สร้างเว็บ

การเปลี่ยนแปลงที่ผันกลับได้

การเปลี่ยนแปลงที่ภาวะสมดุล

ความสัมพันธ์

ปัจจัยที่มีผลต่อภาวะสมดุล

เลอชาเตอลิเอ

สมดุลเคมีในสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม

(เข้าชม 1191 ครั้ง)

หลักของเลอชาเตอลิเอ

จากการทดลอง 7.4 และ 7.5 แสดงใหเห็นว่าการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสาร ความดัน หรืออุณหภูมิ เป็นการรบกวนภาวะสมดุล และมีผลทำให้ภาวะสมดุลของระบบเปลี่ยนแปลง นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสชื่อ อองรี-ลุย เลอชาเตอลิเอ ได้ศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงภาวะสมดุลของปฏิกิริยาต่าง ๆ และได้ข้อสรุปในปี พ.ศ. 2527(ค.ศ.1884) ว่า เมื่อระบบที่อยู่ในภาวะสมดุลถูกรบกวนโดยการเปลี่ยนแปลงปัจจัยที่มีผลต่อภาวะสมดุลของระบบ ระบบจะเกิดการเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่จะลดผลของการรบกวนนั้น เพื่อให้ระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกครั้ง ข้อสรุปนี้ต่อมารู้จักกันแพร่หลายว่าเป็น หลักของเลอชาเตอลิเอ จากหลักการดังกล่าวนี้ทำให้สามารถทำนายทิศทางการดำเนินไปของปฏิกิริยาเพื่อเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่ เมื่อมีการรบกวนสมดุลโดยการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ ความดันหรือปริมาตรหรืออุณหภูมิของระบบได้และสามารถนำไปอธิบายปรากฏการณ์ต่าง ๆ ได้เป็นจำนวนมาก รวมทั้งสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรม เพื่อเลือกภาวะที่เหมาะสมที่จะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์มากที่สุด

การใช้หลักของเลอชาเตอลิเอในอุตสาหกรรม

ในวงการอุตสาหกรรม ผู้ผลิตจะเลือกกรรมวิธีผลิตที่สามารถเปลี่ยนวัตถุดิบหรือสารตั้งต้นให้เกิดเป็นผลิตภัณฑ์ได้มากที่สุด โดยเสียเวลาและค่าใช้จ่ายน้อยที่สุด จึงมีการนำหลักของเลอชาเตอลิเอมาใช้กันอย่างแพร่หลาย เช่น การผลิตแก๊สแอมโมเนีย เพื่อใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตปุ๋ยแอมโมเนียมซัลเฟต พลาสติกหรือสีย้อม การผลิตแก๊สแอมโมเนียใช้สารตั้งต้นคือแก๊สไนโตรเจนที่ได้จากแก๊สธรรมชาติ ปฏิกิริยาระหว่างแก๊สไนโตรเจนกับแก๊สไฮโดรเจนเกิดขึ้น ดังสมการ
N $\displaystyleN_2(g)+3H_2(g)\leftrightarrow2NH_3(g)+92kJ$

ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนและผันกลับได้ ณ ภาวะสมดุล จึงมีทั้งสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ทุกชนิดผสมกัน

- นักเรียนคิดว่าการเปลี่ยนความดันหรืออุณหภูมิจะทำให้เกิดผลอย่างไร

ถ้านำข้อมูลจากการทดลองผลิตแก๊สแอมโมเนียที่อุณหภูมิและความดันต่าง ๆ มาเขียนกราฟ จะได้ดังรูป

รูป 7.15 กราฟแสดงปริมาณของแก๊สแอมโมเนียที่ผลิตได้ ณ อุณหภูมิและความดันต่าง ๆ เมื่อใช้แก๊สไนโตรเจนและแก๊ส ไฮโดรเจนผสมกันในอัตราส่วน 1:3 โดยปริมาตร

จากกราฟแสดงให้ทราบว่า ณ ความดันหนึ่ง ถ้าผลิตแก๊สแอมโมเนียที่อุณหภูมิต่ำ จะได้ปริมาณแก๊สแอมโมเนียมากกว่าเมื่อผลิตที่อุณหภูมิสูง นักเรียนคิดว่าการได้แก๊สแอมโมเนียน้อยลงเมื่อเพิ่มอุณหภูมิเป็นไปตามหลักของเลอชาเตอลิเอหรือไม่ อย่างไร

เนื่องจากปฏิกิริยาการผลิตแก๊สแอมโมเนียเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน การลดอุณหภูมิจึงมีผลทำให้ระบบปรับตัวไปในทิศทางที่เกิดแก๊สแอมโมเนียมากขึ้น ซี่งเป็นไปตามหลักของเลอชาเตอลิเอ

ณ อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่ง เมื่อเพิ่มความดันจะได้แก๊สแอมโมเนียมากขึ้น อธิบายได้ว่าเมื่อใช้แก๊สไนโตรเจน 1 โมล ทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจน 3 โมล ( รวมทั้งหมด 4 โมล ) จะได้แก๊สแอมโมเนีย 2 โมล แสดงว่าการเกิดแก๊สแอมโมเนียทำให้จำนวนโมลรวมของแก๊สในระบบลดลงโดยที่ปริมาตรคงเดิม เป็นผลให้ความดันของแก๊สในระบบลดลงถ้าต้องการให้ได้แก๊สแอมโมเนียปริมาณมากขึ้น จึงทำได้โดยการเพิ่มความดันให้แก่ระบบ

ดังนั้นถ้าต้องการเตรียมแก๊สแอมโมเนียให้ได้ปริมาณมาก จึงควรเตรียมทิ่อุณหภูมิต่ำและความดันสูงอย่างไรก็ตามยังมีปัจจัยที่สำคัญอีกประการหนึ่งซึ่งจะต้องนำมาประกอบการพิจารณาคืออัตราการเกิดปฏิกิริยา เพราะว่าที่อัณหภูมิต่ำแก๊สไนโตรเจนจะทำปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนได้ช้ามาก

จากการศึกษาพบว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นถ้าเพิ่มอุณหภูมิหรือใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม ถ้าใช้อุณหภูมิต่ำมากปฏิกิริยาจะเกิดช้าจึงไม่เหมาะสมสำหรับอุตสาหกรรม จากการทดลองพบว่าภาวะที่เหมาะสำหรับผลิตแก๊สแอมโมเนียคือที่อุณหภูมิประมาณ $\displaystyle500{}^\circC$ C และควรใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น นอกจากนี้ความดันก็มีผลเช่นเดียวกันแต่มีขอบเขตจำกัด เนื่องจากอุปกรณ์ที่ทนความดันสูงมีราคาแพงมาก ความดันที่เหมาะสมในการเตรียมแก๊สแอมโมเนียคือ 350 บรรยากาศ
การเตรียมแก๊สแอมโมเนียในอุตสาหกรรมจึงใช้แก๊สไนโตรเจนที่ปฏิกิริยากับแก๊สไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ $\displaystyle500{}^\circC$ Cความดัน 350 บรรยากาศ โดยมีเหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา กระบวนการ

สังเคราะห์ดังกล่าวนี้ถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1912 โดยนักเคมีชาวเยอรมันชื่อ ฟริตซ์ ฮาเบอร์ จึงเรียกกระบวนการนี้ว่า

กระบวนการฮาเบอร์

กรดซัลฟิวริก ใช้ในอุตสาหกรรมเคมีหลายชนิด ได้แก่ การผลิตปุ๋ยเคมี เคมีภัณฑ์ สี แบตเตอรี่ เส้นใยสังเคราะห์ ยางธรรมชาติและยางสังเคราะห์ ยา พลาสติก กระดาษ สารกึ่งตัวนำ

อุตสาหกรรมการผลิตสารเคมีอื่น ๆ ที่นำหลักของเลอชาเตอลิเอมาใช้ เช่น การเตรียมแก๊สซัลเฟอร์ไตรออกไซด์เพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมกรดซัลฟิวริก โดยให้แก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ทำปฏิกิริยากับแก๊สออกซิเจนดังสมการ

$\displaystyle2SO_2 (g)+O_2(g)\leftrightarrow2SO_3(g)$ +พลังงาน

- ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ให้ใช้หลักของเลอชาเตอลิเอทำนายว่า ถ้าต้องการได้ผลิตภัณฑ์มากควรจะเลือกอุณหภูมิและความดันอย่างไร

สำหรับอุตสาหกรรมการผลิตแก๊สฟอสจีน $\displaystyle(COCl_2)$ เพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมพลาสติกชนิดพอลิคาร์บอเนต ซึ่งมีสมบัติแข็งและใส ทนความร้อนได้ดีนิยมนำมาใช้ทำผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ เช่น ขวดนมเด็ก ฝาครอบโคมไฟฟ้า พลาสติกชนิดพอลิยูรีเทน ซึ่งมีสมบัติยืดหยุ่นทนการขีดข่วนได้ดี ใช้ทำน้ำยาเคลือบผิว ล้อรถเข็น ชุดว่ายน้ำ นอกจากนี้ยังใช้แก๊สฟอสจีนในการผลิตสารกำจัดแมลง สีย้อม และยา การเตรียมแก๊สฟอสจีนเริ่มต้นจากปฏิกิริยาระหว่างแก๊ส CO กับแก๊สCI $\displaystyleCl_2$ เขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้ดังนี้
$\displaystyle CO(g)+Cl_2(g)+$ พลังงาน $\displaystyle \leftrightarrow COCl_2(g)$
ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน โดยทั่วไปจะให้แก๊สทั้งสองชนิดนี้ทำปฏิกิริยากันที่อุณหภูมิ $\displaystyle200{}^\circ C$ โดยมีผงถ่านเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน โดยทั่วไปจะให้แก๊สทั้งสองชนิดนี้ทำปฏิกิริยากันที่อุณหภูมิ $\displaystyle 200{}^ \circ C$ โดยมีผงถ่านเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

- ถ้าต้องการให้ได้ผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น อุณหภูมิและความดันของแก๊สในระบบควรเป็นอย่างไร

อุตสาหกรรมอีกประเภทหนึ่งคือ การสังเคราะห์เพชรจากแกรไฟต์ นักเรียนทราบแล้วว่าเพชรและแกรไฟต์เป็นธาตุคาร์บอน แต่ปรากฏอยู่ในรูปต่างกันนักวิทยาศาสตร์ได้ทดลองสังเคราะห์เพชรจากแกรไฟต์เป็นผลสำเร็จเมื่อปี พ.ศ. 2498 (ค.ศ. 1955) สมการแสดงการเปลี่ยนแปลงเขียนได้ดังนี้

เพชรรัสเซียหรือคิวบิกเซอร์โคเนีย

เป็นเพชรเทียมเลียนแบบที่มีส่วนประกอบทางเคมีต่างจากเพชรแท้ เริ่มนำมาใช้กันในปี พ.ศ. 2519 มีส่วนประกอบหลักเป็นเซอร์โคเนียมไดออกไซด์ $\displaystyle(ZrO_2)$ เจือปนด้วยอิตเทรียมออกไซด์ $\displaystyle(Y_2O_3)$ หรือแคลเซียมออกไซด์ (CaO) เป็นเพชรเทียมที่ได้รับความนิยมสูงสุดในบรรดาเพชรเทียมเลียนแบบอื่น ๆ ด้วยกัน เนื่องจากมีความใสและเป็นประกายใกล้เคียงกับเพชรแท้มาก แต่ความแข็งยังเป็นรองจากเพชรและแซปไฟร์นอกจากนี้ด้วยขนาดที่เท่ากับเพชรแท้เพชรรัสเซียจะมีน้ำหนักมากกว่าเพชรแท้ประมาณเกือบเท่าตัวจึงใช้เป็นข้อเปรียบเทียบได้ว่าเป็นเพชรแท้หรือเพชรเทียม

เนื่องจากเพชรมีความหนาแน่นสูงกว่าแกรไฟต์ปริมาตรต่อโมลของเพชรมีค่าน้อยกว่าปริมาตรต่อโมลของแกรไฟต์ การอัดแกรไฟต์ภายใต้ความดันสูงมากจะมีผลทำให้แกรไฟต์เปลี่ยนเป็นเพชรได้มาก ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน การเพิ่มความร้อนจึงทำให้ได้ปริมาณของผลิตภัณฑ์เพิ่มมากขึ้น ภาวะที่เหมาะสมในการสังเคราะห์เพชร คือ อุณหภูมิประมาณ $\displaystyle2000{}^ \circ C$ ความดันตั้งแต่ 50000 ถึง 100000 บรรยากาศ ถึงแม้จะใช้อุณหภูมิและความดันสูง เช่นนี้ก็ยังต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาทีเหมาะสม เช่น โครเมียม เหล็ก หรือแพลทินัม เพชรสังเคราะห์มีความแข็งใกล้เคียงกับเพชรธรรมชาติ แต่อาจมีสมบัติอื่นไม่เหมือนกัน เช่น การสะท้อนแสง จึงไม่นิยมใช้ทำเครื่องประดับ แต่นำไปใช้ทำเครื่องมือสำหรับตัด บด หรือเจียระไน ในปี พ.ศ. 2518 ได้มีการสังเคราะห์เพชรที่มีลักษณะเหมือนเพชรแท้และมีขนาดใหญ่ถึง 1 กะรัต แต่ค่าใช้จ่ายในการสังเคราะห์สูงมาก ทำให้เพชรสังเคราะห์มีราคาสูงกว่าเพชรธรรมชาติที่มีคุณภาพในระดับเดียวกัน เพชรสังเคราะห์จึงยังไม่เป็นที่นิยมแพร่หลาย แคลเซียมออกไซด์หรือปูนดิบ เป็นของแข็งสีขาวที่มีจุดหลอมเหลว $\displaystyle2572{}^\circ C$ กรรมวิธีผลิตปูนดิบที่มีมาแต่โบราณทำโดยการเผาหินปูน เปลือกหอย ซึ่งมีองค์ประกอลส่วนใหญ่เป็น $\displaystyleCaCO_3$ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นดังนี้

CaCO $\displaystyleCaCO_3(s)\overset{500 - 600{}^\circ C}$ CaO $\longleftrightarrowCaO(s)+CO_2(g)$

ปูนดิบเป็นวัสดุสำคัญในการผลิตสารเคมีหลายชนิด เช่น แคลเซียมคาร์ไบด์ ใช้ในอุตสาหกรรมเหล็กกล้าเพื่อกำจัดสารเจือปนที่เป็นกรดในแร่เหล็ก ใช้ในการบำบัดความเป็นกรดในน้ำ และควบคุมมลพิษในอากาศ การเผาหินปูนเพื่อผลิตปูนดิบให้ได้ปริมาณมากก็มีการนำความรู้เกี่ยวกับหลักของเลอชาเตอลิเอมาใช้

เนื่องจากค่าคงที่สมดุลในปฏิกิริยานี้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของแก๊สCO $\displaystyleCO_2$ ดังนั้นจึงต้องมีการถ่ายเทหรือระบายแก๊สCO $\displaystyleCO_2$ ออกจากปฏิกิริยา เพื่อให้ปฏิกิริยาดำเนินไปในทิศทางที่ทดแทนปริมาณCO $\displaystyleCO_2$ ที่หายไป จึงทำให้ได้ CaOมากขึ้น