క్రియాశీల శక్తి

క్రియాశీల శక్తి

రసాయనాలని కలిపినప్పుడు అవి ఎంత సమర్ధవంతంగా సంయోగం చెందుతాయో చెప్పడానికి క్రియాశీల శక్తి లేదా చర్యాశీల శక్తి లేదా "ఉత్తేజన శక్తి" (activation energy) అనే భావనను స్వీడన్‌ దేశపు శాస్త్రవేత్త సెవెంటే ఎర్రీనియస్ 1889 లో ప్రవేశపెట్టడము జరిగింది. దీనిని ఒక రసాయన చర్య ప్రారంభించడానికి అవసరమైన కనీస శక్తి అని నిర్వచించవచ్చు. ఈ శక్తిని సాధారణంగా E_a అని సూచిస్తారు. దీనిని ఒక మోలు ఒక్కంటికి ఇన్ని కిలోజూలులు kJ/mol అని కాని, మోలు ఒక్కంటికి ఇన్ని కిలోకేలరీలు kcal/mol అని కాని కొలుస్తారు.

ఈ ఊహనం (concept) ఒక ఉదాహరణ ద్వారా పరిశీలించడానికి ఈ దిగువ చూపిన ఉత్క్రమణీయ (reversible) రసాయన ప్రక్రియని పరిశీలిద్దాం:

ClNO₂ + NO <--> NO₂ + ClNO

ఇక్కడ ఎడమ పక్కన ఉన్న ClNO₂ మరియు NO రసాయన చర్యలో పాత్రధారులు. కుడి పక్క ఉన్న ClNO మరియు NO₂ చర్య జరిగిన తరువాత మిగిలిన ఉపలబ్దులు (products of reaction). ఈ రసాయన ప్రక్రియ జరుగుతూన్నప్పుడు ClNO₂ లో నత్రజని అణువుని (N) పట్టుకుని ఉన్న హరితం అణువు (Cl) తమ మధ్య ఉన్న పరస్పర బంధం తెంచుకుని NO లో ఉన్న నత్రజని అణువుని పట్టుకుంటుంది. ఈ పని జరగాలంటే NO లో ఉన్న నత్రజని అణువు వెళ్లి ClNO₂ లో ఉన్న హరితం అణువుని బలంగా గుద్దుకోవాలి. ఇక్కడ విషయం సమగ్రంగా అర్థం కావాలంటే బణువులు (molecules) లో అణువుల అమరిక ఎలా ఉంటుందో అర్థం కావాలి. ఉదాహరణకి, NO బణువుకి ఉల్టా-సీదాలు ఉంటాయి; అనగా, ఒక నత్రజని శీర్షం (Nitrogen end) ఒక ఆమ్లజని శీర్షం (Oxygen end) ఉంటాయి. అలాగే ClNO₂ బణువుకి ఒక హరితం శీర్షం, రెండు ఆమ్లజని శీర్షాలు ఉంటాయి. అనగా, ఒక బణువుకి మూడు శీర్షాలు, మరొక బణువుకి రెండు శీర్షాలు ఉంటాయి కదా. ఈ రెండు బణువులని దగ్గరకి తీసుకువచ్చినప్పుడు Cl కి O ఎదురుపడి గుద్దుకున్నా, O కి N ఎదురుపడి గుద్ధుకున్నా రసాయన ప్రక్రియ జరగదు; Cl కి N ఎదురుపడి గుద్దుకుంటేనే రసాయన ప్రక్రియ జరుగుతుంది.

పైన చెప్పిన రసాయన ప్రక్రియ జరగడానికి మరొక సందర్భం కూడ కలిసిరావాలి. బణువులన్నీ ఒకే గతిజ శక్తితో (kinetic energy = 0.5 mv²) తిరుగాడుతూ ఉండవు. కనుక రెండు బణువులు ఎదురుపడి గుద్దుకున్నప్పుడు అవి ఎక్కువ గతిజ శక్తితో గుద్దుకుంటే వాటి మధ్య రసాయన సంయోగం మొదలవడానికి సావకాశాలు పెరుగుతాయి. అంటే ఏమిటన్న మాట? రసాయన సంయోగానికి పాత్రధారులలో సహజసిద్ధంగా ఉండే నైసర్గిక శక్తి (free energy) ఒక కనీసపు శక్తిని - క్రియాశీల శక్తిని - మించి ఉండాలి. ఈ రకం ఊహని సమీకరణ బద్ధం చేసేరు ఎర్రీనియస్‌.

The relationshipక్రియాశీల శక్తికి($E_{a}$) మరియు ఎంథాల్పి మధ్య సంబంధం(ΔH) ఉత్ప్రేరకం వాడి ఉత్ప్రేరకం లేకుండా ,స్పందన సమన్వయంకి రేఖా చిత్రం .అత్యధిక శక్తి స్థానం ( శిఖరం స్థానం ) పరివర్తనం స్థితిని సూచిస్తుంది. ఉత్ప్రేరక తో , పరివర్తన స్థాయి యొక్క శక్తి తగ్గడంతో రసాయన చర్య ప్రారంభం అవ్వడానికి కావాల్సిన శక్తి తగ్గిపోతుంది.

ఈ క్రియాశీల శక్తిని ఊహించుకోడానికి పక్కన ఉన్న గ్రాఫు ఉపయోగపడుతుంది.

ఈ చిత్రములో ఎడమ నుండి కుడికి వెళుతూ ఉన్న నల్ల గీతపై దృష్టి సారిద్దాం. రసాయన చర్య మొదలయే ముందు చర్యలో పాల్గొంబోయే ఘటకద్రవ్యాల శక్తి X అని బొమ్మ చెబుతోంది. కాలగమనంతో పాటు కుడి పక్కకి జరుగుతున్నాం. రసాయన చర్య జరగాలంటే ఈ నల్ల గీత చూపించే "మూపురం" దాటగలగాలి. అంటే ఘటకద్రవ్యాల శక్తి పెరగాలి. ఎంత పెరగాలి? ఈ బొమ్మ ప్రకారం E_a అంత పెరగాలి. అంటే ఒంటె మూపురంలా ఉన్న అవరోధాన్ని దాటగలగాలి. ఈ అవరోధాన్ని దాటితేకాని రసాయన చర్య కొనసాగదు. రసాయన చర్య సహేతుకమైన మార్పుదల (రేటు) తో కొనసాగాలంటే క్రియాశీల శక్తి E_a, లేక అంత కన్నా ఎక్కువ శక్తి, వున్న అణువులు/బణువులు ఘటకద్రవ్యాలలో గణనీయమైన సంఖ్యలో వుండాలి.

ఎరీనియెస్ సమీకరణము- ఉష్ణోగ్రత

ఎరీనియెస్ సమీకరణం క్రియాశీల శక్తికి మరియు చర్య యొక్క రేటుకు మద్య గల సంబంధమును పరిమాణాత్మక శైలిలో వివరిస్తుంది. ఆర్హినియెస్ సమీకరణం ద్వారా క్రియాశీల శక్తిని ఈ కింది సూత్రము ఆదారంగా కనుగొనవచ్చు.

$k=Ae^{{-E_{a}}/{RT}}$

ఇక్కడ A అనునది రసాయన చర్య యొక్క ఫ్రీక్వెన్సీ కారకం , R అనునది సార్వత్రిక వాయువు స్థిరాంకం , T అనునది కెల్విన్లలో ఉష్ణోగ్రత మరియు k అనునది చర్యా గుణాంకము . E_a' ను ఉష్ణోగ్రతతో మారే చర్య గుణాంకముల యొక్క వైవిధ్యం ద్వారా గుణించవచ్చు(ఆర్హినియెస్ సమీకరణము యొక్క పరిధిలో )

ప్రతికూల క్రియాశీల శక్తి

కొన్ని సందర్భాలలో చర్య యొక్క రేట్లు పెర్గుతున్న ఉష్ణోగ్రతతో తగ్గుముఖము పడతాయి. ఎప్పుడైతే రేటు స్టీరాంకమును ఆర్హినియెస్ సమీకరణముతో అనుసందానించుటకు రమారమి ఘాతీయ సంబంధమును అనుసరించినపుడు , అది క్రియాశీల శక్తికి రుణాత్మక విలువలను సూచిస్తుంది. ప్రాధమిక రసాయన చర్యలు ఏవైతే ఈ రుణాత్మక క్రియాశీల శక్తి ని కల్గి వుంటాయో అవి స్తులంగా ఎటువంటి అవరోధము లేని రసాయన చర్యలు. ఈ కోవకు చెందిన రసాయన చర్య సంభావ్య శక్తి గల అణువుల సంగ్రహము మీద ఆదారపడి వుంటుంది. ఉష్ణోగ్రతలో పెరుగదల వల్ల అణువుల తాకిడికి గల సంభావ్యత తగ్గుతుంది.(మరింత వేగముతో కూడుకున్న తాకిడ్లు రసాయన చర్యలకు దారి తీయవు . ఎందుకంటే పై స్థాయిలో ఆ అదనపు శక్తి తాకిడిలో పాల్గొనే కణములను ఆ సంభావ్య స్తాయి నుండి వేరుచూస్తుంది. ) ఏదైతే పెరుగుతున్న ఉష్ణోగ్రతతో తగ్గే చర్య రేటు గా వ్యక్తీకరించబడిందో అది రేఖచిత్రములో సంభావ్య పటములో ఎత్తుగా మనము వ్యాఖ్యానించడము ఇక ఎంతమాత్రము సమంజసము కాదు .

ఉత్ప్రేరకాలు

ఏదైతే పరివర్తన స్తాయిని మార్చి క్రియాశీల శక్తిని తగ్గిస్తుందో దానిని ఉత్ప్రేరకం అంటారు.ఒక జీవ ఉత్ప్రేరకమును ఎంజైమ్ అంటారు. ఇక్కడ ఉత్ప్రేరకము రసాయణ చర్య యొక్క రేటును వృద్ది చేస్తుంది కానీ అది రసాయన చర్యలో పాల్గొనదు.ఉత్ప్రేరకములు కేవలము క్రియాశీల శక్తి ని మాత్రమే తగ్గిస్తాయి కానీ రసాయన చర్యలో పాల్గొనే కారాకాల లేదా ఉత్పత్తుల అసలు శక్తి ని ఏ మాత్రము మార్చవు .

గిబ్స్ ఉచిత శక్తి తో సంబంధం

ఆర్హినియెస్ సమీకరణములో క్రియాశీల శక్తి(E_a) అను పదము పరివర్తన స్థాయిని చేరుటకు కావల్సిన శక్తిని సూచిస్తుంది. అలాగే ఐరింగ్ సమీకరణం ]]కూడా చర్య యొక్క రేటును వివరిస్తుంది.E_a యొక్క భావనకు బదులు గిబ్బ్స్ ఉచిత శక్తి అను కొత్త భావనను ఉపయోగించింది. దీనిని *$\ \Delta G^{\ddagger }$ ని సూచక చిహ్నంగా పరిగణిస్తారు, ఇది పరివర్తన యొక్క శక్తిని సూచిస్తుంది.

మూలాలు

http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch22/activate.html