రసాయన సమతౌల్యాలు అనేక జీవ పర్యావరణ ప్రక్రియలలో ముఖ్యమైనవి. ఉదాహరణకు, $\mathrm{O_2}$ అణువులు మరియు ప్రోటీన్ హీమోగ్లోబిన్ ఉన్న సమతౌల్యాలు మన ఊపిరితిత్తుల నుండి కండరాలకు $\mathrm{O_2}$ రవాణా మరియు సరఫరాలో కీలక పాత్ర పోషిస్తాయి. ఇలాంటి సమతౌల్యాలు $\mathrm{CO}$ అణువులు మరియు హీమోగ్లోబిన్ను కలిగి ఉంటాయి, ఇవి $\mathrm{CO}$ యొక్క విషపూరితత్వానికి కారణమవుతాయి.

ఒక ద్రవం మూసివేసిన పాత్రలో బాష్పీభవనం చెందినప్పుడు, సాపేక్షంగా ఎక్కువ గతి శక్తి కలిగిన అణువులు ద్రవ ఉపరితలం నుండి ఆవిరి దశలోకి తప్పించుకుంటాయి మరియు ఆవిరి దశ నుండి ద్రవ అణువుల సంఖ్య ద్రవ ఉపరితలాన్ని తాకి ద్రవ దశలో నిలుపుకుంటాయి. ద్రవం నుండి బయటకు వెళ్లే అణువుల సంఖ్య ఆవిరి నుండి ద్రవంలోకి తిరిగి వచ్చే అణువుల సంఖ్యకు సమానమైన సమతౌల్యం కారణంగా ఇది స్థిరమైన ఆవిరి పీడనాన్ని ఇస్తుంది. ఈ దశలో వ్యవస్థ సమతౌల్య స్థితికి చేరుకుందని మనం చెప్పుకుంటాం. అయితే, ఇది స్థిరమైన సమతౌల్యం కాదు మరియు ద్రవం మరియు ఆవిరి మధ్య సరిహద్దులో చాలా చర్య ఉంటుంది. అందువల్ల, సమతౌల్యంలో, బాష్పీభవనం రేటు సంఘనన రేటుకు సమానం. దీనిని ఇలా సూచించవచ్చు

$$ \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightleftharpoons \mathrm{H_2} \mathrm{O}\text { (vap) } $$

రెండు సగం బాణాలు రెండు దిశలలోనూ ప్రక్రియలు ఏకకాలంలో జరుగుతున్నాయని సూచిస్తాయి. సమతౌల్య స్థితిలో ప్రతిచర్యాకారులు మరియు ఉత్పన్నాల మిశ్రమాన్ని సమతౌల్య మిశ్రమం అంటారు.

భౌతిక ప్రక్రియలు మరియు రసాయన ప్రతిచర్యలు రెండింటికీ సమతౌల్యం ఏర్పడుతుంది. ప్రయోగ పరిస్థితులు మరియు ప్రతిచర్యాకారుల స్వభావం ఆధారంగా ప్రతిచర్య వేగంగా లేదా నెమ్మదిగా ఉండవచ్చు. ఒక నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత వద్ద మూసివేసిన పాత్రలోని ప్రతిచర్యాకారులు ఉత్పన్నాలను ఇచ్చే ప్రతిచర్య చేసినప్పుడు, ప్రతిచర్యాకారుల సాంద్రత తగ్గుతూనే ఉంటుంది, అయితే ఉత్పన్నాల సాంద్రత కొంత సమయం పాటు పెరుగుతూనే ఉంటుంది, తర్వాత ప్రతిచర్యాకారులు లేదా ఉత్పన్నాల సాంద్రతలో ఎటువంటి మార్పు ఉండదు. వ్యవస్థ యొక్క ఈ దశ డైనమిక్ సమతౌల్యం మరియు ముందుకు మరియు రివర్స్ ప్రతిచర్యల రేట్లు సమానంగా మారతాయి. ఇది ఈ డైనమిక్ సమతౌల్య దశ కారణంగా ప్రతిచర్య మిశ్రమంలోని వివిధ జాతుల సాంద్రతలో ఎటువంటి మార్పు ఉండదు. రసాయన సమతౌల్య స్థితికి చేరుకోవడానికి ప్రతిచర్యలు ఎంతవరకు ముందుకు సాగుతాయి అనే దాని ఆధారంగా, వాటిని మూడు సమూహాలుగా వర్గీకరించవచ్చు.

(i) దాదాపు పూర్తిగా ముందుకు సాగే ప్రతిచర్యలు మరియు ప్రతిచర్యాకారుల యొక్క నగణ్యమైన సాంద్రతలు మాత్రమే మిగిలి ఉంటాయి. కొన్ని సందర్భాల్లో, వాటిని ప్రయోగాత్మకంగా గుర్తించడం కూడా సాధ్యం కాకపోవచ్చు.

(ii) కేవలం చిన్న మొత్తంలో ఉత్పన్నాలు ఏర్పడే ప్రతిచర్యలు మరియు సమతౌల్య దశలో చాలా మంది ప్రతిచర్యాకారులు మార్పు చెందకుండా మిగిలి ఉంటారు.

(iii) వ్యవస్థ సమతౌల్యంలో ఉన్నప్పుడు, ప్రతిచర్యాకారులు మరియు ఉత్పన్నాల సాంద్రతలు పోల్చదగినవిగా ఉండే ప్రతిచర్యలు.

సమతౌల్యంలో ఉన్న ప్రతిచర్య యొక్క విస్తృతి ప్రతిచర్యాకారుల సాంద్రత, ఉష్ణోగ్రత మొదలైన ప్రయోగ పరిస్థితులతో మారుతుంది. పరిశ్రమలో మరియు ప్రయోగశాలలో కార్యాచరణ పరిస్థితులను ఆప్టిమైజ్ చేయడం చాలా ముఖ్యం, తద్వారా కావలసిన ఉత్పత్తి దిశలో సమతౌల్యం అనుకూలంగా ఉంటుంది. భౌతిక మరియు రసాయన ప్రక్రియలను కలిగి ఉన్న సమతౌల్యం యొక్క కొన్ని ముఖ్యమైన అంశాలు ఈ యూనిట్లో జలద్రావణాలలో అయాన్లను కలిగి ఉన్న సమతౌల్యంతో పాటు చర్చించబడతాయి, దీనిని అయానిక సమతౌల్యం అంటారు.

7.1 భౌతిక ప్రక్రియలలో సమతౌల్యం

మనం కొన్ని భౌతిక ప్రక్రియలను పరిశీలిస్తే సమతౌల్యంలో ఉన్న వ్యవస్థ యొక్క లక్షణాలు బాగా అర్థమవుతాయి. అత్యంత పరిచితమైన ఉదాహరణలు దశా రూపాంతరణ ప్రక్రియలు, ఉదా.

$$ \begin{aligned} \text { solid } & \rightleftharpoons \text { liquid } \\ \text { liquid } & \rightleftharpoons \text { gas } \\ \text { solid } & \rightleftharpoons \text { gas } \end{aligned} $$

7.1.1 ఘన-ద్రవ సమతౌల్యం

ఐస్ మరియు నీరు ఖచ్చితంగా ఇన్సులేట్ చేయబడిన థర్మోస్ ఫ్లాస్క్లో (దాని విషయాలు మరియు పరిసరాల మధ్య ఉష్ణ మార్పిడి లేదు) $273 \mathrm{~K}$ మరియు వాతావరణ పీడనం వద్ద సమతౌల్య స్థితిలో ఉంచబడతాయి మరియు వ్యవస్థ ఆసక్తికరమైన లక్షణాలను చూపుతుంది. ఐస్ మరియు నీటి ద్రవ్యరాశి సమయంతో మారదు మరియు ఉష్ణోగ్రత స్థిరంగా ఉంటుందని మనం గమనించవచ్చు. అయితే, సమతౌల్యం స్థిరమైనది కాదు. ఐస్ మరియు నీటి మధ్య సరిహద్దులో తీవ్రమైన కార్యాచరణను గమనించవచ్చు. ద్రవ నీటి నుండి అణువులు ఐస్పై ఢీకొని దానికి అంటుకుంటాయి మరియు ఐస్ యొక్క కొన్ని అణువులు ద్రవ దశలోకి తప్పించుకుంటాయి. వాతావరణ పీడనం మరియు $273 \mathrm{~K}$ వద్ద ఐస్ నుండి నీటిలోకి మరియు నీటి నుండి ఐస్లోకి రివర్స్ బదిలీ రేట్లు సమానంగా ఉండటం వలన ఐస్ మరియు నీటి ద్రవ్యరాశిలో మార్పు ఉండదు.

ఐస్ మరియు నీరు నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం వద్ద మాత్రమే సమతౌల్యంలో ఉంటాయని స్పష్టంగా ఉంది. వాతావరణ పీడనం వద్ద ఏదైనా స్వచ్ఛమైన పదార్థం కోసం, ఘన మరియు ద్రవ దశలు సమతౌల్యంలో ఉండే ఉష్ణోగ్రతను ఆ పదార్థం యొక్క సాధారణ ద్రవీభవన స్థానం లేదా సాధారణ ఘనీభవన స్థానం అంటారు. ఇక్కడ వ్యవస్థ డైనమిక్ సమతౌల్యంలో ఉంది మరియు మనం ఈ క్రింది వాటిని నిర్ధారించవచ్చు:

(i) రెండు వ్యతిరేక ప్రక్రియలు ఏకకాలంలో సంభవిస్తాయి.

(ii) రెండు ప్రక్రియలు ఒకే రేటుతో సంభవిస్తాయి, తద్వారా ఐస్ మరియు నీటి పరిమాణం స్థిరంగా ఉంటుంది.

7.1.2 ద్రవ-ఆవిరి సమతౌల్యం

మనం పాదరసం (మానోమీటర్)తో U-ట్యూబ్ను కలిగి ఉన్న పారదర్శక పెట్టె ఉదాహరణను పరిగణలోకి తీసుకుంటే ఈ సమతౌల్యాన్ని బాగా అర్థం చేసుకోవచ్చు. ఎండబెట్టే ఏజెంట్ వంటి నీరు లేని కాల్షియం క్లోరైడ్ (లేదా ఫాస్ఫరస్ పెంటా-ఆక్సైడ్) పెట్టెలో కొన్ని గంటల పాటు ఉంచబడుతుంది. పెట్టెను ఒక వైపుకు వంచడం ద్వారా ఎండబెట్టే ఏజెంట్ను తొలగించిన తర్వాత, నీటిని కలిగి ఉన్న వాచ్ గ్లాస్ (లేదా పెట్రీ డిష్) త్వరగా పెట్టె లోపల ఉంచబడుతుంది. మానోమీటర్ యొక్క కుడి అవయవంలో పాదరసం స్థాయి నెమ్మదిగా పెరుగుతుందని మరియు చివరికి స్థిరమైన విలువను చేరుకుంటుందని గమనించవచ్చు, అంటే పెట్టె లోపల పీడనం పెరుగుతుంది మరియు స్థిరమైన విలువను చేరుకుంటుంది. అలాగే వాచ్ గ్లాస్లోని నీటి పరిమాణం తగ్గుతుంది (Fig. 7.1). ప్రారంభంలో పెట్టె లోపల నీటి ఆవిరి (లేదా చాలా తక్కువ) లేదు. నీరు బాష్పీభవనం చెందినప్పుడు, పెట్టె లోపలి వాయు దశలోకి నీటి అణువుల జోడింపు కారణంగా పెట్టెలో పీడనం పెరిగింది. బాష్పీభవనం రేటు స్థిరంగా ఉంటుంది.

Fig. 7.1 స్థిరమైన ఉష్ణోగ్రత వద్ద నీటి సమతౌల్య ఆవిరి పీడనాన్ని కొలవడం

అయితే, ఆవిరి నీటిలోకి సంఘననం కారణంగా పీడనం పెరుగుదల రేటు కాలంతో తగ్గుతుంది. చివరికి ఇది నికర బాష్పీభవనం లేనప్పుడు సమతౌల్య పరిస్థితికి దారి తీస్తుంది. దీని అర్థం వాయు స్థితి నుండి ద్రవ స్థితికి నీటి అణువుల సంఖ్య కూడా సమతౌల్యం చేరుకునే వరకు పెరుగుతుంది అంటే,

బాష్పీభవనం రేటు = సంఘనన రేటు

$$ \mathrm{H_2} \mathrm{O}(1) \rightleftharpoons \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\text { vap) } $$

సమతౌల్యంలో, ఇచ్చిన ఉష్ణోగ్రత వద్ద నీటి అణువులచే చూపబడిన పీడనం స్థిరంగా ఉంటుంది మరియు దీనిని నీటి సమతౌల్య ఆవిరి పీడనం (లేదా కేవలం నీటి ఆవిరి పీడనం) అంటారు; నీటి ఆవిరి పీడనం ఉష్ణోగ్రత పెరిగే కొద్దీ పెరుగుతుంది. పై ప్రయోగాన్ని మిథైల్ ఆల్కహాల్, అసిటోన్ మరియు ఈథర్తో పునరావృతం చేస్తే, విభిన్న ద్రవాలు ఒకే ఉష్ణోగ్రత వద్ద విభిన్న సమతౌల్య ఆవిరి పీడనాలను కలిగి ఉంటాయని మరియు ఎక్కువ ఆవిరి పీడనం ఉన్న ద్రవం ఎక్కువ ఆవిరిగా మారేది మరియు తక్కువ మరిగే స్థానం కలిగి ఉంటుందని గమనించవచ్చు.

మనం వాతావరణానికి బహిర్గతం చేసిన మూడు వాచ్ గ్లాస్లను వేర్వేరుగా $1 \mathrm{~mL}$ అసిటోన్, ఇథైల్ ఆల్కహాల్ మరియు నీటిని కలిగి ఉంటే మరియు వెచ్చని గదిలో వివిధ పరిమాణాల ద్రవాలతో ప్రయోగాన్ని పునరావృతం చేస్తే, అన్ని అటువంటి సందర్భాల్లో ద్రవం చివరికి అదృశ్యమవుతుందని మరియు పూర్తి బాష్పీభవనం కోసం తీసుకున్న సమయం (i) ద్రవం యొక్క స్వభావం, (ii) ద్రవం యొక్క పరిమాణం మరియు (iii) ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడి ఉంటుందని గమనించవచ్చు. వాచ్ గ్లాస్ వాతావరణానికి తెరిచి ఉన్నప్పుడు, బాష్పీభవనం రేటు స్థిరంగా ఉంటుంది కానీ అణువులు గది యొక్క పెద్ద పరిమాణంలో చెదరగొట్టబడతాయి. ఫలితంగా ఆవిరి నుండి ద్రవ స్థితికి సంఘనన రేటు బాష్పీభవనం రేటు కంటే చాలా తక్కువగా ఉంటుంది. ఇవి ఓపెన్ సిస్టమ్లు మరియు ఓపెన్ సిస్టమ్లో సమతౌల్యాన్ని చేరుకోవడం సాధ్యం కాదు.

నీరు మరియు నీటి ఆవిరి వాతావరణ పీడనం (1.013 బార్) మరియు $100^{\circ} \mathrm{C}$ వద్ద మూసివేసిన పాత్రలో సమతౌల్య స్థానంలో ఉంటాయి. నీటి మరిగే స్థానం 1.013 బార్ పీడనం వద్ద $100^{\circ} \mathrm{C}$. ఒక వాతావరణ పీడనం (1.013 బార్) వద్ద ఏదైనా స్వచ్ఛమైన ద్రవం కోసం, ద్రవం మరియు ఆవిరులు సమతౌల్యంలో ఉండే ఉష్ణోగ్రతను ద్రవం యొక్క సాధారణ మరిగే స్థానం అంటారు. ద్రవం యొక్క మరిగే స్థానం వాతావరణ పీడనంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఇది స్థలం యొక్క ఎత్తుపై ఆధారపడి ఉంటుంది; ఎత్తైన ప్రదేశంలో మరిగే స్థానం తగ్గుతుంది.

7.1.3 ఘన - ఆవిరి సమతౌల్యం

ఇప్పుడు ఘనపదార్థాలు ఆవిరి దశకు ఉత్పతనం చెందే వ్యవస్థలను పరిశీలిద్దాం. మనం ఘన అయోడిన్ను మూసివేసిన పాత్రలో ఉంచినట్లయితే, కొంత సమయం తర్వాత పాత్ర వైలెట్ ఆవిరితో నిండిపోతుంది మరియు రంగు యొక్క తీవ్రత కాలంతో పాటు పెరుగుతుంది. నిర్దిష్ట సమయం తర్వాత రంగు యొక్క తీవ్రత స్థిరంగా మారుతుంది మరియు ఈ దశలో సమతౌల్యం చేరుకుంటుంది. అందుకే ఘన అయోడిన్ అయోడిన్ ఆవిరిని ఇవ్వడానికి ఉత్పతనం చెందుతుంది మరియు అయోడిన్ ఆవిరి ఘన అయోడిన్ను ఇవ్వడానికి సంఘననం చెందుతుంది. సమతౌల్యాన్ని ఇలా సూచించవచ్చు,

$\mathrm{I_2}$ (ఘన) $\rightleftharpoons \mathrm{I_2}$ (ఆవిరి)

ఈ రకమైన సమతౌల్యాన్ని చూపించే ఇతర ఉదాహరణలు,

కర్పూరం (ఘన) $\rightleftharpoons$ కర్పూరం (ఆవిరి)

$\mathrm{NH_4} \mathrm{Cl}$ (ఘన) $\rightleftharpoons \mathrm{NH_4} \mathrm{Cl}$ (ఆవిరి)

7.1.4 ద్రవాలలో ఘన లేదా వాయువుల కరగడంలో సమతౌల్యం

ద్రవాలలో ఘనపదార్థాలు

గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఇచ్చిన నీటిలో పరిమిత మొత్తంలో ఉప్పు లేదా చక్కెరను మాత్రమే కరిగించగలమని మన అనుభవం నుండి తెలుసు. మనం ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద చక్కెరను కరిగించడం ద్వారా మందపాటి చక్కెర సిరప్ ద్రావణాన్ని తయారు చేస్తే, మనం సిరప్ను గది ఉష్ణోగ్రతకు చల్లబరిస్తే చక్కెర స్ఫటికాలు వేరు చేయబడతాయి. ఇచ్చిన ఉష్ణోగ్రత వద్ద ద్రావకంలో ఇంకా ఎక్కువ కరిగించలేనప్పుడు దానిని సంతృప్త ద్రావణం అంటాము. సంతృప్త ద్రావణంలో ద్రావితం యొక్క సాంద్రత ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడి ఉంటుంది. సంతృప్త ద్రావణంలో, ఘన స్థితిలో మరియు ద్రావణంలో ఉన్న ద్రావిత అణువుల మధ్య డైనమిక్ సమతౌల్యం ఉంటుంది:

చక్కెర (ద్రావణం) $\rightleftharpoons$ చక్కెర (ఘన),

మరియు

చక్కెర యొక్క కరగడం రేటు $=$ చక్కెర స్ఫటికీకరణ రేటు.

రేడియోధార్మిక చక్కెర సహాయంతో రెండు రేట్ల సమానత్వం మరియు సమతౌల్యం యొక్క డైనమిక్ స్వభావం నిర్ధారించబడింది. మనం రేడియోధార్మికం కాని చక్కెర యొక్క సంతృప్త ద్రావణంలో కొంత రేడియోధార్మిక చక్కెరను వేస్తే, కొంత సమయం తర్వాత ద్రావణం మరియు ఘన చక్కెర రెండింటిలోనూ రేడియోధార్మికత గమనించబడుతుంది. ప్రారంభంలో ద్రావణంలో రేడియోధార్మిక చక్కెర అణువులు లేవు కానీ సమతౌల్యం యొక్క డైనమిక్ స్వభావం కారణంగా, రెండు దశల మధ్య రేడియోధార్మిక మరియు రేడియోధార్మికం కాని చక్కెర అణువుల మధ్య మార్పిడి ఉంటుంది. ద్రావణంలో రేడియోధార్మిక నుండి రేడియోధార్మికం కాని అణువుల నిష్పత్తి స్థిరమైన విలువను చేరుకునే వరకు పెరుగుతుంది.

ద్రవాలలో వాయువులు

సోడా నీటి బాటిల్ తెరిచినప్పుడు, దానిలో కరిగిన కార్బన్ డయాక్సైడ్ వాయువులో కొంత భాగం త్వరగా బయటకు వస్తుంది. వివిధ పీడనాల వద్ద కార్బన్ డయాక్సైడ్ యొక్క ద్రావణీయతలో వ్యత్యాసం కారణంగా ఈ దృగ్విషయం ఏర్పడుతుంది. పీడనం కింద వాయు స్థితిలో ఉన్న అణువులు మరియు ద్రవంలో కరిగిన అణువుల మధ్య సమతౌల్యం ఉంటుంది అంటే,

$$ \mathrm{CO_2} \text { (gas) } \rightleftharpoons \mathrm{CO_2} \text { (in solution) } $$

ఈ సమతౌల్యం హెన్రీ నియమం ద్వారా నియంత్రించబడుతుంది, ఇది ఏదైనా ఉష్ణోగ్రత వద్ద ద్రావకం పైన ఉన్న వాయువు పీడనానికి అనులోమానుపాతంలో ఉండే ద్రావకంలో కరిగిన వాయువు ద్రవ్యరాశిని పేర్కొంటుంది. ఈ మొత్తం ఉష్ణోగ్రత పెరిగే కొద్దీ తగ్గుతుంది. సోడా నీటి బాటిల్ నీటిలో దాని ద్రావణీయత ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు వాయువు పీడనం కింద సీల్ చేయబడుతుంది. బాటిల్ తెరిచిన వెంటనే, కరిగిన కార్బన్ డయాక్సైడ్ వాయువులో కొంత భాగం తక్కువ పీడనం కోసం అవసరమైన కొత్త సమతౌల్య పరిస్థితిని చేరుకోవడానికి తప్పించుకుంటుంది, అవి వాతావరణంలో దాని పాక్షిక పీడనం. కొంత సమయం పాటు గాలికి బహిర్గతం చేయబడినప్పుడు బాటిల్లోని సోడా నీరు ఎలా ‘ఫ్లాట్’గా మారుతుంది. దీనిని సాధారణీకరించవచ్చు:

(i) ఘన $\rightleftharpoons$ ద్రవ సమతౌల్యం కోసం, 1 atm (1.013 బార్) వద్ద రెండు దశలు సహజీవనం చేసే ఒకే ఒక ఉష్ణోగ్రత (ద్రవీభవన స్థానం) ఉంటుంది. పరిసరాలతో ఉష్ణ మార్పిడి లేకపోతే, రెండు దశల ద్రవ్యరాశి స్థిరంగా ఉంటుంది.

(ii) ద్రవ $\rightleftharpoons$ ఆవిరి సమతౌల్యం కోసం, ఆవిరి పీడనం ఇచ్చిన ఉష్ణోగ్రత వద్ద స్థిరంగా ఉంటుంది.

(iii) ద్రవాలలో ఘనపదార్థాలు కరగడం కోసం, ద్రావణీయత ఇచ్చిన ఉష్ణోగ్రత వద్ద స్థిరంగా ఉంటుంది.

(iv) ద్రవాలలో వాయువులు కరగడం కోసం, ద్రవంలో ఉన్న వాయువు యొక్క సాంద్రత ద్రవం పైన ఉన్న వాయువు పీడనం (సాంద్రత)కి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. ఈ పరిశీలనలు Table 6.1లో సంగ్రహించబడ్డాయి

Table 6.1 భౌతిక సమతౌల్యాల యొక్క కొన్ని లక్షణాలు

<img