National Year 13 Chemistry

अध्याय: 3

1. 3.1 Physical chemistry

3.1.8 Thermodynamics · 3.1.9 Rate equations · 3.1.10 Equilibrium constant Kp for homogeneous systems · 3.1.11 Electrode potentials and electrochemical cells · 3.1.12 Acids and bases

स्वतः प्रवर्तिता, एन्ट्रॉपी और गिब्स ऊर्जा – स्वतः प्रक्रम बिना बाहरी मदद के अपने-आप होता है (तेज़ या धीमा)। केवल ΔH से इसका पता नहीं चलता: बर्फ़ ऊष्मा लेकर भी अपने-आप पिघलती है। एन्ट्रॉपी S बताती है कि ऊर्जा और पदार्थ कितने बिखरे हैं; ΔS = q_rev/T। द्वितीय नियम: हर स्वतः परिवर्तन में ΔS_कुल = ΔS_निकाय + ΔS_परिवेश > 0; साम्य पर शून्य। तृतीय नियम: 0 K पर पूर्ण क्रिस्टल की एन्ट्रॉपी शून्य। गिब्स ऊर्जा G = H − TS दोनों को जोड़ती है: स्थिर T और p पर ΔG = ΔH − TΔS; ΔG < 0 तो स्वतः, ΔG = 0 तो साम्य। साम्य स्थिरांक से संबंध: ΔG° = −RT ln K = −2.303 RT log K।
समाकलित वेग समीकरण: शून्य और प्रथम कोटि – समाकलित वेग समीकरण सांद्रता को समय से जोड़ते हैं। शून्य कोटि: [R] = [R]₀ − kt (सीधी रेखा), t½ = [R]₀/2k। प्रथम कोटि: k = (2.303/t) log([R]₀/[R]); ln[R] बनाम t सीधी रेखा, ढलान −k; t½ = 0.693/k, जो शुरुआती मात्रा पर निर्भर नहीं।
रासायनिक साम्य: Kc, Kp, Q और गिब्स ऊर्जा – बंद बर्तन में उत्क्रमणीय अभिक्रिया दोनों ओर चलती है। कुछ देर बाद अग्र और पश्च अभिक्रिया का वेग बराबर हो जाता है। मात्राएँ बदलना बंद हो जाती हैं, पर अभिक्रिया रुकती नहीं। इसे गतिक साम्य कहते हैं। साम्य पर उत्पादों और अभिकारकों का अनुपात (हर एक अपने गुणांक की घात में) एक निश्चित संख्या होता है, जिसे साम्य स्थिरांक K कहते हैं। Kc सांद्रता से, Kp आंशिक दाब से, और Kp = Kc(RT)^Δn। शुद्ध ठोस और द्रव K में नहीं लिखे जाते। Q < K हो तो अभिक्रिया आगे, Q > K हो तो पीछे जाती है। ΔG° = −RT ln K।
गैल्वेनी सेल और नेर्न्स्ट समीकरण – गैल्वेनी सेल अपने-आप होने वाली रेडॉक्स अभिक्रिया की ऊर्जा को बिजली में बदलता है। ऐनोड (−) पर ऑक्सीकरण और कैथोड (+) पर अपचयन होता है। हर इलेक्ट्रोड का विभव मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (0 V) से नापा जाता है। E°सेल = E°कैथोड − E°ऐनोड। नेर्न्स्ट समीकरण E = E° − (0.059/n) log Q (298 K पर) किसी भी सांद्रता पर वोल्टेज बताता है, और ΔG = −nFE वोल्टेज को ऊर्जा से जोड़ता है।
आयनिक साम्य: अम्ल, क्षारक, आयनन और pH – अम्ल और क्षारक की तीन परिभाषाएँ हैं: आरेनियस (पानी में H⁺ या OH⁻ देना), ब्रॉन्स्टेड–लोरी (प्रोटॉन दाता या ग्राही) और लुइस (इलेक्ट्रॉन-युग्म ग्राही या दाता)। प्रबल अम्ल-क्षारक पूरे आयनित होते हैं; दुर्बल थोड़े, और उनका साम्य Ka या Kb से लिखा जाता है। पानी भी थोड़ा आयनित होता है: 25 °C पर Kw = [H⁺][OH⁻] = 1.0 × 10⁻¹⁴। pH = −log[H⁺], pH + pOH = 14। दुर्बल वैद्युत-अपघट्य के लिए α ≈ √(K/C), यानी तनु करने पर α बढ़ता है (ओस्टवाल्ड तनुता नियम)। संयुग्मी युग्म के लिए Ka × Kb = Kw। दुर्बल अम्ल या क्षारक से बने लवण पानी से क्रिया करते हैं (जल-अपघटन)।

2. 3.2 Inorganic chemistry

3.2.4 Properties of Period 3 elements and their oxides · 3.2.5 Transition metals · 3.2.6 Reactions of ions in aqueous solution

आवर्त 3 के तत्व और उनके ऑक्साइड – आवर्त 3 (Na, Mg, Al, Si, P, S) के तत्व ऑक्सीजन में जलकर ऑक्साइड बनाते हैं। बाएँ से दाएँ ऑक्साइड आयनिक (Na₂O, MgO, Al₂O₃) से विशाल सहसंयोजी (SiO₂) और फिर छोटे अणु (P₄O₁₀, SO₂, SO₃) बन जाते हैं। यही संरचना उनका गलनांक और पानी, अम्ल व क्षार से व्यवहार तय करती है: बाएँ क्षारीय, बीच में उभयधर्मी Al₂O₃, दाएँ अम्लीय।
संक्रमण तत्व (d-ब्लॉक) – संक्रमण तत्व समूह 3 से 12 की d-ब्लॉक धातुएँ हैं। इनका आखिरी इलेक्ट्रॉन अंदर के (n−1)d कक्षक में जाता है। d-कक्षक आधे-अधूरे भरे होने से ये कई ऑक्सीकरण अवस्थाएँ, रंगीन आयन, चुंबकत्व (μ = √(n(n+2)) BM), अच्छा उत्प्रेरण और आसानी से मिश्रधातु बनाते हैं।
धातु-जलीय आयन: जलीय विलयन में अभिक्रियाएँ – पानी में धातु आयन को छह पानी के लिगैंड घेरते हैं: [M(H₂O)₆]²⁺ या [M(H₂O)₆]³⁺। 3+ आयन O–H बंध को ज़ोर से खींचता है, इसलिए H⁺ निकलता है और विलयन अधिक अम्लीय होता है। OH⁻, NH₃ या CO₃²⁻ डालने पर H⁺ एक-एक कर हटते हैं, और उदासीन हाइड्रॉक्साइड अवक्षेपित होता है। Al(OH)₃ अधिक OH⁻ में फिर घुल जाता है (उभयधर्मी); Cu(OH)₂ अधिक अमोनिया में लिगैंड प्रतिस्थापन से घुलता है। 2+ आयन कार्बोनेट से MCO₃ देते हैं, 3+ आयन हाइड्रॉक्साइड और CO₂ गैस।

3. 3.3 Organic chemistry

3.3.7 Optical isomerism · 3.3.8 Aldehydes and ketones · 3.3.9 Carboxylic acids and derivatives · 3.3.10 Aromatic chemistry · 3.3.11 Amines · 3.3.12 Polymers · 3.3.13 Amino acids, proteins and DNA · 3.3.14 Organic synthesis · 3.3.15 Nuclear magnetic resonance spectroscopy · 3.3.16 Chromatography

प्रकाशिक समावयवता: किरल केंद्र और प्रतिबिंबी रूप – प्रकाशिक समावयवी ऐसे त्रिविम समावयवी हैं जो एक-दूसरे के दर्पण प्रतिबिंब हैं पर एक-दूसरे पर ठीक नहीं बैठते। ये तब बनते हैं जब किसी कार्बन पर चार अलग समूह हों: किरल केंद्र। दोनों रूप (प्रतिबिंबी रूप या एनैन्टिओमर) के भौतिक और रासायनिक गुण एक जैसे हैं, बस वे समतल ध्रुवित प्रकाश को बराबर कोण से उलटी दिशाओं में घुमाते हैं और शरीर में अलग असर कर सकते हैं। 50 : 50 मिश्रण (रेसेमिक) प्रकाश को कुल मिलाकर नहीं घुमाता।
ऐल्डिहाइड और कीटोन: संरचना, बनाना और अभिक्रियाएँ – ऐल्डिहाइड और कीटोन दोनों में कार्बोनिल समूह C=O होता है। ऐल्डिहाइड में C=O वाले कार्बन पर कम से कम एक H होता है (−CHO)। कीटोन में उस कार्बन पर दो कार्बन समूह होते हैं (−CO−)। C=O बंध ध्रुवीय है: C थोड़ा धनात्मक, O थोड़ा ऋणात्मक। इसलिए इलेक्ट्रॉन से भरे कण (नाभिकस्नेही) कार्बन पर हमला करते हैं। यही एक बात ज़्यादातर अभिक्रियाएँ समझा देती है: HCN, NaHSO₃, ऐल्कोहॉल और अमोनिया व्युत्पन्नों का योग। ऐल्डिहाइड आसानी से ऑक्सीकृत होते हैं (टॉलेन्स, फेलिंग परीक्षण), कीटोन नहीं। C=O के बगल वाले कार्बन का H (α-H) थोड़ा अम्लीय होता है, इसी से ऐल्डोल संघनन होता है। जिन ऐल्डिहाइड में α-H नहीं, वे कैनिज़ारो अभिक्रिया देते हैं।
कार्बोक्सिलिक अम्ल: कार्बोक्सिल समूह, अम्लता और अभिक्रियाएँ – कार्बोक्सिलिक अम्ल में कार्बोक्सिल समूह −COOH होता है: एक ही कार्बन पर C=O और O−H। यह H⁺ दे सकता है, और बचा हुआ आयन (कार्बोक्सिलेट, −COO⁻) स्थिर होता है क्योंकि उसका ऋण आवेश दोनों ऑक्सीजन में बराबर बँटा होता है। इसी कारण ये फ़ीनॉल और ऐल्कोहॉल से ज़्यादा अम्लीय हैं (पर HCl जैसे खनिज अम्लों से कमज़ोर)। इलेक्ट्रॉन खींचने वाले समूह (Cl, F, NO₂) अम्ल को प्रबल बनाते हैं, इलेक्ट्रॉन धकेलने वाले (ऐल्किल) दुर्बल। इन्हें ऐल्कोहॉल, ऐल्डिहाइड या ऐल्किलबेंज़ीन के ऑक्सीकरण से, नाइट्राइल, एस्टर और ऐमाइड के जल-अपघटन से, या ग्रिन्यार अभिकर्मक और CO₂ से बनाते हैं। मुख्य अभिक्रियाएँ: NaHCO₃ से लवण (CO₂ के बुलबुले), एस्टरीकरण, ऐसिल क्लोराइड और ऐनहाइड्राइड बनना, ऐल्कोहॉल में अपचयन, विकार्बोक्सिलन और HVZ अभिक्रिया।
बेंज़ीन और ऐरोमैटिकता – बेंज़ीन (C₆H₆) छह sp² कार्बनों का चपटा वलय है। इसके छह π इलेक्ट्रॉन पूरे वलय में फैले हैं, इसलिए सभी C–C आबंध बराबर हैं और वलय बहुत स्थायी है। ऐसा वलय ऐरोमैटिक कहलाता है जब वह चक्रीय, समतलीय, पूर्ण संयुग्मित हो और उसमें 4n + 2 π इलेक्ट्रॉन हों (हकेल नियम)। बेंज़ीन योग की जगह इलेक्ट्रॉनस्नेही प्रतिस्थापन (नाइट्रीकरण, हैलोजनीकरण, सल्फ़ोनीकरण, फ़्रीडेल–क्राफ़्ट्स) पसंद करती है, क्योंकि इससे स्थायी वलय बचा रहता है। वलय पर पहले से लगा समूह तय करता है कि अगला समूह ऑर्थो/पैरा जाएगा या मेटा। बेंज़ीन और संगलित-वलय हाइड्रोकार्बन विषैले हैं और कैंसर कर सकते हैं।
ऐमीन: संरचना, नामकरण, बनाना, क्षारकता और अभिक्रियाएँ – ऐमीन यानी अमोनिया, जिसके एक, दो या तीन H की जगह कार्बन समूह लग गए। N पर एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म बचा रहता है, इसलिए ऐमीन क्षार हैं। N पर लगे C गिनो: 1, 2 या 3 → प्राथमिक, द्वितीयक, तृतीयक। बनाने के तरीके: नाइट्रो, नाइट्राइल या एमाइड का अपचयन, ऐल्किल हैलाइड + NH₃, गैब्रिएल (केवल 1°), हॉफमान ब्रोमेमाइड (एक C कम)। ऐल्किल समूह क्षारकता बढ़ाते हैं; ऐनिलीन का वलय घटाता है। मुख्य अभिक्रियाएँ: अम्ल से लवण, ऐसीटिलन, कार्बिलऐमीन परीक्षण, हिन्सबर्ग परीक्षण, नाइट्रस अम्ल और ऐनिलीन के वलय पर प्रतिस्थापन।
बहुलक (Polymers) – बहुलक एक विशाल अणु है जो कई छोटे अणुओं (एकलकों) को लंबी श्रृंखला में जोड़कर बनता है। योगात्मक बहुलकीकरण में C=C द्विबंध वाले एकलक खुलकर जुड़ते हैं और कुछ नहीं निकलता (एथीन → पॉलीएथीन)। संघनन बहुलकीकरण में दोनों सिरों पर क्रियाशील समूह वाले दो तरह के एकलक जुड़ते हैं और हर जोड़ पर पानी जैसा छोटा अणु निकलता है (नायलॉन, पॉलिएस्टर)। प्रकृति भी बहुलक बनाती है: स्टार्च, सेलुलोज़, प्रोटीन, DNA, रबर। अलग-अलग श्रृंखलाएँ थर्मोप्लास्टिक बनाती हैं जो पिघलकर पुनः चक्रित होते हैं; अनुप्रस्थ-बंधित श्रृंखलाएँ थर्मोसेट बनाती हैं जो कभी नहीं पिघलते। ज़्यादातर प्लास्टिक सड़ते नहीं, इसलिए कम इस्तेमाल, दोबारा इस्तेमाल और पुनः चक्रण ज़रूरी है।
प्रोटीन और एंज़ाइम: ऐमीनो अम्ल, पेप्टाइड बंध, संरचना और विकृतीकरण – प्रोटीन ऐमीनो अम्लों की लंबी शृंखलाएँ हैं। हर ऐमीनो अम्ल के एक कार्बन पर ऐमीनो समूह (–NH₂), अम्ल समूह (–COOH), एक हाइड्रोजन और एक पार्श्व समूह R होता है। एक का –COOH अगले के –NH₂ से पानी निकालकर जुड़ता है: यह पेप्टाइड बंध (–CO–NH–) है। ऐमीनो अम्लों का क्रम प्राथमिक संरचना; कुंडली और परत द्वितीयक; पूरा 3D मोड़ तृतीयक; कई शृंखलाएँ साथ में चतुर्धातुक संरचना। गर्मी, अम्ल या ऐल्कोहॉल मोड़ खोल देते हैं (विकृतीकरण)। एंज़ाइम ज़्यादातर प्रोटीन हैं जो शरीर की अभिक्रियाएँ तेज़ करते हैं।
कार्बनिक संश्लेषण – कार्बनिक संश्लेषण का मतलब है सरल प्रारंभिक पदार्थों से योजनाबद्ध अभिक्रियाओं की शृंखला द्वारा लक्ष्य अणु बनाना। हर चरण एक क्रियात्मक समूह बदलता है और उसके लिए सही अभिकर्मक और परिस्थितियाँ (ताप, उत्प्रेरक, विलायक, रिफ्लक्स या आसवन) चाहिए। यौगिकों के परिवार आपस में जुड़े हैं (ऐल्केन ↔ ऐल्कीन → हैलोऐल्केन → ऐल्कोहॉल → ऐल्डिहाइड/कीटोन → कार्बोक्सिलिक अम्ल → एस्टर; हैलोऐल्केन → ऐमीन या नाइट्राइल), इसलिए हम नक्शे के स्टेशनों की तरह इनके बीच चल सकते हैं। रसायनज्ञ लक्ष्य से उल्टा योजना बनाते हैं (रेट्रोसंश्लेषण), कम चरण, अधिक लब्धि और परमाणु दक्षता वाले मार्ग चुनते हैं, फिर अभिक्रिया करके उत्पाद को अलग, शुद्ध और जाँचते हैं।
NMR स्पेक्ट्रोस्कोपी: कार्बन-13 और प्रोटॉन NMR – नाभिकीय चुंबकीय अनुनाद (NMR) एक तेज़ चुंबक और रेडियो तरंगों से अणु में ¹H या ¹³C परमाणुओं के अलग-अलग परिवेश दिखाता है। हर परिवेश अपने रासायनिक विस्थापन δ (ppm) पर शिखर देता है, जो TMS (δ = 0) से नापा जाता है। ¹³C NMR में शिखरों की संख्या = कार्बन परिवेशों की संख्या। ¹H NMR में शिखर का क्षेत्रफल (समाकलन) H का अनुपात बताता है, और n + 1 नियम बताता है कि पड़ोसी कार्बन पर कितने H हैं।
क्रोमैटोग्राफी: चिपकने के आधार पर मिश्रण को अलग करना – क्रोमैटोग्राफी से मिश्रण के भाग अलग किए जाते हैं। इसमें हमेशा दो प्रावस्थाएँ होती हैं। स्थिर प्रावस्था (stationary phase) अपनी जगह रहती है, जैसे कागज़, सिलिका की परत या भरा हुआ कॉलम। गतिशील प्रावस्था (mobile phase) उसके ऊपर से चलती है, जैसे कोई विलायक या गैस। मिश्रण का हर पदार्थ स्थिर प्रावस्था से अलग-अलग मात्रा में चिपकता है। जो कम चिपकता है, वह तेज़ चलता है और आगे निकल जाता है। कागज़ और TLC में हम Rf मान निकालते हैं: धब्बे की दूरी ÷ विलायक अग्र की दूरी। कॉलम में सबसे कम चिपकने वाला पदार्थ सबसे पहले नीचे से निकलता है। गैस क्रोमैटोग्राफी (GC) में हर पदार्थ अपने अवधारण समय (retention time) पर निकलता है और चोटी (peak) का क्षेत्रफल उसकी मात्रा बताता है। इससे शुद्धता जाँचते हैं, पदार्थ पहचानते हैं और अलग करते हैं।