ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం

అంతరతలాలపై రసాయన క్రియలు!

ఉతికినప్పుడు దుస్తుల లోపల పట్టిన మురికి సహా మొత్తం ఎలా వదిలిపోతుంది? నాన్‌-స్టిక్‌ సామాన్లతో ఆహారం వండినప్పుడు అంటుకోకపోవడానికి కారణం ఏమిటి? నోటిలోని పళ్లపై ఉన్న పాచిని టూత్‌ పేస్టు ఏవిధంగా తొలగిస్తుంది?  దుస్తులు, సామాన్లు, పళ్ల ఉపరితలాలతో నిర్ణీత రసాయనాలు సంకర్షణ చెందడం ద్వారా ఆ చర్యలు జరుగుతాయి. ఆ విధంగా పదార్థాల పైభాగంలో సంభవించే దృగ్విషయాల గురించి చేసే అధ్యయనమే ఉపరితల రసాయనశాస్త్రం. నిత్యజీవితాలతో ముడిపడిన, పారిశ్రామికంగా కీలకమైన ఈ రసాయన శాస్త్ర ఉపవిభాగంలోని ప్రాథమికాంశాలను పరీక్షార్థులు అర్థం చేసుకోవాలి. అధిశోషణం, ఉత్ప్రేరణం, కొల్లాయిడ్లు, ఎమల్షన్‌ల గురించి శాస్త్రీయ అవగాహన పెంచుకోవాలి.

ఉపరితలాలు లేదా అంతర తలాల వద్ద జరిగే దృగ్విషయం గురించి ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం తెలియజేస్తుంది. ఘనస్థితి ఉత్ప్రేరకాల ఉపరితలాలపై సంభవించే చర్యల ఆధారంగానే ముఖ్యమైన రసాయన పదార్థాలను పారిశ్రామికంగా తయారు చేస్తున్నారు.ఆయతమ ప్రావస్థలను(Bulk Phases)ఒక అడ్డు గీత (-) లేదా ఒక నిలువు గీత (I) ద్వారా వేరుచేస్తూ అంతర తలాన్ని వ్యక్తం చేస్తారు. ఉదాహరణకు ఘన, వాయు పదార్థాల మధ్య అంతరతలాన్ని ఘన స్థితి - వాయువు లేదా ఘనస్థితి ్హ వాయువు అని వ్యక్తం చేస్తారు. వాయువులు ఒకదానితో మరొకటి పూర్తిగా కలిసిపోతాయి. అందుకే వాయువుల మధ్య అంతరతలం ఉండదు. ఉపరితల రసాయన శాస్త్రంలో శుద్ధ పదార్థాలు లేదా ద్రావణాలు ఆయతమ ప్రావస్థలుగా ఉంటాయి. అంతరతలం సాధారణంగా కొద్ది అణువుల మందంలో ఉంటుంది. పరిశ్రమలు, విశ్లేషణాత్మక పనులు, నిత్యజీవిత పరిస్థితుల్లోనూ ఉపరితల రసాయనశాస్త్ర అనువర్తనాలు చోటుచేసుకుంటాయి.

ఉపరితలాల మీద కొనసాగించే అధ్యయనాలు కచ్చితంగా, దోషరహితంగా ఉండాలంటే లోహాల ఉపరితలాలను శుద్ధ స్థితిలో ఉంచాలి. అలాంటి శుద్ధ ఉపరితలాలున్న పదార్థాలను ఖాళీ పాత్రల్లోనే నిల్వ చేయాలి. ఆ విధంగా కుదరకపోతే గాలిలోని ప్రధాన అనుఘటకాలైన ఆక్సిజన్, నైట్రోజన్‌లతో ఉపరితలాలను నింపాలి.

అధిశోషణం: ఒక పదార్థ ఉపరితలంపై వేరే పదార్థం వాయు స్థితిలో లేదా ద్రవ స్థితిలో పోగై అతుక్కునే ప్రక్రియను అధిశోషణం అంటారు. పదార్థ ఉపరితలంపై చోటుచేసుకునే పదార్థ కణాలన్నీ ఒకే రసాయనిక వాతావరణంలో ఉండవు. అయితే పదార్థ అంతర్భాగంలోని కణాలు మాత్రం ఒకే వాతావరణంలో ఉంటాయి. అధిశోషకం అంతర్భాగంలోని కణాల మధ్య ఉండే బలాలన్నీ ఒకదానితో మరొకటి తుల్యం చేస్తాయి. అయితే ఉపరితలంపై ఉండే కణాల చుట్టూ అన్నివైపుల్లో పరివేష్ఠితమై ఉండే పరమాణువులు, అణువులు ఈ కణాలకు చెందినవి కావు. అంటే అవశేష బలాలను పొంది ఉంటాయి. ఈ బలాలు అధిశోషిత పదార్థ అణువుల అధిశోషకం ఉపరితలంపై సాంద్రీకృతం కావడానికి లేదా ఆకర్షితమవడానికి కారణమవుతాయి.

అధిశోషణం రకాలు: ఘన పదార్థాలపై వాయువుల అధిశోషణం ప్రధానంగా రెండు రకాలు. ఘన పదార్థ ఉపరితలంపై వాయువు సాంద్రీకృతం చెందడం బలహీన వాండర్‌వాల్‌ బలాల ద్వారా జరిగితే ఆ అధిశోషణాన్ని భౌతిక అధిశోషణం లేదా ఫిజిసారప్షన్‌ అంటారు. ఘనపదార్థాల ఉపరితలంపై వాయు అణువులు లేదా పరమాణువులు రసాయన బంధాల ద్వారా పోగైతే ఆ అధిశోషణాన్ని రసాయన అధిశోషణం లేదా కెమిసారప్షన్‌ అంటారు.

భౌతిక అధిశోషణం: 

* ఇది వాండర్‌వాల్‌ బలాల ద్వారా జరుగుతుంది.

* స్వభావంలో విశిష్టతను ప్రదర్శిస్తుంది.

* ద్విగత స్వభావం ఉంటుంది.

* ఇది వాయువు స్వభావంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. తేలికగా ద్రవాలుగా మారే వాయువులు సులభంగా అధిశోషణం చెందుతాయి. 

* ఈ అధిశోషణం ఎంథాల్పీ అల్పంగా ఉంటుంది.

*అల్ప ఉష్ణోగ్రతలు అధిశోషణం ప్రక్రియను ప్రోత్సహిస్తాయి. ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే ఇది తగ్గుతుంది. 

* దీని ఉత్తేజిత శక్తి విలువ నామమాత్రం. 

* అధిక పీడనాల వద్ద అధిశోషకం ఉపరితలంపై చాలా పొరలు ఏర్పడతాయి.

* ఉపరితల వైశాల్యం పెరిగితే అధిశోషణం పెరుగుతుంది.

రసాయన అధిశోషణం: 

* రసాయన బంధం ఏర్పడటం ద్వారా జరుగుతుంది.

* స్వభావంలో అత్యధిక విశిష్టతను ప్రదర్శిస్తుంది. 

* అద్విగత స్వభావం ఉంటుంది. 

* ఇది కూడా వాయు స్వభావంపై ఆధారపడుతుంది.

* ఈ అధిశోషణం ఎంథాల్పీ అధికం.

 * అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద జరుగుతుంది. ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే ఇదీ పెరుగుతుంది. 

* దీనికి కొన్ని సందర్భాల్లో అధిక ఉత్తేజిత శక్తి అవసరమవుతుంది.

 * ఇది కూడా ఉపరితల వైశాల్యంపై ఆధారపడుతుంది.

* ఇందులో ఒక పొర మాత్రమే ఏర్పడుతుంది.

అధిశోషణం అనువర్తనాలు:

అధిక శూన్యస్థితి ఏర్పరచడం: ఒక పాత్రలో అధిక శూన్య స్థితిని పొందడానికి ఆ పాత్రలోని గాలిని నిర్వాత పంపు ద్వారా తొలగిస్తారు. ఈ ప్రక్రియలో పాత్రలో ఇంకా మిగిలిన కొద్దిపాటి గాలిని, బొగ్గును ఉపయోగించి అధిశోషణ ప్రక్రియ ద్వారా తొలగిస్తారు.

వాయు ముసుగు: బొగ్గు గనుల్లో పనిచేసే కార్మికులు గాలిని పీల్చుకునేటప్పుడు గాలిలోని విష వాయువులను అధిశోషించుకోవడానికి వాడే సాధనాన్ని వాయు ముసుగు అంటారు. ఇది ఉత్తేజపరిచిన బొగ్గు లేదా ఇతర అధిశోషకాల మిశ్రమంతో నిండి ఉంటుంది.

అధిశోషణ సమోష్ణ రేఖ: దీన్ని ప్రాయిండ్లిష్‌ అనే శాస్త్రవేత్త నిర్దేశిత ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఏకాంక ద్రవ్యరాశి ఉన్న ఘనస్థితిలోని అధిశోషకంపై అధిశోషణం చెందే వాయువు  సంబంధాన్ని ప్రతిపాదించాడు. 

ఉత్ప్రేరణం: బాహ్య పదార్థం కలపడం ద్వారా ఒక రసాయన చర్యను వేగవంతం చేసే ప్రక్రియను ఉత్ప్రేరణం అంటారు. అందుకోసం కలిపిన బాహ్య పదార్థాన్ని ఉత్ప్రేరకం అంటారు. ఉత్ప్రేరకం భౌతిక స్థితి ఆధారంగా ఉత్ప్రేరణాన్ని రెండు రకాలుగా వర్గీకరించారు.

1) సజాతీయ ఉత్ప్రేరణం: ఉత్ప్రేరకం, క్రియాజనకాలు ఒకే భౌతిక స్థితిలో ఉంటే సజాతీయ ఉత్ప్రేరణం అంటారు.

2) విజాతీయ ఉత్ప్రేరణం: ఉత్ప్రేరకం, క్రియాజనకాలు వేర్వేరు భౌతిక స్థితిలో ఉండే ఉత్ప్రేరణాన్ని విజాతీయ ఉత్ప్రేరణం అంటారు. 

జియో లైట్ల ఉత్ప్రేరణ లక్షణాలు:  కొన్ని సిలికాన్, అల్యూమినియం పరమాణువులతో ప్రతిక్షేపితమైన త్రిమితీయ యూనిట్లు ఉండే సిలికేట్లనే జియో లైట్లు అనవచ్చు. వీటిని ఉత్ప్రేరకాలుగా ఉపయోగించాలనుకున్నప్పుడు వేడి చేస్తారు. పెట్రోలియం పరిశ్రమల్లో ఉపయోగించే ఒక ముఖ్యమైన జియోలైట్‌ ఉత్ప్రేరకం - ZSM - 5.. ఇది ఆల్కహాల్స్‌ను అనార్థ్రీకరణ చర్యకు గురిచేసి గ్యాసోలిన్‌గా పిలిచే హైడ్రోకార్బన్ల మిశ్రమంగా మారుస్తుంది.

కొల్లాయిడ్‌ ద్రావణాలు: ఒక ద్విగుణాత్మక ద్రావణంలో ద్రావిత అణువుల పరిమాణం నానోమీటర్లలో ఉండే ద్రావణాలను కొల్లాయిడ్‌ ద్రావణాలు అంటారు.

ఉదా: స్టార్చ్‌ ద్రావణం, జిగురు మొదలైనవి.

విక్షేపక ప్రావస్థ: విజాతి వ్యవస్థ అయిన కాంజికాభ ద్రావణంలోని విక్షేపక యానకంలో కాంజికాభ కణాలుగా విక్షిప్తం చెంది ఉండే పదార్థమే విక్షేపక ప్రావస్థ.

ఉదా: పాలు, నీటిలో ద్రవ కొవ్వును ఏర్పరిచే కొల్లాయిడ్‌ ద్రావణం. ఇందులో ద్రవ కొవ్వు విక్షేపక ప్రావస్థ.

విక్షేపణ యానకం: విజాతి వ్యవస్థ అయిన కాంజికాభ ద్రావణంలోని విక్షిప్త ప్రావస్థ కణాలను విక్షేపణం చేసుకున్న అవిచ్ఛిన్న యానకమే విక్షేపణ యానకం.

ఉదా: * పొగలో గాలి విక్షేపణ యానకం.* స్టార్చ్‌లో నీరు విక్షేపణ యానకం.

సాల్‌: వాయువు లేదా ద్రవ విక్షేపక యానకంలో ఘన విక్షిప్త ప్రావస్థకు చెందిన కొల్లాయిడ్‌ ద్రావణాన్ని సాధారణంగా ‘సాల్‌’ అంటారు.

ఉదా: గోల్డ్‌ కొల్లాయిడ్, స్టార్చ్‌ కొల్లాయిడ్‌.

ఎమల్షన్‌: ద్రవవిక్షేపక యానకంలో సూక్ష్మ విభాజిత ద్రవ బిందు కణాలు విక్షిప్తం చెంది ఏర్పరిచే వ్యవస్థే ఎమల్షన్‌. పాలు స్థిరమైన ఎమల్షన్‌. దీనిలో ద్రవ కొవ్వు నీటిలో వితరణం చెంది ఉంటుంది. ఎమల్షన్స్‌ను రెండు రకాలుగా వర్గీకరిస్తారు. 1) నీటిలో నిక్షిప్తం చెందిన తైలం. ఉదా: పాలు, వానిషింగ్‌ క్రీమ్‌ 2) తైలంలో విక్షిప్తం చెందిన నీరు. ఉదా: వెన్న, చల్లని క్రీమ్‌

ఎమల్సీకరణ కారకం: ఎమల్షన్స్‌ను స్థిరంగా ఉంచడానికి కలిపే మూడో పదార్థాన్ని ఎమల్సీకరణి లేదా ఎమల్సీకరణ కారకం అంటారు.

డీ-ఎమల్సీకరణం: ఒక ఎమల్షన్‌ దానిలోని అనుఘటక ద్రవాలుగా వేరుపడే ప్రక్రియను డీ-ఎమల్సీకరణ అంటారు. ఎమల్షన్స్‌ను వేడి చేయడం ద్వారా, ఘనీభవింపచేయడం ద్వారా, అపకేంద్రీకరణం ద్వారా అనుఘటక ద్రవాలుగా వేరు చేయవచ్చు.

ఉదా: పాల నుంచి వెన్నను తీయడం.

టిండాల్‌ ఫలితం: కొల్లాయిడ్‌ ద్రావణంలోని ద్రావిత కణాలు కాంతి కిరణాలను పరిక్షేపణం చెందించి, కాంతి మార్గాన్ని కనిపించేలా చేసే ప్రక్రియను టిండాల్‌ ఫలితం అంటారు.

బ్రౌనియన్‌ చలనం: కొల్లాయిడ్‌ ద్రావణంలోని విక్షేపక ప్రావస్థ కణాల అస్తవ్యస్త చలనాన్ని బ్రౌనియన్‌ చలనం అంటారు.

జీటా పొటెన్షియల్‌: కొల్లాయిడ్‌ కణం చుట్టూ రెండు విరుద్ధ ఆవేశ పొరలు ఉంటాయి. మొదటి పొర కణానికి సన్నిహితంగా అతుక్కుని ఉంటుంది. దీన్ని స్థిరమైన పొర అంటారు. రెండో పొరకు చలనశీల స్వభావం ఉంటుంది. దీన్ని విసరిత పటలం అని కూడా అంటారు. విరుద్ధ ఆవేశాలున్న స్థిర పొర లేదా స్థిర పటలం, విసరిత పటలం మధ్య ఉండే పొటెన్షియల్‌ భేదాన్ని జీటా పొటెన్షియల్‌ అంటారు.

విద్యుత్తు ద్రవాభిసరణం: కొల్లాయిడ్‌ కణాల చలనాన్ని అనువైన పద్ధతిలో ఆపగలిగితే విక్షేపణ యానకం వ్యతిరేక దిశలో ప్రయోగిస్తుంది. దీన్ని విద్యుత్తు ద్రవాభిసరణం లేదా ఎలక్ట్రో ఆస్మాసిస్‌ అంటారు.

స్కందనం: కొల్లాయిడ్‌ కణాలు ఒకదాంతో మరొకటి సమీపించి వాటిపై ఉండే విద్యుదావేశాన్ని, పాత్రŸ అడుగు భాగంలోని విద్యుదావేశాన్నీ తటస్థపరుస్తాయి. ఆ తర్వాత పాత్ర అడుగు భాగంలో అవక్షేపంగా స్థిరపడతాయి. ఈ ప్రక్రియను స్కందనం అంటారు.

హర్డీ-షూల్జ్‌ నియమం: స్కందన అయాన్‌ వేలన్సీ పెరిగిన కొద్దీ దాని స్కందన సామర్థ్యం పెరుగుతుంది. దీనినే హర్డీ-షూల్జ్‌ నియమం అంటారు.

రచయిత: చంటి రాజుపాలెం