सहसंयोजक नेटवर्क संरचनाएँ: हीरा, SiO2 और अणु
जानें कि हीरा और सिलिकॉन डाइऑक्साइड जैसी विशाल सहसंयोजक संरचनाएँ आणविक सहसंयोजक पदार्थों से कैसे भिन्न होती हैं और संरचना उनके गुणों को कैसे समझाती है।
ऑक्सीजन की एक बोतल में गैस हो सकती है, जबकि हीरा एक अत्यंत कठोर ठोस है। दोनों में सहसंयोजक बंध शामिल होते हैं। तो फिर उनके गुण इतने अलग क्यों हैं?
आगे पढ़ने से पहले एक अनुमान लगाइए: क्या इसका अर्थ यह है कि ऑक्सीजन में सहसंयोजक बंध कमजोर होते हैं और हीरे में सहसंयोजक बंध मजबूत होते हैं?
यह अनुमान आकर्षक लगता है, लेकिन इसमें सबसे महत्वपूर्ण बात छूट जाती है। अंतर केवल किसी एक सहसंयोजक बंध की मजबूती में नहीं है। महत्वपूर्ण यह है कि सहसंयोजक बंध कहाँ पाए जाते हैं। किसी आणविक पदार्थ में मजबूत सहसंयोजक बंध अलग-अलग अणु बनाते हैं, और उन अणुओं के बीच अंतराअणुक बल होते हैं। किसी सहसंयोजक नेटवर्क में सहसंयोजक बंध एक विशाल संरचना में लगातार फैले रहते हैं।
संरचना का यही एक अंतर उन अधिकांश गुणों को समझाता है जिनका आपको अनुमान लगाना होता है।
01शुरुआत इस प्रश्न से करें: क्या अलग-अलग अणु मौजूद हैं?
एक थोड़े असहज स्कूल औपचारिक समारोह की कल्पना कीजिए।
किसी आणविक सहसंयोजक पदार्थ में लोग जोड़ों में आते हैं। हर जोड़ा एक-दूसरे को मजबूती से पकड़े रहता है, जो किसी अणु के भीतर मजबूत सहसंयोजक बंधों को दर्शाता है। अलग-अलग जोड़े एक-दूसरे के साथ बहुत ढीले ढंग से संपर्क करते हैं, जो अणुओं के बीच के अंतराअणुक बलों को दर्शाता है।
यदि सभी को अधिक स्वतंत्र रूप से घूमने के लिए पर्याप्त ऊर्जा मिल जाए, तो आपको हर जोड़े को अलग करने की आवश्यकता नहीं होती। आपको मुख्यतः अलग-अलग जोड़ों के बीच के कमजोर आकर्षणों पर विजय पानी होती है।
एक सहसंयोजक नेटवर्क अलग होता है। कल्पना कीजिए कि कमरे में हर व्यक्ति कई अन्य लोगों से जुड़ा है और एक विशाल, परस्पर जुड़ी हुई संरचना बना रहा है। ऐसे अलग-अलग छोटे समूह नहीं हैं जो बस एक-दूसरे से दूर जा सकें। संरचना को अलग करने के लिए आपको पूरे नेटवर्क में मौजूद मजबूत जुड़ावों को बाधित करना पड़ता है।
इस उपमा की सीमाएँ हैं। रासायनिक बंध वास्तव में यांत्रिक कड़ियाँ नहीं होते, और अंतराअणुक बल अस्पष्ट सामाजिक असहजता नहीं बल्कि वास्तविक वैद्युतस्थैतिक अंतःक्रियाएँ हैं। लेकिन यह उपमा जिस अंतर को उजागर करती है, वह सटीक और महत्वपूर्ण है:
- आणविक सहसंयोजक पदार्थों में पृथक अणु होते हैं
- सहसंयोजक नेटवर्क पदार्थों में सहसंयोजक रूप से बंधे परमाणुओं का विस्तृत नेटवर्क होता है
आप सहसंयोजक नेटवर्क को विशाल सहसंयोजक संरचना के रूप में वर्णित होते हुए भी देख सकते हैं।
02आणविक सहसंयोजक पदार्थों में आकर्षण के दो स्तर होते हैं
कार्बन डाइऑक्साइड, \(\ce{CO2}\), पर विचार कीजिए।
प्रत्येक कार्बन डाइऑक्साइड अणु के भीतर कार्बन और ऑक्सीजन परमाणु मजबूत सहसंयोजक बंधों से जुड़े होते हैं:
\[
\ce{O=C=O}
\]
लेकिन एक \(\ce{CO2}\) अणु अगले \(\ce{CO2}\) अणु से सहसंयोजक रूप से बंधा नहीं होता। इसके बजाय अणुओं के बीच अंतराअणुक बल होते हैं।
इसलिए हमें दो अलग-अलग चीजों पर ध्यान रखना होता है:
| स्थान | आकर्षण | सापेक्ष भूमिका |
|---|---|---|
| किसी अणु के भीतर | सहसंयोजक बंध | उस अणु के परमाणुओं को एक साथ रखते हैं |
| अणुओं के बीच | अंतराअणुक बल | अलग-अलग अणुओं को एक-दूसरे के पास रखते हैं |
अवस्था परिवर्तन के दौरान यह अंतर अत्यंत महत्वपूर्ण होता है।
जब कोई आणविक पदार्थ बिना अपघटित हुए पिघलता या उबलता है, तो उसके अणु अलग हो जाते हैं या अधिक स्वतंत्र रूप से गति करने लगते हैं। अणुओं के भीतर के सहसंयोजक बंध सामान्यतः अखंड रहते हैं। जिन आकर्षणों पर विजय पाई जाती है, वे अंतराअणुक आकर्षण होते हैं।
इसीलिए यह कहना गलत है कि “सहसंयोजक पदार्थों के गलनांक कम होते हैं क्योंकि सहसंयोजक बंध कमजोर होते हैं।”
सहसंयोजक बंध कमजोर नहीं होते। किसी आणविक पदार्थ को पिघलाने या उबालने के लिए सामान्यतः आपको उन्हें तोड़ने की आवश्यकता नहीं होती।
03सहसंयोजक नेटवर्क में अलग करने के लिए पृथक अणु नहीं होते
अब हीरे पर विचार कीजिए।
हीरे में छोटे-छोटे \(\ce{C4}\), \(\ce{C20}\), या अन्य कार्बन अणु एक साथ सटे हुए नहीं होते। प्रत्येक कार्बन परमाणु त्रिविमीय व्यवस्था में चार अन्य कार्बन परमाणुओं से सहसंयोजक रूप से बंधा होता है।
वे पड़ोसी कार्बन परमाणु आगे अन्य कार्बन परमाणुओं से बंधे होते हैं, जो फिर और कार्बन परमाणुओं से बंधे होते हैं। यह पैटर्न पूरे क्रिस्टल में जारी रहता है।
इसलिए ऐसी कोई उपयोगी सीमा नहीं है जहाँ एक “हीरा अणु” समाप्त हो और अगला शुरू हो।
हीरा इतना कठोर क्यों है
मान लीजिए आप परमाणुओं की एक परत को दूसरी परत के आगे खिसकाने का प्रयास करते हैं।
किसी आणविक ठोस में, अंतराअणुक आकर्षणों पर विजय पाने के बाद अणु एक-दूसरे के सापेक्ष गति कर सकते हैं।
हीरे में अलग-अलग अणुओं की ऐसी कमजोर रूप से जुड़ी परतें नहीं होतीं। इसके कार्बन परमाणु मजबूत सहसंयोजक बंधों के एक कठोर त्रिविमीय नेटवर्क में बंधे होते हैं।
इसलिए संरचना को विकृत करने का अर्थ मजबूत बंधों का प्रतिरोध करना या उन्हें बाधित करना है। यही हीरे को उसकी अत्यधिक कठोरता देता है।
कठोरता का अर्थ टफनेस के समान नहीं है। कोई पदार्थ खरोंच लगने का बहुत अधिक प्रतिरोध कर सकता है, फिर भी उपयुक्त बल लगने पर टूट सकता है। रसायन विज्ञान के प्रश्नों में यह स्पष्ट रखें कि किस गुण की चर्चा हो रही है।
हीरे की संरचना को बाधित करने के लिए अत्यधिक तापमान क्यों चाहिए
अलग-अलग हीरा अणुओं को साथ रखने वाले कमजोर अंतराअणुक आकर्षण नहीं होते, क्योंकि अलग-अलग हीरा अणु होते ही नहीं हैं।
संरचना से परमाणुओं को अलग करने के लिए पूरे नेटवर्क में सहसंयोजक बंधन को बाधित करना पड़ता है। इसके लिए किसी सामान्य आणविक पदार्थ में अंतराअणुक बलों पर विजय पाने की तुलना में बहुत अधिक ऊर्जा चाहिए।
इसीलिए विशाल सहसंयोजक संरचनाओं में सामान्यतः गलन, अपघटन या वाष्पीकरण से जुड़े तापमान बहुत अधिक होते हैं।
हीरा विद्युत का चालन क्यों नहीं करता
कोई पदार्थ विद्युत का चालन तभी करता है जब उसमें ऐसे आवेशित कण हों जो पदार्थ के भीतर गति कर सकें।
हीरे में संयोजकता इलेक्ट्रॉन सहसंयोजक बंधों में स्थानीयकृत होते हैं। इसमें न तो गतिशील आयन होते हैं और न ही स्वतंत्र रूप से गति करने वाले विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉन।
इसलिए हीरा एक विद्युतरोधी पदार्थ है।
तर्क पर ध्यान दीजिए। हमने यह नहीं कहा, “यह सहसंयोजक है, इसलिए विद्युत का चालन नहीं कर सकता।” बेहतर नियम है:
गतिशील आवेश वाहकों की तलाश करें।
यह नियम याद की हुई संरचना-गुण सूची की तुलना में रसायन विज्ञान के बहुत अधिक संदर्भों में उपयोगी रहेगा।
04सिलिकॉन डाइऑक्साइड भी एक सहसंयोजक नेटवर्क है
सिलिकॉन डाइऑक्साइड, \(\ce{SiO2}\), विद्यार्थियों के लिए एक विशेष रूप से परेशान करने वाला भ्रम पैदा करता है।
आप इसका सूत्र देखकर कार्बन डाइऑक्साइड जैसा एक अणु सोच सकते हैं:
\[
\ce{O=Si=O}
\]
क्वार्ट्ज जैसे सामान्य ठोस सिलिकॉन डाइऑक्साइड के लिए यह चित्र गलत है।
सिलिकॉन डाइऑक्साइड एक विस्तृत त्रिविमीय नेटवर्क बनाता है। प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु चार ऑक्सीजन परमाणुओं से सहसंयोजक रूप से बंधा होता है। प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु दो सिलिकॉन परमाणुओं के बीच एक सेतु का काम करता है।
इसलिए अलग-अलग \(\ce{SiO2}\) अणु एक-दूसरे के पास बैठे हुए नहीं होते।
फिर सूत्र \(\ce{SiO2}\) क्यों है?
सूत्र आपको परमाणुओं का कुल अनुपात बताता है, जरूरी नहीं कि किसी एक अणु में मौजूद परमाणुओं की संख्या।
सिलिकॉन डाइऑक्साइड के लिए:
- प्रत्येक सिलिकॉन चार ऑक्सीजन परमाणुओं से जुड़ा होता है
- प्रत्येक ऑक्सीजन दो सिलिकॉन परमाणुओं के बीच साझा होता है
इसलिए वे चार पड़ोसी ऑक्सीजन औसतन
\[
\frac{4}{2}=2
\]
ऑक्सीजन परमाणु प्रति सिलिकॉन परमाणु का योगदान देते हैं।
इसलिए कुल अनुपात \(1:2\) है, जिससे \(\ce{SiO2}\) मिलता है।
यह एक महत्वपूर्ण अंतर है। कोई रासायनिक सूत्र अपने-आप यह नहीं बताता कि पदार्थ ऐसे अणुओं से बना है जिनमें ठीक वही परमाणुओं का समूह मौजूद है।
05हीरे और सिलिकॉन डाइऑक्साइड की तुलना
हीरा और सिलिकॉन डाइऑक्साइड दोनों त्रिविमीय सहसंयोजक नेटवर्क हैं, लेकिन उनके नेटवर्क एक जैसे नहीं हैं।
| विशेषता | हीरा | सिलिकॉन डाइऑक्साइड |
|---|---|---|
| उपस्थित मुख्य परमाणु | कार्बन | सिलिकॉन और ऑक्सीजन |
| बंधन का पैटर्न | प्रत्येक C, 4 C परमाणुओं से बंधा | प्रत्येक Si, 4 O परमाणुओं से बंधा; प्रत्येक O, 2 Si परमाणुओं से बंधा |
| अलग-अलग अणु? | नहीं | नहीं |
| पूरे ठोस में मुख्य बंधन | सहसंयोजक | सहसंयोजक |
| कठोरता | अत्यंत कठोर | कठोर और भंगुर |
| संरचना को बाधित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा | बहुत अधिक | बहुत अधिक |
| विद्युत चालकता | बहुत खराब | बहुत खराब |
| पानी में विलेयता | अविलेय | व्यावहारिक रूप से अविलेय |
इनके गुण विस्तृत बंधन से उत्पन्न होते हैं, केवल “सहसंयोजक” शब्द से नहीं।
06हल किया हुआ उदाहरण: कार्बन डाइऑक्साइड ठोस अवस्था से सिलिकॉन डाइऑक्साइड की तुलना में कहीं अधिक आसानी से क्यों निकल जाता है?
ठोस कार्बन डाइऑक्साइड, \(\ce{CO2(s)}\), और सिलिकॉन डाइऑक्साइड, \(\ce{SiO2(s)}\), दोनों में सहसंयोजक बंध होते हैं। समझाइए कि ठोस कार्बन डाइऑक्साइड ठोस अवस्था से सिलिकॉन डाइऑक्साइड की तुलना में कहीं अधिक आसानी से क्यों निकल सकता है।
चरण 1
कार्बन डाइऑक्साइड आणविक है। इसमें अलग-अलग \(\ce{CO2}\) अणु होते हैं।
सिलिकॉन डाइऑक्साइड एक सहसंयोजक नेटवर्क है। इसके सिलिकॉन और ऑक्सीजन परमाणु एक विस्तृत त्रिविमीय संरचना में जुड़े होते हैं।
चरण 2
ठोस कार्बन डाइऑक्साइड के गैसीय अणुओं के रूप में अलग होने के लिए उसके \(\ce{CO2}\) अणुओं के बीच के अंतराअणुक बलों पर विजय पानी होती है। प्रत्येक अणु के भीतर के मजबूत सहसंयोजक \(\ce{C=O}\) बंध बने रहते हैं।
सिलिकॉन डाइऑक्साइड की नेटवर्क संरचना समाप्त होने के लिए पूरे नेटवर्क में मजबूत Si-O सहसंयोजक बंधों को बाधित करना पड़ता है।
चरण 3
कार्बन डाइऑक्साइड अणुओं के बीच के अंतराअणुक आकर्षणों पर विजय पाने के लिए मजबूत सहसंयोजक बंधों के विस्तृत नेटवर्क को बाधित करने की तुलना में बहुत कम ऊर्जा चाहिए।
इसलिए ठोस \(\ce{CO2}\), ठोस अवस्था से \(\ce{SiO2}\) की तुलना में कहीं अधिक आसानी से निकल जाता है।
मुख्य तुलना “कमजोर सहसंयोजक बंध बनाम मजबूत सहसंयोजक बंध” की नहीं है। यह अंतराअणुक बल बनाम विस्तृत सहसंयोजक नेटवर्क की तुलना है।
07हल किया हुआ उदाहरण: सिलिकॉन डाइऑक्साइड \(\ce{SiO4}\) क्यों नहीं है?
सिलिकॉन डाइऑक्साइड नेटवर्क में प्रत्येक सिलिकॉन परमाणु के चार ऑक्सीजन पड़ोसी होते हैं। समझाइए कि सूत्र \(\ce{SiO2}\) क्यों है, \(\ce{SiO4}\) क्यों नहीं।
चरण 1
मान लीजिए \(N\) सिलिकॉन परमाणु हैं।
प्रत्येक सिलिकॉन चार ऑक्सीजन परमाणुओं से बंधा है, इसलिए सिलिकॉन परमाणुओं की ओर से \(4N\) Si-O बंध-संपर्क हैं।
चरण 2
प्रत्येक ऑक्सीजन दो सिलिकॉन परमाणुओं से बंधा होता है। इसलिए एक ऑक्सीजन उन Si-O संपर्कों में से दो के लिए उत्तरदायी होता है।
इसलिए ऑक्सीजन परमाणुओं की संख्या
\[
\frac{4N}{2}=2N
\]
है।
चरण 3
हर \(N\) सिलिकॉन परमाणुओं के लिए \(2N\) ऑक्सीजन परमाणु हैं:
\[
\text{Si:O}=N:2N=1:2
\]
इसलिए सूत्र \(\ce{SiO2}\) है।
यह सूत्र पूरे नेटवर्क में सबसे सरल पूर्णांक अनुपात को दर्शाता है। यह किसी पृथक \(\ce{SiO2}\) अणु को नहीं दर्शाता।
08संरचना मुख्य भौतिक गुणों को कैसे नियंत्रित करती है
हर पदार्थ के लिए अलग-अलग तथ्य याद करने के बजाय यह पूछें कि उस गुण को उत्पन्न करने के लिए भौतिक रूप से क्या होना आवश्यक है।
गलन और क्वथन
किसी आणविक सहसंयोजक पदार्थ के लिए अवस्था बदलने में सामान्यतः अणुओं को एक-दूसरे से अधिक दूर जाना या अधिक स्वतंत्र रूप से गति करना पड़ता है।
इसका अर्थ अंतराअणुक बलों पर विजय पाना है।
किसी सहसंयोजक नेटवर्क में मुक्त करने के लिए अलग-अलग अणु नहीं होते। संरचना को बाधित करने के लिए पूरे नेटवर्क में मजबूत सहसंयोजक बंधों को तोड़ना या पुनर्व्यवस्थित करना पड़ता है।
इसलिए सहसंयोजक नेटवर्क पदार्थों को बाधित करने के लिए सामान्यतः बहुत अधिक ऊर्जा चाहिए।
“उच्च क्वथनांक” वाक्यांश का सावधानी से उपयोग करें। कुछ विशाल सहसंयोजक पदार्थ कुछ परिस्थितियों में सुव्यवस्थित द्रव-से-गैस संक्रमण दिखाने के बजाय अपघटित हो सकते हैं, संरचना बदल सकते हैं या ऊर्ध्वपातित हो सकते हैं। उपयोगी सिद्धांत यह है कि नेटवर्क के परमाणुओं को अलग करने के लिए बहुत बड़ी मात्रा में ऊर्जा चाहिए।
कठोरता
आणविक ठोसों की कठोरता अक्सर अपेक्षाकृत कम होती है, क्योंकि अणुओं को पूरे ठोस में फैले सहसंयोजक बंधों के बजाय अंतराअणुक बल एक साथ रखते हैं।
हीरा अत्यंत कठोर है क्योंकि मजबूत सहसंयोजक बंध तीनों आयामों में फैले होते हैं।
सिलिकॉन डाइऑक्साइड भी कठोर है क्योंकि उसे विकृत करने के लिए उसके विस्तृत Si-O नेटवर्क को बाधित करना पड़ता है।
यह एक प्रवृत्ति है, यह कहने की अनुमति नहीं कि हर सहसंयोजक नेटवर्क के यांत्रिक गुण एक जैसे ही होंगे। नेटवर्क की विस्तृत व्यवस्था भी महत्वपूर्ण होती है।
विद्युत चालकता
इसका निर्णय केवल बंध के प्रकार से न करें।
पूछें:
क्या ऐसे आवेशित कण हैं जो गति कर सकते हैं?
हीरे और सिलिकॉन डाइऑक्साइड के लिए उत्तर नहीं है। इनके इलेक्ट्रॉन बंधों में स्थानीयकृत होते हैं और कोई गतिशील आयन नहीं होते।
इसलिए ये विद्युत का बहुत खराब चालन करते हैं।
यह यह भी समझाता है कि “सभी सहसंयोजक नेटवर्क अचालक होते हैं” कहना बहुत व्यापक है। कुछ सहसंयोजक नेटवर्कों में विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं। ग्रेफाइट इसका परिचित उदाहरण है। इसके कार्बन परमाणुओं की अलग व्यवस्था के कारण इसके विद्युत और यांत्रिक गुण हीरे से अलग होते हैं।
विलेयता
किसी पदार्थ को घोलने के लिए विलायक को उसके कणों को अलग करने और उन्हें स्थिर करने में सक्षम होना चाहिए।
पानी कभी-कभी अणुओं को एक-दूसरे से अलग कर सकता है, क्योंकि ऐसा करने में केवल अंतराअणुक आकर्षणों को नए विलेय-पानी आकर्षणों से प्रतिस्थापित करना होता है।
किसी त्रिविमीय सहसंयोजक नेटवर्क को अलग करना कहीं अधिक कठिन है। पानी अलग-अलग अणुओं को सरलता से निकाल नहीं सकता, क्योंकि निकालने के लिए अलग-अलग अणु होते ही नहीं हैं।
इसलिए हीरा और सिलिकॉन डाइऑक्साइड सामान्य परिस्थितियों में पानी में अविलेय होते हैं।
इसे “सहसंयोजक का अर्थ अविलेय” वाले नियम में न बदलें। कई आणविक सहसंयोजक पदार्थ उपयुक्त विलायकों में आसानी से घुल जाते हैं। आणविक ध्रुवता और अंतराअणुक बल महत्वपूर्ण होते हैं।
09याद रखने योग्य तुलना
| प्रश्न | आणविक सहसंयोजक पदार्थ | सहसंयोजक नेटवर्क पदार्थ |
|---|---|---|
| कौन-सी संरचनात्मक इकाइयाँ मौजूद हैं? | अलग-अलग अणु | एक विस्तृत नेटवर्क |
| सहसंयोजक बंध कहाँ होते हैं? | मुख्यतः प्रत्येक अणु के भीतर | पूरे नेटवर्क में |
| अलग-अलग इकाइयों के बीच क्या होता है? | अणुओं के बीच अंतराअणुक बल | कोई अलग आणविक इकाइयाँ नहीं |
| सामान्य गलन के दौरान मुख्यतः किस पर विजय पाई जाती है? | अंतराअणुक बल | विस्तृत नेटवर्क बंधन को बाधित करना पड़ता है |
| अवस्था बदलने के लिए सामान्यतः आवश्यक ऊर्जा | विशाल सहसंयोजक नेटवर्क से कम | बहुत अधिक |
| ठोस की सामान्य कठोरता | अक्सर अपेक्षाकृत कम | त्रिविमीय नेटवर्कों के लिए अक्सर अधिक |
| विद्युत चालकता | सामान्यतः खराब, जब तक गतिशील आवेशित कण मौजूद न हों | इस पर निर्भर कि गतिशील आवेश वाहक मौजूद हैं या नहीं |
| क्या सूत्र अनिवार्य रूप से एक अणु का वर्णन करता है? | सामान्यतः, सरल आणविक पदार्थों के लिए | नहीं, यह परमाणुओं का अनुपात बता सकता है |
इसलिए HSC के लिए सबसे तेज निर्णय नियम है:
- तय करें कि पदार्थ में पृथक अणु हैं या एक विस्तृत नेटवर्क।
- पहचानें कि जिस गुण की चर्चा हो रही है, उसके लिए किस आकर्षण पर विजय पानी होगी।
- विद्युत चालकता के लिए अलग से गतिशील आवेश वाहकों की जाँच करें।
- गुण को याददाश्त से उद्धृत करने के बजाय संरचना का उपयोग करके उसका औचित्य समझाएँ।
10सबसे आकर्षक भ्रांति: “सहसंयोजक पदार्थों के गलनांक कम होते हैं”
यह कथन दो बहुत अलग संरचनाओं को मिला देता है।
कोई विद्यार्थी ऐसा तर्क दे सकता है:
“सहसंयोजक पदार्थों में सहसंयोजक बंध होते हैं। आणविक पदार्थ आसानी से पिघलते हैं। इसलिए सहसंयोजक बंध आसानी से टूटने वाले होने चाहिए।”
गलती दूसरे चरण में है।
जब कोई आणविक पदार्थ पिघलता है, तो उसके सहसंयोजक बंध सामान्यतः नहीं टूटते। अंतराअणुक बलों पर विजय पाते समय अणु अखंड रहते हैं।
जब किसी विशाल सहसंयोजक संरचना को बाधित किया जाता है, तब विस्तृत नेटवर्क के सहसंयोजक बंधों को वास्तव में बाधित करना पड़ता है।
इसलिए एक बेहतर तुलना है:
- आणविक सहसंयोजक: अणुओं के भीतर मजबूत बंध, अणुओं के बीच कमजोर आकर्षण
- सहसंयोजक नेटवर्क: पूरी संरचना में फैले हुए मजबूत सहसंयोजक बंध
यही अंतर समझाता है कि दो पदार्थों को सहसंयोजक कहा जा सकता है, फिर भी उनके भौतिक गुण पूरी तरह अलग हो सकते हैं।
11प्रश्न और समाधान
प्रश्न 1
ठोस क्लोरीन पृथक \(\ce{Cl2}\) अणुओं से बना होता है। जब ठोस क्लोरीन पिघलता है, तो क्या Cl-Cl सहसंयोजक बंध टूटते हैं? समझाइए।
समाधान 1
नहीं। गलन के दौरान Cl-Cl सहसंयोजक बंध अखंड रहते हैं।
ठोस क्लोरीन एक आणविक सहसंयोजक पदार्थ है। प्रत्येक अणु में एक मजबूत Cl-Cl सहसंयोजक बंध होता है, जबकि अलग-अलग \(\ce{Cl2}\) अणु अंतराअणुक बलों के माध्यम से एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं।
गलन के दौरान पर्याप्त अंतराअणुक आकर्षण पर विजय पाई जाती है ताकि अणु एक-दूसरे के पास से गति कर सकें। Cl-Cl बंधों को तोड़ने से क्लोरीन परमाणु बनेंगे और यह सामान्य भौतिक गलन प्रक्रिया के बजाय एक रासायनिक परिवर्तन होगा।
आम गलती यह कहना है कि “गलन के दौरान बंध टूटते हैं”, बिना यह बताए कि कौन-से आकर्षण शामिल हैं। किसी आणविक पदार्थ के लिए सामान्य गलन मुख्यतः अंतराअणुक बलों पर विजय पाता है, न कि प्रत्येक अणु के भीतर के सहसंयोजक बंधों पर।
प्रश्न 2
एक काल्पनिक विशाल सहसंयोजक संरचना में X और Y परमाणु हैं। प्रत्येक X परमाणु तीन Y परमाणुओं से सहसंयोजक रूप से बंधा है, और प्रत्येक Y परमाणु दो X परमाणुओं के बीच साझा होता है। संरचना का सबसे सरल सूत्र निर्धारित कीजिए।
समाधान 2
सबसे सरल सूत्र \(\ce{X2Y3}\) है।
मान लीजिए \(N\) X परमाणु हैं। प्रत्येक X के तीन X-Y संपर्क हैं, जिससे
\[
3N
\]
X-Y संपर्क बनते हैं।
प्रत्येक Y परमाणु दो X परमाणुओं से जुड़ा है, इसलिए प्रत्येक Y दो संपर्कों के लिए उत्तरदायी है। इसलिए Y परमाणुओं की संख्या
\[
\frac{3N}{2}
\]
है।
अनुपात है
\[
\text{X:Y}=N:\frac{3N}{2}
\]
दोनों भागों को 2 से गुणा करने पर
\[
\text{X:Y}=2:3
\]
मिलता है, इसलिए सबसे सरल सूत्र
\[
\ce{X2Y3}
\]
है।
महत्वपूर्ण विचार यह है कि नेटवर्क में पड़ोसी परमाणु साझा होते हैं। एक X के आसपास तीन Y पड़ोसी गिनने का अर्थ यह नहीं कि सूत्र अनिवार्य रूप से \(\ce{XY3}\) होगा।
प्रश्न 3
दो सहसंयोजक ठोसों का परीक्षण किया जाता है।
पदार्थ A पृथक अणुओं से बना है और मध्यम रूप से गर्म करने पर पिघल जाता है। पदार्थ B एक त्रिविमीय नेटवर्क है जिसमें प्रत्येक परमाणु सहसंयोजक बंधों द्वारा पड़ोसी परमाणुओं से जुड़ा है।
एक विद्यार्थी कहता है, “B का गलनांक अधिक है क्योंकि उसके अलग-अलग सहसंयोजक बंध A के सहसंयोजक बंधों से अधिक मजबूत होने चाहिए।”
विद्यार्थी की व्याख्या का मूल्यांकन कीजिए।
समाधान 3
गलन व्यवहार के बारे में निष्कर्ष उचित हो सकता है, लेकिन विद्यार्थी की व्याख्या उचित नहीं है। हमें यह मानने की आवश्यकता नहीं है कि B के अलग-अलग सहसंयोजक बंध अधिक मजबूत हैं।
पदार्थ A में सहसंयोजक बंध परमाणुओं को प्रत्येक अणु के भीतर एक साथ रखते हैं। गलन के लिए मुख्यतः अलग-अलग अणुओं के बीच के अंतराअणुक बलों पर विजय पानी होती है।
पदार्थ B में अलग-अलग अणु नहीं हैं। मजबूत सहसंयोजक बंध पूरे त्रिविमीय नेटवर्क में फैले हुए हैं। इसलिए व्यवस्थित ठोस संरचना को नष्ट करने के लिए सहसंयोजक बंधन में व्यापक बाधा उत्पन्न करनी पड़ती है।
इसलिए गलन व्यवहार में अंतर को किन अंतःक्रियाओं पर विजय पानी होती है इससे समझाया जा सकता है, न कि यह दावा करके कि B का हर अलग सहसंयोजक बंध A के हर सहसंयोजक बंध से अधिक मजबूत है।
यही भ्रम है: यह तय करने से पहले बंधों की मजबूती की तुलना करना कि भौतिक परिवर्तन में वास्तव में कौन-से बंध शामिल हैं।
प्रश्न 4
एक अज्ञात ठोस कठोर है, उसका गलनांक बहुत अधिक है, वह ठोस अवस्था में विद्युत का चालन नहीं करता और पानी में अविलेय है।
क्या केवल इन अवलोकनों से आप यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि वह अनिवार्य रूप से एक सहसंयोजक नेटवर्क ठोस है? समझाइए।
समाधान 4
नहीं। ये अवलोकन सहसंयोजक नेटवर्क के अनुरूप हैं, लेकिन वे इस संरचना को विशिष्ट रूप से सिद्ध नहीं करते।
हीरा या सिलिकॉन डाइऑक्साइड जैसा त्रिविमीय सहसंयोजक नेटवर्क कठोर हो सकता है, उसका गलनांक बहुत अधिक हो सकता है, वह पानी में अविलेय हो सकता है और विद्युत का चालन नहीं कर सकता।
हालाँकि, कुछ आयनिक ठोस भी कठोर, उच्च-गलनांक वाले, अविलेय या केवल थोड़ा विलेय, और ठोस अवस्था में विद्युत के अचालक हो सकते हैं। किसी आयनिक ठोस में आयन आवेशित होते हैं, लेकिन अपनी जगह पर स्थिर रहते हैं, इसलिए जब तक जालक ठोस रहता है, वे विद्युत धारा नहीं ले जा सकते।
इसलिए आगे और प्रमाण की आवश्यकता होगी। उदाहरण के लिए, गलने के बाद की चालकता संरचनाओं में अंतर करने में सहायता कर सकती है, क्योंकि किसी पिघले हुए आयनिक पदार्थ में गतिशील आयन होते हैं, जबकि सिलिकॉन डाइऑक्साइड जैसा सामान्य सहसंयोजक नेटवर्क अचानक स्वतंत्र रूप से गतिशील आयनों का द्रव नहीं बन जाता।
छिपी हुई धारणा यह है कि स्थूल गुणों का एक समूह केवल एक ही प्रकार के बंधन से संबंधित होना चाहिए। व्यवहार में, संरचना की पहचान के लिए कई प्रकार के प्रमाणों का उपयोग करना चाहिए।
प्रश्न 5
किसी तत्व के एक नए खोजे गए रूप में मजबूत सहसंयोजक बंध समतल परतों में फैले हुए हैं। पड़ोसी परतों के बीच केवल कमजोर आकर्षण हैं। कुछ इलेक्ट्रॉन विस्थानीकृत हैं और प्रत्येक परत के साथ गति कर सकते हैं।
एक विद्यार्थी तर्क देता है, “यह एक विशाल सहसंयोजक संरचना है, इसलिए यह हर दिशा में अत्यंत कठोर होना चाहिए और विद्युत का चालन नहीं कर सकता।”
अनुमान लगाइए कि क्या विद्यार्थी के दोनों दावे अनिवार्य रूप से सही होने चाहिए।
समाधान 5
दोनों में से कोई भी दावा अनिवार्य रूप से सही नहीं है। पदार्थ की परतें एक-दूसरे के सापेक्ष अपेक्षाकृत आसानी से खिसक सकती हैं और वह उन परतों के साथ विद्युत का चालन कर सकता है।
प्रत्येक परत के भीतर मजबूत सहसंयोजक बंध बंधे हुए परमाणुओं को अलग खींचने का प्रबल प्रतिरोध करेंगे।
लेकिन परतों के बीच केवल कमजोर आकर्षण हैं। इसलिए एक परत दूसरी परत पर कहीं अधिक आसानी से खिसक सकती है, जितनी आसानी से परमाणु हीरे के त्रिविमीय नेटवर्क में गति कर सकते हैं। विशाल सहसंयोजक संरचना होने का यह अर्थ नहीं कि हर दिशा में कठोरता समान होगी।
विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉन गतिशील आवेश वाहक प्रदान करते हैं। वे परतों के भीतर गति कर सकते हैं, इसलिए पदार्थ के सहसंयोजक रूप से बंधे होने के बावजूद विद्युत चालन संभव है।
गलती यह है कि विशाल सहसंयोजक लेबल का ऐसे उपयोग किया जा रहा है जैसे वह अपने-आप हर गुण निर्धारित कर देता हो। आपको अभी भी नेटवर्क की ज्यामिति और इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार की जाँच करनी होगी।
प्रश्न 6
\(\ce{SiO2}\) से बने एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल को पीसकर अत्यंत महीन चूर्ण बना दिया जाता है।
एक विद्यार्थी दावा करता है कि पीसने से विशाल सहसंयोजक नेटवर्क अलग-अलग \(\ce{SiO2}\) अणुओं में बदल गया होगा, क्योंकि अब टुकड़े बहुत छोटे हो गए हैं।
समझाइए कि यह निष्कर्ष गलत क्यों है।
समाधान 6
क्वार्ट्ज को पीसने से सहसंयोजक नेटवर्क के छोटे-छोटे टुकड़े बनते हैं, अलग-अलग \(\ce{SiO2}\) अणुओं का संग्रह नहीं।
क्रिस्टल को तोड़ने से नई सतहें बनती हैं और जहाँ दरारें पड़ती हैं वहाँ कुछ Si-O बंध अनिवार्य रूप से बाधित होते हैं। लेकिन प्रत्येक छोटे कण के भीतर सिलिकॉन और ऑक्सीजन परमाणु विस्तृत सहसंयोजक संरचना के माध्यम से जुड़े रहते हैं।
किसी क्रिस्टल को छोटा करने से उसका बंधन मॉडल अपने-आप नहीं बदल जाता। यहाँ तक कि किसी सूक्ष्म कण में भी नेटवर्क के रूप में जुड़े परमाणुओं की बहुत बड़ी संख्या हो सकती है।
सूत्र \(\ce{SiO2}\) अब भी सिलिकॉन और ऑक्सीजन के कुल \(1:2\) अनुपात का वर्णन करता है। यह अचानक किसी पृथक कण का आणविक सूत्र नहीं बन जाता।
जब आप आगे आयनिक नेटवर्क और धात्विक संरचनाओं का अध्ययन करेंगे, तब यह अंतर विशेष रूप से उपयोगी होगा। किसी भी ठोस के लिए पहला उपयोगी प्रश्न केवल यह नहीं है, “इसमें किस प्रकार का बंध है?” बल्कि यह है: वास्तव में कौन-से कण या संरचनात्मक इकाइयाँ मौजूद हैं, उन्हें कौन-सी चीज एक साथ रखती है, और उनमें से कौन-से कण गति कर सकते हैं?