अभिक्रिया दर

लोहे की जंग लगने की प्रतिक्रिया दर कम होती है। यह प्रक्रिया धीमी है।

लकड़ी के दहन की उच्च प्रतिक्रिया दर होती है। यह प्रक्रिया तेज है।

प्रतिक्रिया की दर या प्रतिक्रिया की दर वह गति है जिस पर एक रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, जिसे समय की प्रति इकाई उत्पाद की एकाग्रता में वृद्धि और प्रति इकाई समय में एक अभिकारक की एकाग्रता में कमी के अनुपात में परिभाषित किया जाता है। प्रतिक्रिया की दरें नाटकीय रूप से भिन्न हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, पृथ्वी के वायुमंडल के नीचे लोहे का ऑक्सीडेटिव जंग लगना एक धीमी प्रतिक्रिया है जिसमें कई साल लग सकते हैं, लेकिन आग में सेलूलोज़ का दहन एक प्रतिक्रिया है जो एक सेकंड के अंशों में होती है। अधिकांश प्रतिक्रियाओं के लिए, प्रतिक्रिया बढ़ने पर दर कम हो जाती है। समय के साथ एकाग्रता में परिवर्तन को मापने के द्वारा प्रतिक्रिया की दर निर्धारित की जा सकती है।

रासायनिक कैनेटीक्स भौतिक रसायन शास्त्र का हिस्सा है जो चिंता करता है कि रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दरों को कैसे मापा जाता है और भविष्यवाणी की जाती है, और संभावित प्रतिक्रिया तंत्रों को निकालने के लिए प्रतिक्रिया-दर डेटा का उपयोग कैसे किया जा सकता है। रासायनिक कैनेटीक्स की अवधारणाओं को कई विषयों में लागू किया जाता है, जैसे रासायनिक अभियांत्रिकी, एंजाइमोलॉजी और पर्यावरण अभियांत्रिकी।

औपचारिक परिभाषा

एक विशिष्ट रासायनिक प्रतिक्रिया पर विचार करें:

${\ce {{{\mathit {a}}A}+{{\mathit {b}}B}->{{\mathit {p}}P}+{{\mathit {q}}Q}}}$

लोअरकेस अक्षर (ए, बी, पी, और क्यू) स्टोइकोमेट्रिक गुणांक का प्रतिनिधित्व करते हैं, जबकि बड़े अक्षर अभिकारकों (ए और बी) और उत्पादों (पी और क्यू) का प्रतिनिधित्व करते हैं।

IUPAC की गोल्ड बुक परिभाषा के अनुसार प्रतिक्रिया मध्यवर्ती के निर्माण के बिना आइसोकोरिक प्रक्रिया में एक बंद प्रणाली में होने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए प्रतिक्रिया दर v को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

$v=-{\frac {1}{a}}{\frac {d[\mathrm {A} ]}{dt}}=-{\frac {1}{b}}{\frac {d[\mathrm {B} ]}{dt}}={\frac {1}{p}}{\frac {d[\mathrm {P} ]}{dt}}={\frac {1}{q}}{\frac {d[\mathrm {Q} ]}{dt}}$

जहाँ [X] पदार्थ X (= A, B, P या Q) की सांद्रता को दर्शाता है। इस प्रकार परिभाषित प्रतिक्रिया दर में mol/L/s की इकाइयाँ होती हैं।

एक प्रतिक्रिया की दर हमेशा सकारात्मक होती है। एक प्लस और माइनस संकेत यह इंगित करने के लिए मौजूद हैं कि प्रतिक्रियाशील एकाग्रता कम हो रही है। आईयूपीएसीअनुशंसा करता है कि समय की इकाई हमेशा दूसरी होनी चाहिए। प्रतिक्रिया की दर एक स्थिर कारक (इसकी स्टोइकोमेट्रिक संख्या का व्युत्क्रम) द्वारा उत्पाद पी की एकाग्रता में वृद्धि की दर से भिन्न होती है और अभिकारक ए के लिए स्टोइकोमेट्रिक संख्या के व्युत्क्रम को घटाती है। स्टोइकीओमेट्रिक संख्याएं शामिल की गई हैं ताकि परिभाषित दर इस बात से स्वतंत्र हो कि माप के लिए किस अभिकारक या उत्पाद प्रजाति को चुना गया है। उदाहरण के लिए, यदि a = 1 और b = 3 तो B, A की तुलना में तीन गुना अधिक तेजी से खपत करता है, लेकिन v = -d[A]/dt = -(1/3)d[B]/dt विशिष्ट रूप से परिभाषित है। इस परिभाषा का एक अतिरिक्त लाभ यह है कि एक प्राथमिक प्रतिक्रिया और प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया प्रतिक्रिया के लिए, v संक्रमण राज्य सक्रियण ऊर्जा पर काबू पाने की संभावना के उत्पाद के बराबर है और प्रति सेकंड संक्रमण अवस्था की संख्या प्रतिक्रियाशील अणुओं द्वारा संपर्क की जाती है। जब परिभाषित किया जाता है, एक प्राथमिक और अपरिवर्तनीय प्रतिक्रिया के लिए, v उत्पाद के लिए सफल रासायनिक प्रतिक्रिया घटनाओं की दर है।

उपरोक्त परिभाषा केवल एक ही प्रतिक्रिया के लिए मान्य है, निरंतर मात्रा की एक बंद प्रणाली में। यदि नमकीन पानी वाले बर्तन में पानी डाला जाता है, तो नमक की सांद्रता कम हो जाती है, हालांकि कोई रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं होती है।

एक खुली प्रणाली के लिए, पूर्ण द्रव्यमान संतुलन को ध्यान में रखा जाना चाहिए: in − out + generation − consumption = accumulation

$F_{\mathrm {A} 0}-F_{\mathrm {A} }+\int _{0}^{V}v\,dV={\frac {dN_{\mathrm {A} }}{dt}}$,

जहां एफ_A0 प्रति सेकंड अणुओं में A की अंतर्वाह दर है, F_A बहिर्वाह, और v किसी दिए गए विभेदक आयतन में A की तात्क्षणिक प्रतिक्रिया दर (दाढ़ के बजाय संख्या सांद्रता में) है, जो किसी दिए गए क्षण में पूरे सिस्टम वॉल्यूम V पर एकीकृत है। जब पहले माने गए स्थिर आयतन पर बंद प्रणाली पर लागू किया जाता है, तो यह समीकरण कम हो जाता है:

$v={\frac {d[A]}{dt}}$,

जहां एकाग्रता [ए] अणुओं की संख्या एन से संबंधित है_A [ए] = द्वारा N_A/N₀V. यहां एन₀ अवोगाद्रो नियतांक है।

अलग-अलग मात्रा की एक बंद प्रणाली में एकल प्रतिक्रिया के लिए रूपांतरण की तथाकथित दर का उपयोग किया जा सकता है, ताकि सांद्रता से निपटने से बचा जा सके। इसे समय के संबंध में प्रतिक्रिया की सीमा के व्युत्पन्न के रूप में परिभाषित किया गया है।

$v={\frac {d\xi }{dt}}={\frac {1}{\nu _{i}}}{\frac {dn_{i}}{dt}}={\frac {1}{\nu _{i}}}{\frac {d(C_{i}V)}{dt}}={\frac {1}{\nu _{i}}}\left(V{\frac {dC_{i}}{dt}}+C_{i}{\frac {dV}{dt}}\right)$

यहाँ वी_iउपरोक्त सामान्य प्रतिक्रिया में पदार्थ i के लिए a, b, p, और q के बराबर स्टोइकोमेट्रिक गुणांक है। साथ ही V प्रतिक्रिया का आयतन है और C_iपदार्थ i की एकाग्रता है।

जब पार्श्व उत्पाद या प्रतिक्रिया मध्यवर्ती बनते हैं, तो IUPACउत्पादों और अभिकारकों के लिए एकाग्रता में वृद्धि की दर और एकाग्रता में कमी की दर के शब्दों के उपयोग की सिफारिश करता है।

प्रतिक्रिया दरों को एक आधार पर भी परिभाषित किया जा सकता है जो रिएक्टर का आयतन नहीं है। जब एक उत्प्रेरक का उपयोग किया जाता है तो प्रतिक्रिया की दर एक उत्प्रेरक भार (mol g⁻¹ से^-1) या सतह क्षेत्र (mol m⁻² से^-1) आधार। यदि आधार एक विशिष्ट उत्प्रेरक साइट है जिसे निर्दिष्ट विधि द्वारा सख्ती से गिना जा सकता है, तो दर s की इकाइयों में दी गई है^-1 और इसे टर्नओवर फ्रीक्वेंसी कहा जाता है।

प्रभावित करने वाले कारक

प्रतिक्रिया दर को प्रभावित करने वाले कारक प्रतिक्रिया की प्रकृति, एकाग्रता, दबाव, आदेश (रसायन विज्ञान), तापमान, विलायक, विद्युत चुम्बकीय विकिरण, उत्प्रेरक, समस्थानिक, सतह क्षेत्र, मिश्रण (प्रक्रिया इंजीनियरिंग), और प्रसार सीमा हैं। कुछ प्रतिक्रियाएं स्वाभाविक रूप से दूसरों की तुलना में तेज होती हैं। प्रतिक्रियाशील प्रजातियों की संख्या, उनके चरण (पदार्थ) (कण जो ठोस बनाते हैं, गैसों या समाधान (रसायन विज्ञान) की तुलना में बहुत धीमी गति से चलते हैं), प्रतिक्रिया की जटिलता और अन्य कारक प्रतिक्रिया की दर को बहुत प्रभावित कर सकते हैं .

प्रतिक्रिया दर एकाग्रता के साथ बढ़ती है, जैसा कि दर कानून द्वारा वर्णित है और [[टक्कर सिद्धांत]] द्वारा समझाया गया है। जैसे-जैसे अभिकारकों की सांद्रता बढ़ती है, टकराव की आवृत्ति बढ़ती जाती है। दबाव के साथ गैसीय प्रतिक्रियाओं की दर बढ़ जाती है, जो वास्तव में गैस की एकाग्रता में वृद्धि के बराबर होती है। प्रतिक्रिया की दर उस दिशा में बढ़ती है जहां गैस के मोल कम होते हैं और विपरीत दिशा में घटते हैं। संघनित-चरण प्रतिक्रियाओं के लिए, दबाव निर्भरता कमजोर होती है।

प्रतिक्रिया का क्रम नियंत्रित करता है कि प्रतिक्रियाशील एकाग्रता (या दबाव) प्रतिक्रिया दर को कैसे प्रभावित करता है।

आमतौर पर उच्च तापमान पर प्रतिक्रिया करने से सिस्टम में अधिक ऊर्जा मिलती है और कणों के बीच अधिक टकराव पैदा करके प्रतिक्रिया की दर बढ़ जाती है, जैसा कि टक्कर सिद्धांत द्वारा समझाया गया है। हालांकि, मुख्य कारण यह है कि तापमान प्रतिक्रिया की दर को बढ़ाता है कि अधिक टकराने वाले कणों में आवश्यक सक्रियण ऊर्जा होगी जिसके परिणामस्वरूप अधिक सफल टक्करें होंगी (जब अभिकारकों के बीच बांड बनते हैं)। तापमान के प्रभाव को अरहेनियस समीकरण द्वारा वर्णित किया गया है। उदाहरण के लिए, कोयला ऑक्सीजन की उपस्थिति में एक चिमनी में जलता है, लेकिन कमरे के तापमान पर संग्रहीत होने पर ऐसा नहीं होता है। प्रतिक्रिया कम और उच्च तापमान पर सहज होती है लेकिन कमरे के तापमान पर इसकी दर इतनी धीमी होती है कि यह नगण्य होती है। तापमान में वृद्धि, जैसा कि एक मैच द्वारा बनाया गया है, प्रतिक्रिया को शुरू करने की अनुमति देता है और फिर खुद को गर्म करता है क्योंकि यह एक्ज़ोथिर्मिक है। यह मीथेन, ब्यूटेन और हाइड्रोजन जैसे कई अन्य ईंधनों के लिए मान्य है।

प्रतिक्रिया दर तापमान (गैर-अरहेनियस) से स्वतंत्र हो सकती है या बढ़ते तापमान (एंटी-अरहेनियस) के साथ घट सकती है। सक्रियण बाधा के बिना प्रतिक्रियाएं (उदाहरण के लिए, कुछ कट्टरपंथी (रसायन विज्ञान) प्रतिक्रियाएं), एंटी-अरेनियस तापमान निर्भरता होती हैं: बढ़ते तापमान के साथ दर स्थिर घट जाती है।

विलयन में अनेक अभिक्रियाएँ होती हैं और विलायक के गुण अभिक्रिया की दर को प्रभावित करते हैं। आयनिक शक्ति का प्रतिक्रिया दर पर भी प्रभाव पड़ता है।

विद्युत चुम्बकीय विकिरण ऊर्जा का एक रूप है। जैसे, यह दर को तेज कर सकता है या प्रतिक्रिया को सहज भी बना सकता है क्योंकि यह अभिकारकों के कणों को अधिक ऊर्जा प्रदान करता है। यह ऊर्जा किसी न किसी रूप में प्रतिक्रिया करने वाले कणों में संग्रहित होती है (यह बंधनों को तोड़ सकती है, और अणुओं को इलेक्ट्रॉनिक या कंपन रूप से उत्तेजित राज्यों में बढ़ावा दे सकती है...) आसानी से प्रतिक्रिया करने वाली मध्यवर्ती प्रजातियों का निर्माण करती है। जैसे-जैसे प्रकाश की तीव्रता बढ़ती है, कण अधिक ऊर्जा अवशोषित करते हैं और इसलिए प्रतिक्रिया की दर बढ़ जाती है। उदाहरण के लिए, जब मीथेन अंधेरे में क्लोरीन के साथ प्रतिक्रिया करता है, तो प्रतिक्रिया की दर धीमी होती है। जब मिश्रण को विसरित प्रकाश में रखा जाता है तो इसे तेज किया जा सकता है। तेज धूप में, प्रतिक्रिया विस्फोटक होती है।

एक उत्प्रेरक की उपस्थिति कम सक्रियता ऊर्जा के साथ एक वैकल्पिक मार्ग प्रदान करके प्रतिक्रिया दर (आगे और विपरीत प्रतिक्रिया दोनों में) को बढ़ाती है। उदाहरण के लिए, प्लैटिनम कमरे के तापमान पर ऑक्सीजन के साथ हाइड्रोजन के दहन को उत्प्रेरित करता है।

काइनेटिक आइसोटोप प्रभाव में एक ही अणु के लिए एक अलग प्रतिक्रिया दर होती है यदि इसमें अलग-अलग आइसोटोप होते हैं, आमतौर पर हाइड्रोजन आइसोटोप, क्योंकि हाइड्रोजन और ड्यूटेरियम के बीच सापेक्ष द्रव्यमान अंतर होता है। सतहों पर होने वाली प्रतिक्रियाओं में, जो उदाहरण के लिए विषम कटैलिसीस के दौरान होती हैं, प्रतिक्रिया की दर बढ़ जाती है क्योंकि सतह क्षेत्र करता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि ठोस के अधिक कण उजागर होते हैं और प्रतिक्रियाशील अणुओं से टकरा सकते हैं।

सजातीय और विषम प्रतिक्रियाओं के लिए प्रतिक्रिया की दर पर सरगर्मी का एक मजबूत प्रभाव हो सकता है।

कुछ प्रतिक्रियाएँ विसरण द्वारा सीमित होती हैं। एकाग्रता और प्रतिक्रिया क्रम को छोड़कर प्रतिक्रिया दर को प्रभावित करने वाले सभी कारकों को प्रतिक्रिया दर गुणांक (प्रतिक्रिया के दर समीकरण में गुणांक) में ध्यान में रखा जाता है।

दर समीकरण

Main article: Rate equation

एक रासायनिक प्रतिक्रिया के लिए a + b B → p P + q Q, दर समीकरण या दर कानून एक गणितीय अभिव्यक्ति है जिसका उपयोग रासायनिक कैनेटीक्स में प्रत्येक अभिकारक की एकाग्रता से प्रतिक्रिया की दर को जोड़ने के लिए किया जाता है। निरंतर आयतन पर एक बंद प्रणाली के लिए, यह अक्सर रूप का होता है

$v=k{}^{}$