અણુભાર

(Molecular weight)

ઇન્ટરનેશનલ યુનિયન ઑવ્ પ્યોર ઍન્ડ એપ્લાઇડ કેમિસ્ટ્રી (IUPAC) પ્રમાણે કાર્બનના સમસ્થાનિક(isotope)(C-12)ના વજનના બારમા ભાગ કરતાં કોઈ પણ પદાર્થનો અણુ કેટલા ગણો ભારે છે તે દર્શાવતો આંક.

એક મોલ (Mole) (6.02 × 10²³ અણુ) પદાર્થના વજનને ગ્રામ અણુભાર (ગ્રામ મોલ) કહે છે. કોઈ પણ પદાર્થના અણુસૂત્રમાં રહેલાં તત્વોના કુલ પરમાણુભારનો સરવાળો અણુભાર આપે છે. દા.ત., ઇથેનોલ C₂H₅OHનો અણુભાર [2 × કાર્બનનો પરમાણુભાર (12.011) + 6 × હાઇડ્રોજનનો પરમાણુભાર (1.008) + 1 × ઑક્સિજનનો પરમાણુભાર (15.999)] = 46.069. એવોગેડ્રોના સિદ્ધાંત પ્રમાણે સામાન્ય ઉષ્ણતામાન (તાપમાન) અને દબાણે (સા. ઉ. દ.) (O° C, 1 વાતા.) 22.4 લિટર કદ ધરાવતા વાયુરૂપ પદાર્થના વજનને ગ્રામ અણુભાર કહે છે.

અણુભાર નક્કી કરવાની પદ્ધતિઓ સામાન્ય રીતે નીચેના સિદ્ધાંતો પર આધારિત છે.

(1) ઉષ્માગતિશાસ્ત્રીય (thermodynamic) સિદ્ધાંત : આ સિદ્ધાંત પર આધારિત પદ્ધતિઓ આદર્શ વાયુ અથવા આદર્શ દ્રાવણ સ્થિતિ સમીકરણોનો ઉપયોગ કરે છે.

વાયુ માટેનું સમીકરણ,

PV = nRT = (m/M) RT; n = મોલની સંખ્યા, P = દબાણ, V = કદ, R = વાયુ અચળાંક, T = તાપમાન (નિરપેક્ષ K), m = પદાર્થનું વજન, M = પદાર્થનો અણુભાર.

દ્રાવણ માટેનું સમીકરણ,

PV = nRT જ્યાં P = રસાકર્ષણ (osmotic) દબાણ.

(2) પરિવહન ઘટના (transport phenomenon) : પરિવહન ઘટનામાં કોઈ પ્રણાલીમાં વિવિધ ગુણધર્મોના ચલનનો સમાવેશ કરવામાં આવે છે. પરિવહન પર આધારિત અણુભાર નક્કી કરવાની પદ્ધતિમાં અણુના કદ અને પ્રસરણનો સંબંધ અથવા સાંદ્રતાનું વિસ્તરવું, શ્યાનતા (સ્નિગ્ધતા) અથવા અવસાદન(sedimentation)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. કેટલીક પદ્ધતિઓ ઉષ્ણતાવહન અને વિદ્યુતવહન પર આધારિત છે. જો અણુ સાદા પ્રકારનો માનવામાં આવે તો તેના કદ, દળ અને ઘનતા વચ્ચે સીધો સંબંધ હોય. હાલમાં આ પદ્ધતિઓ નાના અણુઓ માટે વપરાતી નથી.

(3) કેટલાક સ્ફટિકીય પદાર્થના અણુની ભૂમિતિ X-કિરણથી જાણી શકાય છે અને તેનો ઉપયોગ અણુભાર નક્કી કરવામાં થાય છે.

(4) દ્રવ્યમાન સ્પેક્ટ્રમિતિ (mass spectrometry) : કેટલાક આયનીકરણ કરી શકાય તેવા અણુઓ માટે દ્રવ્યમાન સ્પેક્ટ્રમિતિનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. આ પદ્ધતિ નાના અણુઓ માટે જ અગત્યની છે. પેટ્રોરસાયણમાં તેનો બહોળો ઉપયોગ થાય છે. આ પદ્ધતિથી ખૂબ જ ચોક્કસ અણુભાર મળે છે.

અણુભાર નક્કી કરવાની કેટલીક રીતોનો અહેવાલ નીચે આપેલ છે :

(I) બાષ્પશીલ પદાર્થોના અણુભાર નક્કી કરવાની પદ્ધતિઓ : તેમાં (1) વિક્ટર મેયર, (2) ડ્યુમા, (3) હોફમૅન અને (4) રેનોલ્ટની પદ્ધતિઓ છે. આ પદ્ધતિઓ વાયુઘનતા પર આધારિત છે અને ઉષ્માગતિશાસ્ત્રના સિદ્ધાંત પર રચાયેલી છે. આમાં વિક્ટર મેયરની પદ્ધતિ મુખ્યત્વે વપરાય છે. વિક્ટર મેયરની પદ્ધતિમાં જ્ઞાત વજનના બાષ્પશીલ પદાર્થનું બાષ્પમાં રૂપાંતર કરી તેના વડે વિસ્થાપિત હવાનું કદ માપીને સા.ઉ.દ.એ બાષ્પનું કદ શોધવામાં આવે છે, જેના પરથી ગ્રામ અણુકદનો ઉપયોગ કરી અણુભાર ગણી શકાય છે.

(II) વાયુપ્રસરણ પદ્ધતિ : આ પદ્ધતિ ગ્રેહામના વાયુપ્રસરણદર પર આધારિત છે. તેમાં કોઈ પણ બે વાયુના પ્રસરણદર પરથી અજ્ઞાત વાયુનો અણુભાર નક્કી કરી શકાય છે. ગ્રેહામના નિયમો પ્રમાણે વાયુનો પ્રસરણદર અણુભારના વર્ગમૂળના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે.

(III) બાષ્પદબાણનો ઘટાડો : આ પદ્ધતિ પણ ઉષ્માગતિશાસ્ત્ર પર રચાયેલી છે. રાઉલ્ટના નિયમ પ્રમાણે નિયત તાપમાને દ્રાવકમાં અબાષ્પશીલ દ્રાવ્ય ઉમેરવામાં આવે ત્યારે બાષ્પદબાણનો સાપેક્ષ ઘટાડો દ્રાવ્યના મોલ અંશને સમપ્રમાણ હોય છે. મંદ દ્રાવણ માટે નીચેનું સમીકરણ વાપરી અણુભાર મેળવવામાં આવે છે.

P° = દ્રાવકનું બાષ્પદબાણ, P = દ્રાવણનું બાષ્પદબાણ, g = દ્રાવ્યનું વજન, G = દ્રાવકનું વજન, m = દ્રાવ્યનો અણુભાર, M = દ્રાવકનો અણુભાર.

(IV) ઉત્કલનિંબદુ અને ઠારિંબદુની પદ્ધતિઓ : રાઉલ્ટના નિયમનો ઉપયોગ કરી પદાર્થનો અણુભાર ઉત્કલનિંબદુના વધારાથી કે ઠારિંબદુના ઘટાડા ઉપરથી નક્કી કરી શકાય છે. અબાષ્પશીલ પદાર્થ માટે નીચેનું સમીકરણ લખી શકાય.

m = દ્રાવ્યનું વજન, w = દ્રાવકનું વજન, Δt = ઉત્કલનિંબદુનો વધારો અથવા ઠારિંબદુનો ઘટાડો, K = દ્રાવકનો અણુઉન્નયન (molecular elevation) અથવા અણુઅવનયન (molecular depression) અચળાંક. આ પદ્ધતિ જે દ્રાવ્ય દ્રાવકમાં સુયોજન (association) કે વિયોજન (dissociation) પામતા ન હોય તેમને જ લાગુ પાડી શકાય છે. આ પદ્ધતિ ઉષ્માગતિશાસ્ત્ર પર આધારિત છે.

(V) રસાકર્ષણ (osmotic) દબાણની પદ્ધતિ : મંદ દ્રાવણો માટે આગળ જોયા પ્રમાણેનું રસાકર્ષણ અંગેનું સમીકરણ વાપરી અણુભાર મેળવી શકાય. આ પદ્ધતિ પણ ઉષ્માગતિશાસ્ત્ર પર આધારિત છે. આ પદ્ધતિ પ્રમાણે

π V = nRT અથવા

M = દ્રાવ્યનો અણુભાર, g = દ્રાવ્યનું વજન, R = વાયુ અચળાંક, T = તાપમાન (નિરપેક્ષ), π = રસાકર્ષણ દબાણ.

ઉપર દર્શાવેલ પદ્ધતિઓ આદર્શ દ્રાવણોને અથવા મંદ દ્રાવણોને લાગુ પાડી શકાય છે. મંદ દ્રાવણમાં પદાર્થ વાયુની જેમ વર્તે છે. તેથી આદર્શવાયુ સમીકરણ દ્રાવણોને પણ લાગુ પાડી શકાય એ વાન્ટ હોફનું સૂચન ઘણું ફળદાયી નીવડ્યું છે.

(VI) એક-આણ્વિક પૃષ્ઠસ્તર (monomolecular surface film) પદ્ધતિ : આ પદ્ધતિ ઉષ્માગતિશાસ્ત્ર પર આધારિત છે. પાણીમાં અદ્રાવ્ય પદાર્થને અલ્પ પ્રમાણમાં પાણી પર મૂકતાં એક અણુ જેટલી જાડાઈનું સ્તર પાણી પર પ્રસરી જાય છે. આદર્શ ‘વાયુરૂપ’ સ્તરને FA = nRT સમીકરણ લાગુ પડે છે. F = પૃષ્ઠદબાણ, A = સ્તરનું ક્ષેત્રફળ, n = પ્રસરેલ સ્તરની મોલસંખ્યા, T = નિરપેક્ષ તાપમાન, R = વાયુ-અચળાંક. FA અને Fનો આલેખ દોરીને તેને F = 0 સુધી બહિર્વિષ્ટ (extrapolate) કરવાથી nRTની કિંમત મળે છે, જેમાંથી અણુભાર મેળવી શકાય છે.

(VII) શ્યાનતા (સ્નિગ્ધતા) પદ્ધતિ : આ પદ્ધતિ પરિવહન ઘટના પર આધારિત છે. બહુલક (Polymers) તથા કલિલ (colloids) પદાર્થોના અણુભાર નક્કી કરવા માટે આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ થાય છે. C ગ્રા/મિલી. સાંદ્રતાવાળા દ્રાવણની શ્યાનતા η હોય અને શુદ્ધ દ્રાવકની શ્યાનતા η_o હોય તો વિશિષ્ટ શ્યાનતા   થાય. બહુ જ મંદ દ્રાવણની શ્યાનતા તેની માતૃ અથવા આંતરિક શ્યાનતા કહેવાય છે જેનું મૂલ્ય  થાય,

જ્યાં K અને a લાંબી શૃંખલા ધરાવતાં સંયોજનો માટેના અચળાંક છે.  સરેરાશ અણુભાર છે. લાંબી શૃંખલા ધરાવતાં કાર્બનિક સંયોજનો બેન્ઝિન કે કાર્બન ટેટ્રાક્લોરાઇડ જેવા દ્રાવકોમાં દ્રાવ્ય થતા હોઈ તેમના સરેરાશ અણુભાર ઉપરના સમીકરણ વડે શોધી શકાય છે.

(VIII) અવસાદન પદ્ધતિ : આ પદ્ધતિ પણ અભિગમન ઘટના પર આધારિત છે. બહુલકના આદર્શ દ્રાવણને નિયત તાપમાને અપકેન્દ્રિત (centrifuged) કરવાથી જ્યારે અવસાદન અને પ્રસરણ વચ્ચે સમતોલન સ્થપાય ત્યારે નીચે દર્શાવેલા સમીકરણનો ઉપયોગ કરી બહુલકનો અણુભાર મેળવી શકાય છે.

જ્યાં C₁ અને C₂ એ r₁ અને r₂ બિંદુઓએ દ્રાવણની સાંદ્રતા,   દ્રાવ્યનું આંશિક વિશિષ્ટ કદ, σ દ્રાવણની ઘનતા, ω કોણીય વેગ, R વાયુ-અચળાંક અને T નિરપેક્ષ તાપમાન છે.

જ્યારે બહુલકનો ભારીય સરેરાશ (weight-average) અણુભાર મેળવવાનો હોય ત્યારે નીચેનું સમીકરણ ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે.

C_o = શરૂઆતનું સાંદ્રણ, C₁ અને C₂ ટોચ અને નીચેનાં સાંદ્રણ. (IX) જેલ પારગમન વર્ણલેખન પદ્ધતિ (gel permeation chromatography) : આ પદ્ધતિ પરિવહન (transport) ઘટના પર આધારિત અત્યંત આધુનિક પદ્ધતિ છે. જેલ સામાન્ય રીતે અર્ધઘન સ્વરૂપમાં હોય છે, જેમાં ઘન જાલ(network)માં પ્રવાહી પદાર્થ પરિક્ષેપિત (dispersed) કરેલો હોય છે. આવા પદાર્થને કાચના સ્તંભમાં ભરી દેવામાં આવે છે. પદાર્થના મિશ્રણને દ્રાવણમાં ઓગાળી સ્તંભમાંથી પસાર કરતાં જે પદાર્થનું અધિશોષણ (asorption) વધુ થાય છે તે સ્તંભમાં રહી જતાં સરળતાથી અલગ કરી શકાય છે. પોલિસ્ટાયરીન અને ડેક્સ્ટ્રીનમાંથી ચોક્કસ માપનાં છિદ્રોવાળાં જેલ હોય છે. આમાંથી પદાર્થનું દ્રાવણ પસાર કરતાં જે અણુઓ પ્રમાણમાં નાના હોય છે તેઓ અણુ કરતાં મોટાં એવાં બધાં છિદ્રોમાં દાખલ થાય છે. જ્યારે મોટા અણુઓ ઓછી સંખ્યાના પણ આવા અણુ કરતાં મોટાં છિદ્રોમાં જાય છે. સ્તંભના છેડેથી આણ્વિક કદના વ્યસ્તક્રમમાં નમૂનો બહાર આવે છે, એટલે કે મોટા અણુઓ પહેલાં અને નાના અણુઓ પછી બહાર આવે છે. આ રીતે જાણીતા અણુભારવાળા પદાર્થની વર્તણૂક સાથે સરખામણી કરીને બીજા પદાર્થોના અણુભાર મેળવી શકાય છે. આ પદ્ધતિ ઘણી ઝડપી છે. બહુલકોને તેમના અણુભાર પ્રમાણે અલગ કરવામાં પણ આ પદ્ધતિ ઉપયોગી છે.

(X) X-કિરણ પદ્ધતિ : આ પદ્ધતિ ઘન અવસ્થામાં પરમાણુઓની અવકાશીય સંરચના પર આધારિત છે. તેમાં સ્ફટિકમાંના અણુનું કદ X-કિરણની મદદથી માપી શકાય છે. આ કદને સ્ફટિકની ઘનતા અને એવોગેડ્રોના આંક વડે ગુણવાથી સ્ફટિકનો અણુભાર મળે છે. NaCl, KCl, જેવા સ્ફટિકોના અણુભાર આ પદ્ધતિથી નક્કી કરી શકાય છે.

d = લેટિસ અંતર, M = સ્ફટિકનો અણુભાર, ρ = સ્ફટિકની ઘનતા N = એવોગેડ્રો આંક. તેનું મૂલ્ય X-કિરણના અભ્યાસ પરથી મેળવી શકાય છે.

(XI) દ્રવ્યમાન સ્પેક્ટ્રમિતિ (mass spectrometry) : આ પદ્ધતિ આયનીય પ્રકારની દ્રવ્યમાન સ્પેક્ટ્રમિતિ પર આધારિત છે. આ પદ્ધતિમાં વાયુરૂપ પદાર્થના અણુનું શક્તિશાળી ઇલેક્ટ્રૉન પ્રવાહ વડે આયનીકરણ કરવામાં આવે છે. મોટે ભાગે જુદા જુદા ધનાયન (cation) મળે છે. સૌથી વધુ m/e વાળો ધનાયન, પિતૃશૃંગ (parent peak), પદાર્થનો અણુભાર દર્શાવે છે. પદાર્થનો ખૂબ જ ચોક્કસ અણુભાર મેળવવા આ પદ્ધતિ બહુ ઉપયોગી છે, પણ નાના અણુઓ માટે જ આ પદ્ધતિ વાપરી શકાય છે. ખાસ કરીને પેટ્રોરસાયણ ઉદ્યોગમાં ઝડપથી અણુભાર મેળવવા માટે આ પદ્ધતિ ઘણી ઉપયોગી છે.

(XII) ઇલેક્ટ્રૉન-સૂક્ષ્મદર્શક પદ્ધતિ : મોટા અણુઓને છૂટા પાડ્યા પછી ઇલેક્ટ્રૉન સૂક્ષ્મદર્શક વડે તેમના ભૌતિક ગુણધર્મોના માપનથી અણુભાર મેળવી શકાય છે.

(XIII) પ્રકાશ-પ્રકીર્ણન (scattering) : પદાર્થ પર પડતા પ્રકાશના કિરણની મદદથી ઇલેક્ટ્રૉનિક સંક્રમણ થતાં પદાર્થમાંથી પ્રકાશનું પ્રકીર્ણન થાય છે. બહુલકના દ્રાવણનું પ્રકાશ-પ્રકીર્ણન માપી તેની મદદથી બહુલકનો અણુભાર મેળવવામાં આવે છે.

(XIV) અવાજની ગતિ : શુદ્ધ પ્રવાહી અને દ્રાવણમાં અવાજની ગતિનો સંબંધ પ્રવાહીનો અણુભાર નક્કી કરવામાં મદદરૂપ થાય છે. આ પ્રવાહીઓમાં આણ્વીય અવાજગતિ R નીચેના સમીકરણથી દર્શાવી શકાય.

γ= તાપમાન t° સે.એ અવાજની ગતિ, d = પ્રવાહીની ઘનતા.

(XV) છેવટના (end) સમૂહનું વિશ્લેષણ : ઘણાં બહુલક સંયોજનોમાં છેવટના સમૂહનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવે છે, આવા બહુલકમાં છેડાના સમૂહ એકસરખા હોય છે, જ્યારે તેઓ અંદરના સમૂહથી રાસાયણિક રીતે જુદા પડે છે. ખોરાકમાં ઉમેરવામાં આવતા પદાર્થો, ફીણ (foam) ઉત્પન્ન કરનાર પદાર્થો અને અન્ય બહુલકોના અણુભાર છેવટના સમૂહના વિશ્લેષણથી નક્કી કરવામાં આવે છે.

અણુભાર પદાર્થનાં અણુસૂત્ર નક્કી કરવા, રાસાયણિક પ્રક્રિયાના અર્થઘટન(interpretation)માં તેમજ અણુઓનાં બંધારણ અને આકાર નક્કી કરવા માટે અને દ્રાવક, દ્રાવ્યોની આંતરપ્રક્રિયા તેમજ વિવિધ ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાઓનાં અભિકલ્પન (design) તથા નિયંત્રણમાં ઉપયોગી છે.

મહેન્દ્ર શાહ

ઈન્દ્રવદન મનુભાઈ ભટ્ટ

પ્રહલાદ બે. પટેલ