गतिशील संतुलन

For other uses, see गतिशील संतुलन (disambiguation).

रसायन विज्ञान में, एक उत्क्रमणीय प्रतिक्रिया होने के बाद एक गतिशील संतुलन मौजूद होता है। पदार्थ अभिकारकों और उत्पाद (रसायन विज्ञान) के बीच समान प्रतिक्रिया दर पर संक्रमण करते हैं, जिसका अर्थ है कि कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं है। अभिकारक और उत्पाद ऐसी दर से बनते हैं कि न तो सांद्रता में परिवर्तन होता है। यह स्थिर अवस्था में एक प्रणाली का एक विशेष उदाहरण है।

भौतिकी में, ऊष्मप्रवैगिकी के संबंध में, एक बंद प्रणाली ऊष्मप्रवैगिक संतुलन में होती है जब प्रतिक्रियाएं ऐसी दरों पर होती हैं कि मिश्रण की संरचना समय के साथ बदलती नहीं है। प्रतिक्रिया वास्तव में होती है, कभी-कभी जोरदार, लेकिन इस हद तक कि रचना में परिवर्तन नहीं देखा जा सकता है। प्रतिवर्ती प्रतिक्रियाओं के लिए दर स्थिरांक के संदर्भ में संतुलन स्थिरांक व्यक्त किए जा सकते हैं।

उदाहरण

सोडा की एक नई बोतल में, तरल चरण में कार्बन डाईऑक्साइड की सांद्रता का एक विशेष मूल्य होता है। यदि आधा तरल बाहर डाला जाता है और बोतल को सील कर दिया जाता है, तो कार्बन डाइऑक्साइड तरल चरण को लगातार घटती दर पर छोड़ देगा, और गैस चरण में कार्बन डाइऑक्साइड का आंशिक दबाव संतुलन तक पहुंचने तक बढ़ जाएगा। उस समय तापीय गति के कारण CO का एक अणु₂ तरल चरण छोड़ सकता है, लेकिन बहुत ही कम समय में CO का एक और अणु₂ गैस से द्रव में जाएगा, और इसके विपरीत। संतुलन पर, सीओ के हस्तांतरण की दर₂ गैस से तरल चरण तक तरल से गैस की दर के बराबर है। इस मामले में, सीओ की संतुलन एकाग्रता₂ तरल में हेनरी के कानून द्वारा दिया गया है, जिसमें कहा गया है कि तरल में गैस की घुलनशीलता सीधे तरल के ऊपर उस गैस के आंशिक दबाव के समानुपाती होती है। यह संबंध इस प्रकार लिखा गया है

$c=KP$

जहाँ K एक तापमान-निर्भर स्थिरांक है, P आंशिक दबाव है, और c तरल में घुली हुई गैस की सांद्रता है। इस प्रकार सीओ का आंशिक दबाव₂ हेनरी के नियम का पालन होने तक गैस में वृद्धि हुई है। तरल में कार्बन डाइऑक्साइड की सांद्रता कम हो गई है और पेय ने अपनी कुछ फ़िज़ खो दी है।

हेनरी का नियम कार्बन डाइऑक्साइड की रासायनिक क्षमता को दो चरणों में एक दूसरे के बराबर होने के लिए निर्धारित करके प्राप्त किया जा सकता है। रासायनिक क्षमता की समानता रासायनिक संतुलन को परिभाषित करती है। गतिशील संतुलन के लिए अन्य स्थिरांक जिसमें चरण परिवर्तन शामिल हैं, में विभाजन गुणांक और घुलनशीलता उत्पाद शामिल हैं। राउल्ट का नियम एक आदर्श समाधान के संतुलन वाष्प दबाव को परिभाषित करता है

एकल-चरण प्रणाली में गतिशील संतुलन भी मौजूद हो सकता है। एक साधारण उदाहरण अम्ल क्षार संतुलन के साथ होता है जैसे कि एक जलीय घोल में एसीटिक अम्ल का पृथक्करण।

${\ce {CH3COOH <=> CH3COO- + H+}}$

संतुलन पर एकाग्रता (रसायन विज्ञान) भागफल, K, अम्ल पृथक्करण स्थिरांक, स्थिर है (कुछ शर्तों के अधीन)

$K_{c}=\mathrm {\frac {[CH_{3}CO_{2}^{-}][H^{+}]}{[CH_{3}CO_{2}H]}}$

इस मामले में, आगे की प्रतिक्रिया में एसिटिक एसिड के अणुओं से कुछ प्रोटॉन की मुक्ति शामिल होती है और पीछे की प्रतिक्रिया में एसिटिक एसिड के अणुओं का निर्माण होता है जब एक एसीटेट आयन एक प्रोटॉन को स्वीकार करता है। संतुलन तब प्राप्त होता है जब संतुलन अभिव्यक्ति के बाईं ओर की प्रजातियों की रासायनिक क्षमता का योग दाईं ओर की प्रजातियों की रासायनिक क्षमता के योग के बराबर होता है। इसी समय, आगे और पीछे की प्रतिक्रियाओं की दर एक दूसरे के बराबर होती है। रासायनिक परिसरों के गठन से जुड़े संतुलन भी गतिशील संतुलन हैं और सांद्रता परिसरों की स्थिरता स्थिरांक द्वारा नियंत्रित होती हैं।

डायनेमिक संतुलन गैस चरण में भी हो सकता है, उदाहरण के लिए जब नाइट्रोजन डाइऑक्साइड मंद हो जाता है।

${\ce {2NO2 <=> N2O4}}$; $K_{p}=\mathrm {\frac {[N_{2}O_{4}]}{[NO_{2}]^{2}}}$

गैस चरण में वर्ग कोष्ठक आंशिक दबाव का संकेत देते हैं। वैकल्पिक रूप से, किसी पदार्थ के आंशिक दबाव को P(पदार्थ) के रूप में लिखा जा सकता है।

संतुलन और दर स्थिरांक के बीच संबंध

समावयवीकरण जैसी सरल अभिक्रिया में:

${\ce {A <=> B}}$

विचार करने के लिए दो प्रतिक्रियाएँ हैं, आगे की प्रतिक्रिया जिसमें प्रजाति A को B में परिवर्तित किया जाता है और पश्च प्रतिक्रिया जिसमें B को A में परिवर्तित किया जाता है। यदि दोनों प्रतिक्रियाएँ प्राथमिक प्रतिक्रियाएँ हैं, तो प्रतिक्रिया की दर द्वारा दी गई है :${\frac {d[{\ce {A}}]}{dt}}=-k_{f}[{\ce {A}}]_{t}+k_{b}[{\ce {B}}]_{t}$ कहाँ k_f आगे की प्रतिक्रिया के लिए दर स्थिर है और k_b पश्च प्रतिक्रिया और वर्ग कोष्ठक के लिए दर स्थिर है, […], एकाग्रता को दर्शाता है। यदि शुरुआत में केवल ए मौजूद है, तो समय t = 0, एक एकाग्रता के साथ [ए]₀, दो सांद्रता का योग, [ए]_t और बी]_t, समय पर t, [ए] के बराबर होगा₀.

${\frac {d[{\ce {A}}]}{dt}}=-k_{f}[{\ce {A}}]_{t}+k_{b}\left([{\ce {A}}]_{0}-[{\ce {A}}]_{t}\right)$

आइसोमेराइजेशन रिएक्शन में प्रजातियों की% सांद्रता। k_f = 2 s⁻¹, k_r = 1 s⁻¹

इस अंतर समीकरण का हल है

$[{\ce {A}}]_{t}={\frac {k_{b}+k_{f}e^{-\left(k_{f}+k_{b}\right)t}}{k_{f}+k_{b}}}[{\ce {A}}]_{0}$

और दाईं ओर दिखाया गया है। जैसे-जैसे समय अनंत की ओर बढ़ता है, सांद्रता [ए]_t और बी]_t स्थिर मूल्यों की ओर प्रवृत्त होते हैं। होने देना t अनंत तक पहुंचें, यानी t → ∞, उपरोक्त अभिव्यक्ति में:

$[{\ce {A}}]_{\infty }={\frac {k_{b}}{k_{f}+k_{b}}}[{\ce {A}}]_{0}\qquad [{\ce {B}}]_{\infty }={\frac {k_{f}}{k_{f}+k_{b}}}[{\ce {A}}]_{0}$

व्यवहार में, एकाग्रता परिवर्तन बाद में मापने योग्य नहीं होंगे ${\textstyle t\gtrapprox {\frac {10}{k_{f}+k_{b}}}.}$ चूंकि इसके बाद सांद्रता में परिवर्तन नहीं होता है, वे संतुलन रसायन शास्त्र, संतुलन सांद्रता द्वारा होते हैं। अब, प्रतिक्रिया के लिए संतुलन स्थिरांक को इस प्रकार परिभाषित किया गया है

$K={\frac {[{\ce {B}}]_{\text{eq}}}{[{\ce {A}}]_{\text{eq}}}}$

यह इस प्रकार है कि संतुलन स्थिरांक संख्यात्मक रूप से दर स्थिरांक के भागफल के बराबर होता है।

$K={\frac {{\frac {k_{f}}{k_{f}+k_{b}}}[{\ce {A}}]_{0}}{{\frac {k_{b}}{k_{f}+k_{b}}}[{\ce {A}}]_{0}}}={\frac {k_{f}}{k_{b}}}$

सामान्य तौर पर वे एक से अधिक अग्र प्रतिक्रिया और एक से अधिक पश्च प्रतिक्रिया हो सकते हैं। एटकिंस कहते हैं कि, एक सामान्य प्रतिक्रिया के लिए, समग्र संतुलन स्थिरांक प्राथमिक प्रतिक्रियाओं की दर स्थिरांक से संबंधित होता है

$K=\left({\frac {k_{f}}{k_{b}}}\right)_{1}\times \left({\frac {k_{f}}{k_{b}}}\right)_{2}\times \cdots$

यह भी देखें

• संतुलन रसायन
• यांत्रिक संतुलन
• रासायनिक संतुलन
• विकिरण संतुलन

संदर्भ

Atkins, P.W.; de Paula, J. (2006). Physical Chemistry (8th. ed.). Oxford University Press. ISBN 0-19-870072-5.

बाहरी संबंध

• http://demonstrations.wolfram.com/DynamicEquilibriumExample/