4. द्रव्याचे मोजमाप

रासायनिक संयोगाचे नियम (Laws of Chemical Combination)

रासायनिक बदल होताना पदार्थांचे संघटन बदलते. ह्या संदर्भातील मूलभूत प्रयोग 18 व्या व 19 व्या शतकामधील शास्त्रज्ञांनी केले. हे करताना त्यांनी वापरलेल्या व तयार झालेल्या पदार्थांचे अचूक मोजमाप केले व रासायनिक संयोगाचे नियम शोधून काढले. डाल्टनचा अणुसिद्धांत व रासायनिक संयोगाचे नियम यांच्या आधारे वैज्ञानिकांनी विविध संयुगांची रेणुसूत्रे लिहिली. आपण येथे, ज्ञात रेणुसूत्रांच्या आधारे रासायनिक संयोगाचे नियम पडताळून पाहणार आहोत.

द्रव्य अक्षय्यतेचा नियम (Law of Conservation of Matter)

वरील कृतीमध्ये मूळ द्रव्याचेवस्तुमान व रासायनिक बदलानेतयार झालेल्या द्रव्याचेवस्तुमान सारखेच भरते. 1785 मध्ये आनत्वान लॅव्हाझिए(Antoine Lavoisier) या फ्रेंच शास्त्रज्ञानेसंशोधनातून असा निष्कर्ष काढला, की ‘रासायनिक अभिक्रियाहाेत असतानाद्रव्याच्या वस्तुमानात वाढ किंवा घटहोत नाही.’ रासायनिक अभिक्रियेतील अभिक्रियाकारकांचे (Reactants) एकूण वस्तुमान व रासायनिक अभिक्रियेतून निर्माण होणाऱ्या उत्पादितांचे (Products) एकूण वस्तुमान हेसारखेच असते. यालाच द्रव्य अक्षय्यतेचा नियम असेम्हणतात.

स्थिर प्रमाणाचा नियम (Law of Constant Proportion)

फ्रेंच शास्त्रज्ञ प्रूस्ट (J. L. Proust) यांनी सन 1794 मध्ये स्थिर प्रमाणाचा नियम मांडला, ‘‘संयुगाच्या विविध नमुन्यांमधील घटक मूलद्रव्यांचे वस्तुमानी प्रमाण नेहमी स्थिर असते.’’उदा,पाण्यातील हायड्रोजन व ऑक्सिजनचे वस्तुमानी प्रमाण 1ः8 असते; म्हणजेच 1 ग्रॅम हायड्रोजन व 8 ग्रॅम ऑक्सिजन यांच्या रासायनिक संयोगाने9 ग्रॅम पाणी तयार होते. त्याचप्रमाणेकोणत्याही स्रोतापासून मिळालेल्या कार्बन डायऑक्साइड मधील कार्बन आणि ऑक्सिजनचे वस्तुमानी प्रमाण 3ः8 असते. म्हणजेच 44 ग्रॅम कार्बन डायऑक्साइडमध्ये 12 ग्रॅम कार्बन व 32 ग्रॅम आॅक्सिजन असतात.

अणू(Atom) : आकार, वस्तुमान, संयुजा (Size, Mass and Valency)

अणूच्या मध्यभागी केंद्रक असते व केंद्रकाबाहेरील भागात फिरणारे इलेक्ट्रॉन हे ऋण प्रभारित मूलकण असतात. केंद्रकामध्येधनप्रभारित प्रोटॉन व प्रभाररहित न्यूट्रॉन हे मूलकण असतात.

अणूचा आकार हा त्याच्या त्रिज्येवरून ठरतो. स्वतंत्र अणूमध्येअणूची त्रिज्या म्हणजे अणूचे केंद्रक व बाह्यतम कक्षा यातील अंतर होय. अणूची त्रिज्या ही नॅनोमीटरमध्येव्यक्त करतात.

अणूचे वस्तुमान (Mass of Atom)

अणूचे वस्तूमानत्याच्या केंद्रकात एकवटलेले असून ते त्यातील प्रोटॉन(p) व न्यूट्रॉन(n) मुळे असते.अणुकेंद्रकामध्ये असणाऱ्या प्रोटॉन व न्यूट्रॉनच्या एकत्रित संख्येला अणुवस्तुमानांक (Atomic Mass Number), A म्हणतात. प्रोटॉन व न्यूट्रॉन यांना एकत्रितपणे अणुकेंद्रातील मूलकण (Nucleons) असे संबोधतात.

अणूहा अतिशय सूक्ष्म असतो. मग त्याचे वस्तुमान कसे ठरवायचे? हा प्रश्न शास्त्रज्ञांनाही पडला होता. 19 व्या शतकातील वैज्ञानिकांना अणुवस्तुमान अचूकपणे मोजणे शक्य नसल्याने ‘अणूचे सापेक्ष वस्तुमान’ ही संकल्पना पुढे आली. अणूचे सापेक्ष वस्तुमान मोजण्यासाठीएका संदर्भ अणूची गरज होती.हायड्रोजनचा अणूसर्वात हलका असल्याने सुरुवातीच्या काळात हायड्रोजनची निवड संदर्भ अणूम्हणून झाली. ज्याच्या केंद्रकात केवळ एक प्रोटॉन आहे अशा हायड्रोजन अणूचे सापेक्ष वस्तुमान एक (1) असे स्वीकारण्यात आले. त्यामुळे सापेक्ष अणुवस्तुमानाचे मूल्य हे अणुवस्तुमानांइतकेA, झाले.

हायड्रोजनचे सापेक्ष अणुवस्तुमान एक (1) मांडल्यावर नायट्रोजन अणूचे वस्तूमान किती हे कसे ठरवायचे?

नायट्रोजनच्या एका अणूचे वस्तुमान हायड्रोजनच्या एका अणूच्या चौदा (14) पट असते म्हणून नायट्रोजन अणूचे सापेक्ष वस्तूमान हे 14 आहे. यानुसार विविध मूलद्रव्यांची सापेक्ष अणुवस्तुमाने ठरवली गेली आहेत. या मापनश्रेणीत अनेक मूलद्रव्यांची सापेक्ष अणुवस्तुमाने अपूर्णांकी आली. यामुळे काळाच्या ओघात इतर काही अणूंची संदर्भ अणूम्हणून निवड झाली. शेवटी 1961 मध्येकार्बन अणूची संदर्भ अणूम्हणून निवड झाली या पद्धतीत कार्बनच्या एका अणूचे सापेक्ष वस्तुमान 12 स्वीकारले गेले. कार्बन अणूच्या तुलनेत हायड्रोजनच्या एका अणूचे सापेक्ष वस्तुमान 12 ´ म्हणजेच 1 असे ठरते. अणूंच्या सापेक्ष वस्तुमानांच्या पट्टीवर एक प्रोटॉन व एक न्यूट्रॉन यांचे वस्तुमान अंदाजे एक असे असते.

आताच्या काळात अणूचेवस्तुमान प्रत्यक्ष मोजण्याच्या अधिक अचूक पद्धती विकसित झालेल्या आहेत, त्यामुळे अणुवस्तुमानासाठी सापेक्ष वस्तुमानाऐवजीएकीकृत वस्तुमान (Unified Mass)हेएकक स्वीकारलेआहे. याएककाला ‘डाल्टन’ असेम्हणतात. यासाठी u ही संज्ञा वापरतात.

मूलद्रव्यांच्या रासायनिक संज्ञा (Chemical symbols of Elements)

डाल्टननेमूलद्रव्यांना संज्ञा देण्यासाठी विशिष्ट अशा चिन्हांचा वापर केला होता. जसेहायड्रोजनसाठी € तर तांबेया मूलद्रव्यासाठी ©. आज आपण IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) नेठरविलेल्या संज्ञा वापरतो.ही अधिकृत नावेव संज्ञा असून जगभर वापरली जातात. सध्याची रासायनिक संज्ञा पद्धतीही बर्झिलिअसनेशोधलेल्या पद्‌धतीवर आधारित आहे. त्यानुसार मूलद्रव्याची संज्ञा ही त्याच्या नावातील पहिलेअक्षर किंवा पहिलेआणि दुसरे/ इतर विशिष्ट अक्षर अशी असते. दोन अक्षरांपैकी पहिलेअक्षर इंग्रजी मोठ्या लिपीत व दुसरेअक्षर लहान लिपीत लिहितात.

मूलद्रव्यांचे आणि संयुगांचे रेणू (Molecules of Elements and Compounds)

काही मूलद्रव्यांच्या अणूंना स्वतंत्र अस्तित्व असते, उदाहरणार्थ, हेलिअम, निऑन म्हणजेही मूलद्रव्ये एक-अणू- रेणूअवस्थेत असतात. काही वेळा, मूलद्रव्याच्या दोन किंवा अधिक अणूंच्या संयोगातून त्या मूलद्रव्याचे‘रेणू’ तयार होतात. अशी मूलद्रव्ये बहू-अणू-रेणूअवस्थेत असतात.उदाहरणार्थ, ऑक्सिजन,नायट्रोजनही मूलद्रव्ये द्वि-अणू-रेणू अवस्थेत O 2 , N 2 याप्रमाणेअसतात. जेव्हा वेगवेगळ्या मूलद्रव्यांचेअणूएकमेकांशी संयोग पावतात, तेव्हा संयुगाचेरेणू तयार होतात. म्हणजेच मूलद्रव्यांमधील रासायनिक आकर्षणामुळेसंयुगेतयार होतात.

रेणूवस्तुमान आणि मोलची संकल्पना (Molecular Mass and Mole Concept)

रेणुवस्तुमान

एखाद्या पदार्थाचेरेणुवस्तुमान म्हणजे त्याच्या एका रेणुमधील सर्व अणूंच्या अणुवस्तुमानांची बेरीज होय. (अणुवस्तुमानाप्रमाणेच रेणुवस्तुमानसुद्धा डाल्टन (u) याच एककात व्यक्त करतात.

मोल (Mole)

मूलद्रव्ये किंवा संयुगेजेव्हा रासायनिक अभिक्रियांमध्ये भाग घेतात तेव्हा त्यांच्या अणूव रेणूंमध्ये अभिक्रिया होत असते त्यामुळे त्यांच्या अणू-रेणूंची संख्या माहीत असावी लागते. मात्र रासायनिक अभिक्रिया करताना अणू-रेणू मोजण्यापेक्षा हाताळता येतील अशा राशी मोजून घेणेसोयीचेअसते. यासाठी ‘मोल’ ह्या संकल्पनेचा उपयोग होतो.

मोल ही पदार्थाची अशी राशी असतेकी जिचेग्रॅममधील वस्तुमान त्या पदार्थाच्या रेणुवस्तुमानाच्या डाल्टनमधील मूल्याएवढेच असते. जसेऑक्सिजनचेरेणुवस्तुमान 32 आहे. 32 ग्रॅम ऑक्सिजन म्हणजे1 मोल ऑक्सिजन होय. पाण्याचेरेणुवस्तुमान 18 आहे. त्यामुळे18 ग्रॅम पाणी म्हणजे1 मोल पाणी होय.

ॲव्हागॅड्रो अंक (Avogadro’s number)

कोणत्याही पदार्थाच्या एक मोल राशीमधील रेणूंची संख्या निश्चित असते. इटालीअन शास्त्रज्ञ अॅव्हागॅड्रो याने यासंदर्भात खूप मूलभ्ूत संशोधन केले.

संयुजा (Valency)

मूलद्रव्याच्या संयोग पावण्याच्या क्षमतेला संयुजा असे म्हणतात. मूलद्रव्यांची संयुजा ही विशिष्ट अंकाने दर्शवितात. हा अंक म्हणजे त्या मूलद्रव्याच्या एका अणूने इतर अणूंबरोबर केलेल्या रासायनिक बंधांची संख्या होय. 18 व्या व 19 व्या शतकांमध्येमूलद्रव्यांच्या संयुजा समजण्यासाठी रासायनिक संयोगाच्या नियमांचा उपयोग करत. 20 व्या शतकात मूलद्रव्याच्या संयुजेचा त्याच्या इलेक्ट्रॉन संरूपणाशी असलेला संबंध लक्षात आला.

अशा प्रकारे सोडिअम अणूची क्षमता एक इलेक्‍ट्राॅन देण्याची तर क्लोरिन अणूची क्षमता एक इलेक्‍ट्राॅन घेण्याची आहे. म्हणजेच सोडिअम व क्लोरिन दोन्ही मूलद्रव्यांची संयुजा 1 आहे.

आयनिक बंध निर्माण होताना मूलद्रव्यांचा अणूजितके इलेक्ट्रॉन देतो किंवा घेतो ती संख्या म्हणजे त्या मूलद्रव्याची संयुजा होय.

कार्य संस्थांचे : राष्ट्रीय रासायनिक प्रयोगशाळा, पुणे (National Chemical Laboratory) रसायनशास्त्राच्या विविध शाखामध्येसंशोधन करणे, उद्योगास मदत करणे व देशाच्या नैसर्गिक साधनसंपत्तीचा फायदेशीर वापर होण्याच्या दृष्टीने नवीन तंत्रज्ञानाचा विकास करणे या उद्देशाने CSIR चा घटक असलेल्या या प्रयोगशाळेची स्थापना 1950 साली झाली. जैवतंत्रज्ञान, नॅनोतंत्रज्ञान, कॅटॅलिसिस, औषधे , उपकरणे, कृषी रसायने, वनस्पती ऊतींचे संवर्धन व बहुवारिक विज्ञान(Polymer Science) अशा विविध उपशाखांमध्येसंशोधन या प्रयोगशाळेद्वारे होत.

परिवर्ती संयुजा : वेगवेगळ्या परिस्थितीत काही मूलद्रव्यांचे अणू वेगवेगळ्या संख्येने इलेक्ट्रॉनदेतात किंवा घेतात. अशावेळी ती मूलद्रव्ये ते एकापेक्षा जास्त संयुजा दाखवतात.

मूलके (Radicals)

आयनिक बंध असणाऱ्या संयुगांचेदोन घटक असतात तेम्हणजेकॅटायन (धनप्रभारित आयन) व अॅनायन (ऋणप्रभारित आयन). हेघटक स्‍वतंत्रपणेरासायनिक अभिक्रियांमध्‍ये भाग घेतात, त्‍यामुळे त्‍यांना मूलकेअसेम्हणतात. कॅटायनरूपी मूलकांची जोडी हायड्रॉक्‍साईड ह्या अॅनायनरूपी मूलकासोबत झाली की, विविध आम्‍लारी तयार होतात, जसेNaOH, KOH. त्‍यामुळेकॅटायनांना आम्लारिधर्मी मूलकेअसेही म्हणतात. विविध आम्‍लारींमधील फरक या मूलकामुळे स्‍पष्‍ट होतो. या उलट अॅनायनरूपी मूलकांची जोडी हायड्रोजन आयन ह्या कॅटायनरूपी मूलकाबरोबर झाली की विविध आम्‍ले तयार होतात, जसेHCl, HBr. त्‍यामुळेअॅनायनांना आम्‍लधर्मी मूलकेअसेही म्हणतात. विविध आम्‍लांच्‍या संघटनांतील फरक हा त्‍यांच्‍यातील आम्‍लधर्मी मूलकांमुळे स्‍पष्‍ट होतो.

सामान्‍यतः आम्लारिधर्मी मूलके धातूंच्‍या अणूंपासून इलेक्ट्रॉन काढल्यावर बनतात. जसे Na+ , Cu2+ परंतुयाला काही अपवाद आहेत, जसेNH 4 + तसेच, आम्‍लधर्मी मूलकेसामान्‍यतः अधातूंच्या अणूंमध्ये इलेक्ट्रॉन मिळवून बनतात जसेCl , S2- परंतुयाला काही अपवाद आहेत जसेMnO 4

एकच अणूअसलेली मूलके म्‍हणजेसाधी मूलकेहोत, जसे Na+ , Cu+ , Cl

जेव्‍हा एखादेमूलक म्‍हणजेप्रभारित असा अणूंचा गट असतो तेव्‍हा त्याला संयुक्‍त मूलक म्‍हणतात, जसे SO4 2- , NH4 + . मूलकांवरील प्रभाराचेजेमूल्‍य असतेतीच त्‍यांची संयुजा असते.

संयुगाची रासायनिक सूत्रे – एक पुनरावलोकन

आयनिक बंधानेतयार झालेल्‍या संयुगांचेवैशिष्ट्य म्‍हणजे त्‍यांच्‍या रेणूचेदोन भाग असतात व ते म्‍हणजेकॅटायन व अॅनायन म्‍हणजेच आम्‍लारिधर्मी मूलक व आम्‍लधर्मी मूलक.हेदोन भाग विरुद्ध प्रभारित असतात.त्याच्यातील आकर्षण बल म्हणजेच आयनिक बंध होय. आयनिक संयुगाच्या नावात दोन शब्‍द असतात. पहिला शब्‍द कॅटायनाचेनाव असते तर,दुसरा शब्‍द अॅनायनचेनाव असते. जसेसोडिअम क्‍लोराइड अशा संयुगाचेरासायनिक सूत्र लिहिताना कॅटायनाची संज्ञा डाव्‍या बाजूला तर त्‍याला जोडूनच उजव्‍या बाजूला अॅनायनांची संज्ञा लिहितात.

रेणुसूत्र लिहिताना आयनांवरील प्रभार दाखवत नाहीत मात्र त्‍या त्‍या आयनांची संख्‍या संज्ञेच्‍या उजव्‍या बाजूला पायाशी लिहितात. संयुक्त मूलकाची संख्या 2 किंवा जास्त असल्यास मूलकाची संज्ञा कंसात लिहून संख्या कंसाबाहेर उजवीकडेपायाशी लििहतात. संयुजांच्या तिरकस गुणाकार पद्धतीनेही संख्‍या मिळवणेसोपेजाते. उदा., सोडिअम सल्फेट या संयुगाचेरासायनिक सूत्र लिहिण्याच्या पायऱ्या पुढील पानावर आहेत.

कॅल्शिअम कार्बोनेट, सोडिअम बायकार्बोनेट, सिल्व्हर क्लोराइड, मॅग्नेशिअम ऑक्साइड, कॅल्शिअम हायड्रॉक्साइड, अमोनिअम फॉस्फेट, क्यूप्रस ब्रोमाइड, कॉपर सल्फेट, पोटॅशिअम नायट्रेट, सोडिअम डायक्रोमेट.