વિષમાંગ (heterogeneous) પ્રક્રિયાઓ

વિષમાંગ (heterogeneous) પ્રક્રિયાઓ : બે પ્રાવસ્થાઓ(phases)ના અંતરાપૃષ્ઠ (interface) આગળ થતી રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ. આવી પ્રક્રિયાઓમાં પ્રક્રિયકો બે અથવા વધુ પ્રાવસ્થાઓ(દા. ત., ઘન અને પ્રવાહી, ઘન અને વાયુ અથવા બે અમિશ્ચ પ્રવાહીઓ)ના ઘટકો તરીકે હોય છે. ઘન ઉદ્દીપકની સપાટી પર એક કે વધુ પ્રક્રિયકો પ્રક્રિયા પામે (વિષમાંગ ઉદ્દીપન) તેનો પણ આ પ્રકારની પ્રક્રિયામાં સમાવેશ થાય છે. ધાતુઓની ઍસિડ સાથેની પ્રક્રિયા, વિદ્યુત-બૅટરીઓ અને વિદ્યુતકોષોમાં થતા વીજરાસાયણિક ફેરફારો, ધાત્વિક સંક્ષારણ(corrosion)ની ઘટના (phenomenon) – એ વિષમાંગ પ્રક્રિયાઓના જ ભાગ તરીકે ગણાવી શકાય. વિષમાંગ પ્રક્રિયાઓ અંગેનાં મોટાભાગનાં સંશોધનો વિષમાંગ ઉદ્દીપન અથવા ઉત્પ્રેરણ(catalysis)ને લગતાં છે. વિષમાંગ પ્રક્રિયાઓ વ્યવહારુ દૃષ્ટિએ અગત્યની હોવા છતાં તેમના વિશે ઝાઝી સમજૂતી પ્રાપ્ય નથી. આવી પ્રક્રિયાઓ રાસાયણિક ગતિકી (kinetics), પૃષ્ઠ અને ઘન પ્રાવસ્થા ભૌતિકી તથા પૃષ્ઠ-રસાયણ જેવી શાખાઓ માટે પડકારરૂપ છે. ઇલેક્ટ્રૉનિક્સ અને રાસાયણિક ઉદ્યોગોમાં તે ખૂબ અગત્યનો ભાગ ભજવે છે; દા.ત., ઇલેક્ટ્રૉનિક પ્રયુક્તિઓ(devices)નું ઉત્પાદન સિલિકનની સપાટી ઉપર રાસાયણિક બાષ્પના નિક્ષેપના બારીક નિયંત્રણ પર આધાર રાખે છે. ગૅસોલીન માટે ક્રૂડ તેલનું વિભંજન, સાદા ઑલિફિન સંયોજનોનું બહુલીકરણ (polymerisation), અને એમોનિયાનું ઉત્પાદન એ ઘન સપાટી ઉપર થતી જટિલ (intricate) રાસાયણિક પુનર્ગોઠવણીનાં પરિણામરૂપ ઉદાહરણો છે.

ઘણી પ્રક્રિયાઓ એવી છે કે જેમના વેગ સમાંગ (homogeneous) વાયુમય અથવા જલીય દ્રાવણોમાં માપી ન શકાય તેવા ધીમા હોય છે; પણ જો એકાદ ઘન સપાટી પ્રાપ્ય બને તો તેઓ અત્યંત ઝડપથી થાય છે. સંપર્કક્રિયા (contact action) અથવા સંપર્ક-ઉદ્દીપન(catalysis)નો જાણીતો દાખલો 1796માં વૉન મારૂમ દ્વારા આલ્કોહૉલના વિહાઇડ્રોજનીકરણ(dehydrogenation)નો છે. 1825માં ફૅરેડેએ હાઇડ્રોજન અને ઑક્સિજનના ઉદ્દીપનીય સંયોજન ઉપર સંશોધન કર્યું હતું. આવા અભ્યાસના ફળ-સ્વરૂપે વિષમાંગ ગતિકી(kinetics)નો પાયો નંખાયો.

ફૉર્મિક ઍસિડનું વિઘટન એ પૃષ્ઠ-પ્રક્રિયાઓ (surface reactions) દ્વારા પ્રદર્શિત થતી વિશિષ્ટતા(specificity)નું ઉદાહરણ પૂરું પાડે છે. ઍસિડની બાષ્પને જો કાચની ગરમ નળીમાંથી પસાર કરવામાં આવે તો અર્ધી પ્રક્રિયા નિર્જલીકરણ(dehydration)ની અને અર્ધી વિહાઇડ્રોજનીકરણની જોવા મળે છે :

(1) HCOOH → H₂O + CO

(2) HCOOH → H₂ + CO₂.

જો નળીને ઍલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઇડથી ભરવામાં આવે તો ફક્ત પહેલી પ્રક્રિયા થાય છે; પણ જો તેને ઝિંક ઑક્સાઇડથી ભરવામાં આવે તો બીજી પ્રક્રિયા થતી જોવા મળે છે. એટલે કે જુદી જુદી સપાટીઓ જુદા જુદા સમાંતર પથને પ્રવેગિત કરે છે અને એ રીતે નીપજોની પ્રકૃતિ નક્કી કરે છે.

બે પ્રાવસ્થાઓના અંતરાપૃષ્ઠ આગળ થતી રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ સાથે અનેક વિવક્ત (distinct) પ્રવિધિઓ સંકળાયેલી હોય છે. એક પૃષ્ઠ-પ્રક્રિયાને નીચેના પ્રાથમિક તબક્કાઓમાં વહેંચી શકાય :

(1) પ્રક્રિયકોનું પૃષ્ઠ તરફ પ્રસરણ (diffusion)

(2) પૃષ્ઠ આગળ પ્રક્રિયકોનું અધિશોષણ

(3) પૃષ્ઠ ઉપર રાસાયણિક પ્રક્રિયા

(4) પૃષ્ઠ ઉપરથી નીપજોનું વિશોષણ (desorption)

(5) પૃષ્ઠ આગળથી નીપજોનું દૂરથી તરફ પ્રસરણ

આ પૈકી જે તબક્કો ધીમો હોય તે દર-નિર્ણાયક (વેગ-નિર્ણાયક, rate determining) બની શકે છે. પહેલા અને પાંચમા તબક્કા સામાન્ય રીતે ઝડપી હોય છે. પ્રસરણની તાપમાન-આધારિતતા T1ના પ્રમાણમાં જ્યારે રાસાયણિક પ્રક્રિયાની eE/RTના પ્રમાણમાં હોય છે (E = સક્રિયન ઊર્જા, R = વાયુ-અચળાંક, T = નિરપેક્ષ તાપમાન). બીજો અને ચોથો તબક્કો ત્રીજા કરતાં સામાન્ય રીતે વધુ ઝડપી હોય છે. સપાટી ઉપરની પ્રક્રિયા (ત્રીજો તબક્કો) ઘણુંખરું વેગ-નિર્ણાયક હોય છે. કેટલાક કિસ્સાઓમાં આખી પ્રક્રિયા પૃષ્ઠ ઉપર થવાને બદલે તરલ (fluid) પ્રાવસ્થામાંનો અણુ પણ અધિશોષિત સ્પીસિઝ (species) સાથે પ્રક્રિયા કરી શકે છે.

પૃષ્ઠ તરફ અને પૃષ્ઠ ઉપરથી દ્રાવણમાં પ્રસરવાનો વેગ દ્રાવણને હલાવવા(stirring)થી ઝડપી બનાવી શકાય. અધિશોષણનો વેગ તથા તેનું પ્રમાણ ઘનની સપાટીમાં વધારો કરીને (ઘનને બારીક ચૂર્ણમાં ફેરવીને અથવા એક ઘનને બીજા ઘન પર પાતળી ફિલ્મ રૂપે નિક્ષેપિત કરીને) વધારી શકાય છે. પૃષ્ઠ નજીકના દ્રાવણમાંથી નીપજને દૂર કરીને વિશોષણના વેગમાં વધારો કરી શકાય છે. ઘણી વાર પૃષ્ઠ ઉપર થતી ખરેખરી પ્રક્રિયા વેગ-નિર્ણાયક સોપાન ગણાય છે. આવો વેગ પૃષ્ઠ ઉપર અધિશોષિત થતી રાસાયણિક જાતિ(species)ની સાંદ્રતા ઉપર આધાર રાખે છે.

શુદ્ધ ઘન પદાર્થો અને વાયુ-પ્રાવસ્થા જેમાં સંકળાયેલ હોય તેવી પ્રક્રિયાઓનાં ઉદાહરણો રૂપે નીચેની પ્રક્રિયાઓને ગણાવી શકાય :

C (ગ્રૅફાઇટ) + H₂O(g) = CO(g) + H₂(g)

CaCO₃(s) = CaO(s) + CO₂(g)

(કૌંસમાંની s અને g સંજ્ઞા અનુક્રમે ઘન અને વાયુ પ્રાવસ્થા સૂચવે છે.) આવી પ્રક્રિયાઓ માટેનાં સમતોલન અચળાંકો (K) ઘન પ્રાવસ્થાની સક્રિયતા અચળ ગણીને લખી શકાય :

અને K = PCO₂

રાસાયણિક સમીકરણમાં દર્શાવેલ બધા પદાર્થો જે તે પ્રાવસ્થામાં હાજર હોય તો જ સમતોલન ઉદ્ભવે છે એમ કહી શકાય. આવી પ્રક્રિયાઓના સમતોલન અચળાંકો ઘન (અથવા પ્રવાહી) પ્રાવસ્થાના જથ્થાથી સ્વતંત્ર હોય છે. એક-પ્રાવસ્થાકીય પ્રક્રિયાઓથી વિરુદ્ધ આવી પ્રક્રિયાઓ જો ઘન પદાર્થ વપરાઈ જાય તો પૂર્ણતા(completion)ને પામી શકે છે. ઉપર દર્શાવેલી પહેલી પ્રક્રિયામાં જ્યાં સુધી કાર્બન (C) હાજર હોય ત્યાં સુધી તે વાયુ-પ્રક્રિયા તરીકે વર્તે છે. પ્રક્રિયા માટે શરૂઆતના સંજોગો ભલે ગમે તે હોય પણ વાયુ-પ્રાવસ્થામાં મિશ્રણની એન્ટ્રૉપી(entropy of mixing)ને કારણે તે પૂર્ણતાને પામતી નથી. બીજી પ્રક્રિયામાં CO₂નું દબાણ જો ખરેખર સમતોલન (અથવા સંતુલન) અચળાંક K જેટલું ન હોય તો પ્રક્રિયા જમણી અથવા ડાબી તરફ થતી હોય છે. CO₂ના વિવિધ દબાણે કુદરતી લઘુગણકો વિરુદ્ધ આલેખ આકૃતિમાં આપ્યો છે.

ત્રણેય પ્રાવસ્થાઓ ફક્ત આલેખમાંની રેખા આગળ જ સમતોલનમાં છે. જો P_CO2 અને Tનાં મૂલ્યો રેખાની નીચેના ભાગમાં હોય તો CaCO₃(s) સંપૂર્ણ વિયોજન પામી CaO(s) અને CO₂(g) ઉત્પન્ન કરે છે. જો મૂલ્યો રેખાની ઉપરના ભાગમાં હોય તો CaO(s) સંપૂર્ણપણે પ્રક્રિયા કરી CaCO₃(s) બનાવે છે અને પ્રણાલી CaCO3(s) અને CO₂(g) ધરાવતી બની જાય છે.

જો ઘન અથવા પ્રવાહી દ્રાવણો ઉદભવતાં હોય (દા. ત., CaO અને CaCO₃ કાંઈક અંશે અરસપરસ દ્રાવ્ય હોય), તો સમતોલનનું સ્થાન સાંદ્રતા ઉપર અથવા વધુ ચોકસાઈપૂર્વક કહીએ તો સંતુલિત ઘન દ્રાવણમાંના ઘટકોની સક્રિયતા ઉપર આધાર રાખશે.

કેટલીક વિષમાંગ પ્રક્રિયાઓનાં ઉદાહરણો નીચે મુજબ છે :

(i) સલ્ફ્યુરિક ઍસિડના ઉત્પાદન માટેની સંપર્ક–વિધિ : રાસાયણિક ઉદ્યોગમાં વપરાશમાં આવેલી આ પ્રથમ અગત્યની વિષમાંગ ઉદ્દીપન-પ્રવિધિ હતી. તેમાં બારીક પ્લૅટિનમ ઉદ્દીપકની હાજરીમાં સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડ (SO₂) અને ઑક્સિજન વચ્ચે પ્રક્રિયા થાય છે :

પાછળથી આમાં વેનેડિયમ પેન્ટૉક્સાઇડનો ઉદ્દીપક તરીકે ઉપયોગ થવા લાગ્યો છે.

(ii) એમોનિયાના ઉત્પાદનની હાબર–વિધિ : નાઇટ્રોજન અને હાઇડ્રોજન વચ્ચે Fe₂O₃ની હાજરીમાં પ્રક્રિયા થઈ એમોનિયા બને છે. આ વિધિ હાબર પ્રવિધિ તરીકે ઓળખાય છે :

3H₂(g) + N₂(g) + [Fe₂O₃] → 2NH₃ + [Fe₂O₃]

                                                     એમોનિયા

(iii) હાઇડ્રોજનીકરણ (hydrogenation) પ્રક્રિયા : અસંતૃપ્ત કાર્બનિક સંયોજનોનું હાઇડ્રોજનીકરણ-એ વિષમાંગ પ્રક્રિયાઓના નોંધપાત્ર ઉદાહરણ તરીકે ગણી શકાય છે.

દા. ત., CH₂ = CH₂ + H₂ → C₂H₆ અથવા CH₃  CH₃

વાયુ પ્રાવસ્થામાં ઉદ્દીપકની ગેરહાજરીમાં સામાન્ય તાપમાને થતી પ્રક્રિયા એ માપી ન શકાય તેટલી ધીમી હોય છે; પણ નિકલ, પ્લૅટિનમ અથવા પેલેડિયમ જેવી ધાતુઓ(ઉદ્દીપકો)ની સપાટી પર આ પ્રક્રિયા ઝડપથી થાય છે. આવી ધાતુઓ હાઇડ્રોજનના મોટા જથ્થાનું દ્રવીકરણ (dissolution) અથવા અધિશોષણ કરે છે અને ધાત્વીય જાલકમાં હાઇડ્રોજનનો પરમાણુ રૂપે સમાવેશ કરે છે :

જ્યાં M એ ધાતુ જ્યારે M્રH એ ધાત્વીય જાલકમાં પરમાણુક હાઇડ્રોજનનો કુંડ (pool) દર્શાવે છે. હાઇડ્રોજનના અણુઓ કરતાં તેના પરમાણુઓ વધુ ક્રિયાશીલ હોવાથી ઇથિલીનની હાઇડ્રોજનીકરણ વિધિ નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

આ પ્રક્રિયામાં ધાતુ (ઉદ્દીપક) હાઇડ્રોજન અણુઓનું પરમાણુઓમાં વિભાજન કરવા દ્વારા નીચી ઉત્તેજન-ઊર્જાવાળો નવો પ્રક્રિયાપથ પૂરો પાડે છે.

કાર્બન મૉનૉક્સાઇડનું મિથેનૉલમાં અપચયન પણ હાઇડ્રોજનીકરણ પ્રક્રિયા છે. તેમાં ઝિંક ઑક્સાઇડ (ZnO) અને ક્રોમિયન સેસ્ક્વીઑક્સાઇડ(Cr₂O₃)નું મિશ્રણ ઉદ્દીપક તરીકે વપરાય છે. આ મિશ્રણ રાસાયણિક અવશોષણ (chemisorption) કરવાની વિશિષ્ટતા ધરાવે છે :

વાનસ્પતિક ઘી(vegetable ghee)ની બનાવટ પણ વિષમાંગ પ્રક્રિયાનું ઉદાહરણ છે. વનસ્પતિજ તૈલી પદાર્થોમાં રહેલા અસંતૃપ્ત ઍસિડના ગ્લિસરીલ એસ્ટર(ester)નું નિકલ જેવા ઉદ્દીપક વડે હાઇડ્રોજનીકરણ કરવાથી ઘન સ્વરૂપે વાનસ્પતિક ઘી તરીકે ઓળખાતો ઘન પદાર્થ મળે છે.

(iv) વિહાઇડ્રોજનીકરણ (dehydrogenation) પ્રક્રિયા : કૉપર (Cu) અથવા નિકલ(Ni)ની સપાટી ઉપર 300°–400° સે. તાપમાને ઇથેનૉલની બાષ્પ પસાર કરવાથી વિહાઇડ્રોજનીકરણ થઈ હાઇડ્રોજન દૂર થાય છે અને ઍસિટાલ્ડિહાઇડ મળે છે. Cu અથવા Ni ખાસ કરીને હાઇડ્રોજન માટે પ્રબળ આકર્ષણ ધરાવતાં હોવાથી તેમની સપાટી પર આ વાયુનું (કદાચ પરમાણુ રૂપે) રાસાયણિક અધિશોષણ થાય છે.

કૉપર ઉપર આઇસોપ્રોપાઇલ આલ્કોહૉલની બાષ્પ પસાર કરતાં ઍસિટોન મળે છે :

(v) નિર્જલીકરણ (dehydration) : યોગ્ય ભૌતિક સ્વરૂપમાં હોય ત્યારે ઍલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઇડ પાણીનું પ્રબળપણે શોષણ કરતો હોવાથી કાર્બનિક સંયોજનમાંથી પાણીનો અણુ દૂર કરવા માટે તે ઉત્તમ ઉદ્દીપક ગણાય છે. એલ્યુમિનાની સપાટી ઉપરથી ઇથેનૉલની બાષ્પ પસાર કરવાથી તેમાંથી પાણીનો અણુ દૂર થતાં ઇથિલીન મળે છે.

આઇસોપ્રોપાઇલ આલ્કોહૉલ આ રીતે પ્રોપિલીન આપે છે.

(vi) બહુલીકરણ (બહુલીકરણ, polymerisation) : વિશિષ્ટ ઉદ્દીપકોની હાજરીમાં ઊંચા દબાણે આલ્કિન સંયોજનો એકબીજા સાથે જોડાઈ સંકીર્ણ બૃહદાણુ (macromolecule) બનાવે છે. ઇથિલીનમાંથી આ રીતે પૉલિઇથિલીન નામનું પ્લાસ્ટિક મળે છે :

(vii) દ્રાવણમાં થતી વિષમાંગ પ્રક્રિયાઓ : કેટલાક પદાર્થોનાં જલીય દ્રાવણોનું વિઘટન વિવિધ ધાતુઓની હાજરીમાં થાય છે. જો ધાતુ કલીલીય (colloidal) સ્વરૂપે હોય તો વિઘટન-પ્રક્રિયા વધુ પ્રવેગિત બને છે; દા. ત., હાઇડ્રોજન પેરૉક્સાઇડના જલીય દ્રાવણનું વિઘટન.

જીવંત સજીવો(organisms)માંથી પ્રાપ્ત થતા ઉત્સેચકો (enzymes) એ પ્રોટીન સંયોજનો છે અને દ્રાવણમાં કલીલ રૂપે અસ્તિત્વ ધરાવે છે. આ ઉત્સેચકો દ્વારા ઉત્પ્રેરિત થતી પ્રક્રિયાઓ વિષમાંગ લાક્ષણિકતાવાળી ગણાવી શકાય.

પ્ર. બે. પટેલ