रासायनिक गतिकी

हम जानते हैं कि अभिक्रिया की दर अभिकारकों की सांद्रता और तापमान पर निर्भर करती है। लेकिन सांद्रता और तापमान में परिवर्तन से प्रतिक्रिया की दर पर प्रभाव क्यों पड़ता है?। इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए, आइए हम टक्कर सिद्धांत को समझें। टक्कर सिद्धांत कहता है कि किसी प्रतिक्रिया के होने के लिए प्रतिक्रिया करने वाले कणों का एक दूसरे से टकराना आवश्यक है। कणों का टकराना उचित दिशा में होना चाहिए। इस टकराव के परिणामस्वरूप उत्पादों का निर्माण होता है।

टक्कर सिद्धांत के संदर्भ में, कण उन परमाणुओं, अणुओं या आयनों का प्रतिनिधित्व करते हैं जो रासायनिक प्रतिक्रिया में भाग लेते हैं। ये कण अपनी गतिज ऊर्जा के कारण निरंतर गतिशील रहते हैं। जैसे-जैसे वे आगे बढ़ते हैं, उनमें प्रतिक्रिया मिश्रण में मौजूद अन्य कणों से टकराने की संभावना होती है। टक्कर सिद्धांत इस बात पर बल देता है कि किसी प्रतिक्रिया के लिए इन कणों के बीच टक्कर आवश्यक है।

हालाँकि, सभी टकरावों के परिणामस्वरूप प्रतिक्रिया नहीं होती। टक्कर को दो महत्वपूर्ण शर्तों को पूरा करना होगा। ये स्थितियाँ पर्याप्त ऊर्जा और उचित अभिविन्यास हैं। टकराने वाले कणों में सक्रियण ऊर्जा अवरोध को पार करने के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा होनी चाहिए। सक्रियण ऊर्जा से तात्पर्य किसी प्रतिक्रिया के लिए आवश्यक ऊर्जा की न्यूनतम मात्रा से है। यह एक प्रकार की बाधा के रूप में कार्य करता है जिसे प्रतिक्रिया आरंभ करने के लिए कणों को पार करना होता है।

जब टकराने वाले कणों की ऊर्जा, सक्रियण ऊर्जा सीमा से कम होती है, तो कण अभिकारक अणुओं में विद्यमान बंधों को तोड़ने में सक्षम नहीं होते हैं। इसके बजाय, कण अपने बीच प्रतिकर्षण बलों के कारण एक दूसरे से टकराते हैं। इस प्रकार की टक्कर को प्रतिक्रिया आरंभ करने के लिए अप्रभावी माना जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि अभिकारक बंधों को तोड़ने और नए बंधों के निर्माण के लिए आवश्यक ऊर्जा प्राप्त नहीं हो पाती।

जब कण सक्रियण ऊर्जा से अधिक या उसके बराबर ऊर्जा के साथ टकराते हैं, तो अभिकारक बंध टूट सकते हैं। इससे नये बांडों का निर्माण होता है और उत्पादों का सृजन होता है। ऐसी टक्कर को प्रभावी टक्कर कहा जाता है।

किसी रासायनिक प्रतिक्रिया के होने के लिए, प्रतिक्रिया करने वाले कणों का न केवल पर्याप्त ऊर्जा के साथ टकराना आवश्यक है, बल्कि सही स्थानिक अभिविन्यास में भी टकराना आवश्यक है। आवश्यक परमाण्विक या आणविक पुनर्व्यवस्था के लिए यह सही अभिविन्यास आवश्यक है। अभिकारक कणों के बीच टकराव के दौरान ऊर्जा एक कण से दूसरे कण में स्थानांतरित होती है। इस ऊर्जा-स्थानान्तरण के परिणामस्वरूप बंधन टूट सकते हैं और बन सकते हैं, जिससे वांछित उत्पाद बन सकते हैं। हालाँकि, इन प्रक्रियाओं के सफलतापूर्वक होने के लिए, प्रतिक्रियाशील कणों का उचित संरेखण होना आवश्यक है।

यदि कण गलत दिशा में टकराते हैं, तो आवश्यक परमाण्विक या आणविक पुनर्व्यवस्था कुशलतापूर्वक नहीं हो सकती। टक्कर के दौरान स्थानांतरित ऊर्जा का उपयोग अभिकारक बंधों को तोड़ने तथा नए बंध बनाने के लिए प्रभावी रूप से नहीं किया जा सकता। परिणामस्वरूप, प्रतिक्रिया में बाधा आती है। उत्पादों के निर्माण की संभावना कम हो जाती है।

टक्कर आवृत्ति से तात्पर्य किसी रासायनिक अभिक्रिया में प्रति इकाई समय में होने वाली टक्करों की संख्या से है। टक्कर की आवृत्ति प्रतिक्रिया की दर के सीधे आनुपातिक होती है। उच्च टक्कर आवृत्ति का अर्थ है प्रतिक्रिया की तीव्र दर। यदि टक्कर की आवृत्ति कम है तो प्रतिक्रिया की दर धीमी होगी।

टक्कर की आवृत्ति अभिकारक कणों की सांद्रता पर निर्भर करती है। अभिकारक कणों की उच्च सांद्रता का अर्थ है कि प्रति इकाई आयतन में टकराव के लिए अधिक कण उपलब्ध हैं। परिणामस्वरूप, टकराव की संभावना बढ़ जाती है। इससे टकराव की आवृत्ति बढ़ जाती है.

प्रतिक्रिया करने वाले कणों का औसत वेग भी टक्कर की आवृत्ति को प्रभावित करता है। जैसे-जैसे कणों का औसत वेग बढ़ता है, उनके अन्य कणों से टकराने की संभावना भी बढ़ जाती है। इसके परिणामस्वरूप टक्कर की आवृत्ति अधिक हो जाती है। इसके अलावा, किसी कण का वेग सीधे उसकी गतिज ऊर्जा से संबंधित होता है। गतिज ऊर्जा किसी कण की गति की ऊर्जा का माप है। अतः उच्च वेग वाले कण की गतिज ऊर्जा भी उच्च होगी। इसका मतलब यह है कि कण सफल टक्कर के लिए सक्रियण ऊर्जा पर काबू पा सकता है।

दर नियम एक गणितीय समीकरण है जो किसी रासायनिक प्रतिक्रिया की दर और उसके अभिकारकों की सांद्रता के बीच संबंध का वर्णन करता है। यह दर्शाता है कि अभिकारकों की सांद्रता किस प्रकार उत्पादों के निर्माण या अभिकारकों के उपभोग की दर को प्रभावित करती है। उस अभिक्रिया पर विचार करें जिसमें हमारे पास अभिकारक A और अभिकारक B हैं। ये अभिकारक प्रतिक्रिया करके उत्पाद अभिकारक C बनाते हैं। दर कानून समीकरण का सामान्य रूप चित्रित किया गया है।

दिए गए समीकरण में दर प्रतिक्रिया दर को दर्शाती है, जो समय की प्रति इकाई अभिकारक या उत्पाद की सांद्रता में परिवर्तन है। वर्गाकार कोष्ठकों में अक्षर A, अभिकारक A की सांद्रता को दर्शाता है। वर्गाकार कोष्ठकों में अक्षर B, अभिकारक B की सांद्रता को दर्शाता है। प्रतीक K को दर स्थिरांक कहा जाता है। यह एक आनुपातिक स्थिरांक है जो तापमान, उत्प्रेरक और प्रतिक्रिया तंत्र जैसे कारकों पर निर्भर करता है। यह अभिकारक सांद्रता से स्वतंत्र है।

दर नियम समीकरण में घातांक x और y क्रमशः अभिकारक A और अभिकारक B के संबंध में प्रतिक्रिया क्रमों को दर्शाते हैं। प्रतिक्रिया क्रम किसी विशेष अभिकारक की सांद्रता में परिवर्तन के प्रति प्रतिक्रिया दर की संवेदनशीलता को दर्शाता है। यह 0, धनात्मक, ऋणात्मक और संभवतः भिन्नात्मक हो सकता है। यदि किसी अभिकारक के लिए अभिक्रिया क्रम शून्य है तो अभिकारक को शून्य क्रम अभिकारक कहा जाता है। इसका अर्थ यह है कि उस अभिकारक की सांद्रता अभिक्रिया दर को प्रभावित नहीं करती है। दर उस विशेष अभिकारक की सांद्रता से स्वतंत्र होती है। शून्य कोटि अभिकारक के लिए दर नियम समीकरण को चित्रित किया गया है।

यदि किसी अभिकारक के लिए प्रतिक्रिया क्रम एक है, तो अभिकारक को प्रथम क्रम अभिकारक कहा जाता है। यह इंगित करता है कि प्रतिक्रिया दर उस अभिकारक की सांद्रता के सीधे आनुपातिक है। प्रथम क्रम अभिकारक की सांद्रता दोगुनी करने से प्रतिक्रिया दर दोगुनी हो जाएगी। प्रथम क्रम अभिकारक के लिए दर नियम समीकरण को चित्रित किया गया है।

यदि किसी अभिकारक के लिए अभिक्रिया क्रम दो है, तो अभिकारक को द्वितीय क्रम अभिकारक कहा जाता है। यह इंगित करता है कि प्रतिक्रिया दर उस अभिकारक की सांद्रता के वर्ग के समानुपाती होती है। द्वितीय क्रम अभिकारक की सांद्रता को दोगुना करने से अभिक्रिया दर में चार गुना वृद्धि होगी। द्वितीय क्रम अभिकारक के लिए दर नियम समीकरण को चित्रित किया गया है।