अध्याय 1: रसायन विज्ञान की कुछ मूल अवधारणाएँ (Some Basic Concepts of Chemistry)

परिचय

**रसायन विज्ञान** विज्ञान की वह शाखा है जो पदार्थ के संघटन, गुणों और संरचना तथा उसमें होने वाले परिवर्तनों का अध्ययन करती है। यह अध्याय रसायन विज्ञान के अध्ययन के लिए आवश्यक कुछ मूलभूत अवधारणाओं से परिचय कराता है। हम पदार्थ के वर्गीकरण, उसकी प्रकृति, मापन की इकाइयों, रासायनिक संयोजन के नियमों, डाल्टन के परमाणु सिद्धांत, परमाणु और आणविक द्रव्यमान, मोल अवधारणा, और रासायनिक समीकरणों के स्तुईकियोमीट्री पर चर्चा करेंगे।

1.1 रसायन विज्ञान का महत्व और क्षेत्र

रसायन विज्ञान हमारे दैनिक जीवन के लगभग हर पहलू में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह दवाओं, उर्वरकों, प्लास्टिक, ईंधन और अन्य औद्योगिक रसायनों के उत्पादन का आधार है। पर्यावरण संबंधी मुद्दों, जैसे प्रदूषण नियंत्रण, और नए उन्नत सामग्री के विकास में भी इसकी महत्वपूर्ण भूमिका है।

1.2 पदार्थ की प्रकृति (Nature of Matter)

**पदार्थ** वह सब कुछ है जिसका द्रव्यमान होता है और जो स्थान घेरता है। पदार्थ को भौतिक अवस्था के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है:

• **ठोस (Solids):** निश्चित आयतन और आकार होता है। कण कसकर बंधे होते हैं।
• **द्रव (Liquids):** निश्चित आयतन होता है लेकिन निश्चित आकार नहीं। यह पात्र का आकार ले लेता है। कण एक-दूसरे के सापेक्ष गति कर सकते हैं।
• **गैस (Gases):** न तो निश्चित आयतन होता है और न ही निश्चित आकार। यह पात्र के पूरे आयतन को घेर लेता है। कण स्वतंत्र रूप से गति करते हैं।

पदार्थ को रासायनिक संघटन के आधार पर भी वर्गीकृत किया जा सकता है:

• **शुद्ध पदार्थ (Pure Substances):** निश्चित संघटन होता है।
  • **तत्व (Elements):** ऐसे पदार्थ जिन्हें साधारण रासायनिक विधियों से दो या दो से अधिक भिन्न पदार्थों में विभाजित नहीं किया जा सकता (जैसे हाइड्रोजन, ऑक्सीजन)।
  • **यौगिक (Compounds):** दो या दो से अधिक तत्वों के निश्चित अनुपात में रासायनिक संयोजन से बने पदार्थ (जैसे जल, कार्बन डाइऑक्साइड)।
• **मिश्रण (Mixtures):** दो या दो से अधिक पदार्थों का कोई भी अनुपात में भौतिक संयोजन।
  • **समांगी मिश्रण (Homogeneous Mixtures):** पूरे मिश्रण में समान संघटन होता है (जैसे नमक का घोल, हवा)।
  • **विषमांगी मिश्रण (Heterogeneous Mixtures):** पूरे मिश्रण में संघटन समान नहीं होता है (जैसे रेत और नमक का मिश्रण, तेल और पानी)।

1.3 पदार्थ के गुण और उनका मापन (Properties of Matter and Their Measurement)

**भौतिक गुण (Physical Properties):** वे गुण जिन्हें पदार्थ की पहचान या संघटन में कोई परिवर्तन किए बिना मापा या देखा जा सकता है (जैसे रंग, गंध, गलनांक, क्वथनांक, घनत्व)।

**रासायनिक गुण (Chemical Properties):** वे गुण जो रासायनिक परिवर्तन में पदार्थ के व्यवहार का वर्णन करते हैं (जैसे अम्लता, ज्वलनशीलता, अभिक्रियाशीलता)।

मापन की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (International System of Units - SI)

वैज्ञानिक मापन के लिए SI इकाइयों का उपयोग किया जाता है। कुछ मूल SI इकाइयाँ हैं:

• लंबाई: मीटर (m)
• द्रव्यमान: किलोग्राम (kg)
• समय: सेकंड (s)
• विद्युत धारा: एम्पियर (A)
• तापमान: केल्विन (K)
• पदार्थ की मात्रा: मोल (mol)
• ज्योति तीव्रता: कैंडिला (cd)

**परिशुद्धता (Precision)** और **यथार्थता (Accuracy)** मापन की गुणवत्ता से संबंधित हैं। परिशुद्धता समान मापन की निकटता है, जबकि यथार्थता वास्तविक मान के मापन की निकटता है।

**सार्थक अंक (Significant Figures):** किसी मापन में वे अंक जो निश्चित रूप से ज्ञात होते हैं, साथ में पहला अनिश्चित अंक। रासायनिक गणनाओं में परिणामों को उचित सार्थक अंकों तक व्यक्त करना महत्वपूर्ण है।

1.4 रासायनिक संयोजन के नियम (Laws of Chemical Combinations)

रासायनिक अभिक्रियाओं के आधार पर पांच नियम दिए गए हैं:

• **द्रव्यमान संरक्षण का नियम (Law of Conservation of Mass):** किसी भी रासायनिक या भौतिक परिवर्तन में, द्रव्यमान को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है।
• **निश्चित अनुपात का नियम (Law of Definite Proportions):** एक दिए गए रासायनिक यौगिक में, तत्वों का द्रव्यमान के अनुसार हमेशा एक निश्चित अनुपात होता है।
• **गुणित अनुपात का नियम (Law of Multiple Proportions):** यदि दो तत्व एक से अधिक यौगिक बनाने के लिए संयोजन करते हैं, तो एक तत्व के द्रव्यमान जो दूसरे तत्व के निश्चित द्रव्यमान के साथ संयोजित होते हैं, छोटे पूर्ण संख्याओं के अनुपात में होते हैं।
• **गे-लुसैक का गैसीय आयतन का नियम (Gay-Lussac's Law of Gaseous Volumes):** जब गैसें रासायनिक अभिक्रिया में संयोजन करती हैं या उत्पन्न होती हैं, तो वे एक सरल अनुपात में आयतन में ऐसा करती हैं, बशर्ते सभी गैसें समान तापमान और दाब पर हों।
• **आवोग्रादो का नियम (Avogadro's Law):** समान तापमान और दाब पर, गैसों के समान आयतन में अणुओं की संख्या समान होती है।

1.5 डाल्टन का परमाणु सिद्धांत (Dalton's Atomic Theory)

जॉन डाल्टन ने 1808 में अपना परमाणु सिद्धांत प्रस्तुत किया, जिसमें कहा गया है:

• पदार्थ अविभाज्य परमाणुओं से बना होता है।
• एक ही तत्व के सभी परमाणुओं में समान द्रव्यमान और समान गुण होते हैं।
• विभिन्न तत्वों के परमाणुओं में भिन्न द्रव्यमान और भिन्न गुण होते हैं।
• यौगिक तब बनते हैं जब विभिन्न तत्वों के परमाणु एक निश्चित अनुपात में संयोजन करते हैं।
• रासायनिक अभिक्रियाओं में परमाणु पुनर्व्यवस्थित होते हैं, न तो बनाए जाते हैं और न ही नष्ट होते हैं।

हालांकि इस सिद्धांत में कुछ संशोधन हुए हैं (जैसे परमाणुओं की विभाज्यता), इसने आधुनिक रसायन विज्ञान की नींव रखी।

1.6 परमाणु द्रव्यमान और आणविक द्रव्यमान (Atomic Mass and Molecular Mass)

**परमाणु द्रव्यमान (Atomic Mass):** किसी तत्व के एक परमाणु का द्रव्यमान। इसे कार्बन-12 परमाणु के द्रव्यमान के $1/12$ वें भाग के सापेक्ष व्यक्त किया जाता है, जिसे **परमाणु द्रव्यमान इकाई (atomic mass unit - amu)** या एकीकृत द्रव्यमान इकाई (u) कहते हैं। 1 amu = $1.66056 \times 10^{-24}$ g।

**औसत परमाणु द्रव्यमान (Average Atomic Mass):** एक तत्व के समस्थानिकों की प्राकृतिक प्रचुरता को ध्यान में रखते हुए उसके परमाणुओं का औसत द्रव्यमान।

**आणविक द्रव्यमान (Molecular Mass):** एक अणु में उपस्थित सभी परमाणुओं के परमाणु द्रव्यमानों का योग।

**सूत्र द्रव्यमान (Formula Mass):** आयनिक यौगिकों के लिए उपयोग किया जाता है (जो अणुओं के रूप में मौजूद नहीं होते हैं), इसमें यौगिक के सूत्र इकाई में सभी परमाणुओं के परमाणु द्रव्यमानों का योग होता है।

1.7 मोल अवधारणा और मोलर द्रव्यमान (Mole Concept and Molar Mass)

**मोल (Mole):** पदार्थ की वह मात्रा जिसमें $6.022 \times 10^{23}$ कण (परमाणु, अणु, आयन या अन्य कण) होते हैं। इस संख्या को **आवोग्रादो स्थिरांक ($N_A$)** कहते हैं।

**मोलर द्रव्यमान (Molar Mass):** एक पदार्थ के एक मोल का ग्राम में द्रव्यमान। यह संख्यात्मक रूप से परमाणु द्रव्यमान या आणविक द्रव्यमान (amu में) के बराबर होता है, लेकिन इकाई ग्राम प्रति मोल (g/mol) होती है।

1.8 रासायनिक समीकरण और स्तुईकियोमीट्री (Chemical Equations and Stoichiometry)

**रासायनिक समीकरण (Chemical Equation):** एक रासायनिक अभिक्रिया का प्रतीकात्मक प्रतिनिधित्व, जिसमें अभिकारकों और उत्पादों के रासायनिक सूत्र और उनके गुणांक शामिल होते हैं। एक संतुलित रासायनिक समीकरण द्रव्यमान संरक्षण के नियम का पालन करता है।

**स्तुईकियोमीट्री (Stoichiometry):** रासायनिक अभिक्रिया में अभिकारकों और उत्पादों की मात्राओं (द्रव्यमान या मोल) के बीच मात्रात्मक संबंध का अध्ययन। यह रासायनिक गणनाओं का आधार है।

**सीमांत अभिकर्मक (Limiting Reagent):** वह अभिकारक जो रासायनिक अभिक्रिया में पूरी तरह से उपभोग हो जाता है और बनने वाले उत्पादों की मात्रा को सीमित करता है।

**अभिक्रिया की लब्धि (Yield of Reaction):** वास्तविक रूप से प्राप्त उत्पाद की मात्रा और सैद्धांतिक रूप से गणना की गई अधिकतम मात्रा के बीच का अनुपात। $$ \text{प्रतिशत लब्धि (Percentage Yield)} = \frac{\text{वास्तविक लब्धि (Actual Yield)}}{\text{सैद्धांतिक लब्धि (Theoretical Yield)}} \times 100\% $$

1.9 विलयनों की सांद्रता को व्यक्त करना (Expressing Concentrations of Solutions)

विलयन (solution) दो या दो से अधिक घटकों का समांगी मिश्रण होता है। सांद्रता व्यक्त करने के विभिन्न तरीके हैं:

• **द्रव्यमान प्रतिशत (Mass Percent):** घटक का द्रव्यमान / विलयन का कुल द्रव्यमान $\times 100\%$।
• **मोल अंश (Mole Fraction - $x_i$):** घटक के मोलों की संख्या / विलयन में कुल मोलों की संख्या।
• **मोलरता (Molarity - M):** विलेय के मोलों की संख्या / विलयन का आयतन (लीटर में)। $$ M = \frac{\text{विलेय के मोल}}{\text{विलयन का आयतन (L)}} $$
• **मोललता (Molality - m):** विलेय के मोलों की संख्या / विलायक का द्रव्यमान (किलोग्राम में)। $$ m = \frac{\text{विलेय के मोल}}{\text{विलायक का द्रव्यमान (kg)}} $$

मोलरता तापमान पर निर्भर करती है (क्योंकि आयतन तापमान के साथ बदलता है), जबकि मोललता तापमान से स्वतंत्र होती है (क्योंकि द्रव्यमान तापमान से स्वतंत्र होता है)।