📚 கற்றல் முதன்மை க.பொ.த. (சா/த) க.பொ.த. (உ/த) பிற 🌐 English உள்நுழைய
பாடங்கள்/Lessons · அலகு 12/Unit 12 · இயங்குநிலைச் சமநிலை

இயங்குநிலைச் சமநிலையும் Kc உம்

முழுமையான பார்வை — சமநிலை என்றால் என்ன?

முந்தைய அலகுகளில், ஒரு இரசாயனத் தாக்கம் தாக்கிகள் (reactants) முற்றாக விளைவுகளாக (products) மாறிவிடுவதாகக் கருதப்பட்டது. ஆனால் பல இரசாயனத் தாக்கங்கள் அவ்வாறு முற்றுப்பெறுவதில்லை; அவை ஒரு குறிப்பிட்ட நிலையை அடைந்த பின்னர் தாக்கிகளும் விளைவுகளும் ஒன்றாகவே நீடிக்கின்றன. இவ்வாறு முற்புறத் திசையிலும் (forward) பிற்புறத் திசையிலும் (reverse) ஒரே நேரத்தில் நடைபெறக் கூடிய தாக்கம் மீளும் தாக்கம் (reversible reaction) என அழைக்கப்படுகின்றது.

இந்தப் பாடத்தில், ஒரு மூடிய தொகுதியில் (closed system) மீளும் தாக்கம் ஒன்று அடையும் இயங்குநிலைச் சமநிலை (dynamic equilibrium) என்னும் நிலையும், அந்தச் சமநிலையை விளக்கும் இரசாயனச் சமநிலை விதியும் (equilibrium law) சமநிலை மாறிலி (equilibrium constant, Kc) என்னும் பரிமாணமும் ஒவ்வொன்றாக ஆராயப்படுகின்றன. சமநிலை மாறிலியின் கோவையை எவ்வாறு எழுதுவது, தாக்க ஈவு (reaction quotient, Q) கொண்டு தாக்கம் நடைபெறும் திசையை எவ்வாறு எதிர்வு கூறுவது, ஏகவினச் (homogeneous) மற்றும் பல்லினச் (heterogeneous) சமநிலைகளுக்கு இடையேயான வேறுபாடு, மேலும் சமநிலைச் செறிவுகளை எவ்வாறு கணக்கிடுவது என்பன இங்கு விளக்கப்படுகின்றன.

2.1 மீளும் தாக்கங்களும் இயங்குநிலைச் சமநிலையும்

Nitrogen dioxide
Wikipedia → · CC

ஒரு மூடிய பாத்திரத்தில் ஐதரசன் வாயுவும் (H₂) அயடீன் ஆவியும் (I₂) கலந்து வைக்கப்படுவதைக் கருதுவோம். தொடக்கத்தில் தாக்கிகளின் செறிவு உயர்வாக இருப்பதால் முற்புறத் தாக்கம் (H₂ + I₂ → 2HI) வேகமாக நடைபெறுகின்றது. தாக்கம் முன்னேறும்போது H₂ மற்றும் I₂ ஆகியவற்றின் செறிவு குறைகின்றது; ஆகவே முற்புறத் தாக்க வீதம் (forward rate) படிப்படியாகக் குறைகின்றது. அதே நேரத்தில் விளைவான HI இன் செறிவு அதிகரிப்பதால் பிற்புறத் தாக்கம் (2HI → H₂ + I₂) படிப்படியாக வேகம் பெறுகின்றது.

ஒரு குறிப்பிட்ட கணத்தில், முற்புறத் தாக்க வீதமும் பிற்புறத் தாக்க வீதமும் சமமாகின்றன. அந்தக் கணத்திலிருந்து தாக்கிகளினதும் விளைவுகளினதும் செறிவுகள் காலத்துடன் மாறாமல் நிலைத்திருக்கின்றன. இந்த நிலையே இயங்குநிலைச் சமநிலை (dynamic equilibrium) என அழைக்கப்படுகின்றது. சமநிலையில் தாக்கம் நின்றுவிடவில்லை என்பது மிக முக்கியமானது; முற்புறத் தாக்கமும் பிற்புறத் தாக்கமும் ஒரே வீதத்தில் தொடர்ந்து நடைபெறுகின்றன. ஆகவே இது இயங்குநிலை ஆகும், நிலையான ஓய்வு நிலை அல்ல.

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)

இரு பக்க அம்பு (⇌) குறியீடு தாக்கம் இரு திசைகளிலும் நடைபெறுகின்றது என்பதைக் காட்டுகின்றது. ஒரு மூடிய தொகுதியில் மட்டுமே சமநிலை உண்மையாக ஏற்படும்; திறந்த தொகுதியில் ஒரு விளைவு வாயு வெளியேறிவிட்டால் பிற்புறத் தாக்கம் நடைபெற முடியாது.

Forward and Reverse Rates Become Equal at Equilibrium rate time forward rate starts high, falls reverse rate starts at zero, rises at equilibrium the two rates are equal — but neither is zero

முற்புறத் தாக்க வீதம் குறைகின்றது, பிற்புறத் தாக்க வீதம் அதிகரிக்கின்றது; இரண்டும் சமமாகும்போது சமநிலை அடையப்படுகின்றது.

சமநிலையின் இயல்புகள்

Dinitrogen tetroxide
Wikipedia → · CC

இயங்குநிலைச் சமநிலையின் முக்கிய இயல்புகள் (characteristics) பின்வருமாறு தொகுத்துக் கூறப்படுகின்றன.

2.1.3 இரசாயனச் சமநிலை விதியும் சமநிலை மாறிலியும்

Bromine
Wikipedia → · CC

1864 ஆம் ஆண்டில் நோர்வே நாட்டு இரசாயனவியலாளர்களான குல்ட்பேர்க் (Guldberg) மற்றும் வேஜ் (Waage) ஆகியோர் அதிக எண்ணிக்கையான சமநிலைத் தாக்கங்களைப் பரிசோதனை ரீதியாகக் கற்று, திணிவுத் தாக்க விதியை (law of mass action) ஒப்புவித்தனர். இவ்விதியின்படி, ஒரு இரசாயனத் தாக்கத்தின் தாக்க வீதம் தாக்கிகளின் தாக்குத் திணிவுகளுக்கு (active masses, அதாவது மூலர்ச் செறிவுகளுக்கு) விகிதசமமாகும்.

aA + bB ⇌ cC + dD என்னும் பொதுவான மீளும் தாக்கத்தைக் கருதுவோம். திணிவுத் தாக்க விதியின்படி, முற்புறத் தாக்க வீதம் = kf[A]a[B]b ஆகும்; பிற்புறத் தாக்க வீதம் = kr[C]c[D]d ஆகும். சமநிலையில் இவ்விரு வீதங்களும் சமமாதலால்:

kf[A]a[B]b = kr[C]c[D]d

இதனை மறுசீரமைத்தால், kf மற்றும் kr ஆகிய இரண்டும் ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் மாறிலிகள் என்பதால், அவற்றின் விகிதமும் ஒரு மாறிலியாகும். இந்த மாறிலியே சமநிலை மாறிலி (equilibrium constant) என அழைக்கப்பட்டு, செறிவின் அடிப்படையில் வரையறுக்கப்படுவதைக் குறிக்க Kc என்னும் குறியீட்டால் குறிக்கப்படுகின்றது.

Kc = [C]c [D]d[A]a [B]b

இதுவே ஒரு தாக்கத்துக்கான சமநிலை விதியின் (equilibrium law) கணித வடிவமாகும். மாறா வெப்பநிலையில் ஒரு மீளும் தாக்கம் சமநிலையில் இருக்கும்போது, விளைவுகளின் சமநிலைச் செறிவுகளின் பெருக்கத்தை (ஒவ்வொன்றும் அதன் பீசமானக் குணகத்தால் வலுவேற்றப்பட்டது) தாக்கிகளின் சமநிலைச் செறிவுகளின் பெருக்கத்தால் வகுக்கும்போது கிடைக்கும் விகிதம் ஒரு மாறாத பெறுமானத்தைக் கொண்டுள்ளது.

2.1.4 சமநிலை மாறிலிக் கோவையை எழுதுதல்

சமநிலை மாறிலியின் கோவையை (Kc expression) எழுதும்போது பின்வரும் விதிகள் பின்பற்றப்படுகின்றன.

📝 எடுத்துக்காட்டு — அமோனியா உருவாதல்

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) என்னும் தாக்கத்துக்கு,
Kc = [NH₃]² ÷ ([N₂] [H₂]³)
ஒவ்வொரு செறிவுப் பதமும் அதன் பீசமானக் குணகத்தால் (NH₃ க்கு 2, N₂ க்கு 1, H₂ க்கு 3) வலுவேற்றப்பட்டுள்ளது.

2.1.2 ஏகவினச் சமநிலையும் பல்லினச் சமநிலையும்

சமநிலையில் உள்ள தாக்கங்கள் இரண்டு வகைப்படும். சமநிலையில் உள்ள தாக்கிகளும் விளைவுகளும் யாவும் ஒரே அவத்தையில் (phase) இருந்தால், அது ஏகவினச் சமநிலை (homogeneous equilibrium) எனப்படும். அனைத்து இனங்களும் வாயு நிலையில் இருக்கும் N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) தாக்கமும், அனைத்து இனங்களும் கரைசலில் இருக்கும் தாக்கங்களும் இதற்கு உதாரணங்களாகும்.

தாக்கிகளும் விளைவுகளும் ஒன்றுக்கு மேற்பட்ட அவத்தைகளில் இருந்தால், அது பல்லினச் சமநிலை (heterogeneous equilibrium) எனப்படும். பல்லினச் சமநிலையில், தூய திண்மம் அல்லது தூய திரவத்தின் செறிவு சமநிலை மாறிலியின் கோவையில் சேர்க்கப்படுவதில்லை; ஏனெனில் அவற்றின் செறிவு பொருளின் அளவைச் சார்ந்திராமல் மாறிலியாக நீடிக்கின்றது.

CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)   ⟶   Kc = [CO₂]

கல்சியம் காபனேற்றின் (CaCO₃) வெப்பப் பிரிகையில், CaCO₃ மற்றும் CaO ஆகிய இரண்டும் தூய திண்மங்கள் என்பதால் அவை கோவையிலிருந்து விடப்படுகின்றன; ஆகவே Kc = [CO₂] என்னும் ஒரே பதம் மட்டுமே எஞ்சுகின்றது.

Homogeneous vs Heterogeneous Equilibria Homogeneous all species in one phase N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) all gases — one phase Kc = [NH₃]² / ([N₂][H₂]³) every species appears Heterogeneous species in different phases CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) solids + a gas — many phases Kc = [CO₂] pure solids are omitted

ஏகவினச் சமநிலையில் அனைத்து இனங்களும் கோவையில் இடம்பெறும்; பல்லினச் சமநிலையில் தூய திண்மங்களும் தூய திரவங்களும் விடப்படுகின்றன.

2.1.6 Kc இன் அலகுகள்

சமநிலை மாறிலியின் அலகுகள் (units of Kc) அதன் கோவையில் உள்ள செறிவுப் பதங்களின் எண்ணிக்கையைச் சார்ந்தவை. செறிவின் அலகு mol dm⁻³ ஆகும். தொகுதியில் உள்ள செறிவுப் பதங்களின் மொத்த வலுவுக்கும் பகுதியில் உள்ள செறிவுப் பதங்களின் மொத்த வலுவுக்கும் இடையேயான வேறுபாட்டைப் பயன்படுத்தி அலகு துணியப்படுகின்றது.

தாக்கம்Kc கோவைஅலகு
H₂ + I₂ ⇌ 2HI[HI]² / ([H₂][I₂])அலகு இல்லை (பரிமாணமற்றது)
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃[NH₃]² / ([N₂][H₂]³)mol⁻² dm⁶
2NO₂ ⇌ N₂O₄[N₂O₄] / [NO₂]²mol⁻¹ dm³
PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂[PCl₃][Cl₂] / [PCl₅]mol dm⁻³

தொகுதியிலும் பகுதியிலும் உள்ள செறிவுப் பதங்களின் வலுக்கள் சமமாக இருந்தால் (உதாரணமாக H₂ + I₂ ⇌ 2HI), அலகுகள் ஒன்றையொன்று நீக்கிக்கொண்டு Kc பரிமாணமற்றதாக (dimensionless) அமைகின்றது.

2.1.5 Kc இன் பருமனும் தாக்கத்தின் அளவும்

சமநிலை மாறிலியின் பருமன் (magnitude) தாக்கம் எவ்வளவு தூரம் முன்னேறுகின்றது என்பதைக் குறிக்கின்றது. Kc இன் பெறுமானம் பெரியதாக இருந்தால், சமநிலையில் விளைவுகளின் செறிவு தாக்கிகளின் செறிவை விட உயர்வாக இருக்கும்; அதாவது தாக்கம் கிட்டத்தட்ட முற்றுப்பெறுகின்றது. Kc இன் பெறுமானம் சிறியதாக இருந்தால், தாக்கிகளின் செறிவு மேலோங்கி நிற்கும்.

Kc இன் பருமன்பொருள்
Kc ≫ 1 (உ-ம் > 10³)விளைவுகள் மேலோங்கி நிற்கும்; தாக்கம் கிட்டத்தட்ட முற்றுப்பெறுகின்றது.
Kc ≈ 1தாக்கிகளும் விளைவுகளும் ஒப்பிடத்தக்க செறிவுகளில் இருக்கும்.
Kc ≪ 1 (உ-ம் < 10⁻³)தாக்கிகள் மேலோங்கி நிற்கும்; மிகக் குறைந்த விளைவே உருவாகின்றது.

பெரும்பாலான தாக்கங்கள் 10³ முதல் 10⁻³ வரையான வரம்பில் சமநிலை மாறிலிகளைக் கொண்டுள்ளன; இவ்வாறான தொகுதிகள் சமநிலையில் தாக்கி, விளைவு இரண்டையும் குறிப்பிடத்தக்க அளவில் கொண்டிருக்கும்.

2.1.10 தாக்க ஈவு Q உம் தாக்கத்தின் திசையும்

சமநிலை மாறிலியின் கோவையில் சமநிலைச் செறிவுகளுக்குப் பதிலாக எந்தவொரு கணத்திலும் உள்ள செறிவுகளைப் பிரதியிட்டுக் கணிக்கப்படும் பெறுமானம் தாக்க ஈவு (reaction quotient, Q) என அழைக்கப்படுகின்றது. தாக்க ஈவின் கோவை சமநிலை மாறிலியின் கோவையைப் போன்றதே; ஆனால் அதில் இடப்படும் செறிவுகள் சமநிலைப் பெறுமானங்களாக இருக்க வேண்டிய அவசியம் இல்லை.

Q இன் பெறுமானத்தை Kc இன் பெறுமானத்துடன் ஒப்பிடுவதன் மூலம், தாக்கக் கலவை சமநிலையை அடைய எந்தத் திசையில் நகரும் என்பதை எதிர்வு கூறலாம் (predicting the direction of change).

Comparing Q with Kc Predicts the Direction of Shift Q = Kc at equilibrium Q < Kc shifts forward → more products Q > Kc shifts reverse → more reactants

Q ஐ Kc உடன் ஒப்பிடுவதன் மூலம் தாக்கம் எந்தத் திசையில் சமநிலையை நோக்கி நகரும் என்பதை அறியலாம்.

2.1.11 சமநிலைச் செறிவுகளைக் கணக்கிடுதல்

தாக்கிகளின் ஆரம்பச் செறிவுகளும் சமநிலை மாறிலியும் தரப்பட்டால், சமநிலையில் இருக்கும் இனங்களின் செறிவுகளைக் கணக்கிடலாம். இதற்கு NIE பாடநூல் மூன்று படிமுறையை பரிந்துரைக்கின்றது; இதனை ICE அட்டவணை (Initial – Change – Equilibrium) எனவும் அழைப்பர்.

  1. படி 1: தாக்கத்துக்குச் சமன் செய்த சமன்பாட்டை எழுதுக.
  2. படி 2: ஒவ்வொரு இனத்துக்கும் ஆரம்பச் செறிவு (Initial), சமநிலைக்குச் செல்லும்போது செறிவில் ஏற்படும் மாற்றம் (Change), சமநிலைச் செறிவு (Equilibrium) ஆகியவற்றைப் பட்டியலிடும் அட்டவணையை உருவாக்குக. மாற்றத்தைப் பீசமானக் குணகங்களைப் பயன்படுத்தி x இன் அடிப்படையில் வெளிப்படுத்துக.
  3. படி 3: சமநிலைச் செறிவுகளைச் சமநிலை மாறிலியின் கோவையில் பிரதியிட்டு, x ஐக் கண்டறிக. பின்னர் சமநிலைச் செறிவுகளைக் கணக்கிடுக.
📝 பகுப்பு — ஐதரசன் அயடைட்டு உருவாதல்

வினா: 800 K வெப்பநிலையில் H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) தாக்கத்துக்குச் சமநிலை மாறிலி Kc = 64.0 ஆகும். 10.0 dm³ கொண்ட விறைப்பான மூடிய பாத்திரத்தில் 1.00 mol H₂ உம் 1.00 mol I₂ உம் 800 K இல் தாக்கமுற விடப்படுகின்றன. சமநிலையில் HI இன் செறிவு யாது?

படி 1: H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g)
படி 2: ஆரம்பச் செறிவுகள் = 1.00 mol ÷ 10.0 dm³ = 0.100 mol dm⁻³.
  ஆரம்பம் (I): [H₂] = 0.100, [I₂] = 0.100, [HI] = 0
  மாற்றம் (C): −x, −x, +2x
  சமநிலை (E): (0.100 − x), (0.100 − x), 2x
படி 3: Kc = (2x)² ÷ [(0.100 − x)(0.100 − x)] = 64.0
  வர்க்க மூலம் எடுக்க: 2x ÷ (0.100 − x) = 8.00
  2x = 0.800 − 8.00x  ⟶  10.00x = 0.800  ⟶  x = 0.0800

விடை: [HI] = 2x = 0.160 mol dm⁻³; [H₂] = [I₂] = 0.100 − 0.0800 = 0.0200 mol dm⁻³.

பொதுவான தவறுகள் / Common mistakes
  • சமநிலையில் தாக்க வீதங்கள் சமம் என்பதையும், செறிவுகள் சமம் என்பதையும் குழப்பிக்கொள்ள வேண்டாம்; சமமாவது வீதங்கள் ஆகும், செறிவுகள் அல்ல.
  • இயங்குநிலைச் சமநிலை என்பது தாக்கம் நின்றுவிட்ட நிலை அல்ல; முற்புறத் தாக்கமும் பிற்புறத் தாக்கமும் தொடர்ந்து நடைபெறுகின்றன.
  • Kc கோவையில் தூய திண்மம் மற்றும் தூய திரவத்தைச் சேர்க்க வேண்டாம்.
  • பீசமானக் குணகங்களை வலுக்களாக மறந்துவிட வேண்டாம்; [NH₃]² இல் உள்ள 2 ஐ விட்டுவிடுவது தவறு.
  • வினையூக்கி Kc இன் பெறுமானத்தை மாற்றாது; அது சமநிலையை விரைவாக அடையச் செய்கின்றது மட்டுமே.
📝 தேர்வாளர் குறிப்பு / Examiner note

"இயங்குநிலைச் சமநிலை" என்பதை வரைவிலக்கணப்படுத்தும்போது, முற்புறத் தாக்க வீதமும் பிற்புறத் தாக்க வீதமும் சமமாக இருக்கும், ஆனால் பூச்சியம் அல்ல, மேலும் செறிவுகள் மாறாது நிலைத்திருக்கும் என்று முழுச் சொற்றொடராக எழுதுக. Kc கோவையை எழுதும் வினாவில், ஒவ்வொரு செறிவுப் பதத்தையும் சரியான பீசமானக் குணகத்தால் வலுவேற்றியதைக் காட்டி, அலகுகளையும் தனியாகக் கணக்கிடுக. ICE அட்டவணை வினாவில் ஆரம்பம், மாற்றம், சமநிலை என்னும் மூன்று வரிசைகளையும் தெளிவாகக் காட்டுக; தீர்வு வழங்கும் x இன் பெறுமானம் இரசாயன அர்த்தமுடையதாக இருக்கின்றதா என்பதைச் சரிபார்க்குக. Q ஐ Kc உடன் ஒப்பிட்டுத் திசையை எதிர்வு கூறும் வினாவில், Q < Kc எனின் முற்புறமாகவும், Q > Kc எனின் பிற்புறமாகவும் தாக்கம் நகரும் என்பதைத் தெளிவாகக் கூறுக.

🌐 விளக்க படம் / Explanatory Diagram
Dynamic equilibrium
இயக்க சமநிலை
Dynamic equilibrium
Credit: Wikimedia Commons  · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →

📝 பயிற்சி வினாக்கள்

பகுதி I — பல்தேர்வு வினாக்கள்

  1. இயங்கு சமநிலையில் (dynamic equilibrium) முன்/பின் வினை வீதங்கள்:

    1. பூச்சியம்
    2. சமம்
    3. வேறுபட்டவை
    4. அதிகபட்சம்
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — முன்/பின் வீதம் சமம் → அடர்த்திகள் மாறாது.

  2. இயங்கு சமநிலை அடையப்படுவது:

    1. திறந்த தொகுதி
    2. மூடிய தொகுதி
    3. வெற்றிடம்
    4. திண்மம் மட்டும்
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — மூடிய தொகுதியில் மட்டுமே.

  3. சமநிலையில் அடர்த்திகள்:

    1. சமம்
    2. மாறிலி (மாறாது)
    3. பூச்சியம்
    4. கூடிக்கொண்டே
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — அடர்த்திகள் மாறிலியாக இருக்கும் (சமம் அல்ல).

  4. சமநிலையில் வினை:

    1. நின்றுவிட்டது
    2. இருவழியிலும் தொடர்கிறது
    3. முடிந்தது
    4. தலைகீழ் மட்டும்
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — நுண்மட்டத்தில் இருவழியிலும் தொடரும் (இயங்கு).

  5. Q = K எனில் தொகுதி:

    1. முன்னோக்கி நகரும்
    2. சமநிலையில்
    3. பின்னோக்கி
    4. நிலையற்றது
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — Q = K → சமநிலை.

  6. சமநிலை மாறிலி K சார்ந்திருப்பது:

    1. தொடக்க அடர்த்தி
    2. வெப்பநிலை
    3. வினையூக்கி
    4. அழுத்தம் மட்டும்
    5. எதுவுமில்லை
    விடை
    (2) — K வெப்பநிலையை மட்டுமே சார்ந்தது.

பகுதி II — கட்டமைப்பு வினா

• இயங்கு சமநிலையின் நான்கு பண்புகளைத் தருக.

மாதிரி விடை
மூடிய தொகுதி; முன்/பின் வீதம் சமம்; அடர்த்திகள் மாறிலி; வினை நின்றுவிடவில்லை (இயங்கு).

• சமநிலையில் அடர்த்திகள் ஏன் மாறிலி? வினை நின்றுவிட்டதா?

மாதிரி விடை
முன்/பின் வீதம் சமம் → ஒவ்வொன்றும் உருவாகும் வேகம் = நுகரும் வேகம் → அடர்த்தி மாறாது; வினை நிற்கவில்லை, இருவழியிலும் தொடர்கிறது.

கட்டுரை வினா

• இயங்கு சமநிலை — கருத்து, பண்புகள், மீளும் வினைகள், சமநிலை மாறிலியை விளக்குக.

விடை வரைவு
வரைவு: மூடிய தொகுதி, மீளும் வினை; முன்/பின் வீதம் சமம் → அடர்த்தி மாறிலி; K=விளை/வினைபடு அடர்த்தி அடுக்குகள்; K வெப்பநிலையைச் சார்ந்தது.
← அலகு 12