కొన్ని రసాయన చర్యలు వేగంగా, కొన్ని నెమ్మదిగా జరుగుతాయి. రసాయన చర్యల వేగాలు, ఆ వేగాలను ప్రభావితం చేసే అంశాల గురించి తెలిపేదే రసాయన గతిశాస్త్రం. కాలం గడిచే కొద్దీ క్రియాజనకాలు, క్రియాజన్యాలుగా మారిపోతాయి. అంటే చర్యలో క్రియాజనకాల గాఢత తగ్గుతుంది. క్రియాజన్యాల గాఢత పెరుగుతుంది.
ఏకాంక కాలంలో క్రియాజనకాల గాఢతలో తగ్గుదల లేదా క్రియాజన్యాల గాఢతలో పెరుగుదలను చర్యారేటు అంటారు. చర్యారేటు యూనిట్లు: మోల్స్ లీటరు -1 సెకన్ -1.
రేటు =
x P + y Q → mR + nS అనే చర్యలో రేట్ల సంబంధం
చర్యారేటును ప్రభావితం చేసే అంశాలు:
1. క్రియాజనకాల రసాయన స్వభావం: చర్యావేగం ప్రధానంగా క్రియాజనకాల స్వభావం మీద ఆధారపడి ఉంటుంది. అయానిక చర్యలు వేగంగా జరుగుతాయి.
ఉదాహరణ: ద్రావణస్థితిలో Ag+ అయాన్లు Cl - అయాన్లతో కలసి తెల్లటి అవక్షేపాన్ని వెంటనే ఇస్తాయి.
NaCl (జ. ద్రా.) + AgNO3 (జ. ద్రా.) AgCl ↓ + NaNO3 (జ.ద్రా.) సమయోజనీయ చర్యలు నెమ్మదిగా జరుగుతాయి. ఎందుకంటే, క్రియాజనకాల అణువుల మధ్య ప్రస్తుతం ఉన్న బంధాలు విచ్ఛిత్తి చెందాలి, క్రియాజన్యాల అణువుల మధ్య కొత్త బంధాలు ఏర్పడాలి. ఇదంతా జరగడానికి సమయం తీసుకుంటుంది. హేబర్ విధానంలో NH3 ఏర్పడటం దీనికి మంచి ఉదాహరణ.
N2 (వా) + 3 H2 (వా) 2 NH3 (వా)
2. క్రియాజనకాల గాఢత: క్రియాజనకాల గాఢత పెరిగే కొద్దీ చర్యావేగం పెరుగుతుంది. క్రియాజనకాల గాఢత పెరిగితే, అణువుల సంఖ్య, వాటి మధ్య తాడనాల సంఖ్య కూడా పెరిగి చర్యావేగం పెరుగుతుంది. ఇదే విషయాన్ని ద్రవ్యరాశి క్రియానియమం ద్వారా గుల్డ్బర్గ్, వాగే తెలియజేశారు. ఈ నియమం ప్రకారం చర్యారేటు, క్రియాజనకాల మోలార్ గాఢతల లబ్ధానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.
k = రేటు స్థిరాంకం.
c = క్రియాజనకాల గాఢత
n = చర్యక్రమాంకం
3. ఉష్ణోగ్రత: ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే చర్యావేగం కూడా పెరుగుతుంది. అర్హీనియస్ సమీకరణం ప్రకారం ప్రతి 10ºC పెరుగుదలకు చర్యావేగం రెట్టింపు అవుతుంది.
ఉష్ణోగ్రతా గుణకం =
అర్హీనియస్ సమీకరణం
A = అర్హీనియస్ పౌనఃపున్య కారణాంకం
R = వాయు స్థిరాంకం
Ea = ఉత్తేజిత శక్తి
k1, k2 = T1, T2ల వద్ద రేటు స్థిరాంకాలు.
అణుతాడన సిద్ధాంతం ప్రకారం ఉష్ణోగ్రతను పెంచితే అణువుల మధ్య తాడనాల సంఖ్య పెరుగుతుంది. ఎక్కువ అణువులు ఉత్తేజితశక్తిని పొంది చర్యారేటును వృద్ధి చేస్తాయి.
4. ఉత్ప్రేరకం ప్రభావం: చర్యలో పాల్గొనకుండా చర్యావేగాన్ని మార్చే పదార్థాన్ని ఉత్ప్రేరకం అంటారు. ధన ఉత్ప్రేరకం చర్యామార్గాన్ని మార్చి, ఉత్తేజిత శక్తి తక్కువగా ఉండే మార్గంలో చర్యావేగాన్ని పెంచుతుంది.
ఉదా: 2 KClO3 2 KCl + 3 O2
ఇంకా కాంతి వికిరణం, క్రియాజనకాల ఉపరితల వైశాల్యాలు కూడా చర్యారేటును ప్రభావితం చేసే అంశాలే.
రేటు నియమం లేదా రేటు సమీకరణం: చర్యారేటు, క్రియాజనకాల గాఢతల మీద ఆధారపడిన విషయాన్ని తెలియజేసే గణిత సమీకరణం.
2 NO + Cl2 2NOCl
పై చర్యకు రేటు సమీకరణం
చర్యారేటు (v) = k [NO]2 [Cl2]
అయితే ప్రతి చర్యకూ రేటు సమీకరణాన్ని చర్యా సమతుల్య సమీకరణం ద్వారా రాయడానికి వీల్లేదు. రేటు సమీకరణాన్ని ప్రయోగ ఫలితాల ఆధారంగా రాయాల్సి ఉంటుంది.
రేటు స్థిరాంకం (k) యూనిట్లు
n వ క్రమాంకానికి (k) యూనిట్లు: లీటర్ (n -1) మోల్ 1- n సెకన్-1
చర్యా క్రమాంకం: నియమిత ఉష్ణోగ్రత వద్ద చర్యారేటు సమీకరణంలోని వివిధ క్రియాజనకాల గాఢతా పదాల ఘాతాల మొత్తం. దీనిని ప్రయోగ పూర్వకంగా కనుక్కుంటారు. దీని విలువలు సున్నా, భిన్నం, ధన, రుణ పూర్ణాంకాలుగా ఉండొచ్చు.
ప్రథమ క్రమాంక చర్య: N2O5 (వా) N2O4 (వా) + ½ O2 (వా) రేటు = k [N2O5]1
ద్వితీయ క్రమాంక చర్య: 2 N2O (వా) 2 N2 (వా) + O2 (వా) రేటు = k [N2O]2
తృతీయ క్రమాంక చర్య: 2 NO (వా) + O2 (వా) 2 NO2 (వా) రేటు = k [NO]2 [O2]1
సున్నా క్రమాంక చర్య: H2 (వా) + Cl2(వా) 2 HCl (వా) రేటు = k [H2]0 [Cl2]0
చర్యా అణుత: రేటు నియంత్రణ చర్యలో పాల్గొన్న మొత్తం పరమాణువులు లేదా అయాన్ల సంఖ్య. దీన్ని చర్యా విధానంలో తెలుసుకుంటారు. దీని విలువలు ఎప్పుడూ పూర్ణాంకాలుగానే ఉంటాయి. సున్నా, భిన్న విలువలు ఉండవు.
చర్యాక్రమాంకాన్ని ప్రయత్న వైఫల్య పద్ధతి, అర్ధ కాల పద్ధతి, వాంట్ హాఫ్ వ్యవకలన పద్ధతి, ఆస్ట్వాల్డ్ వివిక్తతా పద్ధతుల్లో నిర్ణయించవచ్చు.
సమాకలనం చేసిన రేటు సమీకరణాలు
శూన్యక్రమాంక చర్యలు:
చర్యారేటు సమీకరణంలో ''చర్యారేటు, శూన్య ఘాతాంక క్రియాజనకాల గాఢతలకు అనులోమానుపాతంలో ఉండే చర్యను శూన్యక్రమాంక చర్య" అంటారు.
R (క్రియాజనకాలు) P (క్రియాజన్యాలు)
రేటు = k [క్రియాజనకాలు]º
d(R) = -k.dt
రెండువైపులా సమాకలనం చేస్తే
R = -kt + I (1)
I = సమాకలన స్ధిరాంకం.
t = 0 వద్ద R = [R]º
[R]º = క్రియాజనకం ప్రారంభ గాఢత
[R]º = -k × 0 + I
I = [R]º 2
(2)ను (1)లో ప్రతిక్షేపిస్తే
రెండువైపులా సమాకలనం చేస్తే
ln R = - kt + I (1)
I = సమాకలన స్ధిరాంకం.
t = 0 వద్ద R = [R]º
[R]º = క్రియాజనకం ప్రారంభ గాఢత
ln [R]º = -k × 0 + I
I = ln [R]º (2)
(2)ను (1)లో ప్రతిక్షేపిస్తే
ఇక్కడ a = ప్రారంభ గాఢత
x = ఖర్చయిన క్రియాజనకం గాఢత
చర్య అర్ధాయువు కాలం (t 1/2)
క్రియాజనకం గాఢత, దాని ప్రారంభ గాఢత విలువలో సగం కావడానికి పట్టే చర్యా కాలాన్ని ''చర్య అర్ధాయువు కాలం" అంటారు.
ప్రథమ క్రమాంక చర్యకు t1/2
మిథ్యా ప్రథమ క్రమాంక చర్యలు:
ద్విఅణుకతా చర్యలు, ప్రథమ క్రమాంక చర్యలుగా వ్యవహరిస్తే అలాంటి చర్యలను ''మిథ్యా ప్రథమ క్రమాంక చర్యలు" అంటారు.
చర్య జరిగేటప్పడు నీటి గాఢతలో మార్పు లేకపోవడం వల్ల ఇది ద్విఅణుకతా చర్య అయినప్పటికీ ప్రథమ క్రమాంక చర్యలా వ్యవహరిస్తుంది.
రసాయన చర్యల రేట్ల అణుతాడన సిద్ధాంతం
ఈ సిద్ధాంతాన్ని అర్హీనియస్ ప్రతిపాదించాడు. దీన్ని మాక్స్ ట్రౌట్జ్, విలియం లూయిస్ వివరించారు.
* ఇది వాయువుల అణుచలన సిద్ధాంతంపై ఆధారపడి ఉంటుంది.
* ఈ సిద్ధాంతం ప్రకారం చర్యలో పాల్గొనే అణువులను దృఢమైన గోళాలుగా ఊహించారు.
* చర్య జరగాలంటే క్రియాజనక అణువుల మధ్య తాడనాలు జరగాలి.
* తాడనాలు జరగడానికి 2 లేదా అంతకంటే ఎక్కువ అణువులు కావాలి.
σAB = తాడన వ్యాసం µ = క్షయీకృత ద్రవ్యరాశి
nA, nB = A, B అణువుల సంఖ్య
పురోగామి చర్య (Ea) f = ET - ER
తిరోగామి చర్య (Ea) b = ET - EP
* రసాయనచర్య జరగడానికి తాడనం జరిపే అణువులకు ఉండే శక్తిని '' కనీస శక్తి" లేదా ''ఆరంభ శక్తి (ET)" అంటారు.
* ఆరంభశక్తి లేని అణువులను సాధారణ అణువులు అంటారు.
* సాధారణ అణువుల మధ్య జరిపే తాడనాలను ''సాధారణ తాడనాలు" అంటారు. ఇవి రసాయన చర్యకు దోహదపడవు కాబట్టి క్రియాజన్యాలు ఏర్పడవు.
* రసాయనచర్య పూర్తవడానికి, సాధారణ శక్తి ఉండే అణువులకు కావాల్సిన అధికశక్తిని ''ఉత్తేజిత శక్తి (Ea)" అంటారు.
Ea = ET - ER
* ఉత్తేజిత శక్తిని కలిగిన అణువులను ''ఉత్తేజిత అణువులు" అంటారు.
* అనువైన దృగ్విన్యాసం ఉన్న క్రియాజనక అణువులే బంధాలను ఏర్పరచి, క్రియాజన్యాలను ఏర్పరుస్తాయి.
* ఉత్తేజిత శక్తి ఉండే అణువుల మధ్య అనువైన దృగ్విన్యాసంలో తాడనాలు జరిపితే వాటిని ''సార్థక తాడనాలు" లేదా ''ఫలప్రద తాడనాలు" అంటారు.
* సాధారణ తాడనాలతో పోలిస్తే సార్థక తాడనాల సంఖ్య తక్కువగా ఉంటుంది.
* ఒక ప్రమాణ ఘనపరిమాణంలో ఉండే చర్యా మిశ్రమంలోని అణువులు ఒక సెకనులో జరిపే తాడనాల సంఖ్యను ''తాడన పౌనఃపున్యం (Z)" అంటారు.
* ఉత్తేజిత శక్తి కూడా చర్యారేటును ప్రభావితం చేస్తుంది.
ద్విఅణుక ప్రాథమిక చర్యలో A + B
రేటు = P.ZAB.e-Ea/RT
ZAB = A, B క్రియాజనకాల తాడన పౌనఃపున్యం
P = సంభావ్యతా (దృగ్విన్యాస) కారణాంశం
Ea = ఉత్తేజిత శక్తి
R = విశ్వ వాయుస్థిరాంకం
* ఉత్తేజిత శక్తి, చర్యాణువుల అనువైన దృగ్విన్యాసం ప్రభావిత తాడనాలు (చర్య) జరగడానికి అవసరమైన నిబంధనలు.
లోపాలు:
* ఈ సిద్ధాంతం చర్యలో పొల్గొనే పరమాణువులు లేదా అణువులను వాటి నిర్మాణాలతో నిమిత్తం లేకుండా దృఢమైన గోళాలుగా భావించడం.
* అణువుల నిర్మాణాలను పరిగణనలోకి తీసుకోకపోవడం.