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सक्रियण ऊर्जा और दर के बीच संबंध में दर कानून में लगातार

रासायनिक गतिकी खोजों की दरों पर जो प्रतिक्रियाओं होती है और उन कारकों को जो उन दरों को प्रभावित करते हैं। इस क्षेत्र में दो केंद्रीय अवधारणाएं सक्रियण ऊर्जा और दर स्थिर हैं। उनके बीच संबंध, एरिएनियस समीकरण द्वारा कब्जा कर लिया गया, यह समझने और भविष्यवाणी करने के लिए एक शक्तिशाली ढांचा प्रदान करता है कि कैसे जल्दी प्रतिक्रिया आगे बढ़ जाती है। यह लेख इस संबंध पर विस्तार करता है, अंतर्निहित सिद्धांत, व्यावहारिक प्रभाव और प्रयोगशाला और औद्योगिक सेटिंग्स में प्रतिक्रिया दरों में हेरफेर करने के तरीकों को दर्शाता है।

क्या सक्रियण ऊर्जा है?

सक्रियण ऊर्जा, denoted Ea , न्यूनतम ऊर्जा है कि प्रतिक्रियाशील अणुओं के पास एक सफल टकराव होना चाहिए जिसके परिणामस्वरूप उत्पाद गठन होता है। रासायनिक प्रतिक्रिया के संभावित ऊर्जा परिदृश्य में, Ea रिएक्टरों और संक्रमण राज्य के बीच बाधा की ऊंचाई का प्रतिनिधित्व करता है - एक उच्च ऊर्जा, अस्थिर विन्यास जो उत्पादों के निर्माण से पहले पहुंचना चाहिए। यहां तक कि अत्यधिक exothermic प्रतिक्रियाओं के लिए अभी भी एक निश्चित सक्रियण ऊर्जा की आवश्यकता होती है; इसके बिना, रिएक्टरों ने कभी भी प्रारंभिक उत्तरजीवी बलों को नए बंधन बनाने के लिए कभी नहीं छोड़ दिया।

टकराव सिद्धांत और सक्रियण बैरियर

टकराव सिद्धांत के अनुसार, होने की प्रतिक्रिया के लिए, अणुओं को सक्रियण ऊर्जा के बराबर या उससे अधिक पर्याप्त गति के साथ मिलकर होना चाहिए। इसके अतिरिक्त, टकराव को सही अभिविन्यास के साथ होना चाहिए। केवल उन टकराव जो दोनों मानदंडों को पूरा करते हैं वे प्रभावी हैं। ऊर्जा के साथ टकराव का अंश ≥ Ea तापमान के साथ बढ़ता है, यही कारण है कि प्रतिक्रिया मिश्रण को आम तौर पर इसे गति देता है।

संक्रमण राज्य

संक्रमण अवस्था परमाणुओं की एक बेड़े, उच्च ऊर्जा व्यवस्था है जहां पुराने बंधन आंशिक रूप से टूटे हुए हैं और नए बंधन आंशिक रूप से बनते हैं। यह एक अलग प्रजाति नहीं है बल्कि संभावित ऊर्जा सतह पर एक सैडल बिंदु है। सक्रियण ऊर्जा प्रतिक्रियावादी और इस संक्रमण स्थिति के बीच ऊर्जा में अंतर है। उत्प्रेरक एक वैकल्पिक प्रतिक्रिया मार्ग प्रदान करके कम सक्रियण ऊर्जा के साथ काम करते हैं, इस प्रकार संक्रमण स्थिति को स्थिर करते हैं और प्रतिक्रिया दर को बढ़ाते हैं।

रेट लॉज में रेट कॉन्स्टेंट और इसकी भूमिका

दर स्थिर, k, एक आनुपातिक कारक है जो रेट कानून में व्यक्त प्रतिक्रियात्मक सांद्रता को प्रतिक्रिया दर को जोड़ता है। एक सामान्य प्रतिक्रिया AA + BB → उत्पादों के लिए, दर कानून आम तौर पर रेट = k[A] m][B]n], जहां m और n प्रतिक्रिया आदेश हैं। K का मूल्य एकाग्रता से स्वतंत्र है लेकिन तापमान पर दृढ़ता से निर्भर करता है और प्रतिक्रिया की प्रकृति पर सक्रियण ऊर्जा के माध्यम से। एक बड़ी k तेजी से प्रतिक्रिया के तहत एक छोटी प्रतिक्रिया इंगित करता है।

दर स्थिरांक प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित होते हैं, अक्सर प्रतिक्रियात्मक एकाग्रता में कमी को मापकर या निश्चित तापमान पर उत्पाद एकाग्रता में वृद्धि करके। वे रासायनिक रिएक्टरों को डिजाइन करने, उत्पाद की पैदावार की भविष्यवाणी करने और प्रतिक्रिया तंत्र को समझने के लिए आवश्यक हैं।

सक्रियण ऊर्जा और दर स्थिर के बीच संबंध सबसे प्रसिद्ध रूप से Arrhenius समीकरण द्वारा व्यक्त किया गया है:

k = A e] -Ea / (RT) ]]]]

कहां:

  • A] पूर्व-exponential कारक (जिसे फ़्रीक्वेंसी फैक्टर भी कहा जाता है) है, जो टकराव की आवृत्ति और उचित अभिविन्यास की संभावना के लिए जिम्मेदार है।
  • Ea प्रति mole (J/mol) या प्रति mole (KJ/mol) प्रति किलो में सक्रिय ऊर्जा है।
  • R] सार्वभौमिक गैस स्थिर (8.314 J/mol·K) है।
  • T Kelvin में पूर्ण तापमान है।

एक्सोनेंशियल टर्म ई ] -Ea/(RT) सक्रियण बाधा को दूर करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा वाले अणुओं के अंश का प्रतिनिधित्व करता है। चूंकि Ea बढ़ता है, यह अंश कम हो जाता है, जिससे एक छोटी दर स्थिर और धीमी प्रतिक्रिया होती है। इसके विपरीत, उच्च तापमान या कम सक्रियण ऊर्जा अंश को बढ़ाती है और k बढ़ाती है।

रैखिक फॉर्म और ग्राफिकल निर्धारण

Arrhenius समीकरण अक्सर दोनों पक्षों के प्राकृतिक लघुगणक को लेने से रैखिकीकृत होता है:

ln k = ln A − (Ea / R) × (1/T) ]

यह एक सीधी रेखा पैदा करता है जब ln k 1/T के खिलाफ साजिश में है, ढलान −Ea/R और intercept ln A. कई तापमान पर प्रयोग करके और k को मापने के साथ, कोई Ea को ढलान से निर्धारित कर सकता है। इस तकनीक का व्यापक रूप से रासायनिक गतिकी में प्रयोग किया जाता है ताकि प्रतिक्रिया की ऊर्जा बाधा को मात्रा में रूपांतरित किया जा सके। अधिक विवरण के लिए, देखें Arrhenius Equation] पर लिबरटेक्ट्स।

कैसे सक्रियण ऊर्जा सीधे दर को स्थिर करने के लिए प्रभावित करता है

समीकरण से यह स्पष्ट है कि सक्रियण ऊर्जा में भी एक छोटा बदलाव के बारे में एक नाटकीय प्रभाव हो सकता है। क्योंकि रिश्ते को एक्सोनेंशियल है, Ea में सिर्फ 10 kJ/mol की कमी कमरे के तापमान पर परिमाण के क्रम से स्थिर दर को बढ़ा सकती है। इस संवेदनशीलता का कारण उत्प्रेरक है - जो Ea को बिना खपत के कम करता है - इतना शक्तिशाली है।

तापमान निर्भरता

तापमान भी एक मजबूत प्रभाव डालता है। बढ़ती टी अणुओं की गतिज ऊर्जा को बढ़ाता है, इसलिए एक बड़ा अंश बाधा को दूर कर सकता है। Arrhenius समीकरण इसे मात्रात्मक रूप से बदलता है: एक निश्चित Ea के लिए, K बढ़ने के रूप में T बढ़ जाता है। हालांकि, प्रभाव उच्च सक्रियण ऊर्जा के साथ प्रतिक्रियाओं के लिए अधिक स्पष्ट है। यह बताता है कि कुछ प्रतिक्रियाओं को तापमान से मुश्किल से प्रभावित किया जाता है जबकि दूसरों को तेजी से जब गर्म हो जाता है।

कैटेलिसिस और लोअरिंग सक्रियण ऊर्जा

उत्प्रेरक एक कम सक्रियण ऊर्जा के साथ एक वैकल्पिक प्रतिक्रिया मार्ग प्रदान करते हैं। वे अक्सर प्रतिक्रियाकारों के साथ अस्थायी बंधन बनाने, संक्रमण राज्य को स्थिर करने के द्वारा काम करते हैं। जैविक प्रणालियों में एंजाइम उत्तम उत्प्रेरक हैं जो विशिष्ट प्रतिक्रियाओं के लिए Ea को निकट-zero तक कम करते हैं, जिससे जीवन को मध्यम तापमान पर आगे बढ़ने की अनुमति मिलती है। औद्योगिक उत्प्रेरक, जैसे उत्प्रेरक कनवर्टर या लोहे में हबर प्रक्रिया में, प्रतिक्रिया दर और दक्षता बढ़ाने के लिए एक ही सिद्धांत का उपयोग करते हैं।

विज्ञान और उद्योग में व्यावहारिक प्रभाव

Ea-k संबंध को समझना रसायनज्ञ और इंजीनियरों को जानबूझकर प्रतिक्रिया दरों को नियंत्रित करने में सक्षम बनाता है। दवा निर्माण में, उत्प्रेरक के माध्यम से सक्रियण ऊर्जा को कम करने से उच्च तापमान की आवश्यकता को कम किया जा सकता है, ऊर्जा की बचत और संवेदनशील यौगिकों के क्षरण से बचने में सक्षम हो सकता है। पर्यावरणीय रसायन विज्ञान में, सक्रियण ऊर्जा का ज्ञान प्रदूषण और डिजाइन उपचार रणनीतियों की दृढ़ता की भविष्यवाणी करने में मदद करता है। उदाहरण के लिए, ओजोन का ब्रेकडाउन एक विशिष्ट सक्रियण ऊर्जा द्वारा नियंत्रित होता है जो उत्प्रेरकों जैसे सीएफसी द्वारा बदल जाता है, जिससे त्वरित कमी होती है।

एंजाइमेटिक रिएक्शन और जैविक प्रणाली

एंजाइम जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं की सक्रियण ऊर्जा को कम करते हैं, अक्सर 100 kj / mol से अधिक होते हैं। यह चयापचय प्रक्रियाओं को जीवन के साथ संगत दरों पर होने की अनुमति देता है। एंजाइम-उपस्ट्रेट कॉम्प्लेक्स संक्रमण अवस्था को स्थिर करता है, प्रभावी रूप से ईए को कम करता है। माइकलिस-मेनटेन मॉडल सब्सट्रेट एकाग्रता के लिए प्रतिक्रिया वेग से संबंधित है, लेकिन अंतर्निहित स्थिर (k [[FLT: 0]]]cat]) सीधे अरिनिअस समीकरण से जुड़ा हुआ है। एक गहरी नज़र के लिए, Khan अकादमी एक उत्कृष्ट अवलोकन प्रदान करता है [[FLT: 3]]]।

भौतिक विज्ञान और स्थिरीकरण

सामग्री विज्ञान में, प्रसार, जंग या चरण परिवर्तन की दर भी सक्रियण ऊर्जा द्वारा नियंत्रित होती है। उदाहरण के लिए, बहुलक की उम्र बढ़ने या तनाव के तहत धातुओं के क्रीड़ा एक Arrhenius तरह व्यवहार का पालन करता है। तापमान के साथ दरों में परिवर्तन को मापने के द्वारा, वैज्ञानिक लंबे समय तक सामग्री प्रदर्शन को अलग कर सकते हैं - एयरोस्पेस, सिविल इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स में सुरक्षा का एक महत्वपूर्ण पहलू।

सक्रियण ऊर्जा और दर का प्रयोगात्मक निर्धारण

प्रायोगिक रूप से, ईए प्राप्त करने के लिए कई तापमान पर प्रतिक्रिया दर को मापना चाहिए। सामान्य तरीकों में शामिल हैं:

  • ]Initial rate method:] विभिन्न तापमान पर प्रतिक्रिया की प्रारंभिक दर को मापें और दर कानून से K को निष्क्रिय करें। फिर Arrhenius साजिश लागू करें।
  • ]एकीकृत दर कानून: सरल आदेश के साथ प्रतिक्रियाओं के लिए, स्थिर तापमान पर समय के साथ एकाग्रता की निगरानी; कश्मीर पाने के लिए एकीकृत रूप में फिट।
  • ]Spectroscopic निगरानी: अनुप्रस्थता, प्रतिदीप्ति, या एनएमआर संकेत समय पर एकाग्रता परिवर्तन को ट्रैक करने के लिए।

एक बार कश्मीर मूल्यों को तीन या अधिक तापमान पर प्राप्त किया जाता है, एक रैखिक प्रतिगमन ln k बनाम 1/T देता है Ea और A. आधुनिक सॉफ्टवेयर अनिश्चितताओं और भारित फिट को संभाल सकता है। विधि मजबूत है लेकिन सावधानीपूर्वक तापमान नियंत्रण और सटीक एकाग्रता माप की आवश्यकता है।

सीमाएँ और पुनर्परिवर्तन

Arrhenius समीकरण यह मान लेता है कि पूर्व-अनंत कारक A तापमान-स्वतंत्र है, जो कड़ाई से सच नहीं है। संक्रमण राज्य सिद्धांत से Eyring समीकरण जैसे उन्नत उपचार सक्रियण की एन्ट्रॉपी को शामिल करते हैं और एक पूरी तस्वीर प्रदान करते हैं। फिर भी, अधिकांश व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, Arrhenius मॉडल मध्यम तापमान रेंज पर एक उत्कृष्ट अनुमान बना रहता है। एक व्यापक चर्चा के लिए, देखें Arrhenius समीकरण पर रासायनिक शिक्षा लेख के इस जर्नल ।

निष्कर्ष

सक्रियण ऊर्जा और दर स्थिर के बीच संबंध रासायनिक गतिकी एक कोनेस्टोन है। Arrhenius समीकरण मात्रात्मक रूप से दर्शाता है कि एक कम सक्रियण ऊर्जा या उच्च तापमान दर को स्थिर बढ़ाता है और इस प्रकार प्रतिक्रिया गति। यह समझ वैज्ञानिकों और इंजीनियरों को उत्प्रेरक, तापमान नियंत्रण और पथमार्ग डिजाइन के माध्यम से प्रतिक्रिया दर में हेरफेर करने की अनुमति देती है। औद्योगिक संश्लेषण से जैविक चयापचय तक, सिद्धांतों ने यहां अनगिनत प्रौद्योगिकियों और प्राकृतिक प्रक्रियाओं के तहत चर्चा की। इस संबंध को मास्टर करना रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता के साथ काम करने वाले किसी के लिए आवश्यक है, चाहे अनुसंधान प्रयोगशाला या उत्पादन सुविधा में।

दर कानूनों और गतिकी पर आगे पढ़ने के लिए, Encyclopædia Britannica एक ठोस परिचय प्रदान करता है .