परमाणु, अणु और मोल संकल्पना: परीक्षा नोट्स

रसायन का आरंभ दो विचारों से होता है: पदार्थ परमाणुओं से बना है, और परमाणु निश्चित पूर्ण संख्या अनुपात में संयोग करते हैं। इस अध्याय में रासायनिक संयोजन के नियमों से लेकर मोल तक सब कुछ उन परमाणुओं को गिनने का उपाय है, जो देखे जाने के लिए बहुत छोटे हैं। एक अंक के प्रश्न नियमों तथा उन्हें देने वाले वैज्ञानिकों से बनते हैं और दो अंक के सवाल आण्विक द्रव्यमान तथा मोल से, इसलिए नाम और गणित दोनों कंठस्थ होने चाहिए।

रासायनिक संयोजन के नियम

द्रव्यमान संरक्षण का नियम, जिसे अठारहवीं शताब्दी के उत्तरार्ध में आंत्वान लवाइजिए ने दिया, कहता है कि रासायनिक अभिक्रिया में द्रव्यमान न तो बनता है न नष्ट होता है, अर्थात उत्पादों का कुल द्रव्यमान अभिकारकों के कुल द्रव्यमान के बराबर रहता है। स्थिर अनुपात का नियम, जिसे निश्चित अनुपात का नियम भी कहते हैं और जो जोसेफ प्राउस्ट ने दिया, कहता है कि किसी शुद्ध यौगिक में वही तत्व सदा उसी द्रव्यमान अनुपात में रहते हैं, स्रोत चाहे कोई हो: किसी भी नदी या प्रयोगशाला के जल में हाइड्रोजन और ऑक्सीजन का द्रव्यमान अनुपात एक और आठ ही रहता है। गुणित अनुपात का नियम, जो जॉन डाल्टन ने दिया, तब लगता है जब दो तत्व एक से अधिक यौगिक बनाएँ: एक तत्व के निश्चित द्रव्यमान से संयोग करने वाले दूसरे तत्व के द्रव्यमान सरल पूर्ण संख्या अनुपात में होते हैं, जैसे कार्बन मोनोऑक्साइड और कार्बन डाइऑक्साइड में बारह ग्राम कार्बन क्रमशः सोलह तथा बत्तीस ग्राम ऑक्सीजन लेता है, अर्थात अनुपात एक और दो। गे लुसाक का गैसीय आयतन नियम कहता है कि गैसें ऐसे आयतनों में अभिक्रिया करती हैं जिनका आपस में सरल अनुपात हो, और आवोगाद्रो का नियम कहता है कि समान ताप तथा दाब पर सभी गैसों के समान आयतन में अणुओं की संख्या समान होती है।

डाल्टन का परमाणु सिद्धांत और उसकी सीमाएँ

डाल्टन ने 1808 में इन नियमों को एक सूत्र में बाँधा। पदार्थ अविभाज्य परमाणुओं से बना है; किसी तत्व के सभी परमाणु द्रव्यमान तथा गुणों में एक समान हैं; भिन्न तत्वों के परमाणु भिन्न हैं; परमाणु छोटी पूर्ण संख्याओं के अनुपात में जुड़ते हैं; और अभिक्रिया में परमाणु न बनते हैं न नष्ट होते हैं। आगे के शोध ने पहले दो अभिगृहीत गलत सिद्ध कर दिए, क्योंकि परमाणु के भीतर इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन हैं, तथा एक ही तत्व के समस्थानिकों के द्रव्यमान भिन्न होते हैं। शेष सिद्धांत आज भी खड़ा है और पहले तीन नियमों की सुंदर व्याख्या करता है।

परमाणु द्रव्यमान, आण्विक द्रव्यमान और सूत्र इकाई द्रव्यमान

परमाणु द्रव्यमान सापेक्ष पैमाने पर मापे जाते हैं। एक एकीकृत परमाणु द्रव्यमान इकाई, जिसे u लिखते हैं, कार्बन बारह के एक परमाणु के द्रव्यमान का बारहवाँ भाग है, इसलिए हाइड्रोजन लगभग 1 u, कार्बन 12 u, नाइट्रोजन 14 u, ऑक्सीजन 16 u, सोडियम 23 u, सल्फर 32 u, क्लोरीन लगभग 35.5 u और कैल्शियम 40 u का है। अणुओं से बने पदार्थ का आण्विक द्रव्यमान उसके सूत्र में आए परमाणु द्रव्यमानों का योग है, अतः जल 18 u, अमोनिया 17 u, कार्बन डाइऑक्साइड 44 u तथा सल्फ्यूरिक अम्ल 98 u का है। आयनिक यौगिक में अलग अणु नहीं होते, इसलिए वही योग सूत्र इकाई द्रव्यमान कहलाता है: सोडियम क्लोराइड 58.5 u और कैल्शियम क्लोराइड, अर्थात चालीस जोड़ दो गुणा साढ़े पैंतीस, 111 u का है।

संयोजकता और सूत्र लिखना

सूत्र लिखने के लिए प्रतीकों को साथ रखकर संयोजकताओं को आड़ी तिरछी अदला बदली से नीचे लिख दें और फिर उभयनिष्ठ गुणनखंड हो तो संख्याएँ छोटी कर लें। संयोजकता तीन वाला एल्युमिनियम और संयोजकता दो वाली ऑक्सीजन मिलकर एल्युमिनियम ऑक्साइड Al2O3 देते हैं, तथा संयोजकता दो वाला कैल्शियम और संयोजकता एक वाली क्लोरीन CaCl2 देते हैं।

मोल संकल्पना

रसायनज्ञ परमाणु एक एक करके नहीं गिन सकता, इसलिए मोल को कणों की एक निश्चित संख्या के रूप में परिभाषित किया गया। किसी भी पदार्थ के एक मोल में 6.022 गुणा दस की घात तेईस कण होते हैं, और यह संख्या आवोगाद्रो नियतांक कहलाती है, जो आमेदेओ आवोगाद्रो के नाम पर है, यद्यपि उन्होंने इसे स्वयं कभी मापा नहीं। इससे तीन संबंध निकलते हैं, जो मिलकर इस अध्याय के लगभग सभी सवाल हल कर देते हैं। मोलों की संख्या दिए गए द्रव्यमान में मोलर द्रव्यमान का भाग देने से मिलती है। वही संख्या कणों की संख्या में आवोगाद्रो नियतांक का भाग देने से भी मिलती है। मानक ताप और दाब पर किसी गैस के लिए यह आयतन में 22.4 लीटर का भाग देने से मिलती है, क्योंकि उन परिस्थितियों में किसी भी गैस का एक मोल 22.4 लीटर घेरता है।

मोलर द्रव्यमान वही परमाणु या आण्विक द्रव्यमान है जिसे ग्राम में लिख दिया जाए, इसलिए जल का एक मोल 18 ग्राम, ऑक्सीजन गैस का एक मोल 32 ग्राम और कार्बन का एक मोल 12 ग्राम का होता है। अतः छत्तीस ग्राम जल दो मोल है और उसमें आवोगाद्रो संख्या से दुगुने अणु हैं, जबकि 44 ग्राम कार्बन डाइऑक्साइड एक मोल है और उसमें कार्बन डाइऑक्साइड के एक आवोगाद्रो संख्या अणु हैं, पर परमाणु उससे तीन गुने, क्योंकि प्रत्येक अणु में एक कार्बन और दो ऑक्सीजन परमाणु हैं।

परीक्षा में आने वाले सवाल

तीन प्रकार बार बार आते हैं। किसी यौगिक का आण्विक या सूत्र इकाई द्रव्यमान निकालना: परमाणु द्रव्यमान जोड़ दें, यह ध्यान रखते हुए कि क्लोरीन 35 नहीं, 35.5 है। द्रव्यमान, मोल और कण संख्या के बीच बदलना: पहले मोलर द्रव्यमान का भाग दें, फिर आवोगाद्रो नियतांक से गुणा करें। मानक ताप और दाब पर दिए गए आयतन की गैस का द्रव्यमान निकालना: आयतन में 22.4 का भाग देकर मोल निकालें और मोलर द्रव्यमान से गुणा करें। चौथा प्रकार प्रतिशत संघटन का है, जिसमें पूछा जाता है कि यौगिक के द्रव्यमान का कितना भाग कोई एक तत्व है; यह एक मोल में उस तत्व का द्रव्यमान बँटा मोलर द्रव्यमान, गुणा सौ होता है, और जल में हाइड्रोजन अठारह में से दो, अर्थात लगभग 11.1 प्रतिशत है।