नोट्स
अभ्यासघटक :
|
द्रव्य : द्रव्य हे लहान कणांचे बनलेले असते.
अणू : सर्व भौतिक व रासायनिक बदलांमध्ये आपली रासायनिक ओळख कायम राखणारा मूलद्रव्याचा लहानात लहान कण म्हणजे अणू होय. अणू हे द्रव्याचे सर्वांत लहान एकक आहे.
डाल्टनचा अणुसिद्धांत :
- डाल्टनच्या अणुसिद्धांतानुसार द्रव्य हे अणूंचे बनलेले असते व अणू हे अविभाजनीय व अनाशवंत असतात.
- एका मूलद्रव्याचे सर्व अणू एकसमान असतात, तर भिन्न मूलद्रव्यांचे अणू भिन्न असतात व त्यांचे वस्तुमान भिन्न असते.
थॉमसनचे प्लम पुडिंग अणुप्रारूप :
- थॉमसनच्या अणुप्रारूपानुसार अणूमध्ये सर्वत्र धनप्रभारयुक्त जेल पसरलेला असतो व त्यामध्ये ऋणप्रभारित इलेक्ट्रॉन्स जडवलेले असतात. (प्लम पुडिंग प्रतिकृती)
- पसरलेल्या धनप्रभाराचे संतुलन इलेक्ट्रॉनांवरील ऋणप्रभारामुळे होते. त्यामुळे अणू विद्युतप्रभारदृष्ट्या उदासीन होतो.
- थॉमसनच्या प्रारूपानुसार अणूमध्ये वस्तुमानाचे वितरण सर्वत्र एकसमान असते. डाल्टनच्या अणुसिद्धांतामध्ये वस्तुमानाच्या वितरणासंबंधी काहीही उल्लेख नाही.
रूदरफोर्डचे केंद्रकीय अणूप्रारूप (1911) :
- रूदरफोर्डचे अणुप्रारूपानुसार अणूच्या केंद्रभागी अतिशय लहान, भरीव धनप्रभारित केंद्रक असते.
- अणूचे जवळजवळ सर्व वस्तुमान केंद्रकात एकवटलेले असते.
- केंद्रकाभोवती इलेक्ट्रॉन नावाचे ऋणप्रभारित कण परिभ्रमण करीत असतात.
- सर्व इलेक्ट्रॉनांवरील एकत्रित ऋणप्रभार हा केंद्रकावरील धनप्रभाराएवढा असल्याने विजातीय प्रभारांचे संतुलन होऊन अणू हा विद्युतदृष्ट्या उदासीन असतो.
- परिभ्रमण करणारे इलेक्ट्रॉन व अणुकेंद्रक यांच्या दरम्यान पोकळी असते.
रुदरफोर्डचा विकिरण प्रयोग :
किरणोत्सारी मूलद्रव्यातून उत्सर्जित होणारे α-कण हे धनप्रभारित आहेत. रुदरफोर्डने अल्फा (α-) कणांचा सोन्याच्या अतिशय पातळ पत्र्यावर मारा केला व कणांच्या मार्गांचा वेध घेतला.
सोन्याच्या पत्र्याभोवती प्रतिदीप्तिमान पडदा लावून, त्यांना जर अणूंमध्ये धनप्रभारित वस्तुमानाचे वितरण सर्वत्र एकसमान असेल, तर धनप्रभारित a-कणांचे पत्र्यावरून परावर्तन होईल अशी अपेक्षा होती.
- बहुसंख्य α-कण पत्र्यातून आरपार सरळ गेले.
- काही थोड्या α-कणांचे मूळ मार्गापासून लहान कोनातून विचलन झाले.
- आणखी थोड्या α-कणांचे मोठ्या कोनातून विचलन झाले आणि
- आश्चर्य म्हणजे 20000 पैकी एक α-कण मूळ मार्गाच्या उलट दिशेने उसळला.
मोठ्या संख्येने आरपार गेलेले α-कण असे दर्शवतात की त्यांच्या वाटेत कोणताच अडथळा नव्हता. याचा अर्थ सोन्याच्या स्थायुरूप पत्र्यामधील अणूंच्या आत बरीचशी जागा मोकळीच असली पाहिजे. ज्या थोड्या α-कणांचे लहान किंवा मोठ्या कोनातून विचलन झाले त्यांच्या वाटेत अडथळा आला. याचा अर्थ अडथळ्यास कारण असलेला अणूचा धनप्रभारित व जड भाग अणूच्या मध्यभागी होता. यावरून रुदरफोर्डने अणूचे केंद्रकीय प्रारूप मांडले.
α-कणांच्या विकिरणाच्या प्रयोगाचे निष्कर्ष :
रुदरफोर्डने केलेल्या अल्फा कणांच्या विकिरणासंबंधी प्रयोगाचे निष्कर्ष असे :
- अणूच्या केंद्रभागी धनप्रभारित केंद्रक असते.
- केंद्रकात अणूचे जवळजवळ सर्व वस्तुमान एकवटलेले असते.
- केंद्रकाभोवती इलेक्ट्रॉन नावाचे ऋणप्रभारित कण परिभ्रमण करीत असतात.
- सर्व इलेक्ट्रॉनांवरील एकत्रित ऋणप्रभार हा केंद्रकावरील धनप्रभाराएवढा असल्याने विजातीय प्रभारांचे संतुलन होऊन अणू हा विद्युतदृष्ट्या उदासीन असतो.
- परिभ्रमण करणारे इलेक्ट्रॉन व अणुकेंद्रक यांच्या दरम्यान पोकळी असते.
बोरचे स्थायी कक्षा अणुप्रारूप (1913) :
सन 1913 मध्ये डॅनिश वैज्ञानिक नील्स बोर यांनी स्थायी कक्षा अणुप्रारूप मांडून अणूचा स्थायीभाव स्पष्ट केला.
- अणूच्या केंद्रकाभोवती परिभ्रमण करणारे इलेक्ट्रॉन केंद्रकापासून विशिष्ट अंतरावर असणाऱ्या समकेंद्री वर्तुळाकार कक्षांमध्ये असतात.
- विशिष्ट कक्षेत असताना इलेक्ट्रॉनची ऊर्जा स्थिर असते.
- इलेक्ट्रॉन आतील कक्षेतून बाहेरील कक्षेत उडी मारताना विशिष्ट परिमाणाच्या ऊर्जेचे शोषण करतो, तर बाहेरील कक्षेतून आतील कक्षेत उडी मारताना विशिष्ट परिमाणाची ऊर्जा उत्सर्जित करतो.
- ही विशिष्ट ऊर्जा म्हणजे इलेक्ट्रॉन बाहयकक्षेत असताना त्याची असलेली ऊर्जा व इलेक्ट्रॉन आतल्या कक्षेत असताना त्याची असलेली ऊर्जा यांमधील फरक होय.
उदाहरणे :
- घरातील गॅसच्या शेगडीच्या निळ्या ज्योतीमध्ये मिठाचे (सोडिअम क्लोराइडचे) कण टाकल्यावर त्या क्षणी त्या जागी पिवळी ठिणगी दिसते.
- पाण्यात सोडिअम धातूचा तुकडा टाकला असता तो पेटून पिवळी ज्योत दिसते.
- रस्त्यावरील सोडिअम व्हेपर दिव्यांमधूनही त्याच पिवळ्या रंगाचा प्रकाश येतो.
- ह्या सर्व उदाहरणांमध्ये सोडिअम अणूमधील इलेक्ट्रॉन ऊर्जा शोषून बाहेरील कक्षेमध्ये जातो व पुन्हा आतील कक्षेमध्ये उडी मारून परत येताना ती ऊर्जा उत्सर्जित करतो.
- सोडिअम अणूच्या या दोन कक्षांच्या ऊर्जा पातळीतील फरक ठराविक असतात.
- हा फरक पिवळ्या प्रकाशाच्या ऊर्जेइतका असतो.
म्हणून वरील तिन्ही उदाहरणांमध्ये तोच विशिष्ट पिवळा प्रकाश बाहेर पडल्याचे दिसते.
अणूची संरचना :
केंद्रक व केंद्रकाबाहेरील भाग यांचा मिळून अणू बनतो. यांच्यामध्ये तीन प्रकारच्या
अवअणुकणांचा समावेश असतो.
केंद्रक : अणूचे केंद्रक धनप्रभारित असते. अणूचे जवळजवळ सर्व वस्तुमान केंद्रकात एकवटलेले असते. केंद्रकामध्ये दोन प्रकारचे अवअणुकण असतात.
एकत्रितपणे त्यांना न्युक्लिऑन म्हणतात. प्रोटॉन व न्यूट्रॉन हे न्युक्लिऑनचे दोन प्रकार आहेत.
- प्रोटॉन (p) : प्रोटॉन हा धन प्रभारयुक्त मूलकण आहे. हे मूलकण अणुकेंद्रकात असतात.
- न्यूट्रॉन (n) : न्यूट्रॉनवर कोणताच प्रभार नसतो. न्यूट्रॉन (n) हे मूलकण केंद्रकात असतात.
- इलेक्ट्रॉन (e) : इलेक्ट्रॉन हा ऋणप्रभारित मूलकण आहे. e- हे ऋणप्रभाराचे मूलभूत एकक मानण्यात येते. इलेक्ट्रॉन हे अणुकेंद्रकाभोवती विशिष्ट कक्षांमध्ये परिभ्रमण करतात.
अणुक्रमांक (Z) : अणूमधील इलेक्ट्रॉन किंवा प्रोटॉनच्या संख्येला त्या अणूचा अणुक्रमांक म्हणतात. त्याचा Z या अक्षराने निर्देश करतात.
अणुवस्तुमानांक (A) : मूलद्रव्याच्या अणूतील केंद्रकात असणाऱ्या प्रोटॉन (p) आणि न्यूट्रॉन (n)
यांच्या एकत्रित संख्येला त्या मूलद्रव्याचा अणुवस्तुमानांक म्हणतात. त्याचा A या अक्षराने निर्देश करतात.
- प्रोटॉन व न्यूट्रॉन हे दोन्हीही पूर्णांकात असल्याने अणुअंक (Z) व अणवस्तुमानांक (A) नेहमी पूर्णांकातच असतात.
इलेक्ट्रॉन वितरण : बोरच्या अणुप्रारूपानुसार इलेक्ट्रॉन स्थायी कवचांमध्ये परिभ्रमण करतात. या कवचांना विशिष्ट ऊर्जा असते. अणुकेंद्रकाच्या सर्वांत जवळ असलेल्या कवचाला पहिले कवच, त्यानंतरच्या कवचाला दुसरे कवच म्हणतात. कवचांच्या क्रमांकांसाठी 'n' ही संज्ञा वापरतात. n = 1, 2, 3, 4 ... या क्रमांकांनुसार कवचांना K, L, M, N ... या संज्ञांनी संबोधण्यात येते. प्रत्येक कवचात जास्तीत जास्त '2n2. या सूत्राने मिळालेल्या संख्येइतके इलेक्ट्रॉन असू शकतात. 'n' चे मूल्य वाढते तशी त्या कवचातील इलेक्ट्रॉनची ऊर्जा वाढते.
मूलद्रव्यांचे इलेक्ट्रॉन संरूपण : आपण पाहिले की K, L, M, N, ... या कवचांमध्ये अनुक्रमे जास्तीत जास्त, 2, 8, 18, 32, ... इलेक्ट्रॉन सामावू शकतात. हीच कवचांची कमालधारकता होय.
- कवचांच्या कमालधारकतेनुसार अणूमधील इलेक्ट्रॉनांचे कवचांमध्ये वितरण होते.
- एखाद्या मूलद्रव्याच्या अणूमधील इलेक्ट्रॉनांची कवचनिहाय मांडणी म्हणजे त्या मूलद्रव्याचे इलेक्ट्रॉन संरूपण होय.
- प्रत्येक इलेक्ट्रॉनकडे तो ज्या कवचात असतो त्यानुसार निश्चित अशी ऊर्जा असते.
- पहिल्या कवचातील (K कवच) इलेक्ट्रॉनांची ऊर्जा सर्वांत कमी असते. त्यापुढील कवचामधील इलेक्ट्रॉनची ऊर्जा कवचक्रमांकाप्रमाणे वाढत जाते.
- मूलद्रव्याच्या अणूचे इलेक्ट्रॉन संरूपण असे असते की त्यायोगे सर्व इलेक्ट्रॉनांची एकत्रित ऊर्जा कमीत कमी असते.
- अणूतील इलेक्ट्रॉन कवचांच्या कमाल धारकतेप्रमाणे तसेच ऊर्जेच्या चढत्या क्रमानुसार असलेल्या कवचांमध्ये स्थान मिळवतात.
काही मूलद्रव्यांचे संरूपण :
संयुजा (Valency) व इलेक्ट्रॉन संरूपण (Electronic configuration) :
संयुजा : मूलद्रव्याच्या इतर मूलद्रव्यांशी संयोग पावण्याच्या क्षमतेला संयुजा म्हणतात.
संयुजा कवच : अणूची संयुजा बाह्यतम कवचातील इलेक्ट्रॉन संरूपणावरून ठरवता येते. म्हणून बाह्यतम कवचाला संयुजा कवच म्हणतात. बाह्यतम कवचातील इलेक्ट्रॉन म्हणजे संयुजा इलेक्ट्रॉन होत.
- "ज्या मूलद्रव्यात संयुजा इलेक्ट्रॉन संख्या चार किंवा त्यापेक्षा कमी असते त्या मूलद्रव्याची संयुजा त्यातील संयुजा इलेक्ट्रॉन संख्येएवढी असते,
- याउलट ज्या मूलद्रव्यात चार किंवा त्याहून अधिक इलेक्ट्रॉन असतात तेव्हा अष्टक पूर्ण होण्यासाठी जितके इलेक्ट्रॉन कमी असतात. ती उणिवेची संख्या म्हणजे त्या मूलद्रव्याची संयुजा असते."
| मूलद्रव्य | Na | C | Mg | Cl |
| इलेक्ट्रॉन संख्या | 11 | 6 | 12 | 17 |
| इलेक्ट्रॉन संरूपण | 2,8,1 | 2,4 | 2,8,2 | 2,8,7 |
| संयुजा इलेक्ट्रॉन संख्या | 1 | 4 | 2 | 7 |
| संयुजा | 1 | 4 | 2 | 1 |
संयुजा व इलेक्ट्रॉन संरूपण यातील सबध :
अणूच्या संयुजेचा संबंध अणूमधील संयुजा इलेक्ट्रॉनांच्या संख्येशी असल्याचे दिसून येते. उदाहरण :
- हेलिअम व निऑन ह्या दोन्ही वायुरूप मूलद्रव्यांचे अणू इतर कोणत्याही अणूबरोबर संयोग पावत नाहीत. ही मूलद्रव्ये रासायनिक दृष्ट्या निष्क्रीय आहेत. म्हणजेच त्यांची संयुजा 'शून्य' आहे.
- हेलिअमच्या अणूत दोन इलेक्ट्रॉन असतात व ते 'K' ह्या पहिल्या कवचात सामावलेले असतात.
- हेलिअममध्ये इलेक्ट्रॉन असलेले फक्त एकच 'K' कवच आहे व तेच बाह्यतम कवचसुध्दा आहे. 'K' कवचाची इलेक्ट्रॉन धारकता (2n2) ही 'दोन' आहे म्हणजेच हेलिअमचे बाह्यतम कवच पूर्ण भरलेले असते. ह्यालाच हेलिअममध्ये इलेक्ट्रॉन द्विक असते असे म्हणतात.
- निऑन ह्या निष्क्रीय वायूच्या इलेक्ट्रॉन संरूपणात 'K' व 'L' ही दोन कवचे असून 'L' हे संयुजा कवच आहे.
- 'L' कवचाची इलेक्ट्रॉन धारकता 'आठ' आहे म्हणजेच निऑनचे संयुजा कवच पूर्ण भरलेले आहे. यालाच निऑनमध्ये इलेक्ट्रॉन अष्टक आहे असे म्हणतात.
- K, L व M या कवचांमध्ये इलेक्ट्रॉन असलेला निष्क्रिय वायू म्हणजे अरगॉन होय.
- M या कवचाची इलेक्ट्रॉन धारकता 2 x 32 =18 आहे. परंतु अरगॉनमध्ये M या संयुजा कवचात फक्त 8 इलेक्ट्रॉन आहेत याचा अर्थ निष्क्रिय वायूंच्या संयुजा कवचात आठ इलेक्ट्रॉन असतात, म्हणजेच संयुजा कवचात इलेक्ट्रॉन अष्टक असते.
- इलेक्ट्रॉन अष्टक (किंवा द्विक) पूर्ण असते तेव्हा संयुजा शून्य असते.
- निष्क्रिय वायू वगळता इतर सर्व मूलद्रव्यांच्या अणूंमध्ये इतर अणूंबरोबर संयोग पावण्याची प्रवृत्ती असते, म्हणजेच त्यांची संयुजा शून्य नसते.
- हायड्रोजनच्या संयोगाने तयार झालेल्या रेणूंच्या सूत्रांवरून (उदा., H2, HCl) हायड्रोजनची संयुजा 'एक' आहे.
- हायड्रोजनच्या इलेक्ट्रॉन संरूपणावरून दिसते की हायड्रोजनमध्ये एक इलेक्ट्रॉन 'K' या कवचात आहे, म्हणजे हायड्रोजनमध्ये 'पूर्ण द्विक' स्थितीपेक्षा एक इलेक्ट्रॉन कमी आहे. ही 'एक' संख्या हायड्रोजनच्या संयुजेशी जुळते.
- सोडिअमच्या 2, 8, 1 या संरूपणावरून समजते की सोडिअमच्या संयुजा कवचात 'एक' इलेक्ट्रॉन आहे आणि NaCl, NaH अशा रेणुसूत्रांवरून समजते की सोडिअमची संयुजा 'एक' आहे.
याचा अर्थ असा आहे की, मूलद्रव्यांची संयुजा व त्यांच्या संयुजा कवचातील इलेक्ट्रॉन संख्या यांत काहीतरी संबंध आहे.
समस्थानिके (Isotopes) :
मूलद्रव्यांमध्ये अणुअंक समान परंतु भिन्न अणुवस्तुमानांक असलेल्या अणूंना समस्थानिके म्हणतात.
उदा. कार्बन : कार्बनची तीन समस्थानिके आहेत. C - 12, C - 13, C - 14 समस्थानिकांचा अणुवस्तु मानांक 12C, 13C व 14C ह्या पध्दतीने दर्शवितात. समस्थानिकांची प्रोटॉन संख्या समान असते परंतु न्यूट्रॉन संख्या भिन्न असते.
| समस्थानिके | अणुवस्तुमानांक A | प्रोटॉन संख्या
Z (अणुअंक) |
न्यूट्रॉन संख्या
n = A - Z |
| 12C | 12 | 6 | 6 |
| 13C | 13 | 6 | 7 |
| 14C | 14 | 6 | 8 |
समस्थानिकांचे उपयोग :
- युरेनिअम-235 चा उपयोग केंद्रकीय विखंडन व ऊर्जानिर्मितीसाठी होतो.
- कॅन्सरसारख्या प्राणघातक आजारांवरील वैद्यकीय उपचारांमध्ये काही मूलद्रव्यांच्या किरणोत्सारी समस्थानिकांचा उपयोग होतो. उदा., कोबाल्ट-
- गॉयटर या थायरॉईड ग्रंथीच्या आजारावरील उपचारांमध्ये आयोडीन-131 चा उपयोग होतो.
- किरणोत्सारी मूलद्रव्यांच्या समस्थानिकांचा उपयोग जमिनीखालून गेलेल्या नळांमधील चिरा शोधण्यासाठी होतो. उदा., सोडिअम-
- अन्नपदार्थांचे सूक्ष्म जीवाणूंपासून परिरक्षण करण्यासाठी किरणोत्सारी मूलद्रव्यांचा उपयोग होतो.
- C-14 या किरणोत्सारी समस्थानिकाचा उपयोग जीवाश्मांचे वय ठरवण्यासाठी होतो.
अणुभट्टी (Nuclear Reactor) :
अणुभट्टी ही अणुऊर्जेच्या वापराने मोठ्या प्रमाणावर वीजनिर्मिती करण्याचे संयंत्र आहे.
अणुभट्टीमध्ये अणुइंधनावर केंद्रकीय अभिक्रिया घडवून आणतात व अणूमधील केंद्रकीय ऊर्जा मुक्त करतात.
- अणुभट्टीमध्ये युरेनिअम-235 सारख्या अणुइंधनावर मंदगती न्यूट्रॉन्सचा मारा केला असता त्याच्या केंद्रकाचे विखंडन होते.
- या प्रक्रियेत क्रिप्टॉन-92 व बेरिअम-141 अथवा इतर मूलद्रव्यांची केंद्रके व 2 ते 3 वेगवान न्यूट्रॉन्स निर्माण होतात. या न्यूट्रॉन्सची गती ग्राफाइट किंवा जड पाणी वापरून कमी करतात. त्यानंतर ते न्यूट्रॉन्स आणखी U-235 कंद्रकावर आदळल्यावर त्याचेही विखंडन होते.
- अशा प्रकारे केंद्रकीय विखंडनाची शृंखला अभिक्रिया होऊन मोठ्या प्रमाणावर केंद्रकीय ऊर्जा, म्हणजेच अणुऊर्जा मुक्त होते.
- ही शृंखला अभिक्रिया नियंत्रित करण्यासाठी न्यूट्रॉन्सचा वेग व संख्या कमी करण्याची आवश्यकता असते. न्यूट्रॉन्स शोषून त्यांची संख्या कमी करण्यासाठी बोरॉन, कॅड्मिअम,
- बेरिलिअम इत्यादी मूलद्रव्यांच्या कांड्या नियंत्रक म्हणून वापरतात.
- या प्रक्रियेत निर्माण झालेली उष्णता, पाण्याचा शीतक (Coolant) म्हणून वापर करून बाजूला काढली जाते व या उष्णतेने पाण्याची वाफ केली जाते. ती वाफ वापरून टर्बाइन्स चालवतात. त्यामुळे वीजनिर्मिती होते.
भारतामध्ये आठ ठिकाणच्या अणुवीजनिर्मिती केंद्रांमध्ये एकूण बावीस अणुभट्ट्या कार्यान्वित आहेत.