ศักยภาพทางเคมีและสมดุลเคมี

ศักยภาพทางเคมีวัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระของระบบเมื่อมีการเพิ่มสสาร และการทำให้ศักยภาพทางเคมีของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เท่ากันจะระบุตำแหน่งของสมดุลเคมีได้อย่างแม่นยำ

Definition

ศักยภาพทางเคมีคือพลังงานอิสระกิบบส์โมลาร์บางส่วนของสปีชีส์หนึ่ง และสมดุลเคมีคือสถานะที่พลังงานกิบบส์รวมมีค่าน้อยที่สุด เพื่อให้ศักยภาพทางเคมีถ่วงน้ำหนักของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เท่ากัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมศักยภาพทางเคมีในฐานะพลังงานกิบบส์โมลาร์บางส่วน การขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน และองค์ประกอบผ่านกิจกรรม (activity) และฟิวแกซิตี (fugacity) และบทบาทของมันในฐานะแรงขับเคลื่อนสำหรับการเกิดปฏิกิริยาและการเปลี่ยนแปลงเฟส นอกจากนี้ยังพัฒนาเงื่อนไขสมดุลสำหรับปฏิกิริยา ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกิบบส์มาตรฐานของปฏิกิริยาและค่าคงที่สมดุล และการตอบสนองของสมดุลต่อการเปลี่ยนแปลงสภาวะผ่านหลักของเลอชาเตอลิเยร์ (Le Chatelier's principle) และสมการของฟานต์ฮอฟฟ์ (van't Hoff equation) การวัดพลังงานพื้นฐานด้วยวิธีแคลอริเมตริกจะกล่าวถึงในหัวข้อแยกต่างหาก

Core questions

• ศักยภาพทางเคมีของสปีชีส์ขึ้นอยู่กับกิจกรรมหรือความดันย่อยอย่างไร?
• เหตุใดสมดุลจึงเกิดขึ้นเมื่อพลังงานกิบบส์ของปฏิกิริยาเป็นศูนย์ ไม่ใช่พลังงานกิบบส์มาตรฐาน?
• ค่าคงที่สมดุลขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างไรผ่านสมการของฟานต์ฮอฟฟ์?
• หลักของเลอชาเตอลิเยร์ทำนายการตอบสนองของสมดุลต่อการรบกวนได้อย่างไร?

Key concepts

• ศักยภาพทางเคมีและปริมาณโมลาร์บางส่วน
• กิจกรรม (Activity), ฟิวแกซิตี (fugacity) และสถานะมาตรฐาน
• ค่าคงที่สมดุลและอัตราส่วนปฏิกิริยา
• สมการของฟานต์ฮอฟฟ์และการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
• หลักของเลอชาเตอลิเยร์

Key theories

ค่าคงที่สมดุลจากพลังงานกิบบส์ของปฏิกิริยา

พลังงานกิบบส์ของปฏิกิริยาคือความชันของพลังงานกิบบส์รวมตามพิกัดปฏิกิริยา การกำหนดให้เป็นศูนย์จะให้เงื่อนไขสมดุลและความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกิบบส์มาตรฐานของปฏิกิริยาและค่าคงที่สมดุล

การขึ้นอยู่กับอุณหภูมิผ่านสมการของฟานต์ฮอฟฟ์

การเปลี่ยนแปลงของค่าคงที่สมดุลตามอุณหภูมิถูกควบคุมโดยเอนทาลปีมาตรฐานของปฏิกิริยา ดังนั้นสมดุลคายความร้อนจะเลื่อนไปทางผลิตภัณฑ์เมื่อเย็นลง และสมดุลดูดความร้อนจะเลื่อนไปทางผลิตภัณฑ์เมื่อร้อนขึ้น

Clinical relevance

ศักยภาพทางเคมีและสมดุลควบคุมผลผลิตของการสังเคราะห์ทางอุตสาหกรรม เช่น กระบวนการฮาเบอร์-บอช (Haber-Bosch process) การละลายและการแบ่งส่วนของยาและสารมลพิษ สมดุลกรด-เบสและการเกิดสารเชิงซ้อนในสารละลาย และพลังงานของปฏิกิริยาที่เชื่อมโยงกันในการเผาผลาญ

History

กิบบส์ (Gibbs) ได้นำเสนอแนวคิดศักยภาพทางเคมีในช่วงทศวรรษ 1870; ฟานต์ฮอฟฟ์ (van't Hoff) ได้เชื่อมโยงค่าคงที่สมดุลเข้ากับอุณหพลศาสตร์ผ่านไอโซคอร์ (isochore) ของเขาในช่วงทศวรรษ 1880 และต่อมาลูอิส (Lewis) ได้นำเสนอแนวคิดกิจกรรม (activity) และฟิวแกซิตี (fugacity) เพื่อขยายการวิเคราะห์อย่างเข้มงวดไปยังสารละลายและก๊าซจริงที่ไม่เป็นอุดมคติ

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Jacobus Henricus van't Hoff
• Gilbert N. Lewis

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

เหตุใดจึงใช้กิจกรรม (activity) แทนความเข้มข้นในการแสดงออกของสมดุล?

ในสารละลายและก๊าซที่ไม่เป็นอุดมคติ โมเลกุลจะทำปฏิกิริยากันทำให้ความพร้อมใช้งานที่แท้จริงแตกต่างจากความเข้มข้นหรือความดันที่ระบุ กิจกรรม (activity) เป็นปริมาณที่ได้รับการแก้ไขทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งช่วยคืนรูปแบบที่เรียบง่ายของค่าคงที่สมดุลสำหรับระบบจริง

ตัวเร่งปฏิกิริยาเปลี่ยนตำแหน่งสมดุลหรือไม่?

ไม่ ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยเร่งการเข้าสู่สมดุลโดยการลดกำแพงพลังงานกระตุ้นในทั้งสองทิศทางเท่ากัน แต่ไม่เปลี่ยนแปลงค่าคงที่สมดุลและองค์ประกอบสมดุลสุดท้าย เนื่องจากสิ่งเหล่านี้ถูกกำหนดโดยอุณหพลศาสตร์ ไม่ใช่จลนพลศาสตร์