अल्कोहलों में अंतराअणुक बंधन: HSC रसायन विज्ञान की व्याख्या
जानिए कि हाइड्रोजन बंधन, द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण और लंदन प्रकीर्णन बल अल्कोहलों के क्वथनांक और जल में विलेयता को कैसे समझाते हैं। इसमें हल किए हुए उदाहरण, सामान्य भ्रांतियाँ और चुनौतीपूर्ण HSC-शैली के प्रश्न शामिल हैं।
कमरे के तापमान पर, एथेनॉल एक द्रव है, जबकि डाइमेथिल ईथर एक गैस है। पहली नज़र में यह अजीब लगता है, क्योंकि दोनों का आणविक सूत्र \(\ce{C2H6O}\) है, इसलिए उनका मोलर द्रव्यमान समान है और प्रत्येक प्रकार के परमाणुओं की संख्या भी समान है।
आगे बढ़ने से पहले, अनुमान लगाइए कि इनमें से किसका क्वथनांक अधिक होना चाहिए। यदि आप केवल आणविक सूत्र देखें, तो आपको लग सकता है कि दोनों के क्वथनांक लगभग समान होंगे। वास्तव में, एथेनॉल लगभग \(78^\circ\text{C}\) पर उबलता है, जबकि डाइमेथिल ईथर लगभग \(-25^\circ\text{C}\) पर उबलता है।
अंतर इस बात में नहीं है कि उनमें कितने परमाणु हैं। अंतर इस बात में है कि वे परमाणु किस प्रकार जुड़े हैं और इसलिए पड़ोसी अणु एक-दूसरे को किस प्रकार आकर्षित कर सकते हैं।
01महत्वपूर्ण अंतर: अणुओं के भीतर के बंध और अणुओं के बीच के बल
एथेनॉल अणु की संरचना \(\ce{CH3CH2OH}\) है। एक एथेनॉल अणु के भीतर, परमाणु सहसंयोजक बंधों द्वारा जुड़े होते हैं:
- \(\ce{C-C}\)
- \(\ce{C-H}\)
- \(\ce{C-O}\)
- \(\ce{O-H}\)
ये अंतःअणुक बंध हैं। उपसर्ग intra- का अर्थ है भीतर।
अलग-अलग एथेनॉल अणु भी एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं। ये आकर्षण अंतराअणुक बल हैं। उपसर्ग inter- का अर्थ है बीच में।
जब भी कोई द्रव उबलता है, यह अंतर महत्वपूर्ण होता है। एथेनॉल के उबलने पर सामान्यतः उसके \(\ce{O-H}\) या \(\ce{C-O}\) सहसंयोजक बंध नहीं टूटते। उबलने पर अणुओं को इतनी ऊर्जा मिलती है कि वे अलग-अलग एथेनॉल अणुओं को पास रखने वाले आकर्षणों पर काबू पा सकें।
02अल्कोहल के अणु हाइड्रोजन बंध क्यों बना सकते हैं
ऑक्सीजन, हाइड्रोजन की तुलना में काफी अधिक विद्युतऋणात्मक होता है। \(\ce{O-H}\) सहसंयोजक बंध में साझा इलेक्ट्रॉन अधिक समय ऑक्सीजन के पास बिताते हैं।
इसलिए यह बंध ध्रुवीय होता है:
\[ \ce{O^{\delta-}-H^{\delta+}} \]
चिह्न \(\delta-\) आंशिक ऋणात्मक आवेश दर्शाता है, जबकि \(\delta+\) आंशिक धनात्मक आवेश दर्शाता है।
ऑक्सीजन परमाणु पर एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म भी होते हैं। इससे निम्नलिखित के बीच विशेष रूप से प्रबल आकर्षण उत्पन्न होता है:
- एक अणु में ऑक्सीजन से जुड़े आंशिक धनात्मक हाइड्रोजन और
- दूसरे अणु के ऑक्सीजन परमाणु पर मौजूद एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म।
इस आकर्षण को हाइड्रोजन बंध कहते हैं।
अल्कोहल के अणु को समझने का एक सरल तरीका यह है कि उसे किसी पार्टी में ऐसे व्यक्ति की तरह कल्पना करें, जिसका एक हाथ किसी की ओर बढ़ सकता है और दूसरी जगह ऐसी है जहाँ कोई दूसरा उसे पकड़ सकता है। \(\ce{O-H}\) समूह अल्कोहल अणुओं को पूरी तरह स्वतंत्र कणों की तरह व्यवहार करने के बजाय एक अस्थायी जाल बनाने देता है।
इस उपमा की सीमाएँ हैं। अणु जानबूझकर साथी नहीं चुनते, और क्योंकि अणु लगातार गति कर रहे होते हैं, हाइड्रोजन बंध लगातार बनते और टूटते रहते हैं। ये स्थिरवैद्युत आकर्षण हैं, छोटे भौतिक हुक नहीं।
03अल्कोहलों में एक से अधिक प्रकार के अंतराअणुक बल होते हैं
एक सामान्य गलती यह लिखना है, “अल्कोहलों में हाइड्रोजन बंधन होता है,” और वहीं रुक जाना।
हाइड्रोजन बंधन महत्वपूर्ण है, लेकिन यह उपस्थित एकमात्र अंतराअणुक आकर्षण नहीं है।
| अंतराअणुक बल | यह अल्कोहलों में क्यों होता है | उपयोगी तुलना |
|---|---|---|
| लंदन प्रकीर्णन बल | इलेक्ट्रॉन वितरण में अस्थायी उतार-चढ़ाव अस्थायी द्विध्रुव उत्पन्न करते हैं | प्रत्येक अणु में उपस्थित |
| द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण | \(\ce{C-O}\) और विशेष रूप से \(\ce{O-H}\) बंध अणु को ध्रुवीय बनाते हैं | ध्रुवीय अणुओं के बीच उपस्थित |
| हाइड्रोजन बंधन | \(\ce{O-H}\) का हाइड्रोजन दूसरे ऑक्सीजन के एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म की ओर आकर्षित होता है | अल्कोहलों में विशेष रूप से महत्वपूर्ण |
तीनों एक ही समय पर कार्य करते हैं।
इससे परीक्षा के लिए एक महत्वपूर्ण नियम मिलता है: यह कल्पना न करें कि अणु किसी एक अंतराअणुक बल को चुनते हैं और बाकी को बंद कर देते हैं। हाइड्रोजन बंधन को उपस्थित सबसे प्रबल प्रकार कहना लंदन प्रकीर्णन बलों को समाप्त नहीं कर देता।
04अल्कोहलों के क्वथनांक असामान्य रूप से अधिक क्यों होते हैं
किसी द्रव को उबालने के लिए उसके अणुओं को एक-दूसरे से अलग होकर गैसीय अवस्था में जाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा चाहिए।
एथेनॉल, \(\ce{CH3CH2OH}\), की तुलना एथेन, \(\ce{CH3CH3}\), से कीजिए।
एथेन में लंदन प्रकीर्णन बल होते हैं। एथेनॉल में भी प्रकीर्णन बल होते हैं, लेकिन इसमें स्थायी द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण और, सबसे महत्वपूर्ण रूप से, अंतराअणुक हाइड्रोजन बंधन भी होता है।
इसलिए एथेनॉल अणुओं को अलग करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
इसी कारण अल्कोहलों के क्वथनांक सामान्यतः समान आकार के हाइड्रोकार्बनों की तुलना में काफी अधिक होते हैं।
ध्यान दें कि हम क्या नहीं कह रहे हैं। हम यह नहीं कह रहे कि एथेनॉल के उबलने पर सहसंयोजक \(\ce{O-H}\) बंध को तोड़ना पड़ता है। एथेनॉल के अणु एथेनॉल के अणु ही बने रहते हैं।
हल किया हुआ उदाहरण: एथेनॉल का क्वथनांक डाइमेथिल ईथर से इतना अधिक क्यों है?
एथेनॉल, \(\ce{CH3CH2OH}\), और डाइमेथिल ईथर, \(\ce{CH3OCH3}\), दोनों का आणविक सूत्र \(\ce{C2H6O}\) है। समझाइए कि एथेनॉल का क्वथनांक बहुत अधिक क्यों है।
चरण 1
दोनों अणुओं का आणविक सूत्र समान है और उनके मोलर द्रव्यमान लगभग समान हैं। इसलिए उनके लंदन प्रकीर्णन बल मोटे तौर पर तुलनीय हैं, हालांकि आणविक आकृति का भी प्रभाव पड़ता है।
चरण 2
दोनों में \(\ce{C-O}\) बंध होते हैं, इसलिए दोनों अणु ध्रुवीय हैं और द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण अनुभव कर सकते हैं।
केवल इससे इतना बड़ा अंतर समझाया नहीं जा सकता।
चरण 3
एथेनॉल में \(\ce{O-H}\) बंध होता है। इसका आंशिक धनात्मक हाइड्रोजन दूसरे एथेनॉल अणु के एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म के साथ हाइड्रोजन बंध बना सकता है।
डाइमेथिल ईथर में ऑक्सीजन के एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म होते हैं, लेकिन कोई हाइड्रोजन परमाणु सीधे ऑक्सीजन से बंधा नहीं होता। इसलिए वह दूसरे डाइमेथिल ईथर अणु को हाइड्रोजन बंध प्रदान नहीं कर सकता।
चरण 4
एथेनॉल अणुओं को अलग करने के लिए ऐसे जाल पर काबू पाना पड़ता है जिसमें हाइड्रोजन बंधन शामिल है। डाइमेथिल ईथर अणुओं को अलग करने में ऐसा नहीं होता।
इसलिए एथेनॉल को उबालने के लिए काफी अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है और उसका क्वथनांक अधिक होता है।
उपयोगी निष्कर्ष यह है कि केवल आणविक सूत्र भौतिक गुणों को निर्धारित नहीं करता। संरचना यह नियंत्रित करती है कि कौन-से अंतराअणुक आकर्षण बन सकते हैं।
05अल्कोहल की शृंखला लंबी होने पर क्या बदलता है?
अब सीधी शृंखला वाले प्राथमिक अल्कोहलों की तुलना कीजिए:
\[ \ce{CH3OH,\ CH3CH2OH,\ CH3CH2CH2OH,\ CH3CH2CH2CH2OH} \]
ये मेथेनॉल, एथेनॉल, प्रोपान-1-ऑल और ब्यूटान-1-ऑल हैं।
ये एक ही समजात श्रेणी के सदस्य हैं। प्रत्येक अगला सदस्य एक \(\ce{CH2}\) इकाई से भिन्न होता है।
अब रोचक बात यह है। प्रत्येक अणु में अभी भी एक \(\ce{-OH}\) समूह होता है, इसलिए चारों हाइड्रोजन बंध बना सकते हैं। फिर भी उनके क्वथनांक लगातार बढ़ते जाते हैं।
व्याख्या पढ़ने से पहले अनुमान लगाइए कि ऐसा क्यों होता है। क्या कार्बन शृंखला बढ़ने के साथ हाइड्रोजन बंध बहुत अधिक प्रबल हो रहे हैं?
नहीं। यह आकर्षक, लेकिन अधूरी व्याख्या है।
बढ़ती कार्बन शृंखला लंदन प्रकीर्णन बलों को प्रबल बनाती है
जैसे-जैसे अणु में कार्बन और हाइड्रोजन परमाणु बढ़ते हैं:
- उसमें अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं,
- उसका इलेक्ट्रॉन बादल अधिक ध्रुवणीय हो जाता है,
- पड़ोसी अणुओं के परस्पर संपर्क के लिए अधिक आणविक सतह उपलब्ध होती है, और
- कुल मिलाकर लंदन प्रकीर्णन आकर्षण अधिक प्रबल हो जाते हैं।
एक \(\ce{-OH}\) समूह की हाइड्रोजन बंध बनाने की क्षमता बनी रहती है, लेकिन जैसे-जैसे हाइड्रोकार्बन भाग बढ़ता है, प्रकीर्णन बलों का योगदान क्रमशः अधिक होता जाता है।
पहले कुछ सीधी शृंखला वाले अल्कोहलों के लिए क्वथनांक का रुझान लगभग इस प्रकार है:
\[ \text{मेथेनॉल} < \text{एथेनॉल} < \text{प्रोपान-1-ऑल} < \text{ब्यूटान-1-ऑल} \]
उनके क्वथनांक क्रमशः लगभग \(65^\circ\text{C}\), \(78^\circ\text{C}\), \(97^\circ\text{C}\) और \(118^\circ\text{C}\) हैं।
इसलिए सही व्याख्या यह नहीं है कि “बड़े अल्कोहलों में हाइड्रोजन बंधन होता है”।
उन सभी में हाइड्रोजन बंधन होता है।
उपयोगी तुलना यह है कि बड़े अल्कोहलों में कुल अंतराअणुक आकर्षण अधिक प्रबल होते हैं, विशेष रूप से इसलिए क्योंकि आणविक आकार बढ़ने के साथ लंदन प्रकीर्णन बल बढ़ते हैं।
हल किया हुआ उदाहरण: अल्कोहल की समजात श्रेणी में नीचे जाने पर दो रुझानों का अनुमान लगाइए
मेथेनॉल से ब्यूटान-1-ऑल तक क्वथनांक और जल में विलेयता किस प्रकार बदलती है, इसका अनुमान लगाइए और दोनों रुझानों की व्याख्या कीजिए।
चरण 1
प्रत्येक अणु में एक \(\ce{-OH}\) समूह होता है। प्रत्येक अन्य अल्कोहल अणुओं और जल के अणुओं के साथ हाइड्रोजन बंध बना सकता है।
चरण 2
प्रत्येक अगला अल्कोहल एक \(\ce{CH2}\) इकाई प्राप्त करता है। अणु का अध्रुवीय हाइड्रोकार्बन भाग बड़ा हो जाता है।
चरण 3
बड़े अणुओं में अधिक इलेक्ट्रॉन और अधिक प्रबल लंदन प्रकीर्णन बल होते हैं।
इसलिए क्वथनांक बढ़ता है:
\[ \text{मेथेनॉल} < \text{एथेनॉल} < \text{प्रोपान-1-ऑल} < \text{ब्यूटान-1-ऑल} \]
अणुओं को गैसीय अवस्था में अलग करने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
चरण 4
\(\ce{-OH}\) समूह जल के साथ प्रबल हाइड्रोजन बंध बना सकता है, जो मिश्रण को अनुकूल बनाता है।
लेकिन हाइड्रोकार्बन शृंखला जल के साथ हाइड्रोजन बंध नहीं बना सकती। जैसे-जैसे यह अध्रुवीय क्षेत्र बढ़ता है, एक \(\ce{-OH}\) समूह पूरे अणु का अपेक्षाकृत छोटा भाग बन जाता है।
इसलिए कार्बन शृंखला लंबी होने पर जल में विलेयता घटती है।
चरण 5
लंबी शृंखला वाले अल्कोहल अन्य अल्कोहल अणुओं के प्रति अधिक प्रबल समग्र आकर्षण रख सकते हैं और उसी समय जल के साथ कम संगत हो सकते हैं।
क्वथनांक का प्रश्न है, “अल्कोहल अणुओं को एक-दूसरे से अलग करना कितना कठिन है?”
विलेयता एक अलग प्रश्न पूछती है: “क्या अल्कोहल-अल्कोहल और जल-जल अंतःक्रियाओं को अल्कोहल-जल अंतःक्रियाओं से बदलना इतना अनुकूल है कि दोनों पदार्थ मिश्रित हो जाएँ?”
ये एक ही परीक्षण नहीं हैं।
06छोटे अल्कोहल जल में इतनी अच्छी तरह क्यों घुलते हैं
जल एक विस्तृत हाइड्रोजन-बंधन जाल बनाता है।
जब मेथेनॉल या एथेनॉल मिलाया जाता है, तो उसका \(\ce{-OH}\) समूह उस जाल में भाग ले सकता है:
\[ \text{अल्कोहल}-\ce{O-H \bond{...} O}-\text{जल} \]
और
\[ \text{जल}-\ce{O-H \bond{...} O}-\text{अल्कोहल} \]
इसलिए एक अल्कोहल अणु हाइड्रोजन बंध का दाता और ग्राही दोनों हो सकता है।
छोटी शृंखला वाले अल्कोहलों में, ध्रुवीय \(\ce{-OH}\) समूह पूरे अणु के व्यवहार पर बड़ा प्रभाव डालता है। मेथेनॉल, एथेनॉल और प्रोपान-1-ऑल जल के साथ बहुत आसानी से मिश्रित होते हैं।
जैसे-जैसे शृंखला लंबी होती है, अध्रुवीय ऐल्किल समूह अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है। अब एक \(\ce{-OH}\) समूह को एक बहुत बड़े अणु को जल के साथ अनुकूल रूप से अंतःक्रिया कराने का काम करना पड़ता है।
आप इसे ऐसे समूह की तरह सोच सकते हैं जो बड़ा होता जा रहा है, जबकि उसके पास जल की पार्टी में प्रवेश के लिए अभी भी केवल एक निमंत्रण है। जब समूह बहुत छोटा होता है, तो वह एक निमंत्रण बहुत मायने रखता है। जब उसके साथ चार या पाँच और कार्बन जुड़ जाते हैं, तो उसका प्रभाव अपेक्षाकृत कम हो जाता है।
फिर से, यह उपमा केवल समझने के लिए है। विलेयता इस बात के संयुक्त ऊर्जात्मक और एंट्रॉपी-संबंधी परिणामों से निर्धारित होती है कि मौजूदा अंतःक्रियाओं को तोड़ने और नई अंतःक्रियाएँ बनाने पर क्या होता है।
07क्वथनांक और जल में विलेयता विपरीत दिशाओं में बदल सकते हैं
यह उन सबसे उपयोगी विचारों में से एक है जिन्हें स्पष्ट रूप से समझना चाहिए।
मान लीजिए हम एथेनॉल से ब्यूटान-1-ऑल की ओर बढ़ते हैं।
बड़े अणु में लंदन प्रकीर्णन बल अधिक प्रबल होते हैं, इसलिए उसका क्वथनांक अधिक होता है।
लेकिन उसका बड़ा अध्रुवीय क्षेत्र जल के साथ अनुकूल अंतःक्रिया को अपेक्षाकृत कम प्रभावशाली बनाता है, इसलिए उसकी जल में विलेयता कम होती है।
इसमें कोई विरोधाभास नहीं है।
“अधिक प्रबल अंतराअणुक बल” का अर्थ स्वतः “अधिक विलेय” नहीं होता।
विलेयता सभी शामिल कणों के बीच सापेक्ष आकर्षणों पर निर्भर करती है:
- विलेय-विलेय आकर्षण,
- विलायक-विलायक आकर्षण, और
- विलेय-विलायक आकर्षण।
जल में घुलने वाले अल्कोहलों के लिए तीसरी श्रेणी में अल्कोहल और जल के बीच हाइड्रोजन बंधन शामिल है। लेकिन बढ़ती हुई अध्रुवीय कार्बन शृंखला के प्रभाव की उपेक्षा नहीं की जा सकती।
08शाखन क्या बदलता है?
शृंखला की लंबाई ही एकमात्र संरचनात्मक विशेषता नहीं है जो महत्वपूर्ण होती है।
एक ही आणविक सूत्र वाले दो अल्कोहलों पर विचार कीजिए। यदि एक अधिक शाखित है, तो वह सामान्यतः अधिक सघन होता है।
एक सघन अणु का पड़ोसी अणुओं के साथ प्रभावी सतही संपर्क सामान्यतः लंबे और अपेक्षाकृत अशाखित अणु की तुलना में कम होता है। इससे लंदन प्रकीर्णन आकर्षण कमजोर हो सकते हैं।
परिणामस्वरूप, समान अल्कोहल समावयवियों में अधिक शाखन अक्सर क्वथनांक को कम कर देता है।
यह नियम केवल यह कहने से अधिक सटीक है कि “अधिक मोलर द्रव्यमान का अर्थ अधिक क्वथनांक है”। मोलर द्रव्यमान तब उपयोगी है जब अन्य संरचनात्मक विशेषताएँ तुलनीय हों। आकृति भी महत्वपूर्ण है।
हाइड्रोजन बंधन इस बात से भी प्रभावित हो सकता है कि \(\ce{-OH}\) समूह कितना सुलभ है। बहुत अधिक घिरे हुए \(\ce{-OH}\) समूह के लिए अंतराअणुक जाल बनाना किसी खुले और आसानी से पहुँच योग्य \(\ce{-OH}\) समूह की तुलना में कम प्रभावी हो सकता है।
इसलिए समावयवियों के लिए, कभी-कभी आपको दोनों बातों पर विचार करना पड़ता है:
- प्रकीर्णन बल और आणविक आकृति, और
- \(\ce{-OH}\) समूह के आसपास अणु कितनी आसानी से एक-दूसरे के पास आ सकते हैं।
09अल्कोहल के गुणों की तुलना करने का विश्वसनीय तरीका
जब किसी HSC प्रश्न में आपसे क्वथनांक, वाष्पशीलता या विलेयता की तुलना करने को कहा जाए, तो अलग-अलग मान याद करने के बजाय संरचना का उपयोग कीजिए।
क्वथनांक के लिए:
- जाँचिए कि क्या हाइड्रोजन बंधन संभव है।
- स्थायी आणविक द्विध्रुवों की जाँच कीजिए।
- आणविक आकार और इलेक्ट्रॉनों की संख्या की तुलना कीजिए।
- यदि पदार्थ समावयवी हैं, तो आकृति और सतही संपर्क की तुलना कीजिए।
- केवल एक सबसे प्रबल श्रेणी के बजाय समग्र अंतराअणुक आकर्षणों पर चर्चा कीजिए।
जल में विलेयता के लिए:
- उन समूहों की पहचान कीजिए जो जल के साथ हाइड्रोजन बंध बना सकते हैं।
- ध्रुवीय क्षेत्र के आकार की तुलना अध्रुवीय हाइड्रोकार्बन क्षेत्र से कीजिए।
- याद रखिए कि लंबी कार्बन शृंखला सामान्यतः एकहाइड्रॉक्सिल अल्कोहल की जल में विलेयता को कम करती है।
- विलेयता का अनुमान लगाने के लिए केवल क्वथनांक का उपयोग न करें।
यह अंतिम बिंदु कई अन्यथा उचित उत्तरों में गलती पकड़ लेता है।
10आकर्षक लेकिन गलत धारणाएँ
| आकर्षक धारणा | इसमें क्या गलत है? | बेहतर कथन |
|---|---|---|
| “\(\ce{O-H}\) बंध एक हाइड्रोजन बंध है।” | एक अल्कोहल अणु के भीतर \(\ce{O-H}\) बंध सहसंयोजक होता है। | हाइड्रोजन बंधन अलग-अलग अणुओं पर उपयुक्त समूहों के बीच आकर्षण है। |
| “उबालने से अल्कोहल के सहसंयोजक बंध टूटते हैं।” | सामान्य उबलने में अणु विघटित हुए बिना एक-दूसरे से अलग होते हैं। | उबलने में मुख्यतः अंतराअणुक आकर्षणों पर काबू पाया जाता है। |
| “अल्कोहलों में केवल हाइड्रोजन बंध ही महत्वपूर्ण होते हैं।” | लंदन प्रकीर्णन और द्विध्रुव-द्विध्रुव बल भी उपस्थित होते हैं। | अल्कोहलों के गुण संयुक्त अंतराअणुक आकर्षणों का परिणाम होते हैं। |
| “लंबे अल्कोहलों के क्वथनांक अधिक होते हैं क्योंकि उनके हाइड्रोजन बंध अधिक प्रबल होते हैं।” | प्रत्येक सदस्य में अभी भी लगभग समान \(\ce{-OH}\) समूह होता है। | श्रेणी में नीचे जाने पर प्रमुख व्यवस्थित परिवर्तन लंदन प्रकीर्णन आकर्षण का बढ़ना है। |
| “अधिक प्रबल अंतराअणुक बलों का अर्थ हमेशा जल में अधिक विलेयता होता है।” | विलेयता विलेय और विलायक के बीच की अंतःक्रियाओं के साथ-साथ प्रत्येक शुद्ध पदार्थ के भीतर की अंतःक्रियाओं पर भी निर्भर करती है। | लंबी शृंखला वाले अल्कोहल का क्वथनांक अधिक लेकिन जल में विलेयता कम हो सकती है। |
11प्रश्न और समाधान
प्रश्न 1
मेथेनॉल का क्वथनांक मीथेन से बहुत अधिक है।
अंतराअणुक बलों का उपयोग करके इस अंतर की व्याख्या कीजिए।
समाधान 1
मेथेनॉल का क्वथनांक अधिक है क्योंकि उसके अणु हाइड्रोजन बंधन, द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण और लंदन प्रकीर्णन बलों का अनुभव करते हैं, जबकि मीथेन अणु केवल लंदन प्रकीर्णन बलों का अनुभव करते हैं।
मेथेनॉल में ध्रुवीय \(\ce{O-H}\) बंध होता है। एक मेथेनॉल अणु का आंशिक धनात्मक हाइड्रोजन दूसरे मेथेनॉल अणु के ऑक्सीजन परमाणु पर मौजूद एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म के साथ हाइड्रोजन बंध बना सकता है।
मीथेन, \(\ce{CH4}\), अध्रुवीय है और हाइड्रोजन बंध नहीं बना सकता।
इसलिए मेथेनॉल अणुओं को अलग करके गैसीय अवस्था में ले जाने के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
एक आकर्षक उत्तर केवल यह कहना है कि “मेथेनॉल में अधिक प्रबल बंध होते हैं”। यह भाषा बहुत अस्पष्ट है और इससे यह संकेत मिल सकता है कि सहसंयोजक बंध टूट रहे हैं। महत्वपूर्ण तुलना दोनों पदार्थों के अंतराअणुक आकर्षणों के बीच है।
प्रश्न 2
चार सीधी शृंखला वाले अल्कोहलों के क्वथनांक नीचे दिए गए हैं।
| अल्कोहल | सूत्र | क्वथनांक |
|---|---|---|
| मेथेनॉल | \(\ce{CH3OH}\) | \(64.7^\circ\text{C}\) |
| एथेनॉल | \(\ce{C2H5OH}\) | \(78.4^\circ\text{C}\) |
| प्रोपान-1-ऑल | \(\ce{C3H7OH}\) | \(97.2^\circ\text{C}\) |
| ब्यूटान-1-ऑल | \(\ce{C4H9OH}\) | \(117.7^\circ\text{C}\) |
मेथेनॉल से ब्यूटान-1-ऑल तक प्रत्येक अतिरिक्त कार्बन परमाणु के लिए क्वथनांक में औसत वृद्धि की गणना कीजिए। फिर समझाइए कि प्रत्येक अणु में केवल एक \(\ce{-OH}\) समूह होने के बावजूद क्वथनांक क्यों बढ़ता है।
समाधान 2
क्वथनांक में औसत वृद्धि प्रत्येक अतिरिक्त कार्बन परमाणु के लिए लगभग \(17.7^\circ\text{C}\) है, और इस वृद्धि की मुख्य व्याख्या क्रमशः अधिक प्रबल होते हाइड्रोजन बंधों के बजाय बढ़ते लंदन प्रकीर्णन बलों से होती है।
मेथेनॉल से ब्यूटान-1-ऑल तक कुल मिलाकर तीन कार्बन परमाणु जोड़े जाते हैं।
कुल क्वथनांक वृद्धि है:
\[ 117.7 - 64.7 = 53.0^\circ\text{C} \]
कार्बन-युक्त \(\ce{CH2}\) इकाई के तीन क्रमिक जोड़ होते हैं, इसलिए:
\[ \frac{53.0^\circ\text{C}}{3}=17.7^\circ\text{C} \]
औसतन प्रति जोड़े गए कार्बन परमाणु।
इस श्रेणी का प्रत्येक सदस्य हाइड्रोजन बंध बना सकता है क्योंकि प्रत्येक में एक \(\ce{-OH}\) समूह होता है। हालांकि, जैसे-जैसे शृंखला की लंबाई बढ़ती है, अणुओं में अधिक इलेक्ट्रॉन और बड़े, अधिक ध्रुवणीय इलेक्ट्रॉन बादल होते हैं। इसलिए लंदन प्रकीर्णन आकर्षण अधिक प्रबल हो जाते हैं।
अणुओं को अलग करने के लिए अधिक ऊर्जा देनी पड़ती है, इसलिए क्वथनांक बढ़ता है।
आकर्षक रास्ता यह है कि पूरे रुझान का कारण हाइड्रोजन बंधन को मान लिया जाए। इससे उस विशेषता की उपेक्षा हो जाती है जो वास्तव में व्यवस्थित रूप से बदल रही है: हाइड्रोकार्बन शृंखला का आकार। गणना किया गया \(17.7^\circ\text{C}\) इन यौगिकों के लिए केवल एक औसत है, ऐसा नियम नहीं कि प्रत्येक अतिरिक्त कार्बन क्वथनांक को ठीक उतनी ही मात्रा से बढ़ाएगा।
प्रश्न 3
एथेनॉल, \(\ce{CH3CH2OH}\), और डाइमेथिल ईथर, \(\ce{CH3OCH3}\), दोनों का मोलर द्रव्यमान लगभग \(46.1\text{ g mol}^{-1}\) है।
एथेनॉल लगभग \(78^\circ\text{C}\) पर उबलता है, जबकि डाइमेथिल ईथर लगभग \(-25^\circ\text{C}\) पर उबलता है।
समझाइए कि उनके क्वथनांक इतने अलग क्यों हैं। आपके उत्तर में केवल यह कहने के बजाय कि एथेनॉल में “अधिक प्रबल बल” होते हैं, आणविक संरचना का उल्लेख अवश्य होना चाहिए।
समाधान 3
एथेनॉल का क्वथनांक बहुत अधिक है क्योंकि उसकी संरचना पड़ोसी एथेनॉल अणुओं को अंतराअणुक हाइड्रोजन बंध बनाने देती है, जबकि डाइमेथिल ईथर के अणु उसी प्रकार एक-दूसरे के साथ हाइड्रोजन बंध नहीं बना सकते।
दोनों अणुओं में ऑक्सीजन होता है और दोनों ध्रुवीय हैं। इसलिए दोनों लंदन प्रकीर्णन बलों के साथ-साथ द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण भी अनुभव करते हैं।
महत्वपूर्ण संरचनात्मक अंतर \(\ce{O-H}\) बंध है।
एथेनॉल में, ऑक्सीजन से सीधे जुड़ा हाइड्रोजन आंशिक धनात्मक आवेश रखता है। वह पड़ोसी एथेनॉल अणु के ऑक्सीजन पर मौजूद एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म के साथ प्रबल अंतःक्रिया कर सकता है।
डाइमेथिल ईथर में एक ऑक्सीजन परमाणु और उसके एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म होते हैं, इसलिए वह किसी उपयुक्त अणु से हाइड्रोजन बंध स्वीकार कर सकता है। हालांकि, उसमें कोई हाइड्रोजन सीधे ऑक्सीजन से बंधा नहीं होता। इसलिए शुद्ध नमूने में डाइमेथिल ईथर अणु एक-दूसरे को आवश्यक हाइड्रोजन-बंध दाता प्रदान नहीं कर सकते।
क्योंकि दोनों यौगिकों के मोलर द्रव्यमान लगभग समान हैं, केवल आणविक आकार \(100^\circ\text{C}\) से अधिक के क्वथनांक अंतर को नहीं समझा सकता।
आकर्षक तर्क है, “दोनों में ऑक्सीजन है, इसलिए दोनों हाइड्रोजन बंध बनाते हैं।” केवल ऑक्सीजन परमाणु का उपस्थित होना पर्याप्त नहीं है। समान अणुओं के बीच प्रबल अंतराअणुक हाइड्रोजन बंधन के लिए किसी अणु में उपयुक्त रूप से बंधा हाइड्रोजन और एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म वाला विद्युतऋणात्मक परमाणु, दोनों आवश्यक होते हैं।
प्रश्न 4
निम्नलिखित प्रायोगिक आँकड़ों पर विचार कीजिए।
| पदार्थ | मुख्य संरचनात्मक विशेषता | क्वथनांक |
|---|---|---|
| ब्यूटान-1-ऑल | चार-कार्बन शृंखला और एक \(\ce{-OH}\) समूह | \(118^\circ\text{C}\) |
| एथॉक्सीएथेन | चार कार्बन और एक ईथर ऑक्सीजन, लेकिन कोई \(\ce{O-H}\) बंध नहीं | \(35^\circ\text{C}\) |
| पेंटेन | पाँच-कार्बन हाइड्रोकार्बन | \(36^\circ\text{C}\) |
एक विद्यार्थी तर्क देता है:
एथॉक्सीएथेन ध्रुवीय है, जबकि पेंटेन अध्रुवीय है। इसलिए एथॉक्सीएथेन का क्वथनांक पेंटेन से बहुत अधिक होना चाहिए।
समझाइए कि आँकड़े इस तर्क का समर्थन क्यों नहीं करते, और फिर तीनों क्वथनांकों की व्याख्या कीजिए।
समाधान 4
विद्यार्थी का नियम अधूरा है: केवल उपस्थित अंतराअणुक बल का प्रकार क्वथनांक निर्धारित नहीं करता, और मापे गए आँकड़े दिखाते हैं कि एथॉक्सीएथेन के ध्रुवीय होने के बावजूद एथॉक्सीएथेन और पेंटेन के क्वथनांक बहुत समान हैं।
ब्यूटान-1-ऑल का क्वथनांक सबसे अधिक है क्योंकि वह अपने \(\ce{-OH}\) समूह के माध्यम से अंतराअणुक हाइड्रोजन बंध बना सकता है। वह द्विध्रुव-द्विध्रुव और लंदन प्रकीर्णन आकर्षण भी अनुभव करता है। इसलिए उसके अणुओं को अलग करने के लिए काफी ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
एथॉक्सीएथेन ध्रुवीय है, इसलिए वह लंदन प्रकीर्णन बलों के साथ-साथ द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण भी अनुभव करता है। हालांकि, उसमें कोई \(\ce{O-H}\) बंध नहीं है और वह शुद्ध नमूने में हाइड्रोजन-बंधित जाल नहीं बना सकता।
पेंटेन अध्रुवीय है, इसलिए उसके अंतराअणुक आकर्षणों को लंदन प्रकीर्णन बलों के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। हालांकि, पेंटेन पाँच कार्बन परमाणुओं वाला पर्याप्त रूप से बड़ा अणु है। उसका इलेक्ट्रॉन बादल काफी ध्रुवणीय है, और उसके लंदन प्रकीर्णन आकर्षण महत्वपूर्ण हैं।
मुख्य अवलोकन है:
\[ 35^\circ\text{C}\approx36^\circ\text{C} \]
इसलिए एथॉक्सीएथेन में अतिरिक्त द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण उसे पेंटेन की तुलना में क्वथनांक में कोई बड़ा लाभ नहीं देता। आणविक आकार, आकृति, इलेक्ट्रॉन बादल की ध्रुवणीयता और सभी अंतराअणुक आकर्षणों पर एक साथ विचार करना आवश्यक है।
आकर्षक रास्ता यह है कि “हाइड्रोजन बंधन \(>\) द्विध्रुव-द्विध्रुव \(>\) प्रकीर्णन” जैसी सीढ़ी याद कर ली जाए और उसका उपयोग स्वचालित क्वथनांक क्रम के रूप में किया जाए। यह सीढ़ी तुलनीय परिस्थितियों में अंतःक्रियाओं की सामान्य प्रबलता का वर्णन करती है। इसका यह अर्थ नहीं है कि आकार और आकृति की परवाह किए बिना प्रत्येक ध्रुवीय अणु का क्वथनांक प्रत्येक अध्रुवीय अणु से अधिक ही होगा।
प्रश्न 5
जैसे-जैसे किसी सीधी शृंखला वाले एकहाइड्रॉक्सिल अल्कोहल की शृंखला लंबी होती है, उसका क्वथनांक सामान्यतः बढ़ता है, जबकि जल में उसकी विलेयता सामान्यतः घटती है।
एक विद्यार्थी कहता है कि ये अवलोकन एक-दूसरे का विरोध करते हैं:
लंबी शृंखला वाले अल्कोहल में अधिक प्रबल अंतराअणुक बल होने चाहिए क्योंकि उसका क्वथनांक अधिक है। यदि उसके अंतराअणुक बल अधिक प्रबल हैं, तो जल को भी उसे अधिक प्रबलता से आकर्षित करना चाहिए, इसलिए उसकी विलेयता बढ़नी चाहिए।
उबलने और घुलने, दोनों प्रक्रियाओं के दौरान जिन अंतःक्रियाओं को तोड़ना और बनाना पड़ता है, उनका क्रमवार विश्लेषण करके इस तर्क का मूल्यांकन कीजिए। फिर अनुमान लगाइए कि चार-कार्बन वाले अल्कोहल में दूसरा \(\ce{-OH}\) समूह जोड़ने से उसके क्वथनांक और जल में विलेयता पर क्या प्रभाव पड़ने की अपेक्षा होगी, यह मानते हुए कि कार्बन कंकाल अन्यथा समान है।
समाधान 5
इसमें कोई विरोधाभास नहीं है: शृंखला की लंबाई बढ़ने से अल्कोहल-अल्कोहल प्रकीर्णन आकर्षण प्रबल होते हैं और क्वथनांक बढ़ता है, जबकि उसी समय एक \(\ce{-OH}\) समूह पूरे अणु की जल के साथ अंतःक्रिया पर कम प्रभावी प्रभुत्व रख पाता है। दूसरा \(\ce{-OH}\) समूह जोड़ने से सामान्यतः क्वथनांक बढ़ेगा और जल में विलेयता भी बढ़ेगी।
उबलने के लिए, शुद्ध अल्कोहल से शुरुआत कीजिए।
द्रव में अल्कोहल अणु निम्नलिखित के माध्यम से एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं:
- हाइड्रोजन बंधन,
- द्विध्रुव-द्विध्रुव आकर्षण, और
- लंदन प्रकीर्णन बल।
जैसे-जैसे कार्बन शृंखला लंबी होती है, इलेक्ट्रॉनों की संख्या और ध्रुवणीय इलेक्ट्रॉन बादल का आकार बढ़ता है। इसलिए अल्कोहल-अल्कोहल लंदन प्रकीर्णन आकर्षण अधिक प्रबल हो जाते हैं।
द्रव को वाष्पीकृत करने के लिए इन अंतराअणुक आकर्षणों पर काबू पाना आवश्यक है। यही बढ़ते क्वथनांक की व्याख्या करता है।
जल में घुलना एक अलग परिवर्तन है।
शुरुआत में मौजूद होते हैं:
- अल्कोहल में अल्कोहल-अल्कोहल अंतःक्रियाएँ, और
- जल में प्रबल जल-जल हाइड्रोजन बंध।
मिश्रण होने के लिए, इनमें से कुछ अंतःक्रियाओं को बाधित करके उनकी जगह अल्कोहल-जल अंतःक्रियाएँ बनानी पड़ती हैं।
अल्कोहल का \(\ce{-OH}\) समूह जल के साथ अनुकूल हाइड्रोजन बंध बना सकता है। हालांकि, बढ़ती हाइड्रोकार्बन शृंखला समान प्रकार के हाइड्रोजन बंध नहीं बना सकती। जैसे-जैसे कार्बन शृंखला बड़ी होती जाती है और अणु में केवल एक \(\ce{-OH}\) समूह बना रहता है, अध्रुवीय भाग अधिक महत्वपूर्ण होता जाता है।
इसलिए परिणाम है:
\[ \text{लंबी कार्बन शृंखला} \rightarrow \begin{cases} \text{कुल मिलाकर अधिक प्रबल अल्कोहल-अल्कोहल आकर्षण} \\ \text{अधिक क्वथनांक} \\ \text{जल के साथ कम सापेक्ष संगतता} \\ \text{जल में कम विलेयता} \end{cases} \]
विद्यार्थी की गलती “अंतराअणुक बलों” को एक ही सार्वभौमिक मात्रा मानना है। क्वथन मुख्यतः इस बात पर निर्भर करता है कि शुद्ध द्रव के अणुओं को अलग करना कितना कठिन है। विलेयता इस बात पर निर्भर करती है कि असमान कणों के बीच बनने वाली अंतःक्रियाएँ मिश्रण से पहले उपस्थित अंतःक्रियाओं की तुलना में पर्याप्त रूप से अनुकूल हैं या नहीं।
अब समान चार-कार्बन कंकाल में दूसरा \(\ce{-OH}\) समूह जोड़िए।
अणु को हाइड्रोजन बंध बनाने में सक्षम एक अतिरिक्त स्थान मिल जाता है। शुद्ध नमूने में इससे अधिक प्रबल और अधिक विस्तृत अंतराअणुक हाइड्रोजन बंधन संभव होता है, इसलिए वाष्पीकरण के लिए सामान्यतः अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होगी। इसलिए उसका क्वथनांक बढ़ना चाहिए।
जल में, अतिरिक्त \(\ce{-OH}\) समूह एक और अत्यधिक ध्रुवीय क्षेत्र प्रदान करता है जो जल के साथ हाइड्रोजन बंध बना सकता है। उसी चार-कार्बन कंकाल की तुलना में ध्रुवीय योगदान अब काफी अधिक है, इसलिए जल में विलेयता भी बढ़नी चाहिए।
यही उपयोगी निर्णायक अंतर है: कार्बन शृंखला को बदलना और \(\ce{-OH}\) समूहों की संख्या बदलना अलग-अलग प्रभाव डालते हैं। लंबी कार्बन शृंखला प्रकीर्णन बलों को प्रबल बनाती है और एक अकेले ध्रुवीय समूह को अनुपातिक रूप से कम महत्वपूर्ण बना देती है। इसके विपरीत, एक और \(\ce{-OH}\) समूह जोड़ने से अणु की हाइड्रोजन बंध बनाने की क्षमता बढ़ती है।
यह अंतर तब महत्वपूर्ण हो जाता है जब आप साधारण भौतिक-गुण रुझानों से आगे बढ़कर अल्कोहल समावयवियों, बहुहाइड्रॉक्सिल यौगिकों और कई अलग-अलग क्रियात्मक समूहों वाले कार्बनिक अणुओं के व्यवहार का अनुमान लगाते हैं।