Transcript การทดลองที่ 3 สมดุลเคมีและสมดุลการละลาย (Dynamic Equilibrium and

การทดลองที่ 4
อุณหพลศาสตร์
(Thermodynamics)
อุณหพลศาสตร์
Thermodynamics เป็ นศาสตร์ ท่เี กี่ยวข้ องกับการเปลี่ยน
พลังงานความร้ อนเป็ นพลังงานกล โดยจะ
ศึกษาสมบัตขิ องสสารที่มีความสัมพันธ์ กับ
ความร้ อนและงาน
อุณหพลศาสตร์
วัตถุประสงค์ การทดลอง
1. ตรวจสอบการทานายทางเทอร์ โมไดนามิกส์ ว่าปฏิกิริยาหรือการ
เปลี่ยนแปลงจะเกิดขึน้ ได้ เองหรือไม่ ด้ วยปฏิกิริยาที่เกิดขึน้ จริง
ระหว่ างแคทไอออนและแอนไอออนในสารละลาย
2. อธิบายการเปลี่ยนแปลงของระบบด้ วยฟั งก์ ชันเทอร์ โมไดนามิกส์
3. เชื่อมความสัมพันธ์ ระหว่ างปรากฏการณ์ ท่ สี ังเกตได้ กับฟั งก์ ชัน
เทอร์ โมไดนามิกส์ ทางทฤษฎี
อุณหพลศาสตร์
กระบวนการที่เกิดขึน้ เอง (spontaneous process) เป็ นการเปลี่ยนแปลงทาง
กายภาพหรื อทางเคมีท่ เี กิดขึน้ โดยไม่ ต้องมีการเพิ่มพลังงาน
หรื อจะมีการคายพลังงานเสรี ออกมา (ในรู ปความร้ อน) เพื่อลดพลังงานเข้ าสู่
สภาวะที่เสถียรกว่ า
ที่อุณหภูมแิ ละความดันคงที่ กระบวนการดังกล่ าวจะมีความสัมพันธ์ ของตัวแปร
ต่ างๆดังนี ้
DG = DH  T DS ……………………. (1)
DG เป็ นการเปลี่ยนแปลงค่ าพลังงานเสรี (free energy)
 DH เป็ นการเปลี่ยนแปลงค่ าพลังงานความร้ อน (enthalpy)
 DS เป็ นการเปลี่ยนแปลงความไม่ เป็ นระเบียบ (entropy)
อุณหพลศาสตร์
DH
DS
DG
เป็ น +, ความไม่ เป็ นระเบียบเพิ่มขึน้ เป็ น - , ระบบเกิดได้ เองเสมอ
เป็ น -, คายความร้ อน
เป็ น -, ความไม่ เป็ นระเบียบลดลง
เป็ น +, ความไม่ เป็ นระเบียบเพิ่มขึน้
เป็ น +, ดูดความร้ อน
เป็ น -, ระบบเกิดได้ เองที่อุณหภูมติ ่า
หรือ
เป็ น +, ระบบเกิดเองไม่ ได้ ท่ อี ุณหภูมสิ ูง
เป็ น -, ระบบเกิดได้ เองที่อุณหภูมสิ ูง
หรือ
เป็ น +, ระบบเกิดเองไม่ ได้ ท่ อี ุณหภูมติ ่า
เป็ น -, ความไม่ เป็ นระเบียบลดลง
เป็ น +, ระบบเกิดเองไม่ ได้ เสมอ
อุณหพลศาสตร์
การคานวณ DG
สาหรั บปฏิกริ ิยาหนึ่งๆ สามารถคานวณ DG ที่สภาวะมาตรฐาน 25 C ได้ จาก
DGปฏิกิริยา = DGfo ของผลิตภัณฑ์ – DGfo ของสารตัง้ ต้ น ....……(2)
และหา DG ที่สภาวะใดๆ ได้ จากสมการ
DG = DG + RTlnQ ………………………….(3)
โดย R คือ ค่ าคงที่ของแก๊ สในหน่ วย kJ/mol
T คือ อุณหภูมใิ นหน่ วยเคลวิน
สัมประสิทธิ์
ผลคู
ณ
ของ
[ผลิ
ต
ภั
ณ
ฑ์
]
Q คือ mass action quotient =
ผลคูณของ [สารตัง้ ต้ น]สัมประสิทธิ์
ที่สภาวะสมดุล Q = Keq
อุณหพลศาสตร์
ตัวอย่ าง 1
AgNO3(aq) + NaCl(aq)
หรื อ
Ag+(aq) + Cl-(aq)
 AgCl(s) + NaNO3(aq)
ตะกอน
 AgCl(s)
ตะกอน
ที่สภาวะมาตรฐาน
DG ปฏิกิริยา = DGf ของผลิตภัณฑ์ - DGf  ของสารตัง้ ต้ น ………..(2)
จากตารางที่ 1 แทนค่ า
DG ปฏิกิริยา = DGf(AgCl(s)) – DGf(Ag+(aq)) – DGf(Cl-(aq))
= –109.80
– 77.12
– (–131.26)
= –55.66 kJ/mol
DG ของปฏิกริ ิยา มีค่าเป็ นลบ การเกิดตะกอน AgCl จะเกิดเองภายใต้
สภาวะมาตรฐาน นั่นคือที่ 25 °C, [Ag+] และ [Cl–] = 1 M
อุณหพลศาสตร์
ตัวอย่ าง 2
ถ้ าเปลี่ยนความเข้ มข้ นของ Ag+, Cl– เหลือเพียง 0.1 M จะเกิดตะกอน AgCl
หรื อไม่ ต้ องหาคาตอบจากสมการ
DG = DG + RTlnQ
= DG + RTln
1
[Ag+] [Cl ]
1
= - 55.66 + 8.341 x (273+25) x ln
[0.1] [0.1]
= - 44.25 kJ/mol
DG ของปฏิกริ ิยา มีค่าเป็ นลบ การเกิดตะกอน AgCl จะเกิดเองแต่ เกิดน้ อย
กว่ า เมื่อ [Ag+] และ [Cl–] = 1 M เพราะ DG เป็ น - น้ อยกว่ า
อุณหพลศาสตร์
การทดลอง
ตอนที่ 1 ศึกษาความสัมพันธ์ ระหว่ างค่ า DG ของปฏิกิริยาและการ
เกิดขึน้ ได้ เองของปฏิกิริยา
ตอนที่ 2 ศึกษาความสัมพันธ์ ระหว่ าง DG, DH, DS, และ T
ตอนที่ 3 ศึกษาฟั งก์ ชันอุณหพลศาสตร์ ของแถบยาง
อุณหพลศาสตร์
ตอนที่ 1 ศึกษาความสัมพันธ์ ระหว่ างค่ า DG ของปฏิกริ ิยาและการเกิดขึน้ ได้ เอง
ของปฏิกริ ิยา หยด 1M แอนไอออน และ 1M แคทไอออน แต่ ละคู่อย่ าง
ละ 1 หยด สังเกตผลการทดลอง
แอนไอออน
แคทไอออน
1. Ag+
2. Ba2+
3. Ca2+
4. Pb2+
5. Al3+
a. Cl–
ตะกอนขาว
b. I–
ตะกอนเหลือง
c. SO42-
d. CrO42-
e. OH–
อุณหพลศาสตร์
ตอนที่ 1 ศึกษาความสัมพันธ์ ระหว่ างค่ า DG ของปฏิกริ ิยาและการเกิดขึน้ ได้ เอง
ของปฏิกริ ิยา หยด 1M แอนไอออน และ 1M แคทไอออน แต่ ละคู่อย่ าง
ละ 1 หยด สังเกตผลการทดลอง
แอนไอออน
แคทไอออน
a. Cl–
b. I–
c. SO42-
d. CrO42-
e. OH–
ตะกอนขาวขุ่น ตะกอนเหลือง
ตะกอนขาวขุ่น ตะกอนแดง
เล็กน้ อย
ตะกอนนา้ ตาล
Ba2+
ใส no Rxn
ใส no Rxn
ตะกอนขาวขุ่น ตะกอนเหลือง
ตะกอนขาวขุ่น
เล็กน้ อย
3. Ca2+
ใส no Rxn
ใส no Rxn
ตะกอนขาวขุ่น ใส no Rxn
ตะกอนขาวขุ่น
4. Pb2+
ตะกอนขาวขุ่น ตะกอนเหลือง
มาก
ตะกอนขาวขุ่น คนแล้ วได้
ตะกอนเหลือง
ตะกอนขาวขุ่น
ใส no Rxn
ใส no Rxn
ตะกอนขาว
1. Ag+
2.
5.
Al3+
ใส no Rxn
ตะกอนเหลือง
เข้ ม
อุณหพลศาสตร์
คานวณหาค่ า DGปฏิกริ ิยา โดยใช้ ค่า DGf ในตารางที่ 1 และสมการที่ (2)
สมการไอออนิกสุทธิ
1a Ag+(aq) + Cl (aq)  AgCl(s)
DGปฏิกิริยา (kJ/mol)
เปรี ยบเทียบผล
–55.66
เกิดจริง,
สอดคล้ อง
1b


1c
1d
1e Ag+(aq) + OH (aq)  AgOH(s)
ไม่ มีข้อมูล
-
2a
2b
2c Ba2+(aq) + SO42 (aq)  BaSO4(s)
+4.39
X ไม่ ควรเกิด
+67.96
ไม่ เกิด
,สอดคล้ อง
2d
2e
3a Ca2+(aq) + 2Cl (aq)  CaCl2(s)
อุณหพลศาสตร์
ตอนที่ 2
ศึกษาความสัมพันธ์ ระหว่ าง DG, DH, DS, และ T
1. นาขวดแก้ วที่มีฝาปิ ดสนิท ภายในบรรจุแก๊ ส NO2 และ N2O4 โดยระบบอยู่ใน
สมดุลดังนี ้
2NO2(g)
แก๊ สสีนา้ ตาล
คายความร้ อน
ดูดความร้ อน
แช่ นา้ ร้ อน
N2O4(g)
แก๊ สไม่ มีสี
แช่ นา้ เย็น
อภิปรายสิ่งที่เห็นในเชิงความสัมพันธ์ ระหว่ าง DG, DH, DS, และ T สรุ ปผลการ
ทดลองโดยอาศัยสมการ (1)
อุณหพลศาสตร์
ตอนที่ 2
ศึกษาความสัมพันธ์ ระหว่ าง DG, DH, DS, และ T
1. นาขวดแก้ วที่มีฝาปิ ดสนิท ภายในบรรจุแก๊ ส NO2 และ N2O4 โดยระบบอยู่ใน
สมดุลดังนี ้
2NO2(g)
แก๊ สสีนา้ ตาล
คายความร้ อน
ดูดความร้ อน
แช่ นา้ ร้ อน
N2O4(g)
แก๊ สไม่ มีสี
แช่ นา้ เย็น
อภิปรายสิ่งที่เห็นในเชิงความสัมพันธ์ ระหว่ าง DG, DH, DS, และ T สรุ ปผลการ
ทดลองโดยอาศัยสมการ (1)
อุณหพลศาสตร์
ตอนที่ 3 ศึกษาฟั งก์ ชันอุณหพลศาสตร์ ของแถบยาง
การยืดแถบยาง หรื อ การทาให้ แถบยางหดตัวเป็ นกระบวนการที่เกิดขึน้ เองไม่ ได้
นั่นคือ DG มีค่าเป็ น + (หน้ า 75 ผิด)
ถ้ ายืดแถบยางออก แถบยางอุ่นขึน้ , คายความร้ อน, DH เป็ น -
ภาวะปกติก่อนยืด
หลังยืด
โครงสร้ างเป็ นระเบียบมากขึน้
Entropy ลดลง, DS เป็ น
-
อุณหพลศาสตร์
การยืดแถบยาง เป็ นการเปลี่ยนแปลงแบบใด ในตารางที่ 2 หน้ า 76
DH
DS
DG
เป็ น +, ความไม่ เป็ นระเบียบเพิ่มขึน้ เป็ น - , ระบบเกิดได้ เองเสมอ
เป็ น -, คายความร้ อน
เป็ น -, ความไม่ เป็ นระเบียบลดลง
เป็ น +, ความไม่ เป็ นระเบียบเพิ่มขึน้
เป็ น +, ดูดความร้ อน
เป็ น -, ระบบเกิดได้ เองที่อุณหภูมติ ่า
หรือ
เป็ น +, ระบบเกิดเองไม่ ได้ ท่ อี ุณหภูมสิ ูง
เป็ น -, ระบบเกิดได้ เองที่อุณหภูมสิ ูง
หรือ
เป็ น +, ระบบเกิดเองไม่ ได้ ท่ อี ุณหภูมติ ่า
เป็ น -, ความไม่ เป็ นระเบียบลดลง
เป็ น +, ระบบเกิดเองไม่ ได้ เสมอ
อุณหพลศาสตร์
การยืดแถบยาง เป็ นการเปลี่ยนแปลงแบบใด ในตารางที่ 2 หน้ า 76
DH
DS
DG
เป็ น +, ความไม่ เป็ นระเบียบเพิ่มขึน้ เป็ น - , ระบบเกิดได้ เองเสมอ
เป็ น -, คายความร้ อน
เป็ น -, ความไม่ เป็ นระเบียบลดลง
เป็ น +, ความไม่ เป็ นระเบียบเพิ่มขึน้
เป็ น +, ดูดความร้ อน
เป็ น -, ระบบเกิดได้ เองที่อุณหภูมติ ่า
หรือ
เป็ น +, ระบบเกิดเองไม่ ได้ ท่ อี ุณหภูมสิ ูง
เป็ น -, ระบบเกิดได้ เองที่อุณหภูมสิ ูง
หรือ
เป็ น +, ระบบเกิดเองไม่ ได้ ท่ อี ุณหภูมติ ่า
เป็ น -, ความไม่ เป็ นระเบียบลดลง
เป็ น +, ระบบเกิดเองไม่ ได้ เสมอ
อุณหพลศาสตร์
คาถามท้ ายบท
1. ถ้ านาเกลือปริมาณเล็กน้ อยมาละลายนา้
จะเกิดการละลายได้ หรือไม่ DG เป็ น + หรือ –
การละลายเป็ นการคายหรื อดูดคายความร้ อน DH เป็ น – หรือ +
ความไม่ เป็ นระเบียบเพิ่มขึน้ หรือลดลง DS เป็ น + หรือ 2. ถ้ านาเกลือปริมาณมากมาละลายนา้ เปริมาณเล็กน้ อย จนเกลือละลายไม่ หมด แต่ พอ
นาไปต้ มละลายได้ หมดขณะร้ อน
ที่อุณหภูมติ ่า DG เป็ น + เพราะการละลายหมดเกิดเองไม่ ได้
แต่ ท่ อี ุณหภูมสิ ูง เกิดการละลายได้ เอง DG เป็ น –
เป็ นการคายหรือดูดคายความร้ อน DH เป็ น – หรือ +
ความไม่ เป็ นระเบียบเพิ่มขึน้ หรือลดลง DS เป็ น + หรือ –
3. นาเกลือในข้ อ 2 มาตัง้ ให้ เย็น ปรากฏว่ ามีเม็ดเกลือเกิดขึน้ ที่ก้นภาชนะ
กระบวนการในข้ อ 3 เป็ นกระบวนการย้ อนกลับของข้ อ 2
แต่ ละฟั งก์ ชันมีเครื่องหมายตรงข้ ามกับในข้ อ 2
อุณหพลศาสตร์
คาถามท้ ายบท
1. ถ้ านาเกลือปริมาณเล็กน้ อยมาละลายนา้
จะเกิดการละลายได้ จริง DG เป็ น –,
ถ้ าคายความร้ อน DH เป็ น – ถ้ าดูดความร้ อน DH เป็ น + แต่ ถ้าเป็ นเกลือ NaCl DH เป็ น +
เล็กน้ อย
จานวน ion มากขึน้ , ความไม่ เป็ นระเบียบเพิ่มขึน้ DS เป็ น +,
2. ถ้ านาเกลือปริมาณมากมาละลายนา้ เปริมาณเล็กน้ อย จนเกลือละลายไม่ หมด แต่ พอ
นาไปต้ มละลายได้ หมดขณะร้ อน
ที่อุณหภูมติ ่า DG เป็ น + เพราะการละลายหมดเกิดเองไม่ ได้ ต้ องเพิ่มพลังงานให้ กับระบบ,
แต่ ท่ อี ุณหภูมสิ ูง เกิดการละลายได้ เอง DG เป็ น –
เป็ นการดูดความร้ อน DH เป็ น +
ความไม่ เป็ นระเบียบเพิ่มขึน้ DS เป็ น +,
T สูงขึน้ TDS ยิ่งเป็ น + มากขึน้
3. นาเกลือในข้ อ 2 มาตัง้ ให้ เย็น ปรากฏว่ ามีเม็ดเกลือเกิดขึน้ ที่ก้นภาชนะ
กระบวนการในข้ อ 3 เป็ นกระบวนการย้ อนกลับของข้ อ 2
แต่ ละฟั งก์ ชันมีเครื่องหมายตรงข้ ามกับในข้ อ 2