संतुलन रसायन

संतुलन रसायन शास्त्र रासायनिक संतुलन में प्रणालियों से संबंधित है। एकीकृत सिद्धांत यह है कि संतुलन पर एक प्रणाली की मुक्त ऊर्जा न्यूनतम संभव है, ताकि प्रतिक्रिया समन्वय के संबंध में मुक्त ऊर्जा की प्रवणता शून्य हो। संतुलनों के मिश्रणों पर अनुप्रयुक्त यह सिद्धांत एक संतुलन स्थिरांक की परिभाषा प्रदान करता है। अनुप्रयोगों में अम्ल पृथक्करण स्थिरांक, होस्ट-गेस्ट, धातु-जटिल, घुलनशीलता, विभाजन, वर्णलेखन और अपोपचयन संतुलन सम्मिलित हैं।

ऊष्मागतिक संतुलन

Main articles: गतिशील संतुलन and ऊष्मागतिक संतुलन

एक रासायनिक प्रणाली को संतुलन में कहा जाता है जब इसमें सम्मिलित रासायनिक संस्थाओं की मात्रा बाह्य प्रभाव के अनुप्रयोग के बिना समय पर परिवर्तित नहीं हो सकती है। इस अर्थ में रासायनिक संतुलन में एक प्रणाली स्थिर अवस्था में है। रासायनिक संतुलन पर प्रणाली एक स्थिरतापी, दाब या आयतन और एक संरचना पर होगी। यह परिवेश के साथ ऊष्मा के आदान-प्रदान से रोधित रहेगी, अर्थात यह एक संवृत प्रणाली है। तापमान, दाब (या आयतन) में परिवर्तन एक बाह्य प्रभाव का निर्माण करता है और इस प्रकार के परिवर्तन के परिणामस्वरूप संतुलन मात्रा परिवर्तित हो जाएगी। यदि कोई संभावना है कि संरचना परिवर्तित हो सकती है, परन्तु परिवर्तन की दर नगण्य रूप से मन्द है और प्रणाली को मितस्थायी अवस्था में कहा जाता है। रासायनिक संतुलन के समीकरण को प्रतीकात्मक रूप में व्यक्त किया जा सकता है;

अभिकारक(s) ⇌ उत्पाद(s)

चिह्न ⇌ का अर्थ है "के साथ संतुलन में हैं"। यह परिभाषा स्थूलदर्शी गुणों को संदर्भित करती है। परिवर्तन परमाणुओं और अणुओं के सूक्ष्म स्तर पर होते हैं, परन्तु इस सीमा तक कि वे मापने योग्य नहीं हैं और एक संतुलित तरीके से ताकि स्थूलदर्शी मात्रा में परिवर्तन न हो। रासायनिक संतुलन एक गतिशील अवस्था है जिसमें अग्र और पश्च की प्रतिक्रियाएँ ऐसी गति पर आगे बढ़ती हैं कि मिश्रण की स्थूल संरचना स्थिर होती है। इस प्रकार, संतुलन चिह्न ⇌ इस तथ्य का प्रतीक है कि प्रतिक्रियाएँ दोनों अग्र $\rightharpoonup$ और पश्च $\leftharpoondown$ दिशाओं की ओर होती हैं।

दूसरी ओर, एक स्थिर अवस्था, रासायनिक अर्थों में आवश्यक रूप से एक संतुलन अवस्था नहीं है। उदाहरण के लिए, एक रेडियोधर्मी क्षय श्रृंखला में मध्यवर्ती समस्थानिकों की सांद्रता स्थिर होती है क्योंकि उत्पादन की दर क्षय की दर के समान होती है। यह एक रासायनिक संतुलन नहीं है क्योंकि क्षय प्रक्रिया केवल एक ही दिशा में होती है।

ऊष्मागतिक संतुलन को संपूर्ण (सवृत) प्रणाली के लिए न्यूनतम ऊर्जा के रूप में मुक्त ऊर्जा की विशेषता है। स्थिर आयतन वाली प्रणालियों के लिए हेल्महोल्तस मुक्त ऊर्जा न्यूनतम है और स्थिर दाब वाली प्रणालियों के लिए गिब्ज़ मुक्त ऊर्जा न्यूनतम है। इस प्रकार एक मितस्थायी अवस्था वह होती है जिसके लिए अभिकारकों और उत्पादों के मध्य मुक्त ऊर्जा परिवर्तन न्यूनतम नहीं होता है, भले ही रचना समय में परिवर्तित नहीं होती है।

इस न्यूनतम का अस्तित्व अभिकारकों और उत्पादों के मिश्रण की मुक्त ऊर्जा के सदैव ऋणात्मक होने के कारण है। आदर्श विलयनों के लिए मिश्रण की तापीय धारिता शून्य है, इसलिए न्यूनतम उपस्थित होता है क्योंकि मिश्रण की एन्ट्रॉपी सदैव धनात्मक होती है। प्रतिक्रिया मुक्त ऊर्जा की प्रवणता, δG_r प्रतिक्रिया समन्वय के संबंध में, ξ शून्य है जब मुक्त ऊर्जा अपने न्यूनतम मान पर है।

$\delta G_{\mathrm {r} }=\left({\frac {\partial G}{\partial \xi }}\right)_{T,P};\quad \delta G_{\mathrm {r} }(\mathrm {Eq} )=0$

संतुलन स्थिरांक

Main articles: निरंतर संतुलन, अम्ल पृथक्करण स्थिरांक, and परिसरों की स्थिरता स्थिरांक

रासायनिक विभव आंशिक मोलीय मुक्त ऊर्जा है। एक रासायनिक प्रतिक्रिया में ith वर्ग की विभव, संभावित, μ_i, उस वर्ग N_i के मोल की संख्या के संबंध में मुक्त ऊर्जा का आंशिक व्युत्पन्न हैː

$\mu _{i}=\left({\frac {\partial G}{\partial N_{i}}}\right)_{T,P}$

एक सामान्य रासायनिक संतुलन के रूप में लिखा जा सकता है

$\sum _{j}n_{j}\mathrm {Reactant} _{j}\rightleftharpoons \sum _{k}m_{k}\mathrm {Product} _{k}$

n_j संतुलन समीकरण में अभिकारकों के उचित तत्वानुपाती गुणांक हैं और m_j उत्पादों के गुणांक हैं। इन प्रतिक्रियाओं के लिए δG_r का मान सभी वर्गों की रासायनिक विभव का एक कार्य है।

$\delta G_{\mathrm {r} }=\sum _{k}m_{k}\mu _{k}\,-\sum _{j}n_{j}\mu _{j}$

ith वर्गों की रासायनिक विभव, μ_i, इसकी गतिविधि a_i के संदर्भ में गणना की जा सकती है।

$\mu _{i}=\mu _{i}^{\ominus }+RT\ln a_{i}$

μ^o
_i वर्गों की मानक रासायनिक विभव है, R गैस स्थिरांक है और T तापमान है। अभिकारकों j के लिए योग को उत्पादों, k के योग के समान समायोजन करना, ताकि δG_r(Eq) = 0:

$\sum _{j}n_{j}\left(\mu _{j}^{\ominus }+RT\ln a_{j}\right)=\sum _{k}m_{k}\left(\mu _{k}^{\ominus }+RT\ln a_{k}\right)$

सीमाओं को पुनर्व्यवस्थित करना,

$\sum _{k}m_{k}\mu _{k}^{\ominus }-\sum _{j}n_{j}\mu _{j}^{\ominus }=-RT\left(\sum _{k}\ln {a_{k}}^{m_{k}}-\sum _{j}\ln {a_{j}}^{n_{j}}\right)$

$\Delta G^{\ominus }=-RT\ln K.$

यह मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन, ΔG^o को एक संतुलन स्थिरांक, K संतुलन पर गतिविधि मानों के प्रतिक्रिया भागफल से संबंधित करता है।

$\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}$