அலகு 12 — இரசாயனச் சமநிலை
முழுமையான பார்வை — இவ்வலகு ஏன் முக்கியம்?
இரசாயனச் சமநிலை (chemical equilibrium) என்பது ஒரு புறமீள் தாக்கம் (reversible reaction) எந்த நிலையில் தனது நிகர மாற்றத்தை நிறுத்தி நிலையான ஒரு நிலையை அடைகின்றது என்பதை ஆராயும் பிரிவாகும். முந்திய அலகில் ஒரு தாக்கம் எவ்வளவு வேகமாக நிகழும் என்பதை இரசாயன இயக்கவியல் ஆராய்ந்தது; இவ்வலகு அந்தத் தாக்கம் இறுதியில் எந்த அளவுக்கு முன்னோக்கி நகர்கின்றது என்பதை ஆராய்கின்றது.
பல இரசாயனத் தாக்கங்கள் முற்றாக முடிவடைவதில்லை. வினைபடிகள் (reactants) விளைபொருட்களாக (products) மாறும் அதே நேரத்தில், விளைபொருட்கள் மீண்டும் வினைபடிகளாக மாறும் எதிர்த் தாக்கமும் (reverse reaction) நிகழ்கின்றது. முன்னோக்கிய தாக்கத்தினதும் எதிர்த் தாக்கத்தினதும் வீதங்கள் சமனாகும்போது, கரைசலிலுள்ள ஒவ்வொரு இனத்தினதும் (species) செறிவு மாறாமல் நிலையாக இருக்கின்றது. இந்த நிலையே இயங்கு சமநிலை (dynamic equilibrium) என அழைக்கப்படுகின்றது. இவ்வலகின் அனைத்துப் பகுதிகளும் — லீ-சத்தேலியர் கொள்கை, Kc, Kp, pH, தாங்கல் கரைசல், Ksp என்பன அனைத்தும் — இந்த ஒற்றை எண்ணக்கருவிலிருந்தே வளர்கின்றன.
இவ்வலகின் முக்கியத்துவம் இரண்டு வகையில் வெளிப்படுகின்றது. முதலாவதாக, தொழிற்துறையில் அமோனியா தயாரிக்கும் ஹேபர் முறை (Haber process), சல்பூரிக் அமிலம் தயாரிக்கும் தொடுகை முறை (contact process) போன்ற முறைகளில் வெப்பநிலை, அழுத்தம், வினையூக்கி ஆகியவற்றின் தெரிவு சமநிலைக் கொள்கைகளை அடிப்படையாகக் கொண்டே செய்யப்படுகின்றது. இரண்டாவதாக, அமிலம்–மூலச் சமநிலை, pH, தாங்கல் கரைசல், கரைதிறன் சமநிலை ஆகியவை பகுப்பாய்வு இரசாயனத்திலும் உயிரியல் தொகுதிகளிலும் நேரடியாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
இவ்வலகின் மைய எண்ணக்கரு
இவ்வலகின் மைய எண்ணக்கரு பின்வரும் ஒரு தொடர் சிந்தனையாக அமைகின்றது. ஒரு புறமீள் தாக்கம் ஒரு மூடிய தொகுதியில் (closed system) நிகழும்போது, முன்னோக்கிய தாக்கத்தின் வீதம் தொடக்கத்தில் அதிகமாகவும் எதிர்த் தாக்கத்தின் வீதம் பூச்சியமாகவும் இருக்கும். தாக்கம் முன்னேற முன்னோக்கிய வீதம் குறைகின்றது, எதிர் வீதம் கூடுகின்றது; இறுதியில் இரண்டும் சமனாகும்போது இயங்கு சமநிலை எய்தப்படுகின்றது. இந்நிலையில் தாக்கம் நிற்பதில்லை — இரண்டு தாக்கங்களும் தொடர்ந்து நிகழ்கின்றன, ஆனால் நிகர மாற்றம் பூச்சியமாகும்.
- இயங்கு சமநிலையும் சமநிலை மாறிலியும் — மூடிய தொகுதியில் முன்னோக்கிய தாக்கத்தினதும் எதிர்த் தாக்கத்தினதும் வீதங்கள் சமனாகும்போது சமநிலை எய்தப்படுகின்றது. சமநிலையில் வினைபடிகளினதும் விளைபொருட்களினதும் செறிவுகள் மாறாமல் இருக்கின்றன; இவற்றின் விகிதம் சமநிலை மாறிலி Kc ஆல் வெளிப்படுத்தப்படுகின்றது.
- லீ-சத்தேலியர் கொள்கை — சமநிலையிலுள்ள ஒரு தொகுதிக்கு செறிவு, அழுத்தம் அல்லது வெப்பநிலையில் ஒரு மாற்றம் கொடுக்கப்பட்டால், அம்மாற்றத்தை எதிர்க்கும் திசையில் சமநிலை இடம்பெயர்கின்றது.
- அமிலம்–மூலச் சமநிலை — நீரின் தன்னயனாக்கம், pH, அமில அயனாக்க மாறிலி Kₐ, மூல அயனாக்க மாறிலி K_b ஆகியன அமிலம், மூலங்களின் வலிமையை அளவீடு செய்கின்றன.
- தாங்கல் கரைசல்களும் கரைதிறன் சமநிலையும் — மென்னமிலம்–உப்புச் சோடிகள் pH மாற்றத்தை எதிர்க்கும்; குறைகரையும் உப்புகளின் கரைதிறன் கரைதிறன் பெருக்க மாறிலி Ksp ஆல் வரையறுக்கப்படுகின்றது.
இவ்வலகின் முக்கியமான ஒற்றை எண்ணக்கரு பின்வருமாறு அமைகின்றது. சமநிலை மாறிலி K ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் மாறிலியாக இருக்கின்றது; வெப்பநிலை மட்டுமே அதை மாற்றுகின்றது. செறிவு, அழுத்தம் அல்லது வினையூக்கியை மாற்றுவது சமநிலையின் இடத்தை (position) மட்டுமே மாற்றும்; சமநிலை மாறிலியை மாற்றாது. இந்த வேறுபாட்டைத் தெளிவாகப் புரிந்துகொள்வதே இவ்வலகின் கருவாகும்.
முன்னோக்கிய வீதம் குறைந்து எதிர் வீதம் கூடி இரண்டும் சமனாகும்போது இயங்கு சமநிலை எய்தப்படுகின்றது; செறிவுகள் நிலையாகின்றன, ஆனால் தாக்கம் நிற்பதில்லை.
இவ்வலகு உள்ளடக்கும் பகுதிகள்
இவ்வலகு NIE பாடநூலின் (தரம் 13) இரண்டாம் அலகாகிய இரசாயனச் சமநிலையை உள்ளடக்குகின்றது. கற்றல் வசதிக்காகப் பகுதிகள் பின்வருமாறு ஒழுங்கமைக்கப்பட்டுள்ளன.
- இயங்கு சமநிலையும் Kc உம் — புறமீள் தாக்கங்கள், இயங்கு சமநிலையின் இயல்புகள், சமநிலை மாறிலி Kc இன் கோவை, தொகுதியளவு (homogeneous) மற்றும் பல்தொகுதியளவு (heterogeneous) சமநிலைகள் ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
- Kp — வாயுச் சமநிலைகள் — பகுதி அமுக்கங்களைப் (partial pressures) பயன்படுத்தி வாயு நிலைச் சமநிலைகளுக்கான மாறிலி Kp, Kc உக்கும் Kp உக்கும் இடையிலான தொடர்பு (Kp = Kc(RT)^Δn) ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
- லீ-சத்தேலியர் கொள்கை — செறிவு, அழுத்தம், வெப்பநிலை மாற்றங்களும் வினையூக்கியின் தாக்கமும் சமநிலையில் ஏற்படுத்தும் விளைவுகளைக் கணித்தல் இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றது.
- அமிலம்–மூலச் சமநிலை — நீரின் தன்னயனாக்கம், Kw, pH, pOH, வன்னமிலம்/மென்னமிலம், Kₐ, K_b, உப்பு நீர்ப்பகுப்பு (salt hydrolysis) ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
- தரமளித்தல் வளையிகள் — அமிலம்–மூல தரமளித்தலின்போது (titration) pH மாறும் வளையிகள், சமவலுப் புள்ளி, பொருத்தமான காட்டியைத் தெரிவு செய்தல் ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
- தாங்கல் கரைசல்கள் — அமிலத் தாங்கல் கரைசல், மூலத் தாங்கல் கரைசல், அவை pH மாற்றத்தை எதிர்க்கும் வழிமுறை, ஹென்டர்சன்–ஹாசல்பால்க் சமன்பாடு ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
- கரைதிறன் சமநிலை — குறைகரையும் உப்புகளின் கரைதிறன் சமநிலை, கரைதிறன் பெருக்க மாறிலி Ksp, பொது அயன் விளைவு (common ion effect), படிவு உருவாதலைக் கணித்தல் ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
- தொழிற்துறைப் பயன்பாடுகள் — ஹேபர் முறை, தொடுகை முறை போன்ற தொழிற்சாலை முறைகளில் சமநிலைக் கொள்கைகள் எவ்வாறு பயன்படுத்தப்படுகின்றன, தொழில் சமரசம் (industrial compromise) ஆகியன இங்கு கற்பிக்கப்படுகின்றன.
NIE பாடநூலின் கட்டமைப்பில் கட்டக ஆற்றலியல் (phase equilibria) தொடர்பான இராவுல்ட்டின் விதி (Raoult's law), பகுதிக்குணகம் (partition coefficient) போன்ற எண்ணக்கருக்களும் இரசாயனச் சமநிலையின் ஒரு பகுதியாக நோக்கப்படுகின்றன; இவை வாயு–திரவம், திரவம்–திரவம் ஆகிய கட்டகங்களுக்கு இடையிலான சமநிலையை விளக்குகின்றன.
முன்னோக்கிய இணைப்புகள்
இவ்வலகில் கற்கும் எண்ணக்கருக்கள் தொடர்ந்து வரும் அலகுகளுக்கு நேரடி அடிப்படையாக அமைகின்றன. இயங்கு சமநிலை என்பது அலகு 11 இன் இரசாயன இயக்கவியலின் நேரடித் தொடர்ச்சியாகும்; இரண்டு எதிர் தாக்கங்களின் வீதங்கள் சமனாகும் நிலையே சமநிலையாகும். மேலும், சமநிலைக் கொள்கைகள் அலகு 14 இன் தொழிற்துறை இரசாயனத்தில் ஹேபர் முறை, தொடுகை முறை போன்ற முறைகளில் நேரடியாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. எனவே சமநிலை, K, லீ-சத்தேலியர் கொள்கை பற்றிய எண்ணக்கருக்கள் தெளிவாக இல்லாவிட்டால் தொடர்ந்து வரும் அலகுகளைக் கற்பது கடினமாகும்.
- "சமநிலையில் தாக்கம் நிற்கின்றது" என எழுதுதல் — சமநிலையில் முன்னோக்கிய தாக்கமும் எதிர்த் தாக்கமும் தொடர்ந்து நிகழ்கின்றன; நிகர மாற்றம் மட்டுமே பூச்சியமாகும். வீதங்கள் இரண்டும் பூச்சியமல்ல.
- வினையூக்கி விளைபொருளின் அளவை அதிகரிக்கும் என எண்ணுதல் — வினையூக்கி முன்னோக்கிய மற்றும் எதிர்த் தாக்கங்களின் வீதங்களை ஒரே அளவில் அதிகரிப்பதால் சமநிலை விரைவாக எய்தப்படுகின்றது; ஆனால் சமநிலையின் இடம் மாறுவதில்லை, K மாறுவதில்லை.
- செறிவு அல்லது அழுத்தம் K ஐ மாற்றும் என எண்ணுதல் — செறிவு, அழுத்த மாற்றங்கள் சமநிலையின் இடத்தை மட்டுமே மாற்றும்; வெப்பநிலை மட்டுமே K ஐ மாற்றுகின்றது.
- K இன் கோவையில் தூய திண்மங்களையும் தூய திரவங்களையும் சேர்த்தல் — தூய திண்மம், தூய திரவம் ஆகியவற்றின் தொழிற்பாடு 1 ஆதலால் அவை K இன் கோவையில் சேர்க்கப்படுவதில்லை.
- K ஐ அலகுகள் இல்லாமல் எழுதுதல் — K எப்போதும் பரிமாணமற்றதல்ல; அதன் அலகு (mol dm⁻³)^Δn ஆகும்.
இவ்வலகு இயற்பியல் இரசாயனத்தின் மிக முக்கியமான பகுதியாகும்; ஒவ்வொரு வருடமும் பகுதி I, பகுதி II இரண்டிலும் இது தொடர்ந்து வினாவாக வருகின்றது. பகுதி I இன் MCQ வினாக்களில் Kc, Kp இன் கோவையை எழுதுதல், லீ-சத்தேலியர் கொள்கையால் சமநிலை இடம்பெயர்வைக் கணித்தல், pH கணித்தல், சரியான தாங்கல் கரைசலைத் தெரிவு செய்தல் ஆகியன அடிக்கடி கேட்கப்படுகின்றன. பகுதி II இன் கட்டமைப்பு வினாக்களில், ICE அட்டவணை மூலம் சமநிலைச் செறிவுகளைக் கணித்தல், லீ-சத்தேலியர் கொள்கையால் தொழில் நிபந்தனைகளை விளக்குதல், ஹென்டர்சன்–ஹாசல்பால்க் சமன்பாட்டால் தாங்கல் கரைசலின் pH ஐக் கணித்தல், Ksp உம் கரைதிறனும் தொடர்பான கணிப்புகள், ஹேபர்/தொடுகை முறைக் கட்டுரை என்பன வழமையானவை. சமநிலை மாறிலி வெப்பநிலையில் மட்டுமே தங்கியுள்ளது என்னும் கருத்தைப் புரிந்துகொள்வதே மதிப்பெண் பெறுவதற்கான திறவுகோலாகும்.
Chemical equilibrium overview
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →