Kp & வாயுச் சமநிலை — குறு குறிப்பு

🎈

Kp & வாயுச் சமநிலை

Kp & Gas Equilibria

1 ஏன் வாயுச் சமநிலைக்குத் தனி மாறிலி?

முந்தைய பாடத்தில், சமநிலை மாறிலி K_c தாக்கிகளினதும் விளைவுகளினதும் மூலர்ச் செறிவுகளின் (molar concentrations) அடிப்படையில் வரையறுக்கப்பட்டது. ஆனால் தாக்கத்தில் ஈடுபடும் இனங்கள் வாயுக்களாக இருக்கும்போது, வாயுவின் செறிவை அளப்பதை விட அதன் பகுதி அமுக்கத்தை (partial pressure) அளப்பது மிகவும் வசதியானது. ஏனெனில் மாறா வெப்பநிலையில் ஒரு வாயுவின் பகுதி அமுக்கம் அதன் மூலர்ச் செறிவுடன் நேரடியாகத் தொடர்புடையது.

2 பகுதி அமுக்கமும் மூல் பின்னமும்

ஒரு வாயுக் கலவையில், ஒவ்வொரு வாயுவும் தனியாகப் பாத்திரம் முழுவதையும் நிரப்பியிருந்தால் எவ்வளவு அமுக்கத்தைச் செலுத்துமோ, அதுவே அந்த வாயுவின் பகுதி அமுக்கம் (partial pressure) ஆகும். டால்ட்டனின் பகுதி அமுக்க விதியின்படி, ஒரு வாயுக் கலவையின் மொத்த அமுக்கம் (total pressure) அதிலுள்ள ஒவ்வொரு வாயுவினதும் பகுதி அமுக்கங்களின் கூட்டுத்தொகைக்குச் சமமாகும்.

ஒரு வாயுவின் மூல் பின்னம் (mole fraction, x) என்பது அந்த வாயுவின் மூல்களின் எண்ணிக்கையை வாயுக் கலவையில் உள்ள மொத்த மூல்களின் எண்ணிக்கையால் வகுத்தபோது கிடைக்கும் விகிதமாகும். ஒரு வாயுவின் பகுதி அமுக்கம், அதன் மூல் பின்னத்தையும் கலவையின் மொத்த அமுக்கத்தையும் பெருக்குவதன் மூலம் பெறப்படுகின்றது.

x_i = n_i ÷ n_total P_i = x_i × P_total

இங்கு n_i என்பது i என்னும் வாயுவின் மூல்களின் எண்ணிக்கை; n_total என்பது மொத்த மூல்களின் எண்ணிக்கை; P_total என்பது கலவையின் மொத்த அமுக்கம். ஒரு கலவையில் உள்ள அனைத்து வாயுக்களினதும் மூல் பின்னங்களின் கூட்டுத்தொகை எப்போதும் 1 ஆகும்.

3 வாயுச் சமநிலைக்கான மாறிலி Kp உம் அதன் அலகுகளும்

வாயுக்கள் ஈடுபடும் ஒரு தாக்கத்தில், சமநிலை மாறிலியை வாயுக்களின் சமநிலைப் பகுதி அமுக்கங்களின் அடிப்படையில் வெளிப்படுத்தலாம். இவ்வாறு வரையறுக்கப்படும் மாறிலி K_p எனக் குறிக்கப்படுகின்றது; கீழ் எழுத்து p, இது அமுக்கத்தின் அடிப்படையில் வரையறுக்கப்படுவதைக் குறிக்கின்றது. aA(g) + bB(g) ⇌ cC(g) + dD(g) என்னும் வாயு நிலைத் தாக்கத்துக்கு:

K_p = (P_C)^c(P_D)^d ÷ [(P_A)^a(P_B)^b]

K_p இன் கோவையை எழுதும்போது பின்வரும் விதிகள் பின்பற்றப்படுகின்றன: விளைவு வாயுக்களின் சமநிலைப் பகுதி அமுக்கங்கள் தொகுதியாகவும், தாக்கி வாயுக்களின் சமநிலைப் பகுதி அமுக்கங்கள் பகுதியாகவும் இடப்படுகின்றன; ஒவ்வொரு பகுதி அமுக்கப் பதமும் அதன் பீசமானக் குணகத்தால் வலுவேற்றப்படுகின்றது; தூய திண்மம் மற்றும் தூய திரவம் கோவையில் சேர்க்கப்படுவதில்லை (K_c இல் பின்பற்றப்பட்ட அதே விதி); பகுதி அமுக்கங்கள் atm, kPa அல்லது Pa என்னும் அமுக்க அலகுகளில் வெளிப்படுத்தப்படுகின்றன.

எடுத்துக்காட்டு — அமோனியா உருவாதல்

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) என்னும் தாக்கத்துக்கு K_p = (P_NH₃)² ÷ [(P_N₂)(P_H₂)³]. ஒவ்வொரு பகுதி அமுக்கப் பதமும் அதன் பீசமானக் குணகத்தால் வலுவேற்றப்பட்டுள்ளது.

K_p இன் அலகுகள், K_c இன் அலகுகளைப் போலவே, அதன் கோவையில் தொகுதியிலும் பகுதியிலும் உள்ள அமுக்கப் பதங்களின் வலுக்களின் வேறுபாட்டைச் சார்ந்தவை. பகுதி அமுக்கம் atm என்னும் அலகில் வெளிப்படுத்தப்பட்டால், K_p இன் அலகு atm^Δn ஆக அமையும். Δn = 0 ஆக இருக்கும்போது அமுக்கப் பதங்களின் வலுக்கள் ஒன்றையொன்று நீக்குவதால் K_p பரிமாணமற்றதாக அமைகின்றது.

தாக்கம்	Δn	அலகு (atm இல்)
H₂ + I₂ ⇌ 2HI	0	அலகு இல்லை
N₂O₄ ⇌ 2NO₂	+1	atm
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃	−2	atm⁻²
PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂	+1	atm

4 Kp உம் Kc உம் — Kp = Kc(RT)^Δn

ஒரு வாயு இலட்சிய வாயு நடத்தையைக் (ideal gas behaviour) கொண்டிருந்தால், இலட்சிய வாயுச் சமன்பாடு PV = nRT பொருந்தும். இதனை மறுசீரமைத்தால், ஒரு வாயுவின் அமுக்கம் P = (n/V)RT எனப் பெறப்படுகின்றது. இங்கு (n/V) என்பது வாயுவின் மூலர்ச் செறிவு ஆகும். ஆகவே, மாறா வெப்பநிலையில் ஒரு வாயுவின் பகுதி அமுக்கம் அதன் மூலர்ச் செறிவுக்கு நேர் விகிதசமமாகும்: P = [வாயு] × RT. இந்தத் தொடர்பைப் பொதுவான வாயு நிலைத் தாக்கத்தின் K_p கோவையில் பிரதியிட்டுச் சுருக்கினால், K_p உம் K_c உம் பின்வரும் தொடர்பால் இணைக்கப்படுகின்றன.

K_p = K_c (RT)^Δn

இங்கு R என்பது வாயு மாறிலி (gas constant); T என்பது கெல்வின் வெப்பநிலை; Δn என்பது சமன் செய்த சமன்பாட்டில் வாயு விளைவுகளின் மொத்த மூல் எண்ணுக்கும் வாயு தாக்கிகளின் மொத்த மூல் எண்ணுக்கும் இடையேயான வேறுபாடு ஆகும். Δn = 0 எனின் (RT)⁰ = 1 ஆதலால் K_p = K_c ஆகும் (எ.கா. H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g), Δn=0). Δn ≠ 0 எனின் K_p உம் K_c உம் சமமாக இருக்க வேண்டிய அவசியம் இல்லை; அவை (RT)^Δn என்னும் காரணியால் வேறுபடுகின்றன.

பொதுவான தவறு

Δn ஐக் கணக்கிடும்போது வாயு இனங்களை மட்டுமே எண்ணுக; திண்மம் மற்றும் திரவ இனங்களை எண்ணக் கூடாது. RT ஐக் கணக்கிடும்போது வெப்பநிலை கெல்வினில் (K) இருக்க வேண்டும்; செல்சியஸ் பயன்படுத்துவது தவறு.

5 பல்லினச் சமநிலையில் Kp — பகுப்புக்கள்

பல்லினச் சமநிலையில் (heterogeneous equilibrium), தூய திண்மம் மற்றும் தூய திரவத்தின் பகுதி அமுக்கங்கள் K_p இன் கோவையில் சேர்க்கப்படுவதில்லை; வாயு இனங்களின் பகுதி அமுக்கங்கள் மட்டுமே கோவையில் இடம்பெறுகின்றன. உதாரணமாக CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) இல் K_p = P_CO₂ (ஒரே பதம்); NH₄HS(s) ⇌ NH₃(g) + H₂S(g) இல் K_p = P_NH₃ × P_H₂S.

பகுப்பு 1 — N₂O₄ இன் பிரிகை

N₂O₄(g) ⇌ 2NO₂(g) சமநிலையில், 1.00 mol N₂O₄ ஒரு பாத்திரத்தில் இடப்பட்டு 25% பிரிகையடைகின்றது; மொத்த அமுக்கம் = 2.00 atm. பிரிகையடைந்த N₂O₄ = 0.25 mol; எஞ்சிய N₂O₄ = 0.75 mol; உருவான NO₂ = 0.50 mol; n_total = 1.25 mol. x(N₂O₄) = 0.60, x(NO₂) = 0.40. P(N₂O₄) = 1.20 atm, P(NO₂) = 0.80 atm. K_p = (0.80)² ÷ 1.20 = 0.53 atm (Δn=+1 ஆதலால் அலகு atm).

பகுப்பு 2 — Kc இலிருந்து Kp

500 K இல் N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) தாக்கத்துக்கு K_c = 0.105 mol⁻² dm⁶ (R = 0.0821 dm³ atm K⁻¹ mol⁻¹). Δn = 2−(1+3) = −2. RT = 0.0821×500 = 41.05. (RT)⁻² = 5.93×10⁻⁴. K_p = 0.105 × 5.93×10⁻⁴ = 6.23 × 10⁻⁵ atm⁻².

பகுப்பு 3 — mmHg முதல் atm⁻¹ வரை அலகு மாற்றம்

CO(g) + Cl₂(g) ⇌ COCl₂(g) இல் ஆரம்ப அழுத்தங்கள் P(CO)=400mmHg, P(Cl₂)=500mmHg; சமநிலையில் மொத்த அழுத்தம் = 600mmHg. (400−P)+(500−P)+P = 600 ⟹ P(COCl₂) = 300mmHg; P(CO)=100mmHg, P(Cl₂)=200mmHg. K_p = 300 ÷ (100×200) = 3/200 mmHg⁻¹. 1 atm = 760 mmHg ஆதலால், Δn=−1 என்பதற்கு ஏற்ப 760 ஆல் பெருக்கி, K_p = 11.4 atm⁻¹.

பகுப்பு 4 — பல்லினச் சிதைவு (NH₄)₂S(s) ⇌ 2NH₃(g) + H₂S(g)

3.4g திண்ம (NH₄)₂S ஒரு 8.314 dm³ கொள்கலனில் 1000K இல் முழுமையாகச் சிதைவடைகின்றது; K_p = 4000 kPa³. P(NH₃)=2P, P(H₂S)=P எனின் K_p = 4P³ = 4000 ⟹ P=10kPa. எனவே P(NH₃)=20kPa, P(H₂S)=10kPa. PV=nRT பயன்படுத்தி n(H₂S)=0.01mol, n(NH₃)=0.02mol. ஆரம்ப n((NH₄)₂S) = 3.4÷68 = 0.05mol; நுகரப்பட்டது = 0.01mol; மீதமுள்ளது = 0.04mol.

6 சிதைவுப் பாகம் (α) மூலம் பொதுவான Kp சூத்திரம்

AL தேர்வுகளில் அடிக்கடி N₂O₄(g) ⇌ 2NO₂(g) போன்ற ஒரு தாக்கத்தின் பொதுவான சிதைவுப் பாக (degree of dissociation, α) சூத்திரத்தை derive செய்யக் கேட்கப்படுகின்றது — குறிப்பிட்ட எண்களைப் பயன்படுத்தாமல், α, P (மொத்த அழுத்தம்) ஆகியவற்றின் அடிப்படையில் K_p-ஐ வெளிப்படுத்துதல். ஆரம்பம்: N₂O₄ = 1 mol; மாற்றம்: N₂O₄ = −α mol, NO₂ = +2α mol; சமநிலையில்: N₂O₄ = (1−α) mol, NO₂ = 2α mol. மொத்த மூல் எண் n_total = (1+α) mol. x(N₂O₄) = (1−α)/(1+α); x(NO₂) = 2α/(1+α). பகுதி அமுக்கங்கள்: P(N₂O₄) = (1−α)/(1+α) × P; P(NO₂) = 2α/(1+α) × P.

K_p = 4α²P / (1−α²)

இதே ICE-அட்டவணை உத்தியை வேறு ஸ்டோய்கியோமெட்ரிக் விகிதங்களுக்கும் நீட்டிக்கலாம். எடுத்துக்காட்டாக, 2NH₃(g) ⇌ N₂(g) + 3H₂(g) (2 mol → 4 mol) தாக்கத்திற்கு K_p = 27α⁴P² / [16(1−α²)²] எனவும், A₂(g) + 3B₂(g) ⇌ 2AB₃(g) (4 mol → 2 mol) தாக்கத்திற்கு K_p = 16α²(2−α)² / [27(1−α)⁴P²] எனவும் கிடைக்கும் — ஒவ்வொரு சூத்திரமும் அந்தந்தத் தாக்கத்தின் தனிப்பட்ட மூல்-எண் விகிதத்திலிருந்தே உருவாகின்றது, மனனம் செய்ய வேண்டியதில்லை.

பொதுவான தவறு

K_p கோவையில் தூய திண்மம் மற்றும் தூய திரவத்தின் பகுதி அமுக்கங்களைச் சேர்க்க வேண்டாம். பகுதி அமுக்கம் = மூல் பின்னம் × மொத்த அமுக்கம்; மூல் பின்னத்தை மொத்த மூல் எண்ணால் வகுக்க மறக்கக் கூடாது.

learn.gtdigital.tech · A/L இரசாயனவியல் · அலகு 12 கோபிரமணன் திருசெந்திவேல், MSc