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रासायनिक साम्य: Kc, Kp, Q और गिब्स ऊर्जा

बंद बर्तन में उत्क्रमणीय अभिक्रिया दोनों ओर चलती है। कुछ देर बाद अग्र और पश्च अभिक्रिया का वेग बराबर हो जाता है। मात्राएँ बदलना बंद हो जाती हैं, पर अभिक्रिया रुकती नहीं। इसे गतिक साम्य कहते हैं। साम्य पर उत्पादों और अभिकारकों का अनुपात (हर एक अपने गुणांक की घात में) एक निश्चित संख्या होता है, जिसे साम्य स्थिरांक K कहते हैं। Kc सांद्रता से, Kp आंशिक दाब से, और Kp = Kc(RT)^Δn। शुद्ध ठोस और द्रव K में नहीं लिखे जाते। Q < K हो तो अभिक्रिया आगे, Q > K हो तो पीछे जाती है। ΔG° = −RT ln K।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. बंद डिब्बे में शुरू में सिर्फ़ N₂O₄ है। कुछ धूसर जोड़े टूटकर भूरे NO₂ बनते हैं, कुछ NO₂ फिर जुड़ जाते हैं। थोड़ी देर में गिनती रुक जाती है, पर अणु बदलते रहते हैं। यही गतिक साम्य है।
  2. शुरुआत में कितना भी लो। साम्य पर [NO₂]² ÷ [N₂O₄] हमेशा एक ही संख्या देता है। यही साम्य स्थिरांक Kc है।
  3. गैसों में सांद्रता की जगह दाब भी ले सकते हैं। इससे Kp मिलता है। यहाँ गैस के मोल Δn = 2 − 1 = 1 बदलते हैं, इसलिए Kp = Kc × RT।
  4. अब ठोस वाला डिब्बा: CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g)। ठोस छोटा-बड़ा करो। CO₂ का दाब नहीं बदलता। इसलिए ठोस K में नहीं आते।
  5. हमने NO₂ और डाल दिया। अब Q, K से बड़ा है। अभिक्रिया पीछे चलती है जब तक Q फिर K न बन जाए। ΔG = RT ln(Q/K) का चिह्न दिशा बताता है।
  6. अब खुद खेलो: N₂O₄ या NO₂ डालो और देखो कैसे सिस्टम फिर K पर लौटता है।

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

मात्राएँ रुक गईं, तो क्या अभिक्रिया रुक गई?

नहीं। दोनों अभिक्रियाएँ बराबर वेग से चलती हैं। 3D में गिनती स्थिर रहते हुए भी जोड़े और एकल अदला-बदली करते रहते हैं।

क्या K शुरुआती मात्रा पर निर्भर है?

नहीं। स्लाइडर से शुरुआत बदलो; स्थिर ताप पर अनुपात हर बार उसी Kc पर आता है।

Kp कब Kc के बराबर होता है?

जब गैस मोल में बदलाव Δn = 0 हो, क्योंकि (RT)⁰ = 1। N₂O₄ ⇌ 2NO₂ में Δn = 1, तो Kp = Kc × RT।

ठोस को K में क्यों नहीं लिखते?

ठोस की सांद्रता उसके घनत्व से तय है। 3D में CaCO₃ का टुकड़ा छोटा-बड़ा करने पर भी CO₂ दाब वही रहता है।

Q और K से दिशा कैसे पता चलती है?

Q अभी की मात्राओं से बनता है। Q > K यानी उत्पाद ज़्यादा, तो अभिक्रिया पीछे जाती है। 3D में NO₂ डालने पर Q > K होता है और भूरी गिनती घटती है।

क्या बड़ा K मतलब तेज़ अभिक्रिया?

नहीं। K बताता है अभिक्रिया कितनी दूर जाएगी, कितनी तेज़ नहीं। वेग सक्रियण ऊर्जा और ताप पर निर्भर है।

भौतिक और रासायनिक प्रक्रमों में गतिक साम्य

साम्य यानी संतुलन। यह सिर्फ़ बंद निकाय में बनता है, जहाँ से कुछ बाहर नहीं जाता।

भौतिक प्रक्रम: बंद बोतल में पानी भाप बनता है और भाप फिर पानी बनती है। कुछ देर में दोनों की गति बराबर हो जाती है, और वाष्प दाब स्थिर हो जाता है। 0 °C पर बर्फ़ और पानी, या नीचे बची चीनी वाला संतृप्त घोल भी ऐसे ही उदाहरण हैं।

रासायनिक प्रक्रम: उत्क्रमणीय अभिक्रिया में अभिकारक उत्पाद बनाते हैं और उत्पाद वापस अभिकारक बनाते हैं। शुरू में अग्र वेग ज़्यादा होता है। उत्पाद बढ़ने पर पश्च वेग बढ़ता है। जब दोनों वेग बराबर हो जाते हैं, मात्राएँ बदलना बंद कर देती हैं।

इसे गतिक कहते हैं क्योंकि अभिक्रिया रुकती नहीं। अणु दोनों ओर बदलते रहते हैं, बस कुल बदलाव शून्य होता है। किसी भी ओर से शुरू करके वही साम्य मिलता है।

करके देखो: 3D के चरण 1 में धूसर और भूरे गिनती देखो। गिनती रुकती है, पर जोड़े और एकल अदला-बदली करते रहते हैं।

साम्य का नियम और साम्य स्थिरांक Kc

सामान्य अभिक्रिया aA + bB ⇌ cC + dD के लिए, स्थिर ताप पर:

Kc = [C]c[D]d / [A]a[B]b

कोष्ठक [ ] का मतलब है साम्य पर मोलर सांद्रता (mol/L)। इसे रासायनिक साम्य का नियम (द्रव्य-अनुपाती क्रिया का नियम) कहते हैं। ऊपर उत्पाद, नीचे अभिकारक, और हर एक अपने गुणांक की घात में।

करके देखो: चरण 2 में स्लाइडर हिलाओ। अंत में Q हर बार उसी Kc पर रुकता है।

Kc और Kp: संबंध Kp = Kc(RT)^Δn

गैस का आंशिक दाब उसकी सांद्रता के अनुपाती है: p = (n/V)RT = [X]RT। इसे K में रखने पर:

Kp = Kc (RT)Δn, जहाँ Δn = (गैसीय उत्पादों के मोल) − (गैसीय अभिकारकों के मोल)।

दाब bar में हो तो R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹ और T केल्विन में लो। Δn में सिर्फ़ गैसें गिनो।

समांगी और विषमांगी साम्य

समांगी साम्य: सब कुछ एक ही प्रावस्था में। जैसे N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)।

विषमांगी साम्य: एक से ज़्यादा प्रावस्थाएँ। जैसे CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g); H₂O(l) ⇌ H₂O(g); Ni(s) + 4CO(g) ⇌ Ni(CO)₄(g)।

शुद्ध ठोस या शुद्ध द्रव की सांद्रता स्थिर रहती है (घनत्व नहीं बदलता), इसलिए उसे 1 मानकर K में नहीं लिखते। CaCO₃ ⇌ CaO + CO₂ के लिए Kp = p(CO₂)। पर साम्य के लिए ठोस का मौजूद होना ज़रूरी है।

करके देखो: चरण 4 में CaCO₃ की मात्रा बदलो। CO₂ का पाठ्यांक नहीं हिलता।

साम्य स्थिरांक के उपयोग

1. अभिक्रिया कितनी होगी। K > 10³: ज़्यादातर उत्पाद। K < 10⁻³: ज़्यादातर अभिकारक। बीच में: दोनों अच्छी मात्रा में।

2. अभिक्रिया की दिशा। अभी की मात्राओं से Q लिखो। Q < K → आगे। Q > K → पीछे। Q = K → साम्य।

3. साम्य मात्राएँ निकालना। ICE सारणी: प्रारंभिक (I), परिवर्तन (C), साम्य (E)। साम्य मान K में रखकर x निकालो।

K यह नहीं बताता कि साम्य कितनी जल्दी आएगा। वह रासायनिक बलगतिकी का विषय है।

K, Q और गिब्स ऊर्जा

गिब्स ऊर्जा बताती है कि बदलाव अपने-आप होगा या नहीं। किसी मिश्रण के लिए:

ΔG = ΔG° + RT ln Q

साम्य पर ΔG = 0 और Q = K, इसलिए ΔG° = −RT ln K = −2.303 RT log K। साथ ही ΔG = RT ln(Q/K)।

यहाँ R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹ और T केल्विन में। करके देखो: चरण 5 में Q के K पर लौटते समय ΔG शून्य की ओर जाता दिखता है।

परीक्षा के लिए

CBSE कक्षा 11 में साम्यावस्था इकाई लगभग 7 अंक की है। अक्सर पूछा जाता है: Kc/Kp का व्यंजक, Kp–Kc संबंध, ICE सारणी से K, Q से दिशा, और ΔG° = −RT ln K के आंकिक प्रश्न। K का मात्रक और ताप ज़रूर लिखो।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g) के लिए Kc लिखो।

ऊपर उत्पाद, नीचे अभिकारक, गुणांक की घात के साथ: Kc = [SO₃]² / ([SO₂]²[O₂])।

2. 700 K पर H₂ + I₂ ⇌ 2HI के लिए Kc = 50। 2HI ⇌ H₂ + I₂ और HI ⇌ ½H₂ + ½I₂ के लिए Kc बताओ।

उलटी: K = 1/50 = 0.02। आधी: K = √0.02 = 0.141।

3. 1 L फ्लास्क में 1.0 mol N₂O₄ है। साम्य पर 0.52 mol NO₂ है। N₂O₄ ⇌ 2NO₂ का Kc निकालो।

0.52 mol NO₂ बना, तो N₂O₄ घटा 0.26 mol। [N₂O₄] = 0.74 M, [NO₂] = 0.52 M। Kc = 0.52²/0.74 = 0.2704/0.74 ≈ 0.37 mol/L।

4. 500 K पर N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ के लिए Kc = 0.5 L² mol⁻²। Kp निकालो (R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹)।

Δn = 2 − 4 = −2। RT = 0.0831 × 500 = 41.55। Kp = 0.5 × (41.55)⁻² = 0.5/1726.4 ≈ 2.9 × 10⁻⁴ bar⁻²।

5. A ⇌ B के लिए K = 4। मिश्रण में [A] = 0.5 M, [B] = 1.0 M। अभिक्रिया किधर जाएगी?

Q = 1.0/0.5 = 2। Q (2) < K (4), इसलिए आगे की ओर, B और बनेगा।

6. 300 K पर K = 10 वाली अभिक्रिया का ΔG° निकालो (R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹)।

ΔG° = −2.303RT log K = −2.303 × 8.314 × 300 × 1 = −5744 J/mol ≈ −5.74 kJ/mol। ऋणात्मक, यानी उत्पाद ज़्यादा।

7. H₂ + I₂ ⇌ 2HI के लिए Kc = 64। 1 L में 1 mol H₂ और 1 mol I₂ से शुरू करो। साम्य मात्राएँ निकालो।

ICE: H₂ = 1 − x, I₂ = 1 − x, HI = 2x। (2x)²/(1 − x)² = 64। वर्गमूल: 2x/(1 − x) = 8 → 2x = 8 − 8x → x = 0.8। H₂ = I₂ = 0.2 mol, HI = 1.6 mol।

8. 298 K पर किसी अभिक्रिया का ΔG° = +11.4 kJ/mol है। K निकालो।

log K = −11400/(2.303 × 8.314 × 298) = −11400/5705.8 ≈ −2.0। K = 10⁻² = 0.01। अभिकारक ज़्यादा रहेंगे।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. गतिक साम्य पर:
2. CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) के लिए Kp बराबर है:
3. N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ के लिए Δn है:
4. यदि Q > K, तो अभिक्रिया:
5. यदि ΔG° ऋणात्मक है, तो K:

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

रासायनिक साम्य आसान शब्दों में क्या है?

बंद बर्तन में उत्क्रमणीय अभिक्रिया की वह अवस्था जब अग्र और पश्च वेग बराबर हों, और अभिकारक-उत्पाद की मात्राएँ स्थिर रहें।

Kp और Kc में क्या संबंध है?

Kp = Kc(RT)^Δn, जहाँ Δn गैसीय मोलों का बदलाव (उत्पाद − अभिकारक) है।

ΔG° और K में क्या संबंध है?

ΔG° = −RT ln K = −2.303RT log K। ΔG° ऋणात्मक हो तो K > 1।

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