ගතික සමතුලිතතාව හා සමතුලිතතා නියත Kc හා Kp
ප්‍රතිවර්ත ප්‍රතික්‍රියා හා ගතික සමතුලිතතාව, Kc හා Kp ලිවීම, Kp = Kc(RT)^Δn, විෂමජාතීය සමතුලිතතා, ප්‍රතික්‍රියා ලබ්ධිය Q හා සමතුලිතතා ගණනය කිරීම්.
ප්‍රතිවර්ත ප්‍රතික්‍රියා හා ගතික සමතුලිතතාව (Dynamic Equilibrium)
බොහෝ ප්‍රතික්‍රියා සම්පූර්ණ නොවේ. සංවෘත පද්ධතියක (closed system) ඵල නැවත ප්‍රතික්‍රියා කර ප්‍රතික්‍රියක ලබා දෙන බැවින් ප්‍රතික්‍රියාව ප්‍රතිවර්ත (reversible) වේ: $$\text{H}_2(\text{g}) + \text{I}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{HI}(\text{g})$$ ආරම්භයේ දී සිදු වන්නේ ඉදිරි ප්‍රතික්‍රියාව පමණි. ප්‍රතික්‍රියක වැය වන විට ඉදිරි ශීඝ්‍රතාව අඩු වන අතර ඵල එක්රැස් වන විට පසු ප්‍රතික්‍රියාවේ ශීඝ්‍රතාව වැඩි වේ. ශීඝ්‍රතා දෙක සමාන වූ විට සාන්ද්‍රණ වෙනස් වීම නවතී. මෙය ගතික සමතුලිතතාව යි: ප්‍රතික්‍රියා දෙක ම තවමත් සිදු වුව ද ශුද්ධ වෙනසක් නැත.
සමතුලිතතාවේ ඇති පද්ධතියක ලක්ෂණ:
- නියත උෂ්ණත්වයේ සංවෘත පද්ධතියක (කිසිවක් ඇතුළු නොවන, පිට නොවන) පමණක් එයට එළඹේ.
- මහේක්ෂීය ගුණ (සාන්ද්‍රණය, පීඩනය, වර්ණය, ඝනත්වය) නියත ය.
- එය ගතික ය: H₂/I₂/HI සමතුලිත මිශ්‍රණයට ¹³¹I₂ ස්වල්පයක් එක් කළ විට ඉක්මනින් ම විකිරණශීලී අයඩින් HI තුළ ද දක්නට ලැබේ.
- ප්‍රතික්‍රියකවලින් පටන් ගත්ත ද ඵලවලින් පටන් ගත්ත ද එළඹෙන්නේ එක ම සමතුලිතතාවට ය (රූපයේ ඉරි වක්‍ර).
- උත්ප්‍රේරකයක් (catalyst) ප්‍රතික්‍රියා දෙක ම සමානව වේගවත් කරන බැවින් සමතුලිතතාවට ඉක්මනින් එළඹුණ ද එහි පිහිටීම වෙනස් නොවේ.
භෞතික සමතුලිතතාවක් ද එලෙස ම හැසිරේ. වසා ඇති ජල බෝතලයක, වාෂ්පය සංතෘප්ත වූ පසු වාෂ්පීකරණය හා ඝනීභවනය සමාන ශීඝ්‍රතාවලින් සිදු වේ.
සමතුලිතතා නියතය Kc (Equilibrium Constant)
සමතුලිතතාවේ ඇති සාමාන්‍ය ප්‍රතික්‍රියාවක් සඳහා $$a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D} \qquad K_c = \frac{[\text{C}]^c[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a[\text{B}]^b}$$ මෙහි කොටු වරහන් යනු $\text{mol dm}^{-3}$ වලින් සමතුලිත සාන්ද්‍රණ යි. මෙය සමතුලිතතා නියමය (ස්කන්ධ ක්‍රියා නියමය, law of mass action) යි. එහි ඒකක සමීකරණය මත රඳා පවතී: $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$ සඳහා $K_c$ ට ඒකක නැත; $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ සඳහා ඒකක $\text{mol}^{-2}\text{dm}^{6}$ වේ.
- විශාල $K$ අගයක් (උදා. $> 10^{3}$) යනු සමතුලිතතාව දකුණට (බොහෝ දුරට ඵල) පිහිටන බවයි; කුඩා $K$ ($< 10^{-3}$) යනු එය වමට පිහිටන බවයි.
- දෙන ලද උෂ්ණත්වයක දී $K$ නියත ය. සාන්ද්‍රණ හෝ පීඩනය වෙනස් කිරීම හෝ උත්ප්‍රේරකයක් එක් කිරීම $K$ වෙනස් නොකරයි. එය වෙනස් කරන්නේ උෂ්ණත්වය වෙනස් කිරීම පමණි.
- $K$ අයත් වන්නේ නිශ්චිත සමීකරණයකට ය. සමීකරණය ප්‍රතිවර්ත කළ විට $K' = 1/K$. එය 2 න් ගුණ කළ විට $K' = K^2$. සමීකරණ දෙකක් එකතු කළ විට $K = K_1 K_2$.
විෂමජාතීය සමතුලිතතා (Heterogeneous Equilibria)
සමජාතීය (homogeneous) සමතුලිතතාවක සියලු ප්‍රභේද එක කලාපයක ඇත. විෂමජාතීය සමතුලිතතාවක ඒවා විවිධ කලාපවල ඇත. ශුද්ධ ඝනයක හෝ ශුද්ධ ද්‍රවයක සාන්ද්‍රණය නියත බැවින් එය ප්‍රකාශනයෙන් ඉවත් කරයි: $$\text{CaCO}_3(\text{s}) \rightleftharpoons \text{CaO}(\text{s}) + \text{CO}_2(\text{g}) \qquad K_c = [\text{CO}2], \quad K_p = p{\text{CO}_2}$$ එබැවින් සංවෘත භාජනයක රත් කළ හුණුගල් මත CO₂ පීඩනය, CaCO₃ හා CaO දෙක ම පවතින තාක් කල්, ඒවායේ ප්‍රමාණය කුමක් වුව ද දෙන ලද උෂ්ණත්වයක දී නියත ය.
වායුමය සමතුලිතතා සඳහා Kp
වායු සඳහා ආංශික පීඩන (partial pressures) යෙදීම බොහෝ විට පහසු ය. මිශ්‍රණයක ඇති වායුවක ආංශික පීඩනය $p_i = x_i P$ වේ; මෙහි $x_i$ එහි මවුල භාගය ද $P$ මුළු පීඩනය ද වේ. $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}3$ සඳහා: $$K_p = \frac{p{\text{NH}3}^2}{p{\text{N}2},p{\text{H}_2}^3}$$ පරිපූර්ණ වායුවකට $p = \dfrac{n}{V}RT = cRT$ බැවින්, $$K_p = K_c,(RT)^{\Delta n}, \qquad \Delta n = (c + d) - (a + b)\ \text{(වායුමය ප්‍රභේද පමණි)}$$ පීඩන Pa වලින් ඇති විට $R = 8.314\ \text{J K}^{-1}\text{mol}^{-1}$ ද සාන්ද්‍රණ $\text{mol m}^{-3}$ වලින් ද යොදන්න ($1\ \text{mol dm}^{-3} = 1000\ \text{mol m}^{-3}$). H₂ + I₂ ⇌ 2HI හි මෙන් $\Delta n = 0$ වූ විට $K_p = K_c$.
ප්‍රතික්‍රියා ලබ්ධිය Q (Reaction Quotient)
$Q$ ට $K$ හි ආකාරය ම ඇති නමුත් එය යොදන්නේ ඕනෑ ම මොහොතක සාන්ද්‍රණ (හෝ පීඩන) ය; ඒවා සමතුලිත අගය විය යුතු නැත. $Q$ හා $K$ සැසඳීමෙන් මිශ්‍රණය ගමන් කරන දිශාව කියයි:
- $Q < K$: ඵල අඩු ය, ශුද්ධ ප්‍රතික්‍රියාව ඉදිරියට යයි.
- $Q > K$: ඵල වැඩි ය, ශුද්ධ ප්‍රතික්‍රියාව පසුපසට යයි.
- $Q = K$: මිශ්‍රණය සමතුලිතතාවේ ඇත.
සමතුලිතතා ගණනය කිරීම්
ආරම්භක ප්‍රමාණ, වෙනස්වීම් හා සමතුලිත ප්‍රමාණ සහිත වගුවක් ("ICE" වගුව) සකසන්න; වෙනස්වීම් සඳහා ස්ටොයිකියෝමිතිය යොදන්න.
උදාහරණය: H₂ 1.00 mol හා I₂ 1.00 mol, $K_c = 49$ වන 450 °C දී මුද්‍රා තැබූ 1.00 dm³ ප්ලාස්කුවක රත් කරයි. H₂ $x$ mol ප්‍රතික්‍රියා කරයි යැයි ගනිමු. සමතුලිතතාවේ දී: $[\text{H}_2] = [\text{I}_2] = 1.00 - x$, $[\text{HI}] = 2x$. $\dfrac{(2x)^2}{(1.00 - x)^2} = 49 \Rightarrow \dfrac{2x}{1.00 - x} = 7 \Rightarrow x = \dfrac{7}{9} = 0.778$. එබැවින් $[\text{HI}] = 1.56\ \text{mol dm}^{-3}$ හා $[\text{H}_2] = [\text{I}_2] = 0.222\ \text{mol dm}^{-3}$.
උදාහරණය: N₂O₄ ⇌ 2NO₂. N₂O₄ 1 mol කින් පටන් ගනිමු; සමතුලිතතාවේ දී $\alpha$ භාගයක් විඝටනය වී ඇති බැවින් N₂O₄ $(1 - \alpha)$ mol ද NO₂ $2\alpha$ mol ද, මුළු $(1 + \alpha)$ mol ද ඇත. මුළු පීඩනය $P$ දී: $$K_p = \frac{\left(\dfrac{2\alpha}{1 + \alpha}P\right)^2}{\dfrac{1 - \alpha}{1 + \alpha}P} = \frac{4\alpha^2 P}{1 - \alpha^2}$$ $P = 1.0 \times 10^5\ \text{Pa}$ දී $\alpha = 0.20$ නම්, $K_p = \dfrac{4(0.04)(1.0 \times 10^5)}{0.96} = 1.7 \times 10^4\ \text{Pa}$.
උදාහරණය: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ සඳහා $\Delta n = 2 - 3 = -1$ බැවින් $K_p = K_c (RT)^{-1}$, එනම් $K_c = K_p RT$.
Exam tip: $K$ හි සැම විට ම සමතුලිත ප්‍රමාණ යොදන්න; සාන්ද්‍රණ ලබා ගැනීමට මවුල පරිමාවෙන් බෙදන්න ($\Delta n = 0$ විට පරිමාව කැපී යයි); ඝන හා ශුද්ධ ද්‍රව ඉවත් කරන්න. ප්‍රශ්නයේ දී ඇත්තේ මවුල ද, සාන්ද්‍රණ ද, පීඩන ද යන්න හොඳින් කියවන්න.
වැරදෙන තැන: ආරම්භක ප්‍රමාණ $K$ හි ආදේශ කිරීම; ස්ටොයිකියෝමිතික බල අමතක කිරීම; උත්ප්‍රේරකයක් හෝ පීඩන වෙනසක් $K$ වෙනස් කරන බව පැවසීම.