हमारे चारों ओर के सभी पिंड परमाणुओं से बने हैं। परमाणु, बदले में, एक अणु में इकट्ठा होते हैं। यह आणविक संरचना में अंतर के कारण है कि कोई उन पदार्थों के बारे में बात कर सकता है जो उनके गुणों और मापदंडों के आधार पर एक दूसरे से भिन्न होते हैं। अणु और परमाणु हमेशा गतिकी की स्थिति में होते हैं। चलते हुए, वे अभी भी अलग-अलग दिशाओं में बिखरते नहीं हैं, लेकिन एक निश्चित संरचना में होते हैं, जो हमारे चारों ओर पूरी दुनिया में इतनी बड़ी विविधता वाले पदार्थों के अस्तित्व के कारण होता है। ये कण क्या हैं और उनके गुण क्या हैं?
सामान्य अवधारणाएं
अगर हम क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांत से शुरू करें, तो अणु में परमाणु नहीं होते हैं, बल्कि उनके नाभिक और इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो लगातार एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं।
कुछ पदार्थों के लिए अणु सबसे छोटा कण होता है जिसमें पदार्थ की संरचना और रासायनिक गुण होते हैं। अत: रसायन की दृष्टि से अणुओं के गुण उसकी रासायनिक संरचना द्वारा निर्धारित होते हैं औरसंघटन। लेकिन केवल आणविक संरचना वाले पदार्थों के लिए, नियम काम करता है: पदार्थों और अणुओं के रासायनिक गुण समान होते हैं। कुछ पॉलिमर के लिए, जैसे एथिलीन और पॉलीइथाइलीन, संरचना आणविक संरचना से मेल नहीं खाती।
यह ज्ञात है कि अणुओं के गुण न केवल परमाणुओं की संख्या, उनके प्रकार, बल्कि विन्यास, कनेक्शन के क्रम से भी निर्धारित होते हैं। एक अणु एक जटिल वास्तुशिल्प संरचना है, जहां प्रत्येक तत्व अपने स्थान पर खड़ा होता है और उसके विशिष्ट पड़ोसी होते हैं। परमाणु संरचना कम या ज्यादा कठोर हो सकती है। प्रत्येक परमाणु अपनी संतुलन स्थिति के बारे में कंपन करता है।
कॉन्फ़िगरेशन और पैरामीटर
ऐसा होता है कि अणु के कुछ भाग दूसरे भागों के सापेक्ष घूमते हैं। तो, थर्मल गति की प्रक्रिया में, एक मुक्त अणु विचित्र आकार (विन्यास) लेता है।
मूल रूप से, अणुओं के गुण परमाणुओं और स्वयं अणु की वास्तुकला (संरचना, आकार) के बीच के बंधन (इसके प्रकार) से निर्धारित होते हैं। इस प्रकार, सबसे पहले, सामान्य रासायनिक सिद्धांत रासायनिक बंधनों पर विचार करता है और परमाणुओं के गुणों पर आधारित होता है।
एक मजबूत ध्रुवता के साथ, अणुओं के गुणों का वर्णन दो या तीन-स्थिर सहसंबंधों के साथ करना मुश्किल है, जो गैर-ध्रुवीय अणुओं के लिए उत्कृष्ट हैं। इसलिए, एक द्विध्रुवीय क्षण के साथ एक अतिरिक्त पैरामीटर पेश किया गया था। लेकिन यह विधि हमेशा सफल नहीं होती है, क्योंकि ध्रुवीय अणुओं में व्यक्तिगत विशेषताएं होती हैं। क्वांटम प्रभावों के लिए पैरामीटर्स का भी प्रस्ताव किया गया है, जो कम तापमान पर महत्वपूर्ण हैं।
पृथ्वी पर सबसे आम पदार्थ के अणु के बारे में हम क्या जानते हैं?
हमारे ग्रह पर सभी पदार्थों में सबसे आम पानी है। यह, शाब्दिक अर्थ में, पृथ्वी पर मौजूद हर चीज के लिए जीवन प्रदान करता है। इसके बिना केवल वायरस ही कर सकते हैं, उनकी संरचना में शेष जीवित संरचनाओं में अधिकांश भाग में पानी होता है। पानी के अणु के कौन से गुण, केवल इसकी विशेषता, मनुष्य के आर्थिक जीवन और पृथ्वी के वन्य जीवन में उपयोग किए जाते हैं?
आखिरकार, यह वास्तव में एक अनूठा पदार्थ है! कोई अन्य पदार्थ पानी में निहित गुणों के एक समूह का दावा नहीं कर सकता।
पानी प्रकृति में मुख्य विलायक है। जीवों में होने वाली सभी प्रतिक्रियाएं, एक तरह से या किसी अन्य, जलीय वातावरण में होती हैं। अर्थात् पदार्थ घुलित अवस्था में रहते हुए अभिक्रिया करते हैं।
पानी में उत्कृष्ट ताप क्षमता है, लेकिन कम तापीय चालकता है। इन गुणों के लिए धन्यवाद, हम इसे गर्मी परिवहन के रूप में उपयोग कर सकते हैं। यह सिद्धांत बड़ी संख्या में जीवों के शीतलन तंत्र में शामिल है। परमाणु ऊर्जा उद्योग में, पानी के अणु के गुणों ने शीतलक के रूप में इस पदार्थ के उपयोग को जन्म दिया। अन्य पदार्थों के लिए एक प्रतिक्रियाशील माध्यम होने की संभावना के अलावा, पानी स्वयं प्रतिक्रियाओं में प्रवेश कर सकता है: फोटोलिसिस, जलयोजन, और अन्य।
प्राकृतिक शुद्ध पानी एक गंधहीन, रंगहीन और स्वादहीन तरल होता है। लेकिन 2 मीटर से अधिक मोटी परत पर रंग नीला हो जाता है।
संपूर्ण जल अणु एक द्विध्रुव (दो विपरीत ध्रुव) है। यह द्विध्रुवीय संरचना हैमुख्य रूप से इस पदार्थ के असामान्य गुणों को निर्धारित करता है। जल का अणु एक हीरा चुम्बक है।
धातु के पानी का एक और दिलचस्प गुण है: इसका अणु सुनहरे अनुपात की संरचना प्राप्त करता है, और पदार्थ की संरचना सुनहरे खंड के अनुपात को प्राप्त करती है। गैस चरण में धारीदार स्पेक्ट्रा के अवशोषण और उत्सर्जन का विश्लेषण करके पानी के अणु के कई गुण स्थापित किए गए हैं।
विज्ञान और आणविक गुण
रासायनिक को छोड़कर सभी पदार्थों में अणुओं के भौतिक गुण होते हैं जो उनकी संरचना बनाते हैं।
भौतिक विज्ञान में, अणुओं की अवधारणा का उपयोग ठोस, तरल और गैसों के गुणों को समझाने के लिए किया जाता है। सभी पदार्थों के फैलने की क्षमता, उनकी चिपचिपाहट, तापीय चालकता और अन्य गुण अणुओं की गतिशीलता से निर्धारित होते हैं। जब फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी जीन पेरिन ब्राउनियन गति का अध्ययन कर रहे थे, तब उन्होंने प्रयोगात्मक रूप से अणुओं के अस्तित्व को सिद्ध किया। संरचना में सूक्ष्म रूप से संतुलित आंतरिक संपर्क के कारण सभी जीवित जीव मौजूद हैं। पदार्थों के सभी रासायनिक और भौतिक गुण प्राकृतिक विज्ञान के लिए मौलिक महत्व के हैं। भौतिकी, रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान और आणविक भौतिकी के विकास ने आणविक जीव विज्ञान जैसे विज्ञान को जन्म दिया, जो जीवन में बुनियादी घटनाओं का अध्ययन करता है।
सांख्यिकीय थर्मोडायनामिक्स का उपयोग करते हुए, अणुओं के भौतिक गुण, जो आणविक स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा निर्धारित होते हैं, भौतिक रसायन विज्ञान में रासायनिक संतुलन और इसकी स्थापना की दरों की गणना के लिए आवश्यक पदार्थों के थर्मोडायनामिक गुणों का निर्धारण करते हैं।
परमाणुओं और अणुओं के गुणों में क्या अंतर है?
सबसे पहले, परमाणु मुक्त अवस्था में नहीं होते हैं।
अणुओं में समृद्ध ऑप्टिकल स्पेक्ट्रा होता है। यह प्रणाली की कम समरूपता और नाभिक के नए घुमाव और दोलनों की संभावना के उद्भव के कारण है। एक अणु के लिए, कुल ऊर्जा में तीन ऊर्जाएँ होती हैं जो घटकों के परिमाण के क्रम में भिन्न होती हैं:
- इलेक्ट्रॉनिक खोल (ऑप्टिकल या पराबैंगनी विकिरण);
- नाभिक के कंपन (स्पेक्ट्रम का अवरक्त भाग);
- अणु का संपूर्ण घूर्णन (रेडियो आवृत्ति रेंज)।
परमाणु विशेषता रेखा स्पेक्ट्रा उत्सर्जित करते हैं, जबकि अणु धारीदार स्पेक्ट्रा उत्सर्जित करते हैं जिसमें कई निकट दूरी वाली रेखाएं होती हैं।
स्पेक्ट्रल विश्लेषण
एक अणु के ऑप्टिकल, विद्युत, चुंबकीय और अन्य गुण भी तरंग कार्यों के संबंध से निर्धारित होते हैं। अणुओं की स्थिति और उनके बीच संभावित संक्रमण पर डेटा आणविक स्पेक्ट्रा दिखाते हैं।
अणुओं में संक्रमण (इलेक्ट्रॉनिक) रासायनिक बंधन और उनके इलेक्ट्रॉन कोशों की संरचना को दर्शाता है। अधिक कनेक्शन वाले स्पेक्ट्रा में लंबी-तरंग दैर्ध्य अवशोषण बैंड होते हैं जो दृश्य क्षेत्र में आते हैं। यदि कोई पदार्थ ऐसे अणुओं से बनता है, तो उसका एक विशिष्ट रंग होता है। ये सभी ऑर्गेनिक रंग हैं।
एक ही पदार्थ के अणुओं के गुण एकत्रीकरण की सभी अवस्थाओं में समान होते हैं। इसका अर्थ है कि एक ही पदार्थ में द्रव, गैसीय पदार्थों के अणुओं के गुण ठोस के गुणों से भिन्न नहीं होते हैं। एक पदार्थ के अणु की संरचना हमेशा एक जैसी होती है, चाहेस्वयं पदार्थ की समग्र अवस्था।
विद्युत डेटा
किसी पदार्थ के विद्युत क्षेत्र में व्यवहार करने का तरीका अणुओं की विद्युत विशेषताओं द्वारा निर्धारित किया जाता है: ध्रुवीकरण और स्थायी द्विध्रुवीय क्षण।
द्विध्रुव आघूर्ण एक अणु की विद्युत विषमता है। जिन अणुओं में समरूपता का केंद्र होता है जैसे H2 उनके पास स्थायी द्विध्रुवीय क्षण नहीं होता है। एक विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में एक अणु के इलेक्ट्रॉन खोल की गति करने की क्षमता, जिसके परिणामस्वरूप एक प्रेरित द्विध्रुवीय क्षण बनता है, ध्रुवीकरण है। ध्रुवीकरण और द्विध्रुवीय क्षण के मूल्य को खोजने के लिए, पारगम्यता को मापना आवश्यक है।
एक वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र में एक प्रकाश तरंग का व्यवहार पदार्थ के ऑप्टिकल गुणों की विशेषता है, जो इस पदार्थ के एक अणु के ध्रुवीकरण से निर्धारित होता है। ध्रुवीकरण से सीधे संबंधित हैं: प्रकीर्णन, अपवर्तन, ऑप्टिकल गतिविधि और आणविक प्रकाशिकी की अन्य घटनाएं।
कोई भी अक्सर यह सवाल सुन सकता है: "अणुओं के अलावा, किसी पदार्थ के गुण किस पर निर्भर करते हैं?" इसका उत्तर बहुत आसान है।
पदार्थों के गुण, आइसोमेट्री और क्रिस्टल संरचना को छोड़कर, पर्यावरण के तापमान, स्वयं पदार्थ, दबाव, अशुद्धियों की उपस्थिति से निर्धारित होते हैं।
अणुओं का रसायन
क्वांटम यांत्रिकी के विज्ञान के बनने से पहले अणुओं में रासायनिक बंधों की प्रकृति एक अनसुलझा रहस्य था। शास्त्रीय भौतिकी दिशात्मकता की व्याख्या करती है औरसंयोजकता बांड की संतृप्ति नहीं कर सका। सरलतम H2 अणु के उदाहरण का उपयोग करके रासायनिक बंधन (1927) के बारे में बुनियादी सैद्धांतिक जानकारी के निर्माण के बाद, सिद्धांत और गणना विधियों में धीरे-धीरे सुधार होने लगा। उदाहरण के लिए, आणविक ऑर्बिटल्स, क्वांटम केमिस्ट्री की विधि के व्यापक उपयोग के आधार पर, अंतर-परमाणु दूरी, अणुओं और रासायनिक बंधों की ऊर्जा, इलेक्ट्रॉन घनत्व के वितरण और अन्य डेटा की गणना करना संभव हो गया जो पूरी तरह से प्रयोगात्मक डेटा से मेल खाते हैं।
समान संघटन, लेकिन विभिन्न रासायनिक संरचना और विभिन्न गुणों वाले पदार्थ संरचनात्मक समावयवी कहलाते हैं। उनके अलग-अलग संरचनात्मक सूत्र हैं, लेकिन एक ही आणविक सूत्र हैं।
विभिन्न प्रकार के संरचनात्मक समावयवता ज्ञात हैं। अंतर कार्बन कंकाल की संरचना, कार्यात्मक समूह की स्थिति या एकाधिक बंधन की स्थिति में निहित हैं। इसके अलावा, अभी भी स्थानिक आइसोमर्स हैं जिनमें किसी पदार्थ के अणु के गुणों को समान संरचना और रासायनिक संरचना की विशेषता होती है। इसलिए, संरचनात्मक और आणविक दोनों सूत्र समान हैं। अंतर अणु के स्थानिक आकार में निहित हैं। विभिन्न स्थानिक समावयवों का प्रतिनिधित्व करने के लिए विशेष सूत्रों का उपयोग किया जाता है।
ऐसे यौगिक होते हैं जिन्हें समरूप कहते हैं। वे संरचना और गुणों में समान हैं, लेकिन एक या अधिक CH2 समूहों द्वारा संरचना में भिन्न हैं। संरचना और गुणों में समान सभी पदार्थ समजातीय श्रेणी में संयोजित होते हैं। एक समरूपता के गुणों का अध्ययन करने के बाद, कोई भी उनमें से किसी अन्य के बारे में तर्क कर सकता है। समरूपों का समुच्चय एक समजातीय श्रंखला है।
पदार्थ की संरचना में परिवर्तन करते समयअणुओं के रासायनिक गुण नाटकीय रूप से बदलते हैं। यहां तक कि सबसे सरल यौगिक भी एक उदाहरण के रूप में कार्य करते हैं: मीथेन, जब एक ऑक्सीजन परमाणु के साथ संयुक्त होता है, तो मेथनॉल (मिथाइल अल्कोहल - CH3OH) नामक एक जहरीला तरल बन जाता है। तदनुसार, इसकी रासायनिक संपूरकता और जीवों पर प्रभाव भिन्न हो जाते हैं। जैव-अणुओं की संरचनाओं को संशोधित करते समय समान लेकिन अधिक जटिल परिवर्तन होते हैं।
रासायनिक आणविक गुण दृढ़ता से अणुओं की संरचना और गुणों पर निर्भर करते हैं: इसमें ऊर्जा बंधन और अणु की ज्यामिति पर ही। यह जैविक रूप से सक्रिय यौगिकों में विशेष रूप से सच है। कौन सी प्रतिस्पर्धी प्रतिक्रिया प्रमुख होगी, यह अक्सर केवल स्थानिक कारकों द्वारा निर्धारित किया जाता है, जो बदले में प्रारंभिक अणुओं (उनके विन्यास) पर निर्भर करता है। एक "असुविधाजनक" विन्यास वाला एक अणु बिल्कुल भी प्रतिक्रिया नहीं करेगा, जबकि दूसरा एक ही रासायनिक संरचना के साथ लेकिन एक अलग ज्यामिति तुरंत प्रतिक्रिया कर सकता है।
वृद्धि और प्रजनन के दौरान देखी गई बड़ी संख्या में जैविक प्रक्रियाएं प्रतिक्रिया उत्पादों और प्रारंभिक सामग्रियों के बीच ज्यामितीय संबंधों से जुड़ी होती हैं। आपकी जानकारी के लिए बता दे कि काफी संख्या में नई दवाओं की क्रिया एक यौगिक की समान आणविक संरचना पर आधारित होती है जो मानव शरीर के लिए जैविक दृष्टि से हानिकारक होती है. दवा हानिकारक अणु की जगह लेती है और कार्य करना मुश्किल बना देती है।
रासायनिक सूत्रों की सहायता से विभिन्न पदार्थों के अणुओं के संघटन और गुणों को व्यक्त किया जाता है। आणविक भार, रासायनिक विश्लेषण के आधार पर, परमाणु अनुपात स्थापित और संकलित किया जाता हैअनुभवजन्य सूत्र।
ज्यामिति
अणु की ज्यामितीय संरचना का निर्धारण परमाणु नाभिक की संतुलन व्यवस्था को ध्यान में रखकर किया जाता है। परमाणुओं की परस्पर क्रिया की ऊर्जा परमाणुओं के नाभिकों के बीच की दूरी पर निर्भर करती है। बहुत अधिक दूरी पर यह ऊर्जा शून्य होती है। जैसे ही परमाणु एक दूसरे के पास आते हैं, एक रासायनिक बंधन बनने लगता है। तब परमाणु एक दूसरे की ओर अत्यधिक आकर्षित होते हैं।
कमजोर आकर्षण हो तो रासायनिक बंधन बनना जरूरी नहीं है। यदि परमाणु निकट दूरी पर पहुंचना शुरू करते हैं, तो नाभिक के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण बल कार्य करना शुरू कर देते हैं। परमाणुओं के प्रबल अभिसरण में एक बाधा उनके आंतरिक इलेक्ट्रॉन कोशों की असंगति है।
आकार
नंगी आंखों से अणुओं को देखना असंभव है। वे इतने छोटे हैं कि 1000x आवर्धन वाला सूक्ष्मदर्शी भी हमें उन्हें देखने में सहायता नहीं करेगा। जीवविज्ञानी बैक्टीरिया को 0.001 मिमी जितना छोटा मानते हैं। लेकिन अणु सैकड़ों और हजारों गुना छोटे होते हैं।
आज, एक निश्चित पदार्थ के अणुओं की संरचना विवर्तन विधियों द्वारा निर्धारित की जाती है: न्यूट्रॉन विवर्तन, एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण। कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी और इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक विधि भी है। विधि का चुनाव पदार्थ के प्रकार और उसकी स्थिति पर निर्भर करता है।
इलेक्ट्रॉन शेल को ध्यान में रखते हुए अणु का आकार एक सशर्त मान है। बिंदु परमाणु नाभिक से इलेक्ट्रॉनों की दूरी है। वे जितने बड़े होंगे, अणु के इलेक्ट्रॉनों को खोजने की संभावना उतनी ही कम होगी। व्यवहार में, अणुओं का आकार संतुलन दूरी को ध्यान में रखकर निर्धारित किया जा सकता है।यह वह अंतराल है जिसके लिए अणु स्वयं एक दूसरे के पास आ सकते हैं जब एक आणविक क्रिस्टल और एक तरल में घनी रूप से पैक किया जाता है।
बड़ी दूरियों में आकर्षित करने के लिए अणु होते हैं, और छोटे वाले, इसके विपरीत, प्रतिकर्षण के लिए। इसलिए, आणविक क्रिस्टल का एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण अणु के आयामों को खोजने में मदद करता है। प्रसार गुणांक, तापीय चालकता और गैसों की चिपचिपाहट के साथ-साथ संघनित अवस्था में किसी पदार्थ के घनत्व का उपयोग करके, आणविक आकारों के परिमाण का क्रम निर्धारित किया जा सकता है।
