ข่าว O-NET/GAT/PAT
ข่าวการศึกษา
คะแนน แอดมิชชั่น
สูงสุด-ต่ำสุด
คณิตศาสตร์
วิทยาศาสตร์
ฟิสิกส์ - เคมี - ชีวะ
ฟิสิกส์
เคมี
บทเรียนเคมี
ตารางธาตุ
ศัพท์เคมี
แบบฝึกหัดเคมี
ชีววิทยา
ภาษาอังกฤษ
ภาษาไทย
ดาราศาสตร์
ประวัติศาสตร์
มุมคนเก่ง
คลังข้อสอบเก่า
คลังความรู้หลักสูตรเก่า
I.Q. Tests
 

 

หน้าแรก | มุมนักเรียน | หน้าแรกฟิสิกส์-เคมี-ชีวะ | หน้าแรกเคมี | บทเรียนเคมี

บทเรียนเคมี
   

สมดุลเคมี : หลักของเลอชาเตอลิเอ
 
ระดับชั้น : มัธยม 6

 
ปฏิกิริยาผันกลับได้
ภาวะสมดุล
ค่าคงที่สมดุล
ความสัมพันธ์ของค่าคงที่สมดุลกับสมการเคมี
การคำนวณเกี่ยวกับค่าคงที่สมดุล
ปัจจัยที่มีผลต่อภาวะสมดุล
หลักของเลอชาเตอลิเอ

หลักของเลอชาเตอลิเอ

นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสชื่อ อองรี - ลุย เลอ ชาเตอลิเอ ได้สนใจศึกษาการเปลี่ยนภาวะสมดุลของปฏิกิริยาต่างๆ และในปี พ.ศ.2427 (ค.ศ.1884) ได้ข้อสรุปว่า เมื่อระบบที่อยู่ในสภาวะสมดุลถูกรบกวนโดยการเปลี่ยนแปลงปัจจัยที่มีผลต่อภาวะสมดุลของระบบ ระบบจะเกิดการเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่จะลดผลของการรบกวนนั้น เพื่อให้ระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกครั้งหนึ่ง ข้อสรุปนี้ต่อมารู้จักกันแพร่หลายว่าเป็น หลักของเลอชาเตอลิเอ ความรู้ที่ได้จากหลักของเลอชาเตอลิเอสามารถนำไปอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ได้มากมาย และสามารถนำไปใช้ในการเลือกภาวะที่เหมาะสมเพื่อทำให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้ผลดีที่สุดตามต้องการ


การใช้หลักของเลอชาเตอลิเอในอุตสาหกรรม

ในอุตสาหกรรม ผู้ผลิตเลือกใช้กรรมวิธีในการเปลี่ยนวัตถุดิบหรือสารตั้งต้นให้เกิดเป็นผลิตภัณฑ์มากที่สุด นอกจากนี้การลงทุน เวลา และปัจจัยอื่นๆ ก็เป็นองค์ประกอบที่สำคัญเช่นกัน ในที่นี้ เราจะใช้หลักของเลอชาเตอลิเอ ในการวินิจฉัยว่าการเปลี่ยนแปลงปัจจัยบางอย่างนั้นจะมีผลต่อปริมาณของผลิตภัณฑ์อย่างไร และจะนำมาใช้ในอุตสาหกรรมได้อย่างไร ตัวอย่างเช่น ในการผลิตก๊าซแอมโมเนีย (ซึ่งใช้ในการผลิตปุ๋ยเคมี เช่น ปุ๋ยแอมโมเนียมซัลเฟต (NH4)2SO4 พลาสติก และสีย้อม เป็นต้น) สารตั้งต้นคือก๊าซไนโตรเจนและก๊าซไฮโดรเจน ก๊าซไนโตรเจนมีมากในอากาศ ก๊าซไฮโดรเจนส่วนใหญ่ได้จากก๊าซธรรมชาติ ปฏิกิริยาระหว่างก๊าซไนโตรเจนกับก๊าซไฮโดรเจน เกิดขึ้นดังสมการ

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) + 92kJ

ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อนและเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้ ณ ภาวะสมดุลจึงมีสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ทุกชนิดปนกัน

ถ้าเรานำข้อมูลจากการทดลองผลิตก๊าซแอมโมเนียที่อุณหภูมิและความดันต่างๆ มาเขียนกราฟจะได้ดังรูป

กราฟแสดงปริมาณของก๊าซแอมโมเนียที่ผลิตได้ ณ อุณหภูมิและความดันต่างๆ เมื่อใช้ก๊าซไนโตรเจนและก๊าซไฮโดรเจนผสมกันในอัตราส่วน 1 : 3 โดยปริมาตร


จากกราฟจะเห็นว่า ณ ความดันหนึ่ง เมื่อผลิตก๊าซแอมโมเนียที่อุณหภูมิต่ำจะได้ปริมาณมากกว่าเมื่อผลิตที่อุณหภูมิสูง ซึ่งเราพบว่าปฏิกิริยานี้คายความร้อน 46 กิโลจูลต่อ 1 โมลของแอมโมเนียที่เกิดขึ้น ตามหลักของเลอชาเตอลิเอ การลดอุณหภูมิจะทำให้ระบบปรับตัวไปในทิศทางที่จะคายพลังงานออกมา ซึ่งจะทำให้เกิดก๊าซแอมโมเนียมากขึ้น

ถ้าพิจารณาความดัน จากกราฟจะเห็นวา ณ อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่ง เมื่อเพิ่มความดัน จะได้ก๊าซแอมโมเนียมากขึ้น ดังนั้น ถ้ารบกวนสมดุลของระบบโดยการเพิ่มความดัน เมื่อใช้หลักของเลอชาเตอลิเอ จะทำนายได้ว่า ระบบจะพยายามปรับตัวโดยลดความดันแล้วเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกครั้งหนึ่ง

จากปฏิกิริยาการเกิดก๊าซแอมโมเนีย จะเห็นว่า เมื่อใช้ก๊าซไนโตรเจน 1 โมล และก๊าซไฮโดรเจน 3 โมล รวมทั้งหมด 4 โมล จะเกิดก๊าซแอมโมเนีย 2 โมล แสดงว่าในการเกิดก๊าซแอมโมเนีย จำนวนโมลรวมของก๊าซในระบบลดลงโดยปริมาตรคงเดิม ทำให้ความดันของก๊าซในระบบลดลง ดังนั้น ถ้าต้องการให้ได้ก๊าซแอมโมเนียปริมาณมากขึ้น จึงทำได้โดยการเพิ่มความดันให้แก่ระบบ

สรุปได้ว่า ถ้าต้องการเตรียมก๊าซแอมโมเนียให้ได้ปริมาณมาก ควรจะเตรียมที่อุณหภูมิต่ำและความดันสูง อย่างไรก็ตาม ยังมีปัจจัยที่สำคัญอีกอย่างหนึ่ง ซึ่งจะต้องนำมาพิจารณาคือ เวลาที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยาหรืออัตราการเกิดปฏิกิริยา เมื่ออุณหภูมิต่ำ ก๊าซไนโตรเจนทำปฏิกิริยากับก๊าซไฮโดรเจนได้ช้า

เราได้ศึกษามาแล้วว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะสูงขึ้น ถ้าเพิ่มอุณหภูมิและ/หรือใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม ถ้าใช้อุณหภูมิต่ำมาก ปฏิกิริยาจะเกิดช้า ไม่เหมาะสำหรับอุตสาหกรรม จากการทดลงพบว่า ภาวะที่พอเหมาะสำหรับผลิตก๊าซแอมโมเนียคือที่อุณหภูมิประมาณ 500 องศาเซลเซียส และควรใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดเร็วขึ้น ปัญหาเกี่ยวกับความดันก็เช่นเดียวกัน การใช้ความดันมีขอบเขตจำกัด เพราะอุปกรณ์ที่จะใช้กับความดันสูงมีราคาแพงมาก ความดันที่พอเหมาะในการเตรียมก๊าซแอมโมเนียคือ 350 บรรยากาศ

การเตรียมก๊าซแอมโมเนียในอุตสาหกรรมปัจจุบัน จึงใช้ก๊าซไนโตรเจนทำปฏิกิริยากับก๊าซไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส ความดัน 350 บรรยากาศ โดยมีเหล็กเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

กระบวนการสังเคราะห์แอมโมเนียในอุตสาหกรรมดังกล่าวแล้ว เป็นกระบวนการที่นักเคมีชาวเยอรมันชื่อ ฟริตช์ ฮาเบอร์ เป็นผู้ค้นคว้าทดลอง จึงเรียกกระบวนการนี้ว่า กระบวนการฮาเบอร์

อุตสาหกรรมการผลิตสารเคมีอื่นๆ ได้นำหลักของเลอชาเตอลิเอมาใช้ เช่น ในการเตรียมก๊าซซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ (SO3) เพื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมกรดซัลฟิวริก โดยให้ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน จะได้ปฏิกิริยาคายความร้อน ซึ่งเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นได้ดังนี้

2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)

อุตสาหกรรมอีกประเภทหนึ่งที่ทำกันมากในระยะหลังๆ นี้คือ การสังเคราะห์เพชรจากแกรไฟต์ เราทราบกันแล้วว่าเพชรและแกรไฟต์ต่างก็เป็นธาตุคาร์บอน แต่ปรากฏอยู่ในอัญรูปต่างกัน นักวิทยาศาสตร์ได้ทดลองสังเคราะห์เพชรจากแกรไฟต์เป็นผลสำเร็จ เมื่อปี พ.ศ.2498 (ค.ศ.1955) สมการแสดงการเปลี่ยนแปลงเขียนได้ดังนี้



เนื่องจากความหนาแน่นของเพชรสูงกว่าของแกรไฟต์ ปริมาตรต่อโมลของเพชรจึงน้อยกว่าปริมาตรต่อโมลของแกรไฟต์ ด้วยเหตุนี้การอัดแกรไฟต์ภายใต้ความดันสูงมาก จะมีผลทำให้แกรไฟต์เปลี่ยนเป็นเพชรมาก และเนื่องจากปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน การเพิ่มความร้อนจะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์มาก ภาวะที่เหมาะสมในการสังเคราะห์เพชร คือ อุณหภูมิประมาณ 2000 องศาเซลเซียส และความดันตั้งแต่ 50,000 ถึง 100,000 บรรยากาศ แม้ว่าจะใช้อุณหภูมิและความดันสูงเช่นนี้ ก็ยังต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย ตัวเร่งที่เหมาะสมอาจจะเป็นโครเมียม เหล็ก หรือแพลทินัมก็ได้ เพชรที่สังเคราะห์ขึ้นนี้มีความแข็งเท่าเพชรธรรมชาติ แต่สมบัติอื่นอาจไม่เหมือนกัน เช่น การสะท้อนแสง เป็นต้น จึงไม่นิยมใช้ทำเครื่องประดับ แต่นำมาใช้ทำเครื่องมือสำหรับตัด บด หรือเจียระไน ในปี พ.ศ.2518 (ค.ศ.1975) ได้มีการสังเคราะห์เพชรที่มีลักษณะเหมือนเพชรแท้ และมีขนาดใหญ่ถึง 1 กะรัต แต่ค่าใช้จ่ายในการสังเคราะห์สูงมาก จนทำให้เพชรสังเคราะห์มีราคาสูงกว่าเพชรแท้ที่มีคุณภาพอย่างเดียวกัน เพชรสังเคราะห์จึงยังไม่เป็นที่นิยมแพร่หลาย


ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนวิชาเคมี เล่ม 6 ว 035 หลักสูตรมัธยมศึกษาตอนปลาย พุทธศักราช 2524 (ฉบับปรับปรุง พ.ศ.2533) กระทรวงศึกษาธิการ
www.lks.ac.th
http://chemsci.kku.ac.th
จำนวนคนอ่าน 43873 คน
   
 

© 2000 - 2014 www.myfirstbrain.com All Rights Reserved