அலகு 11 — இரசாயன இயக்கவியல்
முழுமையான பார்வை: இவ்வலகு ஏன் முக்கியம்?
இரசாயன இயக்கவியல் (chemical kinetics) என்பது இரசாயனத் தாக்கங்கள் எவ்வளவு வேகமாக நிகழ்கின்றன என்பதையும், எந்த பொறிமுறையால் (mechanism) நிகழ்கின்றன என்பதையும் ஆராயும் பிரிவாகும். ஒரு தாக்கம் நிகழ்வதற்கு வினைபடிகள் (reactants) எவ்வளவு வேகத்தில் விளைவுகளாக (products) மாறுகின்றன என்னும் வீதத்தையும், அந்த மாற்றம் எந்தச் சிறு படிகளின் ஊடாக நடைபெறுகின்றது என்னும் கட்டமைப்பையும் இவ்வலகு விளக்குகின்றது. முந்திய அலகுகளில் ஒரு தாக்கம் நிகழுமா என்பதை ஆராய்ந்தோம்; இவ்வலகு அது எவ்வளவு விரைவாக நிகழும் என்பதை ஆராய்கின்றது.
இது சக்தியியலிலிருந்தும் (energetics / thermodynamics) சமநிலையிலிருந்தும் (equilibrium) வேறுபடுகின்றது. சக்தியியல் ஒரு தாக்கம் கொள்கையளவில் சாத்தியமா (feasibility) என்பதை மட்டுமே கூறுகின்றது; சமநிலை அந்தத் தாக்கம் இறுதியில் எந்த அளவுக்கு முன்னோக்கி நகரும் என்பதைக் கூறுகின்றது. ஆனால் இவை இரண்டுமே நேரம் பற்றிய தகவலை வழங்குவதில்லை. ஒரு தாக்கம் சக்தியியல் ரீதியில் சாத்தியமாக இருந்தாலும் அது வினாடிக்குள் முடியலாம் அல்லது பல வருடங்கள் எடுக்கலாம்; இந்த நேர விகிதத்தை இரசாயன இயக்கவியல் மட்டுமே விளக்குகின்றது. காபனின் (carbon) எரிதல் சக்தியியல் ரீதியில் மிகவும் சாதகமானது; எனினும் அறை வெப்பநிலையில் கரி தானாகவே எரிவதில்லை, ஏனெனில் அத்தாக்கத்தின் வீதம் மிகவும் குறைவாகும்.
தொழிற்துறையில் இவ்வலகின் முக்கியத்துவம் மிகப் பெரியது. ஒரு தொழிற்சாலையில் விளைவை விரைவாகவும் குறைந்த செலவிலும் தயாரிப்பதற்கு வினையூக்கிகளும் (catalysts) உகந்த வெப்பநிலை, அமுக்கச் சூழ்நிலைகளும் தெரிவு செய்யப்படுகின்றன. அமோனியா தயாரிக்கும் ஹேபர் முறையில் (Haber process) இரும்பு வினையூக்கி பயன்படுத்தப்படுவதும், சல்பூரிக் அமிலம் தயாரிக்கும் தொடுகை முறையில் (contact process) V₂O₅ பயன்படுத்தப்படுவதும் இரசாயன இயக்கவியலின் நேரடியான பயன்பாடுகளாகும்.
இவ்வலகின் மைய எண்ணக்கரு
இவ்வலகின் மைய எண்ணக்கரு பின்வரும் ஒரு தொடர் சிந்தனையாக அமைகின்றது. ஒரு தாக்கம் நிகழ்வதற்கு வினைபடி அணுக்கள் அல்லது மூலக்கூறுகள் ஒன்றோடொன்று மோதிக்கொள்ள வேண்டும்; அந்த மோதுகை போதிய சக்தியுடனும் (activation energy) சரியான திசைமுகத்துடனும் நிகழ்ந்தால் மட்டுமே பயன்படு மோதுகையாக அமைந்து தாக்கம் நடைபெறுகின்றது. எனவே வினைபடிகளின் செறிவு, வெப்பநிலை, வினையூக்கியின் இருப்பு போன்ற எந்தக் காரணியும் இந்தப் பயன்படு மோதுகைகளின் எண்ணிக்கையை மாற்றுவதன் வாயிலாகவே தாக்க வீதத்தை மாற்றுகின்றது.
- தாக்க வீதம் (செறிவின் மாற்ற வேகம்): தாக்க வீதம் (rate of reaction) என்பது அலகு நேரத்தில் ஒரு வினைபடியின் செறிவு குறையும் அளவு அல்லது ஒரு விளைவின் செறிவு கூடும் அளவாகும். இதன் அலகு வழமையாக mol dm⁻³ s⁻¹ ஆகும். செறிவு-நேர வரைபின் (concentration-time graph) சாய்வே ஒரு குறிப்பிட்ட நேரத்தில் தாக்க வீதத்தைத் தருகின்றது.
- மோதுகைக் கோட்பாடும் ஏவற்சக்தியும்: மோதுகைக் கோட்பாட்டின்படி (collision theory) ஒவ்வொரு மோதுகையும் தாக்கத்தை விளைவிப்பதில்லை. போதிய சக்தியுடன் (குறைந்தபட்சம் ஏவற்சக்திக்குச் சமமாக) சரியான திசைமுகத்தில் நிகழும் மோதுகைகள் மட்டுமே பயன்படுபவை. ஏவற்சக்தி (activation energy, Eₐ) என்பது தாக்கம் நிகழ்வதற்குத் தேவையான குறைந்தபட்சச் சக்தித் தடையாகும்.
- வீதத்தைப் பாதிக்கும் காரணிகள்: வினைபடிகளின் செறிவு (அல்லது வாயுக்களின் அமுக்கம்), வெப்பநிலை, திண்மங்களின் பரப்பளவு, வினையூக்கியின் இருப்பு ஆகிய நான்கு காரணிகளும் தாக்க வீதத்தை மாற்றுகின்றன. இவை அனைத்தும் பயன்படு மோதுகைகளின் அளவை அதிகரிப்பதன் வாயிலாகவே செயற்படுகின்றன.
- தாக்கவீத விதியும் பொறிமுறையும்: தாக்கவீத விதி (rate law) என்பது தாக்க வீதம் வினைபடிச் செறிவுகளில் எவ்வாறு தங்கியுள்ளது என்பதைக் காட்டும் சோதனைமூலம் பெறப்பட்ட சமன்பாடாகும். இது தாக்கம் எந்தச் சிறு படிகளால் ஆனது என்னும் பொறிமுறையைப் (mechanism) பற்றிய தடயத்தைத் தருகின்றது.
இவ்வலகின் முக்கியமான ஒற்றை எண்ணக்கரு பின்வருமாறு அமைகின்றது. தாக்க வீதம் என்பது ஒரு தாக்கச் சமன்பாட்டிலிருந்து நேரடியாக ஊகிக்க முடியாதது; அது சோதனை மூலமே தீர்மானிக்கப்பட வேண்டும். தாக்கவீத விதியில் வரும் தாக்கவரிசைகள் (orders) தாக்கப் பொறிமுறையின் தாக்கவீத நிர்ணயப்படியைப் (rate-determining step) பிரதிபலிக்கின்றன. எனவே தாக்கவீத விதியும் பொறிமுறையும் ஒன்றோடொன்று இறுக்கமாகப் பிணைந்துள்ளன — தாக்கவீத விதி பொறிமுறையின் சான்றாகவும், பொறிமுறை தாக்கவீத விதியின் விளக்கமாகவும் அமைகின்றன.
ஏவற்சக்தி (Eₐ) என்பது வினைபடிகள் கடக்க வேண்டிய சக்தித் தடையாகும். வினையூக்கி இத்தடையைக் குறைப்பதன் வாயிலாக தாக்க வீதத்தை அதிகரிக்கின்றது. தாக்க வீதம் சோதனை மூலம் பெறப்படும் தாக்கவீத விதியால் வரையறுக்கப்படுகின்றது.
இவ்வலகு உள்ளடக்கும் பகுதிகள்
இவ்வலகு NIE பாடநூலின் (தரம் 13) முதலாம் அலகின் 1.1 முதல் 1.11 வரையான பிரிவுகளை உள்ளடக்குகின்றது. கற்றல் வசதிக்காகப் பகுதிகள் பின்வருமாறு நான்கு பாடப் பக்கங்களாக ஒழுங்கமைக்கப்பட்டுள்ளன.
- வீத எண்ணக்கரு (Rate Concept, 1.1–1.4): தாக்க வீதத்தின் வரைவிலக்கணமும் அலகுகளும், செறிவு-நேர வரைபுகள், தாக்க வீதத்தைச் சோதனை மூலம் அளவிடும் முறைகள் (வாயு வெளியேற்றம், திணிவு இழப்பு, நிறமாற்றம், கடத்துத்திறன்) ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
- வீதக் காரணிகள் (Rate Factors, 1.5–1.6, 1.8–1.9, 1.11): தாக்க வீதத்தைப் பாதிக்கும் காரணிகள், மோதுகைக் கோட்பாடு, மக்ஸ்வெல்-போல்ட்ஸ்மான் பரம்பல் (Maxwell-Boltzmann distribution), வினையூக்கிகளும் அவற்றின் வகைகளும், சக்தி வரிவுரு (energy profile) ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
- தாக்கவீத விதி (Rate Law, 1.7): சராசரி, கணநேர, ஆரம்ப வீதங்கள், பூச்சிய, முதலாம், இரண்டாம் வரிசைத் தாக்கங்கள் (zero, first, second order), தாக்கவீத விதிச் சமன்பாடு, தாக்கவீத மாறிலி (rate constant, k) மற்றும் அதன் அலகுகள் ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
- தாக்கப் பொறிமுறைகள் (Reaction Mechanisms, 1.10): மூலக்கூற்றுத் திறன் (molecularity), முதன்மைத் தாக்கங்களும் (elementary reactions) பல்-படித் தாக்கங்களும், தாக்கவீத நிர்ணயப்படி (rate-determining step), முன்-சமநிலை (pre-equilibrium) ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
முன்னோக்கிய இணைப்புகள்
இவ்வலகில் கற்கும் எண்ணக்கருக்கள் தொடர்ந்து வரும் இயற்பியல் இரசாயன அலகுகளுக்கும் தொழிற்துறை அலகுகளுக்கும் நேரடி அடிப்படையாக அமைகின்றன. அலகு 12 இல் கற்கப்படும் இரசாயன சமநிலை, இரண்டு எதிர் தாக்கங்களின் வீதங்கள் சமனாகும் நிலையாக விளக்கப்படுவதால், இரசாயன இயக்கவியலின் நேரடித் தொடர்ச்சியாகும். மேலும், வினையூக்கிகள் தொடர்பான இந்தக் கருத்துகள் தொழிற்துறை இரசாயன அலகான அலகு 14 இன் ஹேபர் முறை, தொடுகை முறை போன்ற தொழிற்சாலை முறைகளில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. எனவே வீதம், மோதுகைக் கோட்பாடு, வினையூக்கி பற்றிய எண்ணக்கருக்கள் தெளிவாக இல்லாவிட்டால் தொடர்ந்து வரும் அலகுகளைக் கற்பது கடினமாகும்.
- தாக்கவீத விதியைச் சமன்படுத்திய சமன்பாட்டிலிருந்து எழுதுதல்: தாக்கவீத விதியில் வரும் தாக்கவரிசைகள் தாக்கச் சமன்பாட்டின் பீசமானக் குணகங்களுடன் (stoichiometric coefficients) தொடர்புடையவை அல்ல. தாக்கவரிசைகள் சோதனை மூலமே தீர்மானிக்கப்பட வேண்டும்.
- தாக்க வீதத்தையும் தாக்கவீத மாறிலியையும் குழப்புதல்: வீதம் செறிவுடன் மாறுகின்றது; தாக்கவீத மாறிலி k ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் மாறிலியாகவே இருக்கின்றது. வெப்பநிலை மட்டுமே k ஐ மாற்றுகின்றது; செறிவு k ஐ மாற்றாது.
- வினையூக்கி ஏவற்சக்தியைக் குறைக்கின்றது என்பதை மறந்து தாக்க சக்தியை மாற்றுகின்றது என எண்ணுதல்: வினையூக்கி குறைந்த ஏவற்சக்தி கொண்ட மாற்று வழியை வழங்குகின்றது; அது தாக்கத்தின் வெப்ப உள்ளுறை மாற்றத்தை (ΔH) மாற்றுவதில்லை.
- மூலக்கூற்றுத் திறனையும் தாக்கவரிசையையும் ஒன்றாகக் கருதுதல்: மூலக்கூற்றுத் திறன் ஒரு முதன்மைத் தாக்கத்திற்கு மட்டுமே பொருந்தும்; அது எப்போதும் முழு எண்ணாகும். தாக்கவரிசை முழுத் தாக்கத்திற்கான சோதனைப் பண்பாகும்; அது பூச்சியமாகவோ பின்னமாகவோ இருக்கலாம்.
- வெப்பநிலை கூடினால் மோதுகைகளின் சக்தி கூடுவது மட்டுமே காரணம் என எண்ணுதல்: வெப்பநிலை கூடும்போது ஏவற்சக்திக்கு மேற்பட்ட சக்தி கொண்ட மூலக்கூறுகளின் பின்னம் கூர்மையாக அதிகரிப்பதே வீதம் கூடுவதற்கான பிரதான காரணம்; மோதுகை அதிர்வெண் சிறிதளவே கூடுகின்றது.
இவ்வலகு இயற்பியல் இரசாயனத்தின் கணிதம் சார்ந்த பகுதியாகும்; இங்குள்ள கருத்துகள் தனித்து வினாவாகக் கேட்கப்படுவதோடு, அலகு 12 இன் சமநிலை வினாக்களிலும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. பகுதி I இன் MCQ வினாக்களில் தாக்க வீதத்தின் அலகுகளைத் தெரிவு செய்தல், செறிவு-நேர வரைபு அல்லது வீதம்-செறிவு வரைபுகளை விளக்குதல், ஒரு தாக்கத்தின் தாக்கவரிசையை வரைபிலிருந்து இனங்காணுதல், தாக்கவீத மாறிலியின் அலகுகளைக் கணித்தல், மக்ஸ்வெல்-போல்ட்ஸ்மான் வளைவை விளக்குதல் ஆகியன அடிக்கடி கேட்கப்படுகின்றன. பகுதி II இன் கட்டமைப்பு வினாக்களில், ஆரம்ப வீத முறை மூலம் (initial rate method) தாக்கவீத விதியைப் பெறுதல், ஒரு பொறிமுறையிலிருந்து தாக்கவீத விதியை ஊகித்தல், தாக்கவீத நிர்ணயப்படியை இனங்காணுதல், வெப்பநிலையும் வினையூக்கியும் வீதத்தை மாற்றும் வழியை மோதுகைக் கோட்பாட்டால் விளக்குதல் என்பன வழமையானவை. தாக்கவீத விதி சோதனை மூலமே பெறப்படுகின்றது என்னும் கருத்தைப் புரிந்துகொள்வதே மதிப்பெண் பெறுவதற்கான திறவுகோலாகும்.
Reaction kinetics overview
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →