นี่เป็นหนึ่งในข้อสอบ High School Certificate ของ Australia ครับ
จากปฏิกิริยา PCl3(g) + Cl2(g) <---> PCl5(g)
ที่สภาวะหนึ่งพบว่ามีค่าความดันก๊าซของ
PCl3(g), Cl2(g), และ PCl5(g)
ที่ 56, 46, และ 31 kPa ตามลำดับ
ถามว่า ถ้าเพิ่มปริมาตรของ reaction chamber เป็นสองเท่า แล้วปล่อย
ให้ระบบกลับคืนสู่สมดุลอีกครั้งที่สภาวะเดิม จะมีค่าความดันก๊าซแต่ละชนิดเท่าใด
จงแสดงวิธีคิด
(เฉลย: 32.4, 27.4, และ 11.1 kPa ตามลำดับ)
1) หาค่าคงที่ของสมดุลเคมีนี้ก่อนจาก K = P(PCl5)/(P(PCl3)P(Cl2)) หรือ K = 31/(56*46) = 0.01203 (kPa)-1
2) เมื่อเพิ่มปริมาตรของ reaction chamber เป็นสองเท่าก็แน่นอนว่า ความดันย่อยของก๊าซแต่ละชนิดจะลดลง สองเท่าด้วยคือ 28, 23, และ 15.5 kPa ตามลำดับครับ
ทีนี้เราลองคำนวณค่า K ในกรณีนี้ดู จะเห็นว่า K' = 15.5/(28*23) = 0.02407 (kPa)-1 ซึ่งไม่เท่า
กับกรณีแรก แสดงว่าระบบต้องมีการเปลี่ยนแปลงเพื่อให้เข้าสู่สภาวะสมดุล ซึ่งเราสามารถคำนวณได้ดังนี้ครับ
.....................PCl3(g) + Cl2 <----> PCl5
initial (kPa)........28.......................23...........................15.5
change (kPa).....-/+ x..................-/+ x.........................+/- x
final (kPa)........28 -/+ x.............23 -/+ x....................15.5 +/- x
การใส่เครื่องหมาย +/- และ -/+ ไว้หน้า x ก็เพราะเรายังไม่ทราบว่าการเปลี่ยนแปลงเข้าสู่สภาวะสมดุลจะมีทิศทางไป ทางใดแน่ ทางขวา หรือทางซ้าย ? เราลองพิจารณาหลักของเลอชาเตอลิเย ดูครับ เมื่อเราเพิ่มปริมาตรของ reaction chamber ความดันของก๊าซทุกชนิดลดลง ดังนั้นระบบต้องต่อต้านการเปลี่ยนแปลงนี้โดยการเพิ่ม ความดันของระบบขึ้น ทำให้สมดุลเคลื่อนไปทางซ้าย (หรือในทิศที่ PCl5 สลายตัว ได้ PCl3 และ Cl2 เพราะในทิศทางนี้จำนวนโมเลกุลของก๊าซโดยรวมจะเพิ่มขึ้น และมีผลในการเพิ่มความดัน)
ดังนั้น K = (15.5 - x)/((28 + x)(23 + x)) = 0.01203 (kPa)-1
แก้สมการหา x ได้ 4.64 kPa ครับ (ถ้าใช้เครื่องหมายกลับกัน โดยไม่พิจารณาหลักของเลอชาเตอลิเยก่อนจะได้ ค่า x ที่เป็นลบแทน)
ดังนั้นเมื่อระบบกลับสู่สภาวะสมดุลอีกครั้งที่สภาวะเดิม ก็จะมีค่าความดันก๊าซแต่ละชนิดเป็น
PCl3(g): 28 + 4.64 = 32.6 kPa
Cl2(g): 23 + 4.64 = 27.6 kPa
PCl5(g): 15.5 - 4.64 = 10.9 kPa
คำตอบคลาดเคลื่อนจากเฉลยไปหน่อยเพราะการคำนวณโดยละเอียดตรงนี้ ผมใช้ EXCEL คำนวณครับ ^ ^
