संतुलन – सत्र 3

हम पहले से ही जानते हैं कि, संतुलन पर, अग्र प्रतिक्रिया की दर विपरीत प्रतिक्रिया की दर के बराबर होती है। इसे संतुलन नियम कहा जाता है। उदाहरण के लिए, साम्यावस्था में जल के वाष्पीकरण की दर और संघनन की दर बराबर होती है। संतुलन नियम, संतुलन पर एक प्रतिवर्ती रासायनिक प्रतिक्रिया में अभिकारकों और उत्पादों की सांद्रता के बीच संबंध का वर्णन करता है। अब हम संतुलन नियम के गणितीय व्यंजक को समझेंगे।

आइये एक उत्क्रमणीय अभिक्रिया का उदाहरण लें। अभिकारक A और अभिकारक B अभिक्रिया करके उत्पाद C और D बनाते हैं। a, b, c और d प्रतिक्रिया गुणांक दर्शाते हैं। इस उत्क्रमणीय प्रतिक्रिया के लिए संतुलन कानून की अभिव्यक्ति यहाँ दर्शाई गई है। Kcकिसी निश्चित तापमान पर साम्यावस्था स्थिरांक को दर्शाता है।

आइये हम संतुलन नियम की यह गणितीय अभिव्यक्ति प्राप्त करें। इस अभिव्यक्ति को प्राप्त करने के लिए, हमें द्रव्यमान क्रिया के नियम को समझने की आवश्यकता है। द्रव्यमान क्रिया का नियम कहता है कि किसी रासायनिक प्रतिक्रिया की दर अभिकारकों की सांद्रता के गुणनफल के सीधे आनुपातिक होती है। प्रत्येक अभिकारक को उसके संबंधित स्टोइकोमीट्रिक गुणांक की घात तक बढ़ाया जाता है।

अब हम द्रव्यमान क्रिया के इस नियम को एक उत्क्रमणीय प्रतिक्रिया पर लागू करेंगे। अभिक्रिया के दौरान किसी भी क्षण, अग्र अभिक्रिया की दर अभिकारक A और अभिकारक B की सांद्रता के गुणनफल के समानुपाती होती है। अभिकारक A और अभिकारक B को उनके गुणांकों की घात तक बढ़ाया जाता है। kբअग्रगामी प्रतिक्रिया की दर स्थिरांक को दर्शाता है।

विपरीत प्रतिक्रिया की दर C और D की सांद्रता के गुणनफल के सीधे आनुपातिक होती है। C और D को भी उनके गुणांकों की घात तक बढ़ाया जाता है। kᵣविपरीत प्रतिक्रिया का दर स्थिरांक है।

संतुलन की स्थिति में अग्र और पश्च प्रतिक्रियाएं समान दर से होती हैं। अतः दी गई गणितीय अभिव्यक्ति में, अग्र प्रतिक्रिया की दर विपरीत प्रतिक्रिया की दर के बराबर होती है। अब, हम साम्यावस्था स्थिरांक को हल करने के लिए इस समीकरण को पुनः व्यवस्थित करेंगे। शब्द kբद्वारा विभाजित kᵣएक एकल स्थिरांक में संयोजित किया जाता है, जिसे इस प्रकार दर्शाया जाता है K꜀। K꜀संतुलन स्थिरांक कहा जाता है।

आइये हम संतुलन नियम को हैबर बॉश प्रक्रिया पर लागू करें। यह एक औद्योगिक विधि है जिसका उपयोग नाइट्रोजन गैस और हाइड्रोजन गैस से अमोनिया को संश्लेषित करने के लिए किया जाता है। इस अभिक्रिया के लिए संतुलित रासायनिक समीकरण दिया गया है। इस अभिक्रिया में, नाइट्रोजन गैस का एक अणु हाइड्रोजन गैस के तीन अणुओं के साथ अभिक्रिया करके अमोनिया के दो अणु बनाता है।

हैबर बॉश प्रक्रिया के लिए साम्यावस्था स्थिरांक की अभिव्यक्ति को चित्रित किया गया है। इस अभिव्यक्ति में नाइट्रोजन गैस, हाइड्रोजन गैस और अमोनिया गैस वर्गाकार कोष्ठकों में हैं। वर्गाकार कोष्ठक इन गैसों की सांद्रता को दर्शाते हैं।

साम्यावस्था स्थिरांक का मान हमें साम्यावस्था की स्थिति के बारे में बताता है। यह साम्यावस्था में अभिकारकों और उत्पादों की सापेक्षिक सांद्रता बताता है। यदि का मान K꜀एक से अधिक है, तो संतुलन उत्पादों के पक्ष में है। इसका अर्थ यह है कि नाइट्रोजन गैस और हाइड्रोजन गैस की तुलना में संतुलन की स्थिति में अमोनिया की सांद्रता अधिक होती है।

यदि का मान K꜀एक से कम है, तो संतुलन अभिकारकों के पक्ष में होता है (रिवर्स प्रतिक्रिया प्रबल होती है)। इसका अर्थ यह है कि संतुलन की स्थिति में अमोनिया की तुलना में नाइट्रोजन गैस और हाइड्रोजन गैस की सांद्रता अधिक होती है। यदि का मान K꜀एक के बराबर है, तो साम्यावस्था में अभिकारकों और उत्पादों की मात्रा लगभग बराबर होती है। इसका अर्थ यह है कि नाइट्रोजन गैस, हाइड्रोजन गैस और अमोनिया गैस की पर्याप्त मात्रा संतुलन में है।

वह संतुलन जिसमें किसी उत्क्रमणीय अभिक्रिया में सभी अभिकारक और उत्पाद एक ही प्रावस्था में होते हैं, समरूप संतुलन कहलाता है। इसका मतलब यह है कि इसमें शामिल सभी प्रजातियां या तो गैस चरण, तरल चरण या aqueous घोल में हैं। समरूप साम्य अभिक्रिया का एक उदाहरण हाइड्रोजन आयोडाइड का निर्माण है। इस अभिक्रिया में हाइड्रोजन, आयोडीन और हाइड्रोजन आयोडाइड gaseous अवस्था में होते हैं।

विषमांगी संतुलन तब होता है जब अभिकारक और उत्पाद अलग-अलग चरणों में होते हैं। इसमें आमतौर पर gaseous या aqueous प्रजातियों के साथ कम से कम एक ठोस या तरल चरण शामिल होता है। विषम संतुलन का एक उदाहरण पानी का वाष्पीकरण और संघनन है। द्रव जल gaseous जल के साथ संतुलन में है।

विषमांगी संतुलन के लिए, शुद्ध ठोसों और द्रवों की सांद्रता स्थिर रहती है। विलयनों में केवल गैसों या विलेय की सांद्रता में परिवर्तन हो सकता है। दिए गए उदाहरण में, साम्य स्थिरांक अभिव्यक्ति में केवल gaseous प्रजातियों की सांद्रता शामिल है। शुद्ध ठोसों और शुद्ध द्रवों की सांद्रता को साम्यावस्था स्थिरांक अभिव्यक्ति में शामिल नहीं किया जाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि वे प्रतिक्रिया के दौरान नहीं बदलते हैं।

गैसों से संबंधित प्रतिक्रियाओं के लिए, साम्य स्थिरांक को आंशिक दबाव के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि गैसों को सांद्रता के बजाय दबाव के आधार पर मापना अधिक सुविधाजनक होता है। आंशिक दबाव के संदर्भ में संतुलन स्थिरांक की अभिव्यक्ति को इस प्रकार दर्शाया जाता है KP। KPउत्पादों के आंशिक दबाव और अभिकारकों के आंशिक दबाव के अनुपात को दर्शाता है। प्रत्येक आंशिक दाब पद को संबंधित पदार्थ के गुणांक के बराबर घात तक बढ़ाया जाता है।

प्रतिवर्ती गैस चरण प्रतिक्रिया पर विचार करें। संतुलन कानून के अनुसार, के लिए अभिव्यक्ति KPचित्रित किया गया है। PA, PB, PC, PDक्रमशः गैसों A, B, C और D का आंशिक दबाव है। a, b, c, और d इन गैसों के स्टोइकोमेट्रिक गुणांक हैं।