रासायनिक प्रतिक्रियाओं की सहजता

एन्ट्रॉपी किसी प्रणाली में यादृच्छिकता या अव्यवस्था की मात्रा का माप है। एन्ट्रॉपी एक विस्तृत गुण है। यह नमूने में उपस्थित पदार्थ की मात्रा पर निर्भर करता है। एन्ट्रॉपी को प्रतीक S द्वारा व्यक्त किया जाता है। इसे मापा जाता है JK⁻¹या kgm⁻²s²K⁻¹। एन्ट्रॉपी एक अवस्था फलन है। यह अपनाए गए मार्ग की बजाय प्रणाली की स्थिति पर निर्भर करता है।

एन्ट्रॉपी को समझने के लिए आइए बर्फ के पिघलने का उदाहरण लें। हम जानते हैं कि बर्फ में पानी के अणु व्यवस्थित अवस्था में होते हैं। जब बर्फ पिघलकर तरल जल बन जाती है, तो अणु अव्यवस्थित हो जाते हैं। या हम कह सकते हैं कि जल अणुओं की एन्ट्रॉपी बढ़ जाती है।

गिब्स मुक्त ऊर्जा किसी प्रणाली में उपलब्ध ऊर्जा है जिसका उपयोग कुछ कार्य करने के लिए किया जा सकता है। गिब्स ऊर्जा का उपयोग स्थिर तापमान और दबाव पर ऊष्मागतिक प्रणाली में किये गये कार्य की अधिकतम मात्रा को मापने के लिए किया जाता है। इसका उपयोग रासायनिक प्रतिक्रिया की स्वतःप्रवर्तकता निर्धारित करने के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, यदि अभिकारकों की गिब्स ऊर्जा उत्पादों की तुलना में अधिक है तो प्रतिक्रिया स्वतः ही आगे बढ़ेगी। यदि उत्पादों की गिब्स ऊर्जा अभिकारकों की तुलना में अधिक है तो प्रतिक्रिया अनायास होगी।

गिब्स ऊर्जा एक अवस्था फलन है। इसे तीन अन्य राज्य कार्यों के संदर्भ में परिभाषित किया गया है। ये अवस्था फलन तापमान, एन्ट्रॉपी और एन्थैल्पी हैं। ये अवस्था कार्य रासायनिक प्रतिक्रियाओं के पीछे प्रेरक कारक हैं। गिब्स ऊर्जा एक अवस्था फलन होने के कारण पथ पर निर्भर नहीं करती है। यह सिस्टम की स्थिति पर निर्भर करता है।

गिब्स ऊर्जा एन्थैल्पी - तापमान और एन्ट्रॉपी के गुणनफल के योग के बराबर होती है। अतः गिब्स ऊर्जा में परिवर्तन एन्थैल्पी में परिवर्तन तथा तापमान और एन्ट्रॉपी में परिवर्तन के गुणनफल के योग के बराबर होता है। क्योंकि तापमान स्थिर रखा जाता है इसलिए हम तापमान में परिवर्तन की गणना नहीं कर रहे हैं।

रासायनिक प्रतिक्रिया की सहजता पर चर्चा करने से पहले, आइए पहले एन्थैल्पी में परिवर्तन और एन्ट्रॉपी में परिवर्तन शब्दों को समझें। जैसा कि हम जानते हैं कि एन्थैल्पी प्रणाली की ऊष्मा-सामग्री है। यदि एन्थैल्पी में परिवर्तन धनात्मक है तो अभिक्रिया ऊष्माशोषी है। इसका मतलब यह है कि प्रतिक्रिया के लिए सिस्टम में गर्मी जोड़ी जानी चाहिए। यदि एन्थैल्पी में परिवर्तन ऋणात्मक है, तो अभिक्रिया ऊष्माक्षेपी है। इसका अर्थ यह है कि प्रतिक्रिया से ऊष्मा निकलती है।

जैसा कि हम जानते हैं कि एन्ट्रॉपी किसी प्रणाली में अव्यवस्था का माप है। यदि एन्ट्रॉपी में परिवर्तन सकारात्मक या शून्य से अधिक है, तो इसका अर्थ है कि प्रणाली व्यवस्थित अवस्था से अव्यवस्थित अवस्था में चली गई है। यदि एन्ट्रॉपी में परिवर्तन ऋणात्मक या शून्य से कम है, तो यह संकेत देता है कि प्रणाली अव्यवस्थित अवस्था से व्यवस्थित अवस्था में चली गयी है।

यदि गिब्स मुक्त ऊर्जा धनात्मक है, तो प्रतिक्रिया अनायास होती है। यदि यह नकारात्मक है, तो प्रतिक्रिया स्वतःस्फूर्त होती है। आइए अब चर्चा करें कि रासायनिक प्रतिक्रिया की सहजता निर्धारित करने में एन्ट्रॉपी, एन्थैल्पी और गिब्स मुक्त ऊर्जा किस प्रकार संबंधित हैं। यदि एन्थैल्पी में परिवर्तन ऋणात्मक या शून्य से कम हो तथा एन्ट्रॉपी में परिवर्तन धनात्मक या शून्य से अधिक हो, तो गिब्स ऊर्जा का मान ऋणात्मक या शून्य से कम होगा। गिब्स मुक्त ऊर्जा का ऋणात्मक मान यह दर्शाता है कि प्रतिक्रिया स्वतः होगी।

उदाहरण के लिए, जब लकड़ी जलती है, तो वह पर्यावरण में गर्मी छोड़ती है। यह अभिक्रिया ऊष्माक्षेपी है। इस स्थिति में एन्थैल्पी में परिवर्तन शून्य से कम है। इसके अलावा प्रणाली व्यवस्थित अवस्था अर्थात लकड़ी से अव्यवस्थित अवस्था अर्थात राख की ओर बढ़ रही है। प्रणाली में यादृच्छिकता बढ़ जाती है। इस मामले में एन्ट्रॉपी में परिवर्तन सकारात्मक है। अतः गिब्स ऊर्जा का मान शून्य से कम होगा। लकड़ी का जलना एक स्वतःस्फूर्त प्रतिक्रिया है।

यदि गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन धनात्मक या शून्य से अधिक है, तो प्रतिक्रिया अनायास होगी। जब अभिक्रिया ऊष्माशोषी होती है और एन्ट्रॉपी घट रही होती है या शून्य से कम होती है, तो गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन धनात्मक या शून्य से अधिक होगा। यह प्रतिक्रिया अनायास नहीं होगी, क्योंकि हमें प्रणाली को कम व्यवस्थित अवस्था से अधिक व्यवस्थित अवस्था में ले जाने के लिए ऊष्मा प्रदान करनी होगी।

यदि हमारे पास एक विशेष अभिक्रिया हो जिसमें एन्थैल्पी में परिवर्तन धनात्मक हो तथा एन्ट्रॉपी में परिवर्तन भी धनात्मक हो तो क्या होगा?। सरल शब्दों में कहें तो यह प्रतिक्रिया ऊष्माशोषी है तथा व्यवस्थित अवस्था से अव्यवस्थित अवस्था की ओर बढ़ रही है। क्या गिब्स ऊर्जा नकारात्मक होगी या सकारात्मक?। या हम यह कह सकते हैं कि क्या प्रतिक्रिया स्वतःस्फूर्त होगी या अस्वतःस्फूर्त?। ऐसे मामलों में, तापमान प्रतिक्रिया की स्वतःप्रवर्तकता निर्धारित करेगा।

यदि एन्थैल्पी में परिवर्तन और एन्ट्रॉपी में परिवर्तन दोनों धनात्मक हैं, तो उच्च तापमान पर गिब्स ऊर्जा का मान ऋणात्मक होगा। यह कम तापमान पर धनात्मक होगा। हम कह सकते हैं कि ऐसी स्थिति में उच्च तापमान पर प्रतिक्रिया स्वतः होगी। कम तापमान पर यह अनायास नहीं होगा। उदाहरण के लिए, जब बर्फ पिघलकर द्रव जल में परिवर्तित होती है, तो एन्थैल्पी में परिवर्तन धनात्मक होता है। प्रतिक्रिया ऊष्माशोषी है। इस मामले में एन्ट्रॉपी भी धनात्मक है। ऐसा इसलिए है क्योंकि व्यवस्थित अवस्था में बर्फ तरल पानी में परिवर्तित हो रही है, जो कम व्यवस्थित अवस्था में है।

उदाहरण के लिए, जब बर्फ पिघलकर द्रव जल में परिवर्तित होती है, तो एन्थैल्पी में परिवर्तन धनात्मक होता है। प्रतिक्रिया ऊष्माशोषी है। इस मामले में एन्ट्रॉपी भी धनात्मक है। ऐसा इसलिए है क्योंकि व्यवस्थित अवस्था में बर्फ तरल पानी में परिवर्तित हो रही है, जो कम व्यवस्थित अवस्था में है। कम तापमान पर बर्फ पिघलेगी नहीं। प्रतिक्रिया अनायास नहीं होगी। उच्च तापमान पर बर्फ पिघल जायेगी। प्रतिक्रिया स्वतःस्फूर्त होगी।

यदि एन्थैल्पी में परिवर्तन और एन्ट्रॉपी में परिवर्तन दोनों ऋणात्मक हों तो क्या होगा?। क्या प्रतिक्रिया स्वतःस्फूर्त होगी या अस्वतःस्फूर्त?इस मामले में तापमान स्वतःस्फूर्तता का निर्धारण करेगा। यदि एन्थैल्पी में परिवर्तन और एन्ट्रॉपी में परिवर्तन दोनों ऋणात्मक हैं, तो उच्च तापमान पर गिब्स ऊर्जा का मान धनात्मक होगा। यह कम तापमान पर ऋणात्मक होगा। हम कह सकते हैं कि ऐसी स्थिति में, कम तापमान पर प्रतिक्रिया स्वतः होगी। उच्च तापमान पर यह अनायास नहीं होगा।