தாக்க வீதம் — அறிமுகம்

முழுமையான பார்வை — தாக்கம் எவ்வளவு விரைவாக நிகழ்கின்றது?

முந்தைய அலகுகளில், ஒரு இரசாயனத் தாக்கம் நிகழ முடியுமா என்பதும், அது நிகழும்போது வெளிவிடப்படும் அல்லது உறிஞ்சப்படும் சக்தியும் ஆராயப்பட்டன. வெப்ப இயக்கவியல் (Thermodynamics) ஒரு தாக்கம் தன்னிச்சையாக நிகழுமா என்பதைச் சொல்லும்; ஆனால் அந்தத் தாக்கம் எவ்வளவு விரைவாக நிகழும் என்பதை அது சொல்வதில்லை. ஒரு தாக்கம் தன்னிச்சையானதாக இருந்தும்கூட, அது ஒரு வினாடியின் சிறு பகுதியில் முடியலாம், அல்லது மில்லியன் கணக்கான வருடங்கள் எடுக்கலாம்.

இந்தப் பாடத்தில், ஒரு தாக்கம் எவ்வளவு விரைவாக நிகழ்கின்றது என்பதை அளவுரீதியாக நோக்கும் இரசாயனவியலின் கிளையான இரசாயன இயக்கவியல் (Chemical Kinetics) அறிமுகப்படுத்தப்படுகின்றது. தாக்க வீதம் (rate of reaction) என்றால் என்ன, அதை எவ்வாறு வரைவிலக்கணப்படுத்துவது, செறிவு–நேர வரைபிலிருந்து அதை எவ்வாறு பெறுவது, மேலும் ஆய்வுகூடத்தில் தாக்க வீதத்தை எவ்வாறு பரிசோதனை மூலம் துணிவது என்பன ஒவ்வொன்றாக ஆராயப்படுகின்றன.

1.1 இரசாயன இயக்கவியல் எண்ணக்கரு

ஒரு இரசாயனத் தாக்கத்தைக் கற்கும்போது, அதைப் பற்றி இரண்டு வேறுபட்ட வினாக்களுக்கு விடை காணப்படுகின்றது. முதலாவது வினா, அந்தத் தாக்கம் நிகழ முடியுமா என்பதாகும்; இதற்கு வெப்ப இயக்கவியல் (Thermodynamics) விடையளிக்கின்றது. ஒரு தாக்கத்துடன் தொடர்புடைய சக்தி மாற்றம், கிப்சு சுயேட்சை சக்தி மாற்றம் (ΔG), வெப்பவுள்ளுறை மாற்றம் (ΔH), எண்ரொப்பி மாற்றம் (ΔS) போன்ற பரிமாணங்களின் மூலம் வெளிப்படுத்தப்படுகின்றது; ΔG எதிர்க் குறியீட்டுடன் இருந்தால் அத்தாக்கம் தன்னிச்சையாக நிகழக் கூடியது.

இரண்டாவது வினா, அந்தத் தாக்கம் எவ்வளவு விரைவாக நிகழ்கின்றது என்பதாகும்; இவ்வினாவுக்கு வெப்ப இயக்கவியலால் விடையளிக்க முடியாது. இரசாயனத் தாக்கத்தின் வேகத்தையும், அந்த வேகத்தைப் பாதிக்கும் காரணிகளையும், அவ்வேகத்தை விளக்கும் கோட்பாடுகளையும் கற்கின்ற இரசாயனவியலின் கிளையே இரசாயன இயக்கவியல் (Chemical Kinetics) என அழைக்கப்படுகின்றது.

வெப்ப இயக்கவியலுக்கும் இரசாயன இயக்கவியலுக்கும் இடையேயான வேறுபாட்டை ஓர் உதாரணம் தெளிவாக்குகின்றது. வைரம் கிராபைட்டாக மாறும் தாக்கம் வெப்ப இயக்கவியல் ரீதியில் தன்னிச்சையானது; ஆனால் இத்தாக்கம் நிகழ பாரிய ஏவற் சக்தித் தடையைத் தாண்ட வேண்டியிருப்பதால், அறை வெப்பநிலையில் அது மில்லியன் கணக்கான வருடங்கள் எடுக்கின்றது. எனவே ஒரு தாக்கம் நிகழும் தன்மை (feasibility) வேறு; அது நிகழும் வேகம் (rate) வேறு. ஒரு தாக்கம் கைக்கு வரக்கூடிய கால எல்லைக்குள் முடிய வேண்டுமாயின், அது வெப்ப இயக்கவியல் ரீதியிலும் இரசாயன இயக்கவியல் ரீதியிலும் சாதகமாக இருத்தல் வேண்டும்.

1.2 ஒரு தாக்கத்தின் தாக்க வீதம்

ஒரு தாக்கம் நிகழும்போது தாக்கிகள் (reactants) படிப்படியாகச் செலவாகின்றன, விளைவுகள் (products) படிப்படியாக உருவாகின்றன. இந்த மாற்றத்தின் வேகத்தை அளவிடுவதற்கு தாக்க வீதம் (rate of reaction) என்னும் பரிமாணம் பயன்படுத்தப்படுகின்றது. தாக்க வீதம் என்பது, ஒரு அலகு நேரத்தில் ஒரு தாக்கியின் அல்லது ஒரு விளைவின் செறிவில் (concentration) ஏற்படும் மாற்றம் என வரைவிலக்கணப்படுத்தப்படுகின்றது.

தாக்க வீதத்தை இரண்டு வழிகளில் கூறலாம். மாறா வெப்பநிலையில், ஒரு தாக்கியின் செறிவு குறையும் வீதமாக அல்லது ஒரு விளைவின் செறிவு அதிகரிக்கும் வீதமாக இதைக் குறிப்பிடலாம். தாக்கியின் செறிவு காலத்துடன் குறைவதால், தாக்கியின் மீது அமைக்கப்படும் வீத உணர்வு ஒரு மறை குறியீட்டை (negative sign) கொண்டிருக்கும்; ஆனால் தாக்க வீதம் எப்போதும் ஒரு நேர்ப் பெறுமானமாக இருக்க வேண்டுமாதலால், அந்த மறை குறி நேராக்கப்படுகின்றது.

தாக்க வீதம் ஒரு அலகு நேரத்தில் செறிவில் ஏற்படும் மாற்றமாக வரையறுக்கப்படுவதால், அதன் அலகு mol dm⁻³ s⁻¹ ஆகும் (கரைசலில் நடைபெறும் தாக்கங்களுக்கு). வாயு நிலைத் தாக்கங்களில் செறிவுக்குப் பதிலாக பகுதி அமுக்கம் (partial pressure) பயன்படுத்தப்படும்போது, தாக்க வீதத்தின் அலகு atm s⁻¹ அல்லது Pa s⁻¹ ஆக அமையும்.

பீசமானக் குணகங்களைப் பயன்படுத்தித் தாக்க வீதத்தை எழுதல்

ஒரே தாக்கத்தின் வீதத்தை வெவ்வேறு இனங்களின் (species) அடிப்படையில் எழுதும்போது, பீசமானக் குணகங்கள் (stoichiometric coefficients) கருத்தில் கொள்ளப்பட வேண்டும். aA + bB → cC + dD என்னும் பொதுவான தாக்கத்தைக் கருதுவோம். a மூல்கள் A செலவாகும் அதே நேரத்தில் c மூல்கள் C உருவாகின்றன; எனவே A செலவாகும் வேகமும் C உருவாகும் வேகமும் வெவ்வேறாக இருக்கும். அனைத்து இனங்களுக்கும் ஒரே ஒரு பொதுத் தாக்க வீதத்தை பெறுவதற்கு, ஒவ்வொரு இனத்தின் செறிவு மாற்ற வீதமும் அதன் பீசமானக் குணகத்தால் வகுக்கப்படுகின்றது:

தாக்கிகளுக்கு (A, B) மறை குறியீடும், விளைவுகளுக்கு (C, D) நேர் குறியீடும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. உதாரணமாக, 2H₂O₂(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g) என்னும் ஐதரசன் பரவொட்சைட்டின் பிரிகைத் தாக்கத்தில், தாக்க வீதம் = −(1/2) d[H₂O₂]/dt = +(1/2) d[H₂O]/dt = +d[O₂]/dt ஆகும். இவ்வாறு பீசமானக் குணகங்களைப் பயன்படுத்துவதால், எந்த இனத்தைக் கொண்டு கணித்தாலும் ஒரே ஒரு வீதப் பெறுமானமே கிடைக்கின்றது.

1.3 செறிவு–நேர வரைபிலிருந்து தாக்க வீதம்

ஒரு தாக்கம் நடைபெறும்போது தாக்கியின் செறிவு காலத்துடன் எவ்வாறு மாறுகின்றது என்பதைப் பதிவு செய்து, செறிவை y-அச்சிலும் நேரத்தை x-அச்சிலும் இட்டு வரைபு ஒன்று வரையப்படுகின்றது. இந்த வரைபு ஒரு நேர் கோடாக இராமல், ஒரு வளைந்த கோடாக (curve) அமைகின்றது; ஏனெனில் தாக்க வீதம் தாக்கத்தின்போது மாறிக்கொண்டே செல்கின்றது.

ஒரு குறிப்பிட்ட கணத்தில் தாக்க வீதம் என்பது, அந்தக் கணத்துக்கு உரிய புள்ளியில் செறிவு–நேர வளையிக்கு வரையப்படும் தொடலியின் சாய்வு (gradient of the tangent) ஆகும். தொடலி என்பது வளையியை ஒரு புள்ளியில் மட்டும் தொட்டுச் செல்லும் நேர் கோடு; அதன் சாய்வே (படித்திறன்) அந்தக் கணத்தில் செறிவு மாறும் வீதத்தைக் காட்டுகின்றது. தாக்கியின் செறிவு குறைவதால் தொடலியின் சாய்வு மறையாக அமையும்; ஆகவே தாக்க வீதம் = −(தொடலியின் சாய்வு) ஆகும்.

தாக்கத்தின் தொடக்கத்தில் தாக்கியின் செறிவு உயர்வாக இருப்பதால், அந்தக் கணத்தில் வளையி மிகச் செங்குத்தாக இருக்கின்றது; எனவே சாய்வு பெரியது, தாக்க வீதம் அதிகம். தாக்கம் முன்னேறும்போது தாக்கி செலவாகிச் செறிவு குறைகின்றது; வளையி படிப்படியாகத் தட்டையாகிச் சாய்வு குறைகின்றது; ஆகவே தாக்க வீதம் குறைகின்றது. தொடக்க வீதம் (initial rate) என்பது t = 0 இல், அதாவது தாக்கத்தின் தொடக்கப் புள்ளியில் வரையப்படும் தொடலியின் சாய்வாகும்; இது பெரும்பாலும் தாக்க வீதங்களை ஒப்பிடப் பயன்படும் மிக முக்கியமான பெறுமானமாகும்.

1.4 தாக்க வீதத்தை துணியும் பரிசோதனை முறைகள்

ஒரு தாக்கத்தின் வீதத்தைத் துணிய, தாக்கம் நடைபெறும்போது காலத்துடன் மாறும் ஒரு பௌதிக இயல்பை தொடர்ந்து அளந்து பதிவு செய்ய வேண்டும். அளக்கப்படும் இயல்பு தாக்கி அல்லது விளைவின் செறிவுடன் நேரடியாகத் தொடர்புடையதாக இருக்க வேண்டும். ஆய்வுகூடத்தில் பின்வரும் முறைகள் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

வாயுவின் கனவளவை அளத்தல். தாக்கத்தின் ஒரு விளைவு வாயுவாக இருந்தால், வெளியேறும் வாயுவின் கனவளவை வாயு உறிஞ்சி (gas syringe) அல்லது நீர் இடப்பெயர்வு (downward displacement of water) மூலம் கால இடைவெளிகளில் அளக்கலாம். உதாரணமாக, கல்சியம் காபனேற்றுக்கும் ஐதரோகுளோரிக் அமிலத்துக்கும் இடையேயான தாக்கத்தில் வெளியேறும் CO₂ வாயுவின் கனவளவு அளக்கப்படுகின்றது.

திணிவின் இழப்பை அளத்தல். தாக்கத்தில் ஒரு வாயு வெளியேறுவதால் தாக்கக் கலவையின் மொத்தத் திணிவு படிப்படியாகக் குறைகின்றது. தாக்கப் பாத்திரத்தை ஒரு மின் தராசின் (electronic balance) மீது வைத்து, காலத்துடன் திணிவின் இழப்பைப் பதிவு செய்வதன் மூலம் தாக்க வீதத்தைத் துணியலாம். இம்முறை வெளியேறும் வாயு கனமானதாக இருக்கும்போது (உதாரணமாக CO₂) மிகச் சரியாகவே வேலை செய்கின்றது.

நிறச் செறிவு மாற்றத்தை அளத்தல் (நிறமானியியல்). தாக்கி அல்லது விளைவுகளில் ஒன்று நிறமுடையதாக இருந்தால், கரைசலின் நிறச் செறிவு (colour intensity) காலத்துடன் மாறுகின்றது. ஒரு நிறமானியைப் (colorimeter) பயன்படுத்தி, கரைசல் உறிஞ்சும் ஒளியின் அளவைப் பதிவு செய்வதன் மூலம் செறிவு மாற்றத்தை அளக்கலாம். உறிஞ்சல் அளவு செறிவுக்கு நேர் விகிதசமமாக இருப்பதால் (Beer–Lambert விதி), இம்முறை பெரிட் அயனை (I₂) உள்ளடக்கிய தாக்கங்களுக்குப் பொருத்தமானது.

மின் கடத்துத்திறன் மாற்றத்தை அளத்தல். தாக்கத்தின்போது கரைசலில் உள்ள அயன்களின் எண்ணிக்கை அல்லது வகை மாறினால், கரைசலின் மின் கடத்துத்திறன் (electrical conductivity) மாறுகின்றது. ஒரு கடத்துத்திறன் மானியைப் பயன்படுத்தி இம்மாற்றத்தைத் தொடர்ந்து அளக்கலாம்; உதாரணமாக எஸ்தர் ஒன்றின் காரத்தினூடான நீர்ப்பகுப்பில் அயன்களின் கடத்துத்திறன் மாறுகின்றது.

அமுக்க மாற்றத்தை அளத்தல். மூடிய மாறா கனவளவுப் பாத்திரத்தில் நடைபெறும் வாயு நிலைத் தாக்கத்தில், வாயு மூலக்கூறுகளின் மொத்த எண்ணிக்கை மாறினால் மொத்த அமுக்கம் (total pressure) மாறுகின்றது. ஒரு அமுக்க மானியால் (manometer) இம்மாற்றத்தைக் காலத்துடன் பதிவு செய்து தாக்க வீதத்தைத் துணியலாம்.

மாதிரிகளை எடுத்துத் தரம்படுத்தல். கால இடைவெளிகளில் தாக்கக் கலவையிலிருந்து சிறிய மாதிரிகள் எடுக்கப்படுகின்றன. அந்த மாதிரியின் தாக்கம் உடனடியாக தணிக்கப்பட்டு (quenching — குளிர்வித்தல் அல்லது நீர்த்தாக்கல் மூலம் தாக்கத்தை நிறுத்துதல்) பின்னர் ஒரு தகுந்த தரம்படுத்தலின் (titration) மூலம் தாக்கி அல்லது விளைவின் செறிவு துணியப்படுகின்றது. தணிக்கல் அவசியமானது; ஏனெனில் தரம்படுத்துவதற்கு எடுக்கும் நேரத்தில் தாக்கம் தொடர்ந்தால் முடிவு தவறாகும்.

பரிசோதனை முறை	அளக்கப்படும் இயல்பு	பொருத்தமான தாக்கம்
வாயுக் கனவளவு அளத்தல்	வெளியேறும் வாயுவின் கனவளவு	CaCO₃ + HCl → CO₂ வெளியேற்றம்
திணிவின் இழப்பு	தாக்கக் கலவையின் மொத்தத் திணிவு	கனமான வாயு (CO₂) வெளியேறும் தாக்கங்கள்
நிறமானியியல் (colorimetry)	நிறச் செறிவு / ஒளி உறிஞ்சல்	நிறமுடைய இனம் (I₂, MnO₄⁻) உள்ள தாக்கம்
மின் கடத்துத்திறன்	கரைசலின் கடத்துத்திறன்	அயன் எண்/வகை மாறும் தாக்கம்
அமுக்க மாற்றம்	மூடிய பாத்திரத்தின் மொத்த அமுக்கம்	மூல் எண் மாறும் வாயு நிலைத் தாக்கம்
மாதிரியை எடுத்துத் தரம்படுத்தல்	தணிக்கப்பட்ட மாதிரியின் செறிவு	எஸ்தர் நீர்ப்பகுப்பு போன்ற மெதுத் தாக்கம்

1.5 பகுப்பு உதாரணம் — அயோடின் கடிகார தாக்கம் (Iodine Clock)

தாக்க வீத விதியை பரிசோதனை ரீதியாக நிர்ணயிக்க "நிறமாற்ற நேரம்" எனும் நுட்பத்தைப் பயன்படுத்தும் ஒரு புகழ்பெற்ற உதாரணமே அயோடின் கடிகார தாக்கம் (iodine clock reaction) ஆகும். Fe³⁺(aq) + I⁻(aq) தொகுதியில் இரு தாக்கங்கள் ஒரே நேரத்தில் நிகழ்கின்றன:

ஒரு நிலையான அளவு தையோசல்பேட் (Na₂S₂O₃) கலவையில் சேர்க்கப்படுகின்றது. S₂O₃²⁻ இருக்கும் வரை, மெதுவான தாக்கம் I ஆல் உருவாகும் சிறிதளவு I₂ கூட, வேகமான தாக்கம் II ஆல் உடனடியாக மீண்டும் I⁻ ஆக மாற்றப்படுகின்றது — எனவே கண்ணுக்குத் தெரியும் நிறமாற்றம் ஏற்படாது. S₂O₃²⁻ முழுவதும் நுகரப்பட்ட கணத்தில் மட்டுமே, தொடர்ந்து உருவாகும் I₂ குவிந்து ஸ்டார்ச் சுட்டியுடன் திடீரென நீல-கருப்பு நிறமாகின்றது. இந்தத் "திடீர்" நிறமாற்ற நேரம் t ஆனது, ஒரு நிலையான அளவு I₂ உருவாக எடுக்கும் நேரமாகும் — எனவே Δ[I₂] மாறிலியாக இருப்பதால், தாக்க வீதம் R = Δ[I₂]/t ∝ 1/t.

தரவு அட்டவணை (Fe³⁺ கொள்ளளவு, S₂O₃²⁻ அளவு நிலையாக வைத்து, KI கொள்ளளவை மாற்றி நீர்ச்சத்தால் ஈடுசெய்தல்):

பரிசோதனை	நீர் (mL)	3M KI (mL)	0.006M Na₂S₂O₃ (mL)	0.1M Fe³⁺ (mL)	நிறமாற்ற நேரம் t (s)
1	0.0	10.0	15	25	12.0
2	2.0	8.0	15	25	15.0
3	4.0	6.0	15	25	20.0
4	6.0	4.0	15	25	t (காண்க)
5	8.0	2.0	15	25	60.0

I⁻ சார்பான வரிசை (y): ஒவ்வொரு பரிசோதனையிலும் Fe³⁺ மாறாதிருப்பதால், R ∝ [I⁻]ʸ ∝ Vʸ (KI கொள்ளளவு V); மேலும் R ∝ 1/t. எனவே 1/t ∝ Vʸ. பரிசோதனை 1 ஐ 5 உடன் ஒப்பிடுக: V ஆனது 10.0 mL இலிருந்து 2.0 mL ஆக, அதாவது 5 மடங்கு குறைகின்றது; வீதம் (1/t) ஆனது 1/12 இலிருந்து 1/60 ஆக, அதாவது அதே 5 மடங்கு குறைகின்றது [(1/12)÷(1/60) = 5]. V மற்றும் வீதம் இரண்டும் ஒரே விகிதத்தில் மாறுவதால், 5ʸ = 5 ⟹ y = 1 — தாக்கம் I⁻ சார்பாக முதலாம் வரிசை. (இதே தொழில்நுட்பத்தால், Fe³⁺ கொள்ளளவை மாற்றி I⁻ ஐ நிலையாக வைக்கும் இணைச் சோதனைத் தொகுப்பு x = 1 எனவும் காட்டுகின்றது.)

பரிசோதனை 4 இன் நேரத்தைக் கணித்தல்: 1/t ∝ V ஆக இருப்பதால், பரிசோதனை 4 ஐ 5 உடன் ஒப்பிடலாம். V₄/V₅ = 4.0/2.0 = 2; எனவே வீதம் விகிதமும் 2 ஆக இருக்க வேண்டும் — (1/t₄)/(1/t₅) = 2, அதாவது t₅/t₄ = 2. t₅ = 60 s ஆக இருப்பதால், t₄ = 60 ÷ 2 = 30 s.

முடிவு: x = 1 உம் y = 1 உம் இணைந்து, தாக்கவீத விதி R = k[Fe³⁺(aq)][I⁻(aq)]; ஒட்டுமொத்த வரிசை = 1 + 1 = 2. இது ஒரு "fixed-product / variable-time" உத்தி — திணிவு இழப்பு அல்லது வாயுக் கனவளவு போன்ற தொடர்ச்சியான அளவீடு இல்லாமலேயே, ஒரு திடீர் நிறமாற்ற நேரத்தை மட்டும் பதிவு செய்து வீதத் தரவு பெறும் ஒரு நேர்த்தியான ஆய்வக முறை.

🌐 விளக்க படம் / Explanatory Diagram