کیمسٹری میں، ایٹموں یا مالیکیولوں کو ایک ایسی حالت میں فعال کرنے کے لیے درکار توانائی کی کم از کم مقدار جس میں کیمیائی تبدیلی یا جسمانی نقل و حمل پیدا کی جا سکتی ہے اسے ایکٹیویشن انرجی ، Ea کہا جاتا ہے۔ ٹرانزیشن سٹیٹ تھیوری میں، ایکٹیویشن انرجی ایک فعال یا ٹرانزیشن سٹیٹ کنفیگریشن میں ایٹموں یا مالیکیولز اور ابتدائی کنفیگریشن میں ایٹموں یا مالیکیولز کے درمیان توانائی کے مواد میں فرق ہے۔ تقریباً ہمیشہ ہی، رد عمل کی حالت ری ایکٹنگ مصنوعات (ری ایکٹنٹس) سے زیادہ توانائی کی سطح پر ہوتی ہے۔ لہذا، ایکٹیویشن انرجی کی ہمیشہ مثبت قدر ہوتی ہے۔ یہ مثبت قدر اس بات سے قطع نظر ہوتی ہے کہ رد عمل توانائی کو جذب کرتا ہے ( endergonic یاendothermic ) یا اسے پیدا کرتا ہے ( exergonic یا exothermic )۔
ایکٹیویشن انرجی Ea کے لیے شارٹ ہینڈ ہے۔ Ea اکائیوں کی سب سے عام اکائیاں کلوجولز فی مول (kJ/mol) اور کلوکالوریس فی مول (kcal/mol) ہیں۔
Arrhenius Ea مساوات
Svante Arrhenius ایک سویڈش سائنسدان تھا جس نے 1889 میں ایکٹیویشن انرجی کے وجود کا مظاہرہ کیا، اس مساوات کو تیار کیا جو اس کے نام کی حامل ہے۔ Arrhenius مساوات درجہ حرارت اور رد عمل کی شرح کے درمیان ارتباط کو بیان کرتی ہے۔ یہ تعلق کیمیائی تعاملات کی رفتار کا حساب لگانے کے لیے ضروری ہے اور سب سے بڑھ کر یہ کہ ان ری ایکشنز کے لیے درکار توانائی کی مقدار۔
Arrhenius مساوات میں، K رد عمل کی شرح کا گتانک (رد عمل کی شرح) ہے، A اس بات کا عنصر ہے کہ مالیکیول کتنی بار آپس میں ٹکراتے ہیں، اور e ایک مستقل ہے (تقریباً 2.718 کے برابر)۔ دوسری طرف، Ea ایکٹیویشن انرجی ہے اور R یونیورسل گیس کنسٹنٹ ہے (انرجی یونٹس فی درجہ حرارت میں اضافہ فی مول)۔ آخر میں، T مطلق درجہ حرارت کی نمائندگی کرتا ہے، جو ڈگری کیلون میں ماپا جاتا ہے۔
اس طرح، Arrhenius مساوات کو k= Ae^(-Ea/RT) کے طور پر ظاہر کیا جاتا ہے۔ تاہم، بہت سی مساواتوں کی طرح، اسے مختلف اقدار کا حساب لگانے کے لیے دوبارہ ترتیب دیا جا سکتا ہے۔ تاہم، ایکٹیویشن انرجی (Ea) کا حساب لگانے کے لیے A کی قدر جاننا ضروری نہیں ہے، کیونکہ درجہ حرارت کے فعل کے طور پر رد عمل کی شرح کے گتانک کے تغیر سے اس کا تعین کیا جا سکتا ہے۔
Ea کی کیمیائی اہمیت
تمام مالیکیولز میں تھوڑی مقدار میں توانائی ہوتی ہے، جو حرکی توانائی یا ممکنہ توانائی کی شکل میں ہو سکتی ہے۔ جب مالیکیول آپس میں ٹکرا جاتے ہیں، تو ان کی حرکی توانائی میں خلل پڑ سکتا ہے اور بانڈز کو بھی تباہ کر سکتا ہے، یہی ہوتا ہے جب کیمیائی رد عمل ہوتا ہے۔
اگر مالیکیول آہستہ آہستہ حرکت کرتے ہیں، یعنی تھوڑی حرکی توانائی کے ساتھ، یا تو وہ دوسرے مالیکیولز سے نہیں ٹکراتے ہیں یا اثرات کمزور ہونے کی وجہ سے کوئی ردعمل پیدا نہیں کرتے ہیں۔ ایسا ہی ہوتا ہے اگر مالیکیول غلط یا غلط سمت کے ساتھ ٹکراتے ہیں۔ تاہم، اگر مالیکیول کافی تیزی سے حرکت کر رہے ہیں اور صحیح سمت میں، ایک کامیاب تصادم ہوگا۔ اس طرح، ٹکرانے کے وقت حرکی توانائی کم از کم توانائی سے زیادہ ہو گی، اور اس ٹکراؤ کے بعد ایک رد عمل ہو گا۔ یہاں تک کہ exothermic رد عمل کو شروع کرنے کے لیے کم سے کم توانائی کی ضرورت ہوتی ہے۔ وہ کم از کم توانائی کی ضرورت، جیسا کہ ہم پہلے بیان کر چکے ہیں، کو ایکٹیویشن انرجی کہا جاتا ہے۔
مادوں کی ایکٹیویشن انرجی کے بارے میں ڈیٹا کا علم ہمارے ماحول کا خیال رکھنے کے امکان کو ظاہر کرتا ہے۔ دوسرے لفظوں میں، اگر ہم اس بات سے آگاہ ہیں کہ مالیکیولز کی خصوصیات کی بنیاد پر، ایک کیمیاوی رد عمل پیدا ہو سکتا ہے، تو ہم ایسے اعمال انجام نہیں دے سکتے جو، مثال کے طور پر، آگ کا باعث بنیں۔ مثال کے طور پر، یہ جانتے ہوئے کہ کسی کتاب میں آگ لگ سکتی ہے اگر اس کے اوپر ایک موم بتی رکھی جائے (جس کا شعلہ ایکٹیویشن انرجی فراہم کرے گا)، ہم محتاط رہیں گے کہ موم بتی کا شعلہ کتاب کے کاغذ تک نہ پھیل جائے۔
کاتالسٹ اور ایکٹیویشن انرجی۔
ایک اتپریرک اسی مقصد کے لیے استعمال کیے جانے والے دیگر طریقوں سے قدرے مختلف انداز میں رد عمل کی شرح کو بڑھاتا ہے۔ ایک اتپریرک کا کام ایکٹیویشن انرجی کو کم کرنا ہے ، تاکہ ذرات کا ایک بڑا حصہ رد عمل کا اظہار کرنے کے لیے کافی توانائی رکھتا ہو۔ کاتالسٹ دو طریقوں سے ایکٹیویشن انرجی کو کم کر سکتے ہیں:
- رد عمل کرنے والے ذرات کی سمت بندی کرکے تاکہ تصادم کا امکان زیادہ ہو، یا ان کی حرکت کی رفتار کو تبدیل کرکے۔
- ایک درمیانی مادہ بنانے کے لیے ری ایکٹنٹس کے ساتھ رد عمل کرتے ہوئے جس کو پروڈکٹ بنانے کے لیے کم توانائی درکار ہوتی ہے۔
کچھ دھاتیں، جیسے پلاٹینم، تانبا، اور لوہا، بعض رد عمل میں اتپریرک کے طور پر کام کر سکتے ہیں۔ ہمارے اپنے جسم میں ایسے خامرے موجود ہیں جو حیاتیاتی عمل انگیز (biocatalysts) ہیں جو بائیو کیمیکل رد عمل کو تیز کرنے میں مدد کرتے ہیں۔ کاتالسٹ عام طور پر ایک یا زیادہ ری ایکٹنٹس کے ساتھ ایک انٹرمیڈیٹ بنانے کے لیے رد عمل ظاہر کرتے ہیں، جو پھر حتمی پیداوار بننے کے لیے رد عمل ظاہر کرتا ہے۔ اس طرح کے درمیانی مادے کو اکثر “ایکٹیویٹڈ کمپلیکس” کہا جاتا ہے ۔
ایک عمل انگیز ردعمل کی مثال
مندرجہ ذیل ایک نظریاتی مثال ہے کہ کس طرح ایک عمل انگیز پر مشتمل ردعمل آگے بڑھ سکتا ہے۔ A اور B ری ایکٹنٹ ہیں، C اتپریرک ہے، اور D A اور B کے درمیان ردعمل کی پیداوار ہے۔
پہلا مرحلہ (رد عمل 1): A+C → AC
دوسرا مرحلہ (رد عمل 2): B+AC → ACB
تیسرا مرحلہ (رد عمل 3): ACB → C+D
ACB کا مطلب کیمیکل انٹرمیڈیٹ ہے۔ اگرچہ اتپریرک (C) کو رد عمل 1 میں استعمال کیا جاتا ہے، لیکن بعد میں اسے دوبارہ رد عمل 3 میں جاری کیا جاتا ہے، اس لیے اتپریرک کے ساتھ مجموعی رد عمل یہ ہے: A+B+C → D+C
اس سے یہ معلوم ہوتا ہے کہ عمل انگیز رد عمل کے اختتام پر جاری ہوتا ہے، مکمل طور پر کوئی تبدیلی نہیں ہوتی۔ اتپریرک کو مدنظر رکھے بغیر، مجموعی ردعمل لکھا جائے گا: A+B → D
اس مثال میں، اتپریرک نے ردعمل کے اقدامات کا ایک سیٹ فراہم کیا ہے جسے ہم “متبادل رد عمل کا راستہ” کہہ سکتے ہیں۔ یہ راستہ جس میں اتپریرک مداخلت کرتا ہے اس کے لیے کم ایکٹیویشن انرجی کی ضرورت ہوتی ہے اور اس لیے یہ تیز اور زیادہ موثر ہے۔
آرہینیئس مساوات اور ایرنگ مساوات
درجہ حرارت کے ساتھ رد عمل کی شرح کیسے بڑھتی ہے اس کی وضاحت کے لیے دو مساواتیں استعمال کی جا سکتی ہیں۔ سب سے پہلے، Arrhenius مساوات درجہ حرارت پر رد عمل کی شرح کے انحصار کو بیان کرتی ہے۔ دوسری طرف، Eiring مساوات ہے، جو 1935 میں مذکورہ محقق نے تجویز کی تھی۔ اس کی مساوات ٹرانزیشن سٹیٹ تھیوری پر مبنی ہے اور اسے رد عمل کی شرح اور درجہ حرارت کے درمیان تعلق کو بیان کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ مساوات یہ ہے:
k= ( kB T /h) exp(-ΔG ‡ /RT)۔
تاہم، جب کہ ارینیئس مساوات درجہ حرارت اور رد عمل کی شرح کے درمیان انحصار کو مظاہراتی طور پر بیان کرتی ہے، آئرنگ مساوات رد عمل کے انفرادی ابتدائی مراحل کے بارے میں مطلع کرتی ہے۔
دوسری طرف، آرہینیئس مساوات صرف گیس کے مرحلے میں حرکی توانائی پر لاگو کی جا سکتی ہے، جبکہ آئرنگ مساوات گیس کے مرحلے اور گاڑھا اور مخلوط مراحل دونوں میں رد عمل کے مطالعہ میں مفید ہے (وہ مراحل جن کا کوئی تعلق نہیں ہے۔ گیس کے مرحلے میں) تصادم ماڈل)۔ اسی طرح، Arrhenius مساوات تجرباتی مشاہدے پر مبنی ہے کہ رد عمل کی شرح درجہ حرارت کے ساتھ بڑھ جاتی ہے۔ اس کے بجائے ایرنگ مساوات ایک نظریاتی تعمیر ہے جس کی بنیاد ٹرانزیشن سٹیٹ ماڈل پر ہے۔
ٹرانزیشن سٹیٹ تھیوری کے اصول:
- توانائی کی رکاوٹ کے اوپری حصے میں منتقلی کی حالت اور ری ایکٹنٹس کی حالت کے درمیان تھرموڈینامک توازن موجود ہے۔
- کیمیائی رد عمل کی شرح اعلی توانائی کی منتقلی کی حالت میں ذرات کے ارتکاز کے متناسب ہے۔
ایکٹیویشن انرجی اور گبز انرجی کے درمیان تعلق
اگرچہ رد عمل کی شرح کو بھی ایرنگ مساوات میں بیان کیا گیا ہے، اس مساوات کے ساتھ ایکٹیویشن انرجی استعمال کرنے کے بجائے، منتقلی کی حالت کی گِبس انرجی (ΔG ‡ ) شامل ہے۔
چونکہ ٹکرانے والے مالیکیولز کی حرکی توانائی (یعنی کافی توانائی اور مناسب سمت کے ساتھ) ممکنہ توانائی میں تبدیل ہو جاتی ہے، اس لیے متحرک کمپلیکس کی متحرک حالت مثبت داڑھ گِبس انرجی سے نمایاں ہوتی ہے۔ گِبس کی توانائی، جسے اصل میں “دستیاب توانائی” کہا جاتا ہے، 1870 میں جوسیاہ ولارڈ گِبس نے دریافت کیا تھا۔ اس توانائی کو ایکٹیویشن کی معیاری آزاد توانائی بھی کہا جاتا ہے ۔
کسی بھی وقت نظام کی گِبس فری انرجی کو سسٹم کی اینتھالپی کے طور پر بیان کیا جاتا ہے مائنس درجہ حرارت کی پیداوار کے اوقات کے نظام کی اینٹروپی:
G=H-TS۔
H انتھالپی ہے، T درجہ حرارت ہے، اور S اینٹروپی ہے۔ یہ مساوات جو کسی نظام کی آزاد توانائی کی وضاحت کرتی ہے ایک مخصوص رد عمل کی محرک قوتوں کے طور پر اینتھالپی اور اینٹروپی کی نسبتی اہمیت کا تعین کرنے کے قابل ہے۔ اب، رد عمل کی آزاد توانائی میں اینتھالپی اور اینٹروپی اصطلاحات کے شراکت کے درمیان توازن اس درجہ حرارت پر منحصر ہے جس پر رد عمل ہوتا ہے۔ آزاد توانائی کی تعریف کرنے کے لیے استعمال ہونے والی مساوات بتاتی ہے کہ درجہ حرارت میں اضافے کے ساتھ اینٹروپی کی اصطلاح زیادہ اہم ہو جائے گی : ΔG° = ΔH° – TΔS°۔
ذرائع
- برینارڈ، جے (2014)۔ چالو کرنے والی توانائی۔ https://www.ck12.org/ پر
- آرہینیائی قانون۔ (2020)۔ چالو کرنے والی توانائیاں۔
- مچل، این (2018)۔ Acetonitrile Cosolvent Systems میں Acetic Anhydride Hydrolysis کا Eiring ایکٹیویشن انرجی تجزیہ۔
