menu_bookRBSE · रसायन विज्ञान (Chemistry) · अध्याय 7

साम्यावस्था

Equilibrium

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Image: Lotka-Volterra equations equilibrium points by Yapparina / Wikimedia Commons, source, CC0

साम्यावस्था (Equilibrium)

एक नज़र में: इस अध्याय में रासायनिक एवं भौतिक प्रक्रियाओं में साम्यावस्था की अवधारणा, साम्यावस्था स्थिरांक, ली शैटेलियर का सिद्धांत, तथा आयनिक साम्यावस्था का अध्ययन किया जाता है। यह विषय रासायनिक अभिक्रियाओं की दिशा, गतिशीलता तथा उत्पादकता को समझने हेतु आधार प्रदान करता है।

In this chapter, we study the concept of equilibrium in physical and chemical processes, equilibrium constants, Le Chatelier’s Principle, and ionic equilibrium. This topic forms the foundation for understanding the direction, dynamics, and yield of chemical reactions.

📌 अध्याय का परिचय

साम्यावस्था (Equilibrium) वह अवस्था है जब किसी प्रणाली में घटकों की सांद्रताएँ समय के साथ अपरिवर्तित रहती हैं, यद्यपि विपरीत प्रक्रियाएँ (forward & backward reactions) चलती रहती हैं। यह दो प्रकार की होती है: भौतिक साम्यावस्था (Physical Equilibrium) एवं रासायनिक साम्यावस्था (Chemical Equilibrium)।

Equilibrium is the state in which the concentrations of components in a system remain unchanged with time, although opposing processes continue. It is of two types: physical and chemical equilibrium.

📖 प्रमुख विषयवस्तु (Major Topics)

1. साम्यावस्था की अवधारणा (Concept of Equilibrium)

परिभाषा (Definition)

साम्यावस्था वह अवस्था है जिसमें किसी बंद तंत्र में अग्रगामी (forward) एवं प्रतिगामी (backward) अभिक्रियाएँ समान दर से चलती हैं, जिससे अभिकारकों एवं उत्पादों की सांद्रता स्थिर रहती है।

Equilibrium is that state in a closed system where the rate of forward and backward reactions become equal, resulting in constant concentrations of reactants and products.

उदाहरण (Example): H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) यहाँ, H₂ और I₂ से HI बनती है (forward), और HI से H₂ व I₂ बनते हैं (backward)। साम्यावस्था पर, दोनों दरें बराबर होती हैं।

2. भौतिक साम्यावस्था (Physical Equilibrium)

परिभाषा (Definition)

भौतिक प्रक्रियाओं (जैसे वाष्पन, घुलनशीलता) में साम्यावस्था वह स्थिति है जब दोनों प्रक्रियाएँ (जैसे वाष्पन और संघनन) समान दर से चलती हैं।

In physical processes like evaporation, solubility, equilibrium occurs when both processes proceed at the same rate.

उदाहरण (Examples)

(i) जल का वाष्पीकरण एवं संघनन (Evaporation & Condensation of Water): H₂O (l) ⇌ H₂O (g) बंद पात्र में कुछ समय बाद जल वाष्प और द्रव जल की मात्रा स्थिर हो जाती है।

(ii) ठोस-तरल साम्यावस्था (Solid-Liquid Equilibrium): H₂O (s) ⇌ H₂O (l) 0°C पर बर्फ और जल की मात्रा स्थिर रहती है।

(iii) गैस-तरल साम्यावस्था (Gas-Liquid Equilibrium): CO₂ (g) ⇌ CO₂ (aq) कार्बोनेटेड ड्रिंक्स में CO₂ का घुलना और बाहर निकलना।

3. रासायनिक साम्यावस्था (Chemical Equilibrium)

परिभाषा (Definition)

रासायनिक अभिक्रियाएँ प्रायः अपूर्ण होती हैं; जब अभिकारकों की उत्पादों में परिवर्तन की दर, उत्पादों के अभिकारकों में परिवर्तन की दर के बराबर हो जाती है, तो साम्यावस्था स्थापित होती है।

Most chemical reactions are incomplete; when the rate of conversion of reactants to products equals the reverse, equilibrium is established.

गतिशील प्रकृति (Dynamic Nature)

साम्यावस्था गतिशील होती है, अर्थात अभिकारकों और उत्पादों का आपसी परिवर्तन जारी रहता है, परन्तु उनकी सांद्रताएँ अपरिवर्तित रहती हैं।

Equilibrium is dynamic; reactants and products continue to interconvert, but their concentrations remain constant.

उदाहरण (Example)

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) साम्यावस्था पर, NH₃ का अपघटन और निर्माण समान दर से होते हैं।

4. साम्यावस्था की अवस्था (State of Equilibrium)

स्थिर सांद्रता (Constant Concentration): साम्यावस्था पर अभिकारकों एवं उत्पादों की सांद्रता स्थिर रहती है।
गतिशीलता (Dynamic): अभिक्रियाएँ दोनों दिशाओं में चलती रहती हैं।
बंद तंत्र (Closed System): साम्यावस्था केवल बंद तंत्र में स्थापित होती है।

At equilibrium, concentrations remain constant, both reactions proceed, and equilibrium is established only in a closed system.

5. साम्यावस्था का अभिलक्षण (Characteristics of Equilibrium)

साम्यावस्था गतिशील होती है। (Dynamic Nature)
अभिकारकों एवं उत्पादों की सांद्रता स्थिर रहती है। (Constant Concentration)
गति की दरें (Rates) बराबर होती हैं। (Equal Rates)
केवल बंद तंत्र में संभव। (Possible in Closed System Only)
ग्रहणशील नहीं (Non-Perceptible): बाह्य रूप से कोई परिवर्तन नहीं दिखता।
साम्यावस्था स्थिरांक (Equilibrium Constant) का मान केवल ताप पर निर्भर करता है। (Value of equilibrium constant depends only on temperature.)

6. साम्यावस्था की अभिव्यक्ति (Expression for Equilibrium)

सामान्य अभिक्रिया (General Reaction):

aA + bB ⇌ cC + dD

साम्यावस्था स्थिरांक (Equilibrium Constant, Kc): Kc = [C]^c [D]^d / [A]^a [B]^b यहाँ [C], [D], [A], [B] साम्यावस्था पर सांद्रता हैं।

मोलर सांद्रता में व्यक्त किया जाता है।

गैसीय अभिक्रियाओं के लिए (For Gaseous Reactions):

साम्यावस्था स्थिरांक (Equilibrium Constant, Kp): Kp = (PC)^c (PD)^d / (PA)^a (PB)^b यहाँ P = आंशिक दाब (Partial Pressure) है।

संबंध (Relation between Kp and Kc): Kp = Kc (RT)^Δn जहाँ, Δn = (गैसीय उत्पादों के मोल्स) - (गैसीय अभिकारकों के मोल्स)

Solved Example: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) Δn = 2 - (1+3) = -2 Kp = Kc (RT)^-2 = Kc / (RT)^2

7. साम्यावस्था तक पहुँचने की दर (Rate of Attainment of Equilibrium)

प्रारंभ में अग्रगामी दर अधिक होती है, प्रतिगामी शून्य।
समय के साथ अग्रगामी दर घटती है, प्रतिगामी बढ़ती है।
साम्यावस्था पर दोनों दरें समान हो जाती हैं।

चित्रण (Graphical Representation):

Show a graph with forward and backward rates meeting at equilibrium.

8. साम्यावस्था स्थिरांक की गणना (Calculation of Equilibrium Constant)

Example 1 (Solved):

H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2HI(g) मान लीजिए, प्रारंभ में प्रत्येक की 1 मोल है, HI नहीं है। साम्यावस्था पर, x मोल H₂ व I₂ अभिक्रिया कर गए। H₂ शेष = 1 - x I₂ शेष = 1 - x HI बना = 2x

Kc = [HI]^2 / ([H₂][I₂]) = (2x)^2 / ((1-x)(1-x))

यदि x ज्ञात हो, तो Kc ज्ञात किया जा सकता है।

9. साम्यावस्था स्थिरांक के गुण (Characteristics of Equilibrium Constant)

केवल ताप पर निर्भर करता है।
उत्पन्न या ली गई गैसों के मोल्स बदलने से Kp बदलता है।
उत्प्रेरक (Catalyst) का कोई प्रभाव नहीं।
दाब, आयतन, सांद्रता बदलने से Kc, Kp नहीं बदलते, केवल साम्यावस्था पर पहुँचने का समय बदलता है।
अभिक्रिया की दिशा बदलने पर Kc का व्युत्क्रम (Reciprocal) हो जाता है।

10. प्रतिक्रिया भागफल (Reaction Quotient, Q)

साम्यावस्था के पूर्व किसी समय पर अभिकारकों एवं उत्पादों की सांद्रता से Q ज्ञात करते हैं।

Qc = [C]^c [D]^d / [A]^a [B]^b

Values substituted at any time, not necessarily at equilibrium.

Q और Kc का संबंध:

Q = Kc ⇒ साम्यावस्था स्थापित
Q < Kc ⇒ अग्रगामी अभिक्रिया चलेगी
Q > Kc ⇒ प्रतिगामी अभिक्रिया चलेगी

11. साम्यावस्था की दिशा का निर्धारण (Predicting Direction of Reaction)

यदि Q < Kc, तो उत्पादों के निर्माण की प्रवृत्ति।
यदि Q > Kc, तो अभिकारकों के निर्माण की प्रवृत्ति।

12. ली शैटेलियर का सिद्धांत (Le Chatelier’s Principle)

परिभाषा (Definition)

यदि किसी साम्यावस्था तंत्र की दशाओं (जैसे दाब, ताप, सांद्रता) में परिवर्तन किया जाए, तो तंत्र उस परिवर्तन का प्रतिकार करने हेतु अभिक्रिया करता है।

If a constraint such as pressure, temperature, or concentration is changed in an equilibrium system, the system shifts in a direction to minimize the change.

प्रभाव (Effects)

(i) सांद्रता बदलना (Change in Concentration):

अभिकारक बढ़ाने पर उत्पादों की ओर शिफ्ट
उत्पाद बढ़ाने पर अभिकारकों की ओर शिफ्ट

(ii) दाब बदलना (Change in Pressure):

दाब बढ़ाने पर वह दिशा जिसमें गैसीय मोल्स कम हों
दाब घटाने पर वह दिशा जिसमें गैसीय मोल्स अधिक हों

(iii) ताप बदलना (Change in Temperature):

ऊष्माक्षेपी (Exothermic): ताप बढ़ाने पर अभिकारकों की ओर
ऊष्माशोषी (Endothermic): ताप बढ़ाने पर उत्पादों की ओर

(iv) उत्प्रेरक का प्रभाव (Effect of Catalyst):

साम्यावस्था की स्थिति नहीं बदलती, केवल साम्यावस्था तक पहुँचने की गति बढ़ाता है।

Examples:

A. Haber Process: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) + Heat

दाब बढ़ाने पर NH₃ का निर्माण बढ़ेगा (क्योंकि उत्पादों में कुल गैसें कम हैं)।
ताप बढ़ाने पर NH₃ का निर्माण घटेगा (ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया)।

B. Formation of NO₂: 2NO₂(g) ⇌ N₂O₄(g) + Heat

दाब बढ़ाने पर N₂O₄ का निर्माण बढ़ेगा।

13. आयनिक साम्यावस्था (Ionic Equilibrium)

परिभाषा (Definition)

जल में आयनित यौगिकों के विलयन में साम्यावस्था स्थापित होती है, जिसे आयनिक साम्यावस्था कहते हैं।

In aqueous solutions, equilibrium between ions and undissociated molecules is called ionic equilibrium.

उदाहरण (Example): CH₃COOH(aq) ⇌ CH₃COO⁻(aq) + H⁺(aq)

Types of Electrolytes:

1. मजबूत इलेक्ट्रोलाइट (Strong Electrolyte): जैसे HCl, NaCl; पूर्णतः आयनित होते हैं।

Completely ionized.

2. कमजोर इलेक्ट्रोलाइट (Weak Electrolyte): जैसे CH₃COOH, NH₄OH; आंशिक आयनन।

Partially ionized.

14. आयनन स्थिरांक (Ionization Constant)

(a) कमजोर अम्ल का आयनन स्थिरांक (Ionization Constant of Weak Acid)

HA(aq) ⇌ H⁺(aq) + A⁻(aq) Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]

Solved Example: 0.1 M CH₃COOH का Ka = 1.8 x 10⁻⁵ है। [H⁺] ज्ञात करें। मान लीजिए x = [H⁺] = [CH₃COO⁻], शेष CH₃COOH = 0.1 - x Ka = x² / (0.1 - x) ≈ x² / 0.1 (x बहुत छोटा) 1.8 x 10⁻⁵ = x² / 0.1 x² = 1.8 x 10⁻⁶ x = 1.34 x 10⁻³ M

(b) कमजोर क्षार का आयनन स्थिरांक (Ionization Constant of Weak Base)

BOH(aq) ⇌ B⁺(aq) + OH⁻(aq) Kb = [B⁺][OH⁻] / [BOH]

(c) जल का आयनीकरण (Ionization of Water)

H₂O(l) ⇌ H⁺(aq) + OH⁻(aq) Kw = [H⁺][OH⁻] 25°C पर, Kw = 1.0 x 10⁻¹⁴

(d) pH एवं pOH

pH = -log [H⁺] pOH = -log [OH⁻] pH + pOH = 14 (at 25°C)

pH Scale: 0 (acidic) --- 7 (neutral) --- 14 (basic)

15. सामान्य आयन प्रभाव (Common Ion Effect)

यदि विलयन में वही आयन उपस्थित हो जो किसी कमजोर इलेक्ट्रोलाइट से आता है, तो उसका आयनीकरण दब जाता है।

If a solution already contains an ion common to the weak electrolyte, ionization is suppressed.

Example: CH₃COOH + NaOAc (sodium acetate) NaOAc से CH₃COO⁻ आयन मिलते हैं, जिससे CH₃COOH का आयनीकरण घटता है।

16. लवणों की घुलनशीलता एवं विलयन स्थिरांक (Solubility and Solubility Product)

(a) विलयन स्थिरांक (Solubility Product, Ksp): AgCl(s) ⇌ Ag⁺(aq) + Cl⁻(aq) Ksp = [Ag⁺][Cl⁻]

(b) घुलनशीलता (Solubility): Ksp = s² (यदि 1:1 salt) जहाँ s = घुलनशीलता (mol/L)

Example: Ksp of AgCl = 1.6 x 10⁻¹⁰ s = √Ksp = 1.26 x 10⁻⁵ mol/L

17. अम्ल-क्षार का वर्गीकरण एवं उनके आयनन (Classification and Ionization of Acids and Bases)

Arrhenius, Bronsted-Lowry, Lewis अवधारणाएँ
Strong & Weak acids/bases
Amphoteric substances (जैसे H₂O)

18. बफर विलयन (Buffer Solution)

ऐसे विलयन जो अपने pH को बाहरी अम्ल/क्षार जोड़ने पर भी स्थिर रखते हैं, बफर कहलाते हैं।

A solution which resists change in pH on addition of small amounts of acid or base is called buffer.

Types:

Acidic buffer (CH₃COOH + CH₃COONa)
Basic buffer (NH₄OH + NH₄Cl)

Henderson Equation: pH = pKa + log ([Salt]/[Acid])

19. हाइड्रोलिसिस (Hydrolysis)

कुछ लवण जल में घुलकर अम्लीय या क्षारीय विलयन बनाते हैं; इस प्रक्रिया को हाइड्रोलिसिस कहते हैं।

Certain salts react with water to form acidic or basic solutions; the process is called hydrolysis.

🧠 महत्वपूर्ण बिंदु (Key Points)

साम्यावस्था गतिशील होती है, स्थिर नहीं।
अभिकारकों एवं उत्पादों की सांद्रता साम्यावस्था पर स्थिर रहती है।
Kc, Kp केवल ताप पर निर्भर हैं।
ली शैटेलियर का सिद्धांत साम्यावस्था की दिशा पूर्वानुमानित करने हेतु उपयोगी है।
Qc से साम्यावस्था की स्थिति ज्ञात की जाती है।
उत्प्रेरक साम्यावस्था की स्थिति नहीं बदलता।
Strong electrolytes पूर्णतः, weak electrolytes आंशिक रूप से आयनित होते हैं।
pH मापने से विलयन की अम्लता/क्षारता का पता चलता है।
Common ion effect से आयनीकरण दब जाता है।
विलयन स्थिरांक (Ksp) से लवण की घुलनशीलता ज्ञात की जा सकती है।
बफर विलयन pH को स्थिर रखते हैं।
दाब, ताप, सांद्रता में परिवर्तन से साम्यावस्था की दिशा बदलती है।

⚠️ सामान्य गलतियाँ (Common Mistakes)

| गलती (Mistake) | सुधार (Correction) | |----------------|--------------------| | साम्यावस्था को स्थिर मानना | साम्यावस्था गतिशील होती है | | Kc, Kp को दाब/सांद्रता से बदलना | वे केवल ताप पर निर्भर हैं | | उत्प्रेरक से साम्यावस्था बदलना | उत्प्रेरक केवल गति बढ़ाता है, साम्यावस्था नहीं बदलता | | Qc व Kc में अंतर न समझना | Qc किसी भी समय, Kc केवल साम्यावस्था पर | | pH + pOH = 14 को हर ताप पर सही मानना | यह केवल 25°C पर सही है | | Common ion effect को neglect करना | इससे आयनीकरण दब जाता है | | बफर विलयन की अवधारणा न समझना | बफर pH को स्थिर रखते हैं | | गैसीय अभिक्रियाओं में Δn गलत लेना | Δn = उत्पादों के गैसीय मोल्स – अभिकारकों के गैसीय मोल्स | | Ksp के लिए गलत सूत्र लगाना | Ksp = s² (1:1 salt), Ksp = 4s³ (1:2 salt) आदि | | Le Chatelier के सिद्धांत का गलत प्रयोग | सही दिशा में शिफ्टिंग के नियमों का ध्यान रखें |

📝 RBSE परीक्षा प्रश्न (RBSE Exam Questions)

1-Mark Questions (1 अंक)

साम्यावस्था की एक विशेषता लिखिए।

Write one characteristic of equilibrium.

साम्यावस्था स्थिरांक (Kc) किस पर निर्भर करता है?

On what does the equilibrium constant Kc depend?

Common ion effect क्या है?

What is common ion effect?

pH स्केल की सीमा क्या है?

What is the range of pH scale?

Kp = Kc (RT)^Δn का सूत्र किसके लिए लागू होता है?

For which type of reactions does the formula Kp = Kc (RT)^Δn apply?

2-Mark Questions (2 अंक)

ली शैटेलियर के सिद्धांत की परिभाषा लिखिए।

Define Le Chatelier’s Principle.

Kc और Qc में क्या अंतर है?

Differentiate between Kc and Qc.

बफर विलयन क्या है? उदाहरण सहित समझाइए।

What is buffer solution? Explain with example.

जल का आयनीकरण स्थिरांक (Kw) क्या है? 25°C पर इसका मान लिखिए।

What is the ionization constant of water? Write its value at 25°C.

विलयन स्थिरांक (Ksp) और घुलनशीलता (s) में संबंध लिखिए।

Relation between solubility product and solubility.

5-Mark Questions (5 अंक)

साम्यावस्था की गतिशील प्रकृति को समझाइए। उपयुक्त उदाहरण सहित।

Explain the dynamic nature of equilibrium with suitable example.

ली शैटेलियर के सिद्धांत के अनुसार ताप, दाब एवं सांद्रता परिवर्तन के प्रभाव को स्पष्ट कीजिए।

Discuss the effects of temperature, pressure, and concentration changes as per Le Chatelier’s Principle.

गैसीय अभिक्रियाओं के लिए Kc और Kp के बीच संबंध स्थापित कीजिए।

Derive the relation between Kc and Kp for gaseous reactions.

आयनिक साम्यावस्था की संकल्पना स्पष्ट कीजिए। कमजोर अम्ल के आयनन स्थिरांक का सूत्र स्थापित कीजिए।

Explain the concept of ionic equilibrium. Derive the formula for ionization constant of a weak acid.

निम्नलिखित अभिक्रिया के लिए साम्यावस्था स्थिरांक की गणना कीजिए:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) प्रारंभ में 1-1 मोल N₂ एवं H₂ लिए गए। साम्यावस्था पर NH₃ के 0.5 मोल बने। Kc ज्ञात कीजिए। (Calculate the equilibrium constant for the following reaction: Initially, 1 mol each of N₂ and H₂ are taken. At equilibrium, 0.5 mol NH₃ is formed.)

[यदि किसी भाग में और विस्तार या अतिरिक्त उदाहरण/प्रश्न चाहिए हों, कृपया बताएं!]

मुख्य बिंदु (Key Points)

साम्यावस्था वह स्थिति है जहाँ अग्रगामी अभिक्रिया की दर प्रतिगामी अभिक्रिया की दर के बराबर होती है।
रासायनिक साम्यावस्था गतिशील होती है; अणु स्तर पर अभिक्रियाएँ निरंतर चलती रहती हैं।
साम्यावस्था पर अभिकारकों और उत्पादों की सांद्रताएँ समय के साथ स्थिर रहती हैं।
साम्यावस्था भौतिक और रासायनिक दोनों प्रक्रियाओं में स्थापित हो सकती है।
साम्यावस्था केवल बंद तंत्र में संभव है जहाँ अभिकारक या उत्पाद बाहर नहीं जा सकते।
साम्यांक (Kc या Kp) साम्यावस्था पर उत्पादों और अभिकारकों की सांद्रताओं के मध्य संबंध को व्यक्त करता है।
ल शातेलिए का सिद्धांत कहता है कि यदि साम्यावस्था में किसी तंत्र को बाधित किया जाए, तो वह उस व्यवधान का प्रतिकार करने के लिए अपनी दिशा बदल लेता है।
सांद्रता, दाब या तापमान में परिवर्तन साम्यावस्था की स्थिति को बदल सकते हैं।
उत्प्रेरक साम्यावस्था की स्थिति को प्रभावित नहीं करते; वे केवल साम्यावस्था की प्राप्ति की गति को बढ़ाते हैं।
समानांगी साम्यावस्था में अभिकारक और उत्पाद एक ही अवस्था में होते हैं।
विषमांगी साम्यावस्था में अभिकारक और उत्पाद भिन्न-भिन्न अवस्थाओं में होते हैं।
साम्यांक का मान अभिकारकों या उत्पादों की प्रारंभिक सांद्रता से प्रभावित नहीं होता।

Key Points

Equilibrium is a state where the rate of forward reaction equals the rate of backward reaction.
Chemical equilibrium is dynamic in nature; reactions continue to occur at the molecular level.
At equilibrium, the concentrations of reactants and products remain constant over time.
Equilibrium can be established in both physical and chemical processes.
Equilibrium is possible only in closed systems where neither reactants nor products are allowed to escape.
The equilibrium constant (Kc or Kp) expresses the relationship between concentrations of products and reactants at equilibrium.
Le Chatelier’s Principle states that if a system at equilibrium is disturbed, it will shift to counteract the disturbance.
Changes in concentration, pressure, or temperature can shift the position of equilibrium.
Catalysts do not affect the position of equilibrium; they only speed up the attainment of equilibrium.
Homogeneous equilibrium involves reactants and products in the same phase.
Heterogeneous equilibrium involves reactants and products in different phases.
The value of equilibrium constant is unaffected by the initial concentrations of reactants or products.

इंटरैक्टिव अभ्यास (MCQ)

निम्नलिखित में से कौन रासायनिक साम्यावस्था की विशेषता है?

निम्नलिखित में से कौन किसी अभिक्रिया की साम्यावस्था को प्रभावित नहीं करता?

साम्यांक Kc की इकाई होती है:

निम्नलिखित में से कौन साम्यावस्था में स्थित तंत्र का उदाहरण नहीं है?

किसी अभिक्रिया के लिए साम्यांक का मान 1 है। यह क्या दर्शाता है?

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साम्यावस्था (Equilibrium) एक नज़र में: इस अध्याय में रासायनिक एवं भौतिक प्रक्रियाओं में साम्यावस्था की अवधारणा, साम्यावस्था स्थिरांक, ली शैटेलियर का सिद्धांत,…

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