HSC रसायन विज्ञान में अंतराअणुक बनाम अंतःअणुक बल
जानें कि अणुओं के भीतर के बलों और अणुओं के बीच के बलों में अंतर कैसे करें, उनकी शक्तियों की तुलना कैसे करें, और उनसे क्वथनांक व भौतिक परिवर्तनों को कैसे समझाएँ।
द्रव जल को तब तक गर्म करें जब तक वह उबलने न लगे। जल के अणु अलग होकर गैस में चले जाते हैं, लेकिन प्रत्येक कण फिर भी \(\ce{H2O}\) ही रहता है। ऑक्सीजन परमाणु अचानक अपने दो हाइड्रोजन परमाणुओं से अलग नहीं हो जाता।
तो जल के उबलने पर वास्तव में क्या टूटता है?
एक आकर्षक अनुमान यह है कि O-H बंध टूटते हैं, क्योंकि अणु एक-दूसरे से अलग हो रहे हैं। लेकिन ऐसा नहीं होता। उबलने पर जल के अणुओं के बीच के आकर्षण पर काबू पाया जाता है। प्रत्येक जल अणु के भीतर के कहीं अधिक मजबूत सहसंयोजक बंध बने रहते हैं।
यही अंतर अंतराअणुक और अंतःअणुक बलों की पूरी अवधारणा का आधार है।
01दो अलग-अलग भूमिकाओं से शुरुआत करें
किसी अणु की कल्पना एक भीड़भरे संगीत कार्यक्रम में हाथ पकड़े हुए एक जोड़े के रूप में करें।
हाथ पकड़ना उन बंधों को दर्शाता है जो परमाणुओं को एक अणु के रूप में साथ रखते हैं। अलग-अलग जोड़ों के बीच अपेक्षाकृत कमजोर धक्का-मुक्की और आकर्षण पड़ोसी अणुओं के बीच के बलों को दर्शाते हैं। यदि भीड़ फैल जाए, तो जोड़े एक-दूसरे से दूर जा सकते हैं बिना स्वयं अलग हुए।
मोटे तौर पर यही होता है जब कोई आणविक द्रव उबलता है।
इस उपमा की सीमाएँ हैं। अणु साथी नहीं चुनते, और वास्तविक आकर्षण आवेशित कणों के बीच विद्युत अंतःक्रियाएँ हैं। साथ ही, एक अणु एक ही समय में कई पड़ोसी अणुओं को आकर्षित कर सकता है। फिर भी, यह अंतर उपयोगी है:
- अंतःअणुक बल किसी कण के भीतर कार्य करते हैं और उसके परमाणुओं को साथ रखते हैं।
- अंतराअणुक बल अलग-अलग अणुओं के बीच कार्य करते हैं।
उपसर्ग इसे समझने में मदद करते हैं। Intra का अर्थ है भीतर। Inter का अर्थ है बीच।
जल, मीथेन या एथेनॉल जैसे किसी आणविक पदार्थ में मुख्य अंतःअणुक बल सहसंयोजक बंध होते हैं।
उदाहरण के लिए, एक जल अणु के भीतर:
\[ \ce{H-O-H} \]
दोनों O-H सहसंयोजक बंध अंतःअणुक हैं।
एक जल अणु और दूसरे जल अणु के बीच अंतराअणुक आकर्षण होते हैं।
यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि दोनों प्रकार के बल पूरी तरह अलग-अलग कार्य करते हैं।
| बल का प्रकार | कहाँ कार्य करता है | मुख्य कार्य | उदाहरण |
|---|---|---|---|
| अंतःअणुक | किसी कण के भीतर | परमाणुओं को साथ रखता है | \(\ce{H2O}\) में O-H सहसंयोजक बंध |
| अंतराअणुक | अणुओं के बीच | अलग-अलग अणुओं को आकर्षित करता है | जल के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंधन |
02भौतिक परिवर्तन या रासायनिक परिवर्तन?
इससे आपको निर्णय लेने का एक उपयोगी नियम मिलता है।
यदि अणु अलग होते हैं लेकिन वही अणु बने रहते हैं, तो अंतराअणुक बलों पर काबू पाया जा रहा है।
यदि परमाणु पुनर्व्यवस्थित होकर अलग पदार्थ बनाते हैं, तो अंतःअणुक बंधों को तोड़ना और नए बंध बनाना आवश्यक है।
जब जल उबलता है:
\[ \ce{H2O(l) -> H2O(g)} \]
परिवर्तन से पहले और बाद में कण \(\ce{H2O}\) ही हैं। यह एक भौतिक परिवर्तन है।
जब जल का रासायनिक अपघटन होता है:
\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]
O-H सहसंयोजक बंधों को टूटना पड़ता है, और नए H-H तथा O=O बंध बनते हैं। यह एक रासायनिक परिवर्तन है।
इसीलिए जल को उबालने से हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैस उत्पन्न नहीं होती।
03अंतःअणुक बंध सामान्यतः कहीं अधिक मजबूत क्यों होते हैं
सहसंयोजक बंधों में धनावेशित नाभिकों और साझा इलेक्ट्रॉनों के बीच प्रबल वैद्युतस्थैतिक आकर्षण शामिल होता है। इनमें से एक बंध को तोड़ने के लिए सामान्यतः प्रति मोल बंध कई सौ किलोजूल ऊर्जा चाहिए।
अंतराअणुक आकर्षण सामान्यतः कहीं कमजोर होते हैं। किसी एक अंतराअणुक आकर्षण में प्रति मोल केवल कुछ किलोजूल से लेकर कुछ दर्जन किलोजूल तक की ऊर्जा शामिल हो सकती है।
तुलना के लिए, किसी O-H सहसंयोजक बंध को तोड़ने के लिए मोटे तौर पर प्रति मोल सैकड़ों किलोजूल ऊर्जा चाहिए, जबकि वाष्पीकरण के दौरान जल के अणुओं को अलग करने के लिए प्रति मोल जल इससे बहुत कम ऊर्जा चाहिए।
इसे इस नियम में न बदलें:
अंतःअणुक बल हमेशा अंतराअणुक बलों से ठीक दस गुना अधिक मजबूत होते हैं।
इनका कोई निश्चित अनुपात नहीं है।
उपयोगी तुलना यह है:
अंतःअणुक रासायनिक बंध सामान्यतः व्यक्तिगत अंतराअणुक आकर्षणों से कहीं अधिक मजबूत होते हैं।
इसीलिए किसी पदार्थ को गर्म करने पर उसके अणुओं को नष्ट किए बिना उसे पिघलाया या उबाला जा सकता है।
04वे तीन अंतराअणुक बल जिन्हें आपको पहचानना चाहिए
उदासीन आणविक पदार्थों के लिए HSC Chemistry में तीन अंतराअणुक बल विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं:
- लंदन परिक्षेपण बल
- द्विध्रुव-द्विध्रुव बल
- हाइड्रोजन बंधन
एक अणु एक ही समय में इनमें से एक से अधिक बलों का अनुभव कर सकता है।
लंदन परिक्षेपण बल
किसी अध्रुवीय अणु के इलेक्ट्रॉनों की कल्पना करें। वे लगातार गतिशील रहते हैं।
किसी एक क्षण में संयोगवश अणु के एक तरफ इलेक्ट्रॉन घनत्व थोड़ा अधिक हो सकता है। उस क्षण के लिए एक तरफ थोड़ा ऋणात्मक और दूसरी तरफ थोड़ा धनात्मक आवेश विकसित हो जाता है।
इससे एक अस्थायी द्विध्रुव बनता है।
यह अस्थायी द्विध्रुव पास के किसी अणु के इलेक्ट्रॉन बादल को विकृत कर सकता है, जिससे उसमें भी एक अस्थायी द्विध्रुव बन जाता है। इसके बाद विपरीत आंशिक आवेश एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं।
इन आकर्षणों को लंदन परिक्षेपण बल कहा जाता है।
महत्वपूर्ण नियम है:
सभी परमाणु और अणु लंदन परिक्षेपण बलों का अनुभव करते हैं।
इसमें ध्रुवीय अणु भी शामिल हैं।
एक सामान्य गलती यह लिखना है, “जल में हाइड्रोजन बंधन होता है, इसलिए उसमें परिक्षेपण बल नहीं होते।” जल में दोनों होते हैं।
परिक्षेपण बल सामान्यतः तब अधिक मजबूत होते हैं जब किसी कण में:
- अधिक इलेक्ट्रॉन हों
- बड़ा और अधिक आसानी से विकृत होने वाला इलेक्ट्रॉन बादल हो
- अधिक ध्रुवणीयता हो
- पड़ोसी अणुओं के साथ निकट संपर्क के लिए अधिक पृष्ठीय क्षेत्र उपलब्ध हो
इसीलिए बड़े अध्रुवीय अणुओं में आश्चर्यजनक रूप से मजबूत अंतराअणुक आकर्षण हो सकते हैं।
द्विध्रुव-द्विध्रुव बल
कुछ अणुओं में आवेश का स्थायी असमान वितरण होता है।
हाइड्रोजन क्लोराइड, \(\ce{HCl}\), को लें। क्लोरीन बंधन इलेक्ट्रॉनों को हाइड्रोजन की तुलना में अधिक मजबूती से आकर्षित करता है। क्लोरीन वाला सिरा आंशिक रूप से ऋणात्मक होता है, जिसे \(\delta-\) लिखा जाता है, जबकि हाइड्रोजन वाला सिरा आंशिक रूप से धनात्मक होता है, जिसे \(\delta+\) लिखा जाता है।
इसलिए पड़ोसी अणु इस प्रकार व्यवस्थित हो सकते हैं कि विपरीत आंशिक आवेश एक-दूसरे को आकर्षित करें।
इस आकर्षण को द्विध्रुव-द्विध्रुव बल कहा जाता है।
द्विध्रुव-द्विध्रुव बल होने के लिए अणु में स्थायी आणविक द्विध्रुव होना आवश्यक है। केवल ध्रुवीय बंध होना हमेशा पर्याप्त नहीं होता।
उदाहरण के लिए, \(\ce{CO2}\) में ध्रुवीय C=O बंध होते हैं, लेकिन इसकी रैखिक आकृति के कारण बंध द्विध्रुव एक-दूसरे को निरस्त कर देते हैं। समग्र रूप से अणु अध्रुवीय होता है।
इसलिए \(\ce{CO2}\) में लंदन परिक्षेपण बल होते हैं, लेकिन स्थायी द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण नहीं होते।
हाइड्रोजन बंधन
हाइड्रोजन बंधन द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण का एक विशेष रूप से मजबूत प्रकार है।
सामान्य HSC मामलों में ऐसे हाइड्रोजन को देखें जो सीधे सहसंयोजक रूप से निम्न में से किसी एक से बंधा हो:
- नाइट्रोजन
- ऑक्सीजन
- फ्लोरीन
इन अत्यधिक विद्युतऋणात्मक परमाणुओं में से किसी एक से जुड़ा हाइड्रोजन परमाणु प्रबल रूप से \(\delta+\) हो जाता है। इसके बाद वह पड़ोसी अणु में N, O या F पर मौजूद एक एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म को आकर्षित कर सकता है।
जल इसका उत्कृष्ट उदाहरण है।
एक जल अणु के भीतर O-H बंध सहसंयोजक और अंतःअणुक होता है।
पड़ोसी जल अणुओं के बीच, एक अणु के H परमाणु और दूसरे अणु के O परमाणु के बीच का आकर्षण हाइड्रोजन बंधन और अंतराअणुक होता है।
यह शब्दावली महत्वपूर्ण है। “जल के भीतर हाइड्रोजन बंध” कहना सामान्यतः दो अलग चीजों को मिला देता है।
05अंतराअणुक बलों की पहचान करने का तेज़ तरीका
जब आपको कोई आणविक पदार्थ दिया जाए, तो इन प्रश्नों पर क्रम से विचार करें।
पहला: क्या अलग-अलग अणु मौजूद हैं?
यदि पदार्थ एक आयनिक जालक या धात्विक जालक है, तो ठोस का वर्णन अंतराअणुक बलों के आधार पर करना उचित नहीं है। जालक में अलग-अलग अणु नहीं होते।
दूसरा: कौन-सा अंतराअणुक बल निश्चित रूप से मौजूद है?
लंदन परिक्षेपण बल। प्रत्येक अणु में ये होते हैं।
तीसरा: क्या समग्र रूप से अणु ध्रुवीय है?
यदि हाँ, तो स्थायी द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण भी जोड़ें।
चौथा: क्या H सीधे N, O या F से बंधा है?
यदि हाँ, तो अणु सामान्यतः उपयुक्त पड़ोसी N, O या F परमाणुओं के साथ हाइड्रोजन बंध बना सकते हैं।
इससे एक संक्षिप्त निर्णय तालिका मिलती है:
| आणविक विशेषता | मौजूद अंतराअणुक बल |
|---|---|
| कोई भी अणु | लंदन परिक्षेपण |
| ध्रुवीय अणु | लंदन परिक्षेपण + द्विध्रुव-द्विध्रुव |
| H का N, O या F से बंधा होना | लंदन परिक्षेपण + द्विध्रुव-द्विध्रुव + हाइड्रोजन बंधन |
तालिका उपयोगी है, लेकिन यह एक महत्वपूर्ण जटिलता छिपाती है: केवल बल का नाम बता देना हर क्वथनांक की भविष्यवाणी करने के लिए पर्याप्त नहीं है।
आकार और आकृति भी महत्वपूर्ण हैं।
हल किया हुआ उदाहरण: मेथनॉल में कौन-कौन से बल कार्य करते हैं?
मेथनॉल, \(\ce{CH3OH}\), के लिए महत्वपूर्ण अंतःअणुक और अंतराअणुक बलों की पहचान करें। बताइए कि मेथनॉल के उबलने पर किस चीज़ पर काबू पाया जाता है।
चरण 1
मेथनॉल अणु के भीतर C-H, C-O और O-H बंध सहसंयोजक बंध हैं। ये अंतःअणुक हैं।
चरण 2
प्रत्येक मेथनॉल अणु लंदन परिक्षेपण बलों का अनुभव करता है।
चरण 3
C-O और O-H बंध प्रबल रूप से ध्रुवीय हैं, और उनके द्विध्रुव एक-दूसरे को निरस्त नहीं करते। इसलिए मेथनॉल ध्रुवीय है।
इसमें द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण होते हैं।
चरण 4
मेथनॉल में O-H बंध होता है। ऑक्सीजन से जुड़ा हाइड्रोजन पड़ोसी मेथनॉल अणुओं के ऑक्सीजन पर मौजूद एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्मों के साथ प्रबल अंतःक्रिया कर सकता है।
इसलिए मेथनॉल हाइड्रोजन बंध बनाता है।
चरण 5
जब मेथनॉल उबलता है, तो अणु एक-दूसरे से अलग हो जाते हैं। अंतराअणुक बलों पर काबू पाया जाता है, लेकिन सहसंयोजक C-H, C-O और O-H बंध बने रहते हैं।
इसलिए मेथनॉल में सहसंयोजक अंतःअणुक बंध और लंदन परिक्षेपण, द्विध्रुव-द्विध्रुव तथा हाइड्रोजन-बंधन अंतराअणुक बल होते हैं।
कई अंतराअणुक बलों की मौजूदगी का अर्थ यह नहीं है कि तीन अलग-अलग परतों को एक-एक करके “तोड़ना” पड़ता है। ये अणुओं के बीच कुल आकर्षण में अलग-अलग योगदान हैं।
06अंतराअणुक बलों की शक्तियों की तुलना
आप यह मोटा क्रम देख सकते हैं:
\[ \text{हाइड्रोजन बंधन} > \text{द्विध्रुव-द्विध्रुव} > \text{लंदन परिक्षेपण} \]
यह केवल समान आकार के अणुओं की तुलना करते समय उपयोगी है।
यह कोई सार्वभौमिक क्रम नहीं है जिसके आधार पर आप बाकी सभी बातों को अनदेखा कर सकें।
मान लीजिए कोई विद्यार्थी एक छोटे ध्रुवीय अणु की तुलना एक बहुत बड़े अध्रुवीय अणु से करता है और कहता है, “ध्रुवीय अणु का क्वथनांक अधिक होना चाहिए क्योंकि द्विध्रुव-द्विध्रुव बल परिक्षेपण बलों से अधिक मजबूत होते हैं।”
यह भविष्यवाणी उचित लगती है क्योंकि हम अक्सर अंतराअणुक बलों को एक सरल क्रम में पढ़ाते हैं।
लेकिन इसमें यह विचार छूट जाता है कि लंदन परिक्षेपण बलों की कोई एक निश्चित शक्ति नहीं होती। जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉन बादल बड़ा और अधिक ध्रुवणीय होता है, ये बल काफी मजबूत हो जाते हैं।
इसलिए एक बड़ा अध्रुवीय अणु किसी छोटे ध्रुवीय अणु की तुलना में अधिक मजबूत कुल अंतराअणुक आकर्षण का अनुभव कर सकता है।
बेहतर निर्णय प्रक्रिया यह है:
- मौजूद प्रत्येक प्रकार के अंतराअणुक बल की पहचान करें।
- अणुओं के आकार और इलेक्ट्रॉनों की संख्या की तुलना करें।
- आकृति और पृष्ठीय क्षेत्र की तुलना करें।
- इसके बाद ही तय करें कि किस पदार्थ में कुल अंतराअणुक आकर्षण अधिक मजबूत होना चाहिए।
07अधिक मजबूत अंतराअणुक बल क्वथनांक को क्यों प्रभावित करते हैं
कोई द्रव तब उबलता है जब उसके अणु पूरे द्रव में गैसीय अवस्था में निकल सकें।
ऐसा करने के लिए अणुओं को उन पर्याप्त आकर्षणों पर काबू पाना पड़ता है जो उन्हें पड़ोसी अणुओं के पास बनाए रखते हैं।
इसलिए, तुलनीय परिस्थितियों में:
अधिक मजबूत अंतराअणुक बल सामान्यतः अधिक क्वथनांक उत्पन्न करते हैं।
ध्यान दें कि इस कथन में क्या शामिल नहीं है: अणुओं के भीतर अधिक मजबूत सहसंयोजक बंध।
किसी हाइड्रोकार्बन के उबलने पर उसके C-H बंध नहीं टूटते। इसलिए उन बंधों की शक्ति उसके क्वथनांक का प्रत्यक्ष कारण नहीं है।
यह अंतराअणुक बलों से जुड़ी सबसे सामान्य गलतियों में से एक है।
हल किया हुआ उदाहरण: एथेनॉल या डाइमेथिल ईथर?
एथेनॉल, \(\ce{CH3CH2OH}\), और डाइमेथिल ईथर, \(\ce{CH3OCH3}\), का आणविक सूत्र समान है, \(\ce{C2H6O}\)। भविष्यवाणी करें कि किसका क्वथनांक अधिक है और समझाइए कि क्यों।
चरण 1
दोनों अणुओं का आणविक सूत्र समान है और इसलिए उनमें परमाणुओं की संख्या और प्रकार समान हैं। उनके मोलर द्रव्यमान लगभग समान हैं।
इससे यह तुलना उपयोगी बनती है क्योंकि आणविक आकार मुख्य अंतर नहीं है।
चरण 2
डाइमेथिल ईथर में लंदन परिक्षेपण बल होते हैं।
इसके C-O बंध ध्रुवीय हैं, और अणु में स्थायी द्विध्रुव होता है, इसलिए इसमें द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण भी होते हैं।
हालाँकि, इसका कोई भी हाइड्रोजन परमाणु सीधे ऑक्सीजन से बंधा नहीं है। सामान्य दाता-ग्राही अर्थ में यह अन्य डाइमेथिल ईथर अणुओं के साथ हाइड्रोजन बंध नहीं बना सकता।
चरण 3
एथेनॉल में भी लंदन परिक्षेपण और द्विध्रुव-द्विध्रुव बल होते हैं।
इसका O-H समूह पड़ोसी एथेनॉल अणुओं को हाइड्रोजन बंध बनाने की अनुमति देता है।
चरण 4
क्योंकि आणविक आकार समान हैं, एथेनॉल में अतिरिक्त हाइड्रोजन बंधन एक महत्वपूर्ण अंतर है।
इसलिए एथेनॉल में कुल अंतराअणुक आकर्षण अधिक मजबूत होता है और उसका क्वथनांक अधिक होता है।
चरण 5
एथेनॉल अणुओं को गैसीय अवस्था में अलग करने के लिए अधिक ऊर्जा चाहिए। यह अंतर इस कारण नहीं होता कि उबलते समय एथेनॉल के सहसंयोजक बंध टूट रहे हैं।
08आणविक आकृति भी महत्वपूर्ण हो सकती है
समान आणविक द्रव्यमान वाले दो अणुओं में भी अलग-अलग परिक्षेपण बल हो सकते हैं क्योंकि उनकी आकृतियाँ यह प्रभावित करती हैं कि वे एक-दूसरे के कितने पास आ सकते हैं।
लंबे, अपेक्षाकृत सीधे अणु अक्सर सघन, अत्यधिक शाखित अणुओं की तुलना में पड़ोसी अणुओं के साथ अधिक पृष्ठीय संपर्क बना सकते हैं।
अधिक संपर्क का अर्थ अधिक मजबूत परिक्षेपण आकर्षण हो सकता है।
हाइड्रोकार्बनों की तुलना करते समय यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो जाता है। यदि दो हाइड्रोकार्बनों में इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान हो, तो कम शाखित अणु का क्वथनांक अक्सर अधिक होता है क्योंकि उसकी आकृति अधिक अंतराअणुक संपर्क की अनुमति देती है।
फिर से, यह एक अंतराअणुक प्रभाव है। अणुओं के भीतर मौजूद सहसंयोजक बंधों की तुलना नहीं की जा रही है।
09सबसे आकर्षक भ्रांति: “हाइड्रोजन बंधन हमेशा सबसे मजबूत होता है”
छोटे उदासीन अणुओं के बीच अंतराअणुक आकर्षण के रूप में हाइड्रोजन बंधन मजबूत होता है। इसका अर्थ यह नहीं है कि हाइड्रोजन बंधन वाला हर पदार्थ, हाइड्रोजन बंधन न करने वाले हर पदार्थ से अधिक क्वथनांक रखेगा।
किसी बड़े हाइड्रोकार्बन पर विचार करें। उसमें किसी छोटे अल्कोहल की तुलना में बहुत अधिक इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, जिससे उसका इलेक्ट्रॉन बादल अत्यधिक ध्रुवणीय और उसके परिक्षेपण बल पर्याप्त रूप से मजबूत हो सकते हैं।
इसलिए यह तर्क सुरक्षित नहीं है:
पदार्थ A हाइड्रोजन बंध बनाता है। पदार्थ B में केवल परिक्षेपण बल हैं। इसलिए A का क्वथनांक अधिक होना ही चाहिए।
आपको यह भी पूछना होगा कि कण कितने बड़े हैं।
उदाहरण के लिए, ब्यूटेन-1-ऑल हाइड्रोजन बंध बना सकता है, जबकि ऑक्टेन अध्रुवीय है और ऐसा नहीं कर सकता। फिर भी ऑक्टेन का क्वथनांक लगभग \(126^\circ\text{C}\) है, जो ब्यूटेन-1-ऑल के लगभग \(118^\circ\text{C}\) से थोड़ा अधिक है।
इसमें कोई विरोधाभास नहीं है।
ऑक्टेन काफी बड़ा है, उसमें अधिक इलेक्ट्रॉन हैं और उसका इलेक्ट्रॉन बादल अधिक ध्रुवणीय है। उसकी अनेक परिक्षेपण अंतःक्रियाएँ मिलकर मजबूत कुल अंतराअणुक आकर्षण उत्पन्न करती हैं।
सरल क्रम गलत नहीं था। वह अधूरा था।
10हर मजबूत आकर्षण को हाइड्रोजन बंध न कहें
एक और सामान्य गलती यह है कि अणु में कहीं भी हाइड्रोजन देखकर हाइड्रोजन बंधन होने का दावा कर दिया जाए।
मीथेन, \(\ce{CH4}\), में चार C-H बंध होते हैं, लेकिन वह यहाँ विचार किए गए प्रकार का हाइड्रोजन बंधन नहीं बनाता।
क्यों?
हाइड्रोजन को सीधे अत्यधिक विद्युतऋणात्मक N, O या F परमाणु से बंधा होना चाहिए ताकि बंध पर्याप्त रूप से ध्रुवीय हो सके।
इसलिए:
- \(\ce{H2O}\): हाँ
- \(\ce{NH3}\): हाँ
- \(\ce{HF}\): हाँ
- \(\ce{CH3OH}\): हाँ
- \(\ce{CH4}\): नहीं
- \(\ce{CH3CH3}\): नहीं
हाइड्रोजन परमाणुओं की मौजूदगी को हाइड्रोजन बंधन समझने की भूल न करें।
11अंतःअणुक का अर्थ हमेशा “किसी अणु के भीतर” नहीं होता
यह नाम रसायन विज्ञान में एक थोड़ा असहज बिंदु पैदा कर सकता है।
आणविक पदार्थों में अंतःअणुक बल वे बंध हैं जो अलग-अलग अणुओं के भीतर होते हैं। इस पृष्ठ पर मुख्य तुलना यही है।
लेकिन आयनिक और धात्विक पदार्थ अलग-अलग अणुओं से बने नहीं होते।
उदाहरण के लिए, ठोस सोडियम क्लोराइड में \(\mathrm{Na}^{+}\) और \(\mathrm{Cl}^{-}\) आयनों का एक विशाल जालक होता है। ठोस में आयनिक आकर्षणों को “अंतराअणुक बल” कहना भ्रामक होगा, क्योंकि वहाँ एक-दूसरे के पास बैठे अलग-अलग \(\ce{NaCl}\) अणु मौजूद नहीं होते।
इसी प्रकार, किसी धातु में अलग-अलग धातु अणुओं के बजाय धात्विक जालक होता है।
इसलिए अंतराअणुक बलों की चर्चा करने से पहले जाँच लें कि पदार्थ में वास्तव में अणु मौजूद हैं।
12प्रश्न और समाधान
प्रश्न 1
द्रव अमोनिया, \(\ce{NH3}\), के एक नमूने को तब तक गर्म किया जाता है जब तक वह उबलने न लगे।
प्रत्येक अमोनिया अणु में मुख्य अंतःअणुक बल की पहचान करें, अमोनिया अणुओं के बीच अंतराअणुक बलों की पहचान करें, और बताइए कि उबलने के दौरान किस प्रकार के बल पर काबू पाया जाता है।
समाधान 1
उबलने पर अमोनिया अणुओं के बीच अंतराअणुक बलों पर काबू पाया जाता है, जबकि प्रत्येक \(\ce{NH3}\) अणु के भीतर के सहसंयोजक N-H बंध बने रहते हैं।
N-H बंध अंतःअणुक सहसंयोजक बंध हैं। वे प्रत्येक नाइट्रोजन परमाणु को उसके तीन हाइड्रोजन परमाणुओं से जोड़े रखते हैं।
सभी अमोनिया अणु लंदन परिक्षेपण बलों का अनुभव करते हैं।
अमोनिया ध्रुवीय भी है, इसलिए उसमें द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण होता है। इसके हाइड्रोजन परमाणु सीधे नाइट्रोजन से बंधे होते हैं, जिससे पड़ोसी अमोनिया अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंधन संभव होता है।
इसलिए अंतराअणुक बल हैं: लंदन परिक्षेपण, द्विध्रुव-द्विध्रुव और हाइड्रोजन बंधन।
उबलने के दौरान इनमें से पर्याप्त अंतराअणुक आकर्षणों पर काबू पाया जाता है ताकि अमोनिया के अणु गैसीय अवस्था में जा सकें:
\[ \ce{NH3(l) -> NH3(g)} \]
रासायनिक सूत्र अपरिवर्तित रहता है, जो दिखाता है कि N-H सहसंयोजक बंध नहीं टूटे हैं।
प्रश्न 2
दो आणविक पदार्थों में इलेक्ट्रॉनों की संख्या लगभग समान है।
पदार्थ A अध्रुवीय है। पदार्थ B ध्रुवीय है, लेकिन उसमें N, O या F से बंधे H परमाणु नहीं हैं।
प्रत्येक पदार्थ में कौन-से अंतराअणुक बल कार्य करते हैं, और यदि उनकी आकृतियाँ भी समान हों तो सामान्यतः किस पदार्थ में अधिक मजबूत अंतराअणुक आकर्षण की अपेक्षा की जाएगी?
समाधान 2
सामान्यतः पदार्थ B में अधिक मजबूत अंतराअणुक आकर्षण की अपेक्षा की जाएगी क्योंकि उसमें लंदन परिक्षेपण और द्विध्रुव-द्विध्रुव दोनों बल होते हैं, जबकि पदार्थ A में केवल लंदन परिक्षेपण होता है।
प्रत्येक अणु लंदन परिक्षेपण बलों का अनुभव करता है, इसलिए A और B दोनों में ये होते हैं।
क्योंकि B ध्रुवीय है, उसमें स्थायी द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण भी होते हैं।
किसी भी पदार्थ को हाइड्रोजन बंधन करने में सक्षम नहीं बताया गया है।
यह तुलना उचित है क्योंकि प्रश्न दो महत्वपूर्ण चरों को नियंत्रित करता है: अणुओं में इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान है और उनकी आकृतियाँ भी समान हैं। इसलिए उनके परिक्षेपण बल मोटे तौर पर तुलनीय होने चाहिए, जिससे B का स्थायी द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण एक महत्वपूर्ण अतिरिक्त योगदान बन जाता है।
यह कहना एक जाल होगा कि पदार्थ A में “कोई अंतराअणुक बल नहीं” है क्योंकि वह अध्रुवीय है। अध्रुवीय अणु भी लंदन परिक्षेपण बलों का अनुभव करते हैं।
प्रश्न 3
एथेन, \(\ce{C2H6}\), और मेथनॉल, \(\ce{CH3OH}\), दोनों में सहसंयोजक बंध होते हैं।
एक विद्यार्थी कहता है, “मेथनॉल का क्वथनांक अधिक है क्योंकि उसका O-H सहसंयोजक बंध एथेन के C-H बंधों से अधिक मजबूत है।”
समझाइए कि विद्यार्थी के तर्क में क्या गलत है।
समाधान 3
विद्यार्थी का स्पष्टीकरण गलत प्रकार के बल का उपयोग करता है। क्वथनांक मुख्यतः अंतराअणुक आकर्षणों पर निर्भर करता है, उन सहसंयोजक बंधों की शक्ति पर नहीं जो प्रत्येक अणु के भीतर बने रहते हैं।
मेथनॉल अणु लंदन परिक्षेपण बलों, स्थायी द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण और हाइड्रोजन बंधन का अनुभव करते हैं।
एथेन अध्रुवीय है, इसलिए उसके अणु मुख्यतः लंदन परिक्षेपण बलों के माध्यम से आकर्षित होते हैं।
उबलने के दौरान न तो मेथनॉल के O-H सहसंयोजक बंधों को और न ही एथेन के C-H सहसंयोजक बंधों को टूटना पड़ता है। अणु अपने पड़ोसी अणुओं से अलग हो जाते हैं, लेकिन रासायनिक रूप से अखंड रहते हैं।
इसलिए मेथनॉल का अधिक क्वथनांक उसके अधिक मजबूत अंतराअणुक आकर्षण, विशेष रूप से हाइड्रोजन बंधन, से समझाया जाता है; यह दावा करने से नहीं कि उसके अंतःअणुक O-H बंध को तोड़ना आवश्यक है।
यह आकर्षक भ्रांति समझ में आने वाली है क्योंकि “अधिक मजबूत बंध” सुनने में ऐसा लगता है कि पदार्थ को “उबालना अधिक कठिन” होना चाहिए। लेकिन छूटा हुआ प्रश्न यह है: उबलना वास्तव में किन बंधों या बलों पर काबू पाता है?
प्रश्न 4
हाइड्रोजन क्लोराइड, \(\ce{HCl}\), ध्रुवीय है। क्लोरीन, \(\ce{Cl2}\), अध्रुवीय है।
इसलिए एक विद्यार्थी भविष्यवाणी करता है कि \(\ce{HCl}\) का क्वथनांक अधिक होना चाहिए क्योंकि द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण लंदन परिक्षेपण बलों से अधिक मजबूत होते हैं।
वास्तव में, क्लोरीन का क्वथनांक अधिक है। समझाइए कि यह अवलोकन अंतराअणुक बलों के सिद्धांत का खंडन क्यों नहीं करता।
समाधान 4
यह अवलोकन सिद्धांत का खंडन नहीं करता क्योंकि लंदन परिक्षेपण बलों की शक्ति इलेक्ट्रॉन बादल के आकार और ध्रुवणीयता पर बहुत अधिक निर्भर करती है।
\(\ce{HCl}\) ध्रुवीय है। इसलिए उसके अणु लंदन परिक्षेपण और स्थायी द्विध्रुव-द्विध्रुव, दोनों प्रकार के आकर्षणों का अनुभव करते हैं।
\(\ce{Cl2}\) अध्रुवीय है, इसलिए उसमें स्थायी द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण नहीं होता। फिर भी उसमें लंदन परिक्षेपण बल होते हैं।
विद्यार्थी की छिपी हुई धारणा यह है कि सभी लंदन परिक्षेपण बलों की शक्ति समान होती है। ऐसा नहीं है।
एक \(\ce{Cl2}\) अणु का इलेक्ट्रॉन बादल \(\ce{HCl}\) अणु की तुलना में बड़ा और अधिक ध्रुवणीय होता है। इसलिए उसके इलेक्ट्रॉन वितरण में अस्थायी उतार-चढ़ाव अधिक मजबूत क्षणिक द्विध्रुव उत्पन्न कर सकते हैं।
क्लोरीन में परिणामी परिक्षेपण आकर्षण इतना मजबूत होता है कि उसका कुल अंतराअणुक आकर्षण अधिक क्वथनांक उत्पन्न करता है।
सरल किया गया क्रम
\[ \text{हाइड्रोजन बंधन} > \text{द्विध्रुव-द्विध्रुव} > \text{परिक्षेपण} \]
तभी सबसे उपयोगी है जब अन्य मामलों में अणु पर्याप्त रूप से समान हों। यह आणविक आकार और ध्रुवणीयता की तुलना का स्थान नहीं ले सकता।
प्रश्न 5
दो द्रवों के निम्न गुण हैं:
| द्रव | संरचना | क्वथनांक |
|---|---|---|
| P | \(\ce{CH3(CH2)3OH}\) | लगभग \(118^\circ\text{C}\) |
| Q | \(\ce{CH3(CH2)6CH3}\) | लगभग \(126^\circ\text{C}\) |
द्रव P हाइड्रोजन बंध बना सकता है। द्रव Q अध्रुवीय है।
एक विद्यार्थी तर्क देता है कि आँकड़े गलत होने चाहिए क्योंकि हाइड्रोजन बंधन करने वाले द्रव का क्वथनांक किसी अध्रुवीय द्रव से कम नहीं हो सकता।
विद्यार्थी के दावे का मूल्यांकन करें।
समाधान 5
विद्यार्थी का दावा गलत है। एक बड़ा अध्रुवीय अणु किसी छोटे हाइड्रोजन-बंधन करने वाले अणु से अधिक मजबूत कुल अंतराअणुक आकर्षण रख सकता है क्योंकि आणविक आकार और ध्रुवणीयता बढ़ने पर लंदन परिक्षेपण बल बढ़ते हैं।
द्रव P, ब्यूटेन-1-ऑल, लंदन परिक्षेपण, द्विध्रुव-द्विध्रुव और हाइड्रोजन-बंधन अंतःक्रियाओं का अनुभव करता है।
द्रव Q, ऑक्टेन, अध्रुवीय है और इसलिए लंदन परिक्षेपण बलों पर निर्भर करता है।
यदि अणु आकार में समान होते, तो P का हाइड्रोजन बंधन अधिक अंतराअणुक आकर्षण की अपेक्षा करने का एक मजबूत कारण होता। लेकिन वे आकार में समान नहीं हैं।
ऑक्टेन में काफी अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं और उसका इलेक्ट्रॉन बादल बड़ा होता है। इसलिए उसका इलेक्ट्रॉन वितरण अधिक ध्रुवणीय होता है, जिससे अधिक मजबूत अस्थायी द्विध्रुव और अधिक मजबूत परिक्षेपण आकर्षण उत्पन्न होते हैं।
उसकी लंबी हाइड्रोकार्बन संरचना भी पड़ोसी अणुओं के साथ पर्याप्त संपर्क की अनुमति देती है।
परिणामस्वरूप, ऑक्टेन का कुल अंतराअणुक आकर्षण छोटे ब्यूटेन-1-ऑल अणुओं के आकर्षण से अधिक हो सकता है, जिससे ऑक्टेन का क्वथनांक थोड़ा अधिक होता है।
गहरी सीख यह है कि मौजूद अंतराअणुक बल के केवल “सबसे मजबूत प्रकार” का नाम देना पर्याप्त नहीं है। आपको आकर्षण में योगदान देने वाले सभी महत्वपूर्ण कारकों की तुलना करनी चाहिए।
प्रश्न 6
एक बंद पात्र में एक आणविक पदार्थ है जिसे गर्म किया जाता है।
तापमान \(T_1\) पर पदार्थ ठोस से द्रव में बदलता है। अधिक तापमान \(T_2\) पर वह गैस बन जाता है। इससे भी अधिक तापमान \(T_3\) पर रासायनिक विश्लेषण में अलग-अलग आणविक सूत्रों वाले नए पदार्थ पाए जाते हैं।
प्रत्येक तापमान के लिए बताइए कि क्या अंतःअणुक बंधों का टूटना आवश्यक है, और अपने तर्क की व्याख्या करें।
समाधान 6
\(T_1\) या \(T_2\) पर अंतःअणुक बंधों को टूटने की आवश्यकता नहीं होती, लेकिन \(T_3\) तक रासायनिक बंधों का टूटना और बनना आवश्यक है क्योंकि नए पदार्थ मौजूद हैं।
\(T_1\) पर पिघलना मौजूदा अणुओं की व्यवस्था और गति को बदलता है। कण वही रासायनिक प्रजातियाँ बने रहते हैं, इसलिए यह परिवर्तन अंतराअणुक आकर्षणों पर आंशिक रूप से काबू पाकर हो सकता है।
\(T_2\) पर उबलना अणुओं को एक-दूसरे से काफी अधिक दूर कर देता है। अधिक अंतराअणुक आकर्षण पर काबू पाया जाता है, लेकिन अणु फिर भी रासायनिक रूप से अखंड रह सकते हैं।
\(T_3\) पर साक्ष्य बदल जाता है। अलग आणविक सूत्रों वाले नए पदार्थ पाए गए हैं।
आणविक पहचान में परिवर्तन के लिए परमाणुओं का पुनर्व्यवस्थित होना आवश्यक है। इसके लिए अंतःअणुक रासायनिक बंधों को टूटना और नए बंधों को बनना पड़ता है।
महत्वपूर्ण अंतर केवल यह नहीं है कि \(T_3\) “अधिक गर्म” है। मुख्य साक्ष्य यह है कि कणों की अपनी रासायनिक पहचान बदल गई है।
एक बार जब आप अंतःअणुक बंधों और अंतराअणुक आकर्षणों को अलग-अलग समझ लेते हैं, तो क्वथनांक, गलनांक, वाष्पशीलता, श्यानता और विलेयता के कई पैटर्न को समझाना बहुत आसान हो जाता है। अगला उपयोगी कदम आणविक ध्रुवीयता और अंतराअणुक बलों को इस प्रश्न से जोड़ना है कि कुछ पदार्थ एक विलायक में घुलते हैं लेकिन दूसरे में क्यों नहीं।