หัวใจของสมดุลเคมี

    ก่อนอื่นผมคงจะขอตั้งข้อสังเกตเกี่ยวกับการอ่านคำว่า สมดุลเคมี ผมคิดว่าพวกเรานักเรียนส่วนใหญ่ อ่านเป็น สม-ดุน-เค-มี ถ้าหากนักเรียนเปิดพจนานุกรมฉบับราชบัณฑิตยสถาน พ.ศ.2525 จะพบคำว่า “สมดุล” นั้น อ่านเป็น สะ-มะ-ดุน เพราะฉะนั้น ขอความกรุณาแก้ไขการอ่านให้ถูกต้องด้วยนะครับ
    ถ้าจะเริ่มเรื่อง “หัวใจของสมดุลเคมี” นักเรียนบางคนอาจจะพูดกับตัวเองในใจว่า ไม่เห็นมีอะไรเลยเรื่องนี้ ง่ายจะตายไป ถ้าอย่างนั้น นักเรียนลองตอบคำถามนี้ดูหน่อยซิว่า สมดุลเคมีคืออะไร ซึ่งคำตอบก็คงจะเป็น “สมดุลเคมีเป็นสภาวะของระบบทางเคมีที่เกิดขึ้น หลังจากที่ระบบเกิดการเปลี่ยนแปลงในลักษณะที่ผันกลับได้ (ระบบต้องเป็นระบบปิดด้วย) ในระยะเวลาที่เหมาะสม” แล้วนักเรียนรู้หรือไม่ว่า เมื่อระบบเข้าสู่สภาวะสมดุลแล้ว จะมีอะไรเป็นตัวบอก ในกรณีเช่นนี้ นักเรียนจะพบว่า เมื่อระบบอยู่ที่สมดุล จะมีสิ่งเหล่านี้เกิดขึ้น ซึ่งได้แก่
    1) สมบัติของระบบ เช่น ความเข้มข้นของสาร หรือ ความดันของระบบ ฯลฯ มีค่าคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงอีกต่อไป
    2) อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ
    3)อัตราส่วนความเข้มข้นของสารผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นที่ยกกำลังสัมประสิทธิ์ของสารนั้นๆ ในสมการเคมีที่ดุลแล้ว จะต้องมีค่าเท่ากับค่าคงที่สมดุล
    ประเด็นอัตราส่วนความเข้มข้นที่เป็นค่าคงที่สมดุลนี่แหละครับ ที่ถือได้ว่าเป็นเรื่องที่สำคัญที่สุดเสมือนกับ “หัวใจของสมดุลเคมี” ทีเดียว ที่จะทำให้การมองสภาวะสมดุลเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ทั้งในแง่ที่จะบอกว่าระบบอยู่ที่สมดุลหรือไม่ รวมทั้งสภาวะของการรบกวนสมดุล
    สำหรับการที่จะบอกว่าระบบที่สภาวะหนึ่ง ๆ นั้น เป็นภาวะสมดุลหรือไม่ คงจะพิจารณาได้จากตัวอย่างง่าย ๆ ของสมดุลดังนี้

ถ้าในระบบนี้ซึ่งมี A และ B อย่างละ 1 mol ผสมอยู่กับ C และ D อย่างละ 3 mol ในภาชนะขนาด 1dm ³ เมื่อถามว่าระบบนี้อยู่ที่สมดุลหรือยัง ถ้ายัง การเปลี่ยนแปลงที่จะเกิดขึ้นควรเป็นอย่างไร การพิจารณาเพื่อตอบคำถามแรกทำได้โดยการหาอัตราส่วนความเข้มข้นเหมือนกับการเขียนสมการค่าคงที่สมดุล (K) ซึ่งในที่นี้คือ

แล้วแทนค่าความเข้มข้นของสารทุกตัวขณะนั้น ซึ่งจะเป็น

เท่ากับ 9 ค่าที่คำนวณได้เมื่อนำไปเทียบกับค่า K จะบอกได้ว่าระบบอยู่ที่สมดุลหรือยัง สำหรับตัวอย่างนี้บอกได้ว่า ระบบยังไม่อยู่ที่ภาวะสมดุล เนื่องจากค่าอัตราส่วนที่คำนวณได้มีค่ามากกว่า ค่า K เมื่อเป็นเช่นนี้ ระบบจะปรับตัวทันทีเพื่อลดอัตราส่วนลงมาเพื่อให้ไปเท่ากับค่า K ซึ่งทำได้โดยการลดตัวตั้งของอัตราส่วน นั่นคือค่าความเข้มข้นของ C และ D นั้นหมายถึง การเปลี่ยนแปลงของระบบจะเกิดขึ้นโดยการที่ C และ D จะเข้าทำปฏิกิริยากันก่อนเพื่อทำให้เกิด A และ B ซึ่งก็คือปฏิกิริยาจะเริ่มต้นจากขวาไปซ้ายก่อนนั่นเอง อย่ามองภาพว่า C และ D ต้องเริ่มทำปฏิกิริยากันก่อน เนื่องจากมีความเข้มข้นมากกว่าเป็นอันขาด นั่นเป็นความเข้าใจผิดอย่างมหันต์ทีเดียว เพราะว่า เพียงแต่สมมติว่าค่าคงที่สมดุล (K) ของปฏิกิริยานี้เท่ากับ 12 (แทนที่จะเป็น 4) คราวนี้ค่าอัตราส่วนความเข้มข้นที่คำนวณได้จะมีค่าน้อยกว่าค่า K แล้ว ดังนั้นปฏิกิริยาก็จะเริ่มเกิดขึ้นจากซ้ายไปขวาก่อน เพื่อที่จะเพิ่มค่าอัตราส่วนจนกระทั่งไปเท่ากับ 12
ส่วนหลักของเลอชาเตอลิเยร์ก็เช่นกัน จริงอยู่ที่เลอชาเตอลิเยร์ กล่าวไว้เกี่ยวกับการพิจารณาการรบกวนสมดุลว่า “เมื่อระบบสมดุลใดๆก็ตามถูกรบกวน ระบบจะมีการปรับทิศทางการเกิดปฏิกิริยาไปในทางตรงกันข้ามเพื่อลดการรบกวนนั้น” ข้อความนี้ถ้าพิจารณาให้ดีมันก็เป็นสัจธรรมเหมือนคำสอนของพระพุทธองค์เลยนะครับ ที่ท่านตรัสว่า หนทางในการดับทุกข์ ทำได้โดยการกำจัดเหตุแห่งทุกข์ แต่มุมมองของผมเกี่ยวกับการรบกวนสมดุล ก็ยังคงเกี่ยวพันกับอัตราส่วนความเข้มข้นเช่นเดิมอีกนั่นแหละ ซึ่งกล่าวได้ว่า การรบกวนสมดุลคือการกระทำใด ๆ ก็ได้ที่ส่งผลทำให้อัตราส่วนความเข้มข้นเปลี่ยนไปจากค่า K ถ้าการกระทำนั้นไม่ได้ทำให้อัตราส่วนเปลี่ยนไปจากค่า K ก็ถือว่า ไม่เป็นการรบกวนสมดุล และการพิจารณาต่อเนื่องก็คือ เมื่อระบบถูกรบกวนแล้ว การปรับทิศทางของระบบจะเกิดในลักษณะที่ทำให้อัตราส่วนที่เปลี่ยนแปลงไปกลับมามีค่าเท่ากับค่า K อีกครั้งหนึ่ง
ดังนั้นเมื่อพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ ที่เคยใช้พิจารณาการรบกวนสมดุลตามหลักเลอชาเตอลิเยร์ ไม่ว่าจะเป็นความเข้มข้น, ความดัน ฯลฯ โดยใช้อัตราส่วนความเข้มข้นมาพิจารณาก็จะให้ผลดังนี้

ก. ความเข้มข้น ลองพิจารณาสมดุลง่าย ๆ

อีกครั้ง ถ้ามีการเพิ่มความเข้มข้นของสาร A ในระบบนี้ จะพบว่าอัตราส่วน

จะมีค่าลดลง เนื่องจากมีการเพิ่มค่าของตัวหาร ทำให้ระบบจะต้องปรับตัวเพื่อเพิ่มอัตราส่วนนี้ ซึ่งทำได้โดยการเพิ่มค่า C และ D นั่นหมายความว่า สมดุลนี้ถูกรบกวนและการปรับตัวของระบบจะเกิดไปทางขวามือ ซึ่งสอดคล้องกับแนวทางการทำนายที่เลอชาเตอลิเยร์กล่าวไว้ทุกประการ
ข. ความดัน ทีนี้มาพิจารณาสมดุลของแก๊สในลักษณะ

การเพิ่มหรือลดความดันของแก๊สในระบบ เกิดได้โดยการลดหรือเพิ่มปริมาตรของภาชนะที่บรรจุแก๊สที่อยู่ในภาวะสมดุลระหว่างกันอยู่ ดังนั้นปริมาตรของภาชนะจึงมีผลต่ออัตราส่วนความเข้มข้น ในกรณีที่ระบบสมดุลของแก๊สนั้นๆ มีจำนวนโมลของแก๊สทั้งสองด้านของสมการสมดุลไม่เท่ากัน ซึ่งพิจารณาในหลักการได้ดังนี้

เมื่อ [A_(g)] = n_A/Vภาชนะ และความเข้มข้นของแก๊สอื่น ๆ ก็จะมีลักษณะความสัมพันธ์ในทำนองเดียวกัน ดังนั้น อัตราส่วนความเข้มข้นของ A, B, C ก่อนเปลี่ยนแปลงปริมาตรภาชนะจะเป็น

ในสมดุลที่ยกตัวอย่างประกอบนี้ จะเห็นได้ว่าการเพิ่มปริมาตรภาชนะจะทำให้อัตราส่วนความเข้มข้นมีค่าเพิ่มขึ้น สมดุลก็จะถูกรบกวน ระบบจึงต้องปรับตัวเพื่อลดค่าอัตราส่วนนี้ลงโดยการลดจำนวนโมลของ C และเพิ่มจำนวนโมลของ A และ B นั่นหมายถึงการปรับทิศทางของปฏิกิริยาให้เกิดจากขวามาซ้าย จนระบบเข้าสู่สมดุลอีกครั้งหนึ่ง เมื่ออัตราส่วนความเข้มข้นกลับมาเท่ากับค่า K การปรับทิศทางเช่นนี้ ก็สอดคล้องกับหลักของเลอชาเตอลิเยร์อีกเช่นกัน ที่กล่าวว่า เมื่อลดความดันในระบบสมดุลของแก๊ส ระบบจะปรับทิศทางเพื่อเพิ่มความดันกลับมาโดยปฏิกิริยาจะเกิดในทิศทางที่มีจำนวนโมลที่มากกว่า
ส่วนในกรณีสมดุลของปฏิกิริยาที่มีจำนวนโมลของแก๊สทั้งสองข้างของสมการเท่ากัน การกล่าวว่าความดันที่เกิดจากการเปลี่ยนปริมาตรของภาชนะบรรจุจะไม่มีผลต่อตำแหน่งสมดุลก็เนื่องจากอัตราส่วนความเข้มข้นไม่เปลี่ยนแปลงจากเดิมนั่นเอง ตัวอย่างเช่น สมดุลของปฏิกิริยา X_(g)+ Y_(g) 2Z_(g) อัตราส่วนความเข้มข้นของสารในสมดุลนี้มีลักษณะเป็น

จะเห็นได้ว่า อัตราส่วนความเข้มข้นขึ้นกับอัตราส่วนจำนวนโมล เท่านั้น ไม่ว่าจะเปลี่ยนปริมาตรของภาชนะอย่างไร จะไม่มีผลต่อค่าอัตราส่วนความเข้มข้นเลย
ค. แก๊สเฉื่อย โดยความหมายของแก๊สเฉื่อยในที่นี้ หมายถึง แก๊สอะไรก็ได้ที่ใส่เข้าไปในระบบสมดุลของแก๊สแล้วไม่เกิดปฏิกิริยากับแก๊สที่อยู่ในระบบสมดุล กล่าวคือ เฉื่อยโดยพฤติกรรมนั่นเอง การเติมแก๊สอื่นเข้าไปในสมดุลของแก๊สในลักษณะนี้ จะส่งผลให้ความดันของระบบภายในภาชนะสูงขึ้น เนื่องจากจำนวนโมลรวมของแก๊สเพิ่มขึ้น แต่สมดุลของแก๊สจะไม่ถูกรบกวนเพราะว่าจำนวนโมลของแก๊สในระบบสมดุลไม่เปลี่ยนไป ทำให้อัตราส่วนความเข้มข้นยังคงมีค่าเท่ากับค่าคงที่สมดุล (K) อยู่
คราวนี้ลองพิจารณาถึงผลที่จะเกิดกับระบบสมดุลซิว่า ถ้ามีการเติมน้ำลงไปในระบบสมดุลของปฏิกิริยาที่เกิดในรูปของสารละลาย น้ำซึ่งไม่ได้เป็นสารที่มีส่วนร่วมในสมดุล เพียงแต่เป็นตัวทำละลายเท่านั้น จะมีผลในการรบกวนสมดุลหรือไม่ กรณีเช่นนี้อาจจะมองเห็นภาพได้ง่าย โดยพิจารณาสมดุลที่เกิดกับระบบปฏิกิริยาต่อไปนี้

สารละลายของสมดุลนี้จะมีสีแดง เมื่อเติมน้ำลงไปสีแดงจะจางลง ซึ่งสีที่จางลงนี้จะเห็นได้ชัดเจนว่าเป็นผลโดยตรงจากการเจือจางด้วยตัวทำละลาย ถ้าสมมติว่าน้ำที่เติมลงไปทำให้ความเข้มข้นของสารทุกตัวลดลงจากเดิมไปครึ่งหนึ่ง โดยให้ความเข้มข้นก่อนเติมน้ำเขียนเป็น [ ]_o ดังนั้น

จะเห็นได้ว่า หลังการเติมน้ำ อัตราส่วนความเข้มข้นของสารในระบบสมดุล จะมีค่าเป็น 2 เท่าของค่า K ซึ่งแสดงว่า ระบบสมดุลถูกรบกวนจากการเติมน้ำ ทำให้ระบบต้องปรับทิศทางการเกิดปฏิกิริยาโดยการลดค่าอัตราส่วนลง ทำให้ [Fe(SCN)²⁺] ลดลง ในขณะที่ [Fe³⁺] และ [SCN^-] จะเพิ่มขึ้น นั่นหมายถึง ระบบจะปรับทิศทางในการเกิดปฏิกิริยาให้มาทางซ้ายมือ จนระบบเข้าสู่สมดุลอีกครั้งหนึ่ง แต่อย่างไรก็ตามนั่นไม่ได้หมายความว่า น้ำจะมีผลรบกวนตำแหน่งสมดุลเสมอไป สมดุลของปฏิกิริยาที่จำนวนโมลของสารที่มีส่วนร่วมในการเกิดสมดุลมีค่าเท่ากันทั้งสองข้างของสมการเคมีจะไม่ถูกรบกวนจากการเติมน้ำ ถึงแม้ว่าจะมีการเจือจางเกิดขึ้นก็ตาม เพราะว่าแฟคเตอร์ของการเจือจางที่เกี่ยวข้องกับสารแต่ละตัวจะตัดกันหมดไป เมื่อหาค่าอัตราส่วน ทำให้ค่าอัตราส่วนความเข้มข้นมีค่าเท่าเดิม
นอกจากนั้นแล้ว บทบาทของค่าอัตราส่วนความเข้มข้นของสารในระบบสมดุลยังคงมีอย่างต่อเนื่อง เมื่อจะต้องพิจารณาถึงความเข้มข้นที่เปลี่ยนแปลงไปจากเดิมหลังจากที่ระบบปรับทิศทางของปฏิกิริยาใหม่แล้วจนระบบเข้าสู่สมดุลอีกครั้งหนึ่งที่อุณหภูมิคงที่ ซึ่งสามารถใช้แนวทางที่อธิบายมาแล้วมาพิจารณาได้ในแบบเดียวกันนั่นเอง