HSC रसायन विज्ञान के लिए परमाणु क्रमांक और द्रव्यमान संख्या संकेत-लेखन

दो परमाणु दोनों कार्बन हो सकते हैं, भले ही एक में 6 न्यूट्रॉन हों और दूसरे में 8। पहली बार में यह अजीब लग सकता है। यदि उनके नाभिक अलग हैं, तो वे फिर भी एक ही तत्व क्यों हैं?

आगे पढ़ने से पहले अनुमान लगाइए कि दोनों परमाणुओं के कार्बन बने रहने के लिए कौन-सी संख्या समान रहनी चाहिए: प्रोटॉनों की संख्या, न्यूट्रॉनों की संख्या, या नाभिक में कणों की कुल संख्या।

यह प्रोटॉनों की संख्या ही होनी चाहिए। प्रोटॉन संख्या तत्व को निर्धारित करती है। तत्व को बदले बिना न्यूट्रॉनों की संख्या बदल सकती है, और इसी कारण हमें समस्थानिक संकेत-लेखन की आवश्यकता होती है।

01वे दो संख्याएँ जिन पर आपको नज़र रखनी है

नाभिक की कल्पना एक छोटी थैली के रूप में कीजिए, जिसमें केवल प्रोटॉन और न्यूट्रॉन हैं।

दो उपयोगी संख्याएँ हैं:

• परमाणु क्रमांक, \(Z\): प्रोटॉनों की संख्या।
• द्रव्यमान संख्या, \(A\): प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों की कुल संख्या।

यदि \(N\) न्यूट्रॉनों की संख्या है, तो:

\[
A = Z + N
\]

और इसलिए:

\[
N = A – Z
\]

इन प्रतीकों का अर्थ है:

• \(A\) = द्रव्यमान संख्या, जिसकी कोई इकाई नहीं है
• \(Z\) = परमाणु क्रमांक, जिसकी कोई इकाई नहीं है
• \(N\) = न्यूट्रॉनों की संख्या, जिसकी कोई इकाई नहीं है

ये कणों की गिनतियाँ हैं, इसलिए इनकी कोई इकाई नहीं होती।

उदाहरण के लिए, 6 प्रोटॉन और 8 न्यूट्रॉन वाले नाभिक के लिए:

\[
A = 6 + 8 = 14
\]

क्योंकि \(Z = 6\), इसलिए यह तत्व कार्बन है। यह विशेष परमाणु कार्बन-14 है।

02समस्थानिक संकेत-लेखन कैसे काम करता है

समस्थानिक का प्रतीक इस रूप में लिखा जाता है:

\[
\ce{^{A}_{Z}X}
\]

यहाँ:

• \(X\) रासायनिक प्रतीक है
• \(A\) द्रव्यमान संख्या है
• \(Z\) परमाणु क्रमांक है

कार्बन-14 के लिए:

\[
\ce{^{14}_{6}C}
\]

यदि इससे मदद मिले, तो इसे नीचे से पढ़ना शुरू करें:

1. \(Z = 6\), इसलिए 6 प्रोटॉन हैं। परमाणु क्रमांक 6 कार्बन की पहचान करता है।
2. \(A = 14\), इसलिए कुल मिलाकर 14 न्यूक्लिऑन हैं।
3. न्यूट्रॉनों की संख्या \(14 – 6 = 8\) है।

न्यूक्लिऑन का अर्थ केवल प्रोटॉन या न्यूट्रॉन होता है। इसी कारण द्रव्यमान संख्या को न्यूक्लिऑन संख्या भी कहा जाता है।

एक उपयोगी मानसिक मॉडल

परमाणु क्रमांक को किसी तत्व का पहचान-पत्र समझिए। यदि प्रोटॉन संख्या बदलती है, तो तत्व भी बदल जाता है।

द्रव्यमान संख्या को किसी समूह-फोटो में लोगों की संख्या की तरह समझा जा सकता है। आप न्यूट्रॉन जोड़ या हटा सकते हैं और फिर भी वही “व्यक्ति”, अर्थात वही तत्व, बना रह सकता है, लेकिन कुल गिनती बदल जाती है।

यदि इस उपमा को बहुत आगे तक खींचा जाए, तो यह काम नहीं करती। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन आपस में अदला-बदली किए जा सकने वाले लोगों जैसे नहीं हैं। प्रोटॉन संख्या बदलने से नाभिकीय आवेश बदलता है और इसलिए तत्व स्वयं बदल जाता है।

03समस्थानिकों का परमाणु क्रमांक समान होता है

मान लीजिए आपके पास हैं:

\[
\ce{^{12}_{6}C}
\qquad \text{और} \qquad
\ce{^{14}_{6}C}
\]

क्या समान है?

दोनों में \(Z = 6\) है, इसलिए दोनों में 6 प्रोटॉन हैं। दोनों कार्बन हैं।

क्या अलग है?

उनकी द्रव्यमान संख्याएँ 12 और 14 हैं।

कार्बन-12 के लिए:

\[
N = 12 – 6 = 6
\]

कार्बन-14 के लिए:

\[
N = 14 – 6 = 8
\]

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

इससे यह मुख्य पैटर्न मिलता है:

04समस्थानिक प्रतीक कैसे बनाएं

कभी-कभी प्रश्न उलटे तरीके से पूछा जाता है। किसी प्रतीक को पढ़ने के बजाय, आपको नाभिक के बारे में जानकारी दी जाती है और संकेत-लेखन बनाना होता है।

इस क्रम का उपयोग करें:

1. प्रोटॉनों की संख्या ज्ञात करें। इससे \(Z\) मिलता है।
2. तत्व की पहचान करने के लिए \(Z\) का उपयोग करें।
3. \(A\) ज्ञात करने के लिए प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जोड़ें।
4. \(A\) को ऊपर बाईं ओर और \(Z\) को नीचे बाईं ओर रखें।

05सबसे आम गलती: द्रव्यमान संख्या आवर्त सारणी का परमाणु द्रव्यमान नहीं है

आवर्त सारणी में क्लोरीन को देखें तो आपको लगभग 35.45 का मान दिखाई दे सकता है।

क्या आपको समस्थानिक प्रतीक में \(A = 35.45\) लिखना चाहिए?

नहीं।

द्रव्यमान संख्या किसी एक विशेष नाभिक में प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों की गिनती होती है, इसलिए यह पूर्ण संख्या होनी चाहिए। नाभिक में 0.45 न्यूट्रॉन मौजूद नहीं हो सकता।

आवर्त सारणी पर दिया गया दशमलव मान आमतौर पर सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान होता है। यह उस तत्व के प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले समस्थानिकों के द्रव्यमानों और उनकी सापेक्ष प्रचुरताओं से प्रभावित होता है।

इसलिए ये अलग-अलग अवधारणाएँ हैं:

सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान का अक्सर पूर्ण संख्या न होना कोई समस्या नहीं है। यह एक औसत है, किसी एक नाभिक में कणों की गिनती नहीं।

आप इस विचार को समस्थानिक संघटन से सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान में आगे समझ सकते हैं।

06एक तेज़ निर्णय नियम

जब भी आपको नाभिकीय संकेत-लेखन दिखाई दे, इन प्रश्नों को इसी क्रम में पूछें:

1. \(Z\) क्या है? इससे प्रोटॉनों की संख्या मिलती है और तत्व की पहचान होती है।
2. \(A\) क्या है? इससे प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों की कुल संख्या मिलती है।
3. न्यूट्रॉनों की संख्या चाहिए? \(A – Z\) की गणना करें।
4. समस्थानिकों की तुलना कर रहे हैं? जाँचें कि \(Z\) समान है और \(A\) अलग है।
5. ऊपर दाईं ओर कोई आवेश दिखाई दे रहा है? उसे अलग रखें। आवेश इलेक्ट्रॉनों की संख्या बदलता है, समस्थानिक के प्रोटॉन या न्यूट्रॉन की संख्या नहीं।

07प्रश्न और समाधान

प्रश्न 1

समस्थानिक \(\ce{^{27}_{13}Al}\) के लिए परमाणु क्रमांक, द्रव्यमान संख्या, प्रोटॉनों की संख्या और न्यूट्रॉनों की संख्या बताइए।

समाधान 1

इस समस्थानिक का परमाणु क्रमांक 13, द्रव्यमान संख्या 27, प्रोटॉनों की संख्या 13 और न्यूट्रॉनों की संख्या 14 है।

नीचे बाईं ओर की संख्या परमाणु क्रमांक है:

\[
Z = 13
\]

इसलिए 13 प्रोटॉन हैं।

ऊपर बाईं ओर की संख्या द्रव्यमान संख्या है:

\[
A = 27
\]

न्यूट्रॉनों की संख्या है:

\[
N = A – Z = 27 – 13 = 14
\]

इसलिए \(\ce{^{27}_{13}Al}\) में 13 प्रोटॉन और 14 न्यूट्रॉन हैं। आम गलती 27 को न्यूट्रॉनों की संख्या मान लेना है। वास्तव में यह प्रोटॉनों और न्यूट्रॉनों की कुल संख्या है।

प्रश्न 2

एक परमाणु में 20 प्रोटॉन और 22 न्यूट्रॉन हैं। उसका समस्थानिक प्रतीक बनाइए।

समाधान 2

समस्थानिक प्रतीक \(\ce{^{42}_{20}Ca}\) है।

परमाणु क्रमांक प्रोटॉनों की संख्या होता है:

\[
Z = 20
\]

परमाणु क्रमांक 20 कैल्शियम, \(\ce{Ca}\), के अनुरूप है।

द्रव्यमान संख्या है:

\[
A = Z + N = 20 + 22 = 42
\]

इसलिए:

\[
\ce{^{42}_{20}Ca}
\]

यह कैल्शियम-42 है। महत्वपूर्ण चरण \(Z = 20\) से तत्व की पहचान करना है, द्रव्यमान संख्या 42 से नहीं।

प्रश्न 3

\(\ce{^{35}_{17}Cl}\) और \(\ce{^{37}_{17}Cl}\) पर विचार कीजिए।

क्या ये एक ही तत्व के समस्थानिक हैं? प्रत्येक नाभिक में न्यूट्रॉनों की संख्या बताइए और अपने निष्कर्ष की व्याख्या कीजिए।

समाधान 3

हाँ। ये क्लोरीन के समस्थानिक हैं और इनमें क्रमशः 18 और 20 न्यूट्रॉन हैं।

दोनों नाभिकों में:

\[
Z = 17
\]

इसलिए दोनों में 17 प्रोटॉन हैं। समान प्रोटॉन संख्या का अर्थ है कि वे एक ही तत्व हैं।

\(\ce{^{35}_{17}Cl}\) के लिए:

\[
N = 35 – 17 = 18
\]

\(\ce{^{37}_{17}Cl}\) के लिए:

\[
N = 37 – 17 = 20
\]

उनका परमाणु क्रमांक समान लेकिन द्रव्यमान संख्याएँ अलग हैं, क्योंकि उनमें न्यूट्रॉनों की संख्याएँ अलग हैं। यही उन्हें समस्थानिक बनाता है।

प्रश्न 4

एक विद्यार्थी आर्गन-40 को दर्शाना चाहता है और \(\ce{^{18}_{40}Ar}\) लिखता है।

बताइए कि इस संकेत-लेखन में क्या गलत है और सही समस्थानिक प्रतीक लिखिए।

समाधान 4

संख्याएँ उलट दी गई हैं। सही प्रतीक \(\ce{^{40}_{18}Ar}\) है।

आर्गन का परमाणु क्रमांक है:

\[
Z = 18
\]

इसलिए परमाणु क्रमांक को नीचे बाईं ओर होना चाहिए।

आर्गन-40 नाम हमें बताता है कि इसकी द्रव्यमान संख्या है:

\[
A = 40
\]

द्रव्यमान संख्या ऊपर बाईं ओर लिखी जाती है।

इसलिए सही संकेत-लेखन है:

\[
\ce{^{40}_{18}Ar}
\]

विद्यार्थी का लिखा हुआ रूप केवल अव्यवस्थित संकेत-लेखन नहीं है। यदि वास्तव में \(Z = 40\) होता, तो नाभिक में 40 प्रोटॉन होते और वह आर्गन होता ही नहीं। रासायनिक प्रतीक और परमाणु क्रमांक का आपस में मेल होना आवश्यक है।

प्रश्न 5

तीन स्पीशीज़ दिखाई गई हैं:

\[
\ce{^{40}_{18}Ar}
\qquad
\ce{^{40}_{19}K+}
\qquad
\ce{^{41}_{19}K+}
\]

पहचानिए कि कौन-सी दो स्पीशीज़ एक ही तत्व के समस्थानिक हैं। फिर ऐसी एक जोड़ी पहचानिए जिसकी द्रव्यमान संख्या समान है, लेकिन जो समस्थानिकों की जोड़ी नहीं है। समझाइए कि \(+\) आवेश इन दोनों निर्णयों को प्रभावित क्यों नहीं करता।

समाधान 5

\(\ce{^{40}_{19}K+}\) और \(\ce{^{41}_{19}K+}\) समस्थानिक हैं। \(\ce{^{40}_{18}Ar}\) और \(\ce{^{40}_{19}K+}\) की द्रव्यमान संख्या समान है, लेकिन वे समस्थानिक नहीं हैं।

दोनों पोटैशियम स्पीशीज़ में:

\[
Z = 19
\]

इसलिए उनमें प्रोटॉनों की संख्या समान है और वे एक ही तत्व हैं। उनकी द्रव्यमान संख्याएँ अलग हैं:

\[
A = 40 \quad \text{और} \quad A = 41
\]

इसलिए वे समस्थानिक हैं।

आर्गन-40 और पोटैशियम-40 दोनों में:

\[
A = 40
\]

लेकिन उनके परमाणु क्रमांक अलग हैं:

\[
Z_{\ce{Ar}} = 18
\qquad
Z_{\ce{K}} = 19
\]

इसलिए वे अलग-अलग तत्व हैं। केवल समान द्रव्यमान संख्या होने से दो नाभिक समस्थानिक नहीं बन जाते।

\(+\) आवेश हमें बताता है कि पोटैशियम स्पीशीज़ ने एक इलेक्ट्रॉन खोया है। एक इलेक्ट्रॉन खोने से नाभिक नहीं बदलता, इसलिए इससे \(A\), \(Z\) या समस्थानिक की पहचान नहीं बदलती।

यहाँ आकर्षक गलती समान संख्या 40 पर ध्यान केंद्रित करना है। समस्थानिकों की तुलना करते समय सबसे पहले हमेशा \(Z\) की तुलना करनी चाहिए।

प्रश्न 6

दो उदासीन परमाणुओं में प्रत्येक में 20 न्यूट्रॉन हैं। परमाणु P की द्रव्यमान संख्या 39 है, जबकि परमाणु Q की द्रव्यमान संख्या 40 है।

एक विद्यार्थी तर्क देता है कि वे समस्थानिक होने चाहिए क्योंकि उनमें न्यूट्रॉनों की संख्या समान है। प्रत्येक परमाणु की पहचान निर्धारित कीजिए और विद्यार्थी के दावे का आकलन कीजिए।

समाधान 6

परमाणु P पोटैशियम-39 है, परमाणु Q कैल्शियम-40 है, और वे समस्थानिक नहीं हैं।

परमाणु P के लिए:

\[
Z = A – N = 39 – 20 = 19
\]

परमाणु क्रमांक 19 पोटैशियम का है, इसलिए परमाणु P है:

\[
\ce{^{39}_{19}K}
\]

परमाणु Q के लिए:

\[
Z = A – N = 40 – 20 = 20
\]

परमाणु क्रमांक 20 कैल्शियम का है, इसलिए परमाणु Q है:

\[
\ce{^{40}_{20}Ca}
\]

विद्यार्थी का तर्क गलत है क्योंकि समस्थानिकों की परिभाषा समान प्रोटॉन संख्या से होती है, समान न्यूट्रॉन संख्या से नहीं।

संयोग से इन दोनों परमाणुओं में 20-20 न्यूट्रॉन हैं, लेकिन एक में 19 प्रोटॉन हैं और दूसरे में 20। उनके परमाणु क्रमांक अलग हैं, इसलिए वे अलग-अलग तत्व हैं।

यह अंतर तब और भी उपयोगी हो जाता है जब नाभिकीय अभिक्रियाएँ पढ़ाई जाती हैं। किसी नाभिकीय समीकरण में द्रव्यमान संख्या और परमाणु क्रमांक पर नज़र रखने से आप पता लगा सकते हैं कि कौन-से कण या नाभिक बने होंगे और समीकरण संतुलित है या नहीं।