NCERT सारांश: रसायन विज्ञान - 2 का सारांश | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

रासायनिक बंधन

• अणु तीन छोटे कणों से बने होते हैं जिन्हें प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और इलेक्ट्रॉन कहा जाता है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन अणु के नाभिक में पाए जाते हैं। प्रोटॉन का एक सकारात्मक चार्ज होता है। इसे अणु का परमाणु संख्या कहा जाता है। परमाणु संख्या हमें बताती है कि अणु में कितने इलेक्ट्रॉन हैं। यही इलेक्ट्रॉन अणु की रासायनिक गुणों को निर्धारित करते हैं और यह बताते हैं कि अणु अन्य अणुओं के साथ मिलकर विशेष यौगिक कैसे बनाता है। इलेक्ट्रॉन में एक नकारात्मक चार्ज होता है। सामान्यतः, अणु विद्युत रूप से तटस्थ होते हैं, इसलिए इलेक्ट्रॉनों की संख्या प्रोटॉनों की संख्या के समान होती है।
• इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर परिक्रमा करते हैं। इलेक्ट्रॉन किसी भी कक्षा में नाभिक के चारों ओर परिक्रमा नहीं कर सकते। इलेक्ट्रॉन को विशिष्ट पथों पर सीमित किया गया है जिन्हें ऑर्बिटल या शेल कहा जाता है। प्रत्येक शेल केवल एक निश्चित संख्या में इलेक्ट्रॉनों को ही रख सकता है। जब एक शेल पूर्ण हो जाता है, तो उस शेल में और इलेक्ट्रॉन नहीं जा सकते। अणुओं की विशेषताओं का मूल तत्व बाहरी शेल में उपस्थित इलेक्ट्रॉन हैं। इलेक्ट्रॉनों का पूरा बाहरी शेल अणु के लिए एक बहुत स्थिर स्थिति है।
• वैलेन्सी: हाइड्रोजन सबसे सरल तत्व है। इसके पास एक इलेक्ट्रॉन है। इसका बाहरी शेल केवल दो इलेक्ट्रॉन रखता है। वैलेन्सी को सरलता से परिभाषित किया जा सकता है कि एक तत्व कितने हाइड्रोजन अणुओं के साथ मिल सकता है। पूर्ण इलेक्ट्रॉन शेल वाले अणु (हीलियम, नीयन, आर्गन) रासायनिक रूप से निष्क्रिय होते हैं और कम यौगिक बनाते हैं। ये अणु एक-दूसरे के साथ बहुत अधिक इंटरैक्ट नहीं करते। ये तत्व गैसें हैं जिनका उबलने का तापमान बहुत कम होता है। एक बाहरी इलेक्ट्रॉन या एक गायब इलेक्ट्रॉन वाले अणु सभी अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं। सोडियम मैग्नीशियम से अधिक प्रतिक्रियाशील है। क्लोरीन ऑक्सीजन से अधिक प्रतिक्रियाशील है। सामान्यतः, जितना निकट एक अणु पूर्ण इलेक्ट्रॉन शेल के होने के करीब होता है, उतना अधिक प्रतिक्रियाशील होता है। एक बाहरी इलेक्ट्रॉन वाले अणु दो बाहरी इलेक्ट्रॉनों वाले अणुओं की तुलना में अधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं, आदि। एक पूर्ण शेल के लिए एक इलेक्ट्रॉन की कमी वाले अणु उन अणुओं की तुलना में अधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं जो दो की कमी रखते हैं।
• रासायनिक बंधन वे होते हैं जो अणुओं को एक साथ रखते हैं ताकि हम उन्हें अणु और विस्तारित ठोस के रूप में जान सकें। बंधित अणुओं को एक साथ रखने वाली शक्तियाँ मूल रूप से वही प्रकार की इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण होती हैं जो अणु के इलेक्ट्रॉनों को उसके सकारात्मक चार्ज वाले नाभिक से बांधती हैं। रासायनिक बंधन तब होता है जब एक या अधिक इलेक्ट्रॉन एक साथ दो नाभिकों की ओर आकर्षित होते हैं।

मुख्य रूप से रासायनिक यौगिकों में 3 प्रकार के बंधन हो सकते हैं:

• 1. इलेक्ट्रोवैलेंट या आयनिक बंधन: यह 2 अणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों के स्थानांतरण द्वारा बनता है। ये प्रकार के बंधन मुख्यतः धातुओं और अधातुओं के बीच बनते हैं। ये यौगिक ठोस रूप में होते हैं और इनमें उच्च उबलन बिंदु, पिघलने का बिंदु और तापीय स्थिरता होती है।
• 2. कोवैलेन्ट बंधन: यह 2 अणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों का समान रूप से साझा करने से बनता है। यह प्रकार का बंधन मुख्यतः अधातुओं के बीच बनता है। ये यौगिक ठोस, तरल या गैस हो सकते हैं और इनमें आयनिक बंधन की तुलना में निम्न उबलन बिंदु, पिघलने का बिंदु और तापीय स्थिरता होती है।
• 3. को-ऑर्डिनेट या डेटिव बंधन: यह 2 अणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों के असमान साझा करने से बनता है। इस बंधन को सेमी-पोलर बंधन भी कहा जाता है क्योंकि इसमें इलेक्ट्रोवैलेंसी और कोवैलेन्स दोनों शामिल होते हैं। ये यौगिक ठोस, तरल या गैस हो सकते हैं। ये यौगिक H2O में अघुलनशील होते हैं, बिजली का संचालन नहीं करते हैं और इनका उबलन बिंदु कोवैलेन्ट यौगिकों से अधिक होता है लेकिन आयनिक यौगिकों से कम होता है।

रासायनिक अभिक्रियाएँ और समीकरण

• परमाणु और अणु, तत्व और यौगिक: ब्रह्मांड में लगभग एक सौ विभिन्न प्रकार के परमाणु होते हैं। एक ही प्रकार के परमाणु से बने पदार्थों को तत्व कहा जाता है। कुछ तत्व एकल परमाणुओं से बने होते हैं: कार्बन (C), हीलियम (He), सोडियम (Na), लोहा (Fe) आदि। He, Fe, और Na तत्वों के रासायनिक प्रतीक हैं। कुछ तत्व परमाणुओं के समूहों से बने होते हैं: ऑक्सीजन (O2), ओज़ोन (O3), क्लोरीन (Cl2) आदि। इन परमाणुओं के समूहों को अणु कहा जाता है। अणु विभिन्न प्रकार के परमाणुओं के संयोजनों से भी बने हो सकते हैं। इन पदार्थों को यौगिक कहा जाता है: सामान्य नमक (NaCl), मीथेन (CH4), अमोनिया (NH3) आदि। O2, CH4, NH3 क्रमशः ऑक्सीजन, मीथेन और अमोनिया के रासायनिक सूत्र हैं। CH4 का अर्थ है कि मीथेन का एक अणु एक कार्बन परमाणु और चार हाइड्रोजन परमाणुओं को शामिल करता है। इस रासायनिक सूत्र को C1H4 के रूप में नहीं लिखा जाता है। इसी तरह, अमोनिया (NH3) का एक अणु एक नाइट्रोजन परमाणु और तीन हाइड्रोजन परमाणुओं को शामिल करता है।
• एक परिवर्तन जिसमें एक या अधिक नए पदार्थ बनते हैं, उसे रासायनिक परिवर्तन कहा जाता है। रासायनिक परिवर्तन को रासायनिक अभिक्रिया भी कहा जाता है। इस परिवर्तन को रासायनिक समीकरण द्वारा दर्शाया जा सकता है।
• रासायनिक अभिक्रियाएँ तब होती हैं जब विभिन्न परमाणु और अणु एक साथ मिलते हैं और अलग होते हैं। उदाहरण के लिए, यदि कार्बन (C) को ऑक्सीजन (O2) में जलाया जाता है, तो कार्बन डाइऑक्साइड बनती है, यह एक रासायनिक अभिक्रिया होती है। इस अभिक्रिया को इस प्रकार लिखा जा सकता है: C + O2 → CO2। इसे रासायनिक समीकरण कहा जाता है। समीकरण के बाएँ हाथ की तरफ के पदार्थों को प्रतिक्रियाकर्ता कहा जाता है। दाएँ हाथ की तरफ के पदार्थों को उत्पाद कहा जाता है।
• रासायनिक समीकरण के साथ एक बहुत महत्वपूर्ण नियम है: समीकरण के प्रत्येक पक्ष पर व्यक्तिगत परमाणुओं की संख्या समान होनी चाहिए। बाएँ हाथ की तरफ एक कार्बन परमाणु और एक ऑक्सीजन अणु (जो दो परमाणुओं को शामिल करता है) है। दाएँ हाथ की तरफ एक कार्बन डाइऑक्साइड का अणु है (जो एक कार्बन परमाणु और दो ऑक्सीजन परमाणुओं को शामिल करता है)। बाएँ हाथ की तरफ के परमाणुओं की संख्या दाएँ हाथ की तरफ के परमाणुओं की संख्या के बराबर है। केवल परमाणुओं की व्यवस्था में बदलाव आया है। रासायनिक अभिक्रिया में परमाणुओं का पुनर्व्यवस्थित किया जाता है; कोई परमाणु नष्ट या उत्पन्न नहीं होता।
• हाइड्रोजन गैस को ऑक्सीजन गैस के साथ मिलाया जाता है। यदि मिश्रण में चिंगारी दी जाती है, तो यह पानी बनाने के लिए विस्फोट करता है। इस रासायनिक अभिक्रिया को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है: H2 + O2 → H2O। बाएँ हाथ की तरफ, एक हाइड्रोजन का अणु (जो दो परमाणुओं को शामिल करता है) है और एक ऑक्सीजन का अणु (जो भी दो परमाणुओं को शामिल करता है)। दाएँ हाथ की तरफ एक पानी का अणु है (जो दो हाइड्रोजन परमाणुओं और एक ऑक्सीजन परमाणु को शामिल करता है)। बाएँ हाथ की तरफ एक अतिरिक्त ऑक्सीजन परमाणु है। यह पदार्थ के संरक्षण के नियम द्वारा अनुमति नहीं है। दोनों पक्षों में समान संख्या में परमाणु होने चाहिए। समीकरण को संगत बनाने के लिए, हमें समीकरण को संतुलित करना होगा। प्रतिक्रियाकर्ता या उत्पादों के रासायनिक सूत्रों को बदलना संभव नहीं है। पानी हमेशा H2O होगा। समीकरण को संतुलित करने के लिए, शामिल अणुओं की संख्या को बदला जाता है। उपरोक्त समीकरण का संतुलित रूप है: 2H2 + O2 → 2H2O। अब, बाएँ हाथ की तरफ, दो हाइड्रोजन के अणु हैं (हर एक में दो परमाणु हैं, कुल मिलाकर चार परमाणु) और एक ऑक्सीजन का अणु (जो दो परमाणु शामिल करता है)। दाएँ हाथ की तरफ, दो पानी के अणु हैं (हर एक में दो हाइड्रोजन परमाणु और एक ऑक्सीजन परमाणु, कुल मिलाकर चार हाइड्रोजन और दो ऑक्सीजन परमाणु)। समीकरण अब संतुलित है। संक्षेप में, जब हाइड्रोजन ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करता है, तो दो हाइड्रोजन के अणु एक ऑक्सीजन के अणु के साथ अभिक्रिया करते हैं और दो पानी के अणु देते हैं।
• अभिक्रिया दोनों दिशाओं में होती है। जब नाइट्रोजन और हाइड्रोजन अमोनिया बनाने के लिए मिलते हैं, तो अमोनिया हाइड्रोजन और नाइट्रोजन बनाने के लिए विभाजित होता है। इन तीनों पदार्थों का मिश्रण बनता है। इस प्रकार की अभिक्रिया को संतुलन कहा जाता है और इसे दोनों दिशाओं में जाती हुई तीरों द्वारा दर्शाया जाता है: N2 + 3H2 ↔ 2NH3।
• अभिक्रिया को एक दिशा में धकेलना संभव है जब एक उत्तेजक जोड़ा जाए। उत्तेजक एक ऐसा पदार्थ है जो बिना उपयोग किए एक अभिक्रिया में सहायता करता है। यदि अमोनिया को संतुलन मिश्रण से हटा दिया जाता है, तो अभिक्रिया अधिक अमोनिया उत्पन्न करने के लिए आगे बढ़ेगी ताकि संतुलन प्राप्त किया जा सके।
• एक रासायनिक अभिक्रिया में उत्पादों में उपस्थित तत्वों का कुल द्रव्यमान प्रतिक्रियाकर्ताओं में उपस्थित तत्वों के कुल द्रव्यमान के बराबर होना चाहिए। दूसरे शब्दों में, प्रत्येक तत्व के परमाणुओं की संख्या रासायनिक अभिक्रिया से पहले और बाद में समान रहती है।
• एक रासायनिक अभिक्रिया के दौरान एक तत्व के परमाणु दूसरे तत्व के परमाणुओं में नहीं बदलते। न ही मिश्रण से परमाणु गायब होते हैं या कहीं और से प्रकट होते हैं। वास्तव में, रासायनिक अभिक्रियाएँ परमाणुओं के बीच बंधनों को तोड़ने और बनाने में शामिल होती हैं ताकि नए पदार्थ उत्पन्न हो सकें।
• एक संयोजन अभिक्रिया में दो या दो से अधिक पदार्थ मिलकर एक नया एकल पदार्थ बनाते हैं।
• विघटन अभिक्रियाएँ संयोजन अभिक्रियाओं के विपरीत होती हैं। एक विघटन अभिक्रिया में, एक एकल पदार्थ दो या दो से अधिक पदार्थों में विघटित होता है।
• उन अभिक्रियाओं में जिनमें उत्पादों के साथ गर्मी निकलती है, उन्हें उष्माक्षेपी अभिक्रियाएँ कहा जाता है।
• जिन अभिक्रियाओं में ऊर्जा अवशोषित की जाती है, उन्हें उष्माग्राही अभिक्रियाएँ कहा जाता है।
• जब एक तत्व अपने यौगिक से दूसरे तत्व को विस्थापित करता है, तो विस्थापन अभिक्रिया होती है।
• दो विभिन्न परमाणुओं या परमाणुओं के समूहों (आयन) का आदान-प्रदान दोहरी विस्थापन अभिक्रियाओं में होता है।
• गंदगी अभिक्रियाएँ अवघुलनशील लवण उत्पन्न करती हैं।
• अभिक्रियाएँ पदार्थों द्वारा ऑक्सीजन या हाइड्रोजन के लाभ या हानि को भी शामिल करती हैं। ऑक्सीडेशन ऑक्सीजन के लाभ या हाइड्रोजन के हानि है। रिडक्शन ऑक्सीजन के हानि या हाइड्रोजन के लाभ है। जो पदार्थ ऑक्सीडेशन करता है और स्वयं रिड्यूस होता है, उसे ऑक्सीडाइजिंग एजेंट कहा जाता है और जो पदार्थ रिडक्शन करता है और स्वयं ऑक्सीडाइज होता है, उसे रिड्यूसिंग एजेंट कहा जाता है। कई ऑक्सीडेशन रिडक्शन अभिक्रियाएँ औद्योगिक उपयोग में आती हैं। धातुओं का उनके अयस्कों से उत्पादन इन दोनों प्रक्रियाओं को अनिवार्य रूप से शामिल करता है।

पदार्थ और इसकी प्रकृति

A. पदार्थ और इसकी प्रकृति

• I. ठोस
• II. तरल
• III. गैस

ठोस की एक निश्चित आकृति, स्पष्ट सीमाएँ और निश्चित आयतन होता है। ठोस बाहरी बलों के अधीन अपनी आकृति बनाए रखने की प्रवृत्ति रखते हैं। ठोस बल के तहत टूट सकते हैं लेकिन उनकी आकृति को बदलना मुश्किल होता है, इसलिए वे कठोर होते हैं।

तरल की कोई निश्चित आकृति नहीं होती लेकिन इसका एक निश्चित आयतन होता है। वे जिस कंटेनर में रखे जाते हैं, उसकी आकृति धारण करते हैं। तरल बहते हैं और आकृति बदलते हैं, इसलिए वे कठोर नहीं होते बल्कि उन्हें तरल कहा जा सकता है।

गैस की कोई निश्चित आकृति या आयतन नहीं होता। गैसें ठोस और तरल की तुलना में अत्यधिक संकुचनशील होती हैं। घरेलू खाना पकाने के लिए हमें जो लिक्विफाइड पेट्रोलियम गैस (LPG) का सिलेंडर मिलता है या अस्पतालों में सिलेंडरों में आपूर्ति की जाने वाली ऑक्सीजनcompressed gas है। कंप्रेस्ड नेचुरल गैस (CNG) इन दिनों वाहनों में ईंधन के रूप में उपयोग की जा रही है।

कणों के बीच के आकर्षण बल (inter-molecular force) ठोस में अधिकतम, तरल में मध्यवर्ती और गैसों में न्यूनतम होते हैं। ठोस के मामले में कणों के बीच का स्थान और कणों की गतिज ऊर्जा न्यूनतम होती है, तरल में मध्यवर्ती होती है और गैसों में अधिकतम होती है। कणों की व्यवस्था ठोस में सबसे व्यवस्थित होती है, तरल में कणों की परत एक-दूसरे पर सरक सकती है और गैसों के लिए कोई व्यवस्था नहीं होती, कण बस यादृच्छिक रूप से चलते हैं।

इन सभी भिन्नताओं के बावजूद, सभी प्रकार के पदार्थ में एक सामान्य विशेषता होती है, वह है द्रव्यमान की विशेषता। पदार्थ की अवस्थाएँ आपस में परिवर्तनीय होती हैं। पदार्थ की अवस्था को तापमान या दबाव बदलकर बदला जा सकता है।

जब ठोस का तापमान बढ़ाया जाता है, तो कणों की गतिज ऊर्जा बढ़ती है। गतिज ऊर्जा के बढ़ने के कारण, कण तेज गति से कंपन करने लगते हैं। ताप द्वारा प्रदान की गई ऊर्जा कणों के बीच के आकर्षण बलों को पार कर लेती है। कण अपनी निश्चित स्थिति छोड़ देते हैं और अधिक स्वतंत्र रूप से चलते हैं। एक ऐसा चरण आता है जब ठोस पिघलता है और तरल में परिवर्तित होता है। जिस तापमान पर ठोस पिघलकर तरल बनता है, उसे पिघलने का बिंदु कहा जाता है।

पिघलने की प्रक्रिया, अर्थात ठोस अवस्था से तरल अवस्था में परिवर्तन को फ्यूजन भी कहा जाता है। पिघलने के दौरान, प्रणाली का तापमान पिघलने के बिंदु तक पहुँचने के बाद नहीं बदलता है, जब तक कि सभी बर्फ नहीं पिघल जाती। यह तब होता है जब हम बीकर को गर्म करना जारी रखते हैं, अर्थात हम गर्मी प्रदान करते रहते हैं। यह गर्मी कणों के बीच के आकर्षण बलों को पार करके अवस्था को बदलने में उपयोग होती है। चूंकि यह गर्मी की ऊर्जा बर्फ द्वारा तापमान में किसी वृद्धि को दिखाए बिना अवशोषित होती है, इसे बीकर की सामग्री में छिपी हुई माना जाता है और इसे लेटेंट हीट कहा जाता है।

जिस मात्रा की गर्मी की ऊर्जा 1 किलोग्राम ठोस को उसके पिघलने के बिंदु पर वायुमंडलीय दबाव में तरल में बदलने के लिए आवश्यक होती है, उसे लेटेंट हीट ऑफ फ्यूजन कहा जाता है। जिस तापमान पर तरल वायुमंडलीय दबाव पर उबलना शुरू करता है, उसे उबलने का बिंदु कहा जाता है। लेटेंट हीट ऑफ वाष्पीकरण उस गर्मी की ऊर्जा है जो 1 किलोग्राम तरल को उसके उबलने के बिंदु पर वायुमंडलीय दबाव पर गैस में बदलने के लिए आवश्यक होती है।

सब्लिमेशन वह प्रक्रिया है जिसमें गैसीय अवस्था सीधे ठोस अवस्था में जाती है बिना तरल अवस्था के, और इसके विपरीत। वाष्पीकरण एक सतही घटना है। सतह से कणों को आकर्षण बलों को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त होती है और वे वाष्प अवस्था में बदल जाते हैं। वाष्पीकरण की दर उस क्षेत्रफल पर निर्भर करती है जो वातावरण के संपर्क में है, तापमान, आर्द्रता और हवा की गति। वाष्पीकरण ठंडक का कारण बनता है।

गर्मी के अवशोषण के साथ होने वाले परिवर्तनों को endothermic changes कहा जाता है, जबकि जो परिवर्तनों के साथ होते हैं जिनमें गर्मी का विकास होता है उन्हें exothermic changes कहा जाता है। उन प्रतिक्रियाओं को जो गर्मी को अवशोषित करती हैं, endothermic reactions कहा जाता है, जबकि वे रासायनिक प्रतिक्रियाएँ जो गर्मी का विकास करती हैं, उन्हें exothermic reactions कहा जाता है।

धातु के टुकड़े को कुछ समय के लिए खुली हवा में छोड़ने पर, यह एक भूरे रंग की पदार्थ की परत प्राप्त कर लेता है। इस पदार्थ को जंग कहा जाता है और इसे होने की प्रक्रिया को जंग लगना कहा जाता है। जंग लगने की प्रक्रिया को निम्नलिखित समीकरण द्वारा प्रदर्शित किया जा सकता है: Iron (Fe) + Oxygen (O₂, from the air) + water (H₂O) → rust (iron oxide- Fe₂O₃)। जंग के लिए ऑक्सीजन और पानी (या जल वाष्प) दोनों की उपस्थिति आवश्यक है। यह एक रासायनिक परिवर्तन है।

आयरन के लेखों को ऑक्सीजन या पानी, या दोनों के संपर्क में आने से रोकें। एक साधारण तरीका है कि उन पर पेंट या ग्रीस की परत लगाई जाए। एक अन्य तरीका यह है कि आयरन पर क्रोमियम या जिंक की परत जमा की जाए। इस प्रक्रिया को गैल्वनाइजेशन कहा जाता है।

स्टेनलेस स्टील को आयरन के साथ कार्बन और क्रोमियम, निकल और मैंगनीज जैसे धातुओं को मिलाकर बनाया जाता है। यह जंग नहीं लगाता।