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ताप, सक्रियण ऊर्जा, उत्प्रेरक और संघट्ट सिद्धांत

उत्पाद बनने के लिए अभिकारक अणुओं को एक ऊर्जा पहाड़ी चढ़नी होती है, जिसे सक्रियण ऊर्जा Ea कहते हैं। आरेनियस समीकरण k = A e^(−Ea/RT) बताता है कि ताप थोड़ा बढ़ने पर बहुत ज़्यादा अणु पहाड़ी पार करते हैं, इसलिए k तेज़ी से बढ़ता है। उत्प्रेरक नीची पहाड़ी देता है, ΔH नहीं बदलता। संघट्ट सिद्धांत: अणु तभी अभिक्रिया करते हैं जब पर्याप्त ऊर्जा और सही दिशा से टकराएँ।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. नीली गेंद को उत्पाद बनने के लिए पहाड़ी पार करनी है। पहाड़ी की ऊँचाई सक्रियण ऊर्जा Ea है। ऊर्जा कम हो तो गेंद लौट आती है।
  2. संघट्ट सिद्धांत: अणुओं को टकराना होगा, सही दिशा में होना होगा और पर्याप्त ऊर्जा चाहिए। ग़लत दिशा की टक्कर में वे बस उछलकर लौट जाते हैं।
  3. ताप बढ़ाओ, ऊर्जा की पट्टियाँ दाईं ओर खिसकती हैं। पीला हिस्सा, यानी Ea से ज़्यादा ऊर्जा वाले अणु, तेज़ी से बढ़ता है। लगभग 10 °C बढ़ाने पर वेग लगभग दोगुना।
  4. आरेनियस समीकरण k = A e^(−Ea/RT) इसे संख्या में बताता है। e^(−Ea/RT) = Ea पार कर सकने वाले अणुओं का अंश। नीचे रीडआउट में k बदलता देखो।
  5. उत्प्रेरक नया, नीचा रास्ता खोलता है, हरी पहाड़ी। Ea घटता है, पर ΔH, यानी अभिकारक और उत्पाद का अंतर, वही रहता है। बहुत ज़्यादा अणु पार करते हैं।
  6. अब खुद खेलो: ताप, Ea और उत्प्रेरक बदलो; गेंद, पट्टियाँ और k देखो।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

अगर अभिक्रिया ऊर्जा छोड़ती है, तो उसे सक्रियण ऊर्जा क्यों चाहिए?

नए बंध बनने से पहले पुराने बंध टूटने शुरू होने चाहिए। इसके लिए चोटी तक पहुँचने का धक्का चाहिए, भले ही उत्पाद नीचे हों।

हर टक्कर से अभिक्रिया क्यों नहीं होती?

ज़्यादातर टक्करों में ऊर्जा कम होती है या दिशा ग़लत। सिर्फ़ प्रभावी टक्करें काम करती हैं; 3D में ग़लत दिशा वाली टक्कर उछल जाती है।

अणु थोड़े ही तेज़ होते हैं, फिर भी 10 °C पर वेग लगभग दोगुना क्यों?

टक्करें कुछ प्रतिशत ही बढ़ती हैं, पर Ea से ऊपर वाले अणुओं का अंश लगभग दोगुना हो जाता है। पीली पट्टियाँ बढ़ती देखो।

आरेनियस समीकरण में A का क्या अर्थ है?

A इससे जुड़ा है कि अणु कितनी बार सही दिशा में टकराते हैं। e^(−Ea/RT) बताता है उनमें से कितने अंश में पर्याप्त ऊर्जा है।

क्या उत्प्रेरक उत्पाद या साम्य बदलता है?

नहीं। यह दोनों दिशाओं की पहाड़ी बराबर नीची करता है, साम्य जल्दी आता है पर उसकी स्थिति और ΔH वही रहते हैं।

Ea थोड़ा बढ़ाने पर अभिक्रिया इतनी धीमी क्यों हो जाती है?

Ea घातांक में है। Ea थोड़ा बढ़े तो e^(−Ea/RT) बहुत छोटा हो जाता है। Ea स्लाइडर चलाकर देखो।

सक्रियण ऊर्जा: ऊर्जा की पहाड़ी

अभिकारक सीधे उत्पाद नहीं बनते। पहले वे थोड़ी देर के लिए ऊँची ऊर्जा वाली अवस्था बनाते हैं जिसे सक्रियित संकुल (संक्रमण अवस्था) कहते हैं। वहाँ पहुँचने के लिए लगने वाली अतिरिक्त ऊर्जा सक्रियण ऊर्जा, Ea है।

ऊर्जा आरेख में Ea अभिकारक से पहाड़ी की चोटी तक की ऊँचाई है। अभिकारक और उत्पाद का अंतर ΔH है। कम Ea → तेज़ अभिक्रिया; ज़्यादा Ea → धीमी।

ताप का प्रभाव: गर्मी से वेग क्यों बढ़ता है

किसी भी ताप पर अणुओं की ऊर्जा अलग-अलग होती है (मैक्सवेल–बोल्ट्ज़मान वितरण)। सिर्फ़ ऊँची ऊर्जा वाले थोड़े अणुओं में ऊर्जा ≥ Ea होती है। ताप बढ़ने पर पूरा वितरण ऊँची ऊर्जा की ओर खिसकता है और Ea से ऊपर वाला हिस्सा बहुत बड़ा हो जाता है।

बहुत-सी अभिक्रियाओं में 10 °C बढ़ाने पर वेग लगभग दोगुना होता है। अनुपात k(T+10)/k(T) को ताप गुणांक कहते हैं, जो आमतौर पर 2 से 3 होता है।

आरेनियस समीकरण

k = A e^(−Ea/RT)

ln लेने पर: ln k = ln A − Ea/RT। ln k बनाम 1/T का ग्राफ़ सीधी रेखा है, ढलान −Ea/R।

दो तापों के लिए (दोनों ln समीकरण घटाकर, चरण-दर-चरण):

log(k₂/k₁) = (Ea/2.303R) × (T₂ − T₁)/(T₁T₂)

उत्प्रेरक

उत्प्रेरक अभिक्रिया तेज़ करता है और अंत में उसका द्रव्यमान और रासायनिक स्वभाव नहीं बदलता। यह कम Ea वाला दूसरा रास्ता देता है (अक्सर एक अल्पजीवी मध्यवर्ती बनाकर)।

उदाहरण: अमोनिया बनाने में लोहा; लार में एमाइलेज़ जैसे एंज़ाइम।

संघट्ट सिद्धांत

अणुओं को कठोर गोले मानते हैं। अभिक्रिया सिर्फ़ प्रभावी संघट्ट से होती है, जिसके लिए दो बातें ज़रूरी हैं:

  1. पर्याप्त ऊर्जा: कम से कम देहली ऊर्जा (औसत से Ea ज़्यादा)।
  2. सही अभिविन्यास (दिशा): सही परमाणु आपस में मिलें। CH₃Br + OH⁻ में OH⁻ को कार्बन पर Br के उल्टी ओर से टकराना होगा।

वेग = P × Z_AB × e^(−Ea/RT), जहाँ Z_AB संघट्ट आवृत्ति है और P प्रायिकता (त्रिविम) गुणांक है।

सीमा: यह अणुओं को साधारण गोले मानता है और उनकी संरचना को नज़रअंदाज़ करता है, इसलिए सरल गैस अणुओं पर सबसे अच्छा लागू होता है।

करके देखो: पहले अनुमान, फिर जाँच

3D में T = 300 K और Ea = 60 kJ/mol रखो। अनुमान लगाओ कि 310 K पर k 2 गुना होगा या 10 गुना, फिर रीडआउट देखो। उत्प्रेरक चालू करो और गेंद को पार होते देखो। घर पर: एक कप गुनगुने दूध और एक कप ठंडे दूध में एक-एक चम्मच दही डालो। गुनगुने वाला जल्दी जमता है: गर्मी ज़्यादा अणुओं को पहाड़ी पार कराती है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. ताप 300 K से 310 K करने पर वेग 2 गुना होता है। Ea निकालो।

log 2 = (Ea/2.303 × 8.314) × 10/(300 × 310)। 0.301 = Ea × 10/(19.147 × 93000)। Ea = 0.301 × 19.147 × 9300 ≈ 53 600 J/mol ≈ 53.6 kJ/mol।

2. किसी अभिक्रिया में Ea = 0 है। k क्या होगा?

k = A e^0 = A। वेग स्थिरांक आवृत्ति गुणांक के बराबर है और ताप पर निर्भर नहीं।

3. Ea = 57.4 kJ/mol और T = 300 K पर ऊर्जा ≥ Ea वाले अणुओं का अंश निकालो।

अंश = e^(−Ea/RT)। Ea/RT = 57400/(8.314 × 300) = 23.0। log x = −23.0/2.303 = −10.0। x ≈ 1 × 10⁻¹⁰।

4. ln k बनाम 1/T का ढलान −6000 K है। Ea निकालो।

ढलान = −Ea/R। Ea = 6000 × 8.314 = 49 884 J/mol ≈ 49.9 kJ/mol।

5. 300 K पर उत्प्रेरक Ea को 100 से 80 kJ/mol कर देता है (A वही)। k कितने गुना बढ़ेगा?

k₂/k₁ = e^(20000/(8.314 × 300)) = e^8.02। log = 8.02/2.303 = 3.48। k₂/k₁ ≈ 3 × 10³, लगभग 3000 गुना।

6. 300 K पर k = 2 × 10⁻² s⁻¹ और Ea = 60 kJ/mol। 320 K पर k निकालो।

log(k₂/k₁) = 60000/(2.303 × 8.314) × 20/(300 × 320) = 3133.6 × 2.083×10⁻⁴ = 0.653। k₂/k₁ = 4.5। k₂ ≈ 9.0 × 10⁻² s⁻¹।

7. log k = 14.34 − 1.25 × 10⁴ K/T के लिए Ea निकालो।

log k = log A − Ea/(2.303RT) से तुलना: Ea/2.303R = 1.25 × 10⁴। Ea = 1.25 × 10⁴ × 2.303 × 8.314 ≈ 239 kJ/mol।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. k = A e^(−Ea/RT) में e^(−Ea/RT) है:
2. उत्प्रेरक वेग बढ़ाता है:
3. ln k बनाम 1/T का ढलान:
4. प्रभावी संघट्ट के लिए अणुओं को चाहिए:
5. अधिकतर अभिक्रियाओं का ताप गुणांक लगभग:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

आरेनियस समीकरण क्या है?

k = A e^(−Ea/RT)। यह बताता है कि वेग स्थिरांक k ताप T और सक्रियण ऊर्जा Ea पर कैसे निर्भर है।

सक्रियण ऊर्जा सरल शब्दों में क्या है?

वह अतिरिक्त ऊर्जा जो अभिकारक अणुओं को ऊर्जा पहाड़ी की चोटी तक पहुँचकर उत्पाद बनने के लिए चाहिए।

उत्प्रेरक अभिक्रिया वेग कैसे बढ़ाता है?

यह कम सक्रियण ऊर्जा वाला दूसरा रास्ता देता है, जिससे ज़्यादा अणुओं के पास अभिक्रिया के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

नीदरलैंडVWO 5Chemical processes (part 2)
सीबीएसई (भारत)कक्षा 12रासायनिक बलगतिकी
अमेरिकाGrade 11Kinetics
दक्षिण कोरिया고등학교 2학년Reaction rates
दक्षिण कोरिया고등학교 3학년Reaction rates and catalysts

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