गति कानून और प्रतिक्रिया क्रम

सामान्य रसायन विज्ञान में गतिकी का अध्ययन करते समय अक्सर यह समझना शामिल होता है कि रासायनिक प्रतिक्रिया की गति अभिकारकों की सांद्रता पर कैसे निर्भर करती है। इस क्षेत्र को प्रतिक्रिया गतिकी के रूप में जाना जाता है, और यह विशिष्ट सिद्धांतों के अंतर्गत संचालित होता है जिन्हें गति नियम और प्रतिक्रिया क्रम कहा जाता है।

गति कानून का परिचय

किसी रासायनिक प्रतिक्रिया का गति कानून एक समीकरण है जो अभिकारकों की सांद्रताओं से प्रतिक्रिया की गति को संबंधित करता है। इसे किसी सामान्य प्रतिक्रिया के लिए गणितीय रूप से व्यक्त करने के लिए:

AA + BB → CC + DD

गति कानून को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

गति = k[A] m [B] n

जहाँ:

• गति प्रतिक्रिया की गति है।
• k दर स्थिरांक है, एक संख्या जो प्रतिक्रिया की गति के बारे में जानकारी रखती है।
• [A] और [B] अभिकारक A और B की मोलर सांद्रताएं हैं।
• m और n प्रत्येक अभिकारक के संबंध में प्रतिक्रिया क्रम हैं।

प्रतिक्रिया क्रम को समझना

प्रतिक्रिया क्रम गतिकी में एक महत्वपूर्ण अवधारणा है। यह जानकारी प्रदान करता है कि अभिकारकों की सांद्रता कैसे प्रतिक्रिया की गति को प्रभावित करती है। संपूर्ण प्रतिक्रिया क्रम गति कानून समीकरण में सांद्रता पदों के अभिघातक का योग होता है। विभिन्न क्रमों का प्रतिक्रिया गति पर अत्यधिक भिन्न प्रभाव हो सकता है:

शून्य-क्रम की प्रतिक्रियाएँ

शून्य-क्रम प्रतिक्रिया का अर्थ है कि अभिकारकों की सांद्रता से प्रतिक्रिया की गति स्वतंत्र होती है। शून्य-क्रम प्रतिक्रिया के लिए दर नियम है:

दर = K

ग्राफ पर, समय के संबंध में अभिकारकों की सांद्रता रैखिक रूप से घटती है एक सांद्रता बनाम समय प्लॉट पर। उदाहरण के लिए, प्लेटिनम सतह पर अमोनिया का विघटन:

2NH 3 (g) → N 2 (g) + 3H 2 (g)

शून्य-क्रम की प्रतिक्रिया के लिए गति कानून को एक ग्राफ में इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

प्रथम-क्रम की प्रतिक्रियाएँ

प्रथम-क्रम की प्रतिक्रिया में, प्रतिक्रिया की गति सीधे एक अभिकारक की सांद्रता के समानुपाती होती है:

दर = k[A]

प्रथम-क्रम की प्रतिक्रिया का उदाहरण एक समस्थानिक के रेडियोधर्मी क्षय या N ₂ O ₅ का विघटन है:

2N 2 O 5 → 4NO 2 + O 2

प्रथम-क्रम की प्रतिक्रियाएँ घातांकात्मक क्षय व्यवहार का प्रदर्शन करती हैं जिसे इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

द्वितीय-क्रम की प्रतिक्रियाएँ

द्वितीय-क्रम की प्रतिक्रिया एक अभिकारक की सांद्रता के वर्ग पर या दो अलग-अलग अभिकारकों की सांद्रता पर निर्भर करती है। द्वितीय-क्रम प्रतिक्रिया के लिए गति नियम है:

दर = k[A] 2 या दर = k[A][B]

एक ज्ञात द्वितीय-क्रम प्रतिक्रिया में नाइट्रोजन डाइऑक्साइड का दोहरीकरण शामिल है:

2NO 2 → N 2 O 4

द्वितीय-क्रम प्रतिक्रिया (एक अभिकारक के साथ) का ग्राफ इस प्रकार दिखता है:

प्रतिक्रिया क्रम और गति कानून का निर्धारण

प्रयोगात्मक डेटा से प्रतिक्रिया क्रम और गति कानून का निर्धारण गतिकी के लिए मौलिक है। इस उद्देश्य के लिए उपयोग की जाने वाली दो सामान्य विधियाँ हैं प्रारंभिक दर विधि और एकीकृत गति नियम विधि।

प्रारंभिक दर विधि

यह विधि अभिकारकों की अलग-अलग प्रारंभिक सांद्रताओं पर प्राप्त प्रतिक्रियाओं की प्रारंभिक दरों का उपयोग करके प्रत्येक अभिकारक के संबंध में क्रम को निर्धारित करने के लिए किया जाता है। यदि आप जानते हैं कि गति नियम है:

दर = k[A] m [B] n

तो आप B को स्थिर रखते हुए A की सांद्रता को बदल सकते हैं ताकि m का निष्कर्ष निकाला जा सके, फिर A को स्थिर रखते हुए B की सांद्रता को बदल सकते हैं ताकि n का निष्कर्ष निकाला जा सके। उदाहरण के लिए, आइए इन तीन प्रयोगों पर विचार करें:

प्रयोग | [A] | [B] | दर (mol/L*s)
1 | 0.1 | 0.1 | 0.005
2 | 0.2 | 0.1 | 0.01
3 | 0.1 | 0.2 | 0.01
    

प्रयोग 1 और 2 से, [A] को दोहरा देने पर दर भी दोगुनी हो जाती है, स्पष्ट करता है कि A के संबंध में प्रथम-क्रम की प्रतिक्रिया है। प्रयोग 1 और 3 से, [B] को दोहरा देने पर दर भी दोगुनी हो जाती है, स्पष्ट करता है कि B के संबंध में प्रथम-क्रम की प्रतिक्रिया है।

इस प्रकार, इन आंकड़ों के आधार पर गति नियम होगा:

दर = k[A][B]

एकीकृत गति नियम विधि

यह विधि प्रतिक्रिया क्रम को निर्धारित करने के लिए सांद्रता बनाम समय डेटा का विश्लेषण करती है। शून्य, प्रथम, और द्वितीय-क्रम प्रतिक्रियाओं के लिए एकीकृत गति नियम निम्नलिखित हैं:

• शून्य-क्रम: [A] = [A] 0 - kt
• प्रथम-क्रम: ln([A]/[A] 0 ) = -kt
• द्वितीय-क्रम: 1/[A] = 1/[A] 0 + kt

इन समीकरणों में, [A] 0 अभिकारक की प्रारंभिक सांद्रता है। उपयुक्त डेटा परिवर्तन को प्लॉट करके और रैखिकता की जांच करके, प्रतिक्रिया क्रम निर्धारित किया जा सकता है।

दर स्थिरांक का महत्व

दर स्थिरांक k गति नियम में महत्वपूर्ण है क्योंकि यह, सांद्रता के साथ मिलकर, प्रतिक्रिया की दर देता है। प्रत्येक प्रतिक्रिया का एक अद्वितीय दर स्थिरांक होता है जो विभिन्न तापमानों के साथ बदल सकता है। Arrhenius का नियम दर स्थिरांक को तापमान से संबंधित करता है, यह दिखाते हुए कि:

k = a * e - ea/(rt)

जहाँ:

• A आवृत्ति कारक है।
• _{E a} सक्रियण ऊर्जा है।
• R गैस स्थिरांक है।
• T केल्विन में तापमान है।

Arrhenius समीकरण दिखाता है कि ऊँचे तापमान के साथ दर स्थिरांक बड़ा हो जाता है, सामान्यतया तेज प्रतिक्रिया का परिणाम होता है।

उत्प्रेरण और प्रतिक्रिया दर

उत्प्रेरक ऐसे पदार्थ होते हैं जो प्रतिक्रिया की दर को बढ़ाते हैं बिना इसका उपभोग किए। आइए उनकी भूमिका को समझें:

• कम सक्रियण ऊर्जा: उत्प्रेरक कम ऊर्जा अवरोधों के साथ एक वैकल्पिक मार्ग प्रदान करते हैं।
• बढ़ी हुई दर स्थिरांक: जैसे ही E a घटता है, k Arrhenius के कानून के अनुसार बड़ा हो जाता है।

महत्वपूर्ण बात यह है कि उत्प्रेरक प्रतिक्रिया के क्रम को नहीं बदलते हैं; वे केवल उस दर को बढ़ाते हैं जिस पर संतुलन प्राप्त होता है।

निष्कर्ष

गति कानूनों और प्रतिक्रिया क्रम की अवधारणाओं का निपुण होना यह भविष्यवाणी करने के लिए आवश्यक है कि रासायनिक प्रणालियाँ विभिन्न परिस्थितियों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती हैं। इन विचारों को समझना रसायनज्ञों को प्रतिक्रियाओं को अधिक सुरक्षित, तेज, या ऊर्जा दक्ष बनाने में सक्षम करता है, जो औषधि विज्ञान से लेकर पर्यावरण विज्ञान तक की उद्योगों को प्रभावित करता है।

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