जल रसायन: कठोर जल, भारी जल और जल शोधन के नोट्स

जल वह एकमात्र यौगिक है जो सामान्य विज्ञान के पर्चे के प्रत्येक खंड में आता है: रसायन में उसकी संरचना, भौतिकी में उसका असामान्य व्यवहार, अनुप्रयुक्त रसायन में कठोरता तथा मृदुकरण, और दैनिक विज्ञान में जल शोधन एवं जल जनित रोग। इन नोट्स में जल की संरचना और असामान्य गुण, कठोर तथा मृदु जल के साथ मृदुकरण की विधियाँ, भारी जल और नाभिकीय रिएक्टर में उसका उपयोग, तथा जल को पीने योग्य बनाने के चरण दिए गए हैं।

जल की संरचना और संघटन

जल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का यौगिक है, जिसका सूत्र H2O है और जिसमें दोनों तत्व एक और आठ के निश्चित द्रव्यमान अनुपात में संयोजित होते हैं; यही स्थिर अनुपात के नियम का मानक उदाहरण है। अणु मुड़ा हुआ होता है, जिसका आबंध कोण लगभग 104.5 डिग्री है, और चूँकि ऑक्सीजन साझा इलेक्ट्रॉनों को अपनी ओर खींचता है, अणु ध्रुवीय होता है। यही ध्रुवीयता और पड़ोसी अणुओं के बीच के हाइड्रोजन आबंध जल के लगभग प्रत्येक उस गुण की व्याख्या करते हैं जो परीक्षा में पूछा जाता है। शुद्ध जल उदासीन होता है, पच्चीस डिग्री सेल्सियस पर उसका pH सात होता है, और जब तक उसमें कोई लवण या अम्ल न घुले वह विद्युत का अत्यंत दुर्बल चालक रहता है।

जल के असामान्य गुण

• सामान्य दाब पर जल का क्वथनांक असामान्य रूप से ऊँचा, सौ डिग्री सेल्सियस है, क्योंकि किसी अणु के निकलने से पहले हाइड्रोजन आबंध तोड़ने पड़ते हैं।
• उसकी विशिष्ट ऊष्मा धारिता लगभग 4.18 जूल प्रति ग्राम प्रति केल्विन है, जो सामान्य द्रवों में सर्वाधिक है; इसी कारण महासागर जलवायु को संतुलित रखते हैं और जल शीतलक के रूप में काम आता है।
• बर्फ के गलन की गुप्त ऊष्मा लगभग 334 जूल प्रति ग्राम और जल के वाष्पन की गुप्त ऊष्मा लगभग 2,260 जूल प्रति ग्राम है, इसलिए भाप खौलते जल से कहीं अधिक जलाती है।
• जल का घनत्व हिमांक पर नहीं, चार डिग्री सेल्सियस पर अधिकतम होता है। शून्य से चार डिग्री के बीच गर्म करने पर वह सिकुड़ता है, जिसे जल का असामान्य प्रसार कहते हैं।
• बर्फ जल से हल्की होने के कारण तैरती है, और झील पर जमी बर्फ की चादर नीचे के जल को ऊष्मारोधी बनाकर मछलियों को शीत ऋतु में जीवित रखती है।
• जल को सर्वविलायक कहा जाता है, क्योंकि उसकी ध्रुवीयता और ऊँचा परावैद्युतांक उसे किसी भी अन्य सामान्य द्रव से अधिक पदार्थ घोलने देता है।

कठोर जल और मृदु जल

जो जल साबुन के साथ सरलता से झाग देता है वह मृदु है; जो नहीं देता वह कठोर है। कठोरता कैल्सियम तथा मैग्नीशियम के घुले लवणों से आती है, जिन्हें जल चूना-पत्थर, खड़िया और जिप्सम के ऊपर बहते हुए ग्रहण करता है। साबुन वसा अम्ल का सोडियम लवण होता है, और ये घुले लवण उसके साथ कैल्सियम तथा मैग्नीशियम के अघुलनशील स्टिएरेट बनाते हैं, अर्थात् वही भूरा-सा मैल जो बेसिन में दिखता है, इसलिए झाग बनने से पहले साबुन व्यर्थ चला जाता है। अपमार्जक कठोर जल में भी काम करते हैं, क्योंकि उनके कैल्सियम तथा मैग्नीशियम लवण घुलनशील रहते हैं। कठोर जल बॉयलरों और केतलियों में पपड़ी भी छोड़ता है, जिससे ईंधन का अपव्यय होता है और औद्योगिक बॉयलर में खतरा बन सकता है। कठोरता कैल्सियम कार्बोनेट तुल्यांक के पार्ट्स पर मिलियन में बताई जाती है; वर्षा का जल प्रकृति में सबसे मृदु जल है, और आसुत जल में कोई घुला लवण नहीं होता।

जिओलाइट अथवा परम्यूटिट प्रक्रिया में जल को सोडियम ऐलुमिनियम सिलिकेट से गुजारा जाता है, जो अपने सोडियम आयन देकर जल के कैल्सियम तथा मैग्नीशियम आयन ले लेता है। आधुनिक आयन विनिमय संयंत्र में कैटायन रेजिन और ऐनायन रेजिन श्रेणी में लगते हैं और कठोरता लगभग शून्य तक लाई जा सकती है, इसी विधि से विखनिजीकृत जल बनाया जाता है। कैलगॉन प्रक्रिया में सोडियम हेक्सामेटाफॉस्फेट मिलाया जाता है, जो कैल्सियम तथा मैग्नीशियम को हटाने के स्थान पर घुलनशील संकुल में बाँध देता है।

भारी जल

भारी जल ड्यूटीरियम ऑक्साइड, D2O है, जिसमें दोनों हाइड्रोजन परमाणु ड्यूटीरियम समस्थानिक के होते हैं, जिसके नाभिक में एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन होता है। ड्यूटीरियम की खोज 1931 में हैरोल्ड यूरे ने की, जिसके लिए उन्हें 1934 का रसायन का नोबेल पुरस्कार मिला, और लगभग शुद्ध भारी जल पहली बार 1933 में गिल्बर्ट न्यूटन लुईस ने साधारण जल के दीर्घकालिक विद्युत अपघटन से प्राप्त किया। साधारण जल में भारी जल लगभग छह हजार भाग में एक भाग होता है, और आज भी इसे बार-बार विद्युत अपघटन अथवा प्रभाजी आसवन से प्राप्त किया जाता है, क्योंकि उसका क्वथनांक 101.4 डिग्री सेल्सियस और हिमांक 3.8 डिग्री सेल्सियस साधारण जल से भिन्न हैं। उसका अणु भार अठारह के स्थान पर बीस और घनत्व लगभग 1.105 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर है, इसलिए साधारण बर्फ का टुकड़ा भारी जल में डूब जाता है। उसका सबसे बड़ा उपयोग नाभिकीय रिएक्टर में है, जहाँ वह मंदक का कार्य करता है, अर्थात् तीव्र न्यूट्रॉनों को बहुत अधिक अवशोषित किए बिना धीमा करता है, और भारतीय रिएक्टरों में शीतलक का भी; दबावयुक्त भारी जल रिएक्टर भारतीय नाभिकीय कार्यक्रम का आधार है और परमाणु ऊर्जा विभाग के अधीन भारी जल बोर्ड उसके लिए भारी जल बनाता है। भारी जल रासायनिक तथा जैविक शोध में अनुचिह्नक के रूप में भी काम आता है, परंतु अधिक मात्रा में यह जीवों के लिए हानिकारक है।

जल को पीने योग्य कैसे बनाया जाता है

नगरपालिका का जल संस्थान नदी या जलाशय के जल का शोधन एक निश्चित क्रम में करता है, और पर्चे प्रत्येक चरण का प्रयोजन पूछते हैं।

1. छानना तैरती पत्तियों, चिथड़ों तथा अन्य बड़े पदार्थों को रोक लेता है।
2. वायुमिश्रण घुली गैसें तथा गंध दूर करता है और ऑक्सीजन मिलाता है।
3. अवसादन में भारी निलंबित कण गुरुत्व से बैठ जाते हैं।
4. स्कंदन में फिटकरी अर्थात् ऐलुमिनियम सल्फेट या पोटाश एलम मिलाई जाती है, जो मिट्टी के महीन कणों को ऐसे गुच्छों में बाँध देती है जो बैठने भर को भारी हो जाते हैं।
5. निस्यंदन में बालू और बजरी की तहों से गुजारकर शेष निलंबित पदार्थ तथा अधिकांश जीवाणु हटा दिए जाते हैं।
6. विसंक्रमण शेष रोगजनकों को नष्ट करता है, सामान्यतः क्लोरीन गैस अथवा विरंजक चूर्ण से क्लोरीनीकरण द्वारा, जो रासायनिक रूप से कैल्सियम ऑक्सीक्लोराइड है; ओजोनीकरण तथा पराबैंगनी प्रकाश इसके विकल्प हैं।

घर पर उबालना जीवाणुओं और विषाणुओं के विरुद्ध सबसे सरल तथा सबसे निश्चित उपाय है, और कैंडल फिल्टर निलंबित मैल हटा देता है। विपरीत परासरण इकाई जल को परासरण दाब से अधिक दाब पर अर्धपारगम्य झिल्ली से गुजारती है और इस प्रकार घुले लवण भी हटा देती है, जो पराबैंगनी शोधक नहीं कर सकता, क्योंकि पराबैंगनी प्रकाश सूक्ष्मजीवों को मारता है परंतु प्रत्येक घुला लवण छोड़ देता है। सक्रियित चारकोल रंग, गंध तथा कार्बनिक पदार्थ हटाता है। आसवन सबसे शुद्ध जल देता है, और समुद्री जल का विलवणीकरण विपरीत परासरण अथवा बहु-चरण फ्लैश आसवन से किया जाता है। अनुपचारित जल हैजा, टाइफॉइड, हेपेटाइटिस ए, पेचिश और पोलियो फैलाता है, तथा घुली अशुद्धियाँ अपने रोग देती हैं: अधिक फ्लोराइड से फ्लोरोसिस, आर्सेनिक से आर्सेनिकोसिस और पेय जल में नाइट्रेट से शिशुओं में ब्लू बेबी सिंड्रोम होता है। किसी जलाशय का कार्बनिक प्रदूषण उसकी जैव रासायनिक ऑक्सीजन माँग से मापा जाता है, और स्वच्छ जल की पहचान घुलित ऑक्सीजन का ऊँचा स्तर है।