હાઇડ્રોજન અને ડ્યુટેરિયમ (હાઇડ્રોજન–1 અને 2)

હાઇડ્રોજન અને ડ્યુટેરિયમ (હાઇડ્રોજન–1 અને 2) : આવર્તક (periodic) કોષ્ટકમાં પ્રથમ સ્થાન ધરાવતું હલકામાં હલકું તત્વ અને તેનો પ્રથમ સમસ્થાનિક (isotope).

હાઇડ્રોજન–1 : સામાન્ય સંજોગોમાં હાઇડ્રોજન ગંધ, સ્વાદ અને રંગવિહીન વાયુ છે. તેની રાસાયણિક સંજ્ઞા (H) છે. તેની ન્યૂક્લિયસમાં ધનવિદ્યુતભાર ધરાવતો એક પ્રોટૉન હોય છે અને તેની આસપાસની કક્ષામાં ભ્રમણ કરતો એક ઇલેક્ટ્રૉન હોય છે. તેનો પરમાણુક્રમાંક 1 અને પરમાણુભારાંક 1.00797 છે. પાણી અને બધાં જ કાર્બનિક (organic) દ્રવ્યોમાં હાઇડ્રોજન મુખ્ય ઘટક છે. માત્ર પૃથ્વી ઉપર તે મબલક છે તેવું નહિ પણ સમગ્ર વિશ્વમાં તેનો જથ્થો વિપુલ છે. વિશ્વમાં કુલ પરમાણુઓની સંખ્યામાં હાઇડ્રોજન 93 % અને તેનું દળ 76 % છે. ડ્યુટેરિયમ (D, ₁H²) અને ટ્રિશિયમ (T, ₁H³) તેના સમસ્થાનિકો છે. આ ડ્યુટેરિયમ અને ટ્રિશિયમ અલ્પ પ્રમાણમાં જોવા મળે છે, પણ વિવિધ ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાઓ દ્વારા તેનું કૃત્રિમ રીતે ઉત્પાદન કરી શકાય છે.

સૂર્ય અને તારાઓનો મુખ્ય ઘટક હાઇડ્રોજન છે. સૂર્ય અને તારાઓમાં ન્યૂક્લિયર સંલયન(fusion)ને કારણે પ્રચંડ ઉષ્મા અને પ્રકાશ પેદા થાય છે. આવી સંલયનની પ્રક્રિયામાં હાઇડ્રોજનના પરમાણુઓ અતિ ઊંચા તાપમાને સંગલિત થઈને ભારે પરમાણુ–હિલિયમ–માં રૂપાંતરિત થાય છે. સૂર્ય અને તારાઓમાં અવિરત ઊર્જા-ઉત્સર્જનનું રહસ્ય હાઇડ્રોજન પરમાણુનું સંલયન છે.

વાતાવરણના દબાણ કરતાં 5,00,000 ગણું વધારે દબાણ હાઇડ્રોજન વાયુ ઉપર લાગુ પાડવામાં આવે ત્યારે તેનું ઘન સ્વરૂપમાં રૂપાંતર થાય છે, જે ધાત્વિક (metallic) ગુણધર્મો ધરાવે છે. આવી પ્રક્રિયા ગુરુ(Jupiter)ના અંતર્ભાગ(core)માં બને છે. સામાન્યત: ઉદ્યોગોમાં હાઇડ્રોજનની પ્રક્રિયા દ્વારા તેલ અને ચરબીને સખત બનાવાય છે. ઉપરાંત રેણ કરવા માટે હાઇડ્રોજન-જ્યોતનો તથા રૉકેટમાં તેનો ઈંધણ તરીકે ઉપયોગ થાય છે.

ભૌતિક ગુણધર્મો : તેનો પરમાણુભારાંક 1.00797 અને અણુભાર 2.01594 છે. શૂન્ય °C તાપમાને અને એક વાતાવરણના દબાણે તેની ઘનતા 0.08987 ગ્રા./લિટર છે. હવાની સરખામણીમાં તેની સાપેક્ષ ઘનતા 0.0695 છે. તે હલકામાં હલકો પદાર્થ છે. હાઇડ્રોજન પરમાણુનું આયનીકરણ સ્થિતિમાન (ionizing potential) 13.50 વોલ્ટ છે. તેની ન્યૂક્લિયસ–પ્રોટૉનનું પ્રચક્રણ (spin) અને ચુંબકીય ચાકમાત્રા (magnetic moment) 2.79270 ન્યૂક્લિયર મૅગ્નેટૉન છે. ઉષ્મીય (thermal) ન્યૂટ્રૉન માટે તેનો શોષણ-આડછેદ 0.332 × 10^–24 સેમી.² છે. હાઇડ્રોજન બે રીતે અસ્તિત્વ ધરાવે છે – ઑર્થોહાઇડ્રોજન (orthohydrogen) અને પૅરાહાઇડ્રોજન (parahydrogen). જ્યારે તેની બે ન્યૂક્લિયસ, ભમરડાની જેમ, એક જ દિશામાં સમાંતર (↑↑) પ્રચક્રણ કરતી હોય ત્યારે રચાતો અણુ ઑર્થોહાઇડ્રોજન અને વિરુદ્ધ દિશામાં સમાંતર (↑↓) પ્રચક્રણ ધરાવે ત્યારે પૅરાહાઇડ્રોજન રચાય છે.

રાસાયણિક ગુણધર્મો : સામાન્ય તાપમાને હાઇડ્રોજન નિષ્ક્રિય હોય છે સિવાય કે તેને કોઈ ઉદ્દીપક વડે સક્રિય કરવામાં આવે. જોકે સામાન્ય રીતે દ્વિ-પારમાણ્વિક (diatomic) હાઇડ્રોજન અણુ અતિ ઊંચા તાપમાને મુક્ત પરમાણુઓમાં વિઘટન (dissociate) પામે છે.

H₂ 2H ………………………………………………………………………………………………………………….(1)

પારમાણ્વિક હાઇડ્રોજન સામાન્ય તાપમાને પણ પ્રબળ અપચાયક (reducing agent) હોય છે. તે ચાંદી, તાંબું, સીસું, બિસ્મથ જેવી ઘન ધાતુઓના ઑક્સાઇડો અને ક્લોરાઇડો સાથે પ્રક્રિયા કરે છે. હાઇડ્રોજન ઑક્સિજન સાથે પ્રક્રિયા કરીને પાણી બનાવે છે.

2H₂ + O₂ → 2H₂O ……………………………………………………………………………………………………..(2)

સલ્ફર સાથે તે નીચે પ્રમાણે ઉષ્માક્ષેપી (exothermic) પ્રક્રિયા કરે છે.

H₂ + S → H₂S

તે જ રીતે સેલિનિયમ (Se) અને ટેલ્યુરિયમ (Te) સાથે ઉષ્માશોષી (endothermic) પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે કરે છે :

H₂ + Se → H₂Se

અને  H₂ + Te → H₂Te

ફ્લોરિન, ક્લોરિન, બ્રોમીન અને આયોડિન સાથે હાઇડ્રોજનની પ્રક્રિયતા (reactivity) અનુક્રમે ઘટે છે. ફ્લોરિન સાથે હાઇડ્રોજનની પ્રક્રિયા વિકરાળ (violent) હોય છે :

H₂ + F₂ → 2HF

પ્રવાહી હાઇડ્રોજન : તે રંગવિહીન તરલ છે, જે  –252.87° C તાપમાને ઉત્કલન પામે છે. શરૂઆતમાં હાઇડ્રોજન વાયુનું પ્રવાહીકરણ ઉચ્ચ દબાણે કરવામાં આવતું હતું જે અતિ જોખમી પ્રક્રિયા છે; કારણ કે હવા(ઑક્સિજન)ની નાની સરખી પણ અશુદ્ધિથી ધડાકો (explosion) થાય છે. અદ્યતન પદ્ધતિઓમાં સમીપ-પરિપથ (close-circuit) હિલિયમ રેફ્રિજરેશન ચક્રનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. અહીં હાઇડ્રોજન નિમ્ન દબાણે ઠરે છે, જેથી જોખમો ટાળી શકાય છે.

ઉચ્ચ-ઊર્જા ભૌતિકવિજ્ઞાનના પ્રયોગો જેવા કે બુદબુદ-કક્ષ(bubble chamber)માં પ્રક્રિયકનો માર્ગ જાણવા માટે તેનો ઉપયોગ થાય છે. સામાન્ય સંજોગોમાં હાઇડ્રોજન વાયુ કરતાં પ્રવાહી હાઇડ્રોજનની ઘનતા 790 ગણી વધારે હોઈ તેનું પરિવહન સરળ બને છે. અંતરિક્ષના કાર્યક્રમોમાં રૉકેટના ઈંધણ તરીકે પ્રવાહી હાઇડ્રોજનનો ઉપયોગ થાય છે. હાઇડ્રોજનનું પ્રવાહી સ્વરૂપે પરિવહન કરવું સરળ છે. ન્યૂક્લિયર સંલયનની પ્રક્રિયામાં પ્રવાહી હાઇડ્રોજન વધુ ઉપકારક નીવડે છે. કેટલાકનું માનવું છે કે વિદ્યુતપૃથક્કરણ(electrolysis)થી પેદા કરેલ હાઇડ્રોજનનો ઉપયોગ ફ્યુએલ-સેલ તરીકે કરી શકાશે. જ્યારે અને જો –252° Cથી –259° C વચ્ચે પ્રવાહી હાઇડ્રોજન મળે તો અને ત્યારે અતિવહન(superconducting)ના ગુણધર્મો ધરાવતાં દ્રવ્યો વિકસાવી શકાશે. તેથી હાઇડ્રોજનનો ઉપયોગ નાટ્યાત્મક રીતે વધી જશે. તેવે સમયે દૂર દૂર સુધી વિદ્યુતનું વહન લગભગ વિના વ્યયે કરી શકાશે.

ઘન હાઇડ્રોજન : પ્રવાહી હાઇડ્રોજન કરતાં તે વધારે જટિલ ગુણધર્મો ધરાવે છે. ટૅક્નૉલૉજીની દૃષ્ટિએ ઘન હાઇડ્રોજન વધુ રસપ્રદ છે. કારણ કે ઘન હાઇડ્રોજન(કે તેના સમસ્થાનિકો)ની પૅલેટ્સ (ગોળીઓ) ન્યૂક્લિયર સંલયન પ્લાઝ્મા, જેનો પાવર પેદા કરવા માટે ઉપયોગ થાય છે, તેમાં તે વપરાય છે.

હાઇડ્રોજન–2 (ડ્યુટેરિયમ) : ડ્યુટેરૉન એ ડ્યુટેરિયમ પરમાણુની ન્યૂક્લિયસ છે. આવી ન્યૂક્લિયસ એકમ ધનવિદ્યુતભાર ધરાવે છે. તેની ન્યૂક્લિયસમાં એક પ્રોટૉન અને એક ન્યૂટ્રૉન હોય છે. કુદરતમાં હાઇડ્રોજનના દર 6500 પરમાણુઓએ એક ડ્યુટેરિયમ (D) પરમાણુ હોય છે. ઑક્સિજન સાથે સંયોજાતાં તે ભારે પાણી (H₂O –  Heavy water) બનાવે છે. ભારે પાણીનો ઉપયોગ, વ્યાપક રીતે ન્યૂક્લિયર ઉદ્યોગોમાં થાય છે.

હાઇડ્રોજન પરમાણુને વિદ્યુત-બળના સંદર્ભમાં જાણી (સમજી) શકાય છે તેથી ઊલટું, ડ્યુટેરૉનને ન્યૂક્લિયર બળના સંદર્ભમાં જાણી (સમજી) શકાય છે. ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનને સંયુક્ત રીતે ન્યૂક્લિયૉન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. કુદરતમાં બદ્ધ પ્રણાલી (bound system) તરીકે એકમાત્ર ડ્યુટેરૉન છે તે ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન ધરાવે છે. પ્રાયોગિક રીતે, ડ્યુટેરૉન માટે નીચેના ચાર મહત્ત્વના મુદ્દા જાણી શકાયા છે :

(i) બંધન-ઊર્જા ખૂબ જ ચોકસાઈ સાથે માપી શકાઈ છે.

(ii) ઉચ્ચ-ઊર્જા ધરાવતા ઇલેક્ટ્રૉનના પ્રકીર્ણન વડે તેનું કદ પણ ચોકસાઈ સાથે માપી શકાયું છે.

(iii) તેનું કોણીય વેગમાન (ના એકમોમાં) 1 છે. તે ચુંબકીય ચાકમાત્રા પેદા કરે છે.

(iv) તે વિદ્યુત ચતુર્ધ્રુવી ચાકમાત્રા (electric quadrupole moment) ધરાવે છે.

ડ્યુટેરૉન અને ન્યૂક્લિયર બળોની સમજૂતી માટે ઉપરના મુદ્દાઓની સામેલગીરી અનિવાર્ય છે.

ડ્યુટેરૉનના ઘટક કણો – ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનને – છૂટા પાડી શકે તેવા ન્યૂનતમ ઊર્જાવાળા ગૅમા-કિરણના અવલોકન (અભ્યાસ) વડે તેની બંધન-ઊર્જા જાણી શકાય છે. પ્રાયોગિક રીતે અવલોકેલી સીમાંત ઊર્જા(threshold energy)ને આધારે ડ્યુટેરૉનની બંધન-ઊર્જાનો ખ્યાલ આવે છે.

બીજી રીતે, દળ-વર્ણપટીય પદ્ધતિથી (mass-spectroscopically) રીતે મેળવેલ ન્યૂટ્રૉન, પ્રોટૉન અને ડ્યુટેરૉનનાં દળોનાં જ્ઞાત મૂલ્યોને આધારે બંધન-ઊર્જા જાણી શકાય છે. આ રીતે ડ્યુટેરૉનની બંધન-ઊર્જા 2.224 MeV મળે છે. પેરાફિન જેવા હાઇડ્રોજનયુક્ત દ્રવ્ય ઉપર ધીમા (slow) ન્યૂટ્રૉનનો મારો કરતાં ઉત્સર્જિત થતાં ગૅમા-કિરણોના અભ્યાસ વડે ડ્યુટેરૉનની બંધન-ઊર્જા ચોક્કસ રીતે મળે છે. આ રીતમાં, પ્રોટૉન ન્યૂટ્રૉનનું પ્રગ્રહણ (capture) કરતાં ડ્યુટેરૉન બને છે; તે સાથે ગૅમા-કિરણો બહાર પડે છે. આ ગૅમા-કિરણની ઊર્જા ડ્યુટેરૉનની બંધન- ઊર્જા બરાબર મળે છે. ડ્યુટેરૉનના પ્રત્યાઘાત(recoil)ને કારણે તેની બંધન-ઊર્જામાં થોડોક તફાવત પડે છે. સમગ્ર પ્રક્રિયા નીચે પ્રમાણે થાય છે :

n + p → d + r

ડ્યુટેરૉનની પ્રત્યાઘાતી ઊર્જા (recoil energy)  1.3 KeV જેટલી હોય છે. ડ્યુટેરૉનની બંધન-ઊર્જા = 2.2256 MeVની સરખામણીમાં પ્રત્યાઘાતી ઊર્જા નહીંવત્ ગણાય. જુદી જુદી રીતે મળતી ડ્યુટેરૉનની ઊર્જાનાં મૂલ્યો વચ્ચે સારું એવું સામ્ય જોવા મળે છે.

પ્રવેગક(accelerator)માંથી મળતા ઉચ્ચ-ઊર્જાવાળા ઇલેક્ટ્રૉનોના ડ્યુટેરૉન વડે થતા પ્રકીર્ણન(scattering)ને આધારે તેનું કદ જાણી શકાય છે. ડ્યુટેરૉનની સરેરાશ ત્રિજ્યા = 4.2 ફર્મી (1 ફર્મી = 10^–15 મીટર) મળે છે.

સૂક્ષ્મ સંરચના(hyperfine structure)ના અભ્યાસને આધારે ડ્યુટેરૉનનું કુલ કોણીય વેગમાન (l) માપવાનું શક્ય બન્યું છે. તેનું કોણીય વેગમાન = 1 છે (ના એકમોમાં).

પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનનું પ્રચક્રણ (ના એકમોમાં) 1 છે. ડ્યુટેરૉન એ ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉનના સમાંતર પ્રચક્રણ સદિશો ધરાવે છે, જ્યારે બે સદિશો સમાંતર પણ વિરુદ્ધ  (↑↓) હોય ત્યારે ચોખ્ખું પ્રચક્રણ = 0 થાય છે, ત્યારે ડ્યુટેરૉનનું બદ્ધ તંત્ર મળતું નથી. ડ્યુટેરૉનની ઉત્તેજિત (excited) અવસ્થાઓનું અસ્તિત્વ મળતું નથી. તેથી ડ્યુટેરૉનની માત્ર ધરાવસ્થા(ground state)નો જ અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. તે ન્યૂનતમ ઊર્જા અવસ્થા છે. ધરાવસ્થા માટે l = 0 છે, જે 1S અવસ્થા છે.

∴ I = L + S = S = 1

ન્યૂટ્રૉન અને પ્રોટૉન વચ્ચેનું બળ પ્રચક્રણ-આધારિત છે. આ લક્ષણ કુલમ્બ-બળ(વિદ્યુતબળ)થી તદ્દન જુદું છે. કુલમ્બ-બળ  પ્રમાણે ચલે છે એટલે કે આવું બળ માત્ર r નું વિધેય છે.

ડ્યુટેરૉન l = 0 અવસ્થામાં હોવાથી તેને કક્ષીય (orbital) કોણીય વેગમાન હોતું નથી. ડ્યુટેરૉનની કુલ ચુંબકીય ચાકમાત્રા એ પ્રોટૉન અને ન્યૂટ્રૉનની ચુંબકીય ચાકમાત્રાઓને લીધે હોય છે. જે તેમની પ્રચક્રણ ગતિને કારણે હોય છે.

ન્યૂટ્રૉનની ચુંબકીય ચાકમાત્રા (μ_n) + પ્રોટૉનની ચુંબકીય ચાકમાત્રા (μ_p) = – 0.8797  થાય છે.

પ્રાયોગિક રીતે ડ્યુટેરૉનની ચાકમાત્રા = 0.8574 છે. બંને મૂલ્યો વચ્ચેનો તફાવત = 2.5 % છે જે નગણ્ય છે. ડ્યુટેરૉન થોડુંક તો કક્ષીય વેગમાન ધરાવે છે કારણ કે તેનું વર્ણન કરતું તરંગવિધેય સંપૂર્ણપણે ગોલીય સમમિતિ (spherical symmetry) ધરાવતું નથી. ગોલીય સમમિતિ ધરાવતું તરંગવિધેય માત્ર r ઉપર આધારિત છે અને (θ, φ) ઉપર આધારિત નથી.

ગોલીય સમમિતિના અભાવને કારણે ડ્યુટેરૉન વિદ્યુત ચતુર્ધ્રુવીય ચાકમાત્રા (electric quodrupole moment) ધરાવે છે. ડ્યુટેરૉનની વિદ્યુત ચતુર્ધ્રુવીય ચાકમાત્રા Q = 0.282 F² છે. ડ્યુટેરૉનની વિ. ચ. ચા. અશૂન્ય છે એટલે કે તેમાં વિદ્યુતભારનું વિતરણ ગોલીય સમમિતિ ધરાવતું નથી.

પ્રહલાદ છ. પટેલ