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) అర్థం అవాలంటే ఒక్క అడుగు వెనక్కి వేసి బణువుల లక్షణాలని పరిశీలించి చూడాలి. ప్రతి బణువు (molecule) కి కొంత శక్తి ఉంటుంది. ఈ శక్తి ఆ బణువు యొక్క స్థాయిని బట్టి వచ్చినదైతే దానిని స్థితిజ శక్తి (potential energy) అంటారు. ఈ శక్తి ఆ బణువు యొక్క కదలికని బట్టి వచ్చినదైతే దానిని గతిజ శక్తి (kineteic energy) అంటారు. బణువులు జోరుగా ప్రయాణం చేస్తూ, ఒకదానితో మరొకటి ఢీకొన్నప్పుడు వాటిలో ఉన్న గతిజ శక్తి ప్రభావం వల్ల ఆ బణువులో బంధాలు సాగవచ్చు, ఒంగవచ్చు, విరిగిపోవచ్చు. ఇలా ఉన్న బంధాలు విరిగి, కొత్త బంధాలు ఏర్పడడమే రసాయన సంయోగ ప్రక్రియ అంటే.

బణువులు మరీ నెమ్మదిగా ప్రయాణించినా, ఢీకొన్నప్పుడు అనుకూలమైన కోణంలో ఢీకొనకపోయినా రసాయన సంయోగం జరగదు; బంతులులా ఢీకొని, పరావర్తనం చెంది, మరో దిశలోకి వెళ్లిపోతాయి. బణువులు (1) కావలసినంత జోరుగా ప్రయాణం చేసి, (2) అనుకూలమైన కోణంలో ఢీకొని, (3) వాటి గతిజ శక్తి ఒక కనిష్ఠ అవధిని దాటినప్పుడు రసాయన సంయోగం జరుగుతుంది. ఆ కనిష్ఠ అవధిని క్రియాశీలక శక్తి (activation energy) అంటారు.

దీనికి ఒక చిన్న ఉపమానం. ఒక బండరాయిని ఒక గుట్ట మీదకి లేవనెత్తి, ఆవలికి తొయ్యాలనుకుందాం. కొద్దిపాటి శక్తితో తోస్తే రాయి జరజరా వెనక్కి జారిపోతుంది. రాయిని ఆవలికి తొయ్యాలంటే శిఖరం దాటే వరకు బలంగా తొయ్యాలి. ఈ శిఖరం ఎత్తుని క్రియాశీలక శక్తితో పోల్చవచ్చు.

ఈ ఊహనాన్ని మరింత లోతుగా, 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 ఉపలబ్ధులు (products of reaction). ఈ రసాయన ప్రక్రియ జరుగుతూన్నప్పుడు ClNO₂లో 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 ClNO₂లో 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 కూడా 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. ఉత్ప్రేరకతో, 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

ఒక రసాయనిక ప్రక్రియ జరిగే జోరుని ఉష్ణోగ్రత నిర్దేశిస్తుంది. అనగా వేడి పెరుగుతూన్నకొద్దీ జోరు పెరుగుతుంది. ఎందుకుట? వేడి పెరిగే కొద్దీ, ఘటక ద్రవ్యాలలో ఉన్న అణువులు, బణువులు ప్రయాణించే జోరు పెరుగుతుంది. దానితో అవి ఢీకొనే సంభావ్యత పెరుగుతుంది. అంతే కాదు. జోరుతో వాటి గతిజ శక్తి పెరుగుతుంది. దానితో మూపురాన్ని దాటే అవకాశం పెరుగుతుంది.

వేడితోపాటు ప్రక్రియ జోర్య్ పెరుగుతోందంటే దానికి కారణం చర్యా గుణాంకం (rate constant) k ఉష్ణోగ్రత మీద ఆధారపడాలి. ఇది ఎలా ఆధారపడుతుందో చెప్పడానికి ఎర్రీనియస్‌ ఒక గణిత సమీకరణాన్ని ఇచ్చేరు: .

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

ఇక్కడ A అనునది రసాయన చర్య మీద ఆధారపడి ఉంటుంది, R అనునది సార్వత్రిక వాయువు స్థిరాంకం, T అనునది కెల్విన్ డిగ్రీలలో ఉష్ణోగ్రత, E_a క్రియాశీల శక్తి.

ప్రతికూల క్రియాశీల శక్తి

కొన్ని సందర్భాలలో, ఉష్ణోగ్రత పెరుగుతూన్నకొద్దీ చర్యలోని మార్పుదల (రేటు) పెరగడానికి బదులు తగ్గుముఖము పడుతుంది. అప్పుడు క్రియాశీల శక్తి రుణాత్మక విలువలను పొందుతుంది. ప్రాథమిక రసాయన చర్యలు ఏవైతే ఇటువంటి రుణాత్మక క్రియాశీల శక్తిని కలిగి వుంటాయో అవి అవరోధము లేని రసాయన చర్యలు. ఈ సందర్భంలో రేఖచిత్రములో ఉన్న మూపురముని గతంలోలా వ్యాఖ్యానించడము ఇక ఎంతమాత్రము సమంజసము కాదు .

ఉత్ప్రేరకాలు

ఏదైతే పరివర్తన స్థాయిని మార్చి క్రియాశీల శక్తిని తగ్గిస్తుందో దానిని ఉత్ప్రేరకం అంటారు. జీవరసాయనంలో ఎదురయే ఉత్ప్రేరకాలని అజములు (enzyme) అంటారు. ఇక్కడ ఉత్ప్రేరకము రసాయన చర్య యొక్క మార్పుదలని వృద్ది చేస్తుంది కానీ అది రసాయన చర్యలో పాల్గొనదు. ఉత్ప్రేరకములు కేవలము క్రియాశీల శక్తిని మాత్రమే తగ్గిస్తాయి కానీ రసాయన చర్యలో పాల్గొనే కారాకాల లేదా ఉత్పత్తుల అసలు శక్తిని ఏ మాత్రము మార్చవు .

మూలాలు

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