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प्रक्रिया और दर कानून
रासायनिक गतिकी भौतिक रसायन का एक शाखा है जो रासायनिक प्रक्रियाओं की दरों के अध्ययन से संबंधित है। प्रतिक्रिया दरों को समझने और पूर्वानुमान करने की क्षमता रासायनिक प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने, सामग्री को कुशलतापूर्वक संश्लेषित करने और प्राकृतिक घटनाओं को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।
गतिकी प्रक्रिया
एक प्रतिक्रिया प्रक्रिया वे प्राथमिक प्रतिक्रिया चरण हैं जिनके माध्यम से एक समग्र रासायनिक परिवर्तन होता है। प्रत्येक चरण (जिसे प्राथमिक चरण या प्रतिक्रिया भी कहा जाता है) की अपनी सूक्ष्म प्रतिक्रिया दर और द्रव्यमान और ऊर्जा का संतुलन होता है।
प्रारंभिक चरण
एक प्राथमिक चरण एक प्रतिक्रिया का उल्लेख करता है जो आणविक स्तर पर एक एकल गतिशील चरण में होती है। इन चरणों को और विभाजित नहीं किया जा सकता है और ये आमतौर पर अधिकतम दो या तीन क्रियाशील प्रजातियों में होती हैं।
प्रक्रिया का उदाहरण
निम्नलिखित प्रतिक्रिया प्रक्रिया पर विचार करें:
चरण 1: A + B → C (धीमा)
चरण 2: C + B → D (तेज़)
संपूर्ण प्रतिक्रिया: A + 2B → D
इस प्रक्रिया में, पहला चरण मूल्य निर्धारण चरण है क्योंकि यह सबसे धीमा है और इस प्रकार यह संपूर्ण प्रतिक्रिया की दर को नियंत्रित करता है।
दर कानून
एक दर कानून एक गणितीय समीकरण है जो प्रतिक्रिया दर को अभिकर्मकों की सांद्रता से संबंधित करता है। दर कानूनों का परीक्षण के माध्यम से निर्धारण किया जाता है और इन्हें संतुलित समीकरण के कणात्मक गुणक से प्राप्त नहीं किया जा सकता। सामान्य रूप से उनकी रूप होती है:
दर = k [A]^m [B]^n
जहाँ:
kदर स्थिरांक है और यह विशिष्ट तापमान पर एक विशेष प्रतिक्रिया के लिए विशिष्ट होता है।[A]और[B]अभिकर्मक A और B की मोलर सांद्रता हैं।mऔरnअभिकर्मकों के संबंध में प्रतिक्रिया क्रम होते हैं, और वे दिखाते हैं कि अभिकर्मकों की सांद्रता से दर कैसे प्रभावित होती है।
एक दर कानून का उदाहरण
हाइड्रोजन पेरोक्साइड के विघटन पर विचार करें:
2H 2 O 2 → 2H 2 O + O 2
मान लें कि इस प्रतिक्रिया के लिए परीक्षण के माध्यम से निर्धारित दर कानून:
दर = k [H 2 O 2 ]^1
यह दिखाता है कि प्रतिक्रिया हाइड्रोजन पेरोक्साइड के संबंध में प्रथम क्रम की है।
दर कानूनों के माध्यम से प्रक्रियाओं का निर्धारण
एक संभावित प्रतिक्रिया प्रक्रिया को दर कानून से निकालने के लिए, यह सुनिश्चित करना आवश्यक होता है कि प्रस्तावित प्रक्रिया परीक्षण के माध्यम से देखे गए दर कानून रूप की ओर ले जा सकती है। मूलतः, मूल्य निर्धारण चरण का उपयोग करके दर कानून निकाला जाता है। प्रक्रिया पर विचार करें:
चरण 1: A + B → C (धीमा)
चरण 2: C → D (तेज़)
क्योंकि पहला चरण धीमा है, हम दर कानून लिख सकते हैं:
दर = K [A] [B]
यह दर कानून धीरे (अर्थात मूल्य निर्धारण) चरण का कॉन्सिस्टेंसी दिखाता है। परीक्षण के दर कानून के साथ संगति प्रस्तावित प्रक्रिया का सत्यापन कर सकती है।
दर कानून संगति के साथ उदाहरण
प्रतिक्रिया पर विचार करें:
2NO3 + O2 → 2NO3
परीक्षण दर कानून: दर = k [NO]^2 [O 2 ]
प्रक्रिया:
चरण 1: NO + O 2 ⇌ NO 3 (तेज़ संतुलन)
चरण 2: NO 3 + NO → 2NO 2 (धीमा)
तेज़ संतुलन चरण के लिए, हम कह सकते हैं:
[NO 3 ] = [NO][O 2 ]
धीमे चरण को प्रतिस्थापित करते हुए, हमें मिलता है:
दर = k [NO 3 ] [NO] = k' [NO] [O 2 ] [NO] = k' [NO]^2 [O 2 ]
यह परीक्षण के द्वारा देखे गए दर कानून को दर्शाता है।
प्रतिक्रिया प्रक्रियाओं का दृश्यांकन
प्रक्रियाओं को अक्सर प्रतिक्रिया समन्वय आरेखों के माध्यम से देखा जा सकता है जो प्रतिक्रिया के दौरान ऊर्जा परिवर्तनों को दिखाते हैं।
इस आरेख में, Y-अक्ष संभावित ऊर्जा को दर्शाता है, जबकि X-अक्ष प्रतिक्रिया की प्रगति को दर्शाता है। शिखर संक्रमण अवस्थाओं को इंगित करते हैं, और घाटियाँ मध्यवर्ती अवस्थाओं को इंगित करती हैं।
एंडोथर्मिक बनाम एक्सोथर्मिक
क्या एक प्रतिक्रिया एंडोथर्मिक है या एक्सोथर्मिक, इसे प्रतिक्रिया कर्ताओं और उत्पादों के ऊर्जा स्तरों से जाँचा जा सकता है। अगर उत्पाद ऊर्जा में कम होते हैं, तो प्रतिक्रिया एक्सोथर्मिक होती है, जो आसपास के वातावरण में ऊर्जा छोड़ती है। इसके विपरीत, यदि उत्पाद ऊर्जा में अधिक होते हैं, तो प्रतिक्रिया एंडोथर्मिक होती है।
परीक्षण दर कानूनों का निर्धारण
परीक्षण के माध्यम से दर कानूनों का निर्धारण विभिन्न अभिकर्मक सांद्रता में प्रतिक्रिया दर को मापने से होता है, जो अक्सर आरंभिक दरों के तरीके का उपयोग करके होता है। यदि किसी अभिकर्मक की सांद्रता को बदलते समय दूसरों को स्थिर रखकर प्रतिक्रिया में पहली दर का सत्यापन किया जाए, तो यह अभिकर्मक के संबंध में क्रम का मूल्यांकन कर सकता है।
आरंभिक दर तरीका
यह तरीका प्रतिक्रिया की दर को विभिन्न सांद्रता में मापने के लिए होता है, जिस समय यह शुरू होती है। एक काल्पनिक प्रतिक्रिया पर विचार करें:
A + B → उत्पाद
A और B के विभिन्न आरंभिक सांद्रता के साथ कई प्रयोग करें। तब, आरंभिक प्रतिक्रिया दर को मापें:
| [A] (M) | [B] (M) | आरंभिक दर (m/s) |
|---|---|---|
| 0.1 | 0.1 | 2.0 × 10-3 |
| 0.2 | 0.1 | 4.0 × 10-3 |
| 0.1 | 0.2 | 2.0 × 10-3 |
इन परिणामों से, A और B के संबंध में प्रतिक्रिया क्रम का मूल्यांकन किया जा सकता है। यहाँ, A की सांद्रता को दोगुना करने पर दर दोगुनी होती है, जो A के संबंध में प्रथम क्रम को दर्शाती है, जबकि B की सांद्रता को दोगुना करने का दर पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता, जो B के संबंध में शून्य क्रम को दर्शाती है। इसलिए, दर कानून है:
दर = k [A]^1 [B]^0 = k [A]
प्रतिक्रिया की दर को प्रभावित करने वाले कारक
एक रासायनिक प्रतिक्रिया की दर कई कारकों से प्रभावित होती है:
- सांद्रता: अभिकर्मक सांद्रता में वृद्धि करने से आमतौर पर प्रतिक्रिया दर वृद्धि होती है क्योंकि अधिक बार टकराव होते हैं।
- तापमान: तापमान बढ़ाने से गतिकीय ऊर्जा में वृद्धि होती है, जिसके परिणामस्वरूप अधिक बार और अधिक ऊर्जावान टकराव होते हैं।
- उत्प्रेरक: उत्प्रेरक प्रतिक्रिया दर को बढ़ाते हैं एक वैकल्पिक मार्ग प्रदान करके जिसके लिए कम ऊर्जाञ्जन की आवश्यकता होती है, बिना उपभोग होने के।
- सतह क्षेत्र: ठोस अभिकर्मक का बड़ा सतह क्षेत्र प्रतिक्रिया दर बढ़ा देता है।
रासायनिक प्रतिक्रियाएँ हम जिस दुनिया में रहते हैं उससे गहराई से जुड़ी हैं। प्रतिक्रिया प्रक्रियाओं और दर कानूनों के सिद्धांतों को समझना और उनका प्रयोग करना रसायनज्ञों को नवाचार और खोज के लिए विभिन्न क्षेत्रों में शक्तिशाली उपकरण प्रदान करता है।
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