சமநிலை மாறிலிகள்: K-ஐ எழுதுதல், Q-ஐப் படித்தல், Kc-ஐ Kp ஆக மாற்றுதல்

இயங்குச் சமநிலை: சம வேகங்களில் முன்னோக்கும் தலைகீழும்

மீள் வினையில், விளைபொருட்கள் வினைபுரிந்து மீண்டும் வினைப்பொருட்களை உருவாக்கலாம். முன்னோக்கு வினை வினைப்பொருட்களைப் பயன்படுத்தும்போது மெதுவாகிறது; விளைபொருட்கள் சேரும்போது தலைகீழ் வினை வேகமாகிறது. இரண்டு வேகங்களும் சமமாகும்போது சமநிலை அடையப்படுகிறது. அதன் பிறகு, இரண்டு வினைகளும் தொடர்ந்தாலும் செறிவுகள் மாறாமல் இருக்கின்றன. இதனால்தான் வேதியியலாளர்கள் இதை இயங்குச் சமநிலை என்று அழைத்து, இரட்டை அம்புக்குறி ⇌ கொண்டு எழுதுகிறார்கள்.

அதே சமநிலைக் கலவையை இரு பக்கத்திலிருந்தும் அடையலாம். தூய NO₂-உடன் தொடங்கும் மூடிய குடுவையும், அதற்குச் சமமான அளவு தூய N₂O₄-உடன் தொடங்கும் அதே கனஅளவுள்ள குடுவையும், ஒரே வெப்பநிலையில் வைக்கப்படும்போது ஒரே கலவையில் முடிகின்றன. சமநிலை மூடிய அமைப்பில் மட்டுமே அடையப்படுகிறது; திறந்த கலனிலிருந்து CO₂ வெளியேறுவதுபோல் ஒரு விளைபொருள் வெளியேறினால், வினை ஒருபோதும் நிலைகொள்வதில்லை.

சமநிலைப்படுத்தப்பட்ட சமன்பாட்டிலிருந்து K கோவையைக் கட்டமைத்தல்

aA + bB ⇌ cC + dD என்ற பொது வினைக்கு, நிறை தாக்க விதி மோலார் செறிவுகளின் அடிப்படையில் சமநிலை மாறிலியைத் தருகிறது: Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ). விளைபொருட்கள் மேலே, வினைப்பொருட்கள் கீழே; ஒவ்வொரு செறிவும் அதன் கெழுவின் அடுக்குக்கு உயர்த்தப்படுகிறது. வேக விதி போலன்றி, இந்தக் கோவை நேரடியாகச் சமநிலைப்படுத்தப்பட்ட சமன்பாட்டிலிருந்து வருகிறது.

தூய திண்மங்களும் தூய திரவங்களும் விடப்படுகின்றன, ஏனெனில் வினை முன்னேறும்போது அவற்றின் பயனுறு செறிவு மாறுவதில்லை. நீர்த்த நீர்க்கரைசலில் கரைப்பானாக இருக்கும்போது நீரும் விடப்படுகிறது. எடுத்துக்காட்டாக, CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) சிதைவுக்கு Kc = [CO₂]. ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில், இரண்டு திண்மங்களின் அளவுகள் எவ்வளவாக இருந்தாலும், திண்மங்களுக்கு மேலுள்ள CO₂-இன் சமநிலை அழுத்தம் நிலையானது.

கண்டிப்பாகச் சொன்னால், சமநிலை மாறிலி அலகுகள் இல்லாத செயல்திறன்களிலிருந்து கட்டமைக்கப்படுகிறது; எனவே K அலகுகள் இல்லாமல் தெரிவிக்கப்படுகிறது. mol/L-இல் செறிவுகளையோ atm அல்லது bar-இல் அழுத்தங்களையோ பயன்படுத்துவது பொது வேதியியலில் வழக்கமான தோராயம்.

K-இன் அளவைப் படித்தல்

பெரிய K என்றால் சமநிலையில் விளைபொருட்கள் மேலோங்குகின்றன; சிறிய K என்றால் வினைப்பொருட்கள் மேலோங்குகின்றன. தோராயமான வழிகாட்டியாக, ஏறத்தாழ 10³-ஐ விடப் பெரிய K என்றால் வினை முழுமைக்கு அருகில் உள்ளது; ஏறத்தாழ 10⁻³-ஐ விடச் சிறிய K என்றால் குறைந்த விளைபொருளே உருவாகிறது; இடைப்பட்ட மதிப்புகள் இரண்டும் கணிசமான அளவில் உள்ள கலவையைத் தருகின்றன.

OpenStax பிரிவு 13.4, 2000 °C-இல் N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g)-க்கு Kc = 4.1 × 10⁻⁴ எனத் தருகிறது. அந்த வெப்பநிலையிலும் சமநிலையில் காற்றில் சிறிதளவு NO மட்டுமே உள்ளது. அறை வெப்பநிலையில் மாறிலி இன்னும் மிகச் சிறியது; இதனால்தான் நைட்ரஜனும் ஆக்சிஜனும் வளிமண்டலத்தில் உடனிருக்கின்றன.

K வேகத்தைப் பற்றி எதுவும் சொல்வதில்லை. மிகப் பெரிய K கொண்ட வினையும் கவனிக்க முடியாத அளவு மெதுவாக இருக்கலாம். சமநிலை எவ்வளவு விரைவாக அடையப்படுகிறது என்பதைச் சமநிலை மாறிலி அல்ல, வினைவேகவியலே தீர்மானிக்கிறது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு: நைட்ரஜன் டையாக்சைடு, டைநைட்ரஜன் டெட்ராஆக்சைடுக்கான Kc, Kp

வாயுக்கள் உள்ள வினைகளுக்கு, சமநிலை மாறிலியைப் பகுதி அழுத்தங்களைக் கொண்டும் எழுதலாம்; இது Kp-ஐத் தருகிறது. இரண்டும் Kp = Kc(RT)^Δn மூலம் தொடர்புடையவை; அதாவது Kc பெருக்கல் RT-ஐ Δn அடுக்குக்கு உயர்த்தியது; இங்கு Δn என்பது வாயு விளைபொருட்களின் மோல்கள் கழித்தல் வாயு வினைப்பொருட்களின் மோல்கள், அழுத்தங்கள் atm-இல் இருக்கும்போது R = 0.08206 L atm mol⁻¹ K⁻¹, T கெல்வினில். Δn = 0 ஆக இருக்கும்போது Kp, Kc-க்குச் சமம்.

OpenStax பிரிவு 13.2, 25 °C-இல் 1.0 L குடுவையில் வைக்கப்பட்ட 0.10 mol NO₂, [NO₂] = 0.016 mol/L, [N₂O₄] = 0.042 mol/L உடன் சமநிலைக்கு வருவதை விவரிக்கிறது. சரிபார்ப்பாக, 0.016 + 2(0.042) = 0.100 mol/L; எனவே நைட்ரஜன் முழுவதும் கணக்கில் வருகிறது. N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g)-க்கு, Kc = [NO₂]²/[N₂O₄] = (0.016)² / 0.042 = 6.1 × 10⁻³, இரண்டு குறிப்பிடத்தக்க இலக்கங்களுக்கு.

இங்கு Δn = 2 − 1 = 1, RT = 0.08206 × 298.15 = 24.47. எனவே அழுத்தங்கள் atm-இல் இருக்கும்போது Kp = (6.1 × 10⁻³)(24.47) = 0.15. Δn நேர்மமாகவும் RT 1-ஐ விடப் பெரியதாகவும் இருப்பதால் இந்த மதிப்பு Kc-ஐ விடப் பெரியது.

சமன்பாட்டை மாற்றினால் K மாறுகிறது

K சமநிலைப்படுத்தப்பட்ட சமன்பாட்டிலிருந்து கட்டமைக்கப்படுவதால், சமன்பாட்டில் செய்யப்படும் எந்த மாற்றமும் K-ஐ முன்கணிக்கக்கூடிய முறையில் மாற்றுகிறது. இந்த விதிகள், ஹெஸ் விதியில் ΔH-ஐக் கையாளும் விதிகளின் சமநிலை இணையானவை; கூட்டலுக்குப் பதிலாகப் பெருக்கல்.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு. 2000 °C-இல் Kc = 4.1 × 10⁻⁴ கொண்ட N₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO(g)-இலிருந்து தொடங்குங்கள். அதைத் தலைகீழாக்கினால் 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g), Kc = 1/(4.1 × 10⁻⁴) = 2.4 × 10³. முன்னோக்குச் சமன்பாட்டைப் பாதியாக்கினால் ½ N₂(g) + ½ O₂(g) ⇌ NO(g), Kc = √(4.1 × 10⁻⁴) = 2.0 × 10⁻². இரண்டையும் செய்தால், NO(g) ⇌ ½ N₂(g) + ½ O₂(g)-க்கு Kc = 1/√(4.1 × 10⁻⁴) = 49.

• சமன்பாட்டைத் தலைகீழாக்குங்கள்: புதிய K என்பது 1/K.
• ஒவ்வொரு கெழுவையும் n ஆல் பெருக்குங்கள்: புதிய K என்பது Kⁿ. சமன்பாட்டைப் பாதியாக்குவது வர்க்கமூலத்தை எடுக்கிறது.
• இரண்டு சமன்பாடுகளைக் கூட்டுங்கள்: அவற்றின் K மதிப்புகளைப் பெருக்குங்கள். இரண்டு K மதிப்புகளும் ஒரே வெப்பநிலைக்குரியவையாக இருக்க வேண்டும்.

திசையை முன்கணிக்க Q-ஐ K-உடன் ஒப்பிடுதல்

வினை ஈவு, Q, K-இன் அதே வடிவம் கொண்டது; ஆனால் சமநிலையில் மட்டுமல்லாமல் எந்தக் கணத்திலும் உள்ள செறிவுகளைப் பயன்படுத்துகிறது. Q-ஐ K-உடன் ஒப்பிடுவது வினை எந்தத் திசையில் செல்ல வேண்டும் என்பதைச் சொல்கிறது. Q < K என்றால், விளைபொருள் மிகக் குறைவு; வினை முன்னோக்கிச் செல்கிறது. Q > K என்றால், விளைபொருள் மிக அதிகம்; வினை தலைகீழாகச் செல்கிறது. Q = K என்றால், அமைப்பு சமநிலையில் உள்ளது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு. OpenStax பிரிவு 13.2, 800 °C-இல் CO(g) + H₂O(g) ⇌ CO₂(g) + H₂(g)-க்கு Kc = 0.640 எனத் தருகிறது. ஒரு கலவையில் [CO] = 0.0500, [H₂O] = 0.0400, [CO₂] = 0.0300, [H₂] = 0.0600 mol/L உள்ளன. Q = (0.0300)(0.0600) / [(0.0500)(0.0400)] = 0.00180/0.00200 = 0.900. Q, K-ஐ விடப் பெரியது; எனவே கலவை CO, H₂O நோக்கி நகர்கிறது.

இரண்டாவது கலவையில் அதே CO, H₂O உள்ளன, ஆனால் [CO₂] = 0.0200, [H₂] = 0.0250 mol/L. இப்போது Q = (0.0200)(0.0250)/(0.00200) = 0.250; இது 0.640-ஐ விடக் குறைவு; எனவே இந்தக் கலவை முன்னோக்கி வினைபுரிந்து அதிக CO₂, H₂ ஆகியவற்றை உருவாக்குகிறது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு: அளவிடப்பட்ட சமநிலைக் கலவையிலிருந்து K

சமநிலைப்படுத்தப்பட்ட சமன்பாடு பிற ஒவ்வோர் அளவும் எவ்வாறு மாறியது என்பதை நிர்ணயிப்பதால், K-ஐக் கண்டறிய ஒரு சமநிலை அளவை அளவிடுவதே பெரும்பாலும் போதும். இங்குள்ள தரவு விளக்கத்துக்கானது. ஒரு நிலையான வெப்பநிலையில், 0.500 mol PCl₅ ஒரு வெற்று 2.00 L குடுவையில் அடைக்கப்பட்டு, PCl₅(g) ⇌ PCl₃(g) + Cl₂(g) சமநிலையை அடைய விடப்படுகிறது. சமநிலையில் குடுவையில் 0.180 mol Cl₂ உள்ளது.

செறிவுகளில் கணக்கிடுங்கள். தொடக்க [PCl₅] = 0.500 mol / 2.00 L = 0.250 mol/L; சமநிலை [Cl₂] = 0.180 mol / 2.00 L = 0.0900 mol/L. உருவாகும் ஒவ்வொரு மோல் Cl₂-உம் ஒரு மோல் PCl₃-ஐயும் உருவாக்கி ஒரு மோல் PCl₅-ஐப் பயன்படுத்துகிறது; எனவே [PCl₃] = 0.0900 mol/L, [PCl₅] = 0.250 − 0.0900 = 0.160 mol/L. அப்போது Kc = (0.0900)(0.0900)/0.160 = 0.0506. இந்த வெப்பநிலையில், PCl₅-இல் 36.0 சதவீதம் சிதைந்தது. சமநிலை அளவுகளுக்குத் தீர்வு காண வேண்டிய கணக்குகளுக்கு ICE அட்டவணை வழிகாட்டி இந்தக் கணக்கு வைப்பை நீட்டிக்கிறது.

சமநிலைக் கோவைத் தவறுகள்

K-ஐ எழுதுவதிலும் பயன்படுத்துவதிலும் உள்ள பெரும்பாலான பிழைகளை ஒரு சிறிய சரிபார்ப்புப் பட்டியல் பிடிக்கிறது.

• வினைப்பொருட்களை மேலே வைத்தல். எழுதப்பட்ட சமன்பாட்டுக்கு K எப்போதும் விளைபொருட்கள் / வினைப்பொருட்கள்.
• கெழுக்களை அடுக்குகளாக விட்டுவிடுதல், அல்லது அவற்றைப் பெருக்கிகளாகப் பயன்படுத்துதல்.
• தூய திண்மம், தூய திரவம் அல்லது கரைப்பான் நீரைக் கோவையில் சேர்த்தல்.
• K-இல் தொடக்கச் செறிவுகளைப் பயன்படுத்துதல். சமநிலை மதிப்புகள் மட்டுமே K-இல் இடம்பெறும்; வேறு எந்தத் தொகுப்பும் Q-ஐத் தருகிறது.
• K வெப்பநிலையைச் சார்ந்தது என்பதை மறத்தல். அது பொருந்தும் வெப்பநிலை இல்லாமல் K மதிப்பு பொருளற்றது.
• வாயுக்களை மட்டுமல்லாமல் அனைத்து இனங்களையும் கொண்டு Δn-ஐ எண்ணியோ, T-ஐச் செல்சியஸில் வைத்தோ Kc-ஐ Kp ஆக மாற்றுதல்.