Atoms And Molecules
Ancient Indian and Greek philosophers have always wondered about the unknown and unseen form of matter. The idea of divisibility of matter was considered long back in India, around $500 BC$. An Indian philosopher Maharishi Kanad, postulated that if we go on dividing matter (padarth), we shall get smaller and smaller particles. Ultimately, a stage will come when we shall come across the smallest particles beyond which further division will not be possible. He named these particles Parmanu. Another Indian philosopher, Pakudha Katyayama, elaborated this doctrine and said that these particles normally exist in a combined form which gives us various forms of matter.
Around the same era, ancient Greek philosophers - Democritus and Leucippus suggested that if we go on dividing matter, a stage will come when particles obtained cannot be divided further. Democritus called these indivisible particles atoms (meaning indivisible). All this was based on philosophical considerations and not much experimental work to validate these ideas could be done till the eighteenth century.
By the end of the eighteenth century, scientists recognised the difference between elements and compounds and naturally became interested in finding out how and why elements combine and what happens when they combine.
Antoine L. Lavoisier laid the foundation of chemical sciences by establishing two important laws of chemical combination.
3.1 Laws of Chemical Combination
The following two combination were established after much experimentations by Lavoisier and Joseph L. Proust.
3.1.1 LAW OF CONSERVATION OF MASS
Is there a change in mass when a chemical change (chemical reaction) takes place?
Activity 3.1
-
Take one of the following sets, $X$ and $Y$ of chemicals-
$\text{X}$ $\text{Y}$ (i) copper sulphate sodium carbonate (ii) barium chloride sodium sulphate (iii) lead nitrate sodium chloride -
Prepare separately a 5% solution of any one pair of substances listed under $X$ and $Y$ each in $10 mL$ in water. Take a little amount of solution of $Y$ in a conical flask and some solution of $X$ in an ignition tube.
-
Hang the ignition tube in the flask carefully; see that the solutions do not get mixed. Put a cork on the flask (see Fig. 3.1).
Fig. 3.1: Ignition tube containing solution of $X$, dipped in a conical flask containing solution of $Y$
-
Weigh the flask with its contents carefully.
-
Now tilt and swirl the flask, so that the solutions $X$ and $Y$ get mixed.
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Weigh again.
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What happens in the reaction flask?
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Do you think that a chemical reaction has taken place?
-
Why should we put a cork on the mouth of the flask?
-
Does the mass of the flask and its contents change?
Law of conservation of mass states that mass can neither be created nor destroyed in a chemical reaction.
3.1.2 LAW OF CONSTANT PROPORTIONS
Lavoisier, along with other scientists, noted that many compounds were composed of two or more elements and each such compound had the same elements in the same proportions, irrespective of where the compound came from or who prepared it.
In a compound such as water, the ratio of the mass of hydrogen to the mass of oxygen is always $1: 8$, whatever the source of water. Thus, if $9 g$ of water is decomposed, $1 g$ of hydrogen and $8 g$ of oxygen are always obtained. Similarly in ammonia, nitrogen and hydrogen are always present in the ratio $14: 3$ by mass, whatever the method or the source from which it is obtained.
This led to the law of constant proportions which is also known as the law of definite proportions. This law was stated by Proust as “In a chemical substance the elements are always present in definite proportions by mass”.
The next problem faced by scientists was to give appropriate explanations of these laws. British chemist John Dalton provided the basic theory about the nature of matter. Dalton picked up the idea of divisibility of matter, which was till then just a philosophy. He took the name ‘atoms’ as given by the Greeks and said that the smallest particles of matter are atoms. His theory was based on the laws of chemical combination. Dalton’s atomic theory provided an explanation for the law of conservation of mass and the law of definite proportions.
John Dalton was born in a poor weaver’s family in 1766 in England. He began his career as a teacher at the age of twelve. Seven years later he became a school principal. In 1793, Dalton left for Manchester to teach mathematics, physics and chemistry in
John Dalton a college. He spent most of his life there teaching and researching. In 1808, he presented his atomic theory which was a turning point in the study of matter.
According to Dalton’s atomic theory, all matter, whether an element, a compound or a mixture is composed of small particles called atoms. The postulates of this theory may be stated as follows:
(i) All matter is made of very tiny particles called atoms, which participate in chemical reactions.
(ii) Atoms are indivisible particles, which cannot be created or destroyed in a chemical reaction.
(iii) Atoms of a given element are identical in mass and chemical properties.
(iv) Atoms of different elements have different masses and chemical properties.
(v) Atoms combine in the ratio of small whole numbers to form compounds.
(vi) The relative number and kinds of atoms are constant in a given compound.
You will study in the next chapter that all atoms are made up of still smaller particles.
Questions
1. In a reaction, $5.3 g$ of sodium carbonate reacted with $6 g$ of acetic acid. The products were $2.2 g$ of carbon dioxide, $0.9 g$ water and $8.2 g$ of sodium acetate. Show that these observations are in agreement with the law of conservation of mass.
sodium carbonate + acetic acid $\rightarrow$ sodium acetate + carbon dioxide + water
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Answer
Law of conservation of mass states that mass is neither created nor destroyed during a chemical reaction.
It means the mass remains the same. So, we add the mass of the reactants on LHS and add the mass of all products on RHS
LHS $=5.3 g+6 g=11.3 g$
RHS $=8.2 g+2.2 g+0.9 g=11.3 g$
LHS $=$ RHS
So, the observations are in agreement with the law of conservation of mass.
2. Hydrogen and oxygen combine in the ratio of $1: 8$ by mass to form water. What mass of oxygen gas would be required to react completely with $3 g$ of hydrogen gas?
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Answer
‘Law of constant proportions’ states that composition of a compound is always fixed.
Applying this
$\because 1 g$ of hydrogen gas combines with oxygen $=8 g$
$\therefore 3 g$ of hydrogen gas will combine with oxygen $=8 \times 3=24 g$
3. Which postulate of Dalton’s atomic theory is the result of the law of conservation of mass?
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Answer
Following postulate of Dalton’s atomic theory is the result of the law of conservation of mass. ‘Atoms are indivisible particles, which cannot be created or destroyed in a chemical reaction.’
4. Which postulate of Dalton’s atomic theory can explain the law of definite proportions?
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Answer
Following postulate of Dalton’s atomic theory can explain the ’law of definite proportions'.
‘The relative number and kinds of atoms are constant in a given compound.’
3.2 What is an Atom?
Have you ever observed a mason building walls, from these walls a room and then a collection of rooms to form a building? What is the building block of the huge building? What about the building block of an ant-hill? It is a small grain of sand. Similarly, the building blocks of all matter are atoms.
How big are atoms?
Atoms are very small, they are smaller than anything that we can imagine or compare with. More than millions of atoms when stacked would make a layer barely as thick as this sheet of paper.
Atomic radius is measured in nanometres.
$ \begin{aligned} 1 / 10^{9} m & =1 nm \\ 1 m & =10^{9} nm \end{aligned} $
Relative Sizes
| Radii (in m) | Example |
|---|---|
| $10^{-10}$ | Atom of hydrogen |
| $10^{-9}$ | Molecule of water |
| $10^{-8}$ | Molecule of haemoglobin |
| $10^{-4}$ | Grain of sand |
| $10^{-3}$ | Ant |
| $10^{-1}$ | Apple |
We might think that if atoms are so insignificant in size, why should we care about them? This is because our entire world is made up of atoms. We may not be able to see them, but they are there, and constantly affecting whatever we do. Through modern techniques, we can now produce magnified images of surfaces of elements showing atoms.
Fig. 3.2: An image of the surface of silicon
3.2.1 WHAT ARE THE MODERN DAY SYMBOLS OF ATOMS OF DIFFERENT ELEMENTS?
Dalton was the first scientist to use the symbols for elements in a very specific sense. When he used a symbol for an element he also meant a definite quantity of that element, that is, one atom of that element. Berzilius suggested that the symbols of elements be made from one or two letters of the name of the element.
Fig. 3.3: Symbols for some elements as proposed by Dalton
In the beginning, the names of elements were derived from the name of the place where they were found for the first time. For example, the name copper was taken from Cyprus. Some names were taken from specific colours. For example, gold was taken from the English word meaning yellow. Now-a-days, IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) is an international scientific organisation which approves names of elements, symbols and units. Many of the symbols are the first one or two letters of the element’s name in English. The first letter of a symbol is always written as a capital letter (uppercase) and the second letter as a small letter (lowercase).
For example
(i) hydrogen, $H$
(ii) aluminium, $Al$ and not $AL$
(iii) cobalt, Co and not CO.
Symbols of some elements are formed from the first letter of the name and a letter, appearing later in the name. Examples are: (i) chlorine, $Cl$, (ii) zinc, $Zn$ etc.
Other symbols have been taken from the names of elements in Latin, German or Greek. For example, the symbol of iron is $Fe$ from its Latin name ferrum, sodium is $Na$ from natrium, potassium is $K$ from kalium. Therefore, each element has a name and a unique chemical symbol. (The above table is given for you to refer to whenever you study about elements. Do not bother to memorise all in one go. With the passage of time and repeated usage you will automatically be able to reproduce the symbols.)
3.2.2 ATOMIC MASS
The most remarkable concept that Dalton’s atomic theory proposed was that of the atomic mass. According to him, each element had a characteristic atomic mass. The theory could explain the law of constant proportions so well that scientists were prompted to measure the atomic mass of an atom. Since determining the mass of an individual atom was a relatively difficult task, relative atomic masses were determined using the laws of chemical combinations and the compounds formed.
Let us take the example of a compound, carbon monoxide (CO) formed by carbon and oxygen. It was observed experimentally that 3 $g$ of carbon combines with $4 g$ of oxygen to form $CO$. In other words, carbon combines with $4 / 3$ times its mass of oxygen. Suppose we define the atomic mass unit (earlier abbreviated as ‘amu’, but according to the latest IUPAC recommendations, it is now written as ’ $u$ ’ - unified mass) as equal to the mass of one carbon atom, then we would
Table 3.1: Symbols for some elements
| Element | Symbol | Element | Symbol | Element | Symbol |
|---|---|---|---|---|---|
| Aluminium | $Al$ | Copper | $Cu$ | Nitrogen | $N$ |
| Argon | $Ar$ | Fluorine | $F$ | Oxygen | $O$ |
| Barium | $Ba$ | Gold | $Au$ | Potassium | $K$ |
| Boron | $B$ | Hydrogen | $H$ | Silicon | $Si$ |
| Bromine | $Br$ | Iodine | $I$ | Silver | $Ag$ |
| Calcium | $Ca$ | Iron | $Fe$ | Sodium | $Na$ |
| Carbon | $C$ | Lead | $Pb$ | Sulphur | $S$ |
| Chlorine | $Cl$ | Magnesium | $Mg$ | Uranium | $U$ |
| Cobalt | $Co$ | Neon | $Ne$ | Zinc | $Zn$ |
assign carbon an atomic mass of $1.0 u$ and oxygen an atomic mass of $1.33 u$. However, it is more convenient to have these numbers as whole numbers or as near to a whole numbers as possible. While searching for various atomic mass units, scientists initially took 1/ 16 of the mass of an atom of naturally occurring oxygen as the unit. This was considered relevant due to two reasons:
- oxygen reacted with a large number of elements and formed compounds.
- this atomic mass unit gave masses of most of the elements as whole numbers.
However, in 1961 for a universally accepted atomic mass unit, carbon- 12 isotope was chosen as the standard reference for measuring atomic masses. One atomic mass unit is a mass unit equal to exactly one-twelfth $(1 / 12^{th})$ the mass of one atom of carbon-12. The relative atomic masses of all elements have been found with respect to an atom of carbon-12.
Imagine a fruit seller selling fruits without any standard weight with him. He takes a watermelon and says, “this has a mass equal to 12 units” ( 12 watermelon units or 12 fruit mass units). He makes twelve equal pieces of the watermelon and finds the mass of each fruit he is selling, relative to the mass of one piece of the watermelon. Now he sells his fruits by relative fruit mass unit (fmu), as in Fig. 3.4.
Fig. 3.4 : (a) Watermelon, (b) 12 pieces, (c) $1 / 12$ of watermelon, (d) how the fruit seller can weigh the fruits using pieces of watermelon
Similarly, the relative atomic mass of the atom of an element is defined as the average mass of the atom, as compared to $1 / 12^{\text{th }}$ the mass of one carbon-12 atom.
Table 3.2: Atomic masses of a few elements
| Element | Atomic Mass (u) |
|---|---|
| Hydrogen | 1 |
| Carbon | 12 |
| Nitrogen | 14 |
| Oxygen | 16 |
| Sodium | 23 |
| Magnesium | 24 |
| Sulphur | 32 |
| Chlorine | 35.5 |
| Calcium | 40 |
3.2.3 HOW DO ATOMS EXIST?
Atoms of most elements are not able to exist independently. Atoms form molecules and ions. These molecules or ions aggregate in large numbers to form the matter that we can see, feel or touch.
Questions
1. Define the atomic mass unit.
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Answer
One atomic mass unit (amu) is a mass unit equal to exactly onetwelfth (1/12th) the mass of one atom of carbon-12.’ The relative atomic masses of all the elements have been found with respect to an atom of carbon-12.
2. Why is it not possible to see an atom with naked eyes?
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Answer
As an atom is extremely small in size, it is not possible to see it with naked eyes.
Generally radius of an atom is of the order of nanometres. For example, atomic radius of hydrogen atom is $10-10 m$ (or $10-1 nm$ ).
3.3 What is a Molecule?
A molecule is in general a group of two or more atoms that are chemically bonded together, that is, tightly held together by attractive forces. A molecule can be defined as the smallest particle of an element or a compound that is capable of an independent existence and shows all the properties of that substance. Atoms of the same element or of different elements can join together to form molecules.
3.3.1 MOLECULES OF ELEMENTS
The molecules of an element are constituted by the same type of atoms. Molecules of many elements, such as argon (Ar), helium (He) etc. are made up of only one atom of that element. But this is not the case with most of the nonmetals. For example, a molecule of oxygen consists of two atoms of oxygen and hence it is known as a diatomic molecule, $O_2$. If 3 atoms of oxygen unite into a molecule, instead of the usual 2 , we get ozone, $O_3$. The number of atoms constituting a molecule is known as its atomicity.
Metals and some other elements, such as carbon, do not have a simple structure but consist of a very large and indefinite number of atoms bonded together.
Let us look at the atomicity of some non-metals.
Table 3.3 : Atomicity of some
| Type of Element | Name | Atomicity |
|---|---|---|
| Non-Metal | Argon | Monoatomic |
| Helium | Monoatomic | |
| Oxygen | Diatomic | |
| Hydrogen | Diatomic | |
| Nitrogen | Diatomic | |
| Chlorine | Diatomic | |
| Phosphorus | Tetra-atomic | |
| Sulphur | Poly-atomic |
3.3.2 MOLECULES OF COMPOUNDS
Atoms of different elements join together in definite proportions to form molecules of compounds. Few examples are given in Table 3.4.
Table 3.4 : | Molecules of some compounds
| Compound | Combining Elements | Ratio by Mass |
|---|---|---|
| Water $(H_2 O)$ | Hydrogen, Oxygen | $1: 8$ |
| Ammonia $(NH_3)$ | Nitrogen, Hydrogen | $14: 3$ |
| Carbon dioxide $(CO_2)$ | Carbon, Oxygen | $3: 8$ |
Activity 3.2
-
Refer to Table 3.4 for ratio by mass of atoms present in molecules and Table 3.2 for atomic masses of elements. Find the ratio by number of the atoms of elements in the molecules of compounds given in Table 3.4.
-
The ratio by number of atoms for a water molecule can be found as follows:
| Element | Ratio by mass | Atomic mass (u) | Mass ratio/ atomic mass | Simplest ratio |
|---|---|---|---|---|
| $H$ | 1 | 1 | $\frac{1}{1}=1$ | 2 |
| $O$ | 8 | 16 | $\frac{8}{16}=\frac{1}{2}$ | 1 |
Thus, the ratio by number of atoms for water is $H: O=2: 1$.
3.3.3 WHAT IS AN ION?
Compounds composed of metals and nonmetals contain charged species. The charged species are known as ions. Ions may consist of a single charged atom or a group of atoms that have a net charge on them. An ion can be negatively or positively charged. A negatively charged ion is called an ‘anion’ and the positively charged ion, a ‘cation’. Take, for example, sodium chloride $(NaCl)$. Its constituent particles are positively charged sodium ions $(Na^{+})$and negatively charged chloride ions $(Cl^{-})$. A group of atoms carrying a charge is known as a polyatomic ion (Table 3.6). We shall learn more about the formation of ions in Chapter 4.
Table 3.5: Some ionic compounds
| Ionic Compound | Constituting Elements | Ratio by Mass |
|---|---|---|
| Calcium oxide | Calcium and oxygen | $5: 2$ |
| Magnesium sulphide | Magnesium and sulphur | $3: 4$ |
| Sodium chloride | Sodium and chlorine | $23: 35.5$ |
3.4 Writing Chemical Formulae
The chemical formula of a compound is a symbolic representation of its composition. The chemical formulae of different compounds can be written easily. For this exercise, we need to learn the symbols and combining capacity of the elements.
The combining power (or capacity) of an element is known as its valency. Valency can be used to find out how the atoms of an element will combine with the atom(s) of another element to form a chemical compound. The valency of the atom of an element can be thought of as hands or arms of that atom.
Human beings have two arms and an octopus has eight. If one octopus has to catch hold of a few people in such a manner that all the eight arms of the octopus and both arms of all the humans are locked, how many humans do you think the octopus can hold? Represent the octopus with $O$ and humans with $H$. Can you write a formula for this combination? Do you get $OH_4$ as the formula? The subscript 4 indicates the number of humans held by the octopus.
The valencies of some common ions are given in Table 3.6. We will learn more about valency in the next chapter.
Table 3.6: Names and symbols of some ions
| Valency | Name of ion | Symbol | Non-metallic element | Symbol | Polyatomic ions | Symbol |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1. | Sodium Potassium Silver Copper (I)* |
$Na^{+}$ $K^{+}$ $Ag^{+}$ $Cu^{+}$ |
Hydrogen Hydride Chloride Bromide Iodide |
$H^{+}$ $H^{-}$ $Cl^{-}$ $Br^{-}$ $I^{-}$ |
Ammonium Hydroxide Nitrate Hydrogen carbonate |
$NH_4^{+}$ $OH^{-}$ $NO_3^{-}$ $HCO_3^{-}$ |
| 2. | Magnesium Calcium Zinc Iron (II)* Copper (II)* |
$Mg^{2+}$ $Ca^{2+}$ $Zn^{2+}$ $Fe^{2+}$ $Cu^{2+}$ |
Oxide Sulphide |
$O^{2-}$ $S^{2-}$ |
Carbonate Sulphite Sulphate |
$CO_3{ }^{2-}$ $SO_3{ }^{2-}$ $SO_4{ }^{2-}$ |
| 3. | Aluminium Iron (III)* |
$Al^{3+}$ $Fe^{3+}$ |
Nitride | $N^{3-}$ | Phosphate | $PO_4^{3-}$ |
Some elements show more than one valency. A Roman numeral shows their valency in a bracket.
The rules that you have to follow while writing a chemical formula are as follows:
- the valencies or charges on the ion must balance.
- when a compound consists of a metal and a non-metal, the name or symbol of the metal is written first. For example: calcium oxide $(CaO)$, sodium chloride $(NaCl)$, iron sulphide (FeS), copper oxide (CuO), etc., where oxygen, chlorine, sulphur are nonmetals and are written on the right, whereas calcium, sodium, iron and copper are metals, and are written on the left.
- in compounds formed with polyatomic ions, the number of ions present in the compound is indicated by enclosing the formula of ion in a bracket and writing the number of ions outside the bracket. For example, $Mg(OH)_2$. In case the number of polyatomic ion is one, the bracket is not required. For example, $NaOH$.
3.4.1 FORMULAE OF SIMPLE COMPOUNDS
The simplest compounds, which are made up of two different elements are called binary compounds. Valencies of some ions are given in Table 3.6. You can use these to write formulae for compounds.While writing the chemical formulae for compounds, we write the constituent elements and their valencies as shown below. Then we must crossover the valencies of the combining atoms.
Examples
1. Formula of hydrogen chloride
Formula of the compound would be $HCl$.
2. Formula of hydrogen sulphide
Formula : $H_2 S$ 3. Formula of carbon tetrachloride
For magnesium chloride, we write the symbol of cation $(Mg^{2+})$ first followed by the symbol of anion $(Cl^{-})$. Then their charges are criss-crossed to get the formula.
4. Formula of magnesium chloride
Thus, in magnesium chloride, there are two chloride ions $(Cl^{-})$for each magnesium ion $(Mg^{2+})$. The positive and negative charges must balance each other and the overall structure must be neutral. Note that in the formula, the charges on the ions are not indicated.
Some more examples
(a) Formula for aluminium oxide:
Formula : $Al_2 O_3$
(b) Formula for calcium oxide:
Here, the valencies of the two elements are the same. You may arrive at the formula $Ca_2 O_2$. But we simplify the formula as $CaO$. (c) Formula of sodium nitrate:
(d) Formula of calcium hydroxide:
Note that the formula of calcium hydroxide is $Ca(OH)_2$ and not $CaOH_2$. We use brackets when we have two or more of the same ions in the formula. Here, the bracket around $OH$ with a subscript 2 indicates that there are two hydroxyl $(OH)$ groups joined to one calcium atom. In other words, there are two atoms each of oxygen and hydrogen in calcium hydroxide.
(e) Formula of sodium carbonate:
In the above example, brackets are not needed if there is only one ion present.
(f) Formula of ammonium sulphate:
Formula : $(NH_4)_2 SO_4$
Questions
1. Write down the formulae of
(i) sodium oxide
(ii) aluminium chloride
(iii) sodium suphide
(iv) magnesium hydroxide
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Answer
(i) $Na_2 O$
(ii) $NH_4 Cl$
(iii) $Na_2 SO_4$
(iv) $Mg(OH)_2$
2. Write down the names of compounds represented by the following formulae:
(i) $Al_2(SO_4)_3$
(ii) $CaCl_2$
(iii) $K_2 SO_4$
(iv) $KNO_3$
(v) $CaCO_3$.
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Answer
(i) Aluminium sulphate
(ii) Calcium chloride
(iii) Potassium sulphate
(iv) Potassium nitrate
(v) Calcium carbonate
3. What is meant by the term chemical formula?
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Answer
Chemical formula of a compound (or element) is the symbolic representation of its composition. It represents
(i) The number and kind of atoms present per molecule of the compound,
(ii) One mole of the compound,
(iii) Molar mass of the compound.
4. How many atoms are present in a
(i) $H_2 S$ molecule and
(ii) $PO_4^{3-}$ ion?
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Answer
(i) 2 atom of hydrogen +1 atom of sulphur
$ =\text{ three (3) atoms (in a H2S molecule). } $
(ii) 1 atom of phosphorus +4 atoms of oxygen
$ =\text{ five (5) atoms (in aPO43-ion). } $
3.5 Molecular Mass
3.5.1 MOLECULAR MASS
In section 3.2.2 we discussed the concept of atomic mass. This concept can be extended to calculate molecular masses. The molecular mass of a substance is the sum of the atomic masses of all the atoms in a molecule of the substance. It is therefore the relative mass of a molecule expressed in atomic mass units (u).
Example 3 .1 (a) Calculate the relative molecular mass of water $(H_2 O)$.
(b) Calculate the molecular mass of $HNO_3$.
Solution:
(a) Atomic mass of hydrogen $=1 u$,
$ \text{ oxygen }=16 u $
So the molecular mass of water, which contains two atoms of hydrogen and one atom of oxygen is $=2 \times 1+1 \times 16$ $=18 u$
(b) The molecular mass of $HNO_3=$ the atomic mass of $H+$ the atomic mass of $N+3 \times$ the atomic mass of $O$
$ =1+14+48=63 u $
3.5.2 FORMULA UNIT MASS
The formula unit mass of a substance is a sum of the atomic masses of all atoms in a formula unit of a compound. Formula unit mass is calculated in the same manner as we calculate the molecular mass. The only difference is that we use the word formula unit for those substances whose constituent particles are ions. For example, sodium chloride as discussed above, has a formula unit $NaCl$. Its formula unit mass can be calculated as-
$ 1 \times 23+1 \times 35.5=58.5 u $
Example 3.2 Calculate the formula unit mass of $CaCl_2$.
Solution:
Atomic mass of $Ca$
$+(2 \times$ atomic mass of $Cl)$
$=40+2 \times 35.5=40+71=111 u$
Questions
1. Calculate the molecular masses of $H_2, O_2, Cl_2, CO_2, CH_4, C_2 H_6$, $C_2 H_4, NH_3, CH_3 OH$.
Show Answer
Answer
(i) Molecular mass of $H 2$ (hydrogen)
$ \begin{aligned} & =\text{ Atomic mass of hydrogen } \times 2 \\ & =1 \times 2=2 u \end{aligned} $
(ii) Molecular mass of $O 2$ (oxygen)
$=$ Atomic mass of oxygen $\times 2$
$=16 \times 2=32 u$
(iii) Molecular mass of $Cl 2$ (chlorine)
$ \begin{aligned} & =\text{ Atomic mass of chlorine } \times 2 \\ & =35.5 \times 2=71 u \end{aligned} $
(iv) Molecular mass of $CO 2$ (carbon dioxide)
$ \begin{aligned} & =(\text{ Atomic mass of carbon } \times 1)+(\text{ Atomic mass of oxygen } \times 2) \\ & =12+(16 \times 2)=12+32=44 u \end{aligned} $
(v) Molecular mass of $CH 4$ (methane)
$=($ Atomic mass of carbon $\times 1)+($ Atomic mass of hydrogen $\times 4)$
$=12+(1 \times 4)=12+4=16 u$ (vi) Molecular mass of $C2H 6$ (ethane)
$=($ Atomic mass of carbon $\times 2)+($ Atomic mass of hydrogen $\times 6)$
$=(12 \times 2)+(1 \times 6)=24+6=30 u$
(vii) Molecular mass of $C 2 H 4$ (ethene)
$=($ Atomic mass of carbon $\times 2)+($ Atomic mass of hydrogen $\times 4)$
$=(12 \times 2)+(1 \times 4)=24+4=28 u$
(viii) Molecular mass of $NH 3$ (ammonia)
$=($ Atomic mass of nitrogen $\times 1)+($ Atomic mass of hydrogen $\times 3)$
$=(14 \times 1)+(1 \times 3)=14+3=17 u$
(ix) Molecular mass of $CH 3 OH$ (methanol or methyl alcohol)
$=($ Atomic mass of carbon $\times 1)+($ Atomic mass of hydrogen $\times 3)+($ Atomic mass of oxygen $\times 1)+($ Atomic mass of hydrogen $\times 1)$
$=12+3+16+1=32 u$
2. Calculate the formula unit masses of $ZnO, Na_2 O, K_2 CO_3$, given atomic masses of $Z n=65 u$, $Na=23 u, K=39 u, C=12 u$, and $O=16 u$.
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Answer
(i) Formula unit mass of $ZnO$ (zinc oxide) $=$ $65+16=81 u$
(ii) Formula unit mass of $Na 2 O$ (sodium oxide) $=$
$(23 \times 2)+(16 \times 1)=46+16=62 u$
(iii) Formula unit mass of $K 2 CO 3$ (potassium carbonate) $=$
$(39 \times 2)+(12 \times 1)+(16 \times 3)=78+12+48=138 u$
What you have
-
During a chemical reaction, the sum of the masses of the reactants and products remains unchanged. This is known as the Law of Conservation of Mass.
-
In a pure chemical compound, elements are always present in a definite proportion by mass. This is known as the Law of Definite Proportions.
-
An atom is the smallest particle of the element that cannot usually exist independently and retain all its chemical properties.
-
A molecule is the smallest particle of an element or a compound capable of independent existence under ordinary conditions. It shows all the properties of the substance.
-
A chemical formula of a compound shows its constituent elements and the number of atoms of each combining element.
-
Clusters of atoms that act as an ion are called polyatomic ions. They carry a fixed charge on them.
-
The chemical formula of a molecular compound is determined by the valency of each element.
-
In ionic compounds, the charge on each ion is used to determine the chemical formula of the compound.
Exercises
1. A $0.24 g$ sample of compound of oxygen and boron was found by analysis to contain $0.096 g$ of boron and $0.144 g$ of oxygen. Calculate the percentage composition of the compound by weight.
Show Answer
Answer
Mass of the compound $=0.24 g$
Mass of boron $=0.096 g$
Mass of oxygen $=0.144 g$
$\text{Percentage of boron } = \frac{\text{Mass of boron}}{\text{Mass of compound}}\times 100 = \frac{0.096 g}{0.240 g }\times 100 = 40 \%$
$\text{Percentage of oxygen } = \frac{\text{Mass of oxygen}}{\text{Mass of compound}}\times 100 = \frac{0.144 g}{0.240 g }\times 100 = 60 \%$
Alternative method
Percentage of oxygen $=100 -$ percentage of boron
$ =100-40=60 \% $
2. When $3.0 g$ of carbon is burnt in $8.00 g$ oxygen, $11.00 g$ of carbon dioxide is produced. What mass of carbon dioxide will be formed when $3.00 g$ of carbon is burnt in $50.00 g$ of oxygen? Which law of chemical combination will govern your answer?
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Answer
First we find the proportion of mass of carbon and oxygen in carbon dioxide.
In $CO 2, C: O=12: 32$ or $3: 8$
In other words, we can say that
$12.00 g$ carbon reacts with oxygen $=32.00 g$
$3.00 g$ carbon will react with oxygen $=32 \times 3=8 g$
Therefore, $3.00 g$ of carbon will always react with $8.00 g$ of oxygen to form CO2 $(11 g)$, even if large amount $(50.00 g)$ of oxygen is present. This answer will be governed by ’the law of constant proportions'.
3. What are polyatomic ions? Give examples.
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Answer
The group of atoms which carry a fixed charge (either positive or negative) on them and behave as ions are called polyatomic ions.
Example
(i) Carbonate ion
(ii) Sulphate ion
(iii) Ammonium ion
(iv) Phosphate ion
4. Write the chemical formulae of the following.
(a) Magnesium chloride
(b) Calcium oxide
(c) Copper nitrate
(d) Aluminium chloride
(e) Calcium carbonate.
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Answer
(i) Formula $=MgCl_2$ (Magnesium chloride)
(ii) Formula $=CaO$ (Calcium oxide)
(iii) Formula $=Cu(NO_3)_2$ (Copper nitrate)
(iv) Formula $=AICl_3$ (Aluminium Chloride)
(v) Formula $=CaCO_3$ (Calcium carbonate)
5. Give the names of the elements present in the following compounds.
(a) Quick lime
(b) Hydrogen bromide
(c) Baking powder
(d) Potassium sulphate.
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Answer
(a) Quick lime- Calcium oxide - $CaO$
Elements-Calcium, oxygen.
(b) Hydrogen bromide- $HBr$
Elements- Hydrogen, bromine.
(c) Baking powder-Sodium hydrogen carbonate - $NaHCO_3$
Elements- Sodium, hydrogen, carbon, oxygen.
(d) Potassium sulphate- $K_2 SO_4$
Elements- Potassium, sulphur, oxygen.
6. Calculate the molar mass of the following substances.
(a) Ethyne, $C_2 H_2$
(b) Sulphur molecule, $S_8$
(c) Phosphorus molecule, $P_4$ (Atomic mass of phosphorus = 31)
(d) Hydrochloric acid, $HCl$
(e) Nitric acid, $HNO_3$
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Answer
(a) Molar mass of $C_2 H_2$
$=(2 \times$ Atomic mass of $C)+(2 \times$ Atomic mass of $H)$
$=(2 \times 12)+(2 \times 1)$
$=26 u$
(b) Molar mass of $S_8$
$=(8 \times$ Atomic mass of $S)$
$=8 \times 32=256 u$
(c) Molar mass of $P_4$
$=4 \times$ Atomic mass of $P$
$=4 \times 31=124 u$
(d) Molar mass of $HCl$
$=$ Atomic mass of hydrogen + Atomic mass of $Cl$
$=1+35.5=36.5 u$
(e) Molar mass of $HNO_3$
$=$ Atomic mass of $H+$ Atomic mass of $N+(3 \times \text{ Atomic mass of } 0)$
$=1+14+(3 \times 16)=15+48=63 u$
Group Activity
Play a game for writing formulae.
Example 1 : Make placards with symbols and valencies of the elements separately. Each student should hold two placards, one with the symbol in the right hand and the other with the valency in the left hand. Keeping the symbols in place, students should criss-cross their valencies to form the formula of a compound.
Example 2 : A low cost model for writing formulae: Take empty blister packs of medicines. Cut them in groups, according to the valency of the element, as shown in the figure. Now, you can make formulae by fixing one type of ion into other.
For example:
Formula for sodium sulphate:
2 sodium ions can be fixed on one sulphate ion.
Hence, the formula will be: $Na_2 SO_4$
Do it yourself :
Now, write the formula of sodium phosphate.
प्राचीन भारतीय एवं ग्रीक दार्शनिक द्रव्य के अज्ञात एवं अदृश्य रूपों से सदैव चकित होते रहे। पदार्थ की विभाज्यता के मत के बारे में भारत में बहुत पहले, लगभग 500 ईसा पूर्व विचार व्यक्त किया गया था।
भारतीय दार्शनिक महर्षि कनाड (Maharshi Kanad) ने प्रतिपादित किया था कि यदि हम द्रव्य (पदार्थ) को विभाजित करते जाएँ तो हमें छोटे-छोटे कण प्राप्त होते जाएँगे तथा अंत में एक सीमा आएगी जब प्राप्त कण को पुनः विभाजित नहीं किया जा सकेगा अर्थात् वह सूक्ष्मतम कण अविभाज्य रहेगा। इस अविभाज्य सूक्ष्मतम कण को उन्होंने परमाणु कहा। एक अन्य भारतीय दार्शनिक पकुधा कात्यायाम (Pakudha Katyayama) ने इस मत को विस्तृत रूप से समझाया तथा कहा कि ये कण सामान्यतः संयुक्त रूप में पाए जाते हैं, जो हमें द्रव्यों के भिन्न-भिन्न रूपों को प्रदान करते हैं।
लगभग इसी समय ग्रीक दार्शनिक डेमोक्रिटस (Democritus) एवं लियुसीपस (Leucippus) ने सुझाव दिया था कि यदि हम द्रव्य को विभाजित करते जाएँ, तो एक ऐसी स्थिति आएगी जब प्राप्त कण को पुनः विभाजित नहीं किया जा सकेगा। उन्होंने इन अविभाज्य कणों को परमाणु (अर्थात् अविभाज्य) कहा था। ये सभी सुझाव दार्शनिक विचारों पर आधारित थे। इन विचारों की वैधता सिद्ध करने के लिए 18 वीं शताब्दी तक कोई अधिक प्रयोगात्मक कार्य नहीं हुए थे।
18 वों शताब्दी के अंत तक वैज्ञानिकों ने तत्वों एवं यौगिकों के बीच भेद को समझा तथा स्वाभाविक रूप से यह पता करने के इच्छुक हुए कि तत्व कैसे तथा क्यों संयोग करते हैं? जब तत्व परस्पर संयोग करते हैं, तब क्या होता है?
वैज्ञानिक आंतवाँ एल. लवाइजिए (Antonie L. Lavoisier) ने रासायनिक संयोजन के दो महत्वपूर्ण नियमों को स्थापित किया जिसने रसायन विज्ञान को महत्वपूर्ण आधार प्रदान किया।
3.1 रासायनिक संयोजन के नियम
लवाइजिए एवं जोजफ एल. प्राउस्ट (Joseph L. Proust) ने बहुत अधिक प्रायोगिक कार्यों के पश्चात् रासायनिक संयोजन के निम्नलिखित दो नियम प्रतिपादित किए।
3.1.1 द्रव्यमान संरक्षण का नियम
जब रासायनिक परिवर्तन (रासायनिक अभिक्रिया) संपन्न होता है, तब क्या द्रव्यमान में कोई परिवर्तन होता है?
क्रियाकलाप 3.1
-
निम्न $X$ एवं $Y$ रसायनों का एक युगल लीजिए। $\boldsymbol{X}$
(i) कॉपर सल्फेट $Y$
(ii) बेरियम क्लोराइड सोडियम सल्फेट
(iii) लेड नाइट्रेट सोडियम क्लोराइड
-
$X$ एवं $Y$ युगलों की सूची में से किसी एक युगल के रसायनों के अलग-अलग विलयन $10 \mathrm{~mL}$ जल में तैयार कीजिए।
-
उपरोक्त तैयार युगल विलयनों में से $\mathrm{Y}$ के विलयन को एक शंक्वाकार फ्लास्क में लीजिए एवं $\mathrm{X}$ के विलयन को एक छोटी परख नली में लीजिए।
-
छोटी परख नली को विलय युक्त फ्लास्क में इस प्रकार लटकाइए ताकि दोनों विलयन परस्पर मिश्रित न हों। तत्पश्चात् फ्लास्क के मुख पर एक कार्क चित्र 3.1 की भाँति लगाइए।
चित्र 3.1: $Y$ के विलयन युक्त शंक्वाकार फ्लास्क में डूबी हुई $X$ के विलयन युक्त छोटी परख नली।
-
अंर्तवस्तु युक्त फ्लास्क को सावधानीपूर्वक तौल लीजिए।
-
अब फ्लास्क को झुकाकर इस प्रकार घुमाएँ जिससे $X$ एवं $Y$ के विलयन परस्पर मिश्रित हो जाएँ।
-
अब इस फ्लास्क को पुनः तौल लीजिए।
-
शंक्वाकार फ्लास्क में क्या अभिक्रिया हुई? क्या आप सोचते हैं कि कोई रासायनिक अभिक्रिया हुई?
-
फ्लास्क के मुख पर कार्क क्यों लगाते हैं? क्या फ्लास्क के द्रव्यमान एवं अंतर्वस्तुओं में कोई परिवर्तन हुआ?
-
द्रव्यमान संरक्षण के नियम के अनुसार किसी रासायनिक अभिक्रिया में द्रव्यमान का न तो सृजन किया जा सकता है न ही विनाश।
3.1.2 स्थिर अनुपात का नियम
लवाइजिए एवं अन्य वैज्ञानिकों ने इस बात पर प्रकाश डाला कि कोई भी यौगिक दो या दो से अधिक तत्वों से निर्मित होता है। इस प्रकार प्राप्त यौगिकों में, इन तत्वों का अनुपात स्थिर होता है चाहे इसे किसी स्थान से प्राप्त किया गया हो अथवा किसी ने भी इसे बनाया हो।
यौगिक जल में हाइड्रोजन एवं ऑक्सीजन के द्रव्यमानों का अनुपात सदैव $1: 8$ होता है चाहे जल का स्रोत कोई भी हो। इसी प्रकार यदि $9 \mathrm{~g}$ जल का अपघटन करें तो सदैव $1 \mathrm{~g}$ हाइड्रोजन तथा $8 \mathrm{~g}$ ऑक्सीजन ही प्राप्त होगी। इसी प्रकार अमोनिया $\left(\mathrm{NH} _{3}\right)$ में, नाइट्रोजन एवं हाइड्रोजन द्रव्यमानों के अनुसार सदैव $14: 3$ के अनुपात में विद्यमान रहते हैं, चाहे अमोनिया किसी भी प्रकार से निर्मित हुई हो अथवा किसी भी स्रोत से ली गई हो।
उपरोक्त उदाहरणों से स्थिर अनुपात के नियम की व्याख्या होती है जिसे निश्चित अनुपात का नियम भी कहते हैं। प्राउस्ट ने इस नियम को इस प्रकार से व्यक्त किया था “किसी भी यौगिक में तत्व सदैव एक निश्चित द्रव्यमानों के अनुपात में विद्यमान होते हैं”।
जॉन डाल्टन का जन्म सन् 1766 में इंग्लैंड के एक गरीब जुलाहा परिवार में हुआ था। बारह वर्ष की आयु में उन्होंने एक शिक्षक के रूप में अपनी जीविका शुरू की। सात साल बाद वह एक जॉन डाल्टन स्कूल के प्रिंसिपल बन गए। सन् 1793 में जॉन डाल्टन एक कॉलेज में गणित, भौतिकी एवं रसायन शास्त्र पढ़ाने के लिए मैनचेस्टर चले गए। वहाँ पर उन्होंने अपने जीवन का अधिकांश समय शिक्षण एवं शोधकार्य में व्यतीत किया। सन् 1808 में इन्होंने अपने परमाणु सिद्धांत को प्रस्तुत किया, जो द्रव्यों के अध्ययन के लिए एक महत्वपूर्ण सिद्धांत साबित हुआ।
वैज्ञानिकों की अगली समस्या इन नियमों की उचित व्याख्या करने की थी। अंग्रेज रसायनज्ञ, जॉन डाल्टन ने
द्रव्यों की प्रकृति के बारे में एक आधारभूत सिद्धांत प्रस्तुत किया। डाल्टन ने द्रव्यों की विभाज्यता का विचार प्रदान किया जिसे उस समय तक दार्शनिकता माना जाता था। ग्रीक दार्शनिकों के द्वारा द्रव्यों के सूक्ष्मतम अविभाज्य कण, जिसे परमाणु नाम दिया था, उसे डाल्टन ने भी परमाणु नाम दिया। डाल्टन का यह सिद्धांत रासायनिक संयोजन के नियमों पर आधारित था। डाल्टन के परमाणु सिद्धांत ने द्रव्यमान के संरक्षण के नियम एवं निश्चित अनुपात के नियम की युक्तिसंगत व्याख्या की।
डाल्टन के परमाणु सिद्धांत के अनुसार सभी द्रव्य चाहे तत्व, यौगिक या मिश्रण हो, सूक्ष्म कणों से बने होते हैं जिन्हें परमाणु कहते हैं। डाल्टन के सिद्धांत की विवेचना निम्न प्रकार से कर सकते हैं :
(i) सभी द्रव्य परमाणुओं से निर्मित होते हैं, जो कि रासायनिक अभिक्रिया में भाग लेते हैं।
(ii) परमाणु अविभाज्य सूक्ष्मतम कण होते हैं जो रासायनिक अभिक्रिया में न तो सृजित होते हैं न ही उनका विनाश होता है।
(iii) दिए गए तत्व के सभी परमाणुओं का द्रव्यमान एवं रासायनिक गुणधर्म समान होते हैं।
(iv) भिन्न-भिन्न तत्वों के परमाणुओं के द्रव्यमान एवं रासायनिक गुणधर्म भिन्न-भिन्न होते हैं।
(v) भिन्न-भिन्न तत्वों के परमाणु परस्पर छोटी पूर्ण संख्या के अनुपात में संयोग कर यौगिक निर्मित करते हैं।
(vi) किसी भी यौगिक में परमाणुओं की सापेक्ष संख्या एवं प्रकार निश्चित होते हैं।
आप अगले अध्याय में यह अध्ययन करेंगे कि परमाणु में और भी छोटे-छोटे कण विद्यमान होते हैं।
प्रशन
1. एक अभिक्रिया में $5.3 \mathrm{~g}$ सोडियम कार्बोनेट एवं $6.0 \mathrm{~g}$ एसीटिक अम्ल अभिकृत होते हैं। $2.2 \mathrm{~g}$ कार्बन डाइऑक्साइड, $8.2 \mathrm{~g}$ सोडियम एसीटेट एवं $0.9 \mathrm{~g}$ जल उत्पाद के रूप में प्राप्त होते हैं। इस अभिक्रिया द्वारा दिखाइए कि यह परीक्षण द्रव्यमान संरक्षण के नियम के अनुरूप है। सोडियम कार्बोनेट + एसीटिक अम्ल $\rightarrow$ सोडियम एसीटेट + कार्बन डाइऑक्साइड + जल
2. हाइड्रोजन एवं ऑक्सीजन द्रव्यमान के अनुसार $1: 8$ के अनुपात में संयोग करके जल निर्मित करते हैं। $3 \mathrm{~g}$ हाइड्रोजन गैस के साथ पूर्ण रूप से संयोग करने के लिए कितने ऑक्सीजन गैस के द्रव्यमान की आवश्यकता होगी?
3. डाल्टन के परमाणु सिद्धांत का कौन-सा अभिग्रहीत द्रव्यमान के संरक्षण के नियम का परिणाम है?
4. डाल्टन के परमाणु सिद्धांत का कौन-सा अभिग्रहीत निश्चित अनुपात के नियम की व्याख्या करता है?
3.2 परमाणु क्या होता है?
क्या आपने कभी किसी इमारत की दीवार बनते देखी है? इन दीवारों से एक कमरा एवं कई कमरों के समूह से एक इमारत निर्मित होती है। उस विशाल इमारत की रचनात्मक इकाई क्या है? किसी बाँबी (Ant-Hill) की रचनात्मक इकाई क्या होती है? यह रेत का छोटा-सा कण होता है। इसी प्रकार, सभी द्रव्यों की रचनात्मक इकाई परमाणु होती है।
परमाणु कितने बड़े होते हैं?
परमाणु बहुत छोटे होते हैं। ये किसी भी वस्तु, जिसकी हम कल्पना या तुलना कर सकते हैं, से भी छोटे होते हैं। लाखों परमाणुओं को जब एक के ऊपर एक चट्टे के रूप में रखें, तो बड़ी कठिनाई से कागज की एक शीट जितनी मोटी परत बन पाएगी।
परमाणु त्रिज्या को नेनोमीटर $(\mathrm{nm})$ में मापा जाता है।
$$ \begin{aligned} 10^{-9} \mathrm{~m} & =1 \mathrm{~nm} \\ 1 \mathrm{~m} & =10^{9} \mathrm{~nm} \end{aligned} $$
| सापेक्ष आकार | |
|---|---|
| त्रिज्या (मीटर में) | उदाहरण |
| $10^{-10}$ | हाइड्रोजन परमाणु |
| $10^{-9}$ | जल अणु |
| $10^{-8}$ | हीमोग्लोबिन अणु |
| $10^{-4}$ | रेत कण |
| $10^{-3}$ | चींटी |
| $10^{-1}$ | सेब |
जब परमाणु का आकार इतना सूक्ष्म है कि हम इसे नगण्य मान सकते हैं, तो हम इसके बारे में क्यों सोचें? हम इसके बारे में इसलिए सोचते हैं क्योंकि हमारा पूरा विश्व ही परमाणुओं से बना है। चाहे हम उन्हें देख नहीं सकें, फिर भी वे यहाँ विद्यमान हैं तथा हमारे प्रत्येक क्रियाकलापों पर उनका प्रभाव पड़ता रहता है। अब हम आधुनिक तकनीकों की सहायता से तत्वों की सतहों के आवर्धित प्रतिबिंबों को दिखा सकते हैं, जिनमें उपस्थित परमाणु स्पष्ट दिखाई देते हैं।
चित्र 3.2: सिलिकॉन सतह का प्रतिबिंब
3.2.1 विभिन्न तत्वों के परमाणुओं के आधुनिक प्रतीक क्या हैं?
डाल्टन ऐसे प्रथम वैज्ञानिक थे, जिन्होंने तत्वों के प्रतीकों का प्रयोग अत्यंत विशिष्ट अर्थ में किया। जब उन्होंने किसी तत्व के प्रतीक का प्रयोग किया, तो यह प्रतीक उस तत्व की एक निश्चित मात्रा की ओर इंगित करता था अर्थात् यह प्रतीक तत्व के एक परमाणु को प्रदर्शित करता था। बर्जिलियस ने तत्वों के ऐसे प्रतीकों का सुझाव दिया, जो उन तत्वों के नामों के एक या दो अक्षरों से प्रदर्शित होता था।
चित्र 3.3: डाल्टन द्वारा सुझाए गए कुछ तत्वों के प्रतीक
प्रारंभ में तत्वों के नामों की व्युत्पत्ति उन स्थानों के नामों से की गई, जहाँ वे सर्वप्रथम पाए गए थे। उदाहरणस्वरूप, कॉपर (Copper) का नाम साइप्रस (Cyprus) से व्युत्पन्न हुआ। कुछ तत्वों के नामों को विशिष्ट रंगों से लिया गया। उदाहरणस्वरूप, स्वर्ण (gold) का नाम अंग्रेजी के उस शब्द से लिया गया, जिसका अर्थ होता है पीला।
इंटरनेशनल यूनियन ऑफ प्योर एंड एप्लाइड केमिस्ट्री (IUPAC) एक अर्न्तराष्ट्रीय वैज्ञानिक संस्था है जो तत्वों के नामों, प्रतीकों और मात्रकों को स्वीकृति प्रदान करती है। अधिकतर तत्वों के प्रतीक उन तत्वों के अंग्रेजी नामों के एक या दो अक्षरों से बने होते हैं। किसी प्रतीक के पहले अक्षर को सदैव बड़े अक्षर (capital letter) में तथा दूसरे अक्षर को छोटे अक्षर (small letter) में लिखा जाता है।
उदाहरणार्थ
(i) हाइड्रोजन, $\mathrm{H}$
(ii) ऐलुमिनियम, $\mathrm{Al}$ न कि $\mathrm{AL}$
(iii) कोबाल्ट, $\mathrm{Co}$ न कि $\mathrm{CO}$
कुछ तत्वों के प्रतीक उनके अंग्रेजी नामों के प्रथम अक्षर तथा बाद में आने वाले किसी एक अक्षर को संयुक्त करके बनाते हैं। उदाहरण : (i) क्लोरीन, $\mathrm{Cl}$, (ii) जिंक, $\mathrm{Zn}$ इत्यादि।
अन्य तत्वों के प्रतीकों को लैटिन, जर्मन या ग्रीक भाषाओं में उनके नामों से बनाया गया है। उदाहरणार्थ: लौह (Iron) का प्रतीक $\mathrm{Fe}$ है, जो उसके लैटिन नाम फेरम से व्युत्पन्न किया गया है। इसी प्रकार सोडियम का प्रतीक $\mathrm{Na}$ तथा पोटैशियम का प्रतीक $\mathrm{K}$ क्रमशः नैट्रियम एवं केलियम से व्युत्पन्न हैं। इस प्रकार प्रत्येक तत्व का एक नाम एवं एक अद्वितीय रासायनिक प्रतीक होता है।
3.2.2 परमाणु द्रव्यमान
डाल्टन के परमाणु सिद्धांत की सबसे विशिष्ट संकल्पना परमाणु द्रव्यमान की थी। उनके अनुसार प्रत्येक तत्व का एक अभिलाक्षणिक परमाणु द्रव्यमान होता है। डाल्टन का सिद्धांत स्थिर अनुपात के नियम को इतनी भली-भाँति समझाने में समर्थ था कि वैज्ञानिक इससे प्रेरित होकर परमाणु द्रव्यमान को मापने की ओर अग्रसर हुए। चूँकि एक परमाणु के द्रव्यमान को ज्ञात करना अपेक्षाकृत कठिन कार्य था इसलिए रासायनिक संयोजन के नियमों के उपयोग एवं उत्पन्न यौगिकों के द्वारा सापेक्ष परमाणु द्रव्यमानों को ज्ञात किया गया।
| तत्व | प्रतीक | तत्व | प्रतीक | तत्व | प्रतीक |
|---|---|---|---|---|---|
| ऐलुमिनियम | $\mathrm{Al}$ | कॉपर | $\mathrm{Cu}$ | नाइट्रोजन | $\mathrm{N}$ |
| आर्गन | $\mathrm{Ar}$ | फ्लुअं | $F$ | ऑक्सीजन | $\mathrm{O}$ |
| बेरियम | $\mathrm{Ba}$ | स्वर्ण | $\mathrm{u}$ | पोटैशियम | $\mathrm{K}$ |
| बोरॉन | B | हाइड्रो | $\mathrm{H}$ | सिलिकॉन | $\mathrm{Si}$ |
| ब्रोमीन | $\mathrm{Br}$ | आयो | I | चाँदी (सिल्वर) | $\mathrm{Ag}$ |
| कैल्सियम | $\mathrm{Ca}$ | आय | $\mathrm{Fe}$ | सोडियम | $\mathrm{Na}$ |
| कार्बन | $\mathrm{C}$ | सीसा | $\mathrm{Pb}$ | सल्फर | $\mathrm{S}$ |
| क्लोरीन | $\mathrm{Cl}$ | मैग्नीी | Mg | यूरेनियम | $\mathrm{U}$ |
| कोबाल्ट | Co | नियॉन | $\mathrm{Ne}$ | जिंक | $\mathrm{Zn}$ |
(जब कभी आप तत्वों का अध्ययन करें, तो आपके संदर्भ के लिए उपरोक्त सारणी दी गई है। इस पूरी सारणी को एक बार में याद करने की आवश्यकता नहीं है। समय-समय पर एवं बार-बार उपयोग करते रहने से आप स्वतः ही इन प्रतीकों को निर्मित करना सीख जाएँगे।) हम यहाँ पर एक यौगिक, कार्बन मोनोक्साइड $(\mathrm{CO})$ का उदाहरण लेते हैं, जो कार्बन एवं ऑक्सीजन द्वारा निर्मित होता है। प्रायोगिक तौर पर यह निरीक्षित किया गया कि $3 \mathrm{~g}$ कार्बन तथा $4 \mathrm{~g}$ ऑक्सीजन के संयोजन से कार्बन मोनोक्साइड निर्मित हुई है। दूसरे शब्दों में कहा जा सकता है कि कार्बन अपने $4 / 3$ गुणा अधिक
द्रव्यमान वाले ऑक्सीजन के साथ संयुक्त होती है। मान लीजिए, हम परमाणु द्रव्यमान की इकाई को एक कार्बन परमाणु द्रव्यमान के बराबर मानते हैं तो कार्बन परमाणु को $1.0 \mathrm{u}$ तथा ऑक्सीजन परमाणु द्रव्यमान को $1.33 \mathrm{u}$ निर्दिष्ट करेंगे। (प्रारंभ में परमाणु द्रव्यमान को $\mathrm{amu}$ द्वारा संक्षेप में लिखते थे, लेकिन आजकल IUPAC के नवीनतम अनुमोदन द्वारा इसको ’ $u$ ‘-यूनीफाइड द्रव्यमान द्वारा प्रदर्शित करते हैं।) लेकिन द्रव्यमानों की इकाई को यथासंभव पूर्णांक या लगभग पूर्णांक में व्यक्त करना अधिक सुविधाजनक होता है। आगे चलकर वैज्ञानिकों ने परमाणु द्रव्यमानों की भिन्न-भिन्न इकाइयों के बारे में विचार व्यक्त किए। वैज्ञानिक जब विभिन्न परमाणु द्रव्यमानों की इकाइयों के बारे में शोधरत थे तो उन्होंने प्रारंभ में प्रकृतिजन्य ऑक्सीजन परमाणु के द्रव्यमान के $1 / 16$ भाग को इकाई के रूप में लिया। दो कारणों से इसे सुसंगत समझा गया:
- ऑक्सीजन अनेक तत्वों के साथ अभिक्रिया करके यौगिक बनाता है।
- इस परमाणु द्रव्यमान इकाई द्वारा अधिकांश तत्वों के परमाणु द्रव्यमान पूर्णांक में प्राप्त होते हैं। तथापि, 1961 में परमाणु द्रव्यमानों को ज्ञात करने के लिए परमाणु द्रव्यमान इकाई कार्बन-12 समस्थानिक (आइसोटोप) को मानक संदर्भ के रूप में सार्वभौमिक रूप से स्वीकार किया गया था। कार्बन- 12 समस्थानिक के एक परमाणु द्रव्यमान के $1 / 12$ वें भाग को मानक परमाणु द्रव्यमान इकाई के रूप में लेते हैं। कार्बन- 12 समस्थानिक के एक परमाणु द्रव्यमान के सापेक्ष सभी तत्वों के परमाणु द्रव्यमान प्राप्त किए गए।
कल्पना कीजिए कि एक फल विक्रेता बिना मानक भार के फल बेच रहा है। वह एक तरबूज लेकर कहता है कि “इसका द्रव्यमान 12 इकाई है” ( 12 तरबूजीय इकाई अथवा 12 फल द्रव्यमान इकाई )। वह तरबूज के 12 बराबर टुकड़े करता है तथा पाता है कि उसके द्वारा बेचे जा रहे प्रत्येक फल का द्रव्यमान तरबूज के एक टुकड़े के द्रव्यमान के सापेक्ष है। जैसा कि चित्र 3.4 में दिखाया गया है, अब वह फलों को सापेक्ष फल द्रव्यमान इकाई (fmu) में बेचता है।
(a)
(b)
(d)
(c) चित्र 3.4 : (a) तरबूज (b) 12 टुकड़े (c) तरबूज का $1 / 12$ वाँ भाग (d) तरबूज के टुकड़ों का उपयोग करके वह फल विक्रेता फलों को कैसे तौल सकता है
किसी तत्व के सापेक्षिक परमाणु द्रव्यमान को उसके परमाणुओं के औसत द्रव्यमान का कार्बन-12 परमाणु के द्रव्यमान के $1 / 12$ वें भाग के अनुपात द्वारा परिभाषित किया जाता है।
| द्रव्यमान | |
|---|---|
| तत्व | परमाणु द्रव्यमान (u) |
| हाइड्रोजन | 1 |
| कार्बन | 12 |
| नाइट्रोजन | 14 |
| ऑक्सीजन | 16 |
| सोडियम | 23 |
| मैग्नीशियम | 24 |
| सल्फर | 32 |
| क्लोरीन | 35.5 |
| कैल्सियम | 40 |
3.2.3 परमाणु किस प्रकार अस्तित्व में रहते हैं?
अधिकांश तत्वों के परमाणु स्वतंत्र रूप से अस्तित्व में नहीं रह पाते। परमाणु अणु एवं आयन बनाते हैं। ये अणु अथवा आयन अत्यधिक संख्या में पुंजित होकर वह द्रव्य बनाते हैं, जिसे हम देख सकते हैं, अनुभव कर सकते हैं अथवा छू सकते हैं।
प्रशन
**1.**परमाणु द्रव्यमान इकाई को परिभाषित कीजिए।
**2.**एक परमाणु को आँखों द्वारा देखना क्यों संभव नहीं होता है?
3.3. अणु क्या है?
साधारणतया अणु ऐसे दो या दो से अधिक परमाणुओं का समूह होता है जो आपस में रासायनिक बंध द्वारा जुड़े होते हैं अथवा वे परस्पर आकर्षण बल के द्वारा कसकर जुड़े होते हैं। अणु को किसी तत्व अथवा यौगिक के उस सूक्ष्मतम कण के रूप में परिभाषित कर सकते हैं जो स्वतंत्र रूप से अस्तित्व में रह सकता है तथा जो उस यौगिक के सभी गुणधर्म को प्रदर्शित करता है। एक ही तत्व के परमाणु अथवा भिन्न-भिन्न तत्वों के परमाणु परस्पर संयोग करके अणु निर्मित करते हैं।
3.3.1 तत्वों के अणु
किसी तत्व के अणु एक ही प्रकार के परमाणुओं द्वारा संरचित होते हैं। आर्गन $(\mathrm{Ar})$, हीलियम $(\mathrm{He})$ इत्यादि जैसे अनेक तत्वों के अणु उसी तत्व के केवल एक परमाणु द्वारा निर्मित होते हैं। लेकिन अधिकांश अधातुओं में ऐसा नहीं होता है। उदाहरणार्थ, ऑक्सीजन अणु दो ऑक्सीजन परमाणुओं से बनता है, इसलिए इसे द्वि-परमाणुक अणु, $\mathrm{O} _{2}$ कहते हैं। यदि सामान्यतः 2 के स्थान पर 3 ऑक्सीजन परमाणु परस्पर संयोग करते हैं तो हमें ओजोन, $\mathrm{O} _{3}$ प्राप्त होता है। किसी अणु की संरचना में प्रयुक्त होने वाले परमाणुओं की संख्या को उस अणु की परमाणुकता कहते हैं।
धातु अणुओं एवं कुछ अन्य तत्वों के अणुओं जैसे कि कार्बन के अणुओं की सरल संरचना नहीं होती है किंतु उनके अणुओं में असीमित परमाणु परस्पर बँधे होते हैं।
आइए, कुछ तत्वों की परमाणुकता का अवलोकन करें।
सारणी 3.3: कुछ तत्वों की परमाणुकता
| तत्वों के प्रकार |
नाम | परमाणुकता |
|---|---|---|
| अधातु | आर्गन | एक परमाणुक |
| हीलियम | एक परमाणुक | |
| ऑक्सीजन | द्विपरमाणुक | |
| हाइड्रोजन | द्विपरमाणुक | |
| नाइट्रोजन | द्विपरमाणुक | |
| क्लोरीन | द्विपरमाणुक | |
| फॉस्फोरस | चतुर्परमाणुक | |
| सल्फर | बहुपरमाणुक | |
| धातु | सोडियम | एक परमाणुक |
| आयरन | एक परमाणुक | |
| ऐलुमिनियम | एक परमाणुक | |
| काॅपर | एक परमाणुक |
3.3.2 यौगिकों के अणु
भिन्न-भिन्न तत्वों के परमाणु एक निश्चित अनुपात में परस्पर जुड़कर यौगिकों के अणु निर्मित करते हैं। सारणी 3.4 में कुछ उदाहरण दिए गए हैं।
सारणी 3.4: कुछ यौगिकों के अणु
| यौगिक | संयुक्त तत्व | द्रव्यमान अनुपात |
|---|---|---|
| जल | हाइड्रोजन, ऑक्सीजन | $1: 8$ |
| अमोनिया | नाइट्रोजन, हाइड्रोजन | $14: 3$ |
| कार्बन | ||
| डाइऑक्साइड | कार्बन, ऑक्सीजन | $3: 8$ |
क्रियाकलाप 3.2
अणुओं में विद्यमान परमाणुओं के द्रव्यमान अनुपातों के लिए सारणी 3.4 एवं तत्वों के परमाणु द्रव्यमानों के लिए सारणी 3.2 देखिए। सारणी 3.4 में दिए गए यौगिकों के अणुओं में प्रयुक्त तत्वों के परमाणुओं की संख्या के अनुपातों को ज्ञात कीजिए।
जल अणु में प्रयुक्त परमाणुओं की संख्याओं का अनुपात निम्न प्रकार से प्राप्त किया जा सकता है :
| तत्व | द्रव्यमान अनुपात |
परमाणु द्रव्यमान (u) |
द्रव्यमान अनु पात/ परमाणु द्र व्यमान |
सरलतम अनुपात |
|---|---|---|---|---|
| H | 1 | 1 | $\frac{1}{1}=1$ | 2 |
| O | 8 | 16 | $\frac{8}{16}=\frac{1}{2}$ | 1 |
- इस प्रकार, जल अणु में प्रयुक्त परमाणुओं की संख्याओं का अनुपात $\mathrm{H}: \mathrm{O}=2: 1$
3.3.3 आयन क्या होता है?
धातु एवं अधातु युक्त यौगिक आवेशित कणों से बने होते हैं। इन आवेशित कणों को आयन कहते हैं। आयन एक आवेशित परमाणु अथवा परमाणुओं का एक ऐसा समूह होता है जिस पर नेट आवेश विद्यमान होता है। यह ऋण आवेश अथवा धन आवेश होता है। ऋण आवेशित आयन को ऋणायन (anion) तथा धन आवेशित आयन को धनायन (cation) कहते हैं। उदाहरण के लिए सोडियम क्लोराइड $(\mathrm{NaCl})$ को लीजिए। इसमें धनात्मक सोडियम आयन $\left(\mathrm{Na}^{+}\right)$तथा ॠणात्मक क्लोराइड आयन $\left(\mathrm{Cl}^{-}\right)$संघटक कण के रूप में विद्यमान होते हैं। परमाणुओं के समूह जिन पर नेट आवेश विद्यमान हो उसे बहुपरमाणुक आयन कहते हैं (सारणी 3.6)। हम आयनों के निर्माण के बारे में अध्याय-4 में और अधिक जानकारी प्राप्त करेंगे।
सारणी 3.5: कुछ आयनिक यौगिक
3.4 रासायनिक सूत्र लिखना
किसी यौगिक का रासायनिक सूत्र उसके संघटक का प्रतीकात्मक निरूपण होता है। भिन्न-भिन्न यौगिकों के रासायनिक सूत्र सरलतापूर्वक लिखे जा सकते हैं। इस अभ्यास के लिए हमें तत्वों के प्रतीकों एवं उनकी संयोजन क्षमताएँ ज्ञात होनी चाहिए।
किसी तत्व की संयोजन शक्ति (अथवा क्षमता) उस तत्व की संयोजकता कहलाती है। किसी एक तत्व के परमाणु दूसरे तत्व के परमाणुओं के साथ किस प्रकार से संयुक्त होकर एक रासायनिक यौगिक का निर्माण करते हैं? इसको ज्ञात करने के लिए संयोजकता का उपयोग करते हैं। किसी तत्व के परमाणु की संयोजकता को उसके हाथ अथवा भुजा के रूप में विचार किया जा सकता है।
सारणी 3.6: कुछ सामान्य, सरल एवं बहुपरमाणुक आयन
| आयन का नाम |
संकेत | अधात्विक तत्व |
संकेत | बहुपरमाणुक आयन |
संकेत |
|---|---|---|---|---|---|
| सोडियम | $\mathrm{Na}^{+}$ | हाइड्रोजन | $\mathrm{H}^{+}$ | अमोनियम | $\mathrm{NH}_4^{+}$ |
| पोटैशियम | $\mathrm{K}^{+}$ | हाइड्राइड | $\mathrm{H}^{-}$ | हाइड्रॉक्साइड | $\mathrm{OH}^{-}$ |
| सिल्वर | $\mathrm{Ag}^{+}$ | क्लोराइड | $\mathrm{Cl}^{-}$ | नाइट्रेट | $\mathrm{NO}_3^{-}$ |
| कॉपर (I)* | $\mathrm{Cu}^{+}$ | ब्रोमाइड | $\mathrm{Br}$ | हाइड्रोजन | |
| आयोडाइड | $\mathrm{I}^{-}$ | कार्बोनेट | $\mathrm{HCO}_3^{-}$ | ||
| मैग्नीशियम | $\mathrm{Mg}^{2+}$ | ऑक्साइड | $\mathrm{O}^{2-}$ | कार्बोनेट | $\mathrm{CO}_3^{2-}$ |
| कैल्सियम | $\mathrm{Ca}^{2+}$ | सल्फाइड | $\mathrm{S}^{2-}$ | सल्फाइट | $\mathrm{SO}_3^{2-}$ |
| जिक | $\mathrm{Zn}^{2+}$ | सल्फेट | $\mathrm{SO}_4^{2-}$ | ||
| आयरन (II)* | $\mathrm{Fe}^{2+}$ | ||||
| कॉपर (II)* | $\mathrm{Cu}^{2+}$ | ||||
| ऐलुमिनियम | $\mathrm{Al}^{3+}$ | नाइट्राइड | $\mathrm{N}^{3-}$ | फॉस्फेट | $\mathrm{PO}_4^{3-}$ |
| आयरन (III)* | $\mathrm{Fe}^{3+}$ |
- कुछ तत्व एक से अधिक संयोजकता दर्शाते हैं। संयोजकता को कोष्ठकों में रोमन संख्यांक द्वारा प्रदर्शित करते हैं।
मानव की दो भुजाएँ तथा ऑक्टोपस की आठ भुजाएँ होती हैं। ऑक्टोपस की एक भुजा मानव की केवल एक भुजा पकड़ सकती है। यदि एक ऑक्टोपस को कुछ मानवों को इस प्रकार से पकड़ना है कि उसकी आठ भुजाएँ मानवों की दोनों भुजाओं के साथ प्रयुक्त हो जाएँ तो आपके विचार में ऑक्टोपस कुल कितने मानवों को पकड़ सकता है? अब ऑक्टोपस को $O$ तथा मानव को $H$ से निरूपित कीजिए। क्या आप इस संयोजन के लिए सूत्र लिख सकते हैं? क्या आप $\mathrm{OH} _{4}$ को सूत्र के रूप में प्राप्त करेंगे? पादांक 4 ऑक्टोपस द्वारा पकड़े गए मानवों की संख्या को प्रदर्शित करता है।
सारणी 3.6 में कुछ सरल एवं बहुपरमाणुक आयनों की संयोजकताएँ दी गई हैं। संयोजकता के बारे में हम और अधिक जानकारी अगले अध्याय में प्राप्त करेंगे। रासायनिक सूत्र लिखते समय आपको निम्न नियमों का पालन करना चाहिए:
- आयन की संयोजकता अथवा आवेश संतुलित होना चाहिए।
- जब एक यौगिक किसी धातु एवं अधातु के संयोग से निर्मित होता है तो धातु के नाम अथवा उसके प्रतीक को रासायनिक सूत्र में पहले लिखते हैं। उदाहरणार्थः कैल्सियम ऑक्साइड $(\mathrm{CaO})$, सोडियम क्लोराइड $(\mathrm{NaCl})$, आयरन सल्फाइड (FeS), कॉपर ऑक्साइड $(\mathrm{CuO}) \ldots$ इत्यादि, जहाँ पर ऑक्सीजन, क्लोरीन, सल्फर अधातुएँ हैं तथा उन्हें दायीं तरफ लिखते हैं, जबकि कैल्सियम, सोडियम, आयरन एवं कॉपर धातुएँ हैं तथा उन्हें बायीं तरफ लिखते हैं।
- बहुपरमाणुक आयनों द्वारा निर्मित यौगिकों में आयनों की संख्या दर्शाने के लिए आयन को कोष्ठक में लिखकर आयनों की संख्या कोष्ठक के बाहर लिखते हैं उदाहरण $\mathrm{Mg}(\mathrm{OH}) _{2}$ है। यदि बहुपरमाणुक आयन की संख्या 1 हो तो कोष्ठक
की आवश्यकता नहीं होती। उदाहरण के लिए
$\mathrm{NaOH}$ ।
3.4.1 सरल यौगिकों के सूत्र
दो भिन्न-भिन्न तत्वों से निर्मित सरलतम यौगिकों को द्विअंगी यौगिक कहते हैं। सारणी 3.6 में कुछ आयनों की संयोजकताएँ दी गई हैं। आप इनका उपयोग यौगिकों के सूत्रों को लिखने के लिए कर सकते हैं।
आण्विक यौगिकों के रासायनिक सूत्र लिखते समय हम पहले संघटक तत्वों के प्रतीक लिखकर उनकी संयोजकताएँ लिखते हैं जैसा कि निम्न उदाहरणों में दर्शाया गया है। तत्पश्चात् संयोजित परमाणुओं की संयोजकताओं को क्रॉस करके (cross over) अणु सूत्र लिखते हैं।
उदाहरण
1. हाइड्रोजन क्लोराइड का सूत्र
अतः हाइड्रोजन क्लोराइड का रासायनिक सूत्र $\mathrm{HCl}$ है।
2. हाइड्रोजन सल्फाइड के सूत्र
अतः हाइड्रोजन सल्फाइड का सूत्र : $\mathrm{H} _{2} \mathrm{~S}$ है।
3. कार्बन टेट्राक्लोराइड का सूत्र
अतः कार्बन टेट्राक्लोराइड का सूत्र : $\mathrm{CCl} _{4}$ है।
मैग्नीशियम क्लोराइड का सूत्र ज्ञात करने के लिए पहले हम धनायन का संकेत $\left(\mathrm{Mg}^{2+}\right)$ लिखते हैं इसके पश्चात् ऋणायन क्लोराइड $\left(\mathrm{Cl}^{-}\right)$लिखते हैं। तत्पश्चात् इनके आवेशों को आड़ा-तिरछा (criss-cross) करके हम सूत्र प्राप्त करते हैं।
4. मैग्नीशियम क्लोराइड का सूत्र
अतः सूत्र : $\mathrm{MgCl} _{2}$
इस प्रकार हम देखते हैं कि मैग्नीशियम क्लोराइड के अणु में दो क्लोराइड आयन $\left(\mathrm{Cl}^{-}\right)$प्रत्येक मैग्नीशियम आयन $\left(\mathrm{Mg}^{2+}\right)$ के लिए होता है। इस प्रकार के आयनिक यौगिकों में धनात्मक तथा ॠणात्मक आवेशों का संतुलन होना चाहिए तथा संपूर्ण संरचना उदासीन होनी चाहिए। ध्यान देने योग्य बात यह है कि इस प्रकार के सूत्रों में आयनों के आवेशों को नहीं दर्शाया जाता है।
5. ऐलुमिनियम ऑक्साइड का सूत्र:
6. कैल्सियम ऑक्साइड का सूत्र:
तत्व प्रतीक $\mathrm{Ca}$
आवेश
यहाँ पर दोनों तत्वों की संयोजकताएँ समान हैं। अतः इसका सूत्र $\mathrm{Ca} _{2} \mathrm{O} _{2}$ प्राप्त होगा, किंतु हम इस सूत्र को $\mathrm{CaO}$ के रूप में सरलीकृत करते हैं।
बहुपरमाणुक आयनों वाले यौगिक
सोडियम नाइट्रेट का सूत्र:
अतः सूत्र : $\mathrm{NaNO} _{3}$
कैल्सियम हाइड्रॉक्साइड का सूत्र:
अतः सूत्र : $\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}) _{2}$
ध्यान देने योग्य बात यह है कि कैल्सियम हाइड्रॉक्साइड का सूत्र $\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}) _{2}$ है न कि $\mathrm{CaOH} _{2}$ । जब सूत्र में एक ही आयन के दो या दो से अधिक आयन होते हैं तो हम उनके लिए कोष्ठक का उपयोग करते हैं। यहाँ पर $\mathrm{OH}$ को कोष्ठक में रखकर पादांक 2 लगाते हैं जो यह निर्दिष्ट करता है कि एक कैल्सियम परमाणु के साथ दो हाइड्रोक्सील समूह जुड़े हैं। दूसरे शब्दों में, कैल्सियम हाइड्रॉक्साइड में ऑक्सीजन एवं हाइड्रोजन प्रत्येक के दो-दो परमाणु हैं।
सोडियम कार्बोनेट का सूत्र:
उपरोक्त उदाहरण में कोष्ठक के उपयोग की आवश्यकता नहीं है क्योंकि बहुपरमाणुक आयन कार्बोनेट का एक ही आयन विद्यमान है।
अमोनियम सल्फेट का सूत्र:
प्रशन
1. निम्न के सूत्र लिखिए:
(i) सोडियम ऑक्साइड
(ii) ऐलुमिनियम क्लोराइड
(iii) सोडियम सल्फाइड
(iv) मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड
2. निम्नलिखित सूत्रों द्वारा प्रदर्शित यौगिकों के नाम लिखिए :
(i) $\mathrm{Al} _{2}\left(\mathrm{SO} _{4}\right) _{3}$
(ii) $\mathrm{CaCl} _{2}$
(iii) $\mathrm{K} _{2} \mathrm{SO} _{4}$
(iv) $\mathrm{KNO} _{3}$
(v) $\mathrm{CaCO} _{3}$
3. रासायनिक सूत्र का क्या तात्पर्य है?
4. निम्न में कितने परमाणु विद्यमान हैं?
(i) $\mathrm{H} _{2} \mathrm{~S}$ अणु एवं
(ii) $\mathrm{PO} _{4}^{3-}$ आयन?
3.5 आण्विक द्रव्यमान
3.5.1 आण्विक द्रव्यमान
अनुभाग 3.2.2 में हम परमाणु द्रव्यमान की अवधारणा की विवेचना कर चुके हैं। इस अवधारणा का विस्तार आण्विक द्रव्यमानों का परिकलन करने के लिए किया जा सकता है। किसी पदार्थ का आण्विक द्रव्यमान उसके सभी संघटक परमाणुओं के द्रव्यमानों का योग होता है। इस प्रकार यह अणु का वह सापेक्ष द्रव्यमान है जिसे परमाणु द्रव्यमान इकाई $(\mathrm{u})$ द्वारा व्यक्त किया जाता है।
उदाहरण 3.1 (a) जल $\left(\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}\right)$ के सापेक्ष आण्विक द्रव्यमान का परिकलन कीजिए।
(b) नाइट्रिक अम्ल $\left(\mathrm{HNO} _{3}\right)$ के आण्विक द्रव्यमान का परिकलन कीजिए।
हल :
(a) हाइड्रोजन का परमाणु द्रव्यमान $=1 \mathrm{u}$ तथा ऑक्सीजन का परमाणु द्रव्यमान $=16 \mathrm{u}$ है। अतः जल, जिसमें दो परमाणु हाइड्रोजन एवं एक परमाणु ऑक्सीजन होते हैं, का आण्विक द्रव्यमान
$$ =2 \times 1+1 \times 16=18 \mathrm{u} \text { होगा। } $$
(b) नाइट्रिक अम्ल $\left(\mathrm{HNO} _{3}\right)$ के आण्विक द्रव्यमान $=\mathrm{H}$ का परमाणु द्रव्यमान $+\mathrm{N}$ का परमाणु द्रव्यमान $+3 \times \mathrm{O}$ का परमाणु द्रव्यमान हाइड्रोजन का परमाणु द्रव्यमान $=1 \mathrm{u}$ ऑक्सीजन का परमाणु द्रव्यमान $=16 \mathrm{u}$ तथा नाइट्रोजन का परमाणु द्रव्यमान $=14 \mathrm{u}$ होता है। अतः $\mathrm{HNO} _{3}$ का आण्विक द्रव्यमान
$$ =1 \mathrm{u}+14 \mathrm{u}+3 \times 16 \mathrm{u}=63 \mathrm{u} \text { है। } $$
3.5.2 सूत्र इकाई द्रव्यमान
किसी पदार्थ का सूत्र इकाई द्रव्यमान उसके सभी संघटक परमाणुओं के परमाणु द्रव्यमानों का योग होता है। सूत्र द्रव्यमान का परिकलन उसी प्रकार से करते हैं जिस प्रकार से हमने आण्विक द्रव्यमान का परिकलन किया है। अंतर केवल इतना होता है कि यहाँ पर हम उस पदार्थ के लिए सूत्र इकाई का उपयोग करते हैं, जिसके संघटक आयन होते हैं। उदाहरणार्थः सोडियम क्लोराइड (इकाई सूत्र $\mathrm{NaCl}$ )। इसके इकाई सूत्र द्रव्यमान का परिकलन निम्न प्रकार से करते हैं: $1 \times 23 \mathrm{u}+1 \times 35.5 \mathrm{u}=58.5 \mathrm{u}$
उदाहरण 3.2 $ \mathrm{CaCl} _{2}$ के सूत्र इकाई द्रव्यमान का परिकलन कीजिए
हल:
कैल्सियम क्लोराइड का सूत्र इकाई द्रव्यमान $\mathrm{CaCl} _{2}$ है। कैल्सियम (Ca) का परमाणु द्रव्यमान $=40 \mathrm{u}$ क्लोरीन (Cl) का परमाणु द्रव्यमान $=35.5 \mathrm{u}$ अत: $\mathrm{CaCl} _{2}$ का सूत्र इकाई द्रव्यमान $=1 \times 40 \mathrm{u}+2 \times 35.5 \mathrm{u}=40 \mathrm{u}+71 \mathrm{u}$
$=111 \mathrm{u}$
प्रशन
1. निम्न यौगिकों के आण्विक द्रव्यमान का परिकलन कीजिए:
$\mathrm{H} _{2}, \mathrm{O} _{2}, \mathrm{Cl} _{2}, \mathrm{CO} _{2}, \mathrm{CH} _{4}, \mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6}, \mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{4}, \mathrm{NH} _{3}$ एवं $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{OH}$
2. निम्न यौगिकों के सूत्र इकाई द्रव्यमान का परिकलन कीजिए:
$\mathrm{ZnO}, \mathrm{Na} _{2} \mathrm{O}$ एवं $\mathrm{K} _{2} \mathrm{CO} _{3}$
दिया गया है:
$\mathrm{Zn}$ का परमाणु द्रव्यमान $=65 \mathrm{u}$
$\mathrm{Na}$ का परमाणु द्रव्यमान $=23 \mathrm{u}$
$K$ का परमाणु द्रव्यमान $=39 \mathrm{u}$,
$C$ का परमाणु द्रव्यमान $=12 \mathrm{u}$ एवं
$O$ का परमाणु द्रव्यमान $=16 \mathrm{u}$ है।
- किसी भी अभिक्रिया में, अभिकारकों और उत्पादों के द्रव्यमानों का योग अपरिवर्तनीय होता है। यह द्रव्यमान के संरक्षण का नियम कहलाता है।
- एक शुद्ध रासायनिक यौगिक में तत्व हमेशा द्रव्यमानों के निश्चित अनुपात में विद्यमान होते हैं, इसे निश्चित अनुपात का नियम कहते हैं।
- तत्व का सूक्ष्मतम कण परमाणु होता है, जो स्वतंत्र रूप से प्रायः नहीं रह सकता है तथा उसके सभी रासायनिक गुणधर्मों को प्रदर्शित करता है।
- अणु, किसी तत्व अथवा यौगिक का वह सूक्ष्मतम कण होता है जो सामान्य दशाओं में स्वतंत्र रह सकता है। यह पदार्थ के सभी गुणधर्मों को प्रदर्शित करता है।
- किसी यौगिक का रासायनिक सूत्र उसके सभी संघटक तत्वों तथा संयोग करने वाले सभी तत्वों के परमाणुओं की संख्या को दर्शाता है।
- परमाणुओं का वह पुंज जो आयन की तरह व्यवहार करता है, उसे बहुपरमाणुक आयन कहते हैं। उनके ऊपर एक निश्चित आवेश होता है।
- आण्विक यौगिकों के रासायनिक सूत्र प्रत्येक तत्व की संयोजकता द्वारा निर्धारित होते हैं।
- आयनिक यौगिकों में, प्रत्येक आयन के ऊपर आवेशों की संख्या द्वारा यौगिक के रासायनिक सूत्र ज्ञात करते हैं।
अभ्यास
1. $0.24 \mathrm{~g}$ ऑक्सीजन एवं बोरॉन युक्त यौगिक के नमूने में विश्लेषण द्वारा यह पाया गया कि उसमें $0.096 \mathrm{~g}$ बोरॉन एवं $0.144 \mathrm{~g}$ ऑक्सीजन है। उस यौगिक के प्रतिशत संघटन का भारात्मक रूप में परिकलन कीजिए।
2. $3.0 \mathrm{~g}$ कार्बन $8.00 \mathrm{~g}$ ऑक्सीजन में जलकर $11.00 \mathrm{~g}$ कार्बन डाइऑक्साइड निर्मित करता है। जब $3.00 \mathrm{~g}$ कार्बन को $50.00 \mathrm{~g}$ ऑक्सीजन में जलाएँगे तो कितने ग्राम कार्बन डाइऑक्साइड का निर्माण होगा? आपका उत्तर रासायनिक संयोजन के किस नियम पर आधारित होगा?
3. बहुपरमाणुक आयन क्या होते हैं? उदाहरण दीजिए।
4. निम्नलिखित के रासायनिक सूत्र लिखिए :
(a) मैग्नीशियम क्लोराइड
(b) कैल्सियम क्लोराइड
(c) कॉपर नाइट्रेट
(d) ऐलुमिनियम क्लोराइड
(e) कैल्सियम कार्बोनेट
5. निम्नलिखित यौगिकों में विद्यमान तत्वों का नाम दीजिए:
(a) बुझा हुआ चूना
(b) हाइड्रोजन ब्रोमाइड
(c) बेकिंग पाउडर (खाने वाला सोडा)
(d) पोटैशियम सल्फेट
6. निम्नलिखित पदार्थों के मोलर द्रव्यमान का परिकलन कीजिए:
(a) एथाइन, $\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{2}$
(b) सल्फर अणु, $\mathrm{S} _{8}$
(c) फॉस्फोरस अणु, $\mathrm{P} _{4}$ (फॉस्फोरस का परमाणु द्रव्यमान = 31)
(d) हाइड्रोक्लोरिक अम्ल, $\mathrm{HCl}$
(e) नाइट्रिक अम्ल, $\mathrm{HNO} _{3}$
समूह क्रियाकलाप
सूत्र लिखने के लिए एक खेल खेलिए
उदाहरण 1 : तत्वों के संकेतों एवं संयोजकताओं से युक्त अलग-अलग ताश के पत्ते बनाइए। प्रत्येक विद्यार्थी दो ताश के पत्तों को जिसमें से एक संकेत युक्त ताश के पत्ते को दाँए हाथ में तथा दूसरा संयोजकता युक्त ताश के पत्ते को बाँए हाथ में लीजिए। संकेतों को ध्यान में रखते हुए विद्यार्थी अपने ताश के पत्तों को अन्योन्य (crisscross) (तिर्यक) करके यौगिक का सूत्र बनाएँगे।
उदाहरण 2 : सूत्र लिखने का एक सस्ता मॉडलः दवाओं के उस पैक को जिसमें से गोलियाँ निकाल ली गई हों, लीजिए। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, तत्व की संयोजकता के अनुसार उसे समूह में काट लीजिए। अब आप एक प्रकार के आयन को दूसरे प्रकार के आयनों में लगाकर सूत्र बना सकते हैं।
उदाहरणार्थ :
2 सोडियम आयनों को एक सल्फेट आयन पर लगाइए। अतः सूत्र $\mathrm{Na} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ होगा। अपने आप कीजिए : सोडियम फॉस्फेट का सूत्र लिखिए। $0965 \mathrm{CH} 04$
