อองรี - ลุย เลอชาเตอลิเอ นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้ศึกษาผลของปัจจัยต่าง ๆ ที่มีต่อภาวะสมดุล และการปรับตัวให้กลับเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่ ซึ่งได้ข้อสรุปว่า เมื่อระบบที่อยู่ในภาวะสมดุลถูกรบกวน โดยการเปลี่ยนแปลงปัจจัยที่มีผลต่อภาวะสมดุล ระบบจะเกิดการเปลี่ยนแปลงไปในทิศทางที่จะลดผลรบกวนนั้น เพื่อให้ระบบเข้าสู่ภาวะสมดุลอีกครั้งหนึ่ง โดยปัจจัยที่มีผลต่อภาวะสมดุล ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น  การเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิ

1. การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น

เมื่อผสมสารละลาย Fe(NO3)3 กับ NH4SCN เข้าด้วยกัน จะได้สารละลายสีแดงของ (FeSCN)2+ ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ ดังสมการ

        Fe3+ (aq)  +  SCN- (aq)    ⇌    (FeSCN)2+ (aq)

        สีเหลือง         ไม่มีสี               สีแดง

เมื่อเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารในระบบ จะมีผลต่อภาวะสมดุล ซึ่งสามารถอธิบายได้โดยใช้หลักเลอชาเตอลิเอ เช่น

เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของ Fe3+ ทำให้ระบบเสียสมดุล ระบบจะปรับเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่เพื่อลดความเข้มข้นของ Fe3+ ด้วยการเกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น ที่สมดุลใหม่จึงมี [SCN-] ลดลง [(FeSCN)2+] เพิ่มขึ้น และ [Fe3+] ลดลง แต่ยังมากกว่าที่สมดุลเดิม 

เมื่อลดความเข้มข้นของ SCN- ทำให้ระบบเสียสมดุล ระบบจะปรับเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่ เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของ SCN- ด้วยการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับมากขึ้น ที่สมดุลใหม่จึงมี [Fe3+] เพิ่มขึ้น [(FeSCN)2+] ลดลง ส่วน [SCN-] เพิ่มขึ้น แต่ยังน้อยกว่าที่สมดุลเดิม

เมื่อเพิ่มความเข้มข้นของ (FeSCN)2+ ทำให้ระบบเสียสมดุล ระบบจะปรับเข้าสู่ภาวะสมดุลใหม่ เพื่อลดความเข้มข้นของ (FeSCN)2+ ด้วยการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับมากขึ้น ที่สมดุลใหม่จึงมี [Fe3+] และ [SCN-] เพิ่มขึ้น ส่วน [(FeSCN)2+] ลดลง แต่ยังมากกว่าที่สมดุลเดิม 

สำหรับสมดุลเคมีเนื้อผสม การเติมสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ที่เป็นของแข็ง หรือของเหลวบริสุทธิ์ลงในระบบสมดุล จะไม่ได้เป็นการเพิ่มความเข้มข้นของสาร เพราะสารที่เป็นของแข็ง หรือของเหลวบริสุทธิ์มีความหนาแน่นคงที่ ดังนั้น จึงมีความเข้มข้นคงที่ด้วย การเติมสารเหล่านี้จึงไม่ทำให้สมดุลเปลี่ยนไป โดยพิจารณาได้จากตัวอย่างสมดุลการสลายตัวของ CaCO3 ดังนี้

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

กำหนดให้ปฏิกิริยาอยู่ในระบบปิด เมื่อเติม CaCO3 ลงไปในสมดุล จะไม่เป็นการรบกวนสมดุล เพราะ CaCO3 มีความหนาแน่นคงที่ และความเข้มข้นคงที่ จึงทำให้สมดุลไม่เปลี่ยนแปลง แต่ถ้าเติม CO2 ในระบบ จะเป็นการเพิ่มความเข้มข้นของ CO2 ในระบบ ทำให้ระบบเสียสมดุล ระบบจะปรับตัวเพื่อลดความเข้มข้นของ CO2 ด้วยการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับที่สมดุลใหม่จึงมีความเข้มข้นของ CO2 ลดลง แต่ยังมากกว่าที่สมดุลเดิม

2. การเปลี่ยนแปลงความดันและอุณหภูมิ

หลักเลอชาเตอลิเอสามารถนำมาอธิบายผลของความดันต่อภาวะสมดุลได้ ดังนี้ การเปลี่ยนแปลงความดันของระบบ (เปลี่ยนแปลงปริมาตรของภาชนะ) จะมีผลต่อสมดุลที่เป็นแก๊ส โดยถ้าระบบมีความดันมากขึ้น ระบบจะปรับตัวเพื่อลดความดัน สมดุลจะเลื่อนไปทางด้านที่มีจำนวนโมลของแก๊สน้อยกว่า แต่ถ้าระบบมีความดันลดลง ระบบจะปรับตัวเพื่อเพิ่มความดัน สมดุลจะเลื่อนไปทางด้านที่มีจำนวนโมลของแก๊สมากกว่า ตัวอย่างเช่น ระบบสมดุลของปฏิกิริยา การรวมตัวของแก๊ส NO2 เป็นแก๊ส N2O4 ดังนี้

2NO2 (g)      ⇌    N2O4 (g)  

                        สีน้ำตาลแดง          ไม่มีสี

เมื่อระบบเข้าสู่ภาวะสมดุล พบว่า ความเข้มของสีน้ำตาลแดงจะคงที่ แต่ถ้าภาวะสมดุลเปลี่ยนแปลงไป ความเข้มของสีน้ำตาลจะเปลี่ยนแปลงไป โดยถ้าสีน้ำตาลแดงเข้มขึ้น แสดงว่า ความเข้มข้นของแก๊ส NO2 เพิ่มขึ้น และถ้าสีน้ำตาลแดงจางลง แสดงว่า ความเข้มข้นของ NO2 ลดลง

เมื่อเพิ่มความดัน ซึ่งเป็นการรบกวนสมดุลของระบบ ทำให้ระบบเสียสมดุล ระบบจะปรับตัวเพื่อลดความดันที่เพิ่มขึ้น ด้วยการทำให้จำนวนโมลรวมของแก๊สในระบบลดลง โดยการปรับสมดุลให้เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น ที่สมดุลใหม่จะมีจำนวนโมลของแก๊ส N2O4 มากขึ้น ส่วนจำนวนโมลของแก๊ส NO2 จะลดลง แต่ความเข้มข้นของแก๊สทุกชนิดที่สมดุลใหม่ยังมีค่ามากกว่าสมดุลเดิม ทั้งนี้ เนื่องจากการเปลี่ยนปริมาตรของระบบมีอิทธิพลมากกว่าการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมลของแก๊สแต่ละชนิดในระบบนั้น 

เมื่อลดความดัน ซึ่งเป็นการรบกวนสมดุลของระบบ ทำให้ระบบเสียสมดุล ระบบจะปรับตัวเพื่อเพิ่มความดัน ด้วยการทำให้จำนวนโมลรวมของแก๊สในระบบเพิ่มขึ้น โดยการปรับสมดุลให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับมากขึ้น ที่สมดุลใหม่จะมีจำนวนโมลของแก๊ส N2O4 ลดลง ส่วนจำนวนโมลของแก๊ส NO2 จะมากขึ้น แต่ความเข้มข้นของแก๊สทุกชนิดที่สมดุลใหม่จะมีค่าลดลง ทั้งนี้เนื่องจากการเปลี่ยนปริมาตรของระบบมีอิทธิพลมากกว่าการเปลี่ยนจำนวนโมลของแก๊สแต่ละชนิดในระบบนั้น 

หากสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์มีจำนวนโมลเท่ากัน การเปลี่ยนแปลงความดันจะไม่มีผลต่อการเปลี่ยนสมดุลในระบบ แสดงว่า การเปลี่ยนแปลงความดันจะไม่รบกวนภาวะสมดุล

การเปลี่ยนแปลงความดันจะมีผลต่อสมดุลของระบบก็ต่อเมื่อในระบบนั้นจะต้องมีสารอย่างน้อย 1 ชนิด ที่มีสถานะแก๊ส และจำนวนโมลของแก๊สทั้งหมดที่เป็นสารตั้งต้นจะต้องไม่เท่ากับจำนวนโมลของแก๊สทั้งหมดที่เป็นผลิตภัณฑ์ แต่อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงความดันจะไม่มีผลต่อค่าคงที่สมดุล (K) ณ อุณหภูมิหนึ่ง

ปิตุพร  พิมพาเพชร