เครื่องคำนวณอัตราส่วนปฏิกิริยา - คำนวณค่า Q ฟรี

เครื่องคำนวณผลหารปฏิกิริยาคืออะไร?

เครื่องคำนวณผลหารปฏิกิริยาจะหาค่า Q ซึ่งเป็นตัวเลขที่เปรียบเทียบปริมาณผลิตภัณฑ์กับปริมาณสารตั้งต้นในปฏิกิริยาเคมี ณ ช่วงเวลาใด ๆ เครื่องมือนี้ใช้ได้กับปฏิกิริยาที่มีสารตั้งต้นไม่เกินสามชนิดและผลิตภัณฑ์ไม่เกินสามชนิด ป้อนสัมประสิทธิ์สโตอิชิโอเมทรีของสารแต่ละชนิด (ตัวเลขของสารนั้นในสมการที่ดุลแล้ว) และความเข้มข้นเชิงโมลาร์ แล้วเครื่องคำนวณจะแสดงค่า Q พร้อมสูตรและค่าที่แทนลงในสูตร

ผลหารปฏิกิริยา (Q) คืออะไร?

ผลหารปฏิกิริยาคืออัตราส่วนของความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้น โดยยกกำลังความเข้มข้นแต่ละค่าเท่ากับสัมประสิทธิ์ของสารนั้นในสมการที่ดุลแล้ว สามารถคำนวณได้ ณ จุดใด ๆ ระหว่างปฏิกิริยา ไม่ใช่เฉพาะเมื่ออยู่ที่สมดุล การเปรียบเทียบ Q กับค่าคงที่สมดุล K แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยากำลังดำเนินไปในทิศทางใด

สูตรผลหารปฏิกิริยา

สำหรับปฏิกิริยาทั่วไป

$aA + bB \rightarrow cC + dD$

ผลหารปฏิกิริยาคือ

$Q = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$

ในที่นี้ [A], [B], [C] และ [D] คือความเข้มข้นเชิงโมลาร์ (mol/L) ส่วน a, b, c และ d คือสัมประสิทธิ์จำนวนเต็มจากสมการที่ดุลแล้ว เครื่องคำนวณจะแสดงกฎเดียวกันในรูปทั่วไปเป็น Q = (∏[ผลิตภัณฑ์]^ν) / (∏[สารตั้งต้น]^ν) โดย ∏ หมายถึง “คูณพจน์ทั้งหมดเข้าด้วยกัน” และ ν แทนสัมประสิทธิ์ของสารแต่ละชนิด ไม่นำของแข็งบริสุทธิ์และของเหลวบริสุทธิ์มาใส่ในนิพจน์ เนื่องจากความเข้มข้นของสารเหล่านี้ไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างปฏิกิริยา

วิธีคำนวณผลหารปฏิกิริยา

1. เขียนสมการเคมีที่ดุลแล้ว
2. ระบุสัมประสิทธิ์ของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์แต่ละชนิด
3. หาความเข้มข้นของสารแต่ละชนิดเป็น mol/L ณ ช่วงเวลาที่สนใจ
4. ยกความเข้มข้นแต่ละค่าเป็นกำลังตามสัมประสิทธิ์ของสารนั้น
5. คูณพจน์ของผลิตภัณฑ์เข้าด้วยกันเป็นตัวเศษ และคูณพจน์ของสารตั้งต้นเข้าด้วยกันเป็นตัวส่วน
6. หารตัวเศษด้วยตัวส่วน

ตัวอย่างพร้อมวิธีทำ

พิจารณาปฏิกิริยาที่สร้างแอมโมเนีย

$N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)$

สมมติว่าความเข้มข้นคือ $[N_2] = 0.5\text{ M}$, $[H_2] = 0.2\text{ M}$ และ $[NH_3] = 0.1\text{ M}$

$Q = \frac{[NH_3]^2}{[N_2]^1[H_2]^3} = \frac{(0.1)^2}{(0.5)(0.2)^3} = \frac{0.01}{0.004} = 2.5$

ณ ช่วงเวลานี้ของปฏิกิริยา Q มีค่าเท่ากับ 2.5

Q เทียบกับค่าคงที่สมดุล (K)

Q และ K ใช้สูตรเดียวกัน แต่ K คือค่าที่ Q มีเมื่อปฏิกิริยาหยุดเปลี่ยนแปลงและอยู่ที่สมดุล ณ อุณหภูมิคงที่ การเปรียบเทียบค่าทั้งสองช่วยทำนายได้ว่าปฏิกิริยาจะเลื่อนไปในทิศทางใด:

• Q < K: ปฏิกิริยาดำเนินไปข้างหน้า ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์มากขึ้น
• Q = K: ปฏิกิริยาอยู่ที่สมดุล ความเข้มข้นหยุดเปลี่ยนแปลง
• Q > K: ปฏิกิริยาดำเนินย้อนกลับ ทำให้เกิดสารตั้งต้นมากขึ้น

ค่า Q เป็นศูนย์และไม่กำหนด

หากความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์เป็นศูนย์และความเข้มข้นของสารตั้งต้นทุกชนิดมากกว่าศูนย์ ตัวเศษจะเป็นศูนย์ ดังนั้น Q จึงมีค่าเท่ากับ 0 กรณีนี้มักเกิดในช่วงเริ่มต้นของปฏิกิริยา ก่อนที่จะเกิดผลิตภัณฑ์ขึ้นมาก

หากความเข้มข้นของสารตั้งต้นชนิดใดเป็นศูนย์ ตัวส่วนจะเป็นศูนย์และ Q จะไม่มีนิยามทางคณิตศาสตร์ เครื่องคำนวณจะแจ้งกรณีนี้ด้วยคำเตือนและแสดงผลเป็น ∞ เนื่องจากอัตราส่วนเพิ่มขึ้นโดยไม่มีขอบเขตเมื่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นเข้าใกล้ศูนย์

หากสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์มีค่าเป็นศูนย์ทั้งคู่ อัตราส่วนจะเป็น 0 หารด้วย 0 ซึ่งไม่มีค่าเดียว เครื่องคำนวณจะใช้กฎกรณีสารตั้งต้นเป็นศูนย์ก่อน จึงแสดง ∞ พร้อมคำเตือน

การใช้ผลหารปฏิกิริยา

นักเคมีใช้ Q เพื่อทำนายว่าปฏิกิริยาจะเลื่อนไปในทิศทางใดเมื่อความเข้มข้นเปลี่ยนแปลง ซึ่งเชื่อมโยงกับหลักเลอชาเตอลิเยร์: การเพิ่มสารตั้งต้นทำให้ Q ลดลงต่ำกว่า K ดังนั้นปฏิกิริยาจึงเลื่อนไปข้างหน้าจน Q เพิ่มกลับขึ้นมาเท่ากับ K นอกจากนี้ Q ยังปรากฏในสมการเนิร์นสต์ $E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q$ ซึ่งเชื่อมโยงแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ไฟฟ้าเคมีกับความเข้มข้นของสารที่เกี่ยวข้อง และในความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานอิสระกับความก้าวหน้าของปฏิกิริยา $\Delta G = \Delta G^\circ + RT\ln Q$ นักเคมีอุตสาหกรรมติดตามค่า Q เพื่อประเมินว่ากระบวนการอยู่ห่างจากสมดุลเพียงใด และปรับสภาวะเพื่อเพิ่มผลได้

ความเป็นมา

นักเคมีชาวนอร์เวย์ Cato Guldberg และ Peter Waage เสนอกฎการกระทำของมวลในปี 1864 โดยระบุว่าอัตราเร็วของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยากัน แนวคิดนี้นำไปสู่ค่าคงที่สมดุล K ต่อมา J. Willard Gibbs เชื่อมโยงสมดุลเคมีกับพลังงานอิสระในช่วงทศวรรษ 1870 ซึ่งทำให้ Q มีบทบาทในอุณหพลศาสตร์: ปฏิกิริยาจะดำเนินไปในทิศทางที่ลดพลังงานอิสระของระบบ และ Q ใช้วัดว่าระบบอยู่ห่างจากค่าต่ำสุดของพลังงานอิสระที่ K แทนอยู่เพียงใด

วิธีใช้เครื่องคำนวณ

1. เลือกจำนวนสารตั้งต้น (1 ถึง 3) และผลิตภัณฑ์ (1 ถึง 3)
2. สำหรับสารแต่ละชนิด ให้ป้อนสัมประสิทธิ์จากสมการที่ดุลแล้ว สัมประสิทธิ์ต้องเป็นจำนวนเต็มตั้งแต่ 1 ขึ้นไป
3. ป้อนความเข้มข้นของสารแต่ละชนิดเป็น mol/L ความเข้มข้นต้องเป็นศูนย์หรือจำนวนบวก
4. อ่านค่า Q พร้อมสูตรและตัวเลขที่แทนลงในสูตรได้ในส่วนผลลัพธ์

คำถามที่พบบ่อย

Q ต่างจาก K อย่างไร ทั้งสองคำนวณด้วยสูตรเดียวกัน แต่สามารถหาค่า Q ได้ ณ จุดใด ๆ ของปฏิกิริยา ส่วน K คือค่าของ Q เมื่อปฏิกิริยาเข้าสู่สมดุล ณ อุณหภูมิหนึ่ง

Q มีค่าเป็นศูนย์ได้หรือไม่ ได้ หากผลิตภัณฑ์ชนิดหนึ่งมีความเข้มข้นเป็นศูนย์ ขณะที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นทุกชนิดมากกว่าศูนย์ ตัวเศษของนิพจน์ Q จะเป็นศูนย์ ดังนั้น Q จึงเป็นศูนย์

Q ไม่มีนิยามได้หรือไม่ ได้ หากสารตั้งต้นชนิดใดมีความเข้มข้นเป็นศูนย์ ตัวส่วนจะเป็นศูนย์ ทำให้ Q ไม่มีนิยามในความหมายทางคณิตศาสตร์อย่างเคร่งครัด เครื่องคำนวณจะแสดงกรณีนี้เป็น ∞ และแสดงคำเตือน

อุณหภูมิมีผลต่อ Q หรือไม่ อุณหภูมิไม่ได้ปรากฏโดยตรงในสูตร Q แต่มีผลต่อ K และอาจเปลี่ยนความเข้มข้นที่ใช้ใน Q ควรเปรียบเทียบ Q กับค่า K ที่วัดได้ ณ อุณหภูมิเดียวกัน

ของแข็งและของเหลวปรากฏในนิพจน์ Q หรือไม่ ไม่ปรากฏ ของแข็งบริสุทธิ์และของเหลวบริสุทธิ์จะถูกตัดออก เนื่องจากความเข้มข้นของสารเหล่านี้คงที่ระหว่างปฏิกิริยา จะรวมเฉพาะสารที่ละลายอยู่และสารในสถานะแก๊สเท่านั้น

เหตุใดจึงยกกำลังความเข้มข้น เลขชี้กำลังสอดคล้องกับสัมประสิทธิ์ของสารแต่ละชนิดในสมการที่ดุลแล้ว ตามกฎการกระทำของมวล ในปฏิกิริยา 2 A → B หากเพิ่ม [A] เป็นสองเท่า พจน์ของสารตั้งต้นจะเพิ่มขึ้นเป็นสี่เท่า (2²) สะท้อนว่าต้องใช้ A สองโมลต่อ B หนึ่งโมลที่เกิดขึ้น

เอกสารอ้างอิง

1. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (ฉบับที่ 10). Oxford University Press.
2. Chang, R., และ Goldsby, K. A. (2015). เคมี (พิมพ์ครั้งที่ 12). McGraw-Hill Education.
3. Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2016). General Chemistry: Principles and Modern Applications (ฉบับที่ 11). Pearson.
4. Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., & Stoltzfus, M. W. (2017). Chemistry: The Central Science (ฉบับที่ 14). Pearson.