ภาวะสมดุล คือ ภาวะของระบบที่มีอัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ ที่ภาวะสมดุลมีสารตั้งต้นทุกชนิดเหลืออยู่ และมีผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นทุกชนิดด้วย โดยในภาวะสมดุลมีทั้งภาวะสมดุลระหว่างสถานะ ภาวะสมดุลในสารละลายอิ่มตัว และภาวะสมดุลของปฏิกิริยาเคมี

ภาวะสมดุลระหว่างสถานะ ได้แก่ สมดุลระหว่างสถานะของแข็งกับของเหลว สมดุลระหว่างสถานะของเหลวกับแก๊ส และสมดุลระหว่างสถานะของแข็งกับแก๊ส ซึ่งจะเกิดขึ้นในระบบปิดโดยมวลของสารในระบบจะคงที่ แต่ยังเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะระหว่างสารในระบบตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น เมื่อนำเกล็ดไอโอดีนมาใส่ในขวดแก้ว และปิดจุกแล้วตั้งทิ้งไว้ ณ อุณหภูมิห้อง เมื่อเวลาผ่านไปเกล็ดไอโอดีนจะเกิดการระเหิดเป็นไอ โดยจะมีไอสีม่วงเกิดขึ้นภายในขวดแล้วและสีจะเข้มขึ้นเรื่อย ๆ จนในที่สุดความเข้มข้นของสีคงที่ แต่ยังมีเกล็ดไอโอดีนที่มีสถานะของแข็งกับสถานะแก๊ส โดยมีการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้า คือ ไอโอดีนที่เป็นของของแข็งระเหิดเป็นไอ และมีการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ คือ ไอของไอโอดีนบางส่วนรวมตัวกันเปลี่ยนเป็นของแข็ง ซึ่งเมื่ออัตราการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับ ระบบจะอยู่ในภาวะสมดุล ดังสมการ

                    I2 (s)        ⇌        I2 (g)

ภาวะสมดุลในสารละลายอิ่มตัว เมื่อนำตัวละลายใส่ลงในตัวทำละลาย จนตัวละลายไม่สามารถละลายในตัวทำละลายได้อีก จะเกิดสารละลายอิ่มตัว และมีตัวละลายเหลืออยู่ในระบบ ซึ่งในขณะที่สารละลายอิ่มตัว จะพบผลึกของตัวละลายเกิดการละลายอยู่ ขณะเดียวกันตัวละลายในสารละลายก็จะตกผลึกแทรกอยู่ในสารละลายตลอดเวลา ในอัตราเร็วที่เท่ากัน จึงทำให้สมบัติของระบบคงที่ ตัวอย่างเช่น เมื่อใส่เกล็ดไอโอดีนลงในเอทานอลแล้วเขย่า ไอโอดีนจะละลายในเอทานอลได้สารละลายสีน้ำตาล เมื่อเขย่าต่อไปเรื่อย ๆ สีของสารละลายจะเข้มขึ้นเรื่อย ๆ จนความเข้มของสีคงที่ และในสารละลายยังมีเกล็ดไอโอดีนเหลืออยู่ ซึ่งสารละลาย ณ ขณะนี้จัดเป็นสารละลายอิ่มตัว และอยู่ในภาวะสมดุล ดังสมการ 

I2 (s)        ⇌        I2 (เอทานอล)

ภาวะสมดุลสามารถพบได้ในปฏิกิริยาระหว่าง Fe3+ กับ I- ที่สามารถเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าและเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ และยังพบได้ในการเผาหินปูนในระบบปิด

            CaCO3 (s)  ------>  CaO (s)  +  CO2 (g)

เนื่องจากการเผาหินปูนในระบบเปิด แก๊ส CO2 ที่เกิดขึ้นจะออกจากระบบ และเมื่อ CaCO3 ถูกเผาหมดไป ในภาชนะจะเหลือเฉพาะ CaO เท่านั้น ดังนั้นปฏิกิริยานี้จึงผันกลับไม่ได้

แต่หากเผาหินปูนในระบบปิด แก๊ส CO2 ที่เกิดขึ้นจะสะสมในภาชนะมากขึ้น และจะรวมกับ CaO ได้เป็น CaCO3 กลับคืนมา ดังนั้น ปฏิกิริยานี้จึงเป็นปฏิกิริยาผันกลับได้ โดยมีปฏิกิริยา ดังนี้

    CaCO3 (s)  ------->  CaO (s)  +  CO2 (g)        เป็นปฏิกิริยาไปข้างหน้า

    CaO (s)  +  CO2 (g)  -------  CaCO3 (s)        เป็นปฏิกิริยาย้อนกลับ

สมการแทนปฏิกิริยาผันกลับได้ของปฏิกิริยานี้ คือ

            CaCO3 (s)    ⇌    CaO (s)  +  CO2 (g)

ในช่วงแรกปฏิกิริยาการสลายตัวของ CaCO3 จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว และจะเกิดช้าลง เมื่อ CaCO3 มีปริมาณลดลง ส่วนปฏิกิริยาย้อนกลับ ในช่วงแรกจะเกิดขึ้นช้า เพราะผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นมีน้อย และเผื่อผลิตภัณฑ์เกิดมากขึ้น จะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น และเมื่อปฏิกิริยาดำเนินไประยะหนึ่ง อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้า (rate of forward reaction) จะเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ (rate of reverse reaction) โดยขณะนั้นจะไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ กล่าวได้ว่า ระบบมีสมบัติคงที่ เช่น ความเข้มข้นของสารแต่ละชนิด ความดัน ความหนาแน่น สี เป็นต้น ซึ่งเรียกว่า ระบบนี้อยู่ในภาวะสมดุล แต่ในความเป็นจริง ขณะที่ระบบมีสมบัติคงที่นั้น ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา โดยมีการเปลี่ยนแปลงไปข้างหน้าและการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับในอัตราที่เท่ากัน เรียกภาวะสมดุลที่ระบบยังคงมีการเปลี่ยนแปลงนี้ว่า สมดุลพลวัต หรือสมดุลไดนามิก (dynamic equilibrium) 

เมื่อระบบเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ผันกลับได้เข้าสู่สภาวะสมดุล สามารถเขียนกราฟแสดงสมดุลเคมีได้ ดังนี้

1. กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับเวลา ระบบสมดุลเคมีไม่ว่าจะประกอบด้วยสารกี่ชนิด การเขียนกราฟความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยากับเวลาจะมี 2 เส้นเท่านั้น โดยเส้นแรกแทนอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีไปข้างหน้า ส่วนอีกเส้นแทนอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีย้อนกลับ และเมื่อเข้าสู่ภาวะสมดุล อัตราการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้าจะเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับ ซึ่งเส้นกราฟทั้ง 2 เส้นจะทับกันแล้วขนานกับแกนของเวลา

2. กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารกับเวลา จะมีจำนวนเส้นกราฟเท่ากับชนิดของสารต่าง ๆ ที่อยู่ในระบบขณะสมดุล แต่อาจมีบางเส้นทับกันได้ในกรณีที่จำนวนโมลที่ใช้เท่ากัน

ปิตุพร  พิมพาเพชร