வேதிவினை வேகவியல்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

வேதிவினை வேகவியல் பற்றி

நடுத்தரம் ~120 நிமிடப் படிப்பு

ஒரு வினை நடக்க முடியுமா என்பதை வெப்ப இயக்கவியல் சொல்கிறது. அது ஒரு நொடியில் நடக்குமா, ஆயிரம் ஆண்டுகள் ஆகுமா என்பதைப் பற்றி அது எதுவும் சொல்வதில்லை. வைரம் கிராஃபைட்டாக மாறுவது சாதகமான வினைதான்; ஆனால் வைர மோதிரம் சாம்பல் நிறமாக மாறியதை யாரும் பார்த்ததில்லை. அந்த வேகத்தை அளந்து விளக்கும் வேதியியல் பிரிவே வேதி வினைவேகவியல் (Chemical kinetics).

நாம் அளக்கக்கூடியதை, அதாவது காலத்துடன் வினைபடு பொருளின் செறிவு குறைவதை, மூலக்கூறுகளுக்கு இடையே நடப்பதுடன், அதாவது சரியான ஆற்றலும் சரியான திசையமைப்பும் கொண்ட மோதல்களுடன், இந்தப் பாடம் இணைக்கிறது. இதன் முக்கியக் கணித முடிவு தொகைப்படுத்திய வினைவேகச் சமன்பாடு. முதல் வகை வினைக்கு அது \([A] = [A]_0 e^{-kt}\). பெரும்பாலும் இதை மடக்கை வடிவில், k = (2.303/t) log([A]₀/[A]), பயன்படுத்துவீர்கள்.

வினாக்களில் கொள்கையும் கணக்குகளும் கலந்து வருகின்றன. கொடுக்கப்பட்ட வினை வகைக்கு k இன் அலகைக் கண்டுபிடித்தல், k இலிருந்து அரை வாழ் காலத்தைக் கணக்கிடுதல், வினை வகையையும் வினை மூலக்கூறு எண்ணையும் வேறுபடுத்துதல், வெப்பநிலை உயரும்போது k எப்படி மாறுகிறது என்று கணக்கிடுதல் ஆகியவை கேட்கப்படலாம். மடக்கைக் கணக்குகளை வேகமாகச் செய்யும் வரை பயிற்சி செய்யுங்கள். இந்த அலகில் பெரும்பாலான கணக்குப் பிழைகள் வேதியியலில் அல்ல, எண் கணக்கில்தான் வருகின்றன.

நீங்கள் கற்பவை

• எந்த வினைபடு பொருள் அல்லது வினைவிளை பொருளின் அடிப்படையிலும் வினைவேகத்தை எழுதிக் கணக்கிடுதல்.
• எடுத்துக்காட்டுகளுடன் வினை வகையையும் வினை மூலக்கூறு எண்ணையும் வேறுபடுத்துதல்.
• பூஜ்ய வகை, முதல் வகை வினைகளுக்கான தொகைப்படுத்திய வினைவேகச் சமன்பாடுகளை வருவித்தல்.
• ஆர்ஹீனியஸ் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்திக் கிளர்வு ஆற்றலையோ புதிய வெப்பநிலையில் வினைவேக மாறிலியையோ கண்டுபிடித்தல்.
• கிளர்வு ஆற்றலைக் குறைப்பதன் மூலம் வினைவேக மாற்றி வேகத்தை எப்படி உயர்த்துகிறது என்பதை விளக்குதல்.
• வினைவேக மாறிலியிலிருந்து அரை வாழ் காலத்தையும், அரை வாழ் காலத்திலிருந்து வினைவேக மாறிலியையும் கணக்கிடுதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• சமன் செய்த வேதிச் சமன்பாடுகளும் விகிதவியலும்.
• மோலார் செறிவும் அதன் அலகு mol L-1 உம்.
• மடக்கைகளும் அடுக்குக்குறிச் சார்புகளும், ln க்கும் log க்கும் இடையேயான மாற்றம் உட்பட.

வேதிவினை வேகவியல் — விரிவான விளக்கம்

வினைவேகம், வினை வகை, கிளர்வு ஆற்றல்

வினையின் வேகம்

ஒரு வினைபடு பொருள் அல்லது வினைவிளை பொருளின் மோலார் செறிவில் ஓரலகு காலத்தில் ஏற்படும் மாற்றமே வினைவேகம்; அலகு mol L^-1 s^-1. வினைபடு பொருளின் செறிவு குறைவதால், அதன் வேகம் கழித்தல் குறியுடன் எழுதப்படுகிறது; எ.கா. வேகம் = −d[A]/dt. சராசரி வினைவேகம் ஒரு குறிப்பிட்ட கால இடைவெளியில் எடுக்கப்படுகிறது, Δ[A]/Δt. கணநேர வினைவேகம் ஒரு குறிப்பிட்ட கணத்தில் உள்ள வேகம்; அந்தப் புள்ளியில் செறிவு–காலம் வளைகோட்டுக்கு வரையப்படும் தொடுகோட்டின் சாய்விலிருந்து கண்டுபிடிக்கப்படுகிறது.

வினைவேகத்தைப் பாதிக்கும் காரணிகள்

வினைவேகம் வினைபடு பொருள்களின் தன்மை மற்றும் இயற்பியல் நிலை, அவற்றின் செறிவு (வாயுக்களுக்கு அழுத்தம்), வெப்பநிலை, வினைவேக மாற்றி இருத்தல், பரப்பளவு, சில வினைகளுக்கு ஒளி ஆகியவற்றைப் பொறுத்தது. தூளாக்கப்பட்ட திண்மங்கள் கட்டிகளை விட வேகமாக வினைபுரிகின்றன; ஏனெனில் மற்ற வினைபடு பொருளுக்கு அதிகப் பரப்பு திறந்திருக்கிறது.

வினைவேக விதியும் வினை வகையும்

வினைவேக விதி சோதனை மூலம் கண்டுபிடிக்கப்படுகிறது; சமன் செய்த சமன்பாட்டிலிருந்து அல்ல. வேகம் = k[A]^x[B]^y என்றால் வினை வகை (Order) x + y. வினை வகை பூஜ்யமாகவோ, முழு எண்ணாகவோ, பின்னமாகவோ இருக்கலாம். k இன் அலகு வினை வகையைப் பொறுத்தது: பூஜ்ய வகைக்கு mol L^-1 s^-1, முதல் வகைக்கு s^-1, இரண்டாம் வகைக்கு L mol^-1 s^-1.

வினை மூலக்கூறு எண்

ஒரு தனி அடிப்படை வினைப்படியில் ஒரே நேரத்தில் மோதும் வினைபடு துகள்களின் (அணுக்கள், அயனிகள் அல்லது மூலக்கூறுகள்) எண்ணிக்கையே வினை மூலக்கூறு எண் (Molecularity). இது வினை வழிமுறையிலிருந்து எடுக்கப்படும் கொள்கை அளவிலான கருத்து. எனவே இது எப்போதும் முழு எண் (1, 2, அரிதாக 3); ஒருபோதும் பூஜ்யம் அல்ல. வினை வகை சோதனை மூலம் பெறப்படும் அளவு; ஒட்டுமொத்த வினைக்குப் பொருந்துகிறது. சிக்கலான வினையில் மிக மெதுவான படியே வேகத்தைத் தீர்மானிக்கிறது.

தொகைப்படுத்திய வினைவேகச் சமன்பாடுகள்

பூஜ்ய வகை வினைக்கு [A] = [A]₀ − kt. எனவே t க்கு எதிராக [A] ஐ வரைந்தால் −k சாய்வு கொண்ட நேர்கோடு கிடைக்கிறது. முதல் வகை வினையில் செறிவு அடுக்குக்குறி முறையில் குறைகிறது; t க்கு எதிராக log[A] ஐ வரைந்தால் −k/2.303 சாய்வு கொண்ட நேர்கோடு கிடைக்கிறது. N₂O₅ சிதைவும் கதிரியக்கச் சிதைவும் வழக்கமான முதல் வகை எடுத்துக்காட்டுகள்.

அரை வாழ் காலம்

ஒரு வினைபடு பொருளின் செறிவு அதன் தொடக்க மதிப்பில் பாதியாகக் குறைய எடுக்கும் நேரம் அரை வாழ் காலம் (t_1/2). முதல் வகை வினைக்கு t_1/2 = 0.693/k; இது தொடக்கச் செறிவைச் சார்ந்ததல்ல. பூஜ்ய வகை வினைக்கு t_1/2 = [A]₀/2k; எனவே இது தொடக்கச் செறிவுக்கு நேர்விகிதத்தில் உள்ளது.

மோதல் கொள்கை

வினைபுரிய மூலக்கூறுகள் மோத வேண்டும்; ஆனால் பெரும்பாலான மோதல்கள் எதையும் செய்வதில்லை. மூலக்கூறுகள் குறைந்தபட்சம் தொடக்க ஆற்றலை (threshold energy) பெற்றிருந்து, சரியான திசையமைப்பில் மோதினால் மட்டுமே மோதல் பயனுள்ளதாகிறது. செறிவை உயர்த்தினால் ஒரு நொடிக்கு நிகழும் மோதல்களின் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கிறது; எனவே வேகம் உயர்கிறது.

வெப்பநிலையும் ஆர்ஹீனியஸ் சமன்பாடும்

பல வினைகளில் வெப்பநிலை 10 K உயர்ந்தால் வினைவேக மாறிலி ஏறக்குறைய இரு மடங்காகிறது. ஆர்ஹீனியஸ் சமன்பாடு \(k = A e^{-E_a/RT}\) இதற்குக் காரணம் சொல்கிறது: \(k\) தனி வெப்பநிலை \(T\) ஐயும் கிளர்வு ஆற்றல் \(E_a\) ஐயும் சார்ந்துள்ளது; T உயரும்போது \(E_a\) ஐ விட அதிக ஆற்றல் கொண்ட மூலக்கூறுகளின் பின்னம் கூர்மையாக அதிகரிக்கிறது. இரண்டு வெப்பநிலைகளில் மடக்கை எடுத்தால் log(k₂/k₁) = (E_a/2.303R)(T₂ − T₁)/(T₁T₂) கிடைக்கிறது; கணக்குகளில் பயன்படும் வடிவம் இதுதான்.

வினைவேக மாற்றியின் விளைவு

வினைவேக மாற்றி ஒரு வினையை வேகப்படுத்துகிறது; வினையின் முடிவில் வேதியியல் ரீதியாக மாறாமல் இருக்கிறது. குறைந்த கிளர்வு ஆற்றல் கொண்ட வேறு ஒரு வினை வழியைத் திறப்பதன் மூலம் இது செயல்படுகிறது. அதனால் அதே வெப்பநிலையில் அதிக மூலக்கூறுகளுக்கு வினைபுரியப் போதுமான ஆற்றல் கிடைக்கிறது. இது ΔH ஐயோ சமநிலையின் நிலையையோ மாற்றுவதில்லை; சமநிலை விரைவில் எட்டப்பட மட்டுமே உதவுகிறது.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• சமன் செய்த சமன்பாட்டின் குணகங்களிலிருந்து வினை வகையை எடுப்பது. வினை வகை சோதனையிலிருந்து வருகிறது; சிக்கலான வினைகளில் அது வினை மூலக்கூறு எண்ணிலிருந்து வேறுபடலாம்.
• k க்குத் தவறான அலகு தருவது. வேகம் = k[A]n இலிருந்து கண்டுபிடியுங்கள்: அலகு (mol L-1)1−n s-1.
• ஆர்ஹீனியஸ் சமன்பாட்டில் வெப்பநிலையை °C இல் பயன்படுத்துவது. T கெல்வினில் இருக்க வேண்டும்.
• முதல் வகை வினையின் அரை வாழ் காலம் தொடக்கச் செறிவைச் சார்ந்தது என்று நினைப்பது. தொடக்க அளவு எதுவாக இருந்தாலும் அது 0.693/k.
• வினைபடு பொருள் மறைவதாக வேகத்தை எழுதும்போது கழித்தல் குறியை விட்டுவிடுவது, அல்லது விகிதவியல் குணகத்தால் வகுக்க மறப்பது.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

சராசரி வினைவேகத்துக்கும் கணநேர வினைவேகத்துக்கும் என்ன வேறுபாடு?

தேர்ந்தெடுத்த ஒரு கால இடைவெளியில் ஏற்படும் செறிவு மாற்றத்தை அந்த இடைவெளியால் வகுத்தால் கிடைப்பது சராசரி வினைவேகம். ஒரு குறிப்பிட்ட கணத்தில் உள்ள வேகம் கணநேர வினைவேகம். அந்த நேரத்தில் செறிவு–காலம் வளைகோட்டுக்கு ஒரு தொடுகோடு வரைந்து அதன் சாய்வை எடுத்து இதைக் கண்டுபிடிக்கலாம்.

ஒரு வினையின் வகை பூஜ்யமாக இருக்க முடியுமா?

ஆம். பூஜ்ய வகை வினையில் வேகம் வினைபடு பொருளின் செறிவைச் சார்ந்திருப்பதில்லை. உலோகப் பரப்பில் ஒரு வாயு சிதைவது பொதுவான எடுத்துக்காட்டு: எல்லா செயல்படு இடங்களும் நிரம்பிவிட்டால், மேலும் வாயுவைச் சேர்த்தாலும் வேகம் அதிகரிக்காது. ஆனால் வினை மூலக்கூறு எண் ஒருபோதும் பூஜ்யமாக இருக்க முடியாது.

வெப்பநிலை வினைவேக மாறிலியை எப்படிப் பாதிக்கிறது?

வெப்பநிலையை உயர்த்தினால் k அதிகரிக்கிறது. மோதல்கள் சற்று அடிக்கடி நிகழ்கின்றன; ஆனால் அதைவிடப் பெரிய விளைவு, கிளர்வு ஆற்றலுக்குச் சமமான அல்லது அதிகமான ஆற்றல் கொண்ட மூலக்கூறுகளின் பின்னம் மிக அதிகமாவது. அதனால்தான் 10 K உயர்வு வேகத்தை ஏறக்குறைய இரு மடங்காக்க முடிகிறது.

போலி முதல் வகை வினை என்றால் என்ன?

ஒரு வினைபடு பொருள் மிக அதிக அளவில் இருப்பதால் முதல் வகை வினை போல நடந்துகொள்ளும் உயர் வகை வினை இது. எத்தில் அசிட்டேட்டின் அமில நீராற்பகுப்பில் நீர் மிக அதிக அளவில் உள்ளது; அதன் செறிவு ஏறக்குறைய மாறுவதில்லை. எனவே வேகம் எஸ்டரின் செறிவை மட்டுமே சார்ந்துள்ளது.

கிளர்வு ஆற்றல் ஏன் முக்கியம்?

வினைபடு பொருள்களுக்கும் வினைவிளை பொருள்களுக்கும் இடையே உள்ள ஆற்றல் தடை இது. தடை உயரமாக இருந்தால், குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் குறைவான மூலக்கூறுகளே அதைக் கடக்க முடியும்; வினை மெதுவாக நடக்கும். வினைவேக மாற்றி தாழ்வான தடை கொண்ட வழியைத் தருகிறது; அதனால்தான் அது வினையை வேகப்படுத்துகிறது.

ஒரு வினையின் அரை வாழ் காலம் செறிவுடன் மாறுமா?

அது வினை வகையைப் பொறுத்தது. பூஜ்ய வகைக்கு t1/2 தொடக்கச் செறிவுக்கு நேர்விகிதத்தில் உள்ளது. முதல் வகைக்கு அது மாறிலி, 0.693/k. இரண்டாம் வகைக்கு அது தொடக்கச் செறிவுக்கு எதிர்விகிதத்தில் உள்ளது.