HSC Chemistry के लिए आवर्त सारणी में पदार्थ की अवस्था के रुझान
जानें कि आवर्त सारणी में स्थिति, संरचना, बंधन और अंतराआणविक बल यह समझाने में कैसे मदद करते हैं कि कोई तत्व कमरे के तापमान पर ठोस, द्रव या गैस क्यों होता है।
क्लोरीन एक गैस है। आवर्त सारणी में उसके ठीक नीचे स्थित ब्रोमीन एक द्रव है। ब्रोमीन के ठीक नीचे स्थित आयोडीन एक ठोस है।
यह एक उपयोगी प्रश्न उठाता है। ये सभी तत्व समूह 17 में हैं और इनका रासायनिक व्यवहार समान है, तो फिर इनकी भौतिक अवस्थाएँ समान क्यों नहीं हैं?
आगे पढ़ने से पहले एक अनुमान लगाइए: समूह 17 में नीचे जाने पर, क्या कणों को एक-दूसरे से अलग करना आसान होता जाता है या कठिन?
उन्हें अलग करना अधिक कठिन होता जाता है। यही एक विचार हैलोजनों में नीचे जाने पर गैस से द्रव और फिर ठोस बनने के पैटर्न को समझाता है, और इससे हमें हर तत्व की अवस्था याद किए बिना आवर्त सारणी के बड़े हिस्से को समझने का तरीका मिलता है।
01अवस्था आकर्षण और ऊष्मीय गति के बीच प्रतिस्पर्धा है
किसी पदार्थ के कण हमेशा गतिशील रहते हैं। अधिक तापमान पर उनके पास अधिक ऊष्मीय ऊर्जा होती है और औसतन वे अधिक तीव्रता से गति करते हैं।
साथ ही, कण एक-दूसरे को आकर्षित भी कर सकते हैं।
आप इसे कुछ असहज-सी पार्टी के रूप में कल्पना कर सकते हैं। ऊष्मीय गति ऐसी है जैसे सभी लोग कमरे में इधर-उधर घूम रहे हों। आकर्षण बल वे कारण हैं जिनकी वजह से लोग बार-बार समूह बनाकर एक-दूसरे के पास इकट्ठे हो जाते हैं।
यदि कणों की ऊष्मीय गति की तुलना में आकर्षण कमजोर हों, तो कण एक-दूसरे से बहुत दूर जा सकते हैं और पदार्थ एक गैस होता है।
यदि आकर्षण कणों को पास रखने के लिए पर्याप्त मजबूत हों, लेकिन उन्हें एक ही स्थान पर स्थिर न रखें, तो पदार्थ एक द्रव हो सकता है।
यदि संरचना कणों को निश्चित स्थानों पर बनाए रखती है और कण मुख्य रूप से उन्हीं स्थानों के आसपास कंपन करते हैं, तो पदार्थ एक ठोस होता है।
इस उपमा की सीमाएँ हैं। कण निर्णय नहीं लेते, और अलग-अलग पदार्थ बहुत अलग प्रकार के बंधनों और आकर्षणों से जुड़े हो सकते हैं। उपयोगी बात यह प्रतिस्पर्धा है: ऊष्मीय ऊर्जा कणों को अलग करने की प्रवृत्ति रखती है, जबकि आकर्षक अंतःक्रियाएँ उन्हें साथ रखने की प्रवृत्ति रखती हैं।
02कमरे के तापमान पर अवस्था का वास्तविक अर्थ गलनांक और क्वथनांक है
कोई तत्व स्थायी रूप से ठोस, द्रव या गैस नहीं होता। उसकी अवस्था तापमान और दाब पर निर्भर करती है।
HSC Chemistry के प्रश्नों में, “कमरे का तापमान” सामान्यतः लगभग \(20^\circ\text{C}\) से \(25^\circ\text{C}\) तक माना जाता है, और दाब वायुमंडलीय दाब के करीब होता है।
निश्चित दाब पर:
| प्रावस्था-परिवर्तन तापमानों की तुलना में तापमान | अपेक्षित अवस्था |
|---|---|
| गलनांक से नीचे | ठोस |
| गलनांक और क्वथनांक के बीच | द्रव |
| क्वथनांक से ऊपर | गैस |
मान लीजिए किसी तत्व का गलनांक \(10^\circ\text{C}\) और क्वथनांक \(80^\circ\text{C}\) है। \(25^\circ\text{C}\) पर,
\[ 10^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<80^\circ\text{C} \]
इसलिए वह द्रव है।
इससे हमें पहले दिए गए कण मॉडल का अधिक सटीक रूप मिलता है। अधिक मजबूत आकर्षणों को पार करने के लिए सामान्यतः अधिक ऊर्जा चाहिए, इसलिए वे अधिक गलनांक या क्वथनांक उत्पन्न करने की प्रवृत्ति रखते हैं।
आवर्त सारणी उपयोगी है क्योंकि किसी तत्व की स्थिति हमें उसकी संरचना और बंधन के बारे में संकेत देती है, जिनकी सहायता से हम उसके गलनांक और क्वथनांक के बारे में तर्क कर सकते हैं।
03आवर्त सारणी में व्यापक पैटर्न
कमरे के तापमान पर अधिकांश तत्व ठोस होते हैं।
गैसें मुख्य रूप से सारणी के ऊपरी-दाएँ भाग में केंद्रित हैं, और इनमें हाइड्रोजन भी शामिल है। कमरे के तापमान पर द्रव अवस्था में पाए जाने वाले परिचित तत्वों की संख्या बहुत कम है।
एक उपयोगी प्रारंभिक मानचित्र यह है:
| आवर्त सारणी का क्षेत्र | सामान्य संरचना | कमरे के तापमान पर सामान्य अवस्था | मुख्य कारण |
|---|---|---|---|
| बाएँ और मध्य भाग की धातुएँ | विशाल धात्विक जालक | सामान्यतः ठोस | धात्विक बंधन अनेक कणों को एक विस्तृत संरचना में बाँधकर रखता है |
| बोरॉन, कार्बन और सिलिकॉन जैसे तत्व | विशाल सहसंयोजक संरचना | ठोस | मजबूत सहसंयोजक बंध पूरी संरचना में फैले होते हैं |
| ऊपरी-दाएँ भाग की आणविक अधातुएँ | छोटे या बड़े अणु | गैस, द्रव या ठोस | अवस्था अंतराआणविक बलों पर बहुत अधिक निर्भर करती है |
| समूह 18 | अलग-अलग परमाणु | गैस | परमाणुओं के बीच केवल कमजोर प्रकीर्णन बल कार्य करते हैं |
| हाइड्रोजन | \(\ce{H2}\) अणु | गैस | कमजोर अंतराआणविक आकर्षण वाले छोटे अणु |
यह एक पैटर्न है, ऐसा नियम नहीं जिसके आधार पर बिना सोचे पूरी आवर्त सारणी को रंग दिया जाए।
उदाहरण के लिए, पारा एक धातु है, लेकिन कमरे के तापमान पर द्रव होता है। गैलियम और सीज़ियम \(25^\circ\text{C}\) पर ठोस होते हैं, लेकिन दोनों के गलनांक कमरे के तापमान से बहुत अधिक ऊपर नहीं हैं। इसलिए प्रावस्था-सीमा के पास गर्म वातावरण का प्रभाव पड़ सकता है।
बेहतर प्रश्न केवल यह नहीं है, “यह धातु है या अधातु?”
पूछिए:
यह तत्व किस प्रकार के कण या संरचना बनाता है, और उन्हें अलग करना कितना कठिन है?
04अधिकांश धातुएँ ठोस क्यों होती हैं
धातु अलग-अलग छोटे धातु अणुओं से नहीं बनी होती। उसके परमाणु एक विस्तृत धात्विक संरचना बनाते हैं।
धात्विक बंधन मॉडल में, धनात्मक धातु आयन पूरे जालक में विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉनों की ओर आकर्षित होते हैं। किसी धातु को पिघलाने के लिए इनमें से पर्याप्त आकर्षणों को पार करना पड़ता है, ताकि कण एक-दूसरे के पास से गुजरकर गति कर सकें।
इसके लिए सामान्यतः कमरे के तापमान से अधिक तापमान की आवश्यकता होती है, इसलिए अधिकांश धातुएँ \(25^\circ\text{C}\) पर ठोस होती हैं।
हालाँकि, अलग-अलग धातुओं में महत्वपूर्ण अंतर भी होते हैं। हर तत्व में धात्विक बंधन की शक्ति बिल्कुल समान नहीं होती। परमाणु आकार, आवेश, इलेक्ट्रॉन विन्यास और क्रिस्टल संरचना-सभी महत्वपूर्ण हैं।
इसीलिए “धातु = ठोस” एक उपयोगी प्रारंभिक अनुमान है, लेकिन कोई सटीक नियम नहीं।
कमरे के तापमान पर पारा प्रसिद्ध अपवाद है: यह द्रव होता है।
05ऊपरी-दाएँ कोने में इतनी अधिक गैसें क्यों हैं
अब आवर्त सारणी के ऊपरी-दाएँ भाग की ओर देखिए।
कई अधातुएँ छोटे अणुओं के रूप में पाई जाती हैं:
- हाइड्रोजन, \(\ce{H2}\)
- नाइट्रोजन, \(\ce{N2}\)
- ऑक्सीजन, \(\ce{O2}\)
- फ्लोरीन, \(\ce{F2}\)
- क्लोरीन, \(\ce{Cl2}\)
इन अणुओं के अंदर के सहसंयोजक बंध बहुत मजबूत हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, नाइट्रोजन का \(\ce{N#N}\) बंध निश्चित रूप से कमजोर नहीं है।
लेकिन नाइट्रोजन को उबालने के लिए हमें हर \(\ce{N#N}\) बंध तोड़ने की आवश्यकता नहीं होती।
यह अंतर अत्यंत महत्वपूर्ण है।
जब कोई सरल आणविक पदार्थ पिघलता या उबलता है, तो हम मुख्य रूप से उसके अणुओं के बीच के अंतराआणविक बलों को पार करते हैं। प्रत्येक अणु के भीतर के सहसंयोजक बंध बने रहते हैं।
छोटे अणुओं के बीच लंदन प्रकीर्णन बल अपेक्षाकृत कमजोर होते हैं, इसलिए इनमें से कई तत्वों के क्वथनांक कमरे के तापमान से बहुत नीचे होते हैं। वे \(25^\circ\text{C}\) पर गैसें होते हैं।
06हैलोजन इस रुझान को बहुत स्पष्ट रूप से दिखाते हैं
समूह 17 पर विचार कीजिए।
| हैलोजन | तत्वीय कण | अनुमानित गलनांक | अनुमानित क्वथनांक | \(25^\circ\text{C}\) पर अवस्था |
|---|---|---|---|---|
| फ्लोरीन | \(\ce{F2}\) | \(-220^\circ\text{C}\) | \(-188^\circ\text{C}\) | गैस |
| क्लोरीन | \(\ce{Cl2}\) | \(-101^\circ\text{C}\) | \(-34^\circ\text{C}\) | गैस |
| ब्रोमीन | \(\ce{Br2}\) | \(-7^\circ\text{C}\) | \(59^\circ\text{C}\) | द्रव |
| आयोडीन | \(\ce{I2}\) | \(114^\circ\text{C}\) | \(184^\circ\text{C}\) | ठोस |
समूह में नीचे जाने पर गलनांक और क्वथनांक काफी बढ़ते हैं।
क्यों?
प्रत्येक अणु बड़ा होता जाता है और उसमें अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं। उसका इलेक्ट्रॉन बादल अधिक ध्रुवणीय हो जाता है, यानी उसके इलेक्ट्रॉन वितरण को अधिक आसानी से विकृत किया जा सकता है।
इससे अधिक मजबूत अस्थायी द्विध्रुव बनते हैं और इसलिए पड़ोसी अणुओं के बीच लंदन प्रकीर्णन बल अधिक मजबूत होते हैं।
अणुओं को अलग करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
इसलिए समान \(25^\circ\text{C}\) तापमान पर:
- ऊष्मीय ऊर्जा \(\ce{Cl2}\) अणुओं को गैस के रूप में आसानी से अलग-अलग रखती है
- \(\ce{Br2}\) अणु पास रहते हैं, लेकिन द्रव में गतिशील रहते हैं
- \(\ce{I2}\) अणुओं के बीच आकर्षण इतने मजबूत होते हैं कि आयोडीन ठोस बना रहता है
हल किया हुआ उदाहरण: ब्रोमीन द्रव क्यों है?
फ्लोरीन और क्लोरीन \(25^\circ\text{C}\) पर गैस हैं, जबकि आयोडीन ठोस है। समझाइए कि समूह 17 में क्लोरीन और आयोडीन के बीच स्थित ब्रोमीन कमरे के तापमान पर द्रव क्यों है।
चरण 1
तत्वीय ब्रोमीन \(\ce{Br2}\) अणुओं के रूप में पाया जाता है। इसलिए हमें \(\ce{Br2}\) अणुओं के बीच के बलों के बारे में सोचना होगा।
चरण 2
एक \(\ce{Br2}\) अणु में \(\ce{Cl2}\) की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन और बड़ा, अधिक ध्रुवणीय इलेक्ट्रॉन बादल होता है। इसलिए उसके लंदन प्रकीर्णन बल अधिक मजबूत होते हैं।
हालाँकि, ये बल और भी बड़े \(\ce{I2}\) अणुओं के बीच के बलों जितने मजबूत नहीं होते।
चरण 3
ब्रोमीन का गलनांक लगभग \(-7^\circ\text{C}\) और क्वथनांक लगभग \(59^\circ\text{C}\) है।
\(25^\circ\text{C}\) पर,
\[ -7^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<59^\circ\text{C} \]
इसलिए ब्रोमीन द्रव होना चाहिए।
चरण 4
ब्रोमीन में अंतराआणविक आकर्षण इतने मजबूत हैं कि कमरे के तापमान पर उसके अणु गैस की तरह दूर-दूर नहीं फैलते, लेकिन इतने मजबूत नहीं हैं कि उन्हें एक ठोस संरचना में स्थिर कर दें।
07अणु के भीतर के बंध को जिम्मेदार मत ठहराइए
एक सामान्य व्याख्या कुछ इस प्रकार होती है:
आयोडीन ठोस है क्योंकि \(\ce{I-I}\) सहसंयोजक बंध \(\ce{Cl-Cl}\) बंध से अधिक मजबूत है।
अवस्था के इस रुझान के लिए यह सही व्याख्या नहीं है।
आयोडीन को पिघलाने के लिए हर \(\ce{I-I}\) बंध तोड़ना आवश्यक नहीं होता। \(\ce{I2}\) अणु \(\ce{I2}\) के रूप में ही बने रहते हैं।
महत्वपूर्ण परिवर्तन यह है कि अणु एक-दूसरे के पास से गुजरकर गति करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर लेते हैं। हम अंतराआणविक आकर्षणों को पार कर रहे होते हैं, अणु को तोड़कर आयोडीन परमाणुओं में नहीं बाँट रहे होते।
परीक्षा में एक उपयोगी आदत यह प्रश्न पूछना है:
क्या मैं अणुओं को एक-दूसरे से अलग कर रहा हूँ, या किसी अणु के भीतर परमाणुओं को अलग कर रहा हूँ?
सरल आणविक पदार्थों के गलने और उबलने में सामान्यतः पहला मामला लागू होता है।
08ऑक्सीजन और सल्फर दिखाते हैं कि केवल समूह की स्थिति पूरी कहानी नहीं है
ऑक्सीजन और सल्फर दोनों समूह 16 में हैं।
इसलिए आप उनकी अवस्थाएँ समान होने का अनुमान लगा सकते हैं। इसके बजाय, ऑक्सीजन कमरे के तापमान पर गैस है जबकि सल्फर ठोस है।
व्याख्या का एक भाग आकार है, लेकिन एक और महत्वपूर्ण विवरण है: इनके तत्वीय अणुओं का आकार समान नहीं है।
ऑक्सीजन सामान्यतः छोटे \(\ce{O2}\) अणुओं के रूप में पाई जाती है। कमरे के तापमान पर सामान्य तत्वीय सल्फर में कहीं बड़े \(\ce{S8}\) अणु होते हैं।
एक \(\ce{S8}\) अणु में बहुत अधिक इलेक्ट्रॉन और कहीं बड़ा इलेक्ट्रॉन बादल होता है। परिणामस्वरूप, उसके लंदन प्रकीर्णन बल बहुत अधिक मजबूत होते हैं।
हल किया हुआ उदाहरण: ऑक्सीजन गैस है, लेकिन सल्फर ठोस है
समझाइए कि एक ही समूह में होने के बावजूद ऑक्सीजन और सल्फर की कमरे के तापमान पर अवस्थाएँ अलग क्यों हैं।
चरण 1
ऑक्सीजन \(\ce{O2}\) अणुओं के रूप में पाई जाती है। सामान्य ठोस सल्फर में \(\ce{S8}\) अणु होते हैं।
चरण 2
एक \(\ce{S8}\) अणु, \(\ce{O2}\) अणु की तुलना में बहुत बड़ा होता है और उसमें बहुत अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं।
इसलिए उसका इलेक्ट्रॉन बादल अधिक ध्रुवणीय होता है।
चरण 3
अधिक ध्रुवणीयता के कारण \(\ce{S8}\) अणुओं के बीच लंदन प्रकीर्णन बल, \(\ce{O2}\) अणुओं के बीच के बलों की तुलना में अधिक मजबूत होते हैं।
इसलिए सल्फर के अणुओं को अलग करने के लिए अधिक ऊष्मीय ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
चरण 4
कमरे के तापमान पर \(\ce{O2}\) अणुओं के बीच कमजोर आकर्षण ऑक्सीजन को गैस के रूप में रहने देते हैं। \(\ce{S8}\) अणुओं के बीच अधिक मजबूत आकर्षण सल्फर के ठोस बने रहने में योगदान करते हैं।
यह सीख केवल ऑक्सीजन और सल्फर तक सीमित नहीं है: आवर्त सारणी में स्थिति उपयोगी है क्योंकि इससे हमें संरचना और कणों के आकार के बारे में तर्क करने में सहायता मिलती है। केवल स्थिति स्वयं सीधे पदार्थ की अवस्था का कारण नहीं बनती।
09निष्क्रिय गैसें: बड़े परमाणु, फिर भी गैसें
समूह 18 हमें एक और स्पष्ट रुझान देता है।
निष्क्रिय गैसें अणुओं के बजाय अलग-अलग परमाणुओं के रूप में पाई जाती हैं। उन परमाणुओं के बीच मुख्य आकर्षण लंदन प्रकीर्णन बल होते हैं।
हीलियम से नीचे ज़ेनॉन और रेडॉन की ओर जाने पर:
- परमाणु बड़े होते जाते हैं
- उनमें अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं
- उनके इलेक्ट्रॉन बादल अधिक ध्रुवणीय होते जाते हैं
- प्रकीर्णन बल अधिक मजबूत होते जाते हैं
- क्वथनांक बढ़ते जाते हैं
तो क्या इसका अर्थ है कि ज़ेनॉन कमरे के तापमान पर ठोस होना चाहिए?
नहीं।
हीलियम या निऑन की तुलना में उसका क्वथनांक बढ़ा है, लेकिन वह अभी भी \(25^\circ\text{C}\) से काफी नीचे है। इसलिए कमरे का तापमान ज़ेनॉन को गैस अवस्था में रखने के लिए अभी भी पर्याप्त रूप से अधिक है।
यह एक उपयोगी चेतावनी है। कोई गुण समूह में नीचे जाने पर बढ़ सकता है, लेकिन इतना न बढ़े कि गैस और द्रव या द्रव और ठोस के बीच की सीमा पार हो जाए।
10किसी आवर्त में पैटर्न सुचारु नहीं होता
बाएँ से दाएँ जाने के लिए एक सरल नियम खोजने का मन हो सकता है।
कुछ ऐसा:
किसी आवर्त में परमाणु त्रिज्या घटती है, इसलिए तत्वों की अवस्था धीरे-धीरे ठोस से द्रव और फिर गैस में बदलनी चाहिए।
यह तर्क असफल होता है क्योंकि किसी आवर्त में संरचना का प्रकार बदलता है।
आवर्त 3 के कुछ तत्वों पर विचार कीजिए:
- सोडियम, मैग्नीशियम और एल्युमिनियम की धात्विक संरचनाएँ होती हैं और ये ठोस हैं
- सिलिकॉन की विशाल सहसंयोजक संरचना होती है और यह ठोस है
- फॉस्फोरस और सल्फर कमरे के तापमान पर आणविक ठोस बनाते हैं
- क्लोरीन छोटे \(\ce{Cl2}\) अणु बनाता है और गैस है
- आर्गन एकपरमाणुक है और गैस है
ध्यान दीजिए कि क्या हुआ। हमने केवल एक ही प्रकार के कण को लगातार छोटा नहीं किया।
हम धात्विक जालक से विशाल सहसंयोजक संरचना, फिर आणविक पदार्थों और अंत में अलग-अलग परमाणुओं तक पहुँच गए।
संरचना का यह परिवर्तन अत्यंत महत्वपूर्ण है।
इसलिए ऐसा कोई विश्वसनीय नियम नहीं है कि “तीन खाने दाईं ओर जाएँ और अवस्था ठोस से गैस में बदल जाएगी”। आपको यह पहचानना होगा कि प्रत्येक तत्व किस प्रकार का पदार्थ बनाता है।
11विशाल सहसंयोजक संरचनाएँ फिर से अलग होती हैं
कार्बन और सिलिकॉन छोटे आणविक अधातुओं की तुलना में एक और उपयोगी विरोधाभास दिखाते हैं।
हीरे में प्रत्येक कार्बन परमाणु सहसंयोजक बंधों द्वारा एक विशाल त्रिविमीय नेटवर्क में जुड़ा होता है। सिलिकॉन भी विशाल सहसंयोजक संरचना बनाता है।
यहाँ अलग-अलग \(\ce{C}\) या \(\ce{Si}\) अणु नहीं होते जो आसानी से एक-दूसरे से दूर जा सकें।
किसी विशाल सहसंयोजक पदार्थ को पिघलाने के लिए विस्तृत संरचना में मौजूद अनेक मजबूत सहसंयोजक बंधों को पार करना पड़ता है। इसके लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
इसलिए ये पदार्थ कमरे के तापमान पर ठोस होते हैं।
यही कारण है कि “अधातु गैस होते हैं” वाला नियम बिल्कुल काम नहीं करता। कुछ अधातु गैस होते हैं, कुछ आणविक ठोस होते हैं, और कार्बन विशाल सहसंयोजक ठोस बना सकता है।
संरचना महत्वपूर्ण है।
12आवर्त सारणी पर रंग याद करने से बेहतर निर्णय विधि
जब आपसे आवर्त स्थिति का उपयोग करके किसी तत्व की संभावित अवस्था पर चर्चा करने को कहा जाए, तो इन प्रश्नों पर इसी क्रम में विचार कीजिए।
क्या यह धातु, अधातु, या ऐसा तत्व है जिसके विशाल सहसंयोजक संरचना बनाने की संभावना है?
अधिकांश धातुएँ और विशाल सहसंयोजक तत्व कमरे के तापमान पर ठोस होंगे।यदि यह आणविक तत्व है, तो इसके अणु कितने बड़े हैं?
बड़े इलेक्ट्रॉन बादलों का सामान्यतः अर्थ अधिक ध्रुवणीयता और अधिक मजबूत प्रकीर्णन बल होता है।क्या आप समान संरचनाओं की तुलना कर रहे हैं?
आकार के रुझान विशेष रूप से हैलोजन या निष्क्रिय गैसों जैसे परिवारों के भीतर उपयोगी होते हैं। यदि एक पदार्थ विशाल सहसंयोजक नेटवर्क हो और दूसरा अलग-अलग परमाणुओं से बना हो, तो ये रुझान बहुत कम उपयोगी होते हैं।यदि गलनांक और क्वथनांक दिए गए हों, तो उनका उपयोग कीजिए।
वास्तविक आँकड़ों को याद किए हुए रुझान से प्रतिस्थापित मत कीजिए।परिस्थितियाँ समान रखिए।
कमरे के तापमान पर अवस्था किसी विशेष तापमान और दाब के बारे में कथन है, तत्व का कोई शाश्वत गुण नहीं।
13याद रखने योग्य सबसे उपयोगी पैटर्न
अधिकांश HSC प्रश्नों का उत्तर देने के लिए आपको 118 अलग-अलग अवस्थाएँ याद रखने की आवश्यकता नहीं है।
इन पैटर्नों को ध्यान में रखिए:
- कमरे के तापमान पर अधिकांश तत्व ठोस होते हैं
- अधिकांश धातुएँ ठोस होती हैं, और पारा परिचित द्रव अपवाद है
- समूह 1 के ऊपर स्थित होने के बावजूद हाइड्रोजन एक गैस है
- नाइट्रोजन, ऑक्सीजन, फ्लोरीन और क्लोरीन गैसें हैं
- निष्क्रिय गैसें कमरे के तापमान पर गैसें होती हैं
- ब्रोमीन कमरे के तापमान पर द्रव होता है
- तुलनीय आणविक या एकपरमाणुक पदार्थों के समूह में नीचे जाने पर, बढ़ता आकार और ध्रुवणीयता अक्सर लंदन प्रकीर्णन बलों को मजबूत करते हैं
- कण-कण के बीच अधिक मजबूत आकर्षण सामान्यतः अधिक गलनांक और क्वथनांक उत्पन्न करते हैं
- किसी आवर्त में संरचना बदलती है, इसलिए पदार्थ की अवस्था के लिए कोई एक सरल और सुचारु नियम नहीं है
सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि पैटर्न की व्याख्या संरचना और आकर्षणों के आधार पर कीजिए, न कि आवर्त सारणी को रंगों से जुड़ी याददाश्त की परीक्षा समझकर।
14प्रश्न और समाधान
प्रश्न 1
किसी तत्व का गलनांक \(-12^\circ\text{C}\) और वायुमंडलीय दाब पर क्वथनांक \(47^\circ\text{C}\) है।
\(25^\circ\text{C}\) पर उसकी अवस्था क्या होगी? अपने तर्क की व्याख्या कीजिए।
समाधान 1
यह तत्व \(25^\circ\text{C}\) पर द्रव है।
उसका गलनांक कमरे के तापमान से नीचे है, इसलिए वह पहले ही पिघल चुका है। उसका क्वथनांक कमरे के तापमान से ऊपर है, इसलिए वह अभी उबला नहीं है।
संबंधित तुलना है
\[ -12^\circ\text{C}<25^\circ\text{C}<47^\circ\text{C}. \]
क्योंकि \(25^\circ\text{C}\) गलनांक और क्वथनांक के बीच स्थित है, इसलिए इन परिस्थितियों में स्थिर अवस्था द्रव है।
महत्वपूर्ण सिद्धांत यह है कि अवस्था इस बात से निर्धारित होती है कि तापमान प्रावस्था-परिवर्तन तापमानों की तुलना में कहाँ स्थित है, न कि किसी तत्व को स्थायी रूप से “ठोस”, “द्रव” या “गैस” का लेबल दे देने से।
प्रश्न 2
क्लोरीन कमरे के तापमान पर गैस है, जबकि आयोडीन ठोस है।
एक विद्यार्थी इस अंतर की व्याख्या यह कहकर करता है, “चूँकि \(\ce{I-I}\) सहसंयोजक बंध अधिक मजबूत है, इसलिए आयोडीन के अणु अलग नहीं हो सकते।”
इस व्याख्या की समस्या पहचानिए और बेहतर व्याख्या दीजिए।
समाधान 2
यह व्याख्या गलत अंतःक्रिया पर ध्यान केंद्रित करती है। कमरे के तापमान पर अवस्था मुख्य रूप से अणुओं के बीच के बलों पर निर्भर करती है, न कि प्रत्येक अणु के भीतर के सहसंयोजक बंध को तोड़ने पर।
क्लोरीन \(\ce{Cl2}\) के रूप में मौजूद रहता है, जबकि आयोडीन \(\ce{I2}\) के रूप में।
जब क्लोरीन उबलता है या आयोडीन पिघलता है, तो द्विपरमाणुक अणु सामान्यतः अलग-अलग परमाणुओं में नहीं टूटते। सहसंयोजक \(\ce{Cl-Cl}\) या \(\ce{I-I}\) बंध बने रहते हैं।
इसके बजाय, अणुओं को उनके पड़ोसी अणुओं से अलग किया जा रहा होता है।
एक \(\ce{I2}\) अणु में \(\ce{Cl2}\) की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन और बड़ा, अधिक ध्रुवणीय इलेक्ट्रॉन बादल होता है। इससे \(\ce{I2}\) अणुओं के बीच अधिक मजबूत लंदन प्रकीर्णन बल उत्पन्न होते हैं।
इसलिए आयोडीन के गलनांक और क्वथनांक बहुत अधिक होते हैं। \(25^\circ\text{C}\) पर आयोडीन ठोस रहता है, जबकि क्लोरीन पहले ही अपने क्वथनांक से काफी ऊपर होता है और गैस होता है।
यहाँ जाल अंतःआणविक सहसंयोजक बंधों को अंतराआणविक बलों के साथ भ्रमित करना है।
प्रश्न 3
एक विद्यार्थी आवर्त 3 के बारे में यह अनुमान लगाता है:
“परमाणु त्रिज्या सामान्यतः बाएँ से दाएँ घटती है, इसलिए तत्वों की अवस्थाएँ सुचारु रूप से ठोस से द्रव और फिर गैस में बदलनी चाहिए।”
समझाइए कि यह अनुमान अविश्वसनीय क्यों है। पूरे आवर्त में पाई जाने वाली कम-से-कम तीन अलग-अलग प्रकार की तत्वीय संरचनाओं का उल्लेख कीजिए।
समाधान 3
यह अनुमान अविश्वसनीय है क्योंकि आवर्त 3 में संरचना का प्रकार बदलता है, इसलिए केवल परमाणु आकार अवस्था निर्धारित नहीं कर सकता।
आवर्त के बाएँ भाग में सोडियम, मैग्नीशियम और एल्युमिनियम विशाल धात्विक संरचनाएँ बनाते हैं। धात्विक बंधन उनके पूरे जालकों में फैला होता है, और तीनों कमरे के तापमान पर ठोस हैं।
सिलिकॉन एक विशाल सहसंयोजक संरचना बनाता है। मजबूत सहसंयोजक बंध पूरे नेटवर्क में फैले होते हैं, इसलिए सिलिकॉन भी ठोस है।
और दाईं ओर, फॉस्फोरस, सल्फर और क्लोरीन आणविक पदार्थ बनाते हैं। उनकी भौतिक अवस्थाएँ उन अणुओं के बीच अंतराआणविक बलों पर बहुत अधिक निर्भर करती हैं। क्लोरीन में छोटे \(\ce{Cl2}\) अणु होते हैं जिनके प्रकीर्णन बल अपेक्षाकृत कमजोर हैं, इसलिए यह कमरे के तापमान पर गैस है।
आर्गन अलग-अलग परमाणुओं से बना होता है, जिनके बीच केवल कमजोर प्रकीर्णन बल होते हैं, और यह भी गैस है।
विद्यार्थी की गलती यह मानना है कि पूरे आवर्त में केवल एक ही चर बदलता है। वास्तव में, बंधन और संरचना भी बदलते हैं, और इन परिवर्तनों का गलन तथा क्वथन व्यवहार पर प्रभाव केवल परमाणु त्रिज्या की तुलना में अधिक बड़ा हो सकता है।
प्रश्न 4
तीन हैलोजनों के लिए निम्नलिखित अनुमानित आँकड़े उपलब्ध हैं।
| तत्व | गलनांक | क्वथनांक |
|---|---|---|
| \(\ce{Cl2}\) | \(-101^\circ\text{C}\) | \(-34^\circ\text{C}\) |
| \(\ce{Br2}\) | \(-7^\circ\text{C}\) | \(59^\circ\text{C}\) |
| \(\ce{I2}\) | \(114^\circ\text{C}\) | \(184^\circ\text{C}\) |
\(70^\circ\text{C}\) पर प्रत्येक तत्व की अवस्था निर्धारित कीजिए।
एक विद्यार्थी देखता है कि ब्रोमीन अब द्रव नहीं है और दावा करता है कि समूह 17 का सामान्य अवस्था-रुझान “काम करना बंद कर चुका है”। इस निष्कर्ष की त्रुटि समझाइए।
समाधान 4
\(70^\circ\text{C}\) पर क्लोरीन गैस है, ब्रोमीन गैस है और आयोडीन ठोस है। यह आवर्तीय रुझान का खंडन नहीं करता।
क्लोरीन के लिए,
\[ 70^\circ\text{C}>-34^\circ\text{C}, \]
इसलिए तापमान उसके क्वथनांक से ऊपर है। क्लोरीन गैस है।
ब्रोमीन के लिए,
\[ 70^\circ\text{C}>59^\circ\text{C}, \]
इसलिए ब्रोमीन भी अपने क्वथनांक से ऊपर है और गैस है।
आयोडीन के लिए,
\[ 70^\circ\text{C}<114^\circ\text{C}, \]
इसलिए आयोडीन अपने गलनांक से नीचे रहता है और ठोस है।
समूह 17 का रुझान समाप्त नहीं हुआ है। क्लोरीन से ब्रोमीन और फिर आयोडीन तक गलनांक और क्वथनांक अभी भी बहुत अधिक बढ़ते हैं क्योंकि समूह में नीचे जाने पर अंतराआणविक प्रकीर्णन बल अधिक मजबूत होते जाते हैं।
जो बदला, वह था अवलोकन का तापमान।
\(25^\circ\text{C}\) पर ब्रोमीन अपने गलनांक और क्वथनांक के बीच होता है और द्रव होता है। \(70^\circ\text{C}\) पर वही पदार्थ अपने क्वथनांक से ऊपर होता है और गैस होता है।
जाल यह मानना है कि “कमरे के तापमान पर अवस्था” कोई ऐसी अंतर्निहित अवस्था है जिसे तत्व को हर तापमान पर बनाए रखना चाहिए।
प्रश्न 5
ज़ेनॉन के परमाणु सिलिकॉन के परमाणुओं की तुलना में बहुत भारी होते हैं और उनमें अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं।
इसलिए एक विद्यार्थी यह अनुमान लगाता है कि ज़ेनॉन कमरे के तापमान पर ठोस होना चाहिए और सिलिकॉन गैस, यह तर्क देते हुए कि “अधिक इलेक्ट्रॉन का अर्थ अधिक मजबूत प्रकीर्णन बल है”।
केवल याद की गई अवस्थाओं पर निर्भर हुए बिना समझाइए कि यह अनुमान क्यों असफल होता है।
समाधान 5
सिलिकॉन कमरे के तापमान पर ठोस है, जबकि ज़ेनॉन गैस है। विद्यार्थी का नियम इसलिए असफल होता है क्योंकि दोनों तत्वों की संरचनाएँ पूरी तरह अलग हैं।
इलेक्ट्रॉनों की संख्या संबंधी कथन में एक उपयोगी विचार है: किसी तुलनीय श्रेणी में, अधिक बड़ा और अधिक ध्रुवणीय इलेक्ट्रॉन बादल अधिक मजबूत लंदन प्रकीर्णन बल उत्पन्न कर सकता है।
उदाहरण के लिए, यही तर्क यह समझाने में मदद करता है कि ज़ेनॉन का क्वथनांक निऑन जैसी हल्की निष्क्रिय गैसों की तुलना में अधिक क्यों है।
लेकिन सिलिकॉन अलग-अलग सिलिकॉन कणों के बीच लंदन प्रकीर्णन बलों से मुख्य रूप से जुड़ा नहीं होता।
सिलिकॉन एक विशाल सहसंयोजक नेटवर्क बनाता है। प्रत्येक परमाणु अन्य परमाणुओं से मजबूत सहसंयोजक बंधों द्वारा जुड़ा होता है, और ये बंध पूरी संरचना में फैले होते हैं। इसलिए सिलिकॉन को पिघलाने के लिए अनेक मजबूत सहसंयोजक बंधों को बाधित करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा चाहिए।
ज़ेनॉन अलग-अलग परमाणुओं से बना होता है। उन परमाणुओं के बीच आकर्षण लंदन प्रकीर्णन बल हैं। ये समूह 18 में नीचे जाने पर अधिक मजबूत होते जाते हैं, लेकिन फिर भी इतने कमजोर रहते हैं कि ज़ेनॉन का क्वथनांक कमरे के तापमान से नीचे रहता है।
विद्यार्थी की छिपी हुई धारणा यह थी कि “अधिक इलेक्ट्रॉन” को पूरी तरह अलग प्रकार के बंधन वाले पदार्थों के बीच सीधे तुलना के लिए उपयोग किया जा सकता है।
तर्क करने का अधिक सुरक्षित क्रम है:
पहले संरचना की पहचान कीजिए, फिर महत्वपूर्ण आकर्षण की पहचान कीजिए, और उसके बाद तुलनीय संरचनाओं के भीतर आकार और ध्रुवणीयता के रुझानों का उपयोग कीजिए।
15यह विचार आगे किस विषय की नींव रखता है
पदार्थ की अवस्था के रुझान वास्तव में HSC Chemistry के एक बड़े कौशल का परिचय हैं: संरचना, बंधन और अंतराआणविक बलों को मापने योग्य भौतिक गुणों से जोड़ना।
जब आप यह समझा सकें कि क्लोरीन, ब्रोमीन और आयोडीन की अवस्थाएँ अलग-अलग क्यों हैं, तो अगला चरण उनके वास्तविक गलनांक और क्वथनांक के रुझानों की व्याख्या करना है। यही तर्क आगे अधिक व्यापक रूप से आणविक पदार्थों पर लागू होता है, जिसमें यह भी शामिल है कि कुछ यौगिक वाष्पशील गैसें क्यों होते हैं, कुछ द्रव क्यों होते हैं और अन्य उच्च गलनांक वाले ठोस क्यों बनाते हैं।