संतुलन – सत्र 1

बंद प्रणाली एक ऊष्मागतिक प्रणाली है जो अपनी सीमाओं के पार ऊर्जा के स्थानांतरण की अनुमति देती है, लेकिन अपने परिवेश के साथ पदार्थ के आदान-प्रदान की अनुमति नहीं देती है। दूसरे शब्दों में, ऊर्जा बंद प्रणाली के अन्दर या बाहर प्रवाहित हो सकती है, जबकि प्रणाली का कुल द्रव्यमान स्थिर रहता है। बंद प्रणाली का एक उदाहरण ढक्कन सहित उबलते पानी का बर्तन है। पानी को उबालने के लिए गर्मी बर्तन में प्रवेश कर सकती है और बाहर निकल सकती है। बर्तन के अंदर पानी की मात्रा समान रहती है।

एक खुली प्रणाली अपने आसपास के वातावरण के साथ ऊर्जा और पदार्थ दोनों का आदान-प्रदान करने की अनुमति देती है। दूसरे शब्दों में, एक खुली प्रणाली में इसकी सीमाओं के पार पदार्थ और ऊर्जा का मुक्त प्रवाह होता है। ये प्रणालियाँ प्रकृति में अधिक सामान्य हैं। इनमें प्रायः पर्यावरण के साथ अंतःक्रिया शामिल होती है। बिना ढक्कन के उबलते पानी का बर्तन खुली प्रणाली का उदाहरण है। इस स्थिति में, जल वाष्प बाहर निकल सकता है, और ताजी हवा प्रवेश कर सकती है। अतः इस स्थिति में ऊष्मा के आदान-प्रदान के अतिरिक्त पदार्थ का आदान-प्रदान भी होता है।

एक पृथक प्रणाली अपने परिवेश के साथ ऊर्जा या पदार्थ का आदान-प्रदान नहीं करती है। यह पूर्णतः आत्मनिर्भर है। इसकी सीमाओं के पार ऊष्मा, कार्य या द्रव्यमान का स्थानांतरण नहीं होता है। पृथक प्रणाली का एक उदाहरण एक पृथक, पूर्णतः सीलबंद तथा कठोर कंटेनर हो सकता है जिसका बाहरी वातावरण के साथ कोई संपर्क नहीं होता। एक पृथक प्रणाली के लिए, आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन शून्य होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि आसपास के वातावरण के साथ ऊर्जा का कोई आदान-प्रदान नहीं होता।

उत्क्रमणीय अभिक्रिया एक रासायनिक अभिक्रिया है जो आगे और पीछे दोनों दिशाओं में हो सकती है। इसका अर्थ यह है कि अभिकारक उत्पाद बना सकते हैं, और साथ ही, उत्पाद भी अभिक्रिया करके मूल अभिकारक बना सकते हैं। प्रतिवर्ती अभिक्रियाओं को दोहरे तीर का उपयोग करके दर्शाया जाता है। इससे पता चलता है कि प्रतिक्रिया दोनों दिशाओं में हो सकती है।

प्रतिवर्ती प्रतिक्रियाएं गतिशील होती हैं। इसका मतलब यह है कि वे परिस्थितियों के आधार पर लगातार अभिकारकों और उत्पादों के बीच स्थानांतरित होते रहते हैं। हाइड्रोजन गैस और ऑक्सीजन गैस से पानी का निर्माण उत्क्रमणीय प्रतिक्रिया का एक उदाहरण है। उत्क्रमणीय अभिक्रिया का एक अन्य उदाहरण अमोनियम क्लोराइड का अमोनिया गैस और हाइड्रोजन क्लोराइड गैस में विघटन है।

रासायनिक संतुलन वह अवस्था है जिसमें अग्र और पश्च अभिक्रिया की दरें समान होती हैं। साम्यावस्था में, अभिकारकों और उत्पादों की सांद्रता स्थिर रहती है। समय के साथ इस प्रणाली में कोई व्यापक परिवर्तन नहीं होता। आइये हम नाइट्रोजन डाइऑक्साइड और डाइनाइट्रोजन टेट्राऑक्साइड के बीच प्रतिक्रिया से जुड़े रासायनिक संतुलन के एक उदाहरण पर विचार करें। इस प्रतिवर्ती अभिक्रिया में, डाइनाइट्रोजन टेट्राऑक्साइड, नाइट्रोजन डाइऑक्साइड गैस के साथ संतुलन में होता है।

यह प्रतिक्रिया आगे और पीछे दोनों दिशाओं में हो सकती है। अग्रिम अभिक्रिया में, डाइनाइट्रोजन टेट्राऑक्साइड विघटित होकर नाइट्रोजन डाइऑक्साइड के दो अणु बनाता है। विपरीत अभिक्रिया में, नाइट्रोजन डाइऑक्साइड के दो अणु संयोजित होकर डाइनाइट्रोजन टेट्राऑक्साइड बनाते हैं।

अभिक्रिया के प्रारंभ में डाइनाइट्रोजन टेट्राऑक्साइड की अधिकता होती है। जैसे-जैसे अभिक्रिया आगे बढ़ेगी, कुछ डाइनाइट्रोजन टेट्राऑक्साइड अणु नाइट्रोजन डाइऑक्साइड अणुओं में विघटित हो जाएंगे। इसी समय, जैसे ही नाइट्रोजन डाइऑक्साइड अणु बनते हैं, कुछ नाइट्रोजन डाइऑक्साइड अणु मिलकर डाइनाइट्रोजन टेट्राऑक्साइड बनाते हैं। यह प्रक्रिया तब तक चलती रहती है जब तक कि अग्र प्रतिक्रिया की दर और पश्च प्रतिक्रिया की दर बराबर नहीं हो जाती। परिणामस्वरूप, रासायनिक संतुलन की स्थिति स्थापित होती है। रासायनिक संतुलन को गतिशील संतुलन भी कहा जाता है। गतिशील शब्द प्रतिक्रिया की सतत प्रकृति पर प्रकाश डालता है।

आइये एक उत्क्रमणीय अभिक्रिया के लिए गतिशील संतुलन को दर्शाने के लिए एक ग्राफ बनाएं। दर को y अक्ष पर अंकित किया गया है। समय को x अक्ष पर अंकित किया गया है। हम देख सकते हैं कि प्रारंभ में अग्र प्रतिक्रिया की दर उच्च है और विपरीत प्रतिक्रिया की दर लगभग शून्य है। लेकिन जैसे-जैसे समय बीतता है, आगे की प्रतिक्रिया की दर कम होने लगती है। समय बीतने के साथ, विपरीत प्रतिक्रिया की दर बढ़ जाती है। एक बिंदु ऐसा आता है जब अग्र प्रतिक्रिया की दर विपरीत प्रतिक्रिया की दर के बराबर हो जाती है। इस बिंदु से x अक्ष के समान्तर एक सीधी रेखा है। यह रेखा गतिशील संतुलन की स्थिति को दर्शाती है।

द्रव गैस संतुलन किसी बंद प्रणाली में किसी पदार्थ के द्रव चरण और उसके संगत गैस चरण के बीच संतुलन अवस्था को संदर्भित करता है। यह संतुलन तब होता है जब एक तरल और उसकी वाष्प एक बंद कंटेनर में एक साथ रहते हैं। वाष्पीकरण और संघनन के माध्यम से तरल और गैसीय अवस्थाओं के बीच अणुओं का निरंतर आदान-प्रदान होता रहता है।

आइये सबसे पहले वाष्पीकरण और संघनन को समझें। वाष्पीकरण वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा द्रव पदार्थ गैस में परिवर्तित हो जाता है। वाष्पीकरण के दौरान द्रव की सतह पर उपस्थित अणुओं को गैसीय अवस्था में जाने के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा प्राप्त हो जाती है। संघनन वह प्रक्रिया है जिसमें गैस के अणु ऊर्जा खो देते हैं और तरल अवस्था में वापस आ जाते हैं।

गतिशील संतुलन पर निम्नलिखित घटित होता है। अणुओं के वाष्पीकरण की दर संघनन की दर के बराबर होती है। द्रव गैस संतुलन का एक उदाहरण पानी का उबलना है। जल का क्वथनांक 100 सेल्सियस है। क्वथनांक पर, तरल जल, जल वाष्प के साथ सह-अस्तित्व में रहता है। इस तापमान और दबाव पर, जल के अणुओं के वाष्पीकरण की दर जल वाष्प के संघनन की दर के बराबर हो जाती है। यह गतिशील संतुलन की स्थिति है।

ठोस गैस संतुलन से तात्पर्य गतिशील संतुलन से है जो किसी पदार्थ के ठोस चरण और उसके संगत वाष्प चरण के बीच होता है। इस संतुलन में, ठोस चरण और गैस चरण के बीच उर्ध्वपातन और निक्षेपण के माध्यम से अणुओं का निरंतर आदान-प्रदान होता रहता है। आइये सबसे पहले हम उर्ध्वपातन और निक्षेपण को समझें।

उर्ध्वपातन वह प्रक्रिया है जिसमें एक ठोस पदार्थ द्रव अवस्था में आए बिना सीधे गैस में परिवर्तित हो जाता है। निक्षेपण वह प्रक्रिया है जिसमें गैस, द्रव अवस्था से गुजरे बिना सीधे ठोस में परिवर्तित हो जाती है। साम्यावस्था में किसी पदार्थ के ऊर्ध्वपातन की दर उसके निक्षेपण की दर के बराबर होती है।

आइये एक उदाहरण से ठोस गैस संतुलन को समझें। जब ठोस आयोडीन को बंद बर्तन में रखा जाता है तो वह सीधे गैसीय अवस्था में परिवर्तित हो जाता है। इसी समय, gaseous आयोडीन पुनः ठोस आयोडीन में परिवर्तित हो जाता है। ठोस आयोडीन के ऊर्ध्वपातन की दर और gaseous आयोडीन के निक्षेपण की दर बराबर हो जाती है। परिणामस्वरूप, आयोडीन के तरल चरण और gaseous चरण के बीच गतिशील संतुलन स्थापित हो जाता है।