રાસાયણિક સમતોલન

રાસાયણિક સમતોલન : પ્રતિવર્તી રાસાયણિક પ્રક્રિયા દરમિયાન જોવા મળતી એક એવી સ્થિતિ કે જેમાં પ્રક્રિયકો અને નીપજોની સાંદ્રતામાં કોઈ દેખીતો ફેરફાર થતો નથી. પ્રતિવર્તી પ્રક્રિયા એ એવી પ્રક્રિયા છે કે જેમાં નીપજો ઉત્પન્ન થતાંની સાથે તેમની વચ્ચે પ્રક્રિયા થઈ મૂળ પ્રક્રિયકો પાછા ઉત્પન્ન થાય છે; દા. ત., A B   . હવે અચળ તાપમાને દરેક પ્રક્રિયાનો વેગ તેમાં ભાગ લેતા પદાર્થોની સાંદ્રતા (અથવા સક્રિય જથ્થા) ઉપર આધાર રાખતો હોવાથી શરૂઆતમાં પ્રક્રિયકોમાંથી નીપજો બનવાની (અગ્રગામી, forward) પ્રક્રિયાનો વેગ વધુ હોય છે, જ્યારે નીપજોમાંથી પ્રક્રિયકો પાછાં ઉત્પન્ન થવાની (પ્રતિગામી, backward) પ્રક્રિયાનો વેગ ઓછો (ધીમો) હોય છે; પણ સમય સાથે પ્રક્રિયા આગળ વધે તેમ પ્રક્રિયકો વપરાતાં જતાં હોવાથી અગ્રગામી પ્રક્રિયાનો વેગ ઘટતો જાય છે; જ્યારે નીપજો ઉત્પન્ન થતી જાય તેમ તેમ પ્રતિગામી પ્રક્રિયાનો વેગ વધતો જાય છે. આમ બે વિરુદ્ધ દિશામાંની પ્રક્રિયાઓ પૈકી એકનો વેગ ઘટતો અને બીજીનો વધતો જવાથી એક એવી સ્થિતિ આવે છે કે જ્યારે બંને પ્રક્રિયાના વેગ સરખા થાય છે. આવે વખતે જેટલા પ્રમાણમાં પ્રક્રિયકો નીપજોમાં ફેરવાય તેટલા જ પ્રમાણમાં નીપજો પ્રક્રિયકોને પાછાં ઉત્પન્ન કરતી હોવાથી એક પ્રકારનું ગતિશીલ (ગતિક, dynamic, kinetic) સમતોલન ઉત્પન્ન થાય છે, જેમાં પ્રક્રિયકો અને નીપજોની સાંદ્રતામાં સમય સાથે કોઈ ફેરફાર થતો જોવા મળતો નથી. ઉષ્માગતિજ દૃષ્ટિએ આ એવી સ્થિતિ છે કે જેમાં પ્રણાલી તેના સંઘટનમાં ફેરફાર કરવાની વૃત્તિ ધરાવતી નથી; પ્રણાલી ઉપર કોઈ પ્રકારનું કાર્ય કર્યા સિવાય તેમાં ફેરફાર થતો નથી. સાંખ્યિક યાંત્રિકી(statistical mechanics)ની દૃષ્ટિએ સંતુલન(સમતોલન)-અવસ્થા પ્રણાલીને ઊર્જા, કદ અને પ્રણાલીના સંઘટન સાથે સુસંગત (compatible) એવી મહત્તમ મુક્તિ(freedom)ની [અથવા ન્યૂનતમ અવરોધ(restraint)ની] સ્થિતિમાં મૂકે છે.

જો કોઈ એક પ્રતિવર્તી પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે થતી હોય,

અને ડાબીથી જમણી તરફની પ્રક્રિયાનો વેગ r₁ હોય, તો સક્રિય જથ્થાના નિયમ મુજબ

r₁ = k₁aA (aA = Aની સક્રિયતા)

અથવા જો સક્રિયતા(સક્રિય જથ્થા)ને બદલે સાંદ્રતા લેવામાં આવે તો,

r₁ = k₁ [A]    (i)

જ્યાં [ ] ઘટકની સાંદ્રતા અને k₁ પ્રક્રિયાદર અચળાંક છે. તેવી જ રીતે પ્રતિગામી અથવા ઊલટી પ્રક્રિયાનો વેગ

r₂ = k₂ [B] [C]       (ii)

સમતોલન  સમયે બંને વેગ સરખા (r1 = r2) હોવાથી

k₁ [A]e = k₂[B]e[C]e, અથવા

અહીં નિમ્નાંક e સમતોલન સ્થિતિ દર્શાવે છે.

કોઈ એક પ્રક્રિયા માટે, તાપમાન અને દબાણની વિનિર્દિષ્ટ (specified) સ્થિતિમાં સમતોલન સમયે નીપજોની સાંદ્રતાઓનો ગુણાકાર તથા પ્રક્રિયકોની સાંદ્રતાના ગુણાકારનો ગુણોત્તર (ratio) અચળ હોય છે. તેને જે તે પ્રક્રિયાનો સમતોલન અચળાંક (સંજ્ઞા K) કહેવામાં આવે છે.

દા. ત., એસેટિક ઍસિડના વિયોજનની (આયનીકરણની) પ્રક્રિયા

માટે, 25° સે. તાપમાને જો ઍસિડનો 1 ગ્રામમોલ એક લિટર પાણીમાં ઓગાળેલો હોય તો જેવી H+ની અને CH₃COOની સાંદ્રતા 0.0042 મોલ અને અવિયોજિત ઍસિડની 0.9958 મોલ થાય કે તુરત જ સંતુલન સ્થપાય છે. આ પ્રક્રિયા માટે

ઍસિડ માટે આ અચળાંકની કિંમત તેની પ્રબળતા સૂચવે છે. જો પ્રક્રિયામાં કોઈ ઘટકના એક કરતાં વધુ અણુઓ ભાગ લેતા હોય કે નીપજતા હોય, તો જે તે ઘટકની સાંદ્રતાને અણુની સંખ્યા જેટલા ઘાતાંક આપી દર્શાવવામાં આવે છે; દા. ત., વાયુ-પ્રાવસ્થામાં થતી નીચેની પ્રક્રિયા માટે,

વાયુઓની સાંદ્રતા તેમના આંશિક દબાણ વડે પણ દર્શાવી શકાય છે. આવે વખતે Kને KP તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે. આમ ઉપરની પ્રક્રિયા માટે,

પ્રક્રિયામાં જો ઘન પદાર્થ ભાગ લેતો હોય તો ઘન પદાર્થોની સાંદ્રતા એકમ (unity) ગણવામાં આવતી હોવાથી સમતોલન અચળાંક માટેના સમીકરણમાં તેને દર્શાવવામાં આવતી નથી; દા. ત.,

સંતુલન-અચળાંકનું મૂલ્ય તાપમાન અને દબાણ સાથે લ શૅટેલિયરના સિદ્ધાંત પ્રમાણે બદલાય છે. જો પ્રક્રિયા દરમિયાન ઉષ્મા બહાર આવતી હોય (પ્રક્રિયા ઉષ્માક્ષેપક હોય) તો તાપમાન વધારવાથી તેવી પ્રક્રિયા ડાબી બાજુ ખસે છે એટલે કે નીપજોનું પ્રમાણ ઘટવા પર હોય છે; જ્યારે ઉષ્માશોષક પ્રક્રિયામાં તાપમાન વધારવાથી નીપજોનું પ્રમાણ વધે છે; દા. ત.,

N₂ + 3H₂ 2NH₃ + a2 કિજૂ

આ પ્રક્રિયાનું તાપમાન વધારતાં એમોનિયાનું પ્રમાણ ઘટશે. પ્રક્રિયામાં N₂નો એક અને H₂ના ત્રણ અણુઓ સંયોજાઈ NH3ના બે અણુઓ મળતા હોવાથી દબાણ વધારવાથી NH₃નું પ્રમાણ વધશે; જેમ કે, 623 K અને 10 વાતા. દબાણે સમતોલન-સમયે NH₃નું ટકાવાર પ્રમાણ 10.4 હોય છે (K_P = 0.0266), જ્યારે તે જ તાપમાને 50 વાતા. દબાણે તે 25.1 હોય છે (K_P = 0.0278). પણ 723 K તાપમાને અને 10 વાતા. દબાણે આ પ્રમાણ 1.20 હોય છે (K = 0.00381).

સમતોલન અચળાંક ઉપર તાપમાનની અસર વાન્ટ હૉફ સમીકરણ વડે દર્શાવાય છે :

(જ્યાં ΔH પ્રક્રિયા દરમિયાન શોષાતો ઉષ્માનો જથ્થો છે.)

સામાન્ય રીતે તાપમાન ઘટાડતાં એમોનિયાનું ઉત્પાદન વધી શકે છે, પણ સંતુલન સ્થપાવાનો દર ધીમો બને છે. આવે વખતે ઉદ્દીપકનો ઉપયોગ કરવાથી ફાયદો થાય છે. ફ્રિટ્ઝ હેબરે આ રીતે સંશ્લેષિત એમોનિયાનું ઉત્પાદન કર્યું હતું. હવે તો પ્રક્રિયા 500° સે. અને 100 વાતા. દબાણે વાજબી ઝડપે થાય તે માટેના ઉદ્દીપકો વિકસાવાયાં છે.

વળી પ્રક્રિયકો કે નીપજોની સાંદ્રતામાં ફેરફાર કરવાથી પણ પ્રક્રિયાને અસર થાય છે; જેમ કે, ઉત્પન્ન થતા એમોનિયાને પ્રવાહીકરણ કે અન્ય રીતે દૂર કરતાં જવામાં આવે તો વધુ એમોનિયા બની શકે છે.

સાંખ્યિક યાંત્રિકી (statistical mechanics) અને રાસાયણિક ઉષ્માગતિશાસ્ત્રની પદ્ધતિઓ દ્વારા એમ દર્શાવી શકાય કે સમતોલન-અચળાંક એ પ્રક્રિયા સાથે સંબંધિત અને ગિબ્સની પ્રમાણભૂત મુક્ત ઊર્જા (standard Gibbs free energy) તરીકે ઓળખાતી રાશિના ફેરફાર સાથે સંકળાયેલ છે. પ્રક્રિયા માટે ગિબ્સની પ્રમાણભૂત મુક્ત ઊર્જાનો ફેરફાર ΔG°, એ નીપજોની પ્રમાણભૂત મુક્ત ઊર્જાના સરવાળા અને પ્રક્રિયકોની મુક્ત ઊર્જા વચ્ચેના તફાવત બરાબર હોય છે. તે સમતોલન-અચળાંક સાથે નીચેના સમીકરણ વડે સંકળાયેલ છે :

ΔG° = RT ln K = -−2.303 RT log K……………..(vii)

જ્યાં R = વાયુ-અચળાંક અને T નિરપેક્ષ તાપમાન (K) છે. આ સમીકરણ એમ બતાવે છે કે પ્રક્રિયાની પ્રમાણભૂત મુક્ત  ઊર્જાનો ફેરફાર માપી સમતોલન-અચળાંક અને એ રીતે સમતોલન-સમયે હાજર નીપજો અને પ્રક્રિયકોના સાપેક્ષ જથ્થા જાણી શકાય છે.

કલ્પેશ સૂર્યકાન્ત પરીખ