खालील विधाने विचारात घ्या. रासायनिक अभिक्रियेचा दर हा ________ (a) अभिक्रियाकारकांच्या संहतीच्या प्रमाणात बदलतो. (b) अभिक्रियाकारकांची संहती वाढविली की, कमी होतो. (c) तापमान वाढविले की, वाढतो. (d) तापमान वाढविले की, कमी होतो. वरीलपैकी कोणते विधान/विधाने बरोबर आहेत ?
- (1)फक्त (b)
- (2)फक्त (d)
- (3)फक्त (a) आणि (c)
- (4)फक्त (b) आणि (d)
बरोबर उत्तर पर्याय (3) — 'फक्त (a) आणि (c)'. छापलेली चार विधाने परस्परविरोधी अशा दोन जोड्या बनवतात : एक जोडी संहतीविषयी आणि दुसरी तापमानाविषयी. प्रत्येक जोडीत नेमके एकच विधान खरे असते, म्हणून उत्तरात प्रत्येक जोडीतले एक असे दोन विधाने आलीच पाहिजेत. विधान (a) म्हणते की अभिक्रियेचा दर अभिक्रियाकारकांच्या संहतीच्या प्रमाणात बदलतो, आणि पहिल्या जोडीतले खरे विधान तेच आहे. याचे कारण टक्कर सिद्धांत देतो : अभिक्रिया तेव्हाच घडते जेव्हा अभिक्रियाकारकांचे कण पुरेशा ऊर्जेने आणि योग्य दिशेने एकमेकांवर आदळतात; त्याच घनफळात अधिक कण कोंबले की दर सेकंदाला होणाऱ्या टकरींची संख्या वाढते आणि म्हणून दरही वाढतो. हाच वस्तुमान क्रियेच्या नियमाचा आशय आहे, आणि तो दर-नियमात — दर = k[A]^x[B]^y — संख्यात्मक रूपात मांडला जातो, जिथे घातांक म्हणजे प्रत्येक अभिक्रियाकारकाच्या संदर्भातील कोटी आणि ती प्रयोगानेच ठरवावी लागते. विधान (c) म्हणते की तापमान वाढविले की दर वाढतो, आणि दुसऱ्या जोडीतले खरे विधान तेच आहे; शिवाय त्याचे कारण पहिल्याहून वेगळे आणि अधिक प्रभावी आहे. तापमान वाढवले की कणांची सरासरी गतिज ऊर्जा वाढते, त्यामुळे टकरी अधिक वारंवार तर होतातच, पण त्याहून महत्त्वाचे म्हणजे त्या अधिक ऊर्जावानही होतात : किमान सक्रियण ऊर्जा बाळगणाऱ्या रेणूंचे प्रमाण झपाट्याने वाढते, कारण आर्हेनियस संबंधानुसार ते तापमानावर घातांकीय रीतीने अवलंबून असते. म्हणूनच तापमानातील बेताची वाढसुद्धा दरात मोठी वाढ घडवू शकते, आणि म्हणूनच रसायनशास्त्राची पाठ्यपुस्तके सुमारे दहा अंश वाढीला अनेक अभिक्रियांचा दर स्थूलमानाने दुप्पट होतो असा ढोबळ नियम देतात. विधाने (b) आणि (d) ही याच दोहोंची नेमकी उलटी मांडणी आहेत आणि दोन्ही खोटी आहेत. उत्तर न बदलता एक बारकावा नोंदवण्यासारखा आहे : विधान (a) मधले 'प्रमाणात' हे पाठ्यपुस्तकी ढोबळ अर्थाने घ्यावे, कारण काटेकोरपणे बोलायचे तर दर संहतीच्या अभिक्रिया-कोटीएवढ्या घातावर अवलंबून असतो, आणि शून्य कोटीच्या अभिक्रियेत तर संहती बदलली तरी दर अजिबात बदलत नाही.
- (1)फक्त (b) — विधान (b) म्हणते की अभिक्रियाकारकांची संहती वाढवली की दर कमी होतो, म्हणजे ते प्रत्यक्ष अवलंबित्व उलटे करून टाकते. त्याच घनफळात अधिक अभिक्रियाकारक असणे म्हणजे एकक काळात अधिक टकरी आणि म्हणून वेगवान अभिक्रिया; नेमक्या याच कारणाने रसायनशास्त्रज्ञ अभिक्रिया मंदावण्यासाठी मिश्रण विरळ करतात आणि वेगवान करण्यासाठी ते दाट करतात. शिवाय हा पर्याय दुसऱ्या एका कारणानेही कोसळतो : छापलेल्या चार विधानांपैकी दोन खरी असताना तो फक्त एकाच विधानाचे नाव घेतो. संहतीच्या परिणामाबद्दल साशंक असलेल्या उमेदवारानेही एवढे तरी लक्षात घ्यावे की या पर्यायात तापमानाच्या जोडीचा निकालच लावलेला नाही.
- (2)फक्त (d) — विधान (d) म्हणते की तापमान वाढविले की दर कमी होतो, जे नेहमीच्या अभिक्रियांच्या बाबतीत सत्याच्या अगदी उलट आहे. तापमान वाढवल्याने टकरींची वारंवारता आणि त्यांची ऊर्जा या दोन्ही वाढतात, आणि सक्रियण ऊर्जेचा अडथळा ओलांडणाऱ्या रेणूंची संख्या तापमानाबरोबर तीव्रपणे वाढते. याचा रोजचा पुरावा परिचित आहे : अन्न उष्णता देऊन शिजवले जाते आणि थंड करून टिकवले जाते, नेमके यासाठीच की रासायनिक व जैवरासायनिक बदल उष्ण अवस्थेत वेगाने आणि थंड अवस्थेत सावकाश घडतात. आधीच्या पर्यायाप्रमाणेच इथेही केवळ एकाच विधानाचे नाव घेतल्याने संहतीची जोडी निकालाविनाच राहते.
- (4)फक्त (b) आणि (d) — हा पर्याय बरोबर उत्तराचा तंतोतंत उलटा आहे : तो प्रत्येक जोडीतले खोटे विधान उचलतो. प्रश्नात चुकीची विधाने विचारली आहेत असे समजून वाचणारा उमेदवार, किंवा अभिक्रियेचा दर आणि उत्क्रमणीय अभिक्रियेतील समतोलावरील उत्पादन यांची गल्लत करणारा उमेदवार नेमका हाच पर्याय निवडतो. ऊष्मादायी अभिक्रियेत तापमान वाढवले असता समतोलावरचे उत्पादन खरोखर घटते हे खरे, पण समतोल गाठण्याचा वेग तरीही वाढतोच. अभिक्रिया किती वेगाने जाते आणि ती किती दूरवर जाते या दोन स्वतंत्र गोष्टी आहेत — ही फोड नेमकी तपासण्यासाठीच हा पर्याय रचलेला आहे.
रासायनिक गतिकी अभिक्रिया किती वेगाने घडते हे विचारते, आणि तो प्रश्न ऊष्मागतिकीच्या प्रश्नाहून वेगळा आहे — ऊष्मागतिकी अभिक्रिया घडेल का आणि किती दूरवर जाईल हे विचारते. दर म्हणजे एकक काळात अभिक्रियाकारकाच्या किंवा उत्पादाच्या संहतीत होणारा बदल, आणि सर्वसाधारण अभिक्रियेसाठी तो दर = k[A]^x[B]^y अशा दर-नियमाने मांडला जातो, जिथे k हा दर-स्थिरांक आणि घातांक प्रत्येक अभिक्रियाकारकाच्या संदर्भातली कोटी देतात. या बीजगणिताच्या मागचे चित्र टक्कर सिद्धांत पुरवतो : अभिक्रिया घडण्यासाठी रेणूंची टक्कर व्हावी लागते, ती किमान सक्रियण ऊर्जेइतक्या ऊर्जेने आणि योग्य दिशेने. दर बदलणारा प्रत्येक घटक यांपैकी एका अटीवरच काम करतो. संहती, आणि वायूंच्या बाबतीत दाब, टकरींची वारंवारता बदलतात. तापमान वारंवारता तर बदलतेच, पण निर्णायकपणे पुरेशा ऊर्जावान टकरींचे प्रमाण बदलते — म्हणूनच दर-स्थिरांक स्वतःच आर्हेनियस समीकरणानुसार तापमानावर अवलंबून असतो. विषमांगी अभिक्रियांत पृष्ठफळ महत्त्वाचे ठरते, कारण भुकटी केलेला स्थायू ढेकळापेक्षा कितीतरी अधिक संपर्कपृष्ठ देतो. उत्प्रेरक कमी सक्रियण ऊर्जेचा पर्यायी मार्ग उपलब्ध करून देतो, त्यामुळे तो स्वतः खर्च न होता आणि समतोलाची जागा न हलवता दर वाढवतो. अभिक्रियाकारकांचे स्वरूपही महत्त्वाचे : द्रावणातील आयनिक अभिक्रिया जवळजवळ तत्काळ घडतात, तर सहसंयुज बंध तोडावे लागणाऱ्या अभिक्रिया संथ असतात.
गतिकीवरील एमपीएससीचे रसायनशास्त्राचे प्रश्न गणिती नसून संकल्पनात्मक असतात — दर-स्थिरांक काढायला सांगितला जात नाही — आणि ते बहुधा विधानांच्या यादीच्या रूपात येतात, ज्यात परस्परविरोधी जोडीतली खरी आणि खोटी दोन्ही बाजू छापलेल्या असतात. ही रचनाच खरे तर सूचना आहे : जेव्हा प्रश्नात 'X वाढवले की वाढतो' आणि 'X वाढवले की कमी होतो' अशी दोन स्वतंत्र विधाने छापलेली दिसतात, तेव्हा त्यांपैकी नेमके एकच खरे असणे अभिप्रेत असते, म्हणून उमेदवाराचे काम प्रत्येक परिणामाची दिशा पक्की करण्यापुरतेच उरते. इथे अशा दोन जोड्या आहेत आणि म्हणून दोन विधाने खरी आहेत, ज्यामुळे फक्त एकाच विधानाचे नाव घेणारा कोणताही पर्याय तत्काळ बाद होतो. मागची तथ्ये शालेय रसायनशास्त्रातलीच आहेत — संहती, तापमान, पृष्ठफळ, उत्प्रेरक आणि अभिक्रियाकारकांचे स्वरूप — आणि प्रत्येकाशी टक्कर सिद्धांतावर आधारलेले कारण जोडून ती लक्षात ठेवावीत, कारण अपरिचित रूपातला प्रश्न आला तरी कारणच उमेदवाराला उत्तरापर्यंत नेते.
- अभिक्रियाकारकांची संहती वाढवली की कणांमधल्या टकरींची वारंवारता वाढते आणि म्हणून अभिक्रियेचा दरही वाढतो.
- दर-नियम, दर = k[A]^x[B]^y, हेच अवलंबित्व मांडतो; त्यातले घातांक म्हणजे अभिक्रियेच्या कोटी, आणि त्या संतुलित समीकरणातून न घेता प्रयोगानेच ठरवाव्या लागतात.
- तापमान वाढवले की दर वाढतो, मुख्यतः यासाठी की किमान सक्रियण ऊर्जा बाळगणाऱ्या रेणूंचे प्रमाण तापमानाबरोबर तीव्रपणे वाढते — आर्हेनियस समीकरण हेच वर्णन करते.
- उत्प्रेरक कमी सक्रियण ऊर्जेचा पर्यायी मार्ग देऊन दर वाढवतो; तो स्वतः खर्च होत नाही आणि समतोलाची जागाही हलवत नाही.
- दर आणि व्याप्ती हे दोन वेगळे प्रश्न आहेत : अभिक्रिया किती वेगाने जाते हे गतिकी ठरवते, तर ती किती दूरवर जाते हे ऊष्मागतिकी व समतोल ठरवतात.
उत्तर पर्याय (3) : फक्त (a) आणि (c). आरशातले प्रतिबिंब असलेला पर्याय (4), म्हणजे (b) व (d), प्रश्न 'चुकीची विधाने कोणती' असे विचारतो आहे असे वाचणाऱ्याच्या हाती लागतो — किंवा अभिक्रियेचा दर आणि समतोलावरचे उत्पादन यांची गल्लत करणाऱ्याच्या. उष्मादायी अभिक्रियेत तापवल्याने समतोलावरचे उत्पादन खरोखर घटते, पण समतोलापर्यंत पोहोचण्याचा वेग मात्र वाढतोच. अभिक्रिया किती वेगाने जाते आणि किती दूरवर जाते हे दोन स्वतंत्र प्रश्न आहेत.
- अभिक्रियेचा दर आणि समतोलावरील उत्पादन यांची गल्लत करणे; ऊष्मादायी अभिक्रिया तापवली असता ती वेगवान होते पण समतोलावरील उत्पादन घटते
- प्रश्नात परस्परविरोधी दोन जोड्या छापलेल्या असताना फक्त एकाच विधानाचे नाव घेणारा पर्याय निवडणे — प्रत्येक जोडीचा निकाल लावावाच लागतो
- दर-नियमातील घातांक संतुलित समीकरणाच्या गुणांकांवरून वाचता येतात असे मानणे; ते प्रायोगिक राशी आहेत
- उत्प्रेरक समतोल हलवतो असे मानणे; तो फक्त समतोल गाठण्याचा वेग बदलतो
एमपीएससीच्या विज्ञान विभागात गतिकी बहुधा अभिक्रियेचा दर बदलणाऱ्या घटकांच्या विधानाधारित स्मरणप्रश्नांच्या रूपात येते, आणि कधी उन्हाळ्यात अन्न लवकर खराब होणे किंवा भुकटी केलेला पदार्थ ढेकळापेक्षा वेगाने विरघळणे अशा रोजच्या उदाहरणात गुंडाळून येते. एकाच यादीत एखादे विधान आणि त्याचा तंतोतंत नकार दोन्ही छापण्याची आयोगाची सवय वापरून घेण्यासारखी आहे, कारण त्यातूनच किती विधाने खरी असतील याचा अंदाज मिळतो. सोबतीचे प्रश्न उत्प्रेरक नेमके काय करतो, अभिक्रियेला सक्रियण ऊर्जा का लागते आणि समतोल दरापेक्षा कसा वेगळा असतो यांवर येतात, म्हणून ही दोन प्रकरणे एकत्रच उजळणी करावीत.
या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.
- सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही
अभिक्रिया मिश्रणात उत्प्रेरक घातल्याने अभिक्रियेचा दर वाढतो, याचे मुख्य कारण म्हणजे उत्प्रेरक :
- (a)अभिक्रियाकारकांची संहती वाढवतो
- (b)कमी सक्रियण ऊर्जेचा पर्यायी मार्ग उपलब्ध करून देतो
- (c)मिश्रणाचे तापमान वाढवतो
- (d)समतोलाची जागा उत्पादांच्या दिशेने सरकवतो
उत्तर(b) कमी सक्रियण ऊर्जेचा पर्यायी मार्ग उपलब्ध करून देतो — अडथळा खाली आल्याने पुरेशा ऊर्जावान ठरणाऱ्या टकरींचे प्रमाण वाढते आणि दर वाढतो. उत्प्रेरक स्वतः खर्च होत नाही, संहती बदलत नाही आणि समतोलाची जागाही हलवत नाही; तो फक्त समतोल गाठायला लागणारा वेळ कमी करतो.
- सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही
शीतकपाटात ठेवलेले अन्न खोलीच्या तापमानाला ठेवलेल्या अन्नापेक्षा सावकाश खराब होते, याचे मुख्य कारण म्हणजे कमी तापमानामुळे :
- (a)संबंधित अभिक्रियांची सक्रियण ऊर्जा वाढते
- (b)सक्रियण ऊर्जा बाळगणाऱ्या रेणूंचे प्रमाण घटते आणि अभिक्रिया मंदावतात
- (c)अन्नातील अभिक्रियाकारक निघून जातात
- (d)संबंधित अभिक्रियांची कोटी बदलते
उत्तर(b) सक्रियण ऊर्जा बाळगणाऱ्या रेणूंचे प्रमाण घटते आणि अभिक्रिया मंदावतात — थंडाव्यामुळे कणांची सरासरी गतिज ऊर्जा कमी होते, त्यामुळे पुरेशा ऊर्जावान टकरी कमी होतात आणि अन्न खराब करणारे रासायनिक व सूक्ष्मजीवजन्य बदल सावकाश घडतात. सक्रियण ऊर्जा ही मात्र अभिक्रियेच्या मार्गाची स्वतःची राशी असून थंड केल्याने ती बदलत नाही.