีวภาพ (biomass)
หมายถึง อินทรีย์สารจากพืชและสัตว์ ซึ่งเมื่อนำไปผ่านกระบวนการย่อยสลายด้วยความร้อนหรือกระบวนการทางชีวเคมี จะเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน ตัวอย่างมวลชีวภาพที่ใช้เป็นแหล่งพลังงานได้แก่ ไม้ วัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร มูลสัตว์

พาราทอร์โมน หรือพาราไทรอยด์ ฮอร์โมน (PTH)
เป็นฮอร์โมนที่สร้างจากต่อมพาราไทรอยด์ มีหน้าที่หลักในการควบคุมภาวสมดุลของแคลเซียมและฟอสฟอรัสในร่างกาย ซึ่งได้แก่
- การเคลื่อนย้ายแคลเซียมและฟอสฟอรัสออกจากกระดูกและการดูดซึมกลับ
- การเพิ่มการดูดซึมกลับของแคลเซียมที่ไต
- การเพิ่มการดูดซึมของแคลเซียมที่ลำไส้
- การลดการดูดซึมของฟอสฟอรัสที่ไต

About these ads

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s

ติดตาม

Get every new post delivered to your Inbox.

%d bloggers like this: