सहसंयोजक आणविक संरचनाएँ और अंतराअणुक बल

पानी से भरे एक बीकर को उबालिए और द्रव गैस में बदल जाता है। स्पष्ट है कि कुछ अलग किया गया है। लेकिन क्या?

आगे पढ़ने से पहले अनुमान लगाइए: जब पानी उबलता है, तो क्या प्रत्येक \(\ce{H2O}\) अणु के भीतर के मजबूत O-H सहसंयोजक बंध टूटते हैं, या अणु केवल एक-दूसरे से दूर खिंच जाते हैं?

दूसरा उत्तर सही है। गैस अवस्था में जाने पर भी पानी का अणु \(\ce{H2O}\) ही बना रहता है। उबलने की प्रक्रिया पानी के अणुओं के बीच के आकर्षणों पर काबू पाती है। यह सामान्यतः उनके भीतर के सहसंयोजक बंधों को नहीं तोड़ती।

यही अंतर सहसंयोजक आणविक पदार्थों को समझने की कुंजी है। उनके प्रेक्षणीय गुण संरचना के दो अलग-अलग स्तरों पर निर्भर करते हैं: प्रत्येक अणु को जोड़े रखने वाले मजबूत सहसंयोजक बंध, और अलग-अलग अणुओं के बीच कार्य करने वाले उनसे बहुत कमजोर अंतराअणुक बल।

01किसी पदार्थ को सहसंयोजक आणविक क्या बनाता है?

ऐसे पदार्थ की कल्पना कीजिए जो लाखों बहुत छोटे, अलग-अलग पैकेटों से बना हो। प्रत्येक पैकेट एक अणु है।

प्रत्येक अणु के भीतर परमाणु सहसंयोजक बंधों के माध्यम से इलेक्ट्रॉन साझा करते हैं। ये बंध मजबूत होते हैं। लेकिन कोई एक अणु अपने हर पड़ोसी अणु से सहसंयोजक बंध द्वारा नहीं जुड़ा होता।

इन अलग-अलग कणों को स्वतंत्र अणु कहा जाता है।

उदाहरण के लिए, कार्बन डाइऑक्साइड अलग-अलग \(\ce{CO2}\) अणुओं से बना होता है:

\[ \ce{O=C=O} \]

प्रत्येक कार्बन परमाणु अपने अणु के भीतर दो ऑक्सीजन परमाणुओं से मजबूत सहसंयोजक बंधों द्वारा जुड़ा होता है। लेकिन एक \(\ce{CO2}\) अणु अगले \(\ce{CO2}\) अणु से किसी अन्य सहसंयोजक बंध द्वारा नहीं जुड़ा होता।

यही मूल विचार इन पदार्थों पर भी लागू होता है:

• \(\ce{H2O}\), पानी
• \(\ce{NH3}\), अमोनिया
• \(\ce{CH4}\), मीथेन
• \(\ce{CO2}\), कार्बन डाइऑक्साइड
• \(\ce{I2}\), आयोडीन
• \(\ce{CH3OH}\), मेथनॉल

यह सहसंयोजक नेटवर्क संरचना से अलग है, जिसमें सहसंयोजक बंध एक विशाल संरचना में लगातार फैले रहते हैं। हीरा सहसंयोजक नेटवर्क पदार्थ का एक उदाहरण है।

गलनांक और क्वथनांक समझाते समय यह अंतर अत्यंत महत्वपूर्ण हो जाता है।

02दो प्रकार के आकर्षणों को अलग-अलग समझना आवश्यक है

मान लीजिए कि पानी के दो अणु एक-दूसरे के पास हैं।

प्रत्येक अणु के भीतर ऑक्सीजन और हाइड्रोजन परमाणु सहसंयोजक बंधों से जुड़े होते हैं। दोनों अणुओं के बीच अंतराअणुक आकर्षण होते हैं।

इसे ऐसे समझना उपयोगी है जैसे भीड़भरी ट्रेन में दो लोग एक-दूसरे का हाथ पकड़े खड़े हों। एक-दूसरे के हाथ पर उनकी पकड़ अणु के भीतर के सहसंयोजक बंध को दर्शाती है। आसपास की भीड़ का उन्हें दूसरे लोगों की ओर दबाना अंतराअणुक बलों को दर्शाता है।

यदि ट्रेन खाली हो जाए और वह जोड़ी बाकी सभी लोगों से दूर चली जाए, तो उन्हें एक-दूसरे का हाथ छोड़ने की आवश्यकता नहीं होती। इसी तरह, जब कोई आणविक पदार्थ उबलता है, तो उसके अणु अलग हो जाते हैं, लेकिन सामान्यतः उनके भीतर के सहसंयोजक बंध नहीं टूटते।

इस उपमा की एक सीमा है: अणु यह चुनाव नहीं करते कि वे किसे पकड़ें, और अंतराअणुक बल आवेशों और इलेक्ट्रॉन वितरण से जुड़ी स्थिरवैद्युत अंतःक्रियाओं से उत्पन्न होते हैं। फिर भी यह महत्वपूर्ण संरचनात्मक अंतर को अच्छी तरह दर्शाती है।

अंतःअणुक बल

अंतःअणुक का अर्थ है किसी अणु के भीतर।

सहसंयोजक आणविक पदार्थों में ये मुख्यतः परमाणुओं को जोड़ने वाले सहसंयोजक बंध होते हैं।

किसी सहसंयोजक बंध को तोड़ने से अणु रासायनिक रूप से बदल जाता है। उदाहरण के लिए, पानी में O-H बंध तोड़ना केवल पानी को उबालना नहीं है।

अंतराअणुक बल

अंतराअणुक का अर्थ है अणुओं के बीच।

ये आकर्षण निम्न भौतिक गुणों को प्रभावित करते हैं:

• गलनांक
• क्वथनांक
• वाष्पशीलता
• किसी पदार्थ का विशेष परिस्थितियों में ठोस, द्रव या गैस होना
• विलेयता
• कई मामलों में श्यानता

एक बहुत सामान्य गलती यह लिखना है, “पानी का क्वथनांक ऊँचा है क्योंकि उसके सहसंयोजक बंध मजबूत हैं।”

पानी में सहसंयोजक बंध निश्चित रूप से मजबूत होते हैं, लेकिन उबलने के दौरान उन बंधों पर काबू नहीं पाया जाता। यहाँ प्रासंगिक आकर्षण पानी के अणुओं के बीच के अंतराअणुक बल हैं।

03अंतराअणुक बल कहाँ से आते हैं?

इलेक्ट्रॉन और नाभिक विद्युत आवेश रखते हैं। इसलिए, किसी अणु पर कुल आवेश न होने पर भी उसका आवेश-वितरण पास के अणुओं के साथ आकर्षण उत्पन्न कर सकता है।

HSC रसायन विज्ञान के लिए तीन महत्वपूर्ण अंतराअणुक बल हैं:

एक अणु एक से अधिक प्रकार के अंतराअणुक बलों का अनुभव कर सकता है।

उदाहरण के लिए, पानी में लंदन विसरण बल और हाइड्रोजन बंधन दोनों होते हैं। इसके असामान्य रूप से ऊँचे क्वथनांक को समझाते समय हम सामान्यतः हाइड्रोजन बंधन पर ध्यान देते हैं क्योंकि इस तुलना में उसी अंतःक्रिया का प्रभाव सबसे अधिक होता है।

04लंदन विसरण बल प्रत्येक आणविक पदार्थ में पाए जाते हैं

\(\ce{I2}\) जैसे अणु से शुरुआत कीजिए।

कुल मिलाकर यह अणु अध्रुवीय है। इसलिए आप अनुमान लगा सकते हैं कि आयोडीन के दो अणु एक-दूसरे को आकर्षित नहीं कर सकते।

लेकिन वे आकर्षित करते हैं।

इलेक्ट्रॉन लगातार गतिमान रहते हैं। किसी विशेष क्षण पर, एक अणु का इलेक्ट्रॉन मेघ थोड़ा असमान हो सकता है। एक ओर अस्थायी रूप से अधिक ऋणात्मकता और दूसरी ओर अधिक धनात्मकता उत्पन्न हो जाती है।

यह अस्थायी द्विध्रुव पास के किसी अणु के इलेक्ट्रॉन मेघ को विकृत कर सकता है, जिससे उसमें प्रेरित द्विध्रुव बनता है। फिर दोनों अणु एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं।

इन आकर्षणों को लंदन विसरण बल कहा जाता है।

ये सभी कणों के बीच पाए जाते हैं क्योंकि प्रत्येक परमाणु और अणु में इलेक्ट्रॉन होते हैं।

विसरण बलों को अधिक मजबूत क्या बनाता है?

एक उपयोगी सामान्य नियम के रूप में, जब कणों के इलेक्ट्रॉन मेघ बड़े हों और आसानी से विकृत हो सकें, तो विसरण बल अधिक मजबूत हो जाते हैं।

हैलोजनों की तुलना कीजिए:

• \(\ce{F2}\)
• \(\ce{Cl2}\)
• \(\ce{Br2}\)
• \(\ce{I2}\)

जैसे-जैसे अणु बड़े होते हैं और उनमें इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ती है, उनके इलेक्ट्रॉन मेघ अधिक ध्रुवणीय हो जाते हैं। उनके विसरण बल अधिक मजबूत हो जाते हैं।

इससे यह समझने में मदद मिलती है कि कमरे की सामान्य परिस्थितियों में \(\ce{F2}\) और \(\ce{Cl2}\) गैसें हैं, \(\ce{Br2}\) द्रव है और \(\ce{I2}\) ठोस है।

“अधिक इलेक्ट्रॉन का अर्थ अधिक मजबूत विसरण बल” एक उपयोगी नियम है, लेकिन इसे हर तुलना पर लागू होने वाला पूर्ण नियम न मानें। अणु का आकार और अणुओं का एक-दूसरे के कितने पास आ पाना भी महत्वपूर्ण हो सकता है।

05ध्रुवीय अणुओं में द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण भी होते हैं

अब हाइड्रोजन क्लोराइड, \(\ce{HCl}\), पर विचार कीजिए।

क्लोरीन साझा बंधकारी इलेक्ट्रॉनों को हाइड्रोजन की तुलना में अधिक मजबूती से आकर्षित करता है। इसलिए H-Cl बंध में इलेक्ट्रॉन घनत्व असमान होता है।

हम हाइड्रोजन को आंशिक रूप से धनात्मक, \(\delta+\), और क्लोरीन को आंशिक रूप से ऋणात्मक, \(\delta-\), बताते हैं।

इस अणु में एक स्थायी द्विध्रुव होता है।

पड़ोसी \(\ce{HCl}\) अणु इस प्रकार उन्मुख होने की प्रवृत्ति रखते हैं कि एक आंशिक धनात्मक क्षेत्र किसी आंशिक ऋणात्मक क्षेत्र की ओर आकर्षित हो। इन आकर्षणों को द्विध्रुव-द्विध्रुव बल कहा जाता है।

महत्वपूर्ण बात यह है कि \(\ce{HCl}\) में विसरण बल भी होते हैं। ध्रुवीय अणुओं में विसरण बल किसी तरह समाप्त नहीं हो जाते।

06ध्रुवीय बंध होने का अर्थ यह नहीं कि अणु भी अपने-आप ध्रुवीय होगा

यह इस विषय के सबसे उपयोगी अंतरों में से एक है।

कार्बन डाइऑक्साइड पर विचार कीजिए। प्रत्येक C=O बंध ध्रुवीय है क्योंकि ऑक्सीजन बंधकारी इलेक्ट्रॉनों को कार्बन की तुलना में अधिक मजबूती से आकर्षित करता है।

तो पूरे अणु के बारे में अनुमान लगाइए: क्या \(\ce{CO2}\) ध्रुवीय है?

कुल मिलाकर यह अध्रुवीय है।

अणु रैखिक है:

\[ \ce{O=C=O} \]

दोनों बंध-द्विध्रुव समान परिमाण के साथ विपरीत दिशाओं में संकेत करते हैं। उनके प्रभाव एक-दूसरे को निरस्त कर देते हैं।

पानी अलग है। इसके O-H बंध भी ध्रुवीय होते हैं, लेकिन \(\ce{H2O}\) अणु मुड़ा हुआ होता है। बंध-द्विध्रुव सीधे विपरीत दिशाओं में नहीं होते, इसलिए वे एक-दूसरे को निरस्त नहीं करते।

इसलिए पानी में एक समग्र आणविक द्विध्रुव होता है।

इससे आपको एक महत्वपूर्ण निर्णय प्रक्रिया मिलती है:

1. तय करें कि अलग-अलग बंध ध्रुवीय हैं या नहीं।
2. आणविक आकृति निर्धारित करें।
3. बंध-द्विध्रुवों की दिशा पर विचार करें।
4. तय करें कि वे द्विध्रुव एक-दूसरे को निरस्त करते हैं या नहीं।
5. प्रासंगिक अंतराअणुक बलों की पहचान करने के लिए समग्र आणविक ध्रुवीयता का उपयोग करें।

07हाइड्रोजन बंधन एक विशेष रूप से मजबूत अंतराअणुक आकर्षण है

यदि आप पानी की तुलना समान आकार के छोटे अणुओं से करें, तो उसका व्यवहार असामान्य दिखाई देता है।

इसका मोलर द्रव्यमान केवल लगभग \(18.0\ \text{g mol}^{-1}\) है, फिर भी सामान्य कमरे के तापमान पर पानी द्रव रहता है। समान रूप से छोटे कई अणु गैस होते हैं।

क्यों?

पानी में O-H बंध अत्यधिक ध्रुवीय होते हैं। ऑक्सीजन पर पर्याप्त आंशिक ऋणात्मक आवेश होता है, जबकि उससे बंधे हाइड्रोजन पर आंशिक धनात्मक आवेश होता है।

पानी के एक अणु में ऑक्सीजन से बंधा हाइड्रोजन परमाणु पड़ोसी पानी के अणु के ऑक्सीजन परमाणु पर स्थित एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म की ओर दृढ़ता से आकर्षित हो सकता है।

इस आकर्षण को हाइड्रोजन बंध कहा जाता है।

HSC स्तर पर सामान्यतः विचार किए जाने वाले यौगिकों में हाइड्रोजन बंधन तब होता है जब हाइड्रोजन सीधे सहसंयोजक रूप से इनमें से किसी से बंधा हो:

• नाइट्रोजन, N
• ऑक्सीजन, O
• फ्लोरीन, F

पास के अणु में भी उपयुक्त इलेक्ट्रॉन-समृद्ध N, O या F क्षेत्र होना चाहिए।

शब्दावली के बारे में सावधान रहें। हाइड्रोजन बंध पानी के अणु के भीतर का सहसंयोजक O-H बंध नहीं है। यह अलग-अलग अणुओं के बीच होने वाला एक अंतराअणुक आकर्षण है।

08अंतराअणुक बल गलनांक और क्वथनांक को कैसे प्रभावित करते हैं

किसी आणविक पदार्थ को पिघलाने या उबालने के लिए उसके अणुओं को इतनी ऊर्जा प्राप्त करनी होती है कि वे उन्हें एक-दूसरे के पास रखने वाले कुछ आकर्षणों पर काबू पा सकें।

अधिक मजबूत अंतराअणुक बलों का सामान्यतः अर्थ है कि अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होगी।

इसलिए, जब अन्य परिस्थितियाँ पर्याप्त रूप से तुलनीय हों:

\[ \text{प्रबल अंतराअणुक बल} \longrightarrow \text{उच्चतर गलनांक या क्वथनांक} \]

क्वथन के लिए यह संबंध विशेष रूप से उपयोगी है क्योंकि गैस अवस्था में अणुओं को एक-दूसरे से बहुत दूर होना पड़ता है।

गलनांक का अनुमान लगाना कम सीधा हो सकता है। ठोस क्रिस्टल में अणु किस प्रकार व्यवस्थित होते हैं, यह भी महत्वपूर्ण है, इसलिए कभी-कभी दो समान यौगिकों के गलनांक उस सरल प्रवृत्ति का पालन नहीं करते जिसकी आपने अपेक्षा की हो।

यह इस बात का अच्छा उदाहरण है कि किसी उपयोगी प्रारंभिक मॉडल में कभी-कभी सटीकता की एक अतिरिक्त परत जोड़नी पड़ती है।

09अधिक मजबूत अंतराअणुक बलों का सामान्यतः अर्थ है कम वाष्पशीलता

एक वाष्पशील द्रव आसानी से वाष्पित होता है।

किसी अणु को द्रव से निकलकर गैस अवस्था में जाने के लिए उसके आसपास के अणुओं के आकर्षणों पर काबू पाना पड़ता है।

यदि वे आकर्षण मजबूत हैं, तो किसी निश्चित तापमान पर कम अणुओं के पास बाहर निकलने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है।

इसलिए अधिक मजबूत अंतराअणुक बलों का सामान्यतः अर्थ है:

• कम वाष्पशीलता
• समान तापमान पर कम वाष्प दाब
• अधिक क्वथनांक

ये तीन अलग-अलग प्रेक्षण हैं जो एक ही मूल विचार से जुड़े हैं।

उदाहरण के लिए, यदि समान परिस्थितियों में द्रव A, द्रव B की तुलना में बहुत तेजी से वाष्पित होता है, तो एक उचित प्रारंभिक परिकल्पना यह है कि A में अंतराअणुक आकर्षण कमजोर हैं। निष्पक्ष तुलना करने से पहले तापमान और खुला सतही क्षेत्र सहित अन्य चरों को नियंत्रित करना आवश्यक होगा।

10अधिकांश आणविक पदार्थ विद्युत का चालन क्यों नहीं करते

विद्युत चालन के लिए गतिशील आवेशित कण आवश्यक होते हैं।

एक शुद्ध सहसंयोजक आणविक पदार्थ मुख्यतः उदासीन अणुओं से बना होता है। उसके इलेक्ट्रॉन बंधों और इलेक्ट्रॉन मेघों में स्थानीयकृत रहते हैं, न कि धातु में विस्थानीकृत इलेक्ट्रॉनों की तरह पूरे पदार्थ में स्वतंत्र रूप से चलने के लिए उपलब्ध होते हैं।

इसलिए अधिकांश शुद्ध आणविक पदार्थ विद्युत के खराब चालक होते हैं।

लेकिन यहाँ एक महत्वपूर्ण भ्रम से बचना चाहिए।

“अणुओं से बना है” का अर्थ यह नहीं कि वह “कभी भी चालक विलयन उत्पन्न नहीं कर सकता”।

हाइड्रोजन क्लोराइड शुद्ध अवस्था में आणविक होता है, लेकिन जब यह पानी में घुलता है तो अभिक्रिया करके आयन उत्पन्न करता है:

\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]

ये गतिशील जलीय आयन विलयन को विद्युत प्रवाहित करने देते हैं।

इसलिए हमेशा पूछें कि दी गई परिस्थितियों में वास्तव में कौन-से कण उपस्थित हैं।

11विलेयता विलायक के साथ होने वाली अंतःक्रियाओं पर निर्भर करती है

विद्यार्थियों को अक्सर “समान, समान में घुलता है” सिखाया जाता है।

यह उपयोगी है, लेकिन यह पूर्ण भौतिक नियम के बजाय एक सरल नियम है।

जब कोई पदार्थ घुलता है, तो तीन व्यापक परिवर्तन महत्वपूर्ण होते हैं:

1. विलेय कणों के बीच के कुछ आकर्षणों को बाधित करना पड़ता है
2. विलायक अणुओं के बीच के कुछ आकर्षणों को बाधित करना पड़ता है
3. नए विलेय-विलायक आकर्षण बनते हैं

विलयन बनने की प्रक्रिया तब अधिक अनुकूल होती है जब नई अंतःक्रियाएँ उन अंतःक्रियाओं की पर्याप्त भरपाई करती हैं जिन्हें बाधित करना पड़ा था।

यही कारण है कि ध्रुवीय आणविक पदार्थ अक्सर पानी जैसे ध्रुवीय विलायकों में अच्छी तरह घुलते हैं।

उदाहरण के लिए, मेथनॉल पानी के साथ आसानी से मिश्रित हो जाता है। उसका ध्रुवीय O-H क्षेत्र पानी के अणुओं के साथ हाइड्रोजन बंधन में भाग ले सकता है।

अध्रुवीय अणु सामान्यतः पानी के साथ कम मजबूत अंतःक्रियाएँ करते हैं। वे प्रायः अध्रुवीय विलायकों में अधिक विलेय होते हैं, जहाँ विसरण-बल संबंधी अंतःक्रियाएँ पहले से उपस्थित अंतःक्रियाओं के साथ अधिक संगत होती हैं।

इसे केवल “ध्रुवीय पदार्थ हमेशा ध्रुवीय पदार्थ में घुलता है” तक सीमित न करें। आणविक आकार भी महत्वपूर्ण है। किसी अणु में एक ध्रुवीय समूह हो सकता है, लेकिन उसके साथ बहुत बड़ा अध्रुवीय क्षेत्र भी हो सकता है, जो पानी में उसकी विलेयता को काफी कम कर सकता है।

12संरचना से गुण तक पहुँचने की एक विश्वसनीय विधि

जब HSC का कोई प्रश्न आपसे आणविक संरचना को किसी प्रेक्षणीय गुण से जोड़ने के लिए कहे, तो सूत्र से सीधे गुण पर न पहुँचें।

इस क्रम से आगे बढ़ें:

\[ \text{संरचना} \rightarrow \text{ध्रुवीयता} \rightarrow \text{अंतराअणुक बल} \rightarrow \text{आवश्यक ऊर्जा} \rightarrow \text{गुण} \]

क्वथनांक की तुलना के लिए यह इस प्रकार हो सकता है:

अणु X में O-H बंध होता है और इसके अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंध बन सकते हैं। अणु Y अपने ही अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंध नहीं बना सकता। इसलिए X में अंतराअणुक आकर्षण अधिक मजबूत हैं, इसलिए उसके अणुओं को अलग करके गैस अवस्था में ले जाने के लिए अधिक ऊर्जा आवश्यक होती है। परिणामस्वरूप X का क्वथनांक अधिक होता है।

यह व्याख्या केवल यह लिखने से कहीं अधिक मजबूत है, “X में हाइड्रोजन बंधन होता है, इसलिए उसका क्वथनांक अधिक है।”

बीच की आवश्यक कड़ी भौतिकी है: अणुओं को अलग करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

13सबसे आकर्षक भ्रांति: “मजबूत सहसंयोजक बंध का अर्थ उच्च क्वथनांक है”

मान लीजिए मीथेन, \(\ce{CH4}\), को उबाला जा रहा है।

कोई विद्यार्थी तर्क दे सकता है कि क्योंकि C-H बंध सहसंयोजक हैं और सहसंयोजक बंध मजबूत होते हैं, इसलिए मीथेन का क्वथनांक बहुत अधिक होना चाहिए।

पहला कथन सही है। निष्कर्ष सही नहीं है।

उबलने के दौरान मीथेन के अणु एक-दूसरे से दूर हो जाते हैं:

\[ \ce{CH4(l) -> CH4(g)} \]

C-H सहसंयोजक बंध अखंड रहते हैं। अवस्था परिवर्तन में मुख्यतः अलग-अलग मीथेन अणुओं के बीच के अंतराअणुक आकर्षणों पर काबू पाया जाता है।

मीथेन छोटा और अध्रुवीय है, इसलिए उसके अंतराअणुक आकर्षण अपेक्षाकृत कमजोर लंदन विसरण बल होते हैं। इसी कारण प्रत्येक अणु के भीतर मजबूत सहसंयोजक बंध होने के बावजूद उसका क्वथनांक कम होता है।

इसकी तुलना हीरे से कीजिए। हीरे में एक सतत सहसंयोजक नेटवर्क होता है। उसकी संरचना को बाधित करने के लिए आप केवल स्वतंत्र अणुओं को अलग नहीं कर सकते, क्योंकि वहाँ स्वतंत्र अणु होते ही नहीं हैं। यही अंतर आणविक और नेटवर्क सहसंयोजक पदार्थों के भौतिक गुणों में अत्यधिक अंतर का कारण बन सकता है।

14प्रश्न और समाधान

प्रश्न 1

आयोडीन, \(\ce{I2}\), एक अध्रुवीय आणविक पदार्थ है। आयोडीन अणुओं के बीच मुख्य अंतराअणुक बल की पहचान कीजिए और समझाइए कि अणु अध्रुवीय होने के बावजूद यह बल क्यों मौजूद हो सकता है।

समाधान 1

\(\ce{I2}\) अणुओं के बीच मुख्य अंतराअणुक आकर्षण लंदन विसरण बल है।

आयोडीन अणु के भीतर इलेक्ट्रॉन लगातार गतिमान रहते हैं। किसी भी क्षण वे असमान रूप से वितरित हो सकते हैं, जिससे एक अस्थायी द्विध्रुव बनता है। यह अस्थायी द्विध्रुव पड़ोसी \(\ce{I2}\) अणु के इलेक्ट्रॉन मेघ को विकृत करके उसमें दूसरा द्विध्रुव प्रेरित कर सकता है।

अस्थायी विपरीत आंशिक आवेश एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं।

महत्वपूर्ण भ्रम यह मानना है कि अध्रुवीय होने का अर्थ “कोई अंतराअणुक बल नहीं” है। सभी परमाणु और अणु लंदन विसरण बलों का अनुभव करते हैं क्योंकि सभी में गतिमान इलेक्ट्रॉन होते हैं।

प्रश्न 2

मीथेन, \(\ce{CH4}\), और एथेन, \(\ce{C2H6}\), दोनों अध्रुवीय अणु हैं। एथेन का क्वथनांक अधिक है।

आणविक संरचना और अंतराअणुक बलों का उपयोग करके इस अंतर को समझाइए।

समाधान 2

एथेन का क्वथनांक अधिक है क्योंकि उसका बड़ा इलेक्ट्रॉन मेघ अधिक मजबूत लंदन विसरण बल उत्पन्न करता है।

मीथेन और एथेन दोनों अध्रुवीय हैं, इसलिए उनके अंतराअणुक आकर्षणों में विसरण बल प्रमुख होते हैं। एथेन के एक अणु में मीथेन के अणु की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं और उसका इलेक्ट्रॉन मेघ बड़ा तथा अधिक ध्रुवणीय होता है।

इससे एथेन में अस्थायी और प्रेरित द्विध्रुव सामान्यतः अधिक मजबूत होते हैं।

इसलिए एथेन के अणुओं को गैस अवस्था में अलग करने के लिए अधिक ऊर्जा आवश्यक होती है, जिससे एथेन का क्वथनांक अधिक होता है।

भ्रम यह मानना है कि क्योंकि दोनों पदार्थों में अंतराअणुक बल का प्रकार समान है, इसलिए उनके क्वथनांक भी समान होने चाहिए। उस बल की प्रबलता फिर भी अलग हो सकती है।

प्रश्न 3

कार्बन डाइऑक्साइड, \(\ce{CO2}\), में ध्रुवीय C=O बंध होते हैं। पानी, \(\ce{H2O}\), में ध्रुवीय O-H बंध होते हैं।

समझाइए कि \(\ce{CO2}\) कुल मिलाकर अध्रुवीय जबकि \(\ce{H2O}\) ध्रुवीय क्यों है, और प्रत्येक पदार्थ के लिए सामान्यतः प्रमुख रूप से बताए जाने वाले सबसे मजबूत अंतराअणुक आकर्षण के प्रकार की पहचान कीजिए।

समाधान 3

\(\ce{CO2}\) कुल मिलाकर अध्रुवीय है क्योंकि उसके बंध-द्विध्रुव एक-दूसरे को निरस्त कर देते हैं, जबकि \(\ce{H2O}\) ध्रुवीय है क्योंकि उसके बंध-द्विध्रुव निरस्त नहीं होते।

कार्बन डाइऑक्साइड रैखिक होता है। उसके दो समान C=O बंध-द्विध्रुव विपरीत दिशाओं में संकेत करते हैं, इसलिए उनका सदिश योग शून्य होता है। इसलिए \(\ce{CO2}\) में कोई स्थायी आणविक द्विध्रुव नहीं होता, और उसके अंतराअणुक आकर्षणों में लंदन विसरण बल प्रमुख होते हैं।

पानी मुड़ा हुआ होता है। उसके दो O-H बंध-द्विध्रुव एक-दूसरे की ठीक विपरीत दिशा में होने के बजाय एक कोण पर होते हैं, इसलिए वे एक-दूसरे को निरस्त नहीं करते। पानी में स्थायी आणविक द्विध्रुव होता है।

क्योंकि हाइड्रोजन सीधे ऑक्सीजन से बंधा होता है, पानी के अणु एक-दूसरे के साथ हाइड्रोजन बंध भी बना सकते हैं। इसलिए पानी के भौतिक गुणों को समझाते समय सामान्यतः हाइड्रोजन बंधन पर प्रमुख रूप से ध्यान दिया जाता है।

भ्रम केवल बंध ध्रुवीयता के आधार पर आणविक ध्रुवीयता तय करना है। आणविक आकृति पर भी विचार करना आवश्यक है।

प्रश्न 4

दो आणविक द्रवों, P और Q, के मोलर द्रव्यमान समान हैं।

P में \(\ce{CH3CH2OH}\) संरचना वाले अणु हैं।

Q में \(\ce{CH3OCH3}\) संरचना वाले अणु हैं।

एक विद्यार्थी कहता है:

“दोनों यौगिकों में ऑक्सीजन है, इसलिए दोनों को अपने अणुओं के बीच समान रूप से मजबूत हाइड्रोजन बंध बनाने चाहिए।”

विद्यार्थी के तर्क का मूल्यांकन कीजिए और अनुमान लगाइए कि किस द्रव का क्वथनांक अधिक होना चाहिए।

समाधान 4

विद्यार्थी का तर्क गलत है, और P, \(\ce{CH3CH2OH}\), का क्वथनांक अधिक होना चाहिए।

P में O-H बंध होता है। उसका हाइड्रोजन अत्यधिक विद्युतऋणात्मक ऑक्सीजन परमाणु से सीधे बंधा होता है, जिससे P के अणु एक-दूसरे के साथ हाइड्रोजन बंध बना सकते हैं।

Q में एक ऑक्सीजन परमाणु और एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म होते हैं, लेकिन उसके हाइड्रोजन सीधे ऑक्सीजन से बंधे होने के बजाय कार्बन से बंधे होते हैं। इसलिए Q अपने अणुओं के बीच उसी प्रकार की हाइड्रोजन-बंधित अंतःक्रियाएँ नहीं बना सकता।

दोनों पदार्थों में फिर भी लंदन विसरण बल होते हैं, और दोनों इतने ध्रुवीय हैं कि द्विध्रुव-द्विध्रुव अंतःक्रियाएँ अनुभव कर सकें। लेकिन P में अतिरिक्त मजबूत हाइड्रोजन-बंधन अंतःक्रिया होती है।

इसलिए उबलने के दौरान P के अणुओं को अलग करने के लिए अधिक ऊर्जा आवश्यक होती है, इसलिए P का क्वथनांक अधिक होता है।

भ्रांति यह है कि केवल N, O या F का उपस्थित होना ही किसी शुद्ध पदार्थ में हाइड्रोजन बंधन उत्पन्न कर देता है। हाइड्रोजन परमाणुओं की स्थिति भी महत्वपूर्ण होती है।

प्रश्न 5

एक विद्यार्थी को तीन पदार्थ दिए जाते हैं:

• A छोटे अध्रुवीय स्वतंत्र अणुओं से बना है।
• B ध्रुवीय स्वतंत्र अणुओं से बना है जो हाइड्रोजन बंध बना सकते हैं।
• C ऐसे परमाणुओं से बना है जो एक सतत त्रिविमीय नेटवर्क में सहसंयोजक बंधों द्वारा जुड़े हैं।

विद्यार्थी अनुमान लगाता है कि क्वथनांक का क्रम अवश्य होना चाहिए:

\[ A < B < C \]

समझाइए कि A और B की तुलना के पीछे का तर्क उचित क्यों है, लेकिन C के व्यवहार को केवल “अधिक मजबूत अंतराअणुक बल” के रूप में वर्णित करना गलत क्यों होगा।

समाधान 5

यदि आणविक आकार पर्याप्त रूप से तुलनीय हों तो \(A < B\) की तुलना उचित है, लेकिन C को सहसंयोजक नेटवर्क बंधन के आधार पर समझाया जाना चाहिए, न कि अधिक मजबूत अंतराअणुक बलों के आधार पर।

A छोटे अध्रुवीय अणुओं से बना है, इसलिए उसके अणु मुख्यतः अपेक्षाकृत कमजोर लंदन विसरण बलों द्वारा एक-दूसरे के पास रहते हैं।

B अपने अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंध बना सकता है। इन अधिक मजबूत अंतराअणुक आकर्षणों पर काबू पाने के लिए सामान्यतः अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, इसलिए B का क्वथनांक किसी तुलनीय छोटे अध्रुवीय आणविक पदार्थ से सामान्यतः अधिक होगा।

C मूल रूप से अलग है। यह अंतराअणुक आकर्षणों से जुड़े स्वतंत्र अणुओं से नहीं बना है। इसके बजाय, सहसंयोजक बंध पूरे सतत नेटवर्क में फैले होते हैं।

भ्रम हर सहसंयोजक पदार्थ को एक ही अंतराअणुक-बल पैमाने पर रखने की कोशिश करना है। अंतराअणुक बल अलग-अलग अणुओं के बीच के आकर्षणों का वर्णन करते हैं। सहसंयोजक नेटवर्क में इस भूमिका को निभाने वाले अलग-अलग अणु होते ही नहीं हैं।

परिणामस्वरूप, C की संरचना को बाधित करने के लिए केवल अखंड अणुओं को अलग करने के बजाय व्यापक सहसंयोजक बंधन पर काबू पाना पड़ता है।

प्रश्न 6

शुद्ध हाइड्रोजन क्लोराइड, \(\ce{HCl}\), एक सहसंयोजक आणविक पदार्थ है। इसलिए एक विद्यार्थी अनुमान लगाता है:

“\(\ce{HCl}\) वाले नमूने को विद्युत का चालन नहीं करना चाहिए क्योंकि सहसंयोजक आणविक पदार्थों में गतिशील आयन नहीं होते।”

यह अनुमान गैसीय \(\ce{HCl}\) के लिए सही है, लेकिन जलीय HCl विलयन विद्युत का प्रबल चालन करता है।

समझाइए कि ये प्रेक्षण एक-दूसरे का विरोध क्यों नहीं करते।

समाधान 6

इनमें कोई विरोधाभास नहीं है क्योंकि \(\ce{HCl}\) के पानी से अभिक्रिया करने पर उपस्थित कण बदल जाते हैं।

गैसीय हाइड्रोजन क्लोराइड मुख्यतः उदासीन \(\ce{HCl}\) अणुओं से बना होता है। ये ऐसे गतिशील आयन उपलब्ध नहीं कराते जो विद्युत धारा वहन कर सकें।

लेकिन पानी में हाइड्रोजन क्लोराइड एक प्रोटॉन पानी को स्थानांतरित करता है:

\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]

इसलिए जलीय विलयन में गतिशील \(\ce{H3O+}\) और \(\mathrm{Cl}^{-}\) आयन होते हैं। ये आवेशित कण विलयन में गति कर सकते हैं और विद्युत धारा वहन कर सकते हैं।

विद्यार्थी के तर्क में छिपी हुई धारणा यह है कि घुलने के बाद भी किसी पदार्थ में ठीक वही कण उपस्थित होने चाहिए जो घुलने से पहले थे। यह हमेशा सही नहीं होता। चालकता समझाते समय केवल मूल पदार्थ के बंधन के प्रकार पर निर्भर रहने के बजाय दी गई परिस्थितियों में वास्तव में उपस्थित कणों की पहचान करें।

15इससे आप आगे क्या समझा सकते हैं

जब आप आणविक आकृति से ध्रुवीयता, अंतराअणुक बलों और प्रेक्षणीय गुणों तक आत्मविश्वास से संबंध स्थापित कर सकें, तो आगे आने वाले कई विचार समझना आसान हो जाता है।

आप समझा सकते हैं कि समान सूत्र वाले पदार्थों के क्वथनांक बहुत अलग क्यों हो सकते हैं, कुछ आणविक पदार्थ पानी में आसानी से क्यों घुल जाते हैं जबकि अन्य नहीं, और किसी शुद्ध आणविक पदार्थ का व्यवहार विलायक के साथ अभिक्रिया करने के बाद अलग क्यों हो सकता है।

अगली उपयोगी तुलना आयनिक और सहसंयोजक नेटवर्क संरचनाओं से है। वहाँ प्रश्न “अणुओं को एक साथ क्या थामे रखता है?” से बदलकर “क्या वास्तव में अलग-अलग अणु मौजूद भी हैं?” हो जाता है। यह संरचनात्मक निर्णय अक्सर किसी पदार्थ के गलनांक, चालकता, विलेयता और भौतिक अवस्था को समझाने का सबसे तेज़ तरीका होता है।