Atom and Molecules

(क) रासायनिक संयोजन के दो आधारभूत नियम

वैज्ञानिक एंटोनी एल. लैवोजियर और जोसेफ एल. प्राउस्ट ने अनगिनत प्रयोगों के पश्चात निम्नलिखित दो नियमों की स्थापना की:

1. द्रव्यमान संरक्षण का नियम (Law of Conservation of Mass):

   "किसी भी रासायनिक अभिक्रिया में द्रव्यमान का न तो सृजन (निर्माण) किया जा सकता है और न ही विनाश।"

   अर्थात किसी रासायनिक अभिक्रिया में उत्पादों का कुल द्रव्यमान अभिकारकों के कुल द्रव्यमान के ठीक बराबर होता है।
   $$ ext{अभिकारकों का कुल द्रव्यमान} = ext{उत्पादों का कुल द्रव्यमान}$$ प्रयोग: बेरियम क्लोराइड ($BaCl_2$) और सोडियम सल्फेट ($Na_2SO_4$) के जलीय घोलों को एक शंक्वाकार फ्लास्क में अलग-अलग रखकर तौलते हैं। जब दोनों को आपस में मिलाया जाता है, तो बेरियम सल्फेट का सफेद अवक्षेप बनता है। पुनः तौलने पर फ्लास्क का कुल भार बिल्कुल अपरिवर्तित रहता है।

2. स्थिर अनुपात का नियम (Law of Constant / Definite Proportions):

   जोसेफ प्राउस्ट के अनुसार—"किसी भी रासायनिक यौगिक में तत्व सदैव एक निश्चित द्रव्यमान के अनुपात में विद्यमान होते हैं, चाहे वह यौगिक किसी भी स्रोत से प्राप्त किया गया हो अथवा किसी भी विधि से बनाया गया हो।"

   उदाहरण 1 (जल - $H_2O$): शुद्ध जल चाहे नदी का हो, कुएं का हो, समुद्र का हो या प्रयोगशाला में संश्लेषित किया गया हो, उसमें हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के द्रव्यमानों का अनुपात सदैव $1:8$ ही होता है ($2\text{ g हाइड्रोजन} : 16\text{ g ऑक्सीजन} = 1:8$)। यदि $9\text{ g}$ जल का अपघटन किया जाए, तो सदैव $1\text{ g}$ हाइड्रोजन तथा $8\text{ g}$ ऑक्सीजन प्राप्त होगी।

   उदाहरण 2 (अमोनिया - $NH_3$): अमोनिया में नाइट्रोजन और हाइड्रोजन के द्रव्यमानों का अनुपात सदैव $14:3$ होता है।

(ख) जॉन डाल्टन का परमाणु सिद्धांत (Dalton's Atomic Theory, 1808)

डाल्टन ने रासायनिक संयोजन के नियमों की व्याख्या करने के लिए अपना परमाणु सिद्धांत प्रस्तुत किया, जिसके प्रमुख अभिगृहीत निम्नलिखित हैं:

• सभी द्रव्य (चाहे तत्व, यौगिक या मिश्रण हों) अत्यंत सूक्ष्म कणों से बने होते हैं, जिन्हें परमाणु (Atoms) कहते हैं।
• परमाणु अविभाज्य सूक्ष्मतम कण होते हैं, जो रासायनिक अभिक्रिया में न तो बनाए जा सकते हैं और न ही नष्ट किए जा सकते हैं (द्रव्यमान संरक्षण के नियम की पुष्टि)।
• किसी एक दिए गए तत्व के सभी परमाणुओं का द्रव्यमान एवं रासायनिक गुणधर्म पूर्णतः समान होते हैं।
• भिन्न-भिन्न तत्वों के परमाणुओं के द्रव्यमान एवं रासायनिक गुणधर्म भिन्न-भिन्न होते हैं।
• परमाणु परस्पर छोटी पूर्ण संख्याओं के सरल अनुपात में संयोग करके यौगिक (Compounds) का निर्माण करते हैं (स्थिर अनुपात के नियम की पुष्टि)।
• किसी भी यौगिक में परमाणुओं की सापेक्ष संख्या एवं प्रकार निश्चित होते हैं।

(क) परमाणु का आकार एवं आधुनिक प्रतीक

परमाणु अत्यंत सूक्ष्म होते हैं। इनकी त्रिज्या को नैनोमीटर ($1 ext{ nm} = 10^{-9} ext{ m}$) में मापा जाता है। हाइड्रोजन परमाणु की त्रिज्या मात्र $10^{-10} ext{ m}$ (लगभग $0.1 ext{ nm}$) होती है।

IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) नामकरण: तत्वों के आधुनिक प्रतीकों को जे.जे. बर्जिलियस की पद्धति पर आधारित किया गया है। प्रतीक तत्व के अंग्रेजी, लैटिन, जर्मन या ग्रीक नाम के प्रथम एक या दो अक्षरों से बनते हैं। पहला अक्षर सदैव बड़ा (Capital) तथा दूसरा अक्षर सदैव छोटा (Small) लिखा जाता है।
लैटिन नामों से लिए गए प्रतीक: लोहा (Iron) = Ferrum $\to$ Fe; तांबा (Copper) = Cuprum $\to$ Cu; सोडियम = Natrium $\to$ Na; पोटैशियम = Kalium $\to$ K; सोना (Gold) = Aurum $\to$ Au; चांदी (Silver) = Argentum $\to$ Ag; सीसा (Lead) = Plumbum $\to$ Pb।

(ख) परमाणु द्रव्यमान इकाई (Atomic Mass Unit - $u$)

किसी एक परमाणु का वास्तविक द्रव्यमान इतना कम होता है कि उसे सीधे ग्राम में मापना व्यावहारिक नहीं है। अतः 1961 में अंतर्राष्ट्रीय स्तर पर कार्बन-12 समस्थानिक ($^{12}C$) को परमाणु द्रव्यमान के मानक संदर्भ के रूप में चुना गया।

परिभाषा: "कार्बन-12 समस्थानिक के एक परमाणु के द्रव्यमान के $rac{1}{12}$वें भाग को मानक 'परमाणु द्रव्यमान इकाई' (Unified Mass - $u$) कहा जाता है।"

उदाहरण: हाइड्रोजन = $1 ext{ u}$, कार्बन = $12 ext{ u}$, नाइट्रोजन = $14 ext{ u}$, ऑक्सीजन = $16 ext{ u}$, सोडियम = $23 ext{ u}$, मैग्नीशियम = $24 ext{ u}$, सल्फर = $32 ext{ u}$, क्लोरीन = $35.5 ext{ u}$, कैल्शियम = $40 ext{ u}$।

(ग) अणु (Molecules) एवं आयन (Ions)

• अणु (Molecule): दो या दो से अधिक परमाणुओं का समूह जो आपस में रासायनिक बंधों द्वारा दृढ़तापूर्वक जुड़े होते हैं। अणु स्वतंत्र अवस्था में रह सकता है।
  • तत्व के अणु: एक ही प्रकार के परमाणुओं से बने (उदा: $O_2$ द्वि-परमाणुक, $O_3$ त्रि-परमाणुक, $P_4$ चतुर-परमाणुक, $S_8$ बहु-परमाणुक)। उत्कृष्ट गैसें (He, Ne, Ar) एक-परमाणुक होती हैं।
  • यौगिक के अणु: भिन्न-भिन्न तत्वों के परमाणुओं के निश्चित अनुपात से बने (उदा: $H_2O, CO_2, NH_3$)।
• आयन (Ions): आवेशित कणों को आयन कहते हैं।
  • धनायन (Cation): धनावेशित कण (उदा: $Na^+, K^+, Ca^{2+}, Mg^{2+}, Al^{3+}$)।
  • ऋणायन (Anion): ऋणावेशित कण (उदा: $Cl^-, O^{2-}, N^{3-}$)।
  • बहुपरमाणुक आयन (Polyatomic Ions): परमाणुओं का ऐसा समूह जिस पर एक निश्चित नेट आवेश होता है (उदा: अमोनियम $NH_4^+$, हाइड्रॉक्साइड $OH^-$, नाइट्रेट $NO_3^-$, कार्बोनेट $CO_3^{2-}$, सल्फेट $SO_4^{2-}$, फॉस्फेट $PO_4^{3-}$)।

किसी यौगिक का रासायनिक सूत्र उसके संघटक तत्वों के प्रतीकों एवं उनकी संयोजकता (Valency - संयोजन क्षमता) का प्रतीकात्मक निरूपण होता है।

रासायनिक सूत्र लिखने के तीन स्वर्णिम नियम:

1. आयन की संयोजकता या आवेश सदैव संतुलित होने चाहिए।
2. जब किसी यौगिक में धातु एवं अधातु दोनों हों, तो धातु का नाम या प्रतीक पहले (बाईं ओर) लिखा जाता है तथा अधातु का बाद में (दाईं ओर) लिखा जाता है। उदा: $NaCl$ (सोडियम क्लोराइड), $CaO$ (कैल्शियम ऑक्साइड), $CuO$ (कॉपर ऑक्साइड)।
3. बहुपरमाणुक आयनों वाले यौगिकों में आयन को कोष्ठक (Bracket) में रखकर उसके बाद पादांक (Subscript) लिखा जाता है। यदि संख्या 1 हो, तो कोष्ठक की आवश्यकता नहीं होती।

क्रिस-क्रॉस विधि द्वारा प्रमुख सूत्रों का निर्माण:

(क) आण्विक द्रव्यमान (Molecular Mass) की गणना

किसी पदार्थ का आण्विक द्रव्यमान उसके सभी संघटक परमाणुओं के द्रव्यमानों का कुल योग होता है। इसे परमाणु द्रव्यमान इकाई ($u$) में व्यक्त किया जाता है।

• जल ($H_2O$): $2 imes ( ext{H का द्रव्यमान}) + 1 imes ( ext{O का द्रव्यमान}) = 2 imes 1 + 1 imes 16 = 18 ext{ u}$
• नाइट्रिक अम्ल ($HNO_3$): $1 imes 1 + 1 imes 14 + 3 imes 16 = 1 + 14 + 48 = 63 ext{ u}$
• ग्लूकोज ($C_6H_{12}O_6$): $6 imes 12 + 12 imes 1 + 6 imes 16 = 72 + 12 + 96 = 180 ext{ u}$

(ख) मोल संकल्पना (The Mole Concept)

जिस प्रकार एक दर्जन में 12 वस्तुएं होती हैं और एक ग्रूस में 144 वस्तुएं होती हैं, उसी प्रकार रसायन विज्ञान में परमाणुओं, अणुओं अथवा आयनों के सूक्ष्म समूहों को गिनने के लिए 'मोल' (Mole) इकाई का उपयोग किया जाता है।

1 मोल की परिभाषा: "किसी पदार्थ का 1 मोल उसकी वह मात्रा है जिसमें ठीक उतने ही कण (परमाणु, अणु या आयन) उपस्थित होते हैं जितने कार्बन-12 समस्थानिक के ठीक 12 ग्राम ($0.012 ext{ kg}$) में परमाणुओं की संख्या होती है।"

(ग) मोल संकल्पना के तीन प्रमुख गणितीय सूत्र

1. मोलों की संख्या ($n$) द्रव्यमान के पदों में: $$n = rac{m}{M} = rac{ ext{दिया गया द्रव्यमान (g)}}{ ext{मोलर द्रव्यमान (g/mol)}}$$
2. मोलों की संख्या ($n$) कणों की संख्या के पदों में: $$n = rac{N}{N_A} = rac{ ext{दिए गए कणों की संख्या}}{ ext{आवोगाद्रो संख्या } (6.022 imes 10^{23})}$$
3. द्रव्यमान एवं कणों की संख्या का सीधा संबंध: $$rac{m}{M} = rac{N}{N_A} \implies N = rac{m}{M} imes N_A \quad ext{तथा} \quad m = rac{N}{N_A} imes M$$