શૃંખલા-પ્રક્રિયા (chain reaction)

શૃંખલા–પ્રક્રિયા (chain reaction) : જેમાં પ્રક્રિયાના પ્રથમ તબક્કાની નીપજો તે પછીના (ઉત્તરાવર્તી, subsequent) તબક્કાનો પ્રારંભ કરતી હોય તેવી સ્વપોષી (self-sustaining) પ્રક્રિયાઓ. રાસાયણિક શૃંખલા-પ્રક્રિયાઓ સામાન્ય રીતે મુક્ત મૂલકો (free radicals) અથવા મધ્યસ્થીઓ (intermediats) દ્વારા શ્રેણીબદ્ધ રીતે આગળ વધતી હોય છે. આવી પ્રક્રિયાઓ ક્રિયાશીલ (active) મધ્યસ્થીઓના સતત ઉદ્ભવનની લાક્ષણિકતા ધરાવે છે. ઇંધન વાયુનું દહન, ચરબીમાં ખોરાશ(rancidy)નો વિકાસ, અંતર્દહન એંજિનોમાં જોવા મળતો અપસ્ફોટ (knock), ઇથિલીનનું પૉલિઇથિલીનમાં બહુલીકરણ તથા ન્યૂટ્રૉન વડે ઉદ્ભવતું નાભિકીય વિખંડન (fission) – એ આવી પ્રક્રિયાઓનાં ઉદાહરણો છે. સામાન્ય રીતે સાંકળ અથવા શૃંખલા-પ્રક્રિયાઓ બહુ ઝડપી પણ પ્રક્રિયાના સંજોગો પરત્વે અતિ-સંવેદનશીલ હોય છે. આનું કારણ સંભવત: એ છે કે જે પદાર્થો પ્રક્રિયાને ટકાવી રાખે છે તેમના ઉપર (સ્વયં) પ્રક્રિયકો સિવાયના અન્ય પદાર્થોની પણ અસર થાય છે.

રાસાયણિક શૃંખલા-પ્રક્રિયા સામાન્ય રીતે ત્રણ તબક્કામાં વહેંચાયેલી શ્રેણી દ્વારા આગળ વધતી હોય છે.

(i) પ્રારંભ (સમારંભન, initiation) : આમાં ક્રિયાશીલ મધ્યવર્તી ઉદ્ભવે છે. આ મધ્યવર્તી પરમાણુ, આયન, અથવા તટસ્થ આણ્વીય ખંડ (અંશ, fragment) હોય છે.

(ii) સંચરણ (propagation) : આ તબક્કે મધ્યવર્તી મૂળ પ્રક્રિયકો સાથે પ્રક્રિયા કરી સ્થાયી નીપજો અને તેવો જ અથવા તેનાથી ભિન્ન પ્રકારનો ક્રિયાશીલ મધ્યવર્તી અથવા મૂલક ઉત્પન્ન કરે છે; આ નવો મધ્યવર્તી, આગળ દર્શાવ્યા પ્રમાણે, પ્રક્રિયા કરે છે અને તે રીતે એક પુનરાવર્તી (repetitive) ચક્ર શરૂ થાય છે.

(iii) અંતક (termination) : આમાં ક્રિયાશીલ મધ્યવર્તી (મૂલક) માત્ર સ્થાયી, બિનક્રિયાશીલ નીપજો ઉપજાવે છે. જ્યારે બધા પ્રક્રિયકો વપરાઈ જાય અથવા પ્રક્રિયાપાત્ર શૃંખલાવાહકોને તેઓ જે ઝડપે ઉદ્ભવે તે ઝડપે તેમનું પુનર્યોજન શક્ય બનાવે ત્યારે પણ પ્રક્રિયાનો અંત આવે છે. ઘણી વખત નિરોધકો (inhibitors) અથવા પ્રતિઉપચાયકો (antioxidants) જેવા પદાર્થો ઉમેરી જાણી-જોઈને પણ આ તબક્કો પ્રેરવામાં આવે છે.

શૃંખલા-પ્રક્રિયા ધીમી હોઈ શકે (દા.ત., ખાદ્યતેલોનું ઉપચયન) અથવા ક્રિયાશીલ મૂલકોની સંખ્યા જેમ વધે તેમ પ્રક્રિયા પ્રવેગિત થઈને છેવટે વિસ્ફોટમાં પણ પરિણમી શકે છે.

પ્રક્રમની રીતે મૂલકો ઉપજાવતી આ ક્રમાનુસારી પ્રક્રિયા મિથેન (CH₄) તથા ક્લોરિન (Cl₂) વચ્ચેની પ્રક્રિયાના ઉદાહરણથી સમજાવી શકાય :

આ રીતના પ્રક્રમની મદદથી પ્રકાશની હાજરીમાં મિથેન ક્લોરિનીકરણ દ્વારા મળતી નીપજો સમજાવી શકાય :

ઉદ્યોગમાં વિનાઇલ બહુલકોનું ઘણું મહત્વ છે જે ઇથિલીન તથા ઑક્સિજનની પ્રક્રિયા દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે.

આ જ રીતે સ્ટાઇરીનના બહુલકો બનાવવા માટે બેન્ઝોઇલ પેરૉક્સાઇડ ઉદ્દીપકનો મૂલક મેળવવા ઉપયોગ થાય છે.

પૃથ્વીના વાતાવરણમાંના ઓઝોન સ્તરમાં પડેલું ગાબડું આ પ્રક્રિયાનું ઉદાહરણ ગણાવી શકાય. ક્લોરોફ્લોરો કાર્બન (CFC) નામનાં રસાયણોના વધી રહેલા વપરાશ દ્વારા વાતાવરણમાંના ઓઝોનનું સ્તર અસર પામે છે. CFC અણુ ઉપર સૂર્યપ્રકાશમાં રહેલાં પારજાંબલી કિરણો પડવાથી C – Cl બંધનું વિખંડન થતાં જ એક શૃંખલા-પ્રક્રિયા શરૂ થઈ જાય છે :

આમ આ પ્રક્રિયા શરૂ થવા માટે ક્લોરિનના માત્ર થોડા પરમાણુઓ જ થોડાક CFC અણુ સાથે પ્રક્રિયા શરૂ કરીને અનેકાનેક ઓઝોન અણુઓનું ખંડન કરે છે.

શૃંખલા–પ્રક્રિયાની ગતિકી (kinetics) : સાંકળ-પ્રક્રિયાનું ગતિકીય વર્તન ખૂબ જ લાક્ષણિક (આગવું, distinctive) હોઈ શકે, કારણ કે પ્રક્રિયાદર-નિયમ(rate low)માં આંશિક ગતિકી-ક્રમાંકો (fractional kinetic orders) ઘણી વાર પ્રક્રિયાદર-નિયમોમાં દર્શાવવામાં આવે છે; ઉદાહરણ તરીકે, આલ્કેનનું ક્લોરિનેશન :

આ શૃંખલા-પ્રક્રિયાનો સમગ્રતયા (overall) દર (rate) બે અવયવો (factors) ઉપર આધાર રાખશે :

(a) પ્રારંભનનો દર (rate of initiation) એટલે કે કેટલી ઝડપથી મૂલકો ઉદ્ભવે છે; (b) અંતક વેગ(rate of termination)ના મુકાબલે સંચરણવેગ (rate of propagation) એટલે કે સાંકળ જ્યારે અંત પામે તે પહેલાં કેટલાં સંચરણ-સોપાનો સિદ્ધ થયાં છે.

ઉપર દર્શાવેલ શૃંખલા-પ્રક્રિયા માટે બે સંચરણ-સોપાનો [(2) તથા (3)] છે; જેમાંનું કોઈ એક વેગ-નિર્ણાયક (rate determing) હોઈ શકે.

આપણે આ બે મર્યાદિત કિસ્સા લઈએ, જેમાં (2) અથવા (3) પૈકી કોઈ પણ એકનું સંચરણ-સોપાન બીજા કરતાં ઘણું ઝડપી હોય. આ બે સીમાન્તક (limiting) ઉદાહરણોમાં ગતિકી ખૂબ જ સંકીર્ણ હોય છે.

સંચરણ-સોપાન (2) દરને મર્યાદિત કરનારું (rate limiting) હોય તેવો કિસ્સો I :

જો સંચરણ સોપાન (2) સોપાન (3) કરતાં ઘણું ધીમું હોય તો ક્લોરિન પરમાણુઓ ખૂબ ધીમેથી પ્રક્રિયા કરશે (સોપાન 2). પરિણામે આલ્કીલ-મૂલકો ખૂબ ઝડપથી પ્રક્રિયા કરશે (સોપાન 3). આખી પ્રણાલીમાં અસરકારક રહેલા મૂલકો Cl પરમાણુઓ હશે. આથી શૃંખલાનો અંત મુખ્યત્વે ક્લોરિન પરમાણુઓના સંયોગ (combination) (સોપાન 4) દ્વારા આવશે.

અહીં (સોપાન 2) વેગનિયંત્રક સોપાન હોઈ વેગ-નિયમ નીચે મુજબ દર્શાવાય :

આ પરિણામ વ્યાપક સામાન્ય છે એટલે કે બધાં જ કુલ મૂલકો માટે સ્થાયી-અવસ્થા-પરિણામ જેટલું છે. આનું કારણ અહીં કુલ મૂલકોનું સામાન્યીકરણ (generalization) પ્રારંભિક તેમજ અંતિમ અવસ્થામાં બધાં મૂલકોના સમગ્રતયા લુપ્ત (disappearance) થવા ઉપર આધાર રાખે છે. આથી ક્લોરિન પરમાણુઓની સ્થાયી-અવસ્થા સંકેન્દ્રિતતા (steady state concentration)

જો સોપાન (2) દર નક્કી કરતું સોપાન હોય તો છેવટનો દર-નિયમ નીચે મુજબ મળશે :

કિસ્સો II સંચરણ સોપાન (3) દર નક્કી કરનારું હોય : જો સંચરણ સોપાન (3) સોપાન (2) કરતાં ઘણું ધીમું હોય તો આલ્કીલ મૂલકો ઝડપથી બનશે (સોપાન 2), પરંતુ તે ધીમી પ્રક્રિયા કરશે (સોપાન 3). તે હવે પ્રણાલીમાં R• મૂળભૂત રીતે એકમાત્ર મૂલક હશે તથા અંત સોપાન (5) દ્વારા થશે અને નહિ કે (4) કે (6) દ્વારા.

R• તથા Cl•ને સ્થાયી અવસ્થા સમીકરણથી દર્શાવવામાં આવે તો પ્રારંભિક તથા અંતિમ દર (rate) સરખાવતાં :

પ્રારંભિક સંકેન્દ્રિતતા આધારિત અર્ધ-વેગક્રમાંક (half-order dependence) આવી મૂલક શૃંખલા-પ્રક્રિયાઓની લાક્ષણિકતા છે.

શૃંખલા-પ્રક્રિયા માટે એક વધારાની ગતિકી લાક્ષણિકતા તેની ગતિકી શૃંખલા-લંબાઈ (kinetic chain length) દ્વારા પણ દર્શાવાય છે. આ ગતિક શૃંખલા-લંબાઈ શૃંખલા-પ્રક્રિયા કેટલી લાંબી થશે અથવા પ્રત્યેક પ્રારંભિક સોપાને કેટલી સંચરણ-પ્રક્રિયાઓ થઈ શકે તે દર્શાવે છે. ગતિકી શૃંખલા-લંબાઈ υ સમગ્ર પ્રક્રિયાનો વેગ તથા પ્રારંભિક ગતિ-દર(rate of initiation)નો ગુણોત્તર છે :

શૃંખલા-પ્રક્રિયાનું ગતિકી પૃથક્કરણ મુખ્યત્વે બહુલીકરણ પ્રક્રિયાઓના અભ્યાસમાં વપરાય છે. આવા અભ્યાસમાં, ગતિકી શૃંખલા-લંબાઈ બહુલકના પરિમાપ (size) સાથે સીધી સંબંધિત હોય છે. આમ બહુલકની ઇચ્છિત સરાસરી લંબાઈ મેળવવા માટે પ્રાયોગિક પરિસ્થિતિઓનું નિયમન કરી શકાય છે. ધીમો પ્રારંભ તથા નીચું તાપમાન જાળવીને વધુ લાંબી શૃંખલાઓ મેળવી શકાઈ છે. આનું મુખ્ય કારણ એ છે કે ધીમો પ્રારંભ, મૂલકની નીચી સંકેન્દ્રિતતા પ્રેરશે તથા અંતિમ સોપાન ખૂબ ઓછું (minimized) બની જશે.

નાભિકીય શૃંખલા–પ્રક્રિયાઓ (nuclear chain reaction) : કેટલાંક તત્વોનાં નાભિકેન્દ્રો ઉપર આલ્ફા કણો અથવા ન્યૂટ્રૉન આપાત કરવાથી કૃત્રિમ નાભિકીય પ્રક્રિયાઓ શરૂ થઈ શકે છે. ભારે પરમાણુઓનું વિભાજન આવી એક પ્રવિધિ દરમિયાન કરતાં નાભિકીય વિખંડન (nuclear fission) થતું જણાયું.

વિખંડન દરમિયાન 200 MeV જેટલી ઊર્જા પણ ઉત્પન્ન થાય છે. ઘણાં ન્યૂટ્રૉન જો આવી નાભિકીય પ્રક્રિયા દ્વારા ઉદભવે તો એક શૃંખલા-પ્રક્રિયા શરૂ થઈ જાય છે; દા.ત., 235U સાથે નાભિકીય પ્રક્રિયા કરતા પ્રત્યેક ન્યૂટ્રૉન દ્વારા બે કે ત્રણ ન્યૂટ્રૉન ઉત્પન્ન થાય છે. જો આવા ઉદભવેલા પ્રત્યેક ન્યૂટ્રૉન અન્ય નાભિકીય પ્રક્રિયામાં ભાગ લે તો ઘણાં ન્યૂટ્રૉન ઉત્પન્ન થતાં શૃંખલા-પ્રક્રિયા શરૂ થઈ જશે. એન્રિકો ફર્મિ અને સહકાર્યકરો દ્વારા યુનિવર્સિટી ઑવ્ શિકાગો ખાતે 1942માં સૌપ્રથમ સ્વપોષી શૃંખલા-પ્રક્રિયા પ્રાપ્ત કરી હતી. જો આ નવાં નીપજેલા ન્યૂટ્રૉનમાંના કેટલાક નમૂનામાંથી બહાર છટકી જાય અથવા બીજાં નાભિકેન્દ્રો વડે શોષી શકાય તો સમગ્ર પ્રક્રિયાનું નિયમન કરી શકાય છે. વ્યાવસાયિક ન્યૂક્લિયર રિઍક્ટરો આ સિદ્ધાંત ઉપર બનાવવામાં આવે છે. આવી પ્રક્રિયામાં તત્વનું કેટલુંક દળ ઊર્જામાં રૂપાંતર પામે છે. આ દળ આઇન્સ્ટાઇનના સમીકરણ E = mc² મુજબ ઊર્જામાં રૂપાંતર પામે છે.

આમ, એક નાભિકેન્દ્રનું વિભાજન જે ન્યૂટ્રૉન ઉત્પન્ન કરે છે તે બીજાં નાભિકેન્દ્રોના ખંડનને પ્રેરે છે.

નાભિકીય ખંડન-પ્રક્રિયાના ઘણા ઉપયોગ થઈ રહ્યા છે. મુખ્યત્વે વીજળી મેળવવા માટે તેનો ઉપયોગ થાય છે, પરંતુ પરમાણુ-બૉમ્બ બનાવવા તેનો દુરુપયોગ પણ થયો છે.

આવા ન્યૂક્લિયર રિઍક્ટરોના ગેરફાયદામાં તેનું આકસ્મિક ફાટવું (1986માં યુક્રેનના ચેર્નોબિલ ખાતેનો વિસ્ફોટ) ખૂબ જ ઘાતક અસરો નિપજાવે છે.

(જુઓ ન્યૂક્લિયર વિખંડન : વિશ્વકોશ ખંડ 10, પાનું 478)

જ. પો. ત્રિવેદી