परमाणु एवं अणु (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 अति सूक्ष्म सूक्ष्म होते हैं। तीन भागों को तीन मीटर ($1 ext{ nm} = 10^{-9} ext{ m}$) में विभाजित किया जाता है। मूल परमाणु की त्रिमात्रा $10^{-10} ext{ m}$ (लगभग $0.1 ext{ nm}$) होती है।

IUPAC (इंटरनेशनल यूनियन ऑफ प्योर एंड एप्लाइड केमिस्ट्री) नामकरण: भौतिक विज्ञान के आधुनिक प्रतीकों को जे.जे. बर्जिलियस की कार्यप्रणाली पर आधारित है। प्रतीक तत्व के अंग्रेजी, लैटिन, जर्मन या ग्रीक नाम के प्रथम एक या दो अक्षर से बने होते हैं। पहला अक्षर हमेशा बड़ा (पूंजी) और दूसरा अक्षर हमेशा छोटा (छोटा) लिखा जाता है।
लैटिन कैसल से लिए गए प्रतीक: लोहा (आयरन) = फेरम $\to$ Fe; तांबा (तांबा) = क्यूप्रम $\to$ Cu; सोडियम = नैट्रियम $\to$ Na; पोटेशियमियम = कलियम $\to$ K; सोना (सोना) = ऑरम $\to$ Au; चाँदी (सिल्वर) = अर्जेंटम $\to$ Ag; सीसा (लीड) = प्लंबम $\to$ Pb.

(ख) परमाणु द्रव्यमान इकाई (परमाणु द्रव्यमान इकाई - $u$)

किसी एक परमाणु का वास्तविक द्रव्यमान इतना कम होता है कि उसे सीधे ग्राम मापना व्यावहारिक नहीं है। मूल रूप से 1961 में अंतरराष्ट्रीय 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 द्रव्यमान के $rac{1}{12}$वेन भाग को मानक 'परमाणु द्रव्यमान इकाई' (एकीकृत द्रव्यमान - $u$) कहा जाता है।"

उदाहरण: उदाहरण = $1 ext{ u}$, कार्बन = $12 ext{ u}$, ऑक्सीजन = $14 ext{ u}$, ऑक्सीजन = $16 ext{ u}$, ऑक्सीजन = $23 ext{ u}$, मैग्नीशियम = $24 ext{ u}$, सागर = $32 ext{ u}$, ऑक्सीजन = $35.5 ext{ u}$, ऑक्सीजन = $40 ext{ u}$।

(जी) परमाणु (अणु) एवं आयन (आयन)

• अणु (अणु): दो या दो से अधिक परमाणुओं का समूह जो रासायनिक बंधों द्वारा दृढ़ता से जुड़े होते हैं। परम स्वतंत्र राज्य में रह सकते हैं।
  • तत्व के सिद्धांत: एक ही प्रकार के परमाणुओं से बने (उदा: $O_2$ द्वि-परमाणुक, $O_3$ त्रि-परमाणुक, $P_4$ चतुर्-परमाणुक, $S_8$ बहु-परमाणुक)। उत्कृष्ट गैसें (He, Ne, Ar) एक-परमाणु होती हैं।
  • योगिक के नियम: भिन्न-भिन्न पदार्थों के परमाणुओं के निश्चित अनुपात से बने (उदा: $H_2O, CO_2, NH_3$).
• आयन (Ions): आवेशित समुच्चय को आयन कहते हैं।
  • धनायण (Cation): धनावेशित कण (उदा: $Na^+, K^+, Ca^{2+}, Mg^{2+}, Al^{3+}$).
  • ऋणायण (आयन): ऋणावेशित कण (उदा: $Cl^-, O^{2-}, N^{3-}$).
  • बहुपरमाणुक आयन (बहुपरमाणुक आयन): परमाणुओं का ऐसा समूह जिस पर एक निश्चित नेट आवेश होता है (उदा: अमोनियम $NH_4^+$, ऑक्साइड $OH^-$, नाइट्रेट $NO_3^-$, आस्था $CO_3^{2-}$, रसायन $SO_4^{2-}$, $PO_4^{3-}$.

किसी रासायनिक सूत्र का रासायनिक सूत्र उनके संघटक तत्वों के प्रतीक और उनके संयोजकता (संयोजकता - संयोजन क्षमता) का रासायनिक सूत्रीकरण होता है।

रासायनिक सूत्र के तीन स्वर्णिम नियम:

1. अय्यन की यात्रा या यात्रा हमेशा जारी रहनी चाहिए।
2. जब किसी शास्त्र में धातु एवं धातु दोनों हों, तो धातु का नाम या प्रतीक पहले (बाईं ओर) लिखा जाता है तथा धातु का बाद में (धातु की ओर) लिखा जाता है। उदा: $NaCl$ (सोडियम सोडियम), $CaO$ (कैल्शियम सोडियम), $CuO$ (कॉपरपोरेटेड).
3. बहुपरमानुक आयनों वाले भंडार में आयन को कोष्ठक (ब्रैकेट) में उसके बाद पादांक (सबस्क्रिप्ट) लिखा जाता है। यदि संख्या 1 हो, तो कोष्ठक की आवश्यकता नहीं है।

क्रिस-क्रॉस द्वारा प्रमुख मन्दिरों का निर्माण विधि:

(क) आण्विक द्रव्यमान (आण्विक द्रव्यमान) 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 एसिड ($HNO_3$): $1 imes 1 + 1 imes 14 + 3 imes 16 = 1 + 14 + 48 = 63 ext{ u}$
• ग्लूकोज़ ($C_6H_{12}O_6$): $6 imes 12 + 12 imes 1 + 6 imes 16 = 72 + 12 + 96 = 180 ext{ u}$

(ख) मोल संकल्पना (The Mole Concept)

जिस प्रकार के एक जीवों में 12 अवशेष होते हैं और एक ग्रूस में 144 अवशेष होते हैं, उसी प्रकार के रासायनिक विज्ञान में परमाणुओं, अणुओं या आयनों के सूक्ष्म जीवों को गिनाने के लिए 'मोल' (मोल) का उपयोग किया जाता है।

1 मोल की परिभाषा: "किसी पदार्थ का 1 मोल उसकी मात्रा होती है जिसमें परमाणु, अणु या आयन शामिल होते हैं।