मोल संकल्पना, रससमीकरणमिति व सांद्रता पद
गणना-एकांक के रूप में मोल
एक मोल 6.022 × 10²³ कण है — दर्जन से अधिक रहस्यमय कुछ नहीं, केवल अत्यधिक बड़ा। इसकी उपयोगिता यह है कि एक मोल का ग्राम में द्रव्यमान संख्यात्मक रूप से परमाणु द्रव्यमान इकाई में परमाणु या आण्विक द्रव्यमान के बराबर होता है, अतः प्रयोगशाला की तुला कण-गणक बन जाती है। 2019 से मोल कार्बन-12 के 12 ग्राम के संदर्भ से नहीं, बल्कि ठीक 6.02214076 × 10²³ इकाइयों के रूप में परिभाषित है, परंतु परीक्षा-अंकगणित हेतु आप 6.022 × 10²³ ही प्रयोग करते हैं।
| आपको दिया है | किससे भाग या गुणा करें | हल किया उदाहरण |
|---|---|---|
| पदार्थ का द्रव्यमान | मोलर द्रव्यमान M — n = m/M | 9 ग्राम H₂O → 9/18 = 0.5 मोल |
| कणों की संख्या | आवोगाद्रो संख्या Nₐ — n = N/Nₐ | 3.011 × 10²³ परमाणु → 0.5 मोल |
| STP पर गैस का आयतन | प्रति मोल 22.4 ली (1 बार, 273 K पर 22.7 ली) | STP पर 11.2 ली O₂ → 0.5 मोल |
| विलयन का आयतन व मोलरता | n = M × V(लीटर) | 2 M NaOH का 250 मिली → 0.5 मोल |
दो व्युत्पन्न विचार तुरंत निकलते हैं। मूलानुपाती सूत्र परमाणुओं का सरलतम पूर्णांक अनुपात है, जो प्रत्येक प्रतिशत को परमाणु द्रव्यमान से और तत्पश्चात् सबसे छोटे भागफल से भाग देकर प्राप्त होता है। आण्विक सूत्र मूलानुपाती सूत्र को n = आण्विक द्रव्यमान / मूलानुपाती सूत्र द्रव्यमान से गुणा करके मिलता है। ऐसीटिक अम्ल CH₃COOH का मूलानुपाती सूत्र CH₂O (द्रव्यमान 30) व आण्विक द्रव्यमान 60 है, अतः n = 2 — फॉर्मेल्डिहाइड HCHO व ग्लूकोस का भी वही मूलानुपाती सूत्र, और ठीक इसीलिए अकेला मूलानुपाती सूत्र किसी यौगिक की पहचान कभी नहीं कर सकता।
सीमांत अभिकर्मक व प्रतिशत लब्धि
जब दोनों अभिकारक द्रव्यमान द्वारा दिए हों, तो एक पहले समाप्त होकर अभिक्रिया रोक देता है। वही सीमांत अभिकर्मक है, और सम्पूर्ण लब्धि उसी से गणना होती है; दूसरा आधिक्य में है और उसका भाग अछूता बचा रहता है। विधि कभी नहीं बदलती: दोनों द्रव्यमानों को मोल में बदलें, प्रत्येक मोल-संख्या को उसके रससमीकरणमितीय गुणांक से भाग दें, और छोटा भागफल सीमांत अभिकर्मक बताता है।
- पहले समीकरण संतुलित करें — असंतुलित समीकरण ग़लत गुणांक और अतः ग़लत सीमांत अभिकर्मक देता है।
- प्रत्येक दिए गए द्रव्यमान या आयतन को मोल में बदलें।
- प्रत्येक मोल-संख्या को संतुलित समीकरण में उसके गुणांक से भाग दें।
- सबसे छोटा अनुपात सीमांत अभिकर्मक है। केवल उसी से उत्पाद-मोल निकालें।
- प्रश्न की माँग अनुसार उत्पाद-मोल को ग्राम या लीटर में बदलें।
सीमांत अभिकर्मक से गणित द्रव्यमान सैद्धांतिक लब्धि है। वास्तव में जो पृथक् होता है वह वास्तविक लब्धि है, और प्रतिशत लब्धि = वास्तविक/सैद्धांतिक × 100। प्रश्न जिस असममिति का उपयोग करते हैं उसे ध्यान दें: सही पहचाने गए सीमांत अभिकर्मक हेतु प्रतिशत लब्धि 100 % से अधिक कभी नहीं हो सकती, अतः 100 % से ऊपर उत्तर संकेत है कि आपने ग़लत सीमांत अभिकर्मक चुना या असंतुलित समीकरण प्रयोग किया।
सांद्रता पद — और कौन ताप-सुरक्षित है
| पद | परिभाषा | ताप पर निर्भर? |
|---|---|---|
| मोलरता M | विलयन के प्रति लीटर विलेय के मोल | हाँ — गरम करने पर आयतन फैलता है, अतः M घटती है |
| मोललता m | विलायक के प्रति किलोग्राम विलेय के मोल | नहीं — द्रव्यमान T से नहीं बदलता |
| मोल अंश x | एक घटक के मोल / कुल मोल | नहीं — मोल-संख्याओं का शुद्ध अनुपात |
| द्रव्यमान प्रतिशत | विलेय द्रव्यमान / विलयन द्रव्यमान × 100 | नहीं |
| ppm | विलेय द्रव्यमान / विलयन द्रव्यमान × 10⁶ | नहीं |
| नॉर्मलता N | प्रति लीटर ग्राम तुल्यांक = M × n-गुणक | हाँ, मोलरता के ही कारण से |
दो संबंध याद रखने योग्य हैं क्योंकि वे एक-चरण प्रश्नों के रूप में आते हैं। तनुकरण: M₁V₁ = M₂V₂, क्योंकि विलायक जोड़ने से आयतन बदलता है परंतु विलेय के मोलों की संख्या नहीं। एक ही विलेय के दो विलयन मिलाना: M_अंतिम = (M₁V₁ + M₂V₂)/(V₁ + V₂) — एक भारित औसत, अतः उत्तर सदा M₁ व M₂ के बीच होना चाहिए। यदि आपकी मिश्रित मोलरता दोनों में से बड़ी से ऊपर आती है, तो आपने वहाँ जोड़ दिया है जहाँ औसत निकालना था।
मोललता को मोलरता में बदलने हेतु आपको विलयन का घनत्व चाहिए, क्योंकि "विलायक के प्रति किग्रा" व "विलयन के प्रति लीटर" के बीच सेतु द्रव्यमान ÷ घनत्व है। M_s मोलर द्रव्यमान के m मोल विलेय युक्त 1 किग्रा विलायक लें: विलयन द्रव्यमान (1000 + m·M_s) ग्राम है, उसका आयतन वह घनत्व d (ग्राम/मिली) से भाग है, और मोलरता m को लीटर में उस आयतन से भाग है। जो प्रश्न आपको घनत्व देते हैं वे लगभग सदा यही रूपांतरण पूछ रहे हैं।
तुल्यांक संकल्पना व रेडॉक्स संतुलन
तुल्यांक संकल्पना इसलिए है कि अनुमापन समीकरण संतुलित किए बिना हल हो सकें। तुल्यता-बिंदु पर अम्ल के ग्राम तुल्यांक = क्षार के ग्राम तुल्यांक, अर्थात् N₁V₁ = N₂V₂। मोलरता से संबंध N = M × n-गुणक है, जहाँ n-गुणक गिनता है कि एक सूत्र-इकाई अभिक्रियाशीलता की कितनी इकाइयाँ देती है।
| स्पीशीज़ प्रकार | n-गुणक है | उदाहरण |
|---|---|---|
| अम्ल | प्रतिस्थापनीय H⁺ की संख्या | H₂SO₄ → 2, HCl → 1, H₃PO₃ → 2 (केवल दो अम्लीय हैं) |
| क्षार | प्रतिस्थापनीय OH⁻ की संख्या | NaOH → 1, Ca(OH)₂ → 2 |
| अवक्षेपण में लवण | धनायन या ऋणायन पर कुल आवेश | Na₂CO₃ → 2, AlCl₃ → 3 |
| ऑक्सीकारक या अपचायक | प्रति सूत्र-इकाई प्राप्त या त्यागे इलेक्ट्रॉन | अम्ल में KMnO₄ → 5, उदासीन में → 3, क्षार में → 1 |
रेडॉक्स समीकरण संतुलित करने हेतु आयन-इलेक्ट्रॉन (अर्ध-अभिक्रिया) विधि विश्वसनीय व यांत्रिक है। अभिक्रिया को ऑक्सीकरण व अपचयन अर्धों में बाँटें; O व H के अतिरिक्त सभी परमाणु संतुलित करें; H₂O जोड़कर O संतुलित करें; H⁺ जोड़कर (अम्ल में) या H की कमी वाले पक्ष में H₂O व दूसरे में OH⁻ जोड़कर (क्षार में) H संतुलित करें; इलेक्ट्रॉनों से आवेश संतुलित करें; अर्धों को गुणा करें कि इलेक्ट्रॉन रद्द हों; जोड़ें। अंतिम जाँच सदा वही दो संरक्षण हैं — परमाणु संतुलित व कुल आवेश संतुलित — और यदि कोई भी विफल हो, तो उत्तर ग़लत है चाहे वह कितना ही विश्वसनीय दिखे।
मुख्य बिंदु
- मोल 6.022 × 10²³ कण है; उस तक द्रव्यमान (÷M), कण (÷Nₐ), गैस-आयतन (STP पर ÷22.4 ली) या M × V से पहुँचें।
- H₂SO₄ के एक मोल में 7 मोल परमाणु हैं — सदा पढ़ें कि अणु, परमाणु या आयन गिने जा रहे हैं।
- सीमांत अभिकर्मक: मोल की तुलना नहीं, मोल को गुणांक से भाग दें। सबसे छोटा भागफल लब्धि सीमित करता है।
- 100 % से ऊपर प्रतिशत लब्धि का अर्थ ग़लत सीमांत अभिकर्मक या असंतुलित समीकरण — उसे त्रुटि-संकेत मानें।
- समान T व P पर गैसों हेतु आयतन अनुपात मोल अनुपात हैं, अतः आप सीधे लीटर में कार्य कर सकते हैं।
- मोलरता व नॉर्मलता ताप से बदलती हैं; मोललता, मोल अंश, द्रव्यमान प्रतिशत व ppm नहीं।
- एक ही विलेय मिलाने से भारित औसत मिलता है, अतः M_अंतिम सदा M₁ व M₂ के बीच होती है।
- KMnO₄ का n-गुणक अम्ल में 5, उदासीन में 3 व प्रबल क्षार में 1 है — माध्यम तय करता है, अभिकर्मक नहीं।
अभ्यास प्रश्न (8)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
H₂SO₄ के 1 मोल में उपस्थित परमाणुओं की कुल संख्या है:
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उत्तर: C — 7 × 6.022 × 10²³
एक सूत्र-इकाई में 2 H, 1 S व 4 O — कुल सात परमाणु — हैं, अतः यौगिक के एक मोल में 7 मोल परमाणु, अर्थात् 7 × 6.022 × 10²³ हैं। प्रथम विकल्प इसलिए दिया गया कि अभ्यर्थी "1 मोल" पढ़ते ही सहज-प्रतिवर्त से एक आवोगाद्रो संख्या उत्तर दे देते हैं, यह जाँचे बिना कि प्रश्न ने अणु गिने या परमाणु।1 मोल N₂ को 2 मोल H₂ के साथ मिलाकर अमोनिया बनाई जाती है। सीमांत अभिकर्मक व बने NH₃ के मोल हैं:
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उत्तर: B — H₂, 1.33 मोल
N₂ + 3H₂ → 2NH₃। गुणांकों से भाग देने पर N₂ हेतु 1/1 = 1 व H₂ हेतु 2/3 = 0.67 मिलता है, अतः हाइड्रोजन सीमांत है। H₂ के दो मोल 2 × (2/3) = 1.33 मोल NH₃ बनाते हैं, 0.67 मोल N₂ अनभिकृत छोड़ते हुए। लुभावना "N₂, 2 मोल" कच्ची मोल-संख्याओं की तुलना से आता है, जो ग़लती से कम मोल वाले अभिकर्मक को सीमांत दिखाता है, यद्यपि विधि को तीन गुना हाइड्रोजन चाहिए।कौन-सा सांद्रता पद ताप से स्वतंत्र है?
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उत्तर: C — मोललता
मोललता विलायक के प्रति किलोग्राम विलेय के मोल हैं, और विलयन गरम करने पर द्रव्यमान नहीं बदलता, अतः मान स्थिर है। मोलरता व नॉर्मलता दोनों विलयन के प्रति लीटर परिभाषित हैं, और गरम करने पर आयतन फैलता है, अतः ताप बढ़ने पर दोनों घटती हैं। ठीक इसीलिए अणुसंख्य गुणधर्म — जो गरम या ठंडा करते हुए मापे जाते हैं — मोलरता के बजाय मोललता से परिभाषित हैं।प्रबल क्षारीय माध्यम में ऑक्सीकारक के रूप में कार्यरत KMnO₄ का n-गुणक है:
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उत्तर: C — 1
प्रबल क्षार में MnO₄⁻ केवल मैंगनेट MnO₄²⁻ तक अपचयित होता है, अतः Mn +7 से +6 जाता है और एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है, n = 1 देते हुए। उत्तर 5 अम्लीय माध्यम (+7 → +2) का है और 3 उदासीन या मंद क्षारीय माध्यम (+7 → MnO₂, +4) का। चूँकि उसी अभिकर्मक के तीन भिन्न तुल्यांकी द्रव्यमान हैं, प्रश्न में नामित माध्यम कभी सजावटी नहीं होता।Fe₃O₄ में Fe की औसत ऑक्सीकरण संख्या है:
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उत्तर: C — +8/3
चार ऑक्सीजन 4 × (−2) = −8 देती हैं, अतः तीन लोहों का योग +8 होना चाहिए और औसत +8/3 है। भिन्न त्रुटि नहीं है: Fe₃O₄ एक मिश्रित ऑक्साइड है जिसमें एक Fe²⁺ व दो Fe³⁺ आयन हैं, और एक +2 का दो +3 के साथ औसत ठीक 8/3 है। विकल्प +2 व +3 व्यक्तिगत मान हैं, जो FeO व Fe₂O₃ हेतु पृथक् रूप से सही हैं परंतु यहाँ पूछे गए औसत हेतु नहीं।समान T व P पर 10 ली CO को 10 ली O₂ के साथ मिलाकर पूर्णतः जलाया जाता है। समान T व P पर मापा कुल अंतिम आयतन है:
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उत्तर: B — 15 ली
2CO + O₂ → 2CO₂, अतः 10 ली CO को केवल 5 ली O₂ चाहिए और वह 10 ली CO₂ देती है, 5 ली O₂ अप्रयुक्त छोड़ते हुए: कुल 15 ली। उत्तर 10 ली उन अभ्यर्थियों हेतु जाल है जो भूल जाते हैं कि बची आधिक्य ऑक्सीजन अभी भी आयतन घेरती गैस है, और 20 ली मानता है कि आयतन संरक्षित है, जो केवल तब ठीक है जब दोनों पक्षों की मोल-संख्याएँ संयोगवश बराबर हों।एक यौगिक में द्रव्यमानानुसार 40 % C, 6.7 % H व 53.3 % O है और आण्विक द्रव्यमान 180 है। उसका आण्विक सूत्र है:
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उत्तर: C — C₆H₁₂O₆
परमाणु द्रव्यमानों से भाग देने पर 40/12 = 3.33, 6.7/1 = 6.7, 53.3/16 = 3.33 मिलता है; सबसे छोटे से भाग देने पर C : H : O = 1 : 2 : 1, अतः मूलानुपाती सूत्र CH₂O है, द्रव्यमान 30। तब n = 180/30 = 6 और आण्विक सूत्र C₆H₁₂O₆ है। विकल्प CH₂O स्वयं मूलानुपाती सूत्र है, जो मानक जाल है — वही मूलानुपाती सूत्र फॉर्मेल्डिहाइड व ऐसीटिक अम्ल पर भी लगता है, अतः आण्विक द्रव्यमान दिए जाने पर वह उत्तर कभी नहीं हो सकता।0.5 M HCl के 100 मिली को 0.1 M HCl के 400 मिली के साथ मिलाया जाता है। परिणामी विलयन की मोलरता है:
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उत्तर: C — 0.18 M
कुल मोल = 0.5 × 0.100 + 0.1 × 0.400 = 0.050 + 0.040 = 0.090 मोल, 0.500 ली में, अर्थात् 0.18 M। चूँकि मिलाना भारित औसत है, उत्तर 0.1 M व 0.5 M के बीच होना चाहिए — जो तुरंत 0.60 M (मोलरताएँ जोड़कर प्राप्त) व 0.09 M (मोल-संख्या को मोलरता समझ लेना) को बाहर कर देता है।