வினை வேகங்களும் வேக விதிகளும்: செறிவு வேகத்தை எவ்வாறு கட்டுப்படுத்துகிறது

ஒரு வினை எவ்வளவு வேகமாக நடக்கிறது என்பதை அளவிடுதல்

வினை வேகம் என்பது ஓரலகு நேரத்தில் ஒரு வினைப்பொருள் அல்லது விளைபொருளின் செறிவில் ஏற்படும் மாற்றம், பொதுவாக mol L⁻¹ s⁻¹-இல். வினை நடக்கும்போது வினைப்பொருள் செறிவுகள் குறைகின்றன; எனவே அவற்றின் மாற்றம் எதிர்மம். ஒவ்வொரு வேகமும் நேர்ம எண்ணாகத் தெரிவிக்கப்பட, வினைப்பொருள் உறுப்புகளுக்கு முன் கழித்தல் குறி வைக்கப்படுகிறது.

சராசரி வேகம் என்பது ஒரு கால இடைவெளியில் ஏற்படும் செறிவு மாற்றத்தை அந்த இடைவெளியின் நீளத்தால் வகுத்தது. உடனடி வேகம் என்பது ஒரு கணத்தில் செறிவு–நேர வளைவுக்கு வரையப்படும் தொடுகோட்டின் சாய்வு. தொடக்க வேகம் என்பது விளைபொருட்கள் சேர்வதற்கு முன், நேரம் பூஜ்யத்தில் உள்ள உடனடி வேகம். பெரும்பாலான வினைகளில், வினைப்பொருட்கள் பயன்படுத்தப்பட்டுக்கொண்டிருப்பதால், நேரம் செல்லச் செல்ல வேகம் குறைகிறது.

வேகத்தை நிர்ணயிக்கும் பல காரணிகளில் செறிவும் ஒன்று. வெப்பநிலை, வினையூக்கிகள், திண்ம வினைப்பொருளின் பரப்பளவு, வினைப்பொருட்களின் வேதித் தன்மை ஆகியவையும் முக்கியம். இந்த வழிகாட்டி வெப்பநிலையை மாறாமல் வைத்துச் செறிவில் கவனம் செலுத்துகிறது; வெப்பநிலையின் விளைவு கிளர்வு ஆற்றல் வழிகாட்டியின் பொருள்.

ஒரு வினை, ஒரு வேகம்: கெழுக்களால் வகுத்தல்

ஒரே வினையில் உள்ள வெவ்வேறு இனங்கள் அவற்றின் கெழுக்களுக்கு விகிதசமமாக வெவ்வேறு வேகங்களில் மாறுகின்றன. முழு வினைக்கும் ஒரே வேகத்தைத் தர, ஒவ்வோர் இனத்தின் மாற்ற வேகத்தையும் அதன் கெழுவால் வகுங்கள். aA + bB → cC + dD-க்கு, வினை வேகம் −(1/a)Δ[A]/Δt = −(1/b)Δ[B]/Δt = (1/c)Δ[C]/Δt = (1/d)Δ[D]/Δt.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 1. 2 N₂O₅(g) → 4 NO₂(g) + O₂(g) என்ற சிதைவில், ஒரு கணத்தில் நைட்ரஜன் டையாக்சைடு 6.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ வேகத்தில் உருவாகிறது. வினை வேகம் (1/4)(6.0 × 10⁻⁵) = 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. N₂O₅ வினை வேகத்தின் இருமடங்கில், 3.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ வேகத்தில், பயன்படுத்தப்படுகிறது; O₂ வினை வேகத்திலேயே, 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ வேகத்தில், உருவாகிறது. நான்கு கூற்றுகளும் ஒரே நிகழ்வை விவரிக்கின்றன.

அதே கணக்கு வைப்பு சராசரி வேகங்களுக்கும் செயல்படுகிறது. ஒரு விளக்கமாக, முதல் 300 s-இல் [N₂O₅] 0.0200 mol/L-இலிருந்து 0.0169 mol/L-க்குக் குறைகிறது என்று கொள்வோம். N₂O₅ நுகர்வின் சராசரி வேகம் (0.0200 − 0.0169)/300 s = 1.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. கழித்தலுக்குப் பின் இரண்டு குறிப்பிடத்தக்க இலக்கங்கள் மட்டுமே எஞ்சுவதால், முடிவுக்கும் இரண்டு உள்ளன. அதே இடைவெளியில் NO₂ முழுமையாக்கப்படாத சராசரி வேகத்தின் இருமடங்கில் உருவாகிறது, 2 × 1.03 × 10⁻⁵ = 2.1 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

வேக விதியை எழுதுதல்: வேக மாறிலியும் வினை வரிசைகளும்

வேக விதி, வேகத்தை அடுக்குகளுக்கு உயர்த்தப்பட்ட செறிவுகளின் பெருக்கற்பலனாகக் கூறுகிறது: வேகம் = k[A]ᵐ[B]ⁿ. வேக மாறிலி k ஒரு வெப்பநிலையில் ஒரு வினைக்கு மட்டுமே உரியது; அது செறிவைச் சார்ந்ததல்ல. அடுக்குகள் m, n ஆகியவை A, B-ஐப் பொறுத்த வினை வரிசைகள்; அவற்றின் கூட்டுத்தொகை ஒட்டுமொத்த வரிசை. வரிசைகள் பொதுவாக 0, 1 அல்லது 2; ஆனால் பின்ன, எதிர்ம வரிசைகளும் கவனிக்கப்படுகின்றன.

ஒவ்வொரு வரிசையும் ஒரு செறிவில் ஏற்படும் மாற்றத்துக்கு வேகம் எவ்வாறு பதிலளிக்கிறது என்பதைச் சொல்கிறது. ஒரு வினை A-இல் பூஜ்ய வரிசை என்றால், [A]-ஐ மாற்றுவது வேகத்தைப் பாதிப்பதில்லை. அது முதல் வரிசை என்றால், [A]-ஐ இருமடங்காக்குவது வேகத்தை இருமடங்காக்குகிறது. அது இரண்டாம் வரிசை என்றால், [A]-ஐ இருமடங்காக்குவது வேகத்தை 2² = 4 ஆல் பெருக்குகிறது. வேகம் = k[A]²[B]-க்கு, [A]-ஐ இருமடங்காக்கி [B]-ஐப் பாதியாக்கினால் வேகம் 2² × ½ = 2 என்ற காரணியால் மாறுகிறது.

வரிசைகள் அளவிடப்பட வேண்டும். OpenStax பிரிவு 12.3, NO₂(g) + CO(g) → NO(g) + CO₂(g) என்ற வினையை எடுத்துக்காட்டாகத் தருகிறது: ஒவ்வொரு வினைப்பொருளுக்கும் கெழு 1 என்றாலும், அதன் வேக விதி வேகம் = k[NO₂]²; NO₂-இல் இரண்டாம் வரிசை, CO-இல் பூஜ்ய வரிசை.

தொடக்க வேக முறை, படிப்படியாக

தொடக்க வேக முறை, ஒரே வெப்பநிலையில் ஒரே வினையைப் பலமுறை நடத்தி, ஒவ்வொரு முறையும் ஒரு தொடக்கச் செறிவை மட்டும் மாற்றி, ஒவ்வொரு ஓட்டத்தின் மிகத் தொடக்கத்திலும் வேகத்தை அளவிடுகிறது.

தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 2. இங்குள்ள தரவு பயிற்சிக்காக உருவாக்கப்பட்ட விளக்கத் தரவு. A + 2 B → விளைபொருட்கள் வினைக்கு, மூன்று ஓட்டங்கள் தருபவை: சோதனை 1, [A] = 0.0100 mol/L, [B] = 0.0100 mol/L, தொடக்க வேகம் 2.40 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; சோதனை 2, [A] = 0.0150 mol/L, [B] = 0.0100 mol/L, வேகம் 5.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; சோதனை 3, [A] = 0.0100 mol/L, [B] = 0.0300 mol/L, வேகம் 7.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹.

சோதனைகள் 1, 2 ஆகியவற்றுக்கு இடையே [A] மட்டுமே 1.50 என்ற காரணியால் மாறுகிறது; வேகம் 2.208 என்ற காரணியால் உயர்கிறது. மடக்கைகளைக் கொண்டு 2.208 = 1.50ᵐ-ஐத் தீர்க்கவும்: m = ln 2.208 / ln 1.50 = 1.95. அளவிடப்பட்ட வேகங்கள் சோதனைப் பிழையைக் கொண்டிருப்பதால், முழு எண்ணுக்கு இவ்வளவு அருகில் உள்ள மதிப்பு முழுமையாக்கப்படுகிறது: m = 2. சோதனைகள் 1, 3 ஆகியவற்றுக்கு இடையே [B] மட்டுமே 3.00 என்ற காரணியால் மாறுகிறது, வேகம் 3.04 மடங்கு உயர்கிறது; எனவே n = ln 3.04 / ln 3.00 = 1.01, இது 1 ஆக முழுமையாக்கப்படுகிறது. வேக விதி வேகம் = k[A]²[B], ஒட்டுமொத்தமாக மூன்றாம் வரிசை. சமன்பாட்டில் B-இன் கெழு 2 என்றாலும் அது முதல் வரிசை என்பதைக் கவனியுங்கள்.

இப்போது ஒவ்வொரு சோதனையிலிருந்தும் k-ஐக் காணுங்கள்: k = வேகம் / ([A]²[B]). மூன்று மதிப்புகள் 2.40, 2.36, 2.43 L² mol⁻² s⁻¹, சராசரி 2.40; எனவே k = 2.4 L² mol⁻² s⁻¹ எனத் தெரிவியுங்கள். [A] = 0.0200 mol/L, [B] = 0.0250 mol/L ஆக இருக்கும்போது வேகத்தை முன்கணிக்க இதைப் பயன்படுத்துங்கள்: வேகம் = 2.4 × (0.0200)² × 0.0250 = 2.4 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

• ஒரு செறிவு மட்டுமே மாறும் இரண்டு சோதனைகளைத் தேர்ந்தெடுங்கள்.
• பெரிய வேகத்தைச் சிறிய வேகத்தால் வகுங்கள்; பொருந்தும் செறிவுகளையும் அதே முறையில் வகுங்கள். பின்னர் தீர்க்கவும்: வேக விகிதம் = (செறிவு விகிதம்) வரிசையின் அடுக்குக்கு உயர்த்தப்பட்டது.
• ஒவ்வொரு வரிசையையும் பொருத்தமான மதிப்புக்கு (முழு எண், அல்லது அரிதாக ½) முழுமையாக்கி, பிற வினைப்பொருட்களுக்கும் மீண்டும் செய்யுங்கள்.
• ஒரே ஓட்டத்தை நம்புவதற்குப் பதிலாக, ஒவ்வொரு சோதனையிலிருந்தும் k-ஐக் கணக்கிட்டு முடிவுகளைச் சராசரியாக்குங்கள்.

k-இன் அலகுகள் ஒட்டுமொத்த வரிசையை வெளிப்படுத்துகின்றன

வேகத்துக்கு எப்போதும் செறிவு/நேரம் என்ற அலகுகள் உள்ளன; எனவே வேக விதி சமநிலையில் இருக்கும்படி k-இன் அலகுகள் அமைய வேண்டும். செறிவுகள் mol/L-இலும் நேரம் விநாடிகளிலும் இருந்தால், k-இன் அலகுகள் (mol/L)¹⁻ⁿ s⁻¹; இங்கு n ஒட்டுமொத்த வரிசை. கொடுக்கப்பட்ட வேக மாறிலியின் அலகுகளைப் படிப்பது ஒரு வினையின் ஒட்டுமொத்த வரிசையை அறிய விரைவான வழி.

• பூஜ்ய வரிசை: mol L⁻¹ s⁻¹.
• முதல் வரிசை: s⁻¹, செறிவு அலகு எதுவும் இல்லாமல்.
• இரண்டாம் வரிசை: L mol⁻¹ s⁻¹.
• மூன்றாம் வரிசை: L² mol⁻² s⁻¹, தீர்த்த எடுத்துக்காட்டு 2-இல் உள்ளதுபோல்.

சமநிலைப்படுத்தப்பட்ட சமன்பாடு ஏன் வரிசைகளைத் தர இயலாது

பெரும்பாலான வினைகள் அடிப்படைப் படிகள் எனப்படும் எளிய நிகழ்வுகளின் வரிசை மூலம் நடக்கின்றன; அவை சேர்ந்து வினை வழிமுறையை உருவாக்குகின்றன. ஒற்றை அடிப்படைப் படிக்கு, அதற்கு மட்டுமே, படியின் கெழுக்களிலிருந்து வேக விதியை எழுதலாம்: இரண்டு NO₂ மூலக்கூறுகள் மோதும் படி NO₂-இல் இரண்டாம் வரிசை. ஒரு படியில் மோதும் துகள்களின் எண்ணிக்கை அதன் மூலக்கூறு எண்.

வினை வழிமுறையில் மிக மெதுவான படி ஒட்டுமொத்த வேகத்தைக் கட்டுப்படுத்துகிறது; அது வேகத்தைத் தீர்மானிக்கும் படி எனப்படுகிறது. OpenStax பிரிவு 12.6, NO₂ + CO வேக விதியை இவ்வாறு விளக்குகிறது. மெதுவான முதல் படி, NO₂ + NO₂ → NO₃ + NO, அதைத் தொடர்ந்து வேகமான படி, NO₃ + CO → NO₂ + CO₂. இரண்டு படிகளும் கூடி ஒட்டுமொத்தச் சமன்பாட்டைத் தருகின்றன. CO மெதுவான படிக்குப் பிறகே நுழைவதால், அதன் செறிவு வேக விதியில் தோன்றுவதில்லை. சமநிலைப்படுத்தப்பட்ட ஒட்டுமொத்தச் சமன்பாடு எது நுகரப்படுகிறது, எது உருவாகிறது என்பதை விவரிக்கிறது, வினை எவ்வாறு நிகழ்கிறது என்பதை அல்ல; இதனால்தான் வரிசைகள் அளவிடப்பட வேண்டும்.

வேக விதித் தவறுகளும் அவற்றைப் பிடிப்பது எப்படி என்பதும்

வினைவேகவியல் கணக்குகளில் பெரும்பாலான பிழைகள் சமநிலைப்படுத்தப்பட்ட சமன்பாட்டை வேக விதியாகப் படிப்பதாலோ, ஒவ்வோர் இனத்தின் வேகத்தையும் ஒரே எண்ணாகக் கருதுவதாலோ வருகின்றன.

• ஒட்டுமொத்தச் சமன்பாட்டின் கெழுக்களிலிருந்து வினை வரிசைகளை எடுத்தல். வரிசைகள் தரவிலிருந்தோ அறியப்பட்ட வினை வழிமுறையிலிருந்தோ வருகின்றன.
• ஓர் இனத்தின் வேகத்தை மற்றொன்றின் வேகமாக மாற்றும்போது கெழுக்களால் வகுக்க மறத்தல்.
• வினைப்பொருள் வேகத்திலிருந்து கழித்தல் குறியை விட்டுவிட்டு எதிர்ம வினை வேகத்தைத் தெரிவித்தல்.
• ஒரே நேரத்தில் ஒன்றுக்கு மேற்பட்ட செறிவுகள் மாறிய இரண்டு சோதனைகளை ஒப்பிடுதல்.
• அலகுகள் இல்லாமல் k-ஐக் கணக்கிடுதல். ஒட்டுமொத்த வரிசை சரியானதா என்பதை அதன் அலகுகள் உறுதிப்படுத்துகின்றன.
• அளவிடப்பட்ட வரிசை 1.95-ஐ 2 ஆக அல்லாமல் 1.9 ஆக முழுமையாக்குதல். சோதனைகளிலிருந்து வரும் தரவு அரிதாகவே துல்லியமான முழு எண்களைத் தருகிறது.