समस्थानिक आवर्त सारणी में एक ही स्थान क्यों साझा करते हैं

एक नमूने में कार्बन-12 और कार्बन-14 हैं। एक नाभिक में दूसरे की तुलना में दो अधिक न्यूट्रॉन हैं, और कार्बन-14 रेडियोधर्मी है। तो क्या उन्हें आवर्त सारणी में अलग-अलग स्थानों पर होना चाहिए?

आगे पढ़ने से पहले अनुमान लगाइए: यदि दो परमाणुओं के द्रव्यमान और नाभिकीय स्थिरता अलग-अलग हों, तो कौन-सी एक विशेषता फिर भी उन्हें एक ही तत्व बना सकती है?

उत्तर है प्रोटॉनों की संख्या। कार्बन-12 और कार्बन-14 दोनों में 6 प्रोटॉन होते हैं, इसलिए दोनों कार्बन के स्थान, परमाणु क्रमांक 6, पर आते हैं। उनकी अलग-अलग न्यूट्रॉन संख्याएँ उनके द्रव्यमान और नाभिकीय व्यवहार को बदलती हैं, लेकिन उनकी तत्वीय पहचान को नहीं।

यही एक अंतर समझाता है कि समस्थानिक आवर्त सारणी में एक ही स्थान क्यों साझा करते हैं।

01आवर्त सारणी के लिए प्रोटॉन संख्या मायने रखती है

आवर्त सारणी की कल्पना एक बैठने की योजना के रूप में कीजिए, जहाँ आपकी सीट संख्या केवल एक चीज़ से तय होती है: आपके नाभिक में प्रोटॉनों की संख्या।

कार्बन को सीट 6 मिलती है क्योंकि प्रत्येक कार्बन परमाणु में 6 प्रोटॉन होते हैं। ऑक्सीजन को सीट 8 मिलती है क्योंकि प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु में 8 प्रोटॉन होते हैं।

एक न्यूट्रॉन जोड़ना ऐसा है जैसे आप अपनी सीट पर एक अतिरिक्त बैग लेकर पहुँचें। आप भारी हो गए हैं, लेकिन आप कोई अलग व्यक्ति नहीं बन गए और न ही दूसरी सीट पर चले जाते हैं।

इस उपमा की एक सीमा है। न्यूट्रॉन केवल निष्क्रिय सामान नहीं है। न्यूट्रॉन संख्या बदलने से नाभिक की स्थिरता पर काफी गहरा प्रभाव पड़ सकता है।

सटीक नियम है:

आवर्त सारणी में किसी तत्व का स्थान उसके परमाणु क्रमांक से निर्धारित होता है, जो उसके प्रोटॉनों की संख्या है।

यदि दो परमाणुओं में प्रोटॉनों की संख्या समान है, तो वे एक ही तत्व हैं।

यदि उनमें प्रोटॉनों की संख्या अलग है, तो वे अलग-अलग तत्व हैं।

02समस्थानिकों को अलग क्या बनाता है?

समस्थानिक एक ही तत्व के वे परमाणु हैं जिनमें प्रोटॉनों की संख्या समान लेकिन न्यूट्रॉनों की संख्या अलग होती है।

उदाहरण के लिए:

तीनों का परमाणु क्रमांक 6 है, इसलिए तीनों आवर्त सारणी में कार्बन के स्थान पर आते हैं।

उनकी द्रव्यमान संख्याएँ अलग हैं क्योंकि द्रव्यमान संख्या में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन दोनों गिने जाते हैं।

\[
A = Z + N
\]

जहाँ:

• \(A\) द्रव्यमान संख्या है, जिसकी कोई इकाई नहीं होती
• \(Z\) परमाणु क्रमांक है, जो प्रोटॉनों की संख्या के बराबर होता है
• \(N\) न्यूट्रॉनों की संख्या है

पुनर्व्यवस्थित करने पर मिलता है:

\[
N = A – Z
\]

यही कारण है कि न्यूट्रॉन संख्या बदलने से किसी समस्थानिक का द्रव्यमान बदल जाता है, लेकिन आवर्त सारणी में उसका स्थान नहीं बदलता।

03समस्थानिकों का रासायनिक व्यवहार आमतौर पर बहुत समान क्यों होता है

मान लीजिए आप क्लोरीन के दो उदासीन परमाणुओं की तुलना करते हैं:

• क्लोरीन-35 में 17 प्रोटॉन और 18 न्यूट्रॉन होते हैं
• क्लोरीन-37 में 17 प्रोटॉन और 20 न्यूट्रॉन होते हैं

उनमें इलेक्ट्रॉनों की संख्या का अनुमान लगाइए।

दोनों उदासीन परमाणुओं में 17 इलेक्ट्रॉन होते हैं क्योंकि किसी उदासीन परमाणु में प्रोटॉनों और इलेक्ट्रॉनों की संख्या बराबर होती है।

यह महत्वपूर्ण है क्योंकि सामान्य रासायनिक अभिक्रियाओं में मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन, विशेष रूप से बाहरी इलेक्ट्रॉन, भाग लेते हैं। चूँकि एक ही तत्व के उदासीन समस्थानिकों में प्रोटॉन संख्या समान होती है, इसलिए उनमें इलेक्ट्रॉनों की संख्या भी समान होती है और उनका इलेक्ट्रॉनिक विन्यास अनिवार्य रूप से समान होता है।

इसलिए क्लोरीन-35 और क्लोरीन-37 आवर्त सारणी के एक ही समूह में आते हैं और उनका रासायनिक व्यवहार अत्यंत समान होता है।

यह तर्क की एक महत्वपूर्ण श्रृंखला है:

\[
\text{समान प्रोटॉन संख्या}
\rightarrow
\text{समान तत्व}
\rightarrow
\text{आवर्त सारणी में समान स्थान}
\]

और, उदासीन परमाणुओं के लिए,

\[
\text{समान प्रोटॉन संख्या}
\rightarrow
\text{समान इलेक्ट्रॉन संख्या}
\rightarrow
\text{समान इलेक्ट्रॉनिक विन्यास}
\rightarrow
\text{बहुत समान रसायन}
\]

यहाँ बहुत शब्द महत्वपूर्ण है। समस्थानिक भौतिक रूप से बिल्कुल समान नहीं होते। उनके अलग-अलग द्रव्यमान के कारण गुणों और अभिक्रिया दरों में छोटे अंतर हो सकते हैं, जिन्हें समस्थानिक प्रभाव कहा जाता है। हालांकि HSC स्तर पर मुख्य विचार यह है कि किसी तत्व के समस्थानिकों के रासायनिक गुण अनिवार्य रूप से समान होते हैं क्योंकि उनकी इलेक्ट्रॉनिक संरचनाएँ समान होती हैं।

इलेक्ट्रॉन व्यवस्था रासायनिक व्यवहार को क्यों नियंत्रित करती है, इस बारे में अधिक जानकारी के लिए HSC Chemistry के लिए इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: परमाणु और आयन देखें।

04द्रव्यमान संख्या आवर्त सारणी में छपी संख्या नहीं होती

यह समस्थानिकों से जुड़ी सबसे आसान गलतियों में से एक है।

कल्पना कीजिए कि किसी आवर्त सारणी में क्लोरीन का सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान लगभग \(35.45\) दिया गया है। कोई विद्यार्थी इस संख्या को देखकर कह सकता है, “एक क्लोरीन परमाणु में 35.45 न्यूक्लिऑन होते हैं।”

ऐसा नहीं है।

एक अकेले नाभिक में किसी न्यूक्लिऑन का 0.45 भाग नहीं हो सकता।

आवर्त सारणी में सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान के रूप में दिखाई जाने वाली संख्या सामान्यतः उस तत्व के प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले समस्थानिकों पर आधारित एक भारित औसत होती है।

इसके विपरीत, किसी एक समस्थानिक की द्रव्यमान संख्या पूर्णांक होती है।

क्लोरीन के लिए:

• क्लोरीन-35 के लिए \(A = 35\)
• क्लोरीन-37 के लिए \(A = 37\)
• प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले क्लोरीन में दोनों समस्थानिक होते हैं, इसलिए उसका सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान 35 और 37 के बीच होता है

इसलिए आवर्त सारणी में क्लोरीन के लिए केवल एक खाने की आवश्यकता होती है। उस खाने में दिया गया औसत परमाणु द्रव्यमान समस्थानिकों के मिश्रण का सार प्रस्तुत करता है। वह कोई अलग तत्व नहीं बनाता।

05नाभिकीय स्थिरता आवर्त सारणी में स्थान से अलग प्रश्न है

अब फिर से कार्बन-12 और कार्बन-14 पर विचार कीजिए।

दोनों में 6 प्रोटॉन हैं, इसलिए दोनों कार्बन हैं। लेकिन कार्बन-12 स्थिर है, जबकि कार्बन-14 रेडियोधर्मी है।

यदि एक नाभिक स्थिर है और दूसरा नहीं, तो दो परमाणु एक ही तत्व कैसे हो सकते हैं?

क्योंकि तत्व की पहचान और नाभिकीय स्थिरता अलग-अलग बातों पर निर्भर करती हैं।

तत्व की पहचान प्रोटॉन संख्या पर निर्भर करती है।

नाभिकीय स्थिरता इस बात पर निर्भर करती है कि नाभिक अपने प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों के विशेष संयोजन के साथ कितनी सफलतापूर्वक जुड़ा रहता है।

नाभिक के भीतर दो महत्वपूर्ण प्रभाव प्रतिस्पर्धा करते हैं:

• प्रबल नाभिकीय बल बहुत कम दूरियों पर न्यूक्लिऑनों, यानी प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों, को आकर्षित करता है
• धनावेशित प्रोटॉनों के बीच वैद्युतस्थैतिक प्रतिकर्षण कार्य करता है

न्यूट्रॉन अतिरिक्त प्रोटॉन-प्रोटॉन वैद्युतस्थैतिक प्रतिकर्षण बढ़ाए बिना प्रबल नाभिकीय आकर्षण में योगदान करते हैं। यह एक कारण है कि न्यूट्रॉन नाभिकों को स्थिर करने में सहायता कर सकते हैं।

लेकिन यह आकर्षक निष्कर्ष कि “अधिक न्यूट्रॉन का अर्थ हमेशा अधिक स्थिरता है”, गलत है।

किसी नाभिक में न्यूट्रॉनों की अनुपयुक्त अधिकता भी हो सकती है। स्थिर नाभिक न्यूट्रॉन-से-प्रोटॉन संयोजनों की कुछ विशिष्ट सीमाओं में पाए जाते हैं। इन संयोजनों से बहुत दूर जाने पर नाभिक अस्थिर हो सकता है।

इसलिए कार्बन-14 केवल रेडियोधर्मी होने के कारण कोई अलग तत्व नहीं बन जाता। क्षय होने से पहले भी वह कार्बन ही है क्योंकि उसमें अभी भी 6 प्रोटॉन होते हैं।

06जब कोई अस्थिर समस्थानिक क्षय करता है तो क्या होता है?

यहाँ इस विचार की महत्वपूर्ण सीमा सामने आती है।

केवल न्यूट्रॉनों की संख्या बदलने से उसी तत्व का एक अन्य समस्थानिक बन सकता है।

प्रोटॉनों की संख्या बदलने से तत्व स्वयं बदल जाता है।

कार्बन-14 बीटा माइनस क्षय करता है। नाभिकीय स्तर पर एक न्यूट्रॉन प्रोटॉन में परिवर्तित हो जाता है और बीटा विकिरण तथा एक एंटीन्यूट्रिनो उत्सर्जित होते हैं। नाभिकीय समीकरण को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

\[
\ce{^{14}_{6}C -> ^{14}_{7}N + ^0_{-1}e + \bar{\nu}_e}
\]

क्षय से पहले नाभिक में 6 प्रोटॉन होते हैं, इसलिए वह कार्बन है।

क्षय के बाद पुत्री नाभिक में 7 प्रोटॉन होते हैं, इसलिए वह नाइट्रोजन है।

ध्यान दीजिए कि आवर्त सारणी में स्थान किसने बदला: रेडियोधर्मिता ने स्वयं नहीं, बल्कि क्षय के दौरान प्रोटॉन संख्या में हुए परिवर्तन ने।

इससे एक उपयोगी निर्णय नियम मिलता है:

इसलिए कोई आयन अपने उदासीन परमाणु के समान ही आवर्त-सारणी स्थान पर रहता है। इलेक्ट्रॉन खोने से आवेश बदलता है, प्रोटॉन संख्या नहीं।

एक समस्थानिक भी उसी स्थान पर रहता है। न्यूट्रॉन संख्या बदलने से द्रव्यमान बदलता है, प्रोटॉन संख्या नहीं।

ऐसी नाभिकीय अभिक्रिया अलग होती है जिसमें प्रोटॉन संख्या बदल जाती है। वह तत्व की पहचान बदल देती है।

07इन तीन संख्याओं को अलग-अलग रखें

समस्थानिकों से संबंधित अधिकांश गलतियाँ परमाणु क्रमांक, द्रव्यमान संख्या और सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान को आपस में मिला देने से होती हैं।

अपनी सोच को जल्दी जाँचने का एक तरीका है यह पूछना:

कौन-सी संख्या मुझे बताती है कि कितने प्रोटॉन हैं?

वही संख्या आवर्त सारणी में तत्व का स्थान तय करती है।

08प्रश्न और समाधान

प्रश्न 1

दो परमाणुओं को \(\ce{^{63}_{29}Cu}\) और \(\ce{^{65}_{29}Cu}\) के रूप में दर्शाया गया है।

बताइए कि क्या वे आवर्त सारणी में एक ही स्थान पर आते हैं, और प्रत्येक नाभिक में न्यूट्रॉनों की संख्या ज्ञात कीजिए।

समाधान 1

वे आवर्त सारणी में एक ही स्थान पर आते हैं क्योंकि दोनों नाभिकों में 29 प्रोटॉन होते हैं।

परमाणु क्रमांक प्रोटॉन संख्या से निर्धारित होता है, इसलिए दोनों परमाणु कॉपर हैं।

\(\ce{^{63}_{29}Cu}\) के लिए:

\[
N = A – Z = 63 – 29 = 34
\]

इसमें 34 न्यूट्रॉन हैं।

\(\ce{^{65}_{29}Cu}\) के लिए:

\[
N = A – Z = 65 – 29 = 36
\]

इसमें 36 न्यूट्रॉन हैं।

न्यूट्रॉन संख्याएँ अलग हैं, इसलिए ये परमाणु अलग-अलग समस्थानिक हैं। उनकी प्रोटॉन संख्याएँ समान हैं, इसलिए उनकी तत्वीय पहचान और आवर्त सारणी में स्थान भी समान हैं।

प्रश्न 2

परमाणु X में 16 प्रोटॉन, 18 न्यूट्रॉन और 16 इलेक्ट्रॉन हैं। परमाणु Y में 16 प्रोटॉन, 20 न्यूट्रॉन और 18 इलेक्ट्रॉन हैं।

निर्धारित कीजिए कि क्या X और Y एक ही तत्व के समस्थानिक हैं, और समझाइए कि क्या वे आवर्त सारणी में एक ही स्थान पर आते हैं।

समाधान 2

X और Y एक ही तत्व के समस्थानिक हैं, और वे आवर्त सारणी में एक ही स्थान पर आते हैं।

दोनों कणों में 16 प्रोटॉन हैं:

\[
Z = 16
\]

परमाणु क्रमांक 16 सल्फर है।

X के लिए:

\[
A = Z + N = 16 + 18 = 34
\]

इसलिए X सल्फर-34 है।

Y के लिए:

\[
A = Z + N = 16 + 20 = 36
\]

इसलिए Y में सल्फर-36 का नाभिक है।

Y में 16 के बजाय 18 इलेक्ट्रॉन हैं, इसलिए यह एक \(2-\) आयन है। इससे उसका तत्व नहीं बदलता। इलेक्ट्रॉन खोने या पाने से आवेश बदलता है, जबकि प्रोटॉन संख्या आवर्त सारणी में स्थान निर्धारित करती है।

यहाँ जाल यह मान लेना है कि अलग-अलग इलेक्ट्रॉन संख्याओं का अर्थ अलग-अलग तत्व हैं। ऐसा नहीं है। X और Y दोनों के लिए \(Z = 16\) है, इसलिए दोनों सल्फर के स्थान पर आते हैं।

प्रश्न 3

एक विद्यार्थी निम्न दावा करता है:

“अधिक द्रव्यमान संख्या वाले समस्थानिक को आवर्त सारणी में अधिक दाईं ओर होना चाहिए क्योंकि किसी आवर्त में दाईं ओर जाने पर तत्व भारी होते जाते हैं।”

\(\ce{^{20}_{10}Ne}\) और \(\ce{^{22}_{10}Ne}\) का उपयोग करके इस दावे का मूल्यांकन कीजिए।

समाधान 3

यह दावा गलत है क्योंकि आवर्त सारणी में स्थान परमाणु क्रमांक से निर्धारित होता है, द्रव्यमान संख्या से नहीं।

दोनों न्यूक्लाइडों के लिए:

\[
Z = 10
\]

इसलिए दोनों में 10 प्रोटॉन हैं और दोनों निऑन हैं।

\(\ce{^{20}_{10}Ne}\) के लिए:

\[
N = 20 – 10 = 10
\]

\(\ce{^{22}_{10}Ne}\) के लिए:

\[
N = 22 – 10 = 12
\]

निऑन-22 भारी है क्योंकि उसमें दो अतिरिक्त न्यूट्रॉन हैं। वह आवर्त सारणी में किसी दूसरे स्थान पर नहीं जाता क्योंकि उसकी प्रोटॉन संख्या 10 ही रहती है।

विद्यार्थी का यह अवलोकन कि परमाणु क्रमांक बढ़ने के साथ परमाणु द्रव्यमान अक्सर बढ़ते हैं, तत्वों को व्यवस्थित करने का नियम नहीं बताता। आधुनिक आवर्त सारणी बढ़ते हुए परमाणु क्रमांक के अनुसार व्यवस्थित की गई है। द्रव्यमान इसकी परिभाषित करने वाली स्थिति-निर्देशक राशि नहीं है।

प्रश्न 4

एक अज्ञात नाभिक में प्रारंभ में 11 प्रोटॉन और 13 न्यूट्रॉन हैं। एक नाभिकीय प्रक्रिया के दौरान नाभिक का एक न्यूट्रॉन प्रोटॉन में परिवर्तित हो जाता है।

प्रक्रिया से पहले और बाद के न्यूक्लाइड की तुलना कीजिए। बताइए कि क्या वह आवर्त सारणी में उसी स्थान पर रहता है, और समझाइए कि केवल यह कहना कि “द्रव्यमान संख्या समान रही” तत्व की पहचान करने के लिए पर्याप्त क्यों नहीं है।

समाधान 4

नाभिक आवर्त सारणी में एक अलग स्थान पर चला जाता है क्योंकि उसकी प्रोटॉन संख्या 11 से बदलकर 12 हो जाती है, भले ही उसकी द्रव्यमान संख्या 24 ही रहती है।

प्रारंभ में:

\[
Z = 11
\]

और:

\[
N = 13
\]

इसलिए द्रव्यमान संख्या है:

\[
A = Z + N = 11 + 13 = 24
\]

परमाणु क्रमांक 11 सोडियम है, इसलिए प्रारंभिक नाभिक \(\ce{^{24}_{11}Na}\) है।

एक न्यूट्रॉन के प्रोटॉन में परिवर्तित होने के बाद:

\[
Z = 12
\]

और:

\[
N = 12
\]

नई द्रव्यमान संख्या अभी भी है:

\[
A = 12 + 12 = 24
\]

लेकिन परमाणु क्रमांक 12 मैग्नीशियम है, इसलिए पुत्री नाभिक \(\ce{^{24}_{12}Mg}\) है।

मुख्य जाल द्रव्यमान संख्या को किसी तत्व की पहचान मान लेना है। दो नाभिकों की द्रव्यमान संख्या समान हो सकती है, लेकिन उनकी प्रोटॉन संख्याएँ अलग हो सकती हैं। ऐसे नाभिक एक-दूसरे के समस्थानिक नहीं होते क्योंकि समस्थानिकों की प्रोटॉन संख्या समान होनी चाहिए।

द्रव्यमान संख्या आपको न्यूक्लिऑनों की कुल संख्या बताती है। परमाणु क्रमांक आपको बताता है कि आपके पास कौन-सा तत्व है।

प्रश्न 5

तीन उदासीन परमाणुओं की नाभिकीय संरचनाएँ निम्न हैं:

• P: 8 प्रोटॉन और 8 न्यूट्रॉन
• Q: 8 प्रोटॉन और 10 न्यूट्रॉन
• R: 9 प्रोटॉन और 9 न्यूट्रॉन

एक प्रयोग से पता चलता है कि Q, P की तुलना में नाभिकीय रूप से कम स्थिर है।

एक विद्यार्थी निष्कर्ष निकालता है, “Q आवर्त सारणी में P से अलग हिस्से में होना चाहिए क्योंकि उसका नाभिक अलग तरह से व्यवहार करता है।”

इस निष्कर्ष का आकलन कीजिए। फिर P और Q के अपेक्षित रासायनिक साम्य की तुलना P और R के रासायनिक साम्य से कीजिए।

समाधान 5

यह निष्कर्ष गलत है। P और Q अपनी अलग-अलग नाभिकीय स्थिरताओं के बावजूद आवर्त सारणी में एक ही स्थान पर आते हैं। P और Q का रासायनिक व्यवहार भी P और R की तुलना में कहीं अधिक समान होना चाहिए।

P और Q दोनों में 8 प्रोटॉन हैं:

\[
Z_P = Z_Q = 8
\]

इसलिए दोनों ऑक्सीजन के समस्थानिक हैं।

उनकी द्रव्यमान संख्याएँ हैं:

\[
A_P = 8 + 8 = 16
\]

और:

\[
A_Q = 8 + 10 = 18
\]

इसलिए P ऑक्सीजन-16 और Q ऑक्सीजन-18 है।

उनकी अलग-अलग न्यूट्रॉन संख्याएँ नाभिकीय द्रव्यमान और स्थिरता को प्रभावित कर सकती हैं, लेकिन न्यूट्रॉन संख्या तत्व को निर्धारित नहीं करती।

चूँकि दोनों परमाणु उदासीन हैं और उनमें 8 प्रोटॉन हैं, इसलिए प्रत्येक में 8 इलेक्ट्रॉन भी हैं। इसलिए उनका इलेक्ट्रॉनिक विन्यास समान है और उनका रासायनिक व्यवहार बहुत समान है।

R में 9 प्रोटॉन हैं:

\[
Z_R = 9
\]

इसलिए R ऑक्सीजन नहीं, बल्कि फ्लोरीन है। उदासीन परमाणु के रूप में उसमें भी 9 इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिससे उसका इलेक्ट्रॉनिक विन्यास और रासायनिक व्यवहार अलग होते हैं।

गहरा बिंदु यह है कि नाभिकीय व्यवहार और रासायनिक पहचान परमाणु के अलग-अलग हिस्सों से जुड़े होते हैं। नाभिकीय स्थिरता नाभिक के भीतर प्रोटॉन-न्यूट्रॉन संयोजन पर बहुत अधिक निर्भर करती है। सामान्य रासायनिक व्यवहार मुख्यतः इलेक्ट्रॉनों की व्यवस्था पर निर्भर करता है। आवर्त सारणी में स्थान प्रोटॉन संख्या के माध्यम से दोनों से जुड़ा है, लेकिन वह नाभिकीय स्थिरता से निर्धारित नहीं होता।

जब आप प्रोटॉन संख्या, न्यूट्रॉन संख्या, द्रव्यमान संख्या और इलेक्ट्रॉन संख्या को अलग-अलग रखना सीख लेते हैं, तो रेडियोधर्मी क्षय को समझना बहुत आसान हो जाता है। आप किसी नाभिकीय समीकरण को देखकर तुरंत तय कर सकते हैं कि उत्पाद उसी तत्व का नया समस्थानिक है या पूरी तरह अलग तत्व। HSC Chemistry के लिए नाभिकीय समीकरणों को संतुलित करना सीखते समय यही अगला उपयोगी कदम है।