📁 सामान्य विज्ञान (General Science) 📖 रसायनशास्त्र: अणू रचना, मूलद्रव्यांचे आवर्ती वर्गीकरण व रासायनिक बंध (Atomic Structure & Periodic Table) ⏱️ 25 मिनिटे वाचन 👁️ 26 views
द्रव्याचे स्वरूप, अणूची रचना, मूलभूत कण (e⁻, p⁺, n⁰) व समस्थानिके (Isotopes & Atomic Structure)
द्रव्याचे स्वरूप, अणूची रचना, मूलभूत कण (e⁻, p⁺, n⁰) व समस्थानिके (Isotopes & Atomic Structure) या घटकामध्ये द्रव्याचे वर्गीकरण (Classification of Matter), अणूचे मूलभूत घटक कण (Sub, अणूअंक (Z) व अणुवस्तुमानांकांक (A) या मुद्द्यांचा सविस्तर समावेश आहे.
लेखक: Mahasarav Team• २५ ऑगस्ट, २०२६
१. द्रव्याचे वर्गीकरण (Classification of Matter)
जागा व्यापणाऱ्या आणि ज्याला वस्तुमान असते अशा प्रत्येक वस्तूला द्रव्य (Matter) म्हणतात. द्रव्याचे रासायनिक स्वरूपानुसार तीन प्रकारांत वर्गीकरण केले जाते:
- मूलद्रव्य (Element): एकाच प्रकारच्या अणूंनी बनलेला अतिशुद्ध पदार्थ, ज्याचे रासायनिक प्रक्रियेने आणखी साध्या घटकांत विघटन करता येत नाही. (उदा. सोने - Au, ऑक्सिजन - O, लोखंड - Fe, हायड्रोजन - H). निसर्गात एकूण ११८ मूलद्रव्ये ज्ञात आहेत (९४ नैसर्गिक + २४ मानवनिर्मित).
- संयुग (Compound): दोन किंवा अधिक मूलद्रव्ये ठराविक वस्तुमानी प्रमाणात रासायनिक बंधांनी एकत्र आल्यावर तयार होणारा पदार्थ. संयुगाचे गुणधर्म त्याच्या घटक मूलद्रव्यांपेक्षा पूर्णपणे भिन्न असतात. (उदा. पाणी - $H_2O$, साखर - $C_{12}H_{22}O_{11}$, मीठ - NaCl).
- मिश्रण (Mixture): दोन किंवा अधिक पदार्थ कोणत्याही प्रमाणात भौतिकदृष्ट्या एकत्र मिसळल्यास मिश्रण बनते (उदा. हवा, पितळ, माती, दूध, सरबत). यामध्ये घटकांचे मूळ गुणधर्म कायम राहतात.
- समांगी मिश्रण (Homogeneous): सर्वत्र एकसंध संघटन असणारे (उदा. पाण्यात विरघळलेले मीठ, हवा).
- विषमांगी मिश्रण (Heterogeneous): एकसंध नसणारे (उदा. पाणी व तेल, वाळू व पाणी).
२. अणू सिद्धांताचा ऐतिहासिक विकास (History of Atomic Theory)
- महर्षी कणाद (इ.स. पूर्व ६ वे शतक): जगातील सर्व वस्तू सूक्ष्म आणि अविभाज्य कणांनी बनलेल्या आहेत, त्यांना 'परमाणू' हे नाव दिले.
- जॉन डाल्टनचा अणुसिद्धांत (१८०३): आधुनिक काळातील पहिला अणुसिद्धांत. अणू हा भरीव, अविभाज्य आणि अविनाशी गोळा आहे.
- जे. जे. थॉमसन (१८९७ - प्लम पुडिंग मॉडेल / कलिंगड प्रारूप):
- कॅथोड किरण नलिकेच्या प्रयोगातून इलेक्ट्रॉनचा ($e^-$) शोध लावला.
- अणू हा धनप्रभारीत गोळा असून त्यात ऋणप्रभारीत इलेक्ट्रॉन रोवलेले असतात (कलिंगडातील बियांसारखे).
- अर्नस्ट रुदरफोर्डचा सुवर्णपत्री प्रयोग (१९११ - Nuclear Model):
- अतिपातळ सोन्याच्या पत्र्यावर अल्फा ($\alpha$) कणांचा मारा केला.
- शोध: अणूचे केंद्रक (Nucleus) धनप्रभारीत असून अणूचे जवळजवळ सर्व वस्तुमान केंद्रकात एकवटलेले असते. केंद्रकात प्रोटॉन ($p^+$) असतात आणि इलेक्ट्रॉन केंद्रकाभोवती फिरतात.
- नील्स बोहरचे अणू प्रारूप (१९१३): इलेक्ट्रॉन केंद्रकाभोवती विशिष्ट स्थिर ऊर्जा असणाऱ्या वर्तुळाकार कक्षांमध्येच (K, L, M, N कवचे) फिरतात.
- जेम्स चॅडविक (१९३२): अणू केंद्रकातील उदासीन कण न्यूट्रॉनचा ($n^0$) शोध लावला.
३. अणूचे मूलभूत घटक कण (Sub-atomic Particles)
| कण (Particle) | संकेत | शोधकर्ता (Discoverer) | विद्युत प्रभार (Charge) | वस्तुमान (Mass) | स्थान |
|---|---|---|---|---|---|
| प्रोटॉन (Proton) | $p^+$ | रुदरफोर्ड (१८८६ मध्ये गोल्डस्टीनने कॅनाल किरण शोधले) | धन प्रभार (+१) ($+1.6 \times 10^{-19} C$) | $1.672 \times 10^{-27} kg \approx 1$ a.m.u. | अणू केंद्रकात (Nucleus) |
| इलेक्ट्रॉन (Electron) | $e^-$ | जे. जे. थॉमसन (१८९७) | ऋण प्रभार (-१) ($-1.6 \times 10^{-19} C$) | $9.1 \times 10^{-31} kg \approx \frac{1}{1836}$ a.m.u. (नगण्य) | केंद्रकाबाहेरील कक्षांमध्ये |
| न्यूट्रॉन (Neutron) | $n^0$ | जेम्स चॅडविक (१९३२) | उदासीन / प्रभाररहित (०) | $1.675 \times 10^{-27} kg \approx 1$ a.m.u. (प्रोटॉनपेक्षा किंचित जड) | अणू केंद्रकात (हायड्रोजनमध्ये न्यूट्रॉन नसतो!) |
४. अणूअंक (Z) व अणुवस्तुमानांकांक (A)
- अणूक्रमांक / अणूअंक (Atomic Number - $Z$): अणू केंद्रकातील प्रोटॉनची एकूण संख्या (उदासीन अणूमध्ये प्रोटॉन संख्या = इलेक्ट्रॉन संख्या).
$$Z = \text{प्रोटॉन संख्या } (p) = \text{इलेक्ट्रॉन संख्या } (e)$$ - अणुवस्तुमानांकांक (Atomic Mass Number - $A$): अणू केंद्रकातील प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन यांच्या एकूण बेरजेला अणुवस्तुमानांकांक म्हणतात (या कणांना एकत्रितपणे 'न्युक्लिऑन - Nucleons' म्हणतात).
$$A = p + n \implies \text{न्यूट्रॉन संख्या } (n) = A - Z$$ - अणूचे चिन्ह लेखन: $_Z^A\text{X}$ (उदा. $_{6}^{12}\text{C}$ $\rightarrow$ $Z=६, A=१२, n=६$).
५. समस्थानिके, समभार व समन्यूट्रॉनी (Isotopes, Isobars & Isotones)
| संज्ञा | व्याख्या | उदाहरणे | MPSC / परीक्षेसाठी महत्त्वाचा संदर्भ |
|---|---|---|---|
| समस्थानिके (Isotopes) | ज्यांचे अणूअंक (Z) समान असतात, परंतु अणुवस्तुमानांकांक (A) भिन्न असतात. (रासायनिक गुणधर्म समान, भौतिक गुणधर्म भिन्न). |
• हायड्रोजनची ३ समस्थानिके: प्रोटियम ($^1_1H$), ड्युटेरियम ($^2_1H$ - जड पाणी $D_2O$), ट्रिटियम ($^3_1H$ - किरणोत्सारी). • कार्बन: $^{12}_6C, ^{14}_6C$. • युरेनियम: $^{235}_{92}U, ^{238}_{92}U$. |
• कार्बन-१४: कार्बन डेटिंगसाठी. • कोबाल्ट-६०: कर्करोग उपचारासाठी. • आयोडीन-१३१: गलगंड निदानासाठी. • युरेनियम-२३५: अणूभट्टी इंधन. |
| समभार (Isobars) | ज्यांचे अणुवस्तुमानांकांक (A) समान असतात, परंतु अणूअंक (Z) भिन्न असतात. (भिन्न मूलद्रव्ये, रासायनिक गुणधर्म भिन्न). |
• $^{40}_{18}\text{Ar}$ (अरगॉन), $^{40}_{19}\text{K}$ (पोटॅशियम), $^{40}_{20}\text{Ca}$ (कॅल्शियम). • $^{14}_6C$ आणि $^{14}_7N$. |
सर्व घटकांचे एकूण न्युक्लिऑन्स समान असतात. |
| समन्यूट्रॉनी (Isotones) | ज्यांमध्ये न्यूट्रॉन्सची संख्या समान ($A-Z$) असते, परंतु अणूअंक व अणुवस्तुमानांकांक दोन्ही भिन्न असतात. |
• $^{14}_6C$ ($n = 14-6 = 8$) आणि $^{16}_8O$ ($n = 16-8 = 8$). • $^{31}_{15}P$ ($n=16$) आणि $^{32}_{16}S$ ($n=16$). |
न्यूट्रॉन संख्या समान असणारे भिन्न अणू. |
६. इलेक्ट्रॉन संरूपण (Electronic Configuration)
कक्षांमधील कमाल इलेक्ट्रॉन क्षमता $2n^2$ सूत्रानुसार ठरते (येथे $n = \text{कक्षा क्रमांक}$):
- K कवच ($n=1$): कमाल २ इलेक्ट्रॉन.
- L कवच ($n=2$): कमाल ८ इलेक्ट्रॉन.
- M कवच ($n=3$): कमाल १८ इलेक्ट्रॉन.
- N कवच ($n=4$): कमाल ३२ इलेक्ट्रॉन.
- अष्टक नियम (Octet Rule): सर्वात बाहेरील कक्षेत (Valence shell) कमाल ८ इलेक्ट्रॉन असू शकतात (अपवाद: K कवचात २ इलेक्ट्रॉन - द्विक नियम). बाहेरील कक्षेत ८ इलेक्ट्रॉन असणारे मूलद्रव्य रासायनिकदृष्ट्या अतिस्थिर व निष्क्रीय असते (उदा. राजवायू/नोबल गॅसेस).
⚛️ अणूचे तीन मूलभूत कण (Subatomic Particles - Electron, Proton, Neutron)
अणू हा अविभाज्य नसून तो प्रामुख्याने तीन मूलकणांनी बनलेला असतो. अणूचे वस्तुमान पूर्णपणे केंद्रकात (प्रोटॉन + न्यूट्रॉन) केंद्रित असते:
| मूलकण (Particle) | शोधकर्ता व वर्ष | विद्युत प्रभार (Charge) | वस्तुमान (kg) व तुलना | अणूतील स्थान |
|---|---|---|---|---|
| इलेक्ट्रॉन (e⁻) | सर जे. जे. थॉमसन (१८९७ - कॅथोड किरण प्रयोग) | ऋण (-१) किंवा -१.६ × १०⁻¹⁹ C | ९.१ × १०⁻³¹ किग्रॅ (प्रोटॉनच्या १/१८४० पट, नगण्य) | केंद्रकाबाहेरील विविध कक्षांमध्ये परिभ्रमण करतो. |
| प्रोटॉन (p⁺) | अर्नेस्ट रुदरफोर्ड (१९११ - सुवर्णपत्री प्रयोग) | धन (+१) किंवा +१.६ × १०⁻¹⁹ C | १.६७२ × १०⁻²⁷ किग्रॅ (हायड्रोजन अणूइतके) | केंद्रकात (Nucleus) स्थिर असतो. |
| न्यूट्रॉन (n⁰) | जेम्स चॅडविक (१९३२ - बेरिलियमवर आघात) | प्रभाररहित (० - उदासीन) | १.६७४ × १०⁻²⁷ किग्रॅ (सर्वात जड मूलकण) | केंद्रकात प्रोटॉन्ससोबत असतो. (अपवाद: सामान्य हायड्रोजन अणूत न्यूट्रॉन नसतो). |
🏥 किरणोत्सारी समस्थानिके व त्यांचे वैद्यकीय-औद्योगिक उपयोग (Applications of Radioisotopes)
कार्बन-१४ (C-14):
जीवाश्म, जुनी हाडे व प्राचीन वनस्पतींचे वय ठरवण्यासाठी कार्बन डेटिंग (Carbon Dating) पद्धतीत वापर.
कोबाल्ट-६० (Co-60):
कर्करोगाच्या (Cancer) पेशी नष्ट करण्यासाठी रेडिएशन थेरपीमध्ये वापर.
आयोडीन-१३१ (I-131):
थायरॉईड ग्रंथीचे विकार व गलगंड (Goitre) रोगाच्या निदानासाठी व उपचारासाठी.
सोडियम-२४ (Na-24):
रक्तवाहिन्यांमधील रक्ताची गुठळी (Blood clot) शोधण्यासाठी व रक्ताभिसरण तपासणीसाठी.
फॉस्फरस-३२ (P-32):
ल्युकेमिया (रक्ताचा कर्करोग) उपचारासाठी व वनस्पतींच्या खत शोषणाचा अभ्यास करण्यासाठी.
युरेनियम-२३५ (U-235):
अणुभट्टीमध्ये केंद्रकीय विखंडनाद्वारे वीज निर्मितीसाठी आण्विक इंधन म्हणून.
👮♂️ पोलीस भरती व सरळसेवा 'गोल्डन' वन-लाइनर तथ्ये (Atomic Structure Facts)
📌 अणूचा शोध / आद्य अणुसिद्धांत: जॉन डाल्टन (१८०३).
📌 अणुकेंद्रकाचा शोध कोणी लावला: अर्नेस्ट रुदरफोर्ड (१९११).
📌 इलेक्ट्रॉनचा शोध: सर जे. जे. थॉमसन (प्लॅम पुडिंग मॉडेल).
📌 न्यूट्रॉनचा शोध: जेम्स चॅडविक (१९३२).
📌 अणूच्या केंद्रकात कोणते कण असतात: प्रोटॉन्स व न्यूट्रॉन्स (यांना एकत्रितपणे 'न्यूक्लिऑन्स' म्हणतात).
📌 कोणत्या मूलद्रव्याच्या अणूत न्यूट्रॉन नसतो: सामान्य हायड्रोजन (प्रोटियम - ₁H¹).
📌 अणूक्रमांक (Z) म्हणजे काय: अणूतील प्रोटॉन्सची संख्या (किंवा उदासीन अणूतील इलेक्ट्रॉन्स संख्या).
📌 अणुवस्तुमानांक (A) म्हणजे काय: प्रोटॉन्स + न्यूट्रॉन्स यांची एकूण बेरीज ($A = Z + n$).
📌 समस्थानिके (Isotopes): समान अणूअंक ($Z$) परंतु भिन्न अणुवस्तुमानांक ($A$). (उदा. हायड्रोजनची ३ समस्थानिके: प्रोटियम, ड्युटेरियम, ट्रिटियम).
📌 समभार (Isobars): समान अणुवस्तुमानांक ($A$) परंतु भिन्न अणूअंक ($Z$). (उदा. ₁₈Ar⁴⁰ आणि ₂₀Ca⁴⁰).
📌 इलेक्ट्रॉन संरूपण सूत्र: प्रत्येक कक्षेतील कमाल इलेक्ट्रॉन क्षमता $= 2n^2$ (K=2, L=8, M=18, N=32).
📝 MPSC Combine व राज्यसेवा सराव प्रश्न
प्र. १. कर्करोगावरील (Cancer) उपचारासाठी खालीलपैकी कोणत्या किरणोत्सारी समस्थानिकाचा वापर मोठ्या प्रमाणावर केला जातो? [MPSC Group C]
(A) कार्बन-१४
(B) कोबाल्ट-६०
(C) आयोडीन-१३१
(D) सोडियम-२४
उत्तर: (B) कोबाल्ट-६०. स्पष्टीकरण: कोबाल्ट-६० मधून उत्सर्जित होणाऱ्या गॅमा किरणांचा उपयोग कर्करोगाच्या गाठी नष्ट करण्यासाठी रेडिएशन थेरपीमध्ये केला जातो.
प्र. २. अणूच्या तिसऱ्या कक्षेत (M shell) जास्तीत जास्त किती इलेक्ट्रॉन्स सामावू शकतात? [MPSC Combine B]
(A) ८
(B) १८
(C) ३२
(D) २
उत्तर: (B) १८. स्पष्टीकरण: $2n^2$ या सूत्रानुसार, तिसऱ्या कक्षेसाठी $n = 3$, म्हणून कमाल इलेक्ट्रॉन्स क्षमता $= 2 \times (3)^2 = 2 \times 9 = 18$ असते.
🎯 सराव परीक्षा (Practice Quiz)
रसायनशास्त्र: अणू रचना, आवर्तसारणी व रासायनिक बंध सराव चाचणी ०३
या घटकाचा अभ्यास पूर्ण झाला असल्यास लगेच चाचणी सोडून सराव करा.