การทดลองที่ 9 ปฏิกิริยาผันกลับและสมดุลเคมี

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.วรวิทย์ จันทร์สุวรรณ
ปรับปรุงล่าสุด: 23 พฤษภาคม 2563
[Main Menu]

วัตถุประสงค์

  1. เพื่อฝึกทักษะการทดลองเกี่ยวกับสมดุลเคมีของสารละลาย
  2. เพื่อฝึกทักษะผลปัจจัยรบกวนสมดุลเคมี

หลักการ

ในปฏิกิริยาผันกลับได้ (reversible reaction) ผลผลิตที่เกิดขึ้นถ้าอยู่ในสภาวะที่เหมาะสมแล้ว ก็จะเกิดการรวมตัวกันขึ้นเป็นสารตั้งต้นได้อีก โดยในปฏิกิริยาผันกลับนี้จะใช้เครื่องหมายลูกศรไปกลับ (↔) ระหว่างสารตั้งต้นกับผลผลิตที่เกิดขึ้น เพื่อแสดงถึงว่าปฏิกิริยาเกิดได้ทั้ง 2 ทิศทาง โดยปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจากซ้ายไปขวาเรียกว่า ปฏิกิริยาไปข้างหน้า (forward reaction) และปฏิกิริยาที่เกิดกลับจากขวามาซ้ายเรียกว่า ปฏิกิริยาย้อนกลับ (reverse reaction)

ค่าคงที่สมดุล (Equilibrium constant) > Link

“อัตราส่วนระหว่างผลคูณของความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์ที่ยกกำลังด้วยสัมประสิทธิ์จำนวนโมลสารผลิตภัณฑ์ กับผลคูณของความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ยกกำลังด้วยสัมประสิทธิ์จำนวนโมลสารตั้งต้น”

aA(aq) + bB(aq)  ↔  cC(aq) + dD(aq)

KC = [C]c[D]d/[A]a[B]b

 หลักของเลอชาเตอร์ลิเอร์ (Le Chatelier’s Principle)
นักเคมีชาวฝรั่งเศสชื่อ Henry Louis Le Chatelier (1850-1936) พบว่า “เมื่อมีปัจจัยภายนอกรบกวนระบบที่อยู่ในภาวะสมดุล สมดุลจะเสียไป ระบบจะปรับตัวไปทิศทางที่เป็นการลดตัวรบกวน แล้วเข้าสู่สมดุลใหม่อีกครั้ง”
ในการทดลองนี้จะศึกษาปัจจัยภายนอกที่ผลต่อภาวะสมดุล คือ

  1.  ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นที่มีต่อสมดุลเคมี
  2.  ผลของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีต่อสมดุลเคมี

อุปกรณ์และสารเคมี

อุปกรณ์

  1. หลอดทดลอง
  2. บีกเกอร์ 100 mL
  3. กระบอกตวง 5 และ 10 mL
  4. อ่างน้ำร้อน

สารเคมี

  1. Fe(NO3)3 0.10 mol/L
  2. KSCN 0.10 mol/L
  3. NaOH
  4. HgCl2
  5. Co(NO3)2 0.40 mol/L
  6. HCl เข้มข้น

วิธีการทดลอง

ตอนที่ 1 การรบกวนสมดุลโดยผลของไอออนร่วม (common-ion effect)
ไอออน [Fe(SCN)] 2+ นี้อาจเรียกว่า ferric thiocyanate complex ซึ่งเป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่มีสีแดงเลือดนก การเกิดสารประกอบเชิงซ้อนตัวนี้ แสดงได้โดยปฏิกิริยาสมดุล ดังแสดงในสมการ

Fe3+ +  SCN–  ↔ [Fe(SCN)2+]

ไม่มีสี    ไม่มีสี         แดงเลือดนก

ไอออนที่เกิดขึ้นนั้น แม้ว่าประจุไม่เป็นศูนย์ แต่ก็ยังอยู่ตัวได้ ไอออนที่เกิดขึ้นเรียกว่า ไอออนเชิงซ้อน

ขั้นตอนการทดลอง

นำสารละลาย Fe(NO3)3 0.10 mol/L มา 20 หยด ผสมกับสารละลาย KSCN 0.10 mol/L จำนวน 20 หยด ในบีกเกอร์ 100 mL แล้วเติมน้ำ 50 mL เพื่อให้สีแดงเลือดนกจางลง ทั้งนี้เพื่อสะดวกในการสังเกตปฏิกิริยาที่จะเกิดขึ้นต่อไป แบ่งสารละลายนี้ออกเป็น 6 ส่วน ส่วนละประมาณ 40 หยดใส่ในหลอดทดลอง แล้วทำการทดลองดังนี้

  • หลอดที่ 1 เติมสารละลาย Fe(NO3) 3 0.10 mol/L 4-5 หยด
  • หลอดที่ 2 เติมสารละลาย KSCN 0.10 mol/L 4-5 หยด
  • หลอดที่ 3 เติมสารละลาย NaOH 6 mol/L 2-3 หยด ในกรณีนี้จะเกิด Fe(OH)3 ซึ่งไม่ค่อยละลายน้ำ
  • หลอดที่ 4 เติมสารละลาย HgCl2 0.10 mol/L 2-3 หยด จะเกิด Hg(SCN)2 ซึ่งแตกตัวได้น้อยมาก
  • หลอดที่ 5 เติมน้ำ 4-5 หยด
  • หลอดที่ 6 หลอดเปรียบเทียบ (เก็บไว้เปรียบเทียบความเข้มข้นหรือจางลงของสีที่เกิดขึ้นในหลอดอื่น ๆ)

สังเกตผลที่ได้จากการทดลองของหลอดที่ 1-5 เทียบสีของสารละลายกับหลอดที่ 6 บันทึกสีของสารละลายหลอดที่ 1-5 เทียบกับหลอดที่ 6 ว่าสารละลายเพิ่มขึ้น (+) หรือลดลง (-) และจงอธิบายสิ่งที่สังเกตได้โดยใช้หลักการของเลอชาเตอลิเยร์

ตอนที่ 2 ศึกษาผลการรบกวนสมดุลผลของอุณหภูมิ

ในการทดลองนี้จะศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงรูปทรงเรขาคณิตด้วยไอออน Co2+ เมื่ออยู่ในน้ำจะเกิดเป็น [Co(H2O)6]2+ ซึ่งมีสีชมพูโดยไอออน Co2+ จะเกิดพันธะทางเคมีกับน้ำได้ 6 โมเลกุล ซึ่งมีรูปทรงเป็นแบบ octahedral แต่ถ้าหากในสารละลายมีไอออน CI– อยู่พอสมควร ไอออน Cl– สามารถเข้าแทนที่โมเลกุลของน้ำใน [Co(H2O)6]2+ ได้เป็น [CoCl4]2- ซึ่งมีสีน้ำเงิน และมีรูปทรงเป็นแบบ tetrahedral
ในการที่ [Co(H2O)6]2+ จะเปลี่ยนเป็น [CoCl4]2- นั้นจะขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไอออน Cl– และอุณหภูมิ ซึ่งสารประกอบเชิงซ้อนทั้ง 2 อยู่ในสมดุลเคมีซึ่งกันและกัน

[Co(H2O)6]2+ + 4Cl–  ↔ [CoCl4]2- + 6H2O
ชมพู                                   น้ำเงิน

ขั้นตอนการทดลอง
นำสารละลาย Co(NO3)2 0.40 mol/L ปริมาตร 1 mL ใส่ในหลอดทดลอง ค่อย ๆ เติม conc. HCl (ทำในตู้ควัน) ลงไปทีละหยด พร้อมทั้งเขย่าหลอดทดลองเพื่อให้สารละลายผสมกันได้ดี จนได้สารละลายสีน้ำเงิน จากนั้นจึงค่อยๆ เติมน้ำลงไปทีละหยด พร้อมทั้งเขย่าหลอดทดลอง จนได้สารละลายสีชมพู แล้วนำไปต้มในอ่างน้ำร้อน (อุณหภูมิประมาณ 100°C) สังเกตผลที่เปลี่ยนแปลง จากนั้นนำมาทำให้เย็นโดยจุ่มหลอดทดลองลงไปในน้ำเย็น สังเกตผล นักศึกษาสรุปว่าปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาดูดหรือคายความร้อน