रासायनिक गतिकी

हम जानते हैं कि लोहे में जंग लगना एक रासायनिक प्रतिक्रिया है। यह जल्दी नहीं होता। लोहे में जंग धीरे-धीरे लगती है। हालाँकि, पेट्रोल का जलना एक त्वरित प्रतिक्रिया है। क्या आपने कभी सोचा है कि कुछ प्रतिक्रियाएं शीघ्र क्यों होती हैं, जबकि अन्य में घंटों या दिन लग जाते हैं?। इसका उत्तर प्रतिक्रिया की दर की अवधारणा में पाया जा सकता है।

प्रतिक्रिया की दर से तात्पर्य उस गति से है जिस पर रासायनिक प्रतिक्रिया होती है। किसी अभिक्रिया की दर को आमतौर पर समय के साथ अभिकारकों या उत्पादों की सांद्रता में परिवर्तन की निगरानी करके मापा जाता है। प्रतिक्रिया की दर जितनी तीव्र होगी, प्रतिक्रिया होने में उतना ही कम समय लगेगा। यदि प्रतिक्रिया की दर धीमी है तो प्रतिक्रिया पूरी होने में अधिक समय लगेगा।

किसी रासायनिक प्रतिक्रिया की दर को उस प्रतिक्रिया में शामिल पदार्थ की सांद्रता में परिवर्तन को उस समय अंतराल से विभाजित करके व्यक्त किया जा सकता है, जिस पर सांद्रता में परिवर्तन होता है। प्रतिक्रिया दर की इकाइयाँ अध्ययन की जा रही विशिष्ट प्रतिक्रिया पर निर्भर करती हैं। रासायनिक अभिक्रिया में अभिकारकों की सांद्रता समय के साथ घटती जाती है। समय के साथ उत्पादों की सांद्रता बढ़ती जाती है।

आइए एक रासायनिक अभिक्रिया पर विचार करें जिसमें अभिकारक A, अभिकारक B के साथ अभिक्रिया करके उत्पाद C बनाता है। समय बीतने के साथ अभिकारक A और अभिकारक B की सांद्रता कम हो जाएगी। अभिकारक A के संदर्भ में इस विशेष प्रतिक्रिया की दर इस प्रकार व्यक्त की जाती है −Δ[A]/Δt। Δपरिवर्तन की अवधारणा का प्रतिनिधित्व करता है। ऋणात्मक चिह्न इस तथ्य के कारण है कि अभिकारक की सांद्रता समय के साथ कम होती जा रही है।

अभिकारक B के संदर्भ में दर को इस प्रकार व्यक्त किया जाता है −Δ[B]/Δt। यहाँ ऋणात्मक चिह्न अभिकारक B की सांद्रता में कमी के कारण है। उत्पाद C के संदर्भ में दर को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है Δ[C]/Δt। यहाँ कोई नकारात्मक चिन्ह नहीं है। ऐसा इसलिए है क्योंकि समय के साथ उत्पादों की सांद्रता बढ़ती जा रही है।

किसी रासायनिक प्रतिक्रिया की दर की गणना करने के लिए, आपको एक विशिष्ट समय अंतराल में किसी अभिकारक या उत्पाद की सांद्रता में परिवर्तन का निर्धारण करना होगा। मान लीजिए किसी अभिकारक की प्रारंभिक सांद्रता को इस प्रकार व्यक्त किया जाता है [A]₁। अभिकारक की अंतिम सांद्रता इस प्रकार व्यक्त की जाती है [A]₂। अतः सांद्रता में परिवर्तन अंतिम सांद्रता में से प्रारंभिक सांद्रता को घटाने के बराबर होगा। प्रारंभिक समय इस प्रकार व्यक्त किया जाता है t₁। अंतिम समय इस प्रकार व्यक्त किया जाता है t₂। समय अंतराल अंतिम समय में से प्रारंभिक समय घटाकर प्राप्त राशि के बराबर होता है।

अभिक्रिया की दर की गणना करने के लिए सबसे पहले अभिकारक की प्रारंभिक सांद्रता में से अभिकारक की अंतिम सांद्रता को घटाएं, जिससे अभिकारक की सांद्रता में परिवर्तन प्राप्त हो जाएगा। इसी प्रकार, समय-अंतराल निर्धारित करने के लिए प्रारंभिक समय में से अंतिम समय घटाएँ। अंत में, अभिकारक की सांद्रता में परिवर्तन को समय अंतराल से विभाजित करके अभिक्रिया की दर ज्ञात करें।

आइए रासायनिक प्रतिक्रिया की दर की गणना करने के लिए एक उदाहरण पर विचार करें। मान लीजिए हमारे पास एक प्रतिक्रिया है जहां अभिकारक A की प्रारंभिक सांद्रता है 0.1M। अभिकारक A की अंतिम सांद्रता है 0.05M। प्रारंभिक समय 0 सेकंड है और अंतिम समय 30 सेकंड है।

सबसे पहले, हमें अभिकारक A की सांद्रता और समय-अंतराल में परिवर्तन की गणना करनी होगी। अभिकारक A की सांद्रता में परिवर्तन है -0.05M। गणना किया गया समय अंतराल 30 सेकंड है। अब हम सांद्रता में परिवर्तन को समय अंतराल से विभाजित करेंगे। अंततः अभिक्रिया की दर की गणना की गई है 0.00167M/s। ऋणात्मक चिह्न यह दर्शाता है कि अभिकारक उपभोग किये जा रहे हैं। इससे पता चलता है कि 00167Mइस अभिक्रिया के दौरान प्रति सेकण्ड अभिकारक A का उपभोग हो रहा है।

रासायनिक प्रतिक्रिया की दर को कई कारक प्रभावित करते हैं। हम इन कारकों पर संक्षेप में चर्चा करेंगे। अभिकारकों की सांद्रता अभिक्रिया की दर निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। जैसे-जैसे अभिकारकों की सांद्रता बढ़ती है, कणों के बीच सफल टकराव की आवृत्ति बढ़ती जाती है। अभिकारक कणों के बीच सफल टकरावों की अधिक संख्या का अर्थ है कि कम समय में अधिक अभिकारक उत्पादों में परिवर्तित हो जायेंगे। इससे प्रतिक्रिया की दर अधिक हो जाती है।

तापमान का किसी प्रतिक्रिया की दर पर सीधा प्रभाव पड़ता है। जब तापमान बढ़ता है तो कणों की गतिज ऊर्जा भी बढ़ जाती है। इसके परिणामस्वरूप अधिक तीव्रता और तीव्रता से टकराव होता है। अधिक लगातार और अधिक ऊर्जावान टकराव का अर्थ है कि अभिकारक तेजी से उत्पादों में परिवर्तित हो जाएंगे। इसलिए, उच्च तापमान से सामान्यतः प्रतिक्रिया की दर भी उच्च हो जाती है।

ठोस अभिकारकों से संबंधित अभिक्रियाओं में, ठोस का पृष्ठीय क्षेत्रफल अभिक्रिया दर में भूमिका निभाता है। किसी ठोस अभिकारक का पृष्ठीय क्षेत्रफल बढ़ाने से अधिक कण उजागर होते हैं। इससे दूसरे चरण जैसे गैस या तरल से अभिकारक कणों को टकराने के लिए बड़ा क्षेत्र उपलब्ध हो जाता है। यह बढ़ा हुआ सतह क्षेत्र सफल टकराव की संभावनाओं को बढ़ाता है और उच्च प्रतिक्रिया दर की ओर ले जाता है।

उत्प्रेरक वे पदार्थ हैं जो रासायनिक अभिक्रियाओं में बिना उपभोग किये या प्रक्रिया में स्थायी रूप से परिवर्तित हुए, उन्हें तीव्र गति प्रदान करते हैं। उत्प्रेरक एक वैकल्पिक प्रतिक्रिया मार्ग प्रदान करके काम करते हैं जिसके लिए गैर-उत्प्रेरित प्रतिक्रिया की तुलना में कम सक्रियण ऊर्जा की आवश्यकता होती है। सक्रियण ऊर्जा किसी रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा है। सक्रियण ऊर्जा को कम करके, उत्प्रेरक अभिकारक कणों को अधिक आसानी से ऊर्जा अवरोध को पार करने और उत्पादों के निर्माण की ओर अग्रसर होने में सक्षम बनाते हैं।

समजातीय उत्प्रेरक वे उत्प्रेरक होते हैं जो किसी अभिक्रिया में अभिकारकों के समान चरण में होते हैं। आमतौर पर, सजातीय उत्प्रेरकों का उपयोग विलयनों या गैसों में होने वाली प्रतिक्रियाओं में किया जाता है। समरूप उत्प्रेरक का एक उदाहरण विशेष रासायनिक अभिक्रियाओं में अम्लों या क्षारों का उपयोग है। उदाहरण के लिए, सल्फ्यूरिक एसिड एस्टरीफिकेशन-प्रतिक्रिया में उत्प्रेरक के रूप में कार्य कर सकता है। इस अभिक्रिया में सल्फ्यूरिक अम्ल अल्कोहल और कार्बोक्सिलिक अम्ल को एस्टर और जल में परिवर्तित करने में सहायता करता है। सल्फ्यूरिक एसिड, अल्कोहल और कार्बोक्सिलिक एसिड सभी एक ही तरल चरण में हैं।

विषम-उत्प्रेरक वे उत्प्रेरक होते हैं जो अभिकारकों से भिन्न प्रावस्था में विद्यमान होते हैं। आमतौर पर, विषम उत्प्रेरक ठोस पदार्थ होते हैं जो गैसों या तरल पदार्थों से संबंधित प्रतिक्रियाओं को सुविधाजनक बनाते हैं। विषम-उत्प्रेरक का एक उदाहरण प्लैटिनम है जिसका उपयोग कारों में उत्प्रेरक कन्वर्टर्स में किया जाता है। उत्प्रेरक कनवर्टर में प्लैटिनम से लेपित एक छत्ते जैसी संरचना होती है। प्लैटिनम उत्प्रेरक हानिकारक निकास गैसों, जैसे कार्बन मोनोऑक्साइड और नाइट्रोजन ऑक्साइड को कार्बन डाइऑक्साइड, नाइट्रोजन गैस और पानी जैसे कम हानिकारक पदार्थों में परिवर्तित करने में मदद करता है।