चित्र 1

घुमाने के लिए खींचिए · खिसकाने के लिए shift के साथ खींचिए · खोलने के लिए क्लिक कीजिए

पृष्ठ पलटने के लिए स्क्रॉल करें

Chemistry · AP Chemistry

परमाणु संरचना और गुण

अध्याय 1 · परमाणु संरचना और गुण

मोल, कोश, स्पेक्ट्रम

परमाणु इतने छोटे होते हैं कि उन्हें एक-एक करके गिना नहीं जा सकता। रसायन विज्ञान उन्हें तौलकर गिनता है, और यह समझाता है कि वे क्या करते हैं, इस आधार पर कि उनके इलेक्ट्रॉन कहाँ हैं।

यह आकृति परमाणु का कोश मॉडल है। नाभिक में प्रोटॉन (लाल) और न्यूट्रॉन होते हैं। इलेक्ट्रॉन इसके चारों ओर कोशों में रहते हैं, नाभिक के आकर्षण से बँधे हुए। आकृति एक-एक प्रोटॉन और एक-एक इलेक्ट्रॉन जोड़ते हुए हाइड्रोजन, Z = 1, से कैल्सियम, Z = 20, तक जाती है।

सबसे बाहरी कोश के इलेक्ट्रॉन संयोजी इलेक्ट्रॉन (लाल) हैं। परमाणु इन्हीं को खोता, पाता या साझा करता है, इसलिए ये तय करते हैं कि तत्व कैसा व्यवहार करेगा।

इस अध्याय में हम मोल से परमाणुओं को गिनते हैं, द्रव्यमान स्पेक्ट्रम से समस्थानिक पढ़ते हैं और यौगिकों तथा मिश्रणों का संघटन निकालते हैं। फिर कूलॉम के नियम से परमाणुओं को कोश-दर-कोश बनाते हैं, कोशों को प्रकाश-इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रमों से जाँचते हैं, और आवर्ती प्रवृत्तियों तथा आयनों के आवेश समझाते हैं।

1.1 · तौलकर परमाणुओं की गिनती

मोल और मोलर द्रव्यमान

प्रत्येक पलड़े में परमाणुओं की संख्या समान डाली जाती है, बाईं ओर कार्बन और दाईं ओर मैग्नीशियम। मैग्नीशियम का पलड़ा हमेशा 2.02 गुना भारी होता है।

परमाणुओं का द्रव्यमान बहुत कम होता है, इसलिए उन्हें परमाणु द्रव्यमान इकाई (amu) में मापा जाता है: 1 amu = 1.6605 × 10⁻²⁴ g। कार्बन के औसत परमाणु का द्रव्यमान 12.01 amu है, और मैग्नीशियम के औसत परमाणु का 24.31 amu।

मोल 6.022 × 10²³ कणों का होता है, यही आवोगाद्रो संख्या N_A है। इसे इस तरह चुना गया है कि एक मोल परमाणुओं का ग्राम में द्रव्यमान एक परमाणु के amu में द्रव्यमान के बराबर हो। यह द्रव्यमान मोलर द्रव्यमान है: कार्बन के लिए 12.01 g/mol और मैग्नीशियम के लिए 24.31 g/mol।

n = \frac{m}{M} \qquad N = n\,N_\text{A}

यहाँ n मोल में मात्रा है, m द्रव्यमान, M मोलर द्रव्यमान और N कणों की संख्या। 5.00 g मैग्नीशियम में कितने परमाणु हैं?

\begin{aligned}n &= \frac{5.00\ \text{g}}{24.31\ \text{g/mol}} = 0.2057\ \text{mol} \\ N &= 0.2057 \times 6.022\times10^{23} = 1.24\times10^{23}\end{aligned}

किसी यौगिक का मोलर द्रव्यमान उसके परमाणुओं के मोलर द्रव्यमानों का योग होता है: H₂O का 2(1.008) + 16.00 = 18.02 g/mol है।

1.2 · समस्थानिक और औसत द्रव्यमान

किसी तत्व का द्रव्यमान स्पेक्ट्रम

किसी एक तत्व के सभी परमाणुओं में प्रोटॉनों की संख्या समान होती है, पर न्यूट्रॉनों की संख्या हमेशा समान नहीं होती। ये रूप समस्थानिक हैं, और इनके द्रव्यमान अलग होते हैं।

किसी तत्व का द्रव्यमान स्पेक्ट्रम प्रत्येक समस्थानिक के लिए एक शिखर दिखाता है। शिखर की स्थिति समस्थानिक का द्रव्यमान है; उसकी ऊँचाई समस्थानिक की आपेक्षिक बहुलता है, यानी कितने प्रतिशत परमाणु वह समस्थानिक हैं। मैग्नीशियम के तीन हैं:

समस्थानिक	²⁴Mg	²⁵Mg	²⁶Mg
द्रव्यमान (amu)	23.985	24.986	25.983
बहुलता (%)	78.99	10.00	11.01

आवर्त सारणी में दिया औसत परमाणु द्रव्यमान सभी परमाणुओं का माध्य है, इसलिए प्रत्येक समस्थानिक अपनी बहुलता के अनुसार गिना जाता है:

\begin{aligned}&23.985(0.7899) \ &+ 24.986(0.1000) \ &+ 25.983(0.1101) \\ &= 24.31\ \text{amu}\end{aligned}

आकृति में परमाणु एक-एक करके गिने जाते हैं। शुरू में शिखर और लाल औसत इधर-उधर उछलते हैं; गिनती बढ़ने पर वे वास्तविक स्पेक्ट्रम और 24.31 amu पर स्थिर हो जाते हैं।

किसी एक मैग्नीशियम परमाणु का द्रव्यमान 24.31 amu नहीं होता: यह औसत है। औसत सबसे अधिक बहुलता वाले समस्थानिक के सबसे निकट होता है। क्लोरीन में 75.76% ³⁵Cl और 24.24% ³⁷Cl है, इसलिए उसका औसत, 35.45 amu, 37 की तुलना में 35 के बहुत निकट है।

1.3 · निश्चित संघटन

द्रव्यमान प्रतिशत और मूलानुपाती सूत्र

किसी शुद्ध यौगिक का संघटन हर नमूने में समान होता है: वही तत्व, द्रव्यमान के अनुसार वही अनुपात में। यह निश्चित अनुपात का नियम है।

किसी यौगिक में किसी तत्व का द्रव्यमान प्रतिशत यौगिक के एक मोल में उस तत्व के द्रव्यमान को मोलर द्रव्यमान से भाग देने पर मिलता है। एथीन, C₂H₄, के लिए:

\%\,\text{C} = \frac{2(12.01)}{28.05} \times 100 = 85.6\%

मूलानुपाती सूत्र परमाणुओं का सबसे सरल पूर्ण संख्या अनुपात देता है। एथीन और साइक्लोप्रोपेन, C₃H₆, दोनों CH₂ इकाइयों में बँटते हैं, इसलिए दोनों का मूलानुपाती सूत्र CH₂ है और द्रव्यमान प्रतिशत भी समान हैं, 85.6% C और 14.4% H। केवल द्रव्यमान के आँकड़ों से मूलानुपाती सूत्र मिलता है, आणविक सूत्र नहीं।

द्रव्यमान प्रतिशत से वापस सूत्र तक: 100 g लीजिए, ताकि हर प्रतिशत ग्राम हो जाए; मोल में बदलिए; सबसे छोटे से भाग दीजिए। एक यौगिक में 40% C, 6.71% H और 53.3% O है:

	ग्राम	मोल	÷ सबसे छोटा
C	40	40 / 12.01 = 3.331	1.00
H	6.71	6.71 / 1.008 = 6.657	2.00
O	53.3	53.3 / 16 = 3.331	1.00

अनुपात 1 : 2 : 1 है, इसलिए मूलानुपाती सूत्र CH₂O है। ग्लूकोज़, C₆H₁₂O₆, का संघटन यही है।

1.4 · मिश्रणों में भिन्नता होती है

मिश्रणों का संघटन

एक मिश्रण दो या अधिक ऐसे पदार्थ हैं जो रासायनिक रूप से संयुक्त नहीं होते। शुद्ध यौगिक के विपरीत, इसका संघटन एक नमूने से दूसरे नमूने में बदल सकता है।

आकृति का नमूना सोडियम क्लोराइड और पोटैशियम क्लोराइड का मिश्रण है। प्रत्येक शुद्ध लवण में द्रव्यमान के अनुसार क्लोरीन का अपना निश्चित प्रतिशत होता है:

\begin{aligned}\text{NaCl:}\ \frac{35.45}{58.44} &= 60.66\%\ \text{Cl} \\ \text{KCl:}\ \frac{35.45}{74.55} &= 47.55\%\ \text{Cl}\end{aligned}

जैसे-जैसे मिश्रण बदलता है, क्लोरीन का प्रतिशत इन दोनों मानों के बीच एक सरल रेखा के अनुदिश खिसकता है। यदि x NaCl का द्रव्यमान अंश है:

\%\,\text{Cl} = 60.66\,x + 47.55\,(1 - x)

तत्वीय विश्लेषण इसे उल्टी दिशा में चलाता है। मान लीजिए किसी नमूने में द्रव्यमान के अनुसार 55.0% Cl पाया गया। तब

x = \frac{55.0 - 47.55}{60.66 - 47.55} = 0.568

अतः नमूने में द्रव्यमान के अनुसार 56.8% NaCl है। इसी तर्क से नमूने की शुद्धता भी ज्ञात होती है: यदि किसी अशुद्धि में मापा जा रहा तत्व नहीं है, तो अशुद्धि उसके द्रव्यमान प्रतिशत को शुद्ध यौगिक के मान से कम कर देती है।

1.5 · कोशों में इलेक्ट्रॉन

कूलॉम का नियम और इलेक्ट्रॉन विन्यास

परमाणु एक छोटे, सघन, धनावेशित नाभिक और उसके चारों ओर ऋणावेशित इलेक्ट्रॉनों से बना होता है। परमाणु क्रमांक Z प्रोटॉनों की संख्या है, और उदासीन परमाणु में यही इलेक्ट्रॉनों की संख्या भी है।

इलेक्ट्रॉन को नाभिक के प्रति उसका स्थिरवैद्युत आकर्षण थामे रखता है। कूलॉम का नियम कहता है कि दो आवेशों के बीच बल आवेशों के साथ बढ़ता है और उनके बीच की दूरी के वर्ग के साथ घटता है:

F \propto \frac{q_1 q_2}{r^2}

इसलिए जब नाभिक में अधिक प्रोटॉन हों या इलेक्ट्रॉन उसके अधिक निकट हो, तो इलेक्ट्रॉन अधिक मज़बूती से बँधा होता है और उसे निकालने में अधिक ऊर्जा लगती है।

इलेक्ट्रॉन बढ़ती दूरी पर स्थित कोशों (n = 1, 2, 3, …) में रहते हैं, और प्रत्येक कोश में उपकोश होते हैं: s में 2 इलेक्ट्रॉन आते हैं, p में 6। इलेक्ट्रॉन पहले सबसे कम ऊर्जा वाले उपकोश भरते हैं (ऑफबाऊ सिद्धांत), क्रम है 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s। दाईं ओर का कक्षक आरेख प्रत्येक कक्षक को एक खाने के रूप में दिखाता है, जिसमें विपरीत प्रचक्रण वाले अधिकतम दो इलेक्ट्रॉन होते हैं। परिणाम है इलेक्ट्रॉन विन्यास:

N (Z = 7)	1s² 2s² 2p³
Na (Z = 11)	1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
Cl (Z = 17)	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
Ca (Z = 20)	1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

भीतरी, भरे हुए कोश अंतरस्थ इलेक्ट्रॉन (कोर इलेक्ट्रॉन) हैं। ये नाभिक और संयोजी इलेक्ट्रॉनों के बीच स्थित होते हैं और उन्हें परिरक्षित करते हैं: सोडियम का एक 3s इलेक्ट्रॉन अपने 11 प्रोटॉनों के आकर्षण को 10 कोर इलेक्ट्रॉनों द्वारा आंशिक रूप से कटा हुआ अनुभव करता है, इसलिए वह ढीला बँधा होता है।

आयन का विन्यास उसके इलेक्ट्रॉनों की संख्या से निकलता है: Na⁺ में 10 इलेक्ट्रॉन हैं, 1s² 2s² 2p⁶, और Cl⁻ में 18 हैं, जो आर्गन का विन्यास है।

1.6 · कोशों को मापना

फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रमिकी

फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रमिकी (PES) कोश मॉडल की सीधे जाँच करती है। उच्च ऊर्जा वाले फोटॉन परमाणुओं से इलेक्ट्रॉन बाहर निकाल देते हैं, और प्रत्येक इलेक्ट्रॉन को बच निकलने के लिए जितनी ऊर्जा चाहिए थी, उसे मापा जाता है।

वह ऊर्जा इलेक्ट्रॉन की बंधन ऊर्जा है। फोटॉन की ऊर्जा ज्ञात होती है, इसलिए निकलते समय इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा से बंधन ऊर्जा मिल जाती है: बंधन ऊर्जा = फोटॉन ऊर्जा − गतिज ऊर्जा।

एक ही उपकोश के इलेक्ट्रॉनों की बंधन ऊर्जा समान होती है, इसलिए प्रत्येक उपकोश एक शिखर बनाता है। शिखर की स्थिति उसकी बंधन ऊर्जा है: वह उपकोश कितनी मज़बूती से बँधा है। उसकी ऊँचाई उसमें इलेक्ट्रॉनों की संख्या के अनुक्रमानुपाती होती है। सिलिकॉन:

उपकोश	1s	2s	2p	3s	3p
बंधन ऊर्जा (MJ/mol)	178	15.1	10.3	1.46	0.79
आपेक्षिक ऊँचाई	2	2	6	2	2

बंधन ऊर्जा बाईं ओर बढ़ती हुई आलेखित है, और आकृति में लघुगणकीय पैमाने पर, ताकि 178 और 0.79 एक ही अक्ष पर आ सकें। पाँच शिखर पाँच उपकोश हैं, 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²; ऊँचाइयों का योग 14 है, जो सिलिकॉन का परमाणु क्रमांक है।

स्पेक्ट्रम कूलॉम के नियम का पालन करता है। 1s इलेक्ट्रॉन नाभिक के सबसे निकट हैं और अपरिरक्षित हैं, इसलिए उनका शिखर बहुत बाईं ओर है। अधिक प्रोटॉन वाले तत्व में वही उपकोश अधिक बंधन ऊर्जा पर होता है: 1s सोडियम में 104 MJ/mol और मैग्नीशियम में 126 MJ/mol है।

1.7 · आवर्त प्रवृत्तियाँ

आकार, आयनन ऊर्जा और विद्युत ऋणात्मकता

एक आवर्त में परमाणु छोटे होते जाते हैं और अपने इलेक्ट्रॉनों को अधिक कसकर थामते हैं। एक वर्ग में नीचे जाने पर वे बड़े होते हैं और उन्हें कम कसकर थामते हैं। कूलॉम का नियम और कोश मॉडल दोनों को समझाते हैं।

आवर्त में बाएँ से दाएँ प्रत्येक तत्व में एक प्रोटॉन अधिक होता है, पर नया इलेक्ट्रॉन उसी कोश में जुड़ता है। कोर वही रहता है, इसलिए परिरक्षण लगभग नहीं बदलता, और संयोजी इलेक्ट्रॉन अधिक ज़ोर से खिंचते हैं। वर्ग में नीचे हर तत्व एक कोश जोड़ता है: संयोजी इलेक्ट्रॉन अधिक दूर होते हैं और अधिक कोर इलेक्ट्रॉनों से परिरक्षित होते हैं।

आवर्त 3	Na	Mg	Al	Si	P	S	Cl
त्रिज्या (pm)	166	141	121	111	107	105	102
IE₁ (kJ/mol)	496	738	578	787	1012	1000	1251

परमाणु त्रिज्या आवर्त में घटती है और वर्ग में नीचे बढ़ती है। प्रथम आयनन ऊर्जा, यानी गैसीय परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन निकालने की ऊर्जा, इसके विपरीत चलती है: यह क्षार धातुओं में सबसे कम और उत्कृष्ट गैसों में सबसे अधिक होती है। आवर्त 2 में बोरॉन और ऑक्सीजन पर (आवर्त 3 में ऐलुमिनियम और सल्फर पर) दो छोटी गिरावटें उपकोश संरचना से आती हैं; समग्र प्रतिरूप कूलॉमी है।

विद्युत ऋणात्मकता, यानी परमाणु की अपने साझा बंध के इलेक्ट्रॉनों पर खिंचाव, आयनन ऊर्जा का अनुसरण करती है: यह आवर्त में बढ़ती है और वर्ग में नीचे घटती है, इसलिए फ्लुओरीन सबसे अधिक विद्युत ऋणात्मक तत्व है। इलेक्ट्रॉन बंधुता, यानी परमाणु के इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने पर ऊर्जा परिवर्तन, भी आवर्त में अधिक अनुकूल होती जाती है।

आयन आकार में अपने परमाणुओं से भिन्न होते हैं: धनायन अपने परमाणु से छोटा होता है क्योंकि उसने बाहरी इलेक्ट्रॉन खो दिए हैं, और ऋणायन बड़ा होता है, क्योंकि उसका अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन बाकी इलेक्ट्रॉनों से प्रतिकर्षित होता है।

1.8 · संयोजी इलेक्ट्रॉन आयन बनाते हैं

आयनिक यौगिकों के आवेश और सूत्र

सोडियम में एक संयोजी इलेक्ट्रॉन है और क्लोरीन में सात। जब वे अभिक्रिया करते हैं, तो सोडियम अपना इलेक्ट्रॉन खोता है, क्लोरीन उसे ग्रहण करता है, और दोनों आयन एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं।

मुख्य वर्ग के तत्व में संयोजी इलेक्ट्रॉनों की संख्या उसके वर्ग से निकलती है, और उसके आयन का सामान्य आवेश उससे निकलता है। धातुएँ अपने संयोजी इलेक्ट्रॉन खोती हैं; अधातुएँ अपना संयोजी कोश भरने भर के इलेक्ट्रॉन ग्रहण करती हैं। दोनों स्थितियों में आयन का इलेक्ट्रॉन विन्यास किसी उत्कृष्ट गैस जैसा होता है।

वर्ग	1	2	13	15	16	17
संयोजी इलेक्ट्रॉन	1	2	3	5	6	7
आयन	Na⁺	Mg²⁺	Al³⁺	N³⁻	O²⁻	Cl⁻

सोडियम +1 पर रुक जाता है क्योंकि उसका अगला इलेक्ट्रॉन कोर इलेक्ट्रॉन है। इसकी प्रथम आयनन ऊर्जा 496 kJ/mol है, परंतु द्वितीय 4562 kJ/mol है: वह इलेक्ट्रॉन दूसरे कोश में है, नाभिक के अधिक निकट, और जा चुके 3s इलेक्ट्रॉन द्वारा अपरिरक्षित।

आयनों का आकर्षण फिर कूलॉम-जन्य है, और आयनिक यौगिक पर कोई कुल आवेश नहीं होता, इसलिए उसका सूत्र आवेशों को संतुलित करता है: NaCl, MgCl₂, Na₂O, Al₂O₃। एक ही वर्ग के तत्व समान आवेश के आयन बनाते हैं और इसलिए समान रूप के यौगिक: Na₂O और K₂O, MgCl₂ और CaCl₂।

ठोस में विपरीत आवेश के आयन एक जालक में एक-दूसरे को घेरे रहते हैं: सोडियम क्लोराइड में प्रत्येक Na⁺ के छह Cl⁻ पड़ोसी होते हैं, और प्रत्येक Cl⁻ के छह Na⁺।

यौगिकों की संरचना और गुण →