सतह रसायनशास्त्र वे घटनाएं अध्ययन करता है जो सतह या संपर्क बिंदु पर होती हैं। संपर्क बिंदु या सतह को हाइफ़न या बार द्वारा भूमि अवस्था के बीच अलग करके दर्शाया जाता है। उदाहरण के लिए, ठोस और गैस के बीच संपर्क बिंदु को ठोस-गैस या ठोस/गैस के रूप में दर्शाया जा सकता है। पूर्ण अपेक्षितता के कारण, गैसों के बीच कोई संपर्क बिंदु नहीं होता। सतह रसायनशास्त्र में हम आने वाली भूमि अवस्थाएं शुद्ध यौगिक या विलय हो सकती हैं। संपर्क बिंदु आमतौर पर कई अणुओं के मोटाई के बराबर होता है लेकिन इसका क्षेत्रफल भूमि अवस्था के कणों के आकार पर निर्भर करता है। कई महत्वपूर्ण घटनाएं, जिनमें से सबसे उल्लेखनीय धातु क्षय, इलेक्ट्रोड प्रक्रियाएं, विषम विस्थापन रासायनिक उत्प्रेरण, विलेयता और क्रिस्टलीकरण शामिल हैं, संपर्क बिंदु पर होती हैं। सतह रसायनशास्त्र के विषय को उद्योग, विश्लेषणात्मक कार्य और दैनिक जीवन की स्थितियों में कई अनुप्रयोग मिलते हैं।

To accomplish surface studies meticulously, it becomes imperative to have a really clean surface. Under very high vacuum of the order of $10^{-8}$ to $10^{-9}$ pascal, it is now possible to obtain ultra clean surface of the metals. Solid materials with such clean surfaces need to be stored in vacuum otherwise these will be covered by molecules of the major components of air namely dioxygen and dinitrogen.

In this Unit, you will be studying some important features of surface chemistry such as adsorption, catalysis and colloids including emulsions and gels.

5.1 अवशोषण

कई उदाहरण दिखाते हैं कि ठोस के सतह के अणुओं के अपने संपर्क में आने वाले द्रव या गैस के अणुओं को आकर्षित और रखे रहने की प्रवृत्ति होती है। ये अणु केवल सतह पर रहते हैं और बulk में नहीं जाते। ठोस या द्रव के bulk के बजाए सतह पर अणुओं के संचित होने की प्रक्रिया को अवशोषण कहते हैं। जो अणु या पदार्थ सतह पर संकेंद्रित या संचित होते हैं उन्हें अवशोषित पदार्थ (adsorbate) कहते हैं और जिस सतह पर अवशोषण होता है उसे अवशोषक (adsorbent) कहते हैं।

अवशोषण मूल रूप से एक सतह घटना है। ठोस, विशेषकर छोटे कणों के रूप में, बड़ी सतह क्षेत्र रखते हैं और इसलिए, कार्बन, सिलिका जेल, एल्यूमिना जेल, मिट्टी, कोलॉइड, छोटे कणों में धातु आदि अच्छे अवशोषक के रूप में कार्य करते हैं।

अवशोषण के अनुप्रयोग में

(i) यदि एक गैस जैसे $\mathrm{O_2}, \mathrm{H_2}, \mathrm{CO}, \mathrm{Cl_2}, \mathrm{NH_3}$ या $\mathrm{SO_2}$ एक बंद बर्तन में लिया जाता है जिसमें पाउडरेड कार्बन होता है, तो यह देखा जाता है कि बंद बर्तन में गैस के दबाव में कमी आती है। गैस अणु चारकोल के सतह पर एकत्रित हो जाते हैं, अर्थात गैस अवशोषित होती है।

(ii) एक आगन रंगक के घोल में, जैसे मेथिलीन ब्लू, जब जावेलीन कार्बन को डालकर घोल को अच्छी तरह अलग किया जाता है, तो देखा जाता है कि छाने वाले घोल का रंग रहित हो जाता है। इस प्रकार रंगक के अणु चारकोल के सतह पर एकत्रित हो जाते हैं, अर्थात अवशोषित हो जाते हैं।

(iii) शुद्ध चीनी के जलीय घोल को जावेलीन कार्बन के बेड पर गुजारने पर घोल रंगहीन हो जाता है क्योंकि रंगक पदार्थ चारकोल द्वारा अवशोषित हो जाते हैं।

(iv) सिलिका जेल की उपस्थिति में हवा शुष्क हो जाती है क्योंकि पानी के अणु जेल के सतह पर अवशोषित हो जाते हैं।

ऊपर के उदाहरणों से स्पष्ट है कि ठोस सतह गैस या तरल अणुओं को अवशोषण के कारण धारण कर सकती है। एक सतह पर अवशोषित पदार्थ को हटाने की प्रक्रिया को अवशोषण कहते हैं।

5.1.1 अवशोषण और अवशोषण के बीच अंतर

अवशोषण में, पदार्थ केवल सतह पर केंद्रित होता है और इसका प्रवेश सतह के माध्यम से अवशोषक के बulk में नहीं होता, जबकि अवशोषण में, पदार्थ ठोस के बulk में समान रूप से वितरित होता है। उदाहरण के लिए, जब एक चाक छड़ी अक्वा में डुबोई जाती है, तो छड़ी की सतह अक्वा के रंग को अवशोषण के कारण धारण करती है जबकि अक्वा के विलायक छड़ी के अंदर गहराई तक जाता है। छड़ी को तोड़ देने पर यह अंदर से सफेद पाया जाता है। अवशोषण और अवशोषण के बीच अंतर को जल वाष्प के उदाहरण के माध्यम से स्पष्ट किया जा सकता है। जल वाष्प अनहाइड्रोस कैल्शियम क्लोराइड द्वारा अवशोषित होते हैं लेकिन सिलिका जेल द्वारा अवशोषित होते हैं। अन्य शब्दों में, अवशोषण में अवशोषक के अवशोषक के सतह पर अवशोषक के सांद्रण केवल बढ़ता है, जबकि अवशोषण में ठोस के बulk में सांद्रण समान रहता है।

दोनों अवशोषण और अवशोषण एक साथ हो सकते हैं। “अवशोषण” शब्द दोनों प्रक्रियाओं को वर्णित करता है।

5.1.2 अवशोषण के यांत्रिक तंत्र

अवशोषण उस तथ्य के कारण होता है कि अवशोषक के सतह के कण अपने आंतरिक भाग के कणों के एक ही वातावरण में नहीं होते हैं। अवशोषक के आंतरिक भाग में सभी कणों के बीच कार्य करने वाले बल एक दूसरे के साथ संतुलित होते हैं, लेकिन सतह पर कण अपने आंतरिक भाग के कणों के सभी ओर घिरे नहीं होते हैं, और इसलिए वे असंतुलित या शेष आकर्षण बलों के साथ होते हैं। इन बलों के कारण अवशोषक के सतह पर अवशोषित कण आकर्षित होते हैं। एक निश्चित ताप और दबाव पर अवशोषक के इकाई द्रव्यमान पर सतह क्षेत्रफल के बढ़ने के साथ-साथ अवशोषण की मात्रा बढ़ती जाती है।

अन्य एक महत्वपूर्ण कारक जो अवशोषण में शामिल होता है, अवशोषण की ऊष्मा है। अवशोषण के दौरान सतह के अवशेष बल में हमेशा कमी आती है, अर्थात सतह ऊर्जा में कमी होती है जो ऊष्मा के रूप में प्रकट होती है। अवशोषण, इसलिए, हमेशा एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया होती है। अन्य शब्दों में, अवशोषण के $\Delta \mathrm{H}$ हमेशा नकारात्मक होता है। जब एक गैस अवशोषित होती है, तो उसके अणुओं की गति की स्वतंत्रता सीमित हो जाती है। इसके परिणामस्वरूप अवशोषण के बाद गैस की एंट्रॉपी में कमी होती है, अर्थात $\Delta \mathrm{S}$ नकारात्मक होता है। अवशोषण के साथ-साथ तंत्र की एन्थैल्पी में भी कमी होती है। एक प्रक्रिया के लिए अपस्पंदन के लिए तापमान और दबाव स्थिर रहने पर $\Delta \mathrm{G}$ नकारात्मक होना आवश्यक होता है, अर्थात गिब्स ऊर्जा में कमी होती है। समीकरण $\Delta \mathrm{G}=\Delta \mathrm{H}-\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ के आधार पर, $\Delta \mathrm{G}$ नकारात्मक हो सकता है यदि $\Delta \mathrm{H}$ का मान पर्याप्त रूप से नकारात्मक हो जाए जबकि $-\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ धनात्मक हो। इस प्रकार, एक अवशोषण प्रक्रिया, जो अपस्पंदन के लिए है, इन दोनों कारकों के संयोजन से $\Delta \mathrm{G}$ नकारात्मक हो जाता है। जैसे-जैसे अवशोषण आगे बढ़ता है, $\Delta \mathrm{H}$ कम और कम नकारात्मक हो जाता है अंततः $\Delta \mathrm{H}$ अंततः $\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ के बराबर हो जाता है और $\Delta \mathrm{G}$ शून्य हो जाता है। इस अवस्था पर संतुलन प्राप्त हो जाता है।

5.1.3 अवशोषण के प्रकार

ठोस पर गैसों के अवशोषण के मुख्य रूप से दो प्रकार होते हैं। यदि ठोस के सतह पर गैस के संग्रह दुर्बल वैन डर वाल्स बलों के कारण होता है, तो अवशोषण को भौतिक अवशोषण या भौतिक अवशोषण कहा जाता है। जब गैस अणु या परमाणु ठोस सतह से रासायनिक बंधनों के कारण बांधे रहते हैं, तो अवशोषण को रासायनिक अवशोषण या रासायनिक अवशोषण कहा जाता है। रासायनिक बंधन सहस्रांत या आयनिक प्रकृति के हो सकते हैं। रासायनिक अवशोषण में उच्च सक्रियण ऊर्जा होती है और इसलिए इसे अक्सर सक्रिय अवशोषण के रूप में संदर्भित किया जाता है। कभी-कभी इन दोनों प्रक्रियाओं के एक साथ होने के कारण अवशोषण के प्रकार की पहचान करना कठिन हो जाता है। निम्न तापमान पर भौतिक अवशोषण तापमान के बढ़ने के साथ रासायनिक अवशोषण में परिवर्तित हो सकता है। उदाहरण के लिए, डाइहाइड्रोजन निकेल पर पहले वैन डर वाल्स बलों के कारण अवशोषित होती है। तब हाइड्रोजन अणु वियोजित होकर हाइड्रोजन परमाणु बन जाते हैं जो रासायनिक अवशोषण के कारण सतह पर बांधे रहते हैं।

कुछ महत्वपूर्ण विशेषताओं का वर्णन नीचे दिया गया है जो दोनों प्रकार के अवशोषण के लिए सामान्य हैं:

फिजिकल अवशोषण की विशेषताएं

(i) विशिष्टता की कमी: एक दिए गए अवशोषक के सतह के लिए कोई विशेष गैस के लिए प्राथमिकता नहीं होती क्योंकि वैन डर वाल्स बल सार्वभौमिक होते हैं।

(ii) अवशोषित पदार्थ की प्रकृति: एक ठोस द्वारा अवशोषित गैस की मात्रा गैस की प्रकृति पर निर्भर करती है। सामान्यतः, आसानी से द्रवीकृत होने वाली गैसें (अर्थात उच्च आइसोथर्मल तापमान वाली गैसें) वैन डर वाल्स बल अधिक शक्तिशाली होते हैं, जो आइसोथर्मल तापमान के पास अवशोषित होती हैं। इसलिए, $1 \mathrm{~g}$ सक्रिय कार्बन के अवशोषित डाइसल्फर डाइऑक्साइड (आइसोथर्मल तापमान 630K) की मात्रा, मेथेन (आइसोथर्मल तापमान 190K) की तुलना में अधिक होती है, जो अभी भी $4.5 \mathrm{~mL}$ डाइहाइड्रोजन (आइसोथर्मल तापमान $33 \mathrm{~K}$) की तुलना में अधिक होती है।

(iii) उत्क्रमणीय प्रकृति: ठोस द्वारा गैस के भौतिक अवशोषण के अधिकांश मामले में उत्क्रमणीय होता है। इसलिए,

$$ \text { Solid }+ \text { Gas } \rightleftharpoons \text { Gas } / \text { Solid }+ \text { Heat } $$

दबाव बढ़ाने पर गैस के अधिक अवशोषण होता है क्योंकि गैस का आयतन कम हो जाता है (लेवेसेक अपेक्षा के सिद्धांत) और दबाव कम करके गैस को हटाया जा सकता है। क्योंकि अवशोषण प्रक्रिया ऊष्माक्षेपी होती है, भौतिक अवशोषण निम्न तापमान पर आसानी से होता है और तापमान के बढ़ने के साथ घटता जाता है (लेवेसेक अपेक्षा के सिद्धांत)।

(iv) अवशोषक के सतह क्षेत्रफल: अवशोषण के मात्रा में वृद्धि अवशोषक के सतह क्षेत्रफल में वृद्धि के साथ बढ़ती जाती है। इसलिए, छोटे कणों वाले धातु और बड़े सतह क्षेत्रफल वाले रूपांतरित पदार्थ अच्छे अवशोषक होते हैं।

(v) अवशोषण की एंथैल्पी: निश्चित रूप से, भौतिक अवशोषण एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया होती है, लेकिन इसकी अवशोषण एंथैल्पी बहुत कम होती है (20–40 किलोजूल मोल⁻¹)। इसका कारण गैस अणु और ठोस सतह के बीच आकर्षण केवल कम वैन डर वॉल्स बलों के कारण होता है।

रासायनिक अवशोषण की विशेषताएं

(i) उच्च विशिष्टता: रासायनिक अधिशोषण बहुत विशिष्ट होता है और यह केवल तब होता है जब अधिशोषक और अधिशोषित वस्तु के बीच रासायनिक बंधन के अवसर हो। उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन धातुओं पर ऑक्साइड बनाकर अधिशोषित होती है और हाइड्रोजन अनुवादक धातुओं द्वारा हाइड्राइड बनाकर अधिशोषित होती है।

(ii) अव्यापरणीयता: रासायनिक अधिशोषण में यौगिक बनने के कारण यह आमतौर पर अव्यापरणीय प्रकृति का होता है। रासायनिक अधिशोषण एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया होती है, लेकिन निम्न तापमान पर इसकी प्रक्रिया बहुत धीमी होती है क्योंकि सक्रियण ऊर्जा बहुत अधिक होती है। अधिशोषण अधिकांश रासायनिक परिवर्तनों के समान होता है, जिसमें तापमान के बढ़ने के साथ-साथ अधिशोषण बढ़ता है। निम्न तापमान पर अधिशोषित गैस के भौतिक अधिशोषण के अधिशोषण के रूप में उच्च तापमान पर परिवर्तित हो सकता है। आमतौर पर उच्च दबाव रासायनिक अधिशोषण के लाभकारी होता है।

(iii) सतह क्षेत्रफल: भौतिक अवशोषण के आविष्कार के समान, अवशोषक के सतह क्षेत्रफल में वृद्धि के साथ रासायनिक अवशोषण भी बढ़ता है।

(iv) अवशोषण की एन्थैल्पी: रासायनिक अवशोषण की एन्थैल्पी उच्च (80-24 किलोजूल मोल⁻¹) होती है क्योंकि इसमें रासायनिक आबंधन के निर्माण की भाग लेता है।

5.1.4 अवशोषण आइसोथर्म

स्थिर तापमान पर अवशोषक द्वारा गैस के अवशोषित अंश में दबाव के परिवर्तन को एक वक्र द्वारा प्रदर्शित किया जा सकता है, जिसे अवशोषण आइसोथर्म कहते हैं।

फ्रेंडलिच अवशोषण आइसोथर्म: फ्रेंडलिच ने 1909 में ठोस अवशोषक के इकाई द्रव्यमान द्वारा अवशोषित गैस की मात्रा और विशिष्ट तापमान पर दबाव के बीच एक एम्पिरिकल संबंध प्रस्तुत किया। इस संबंध को निम्नलिखित समीकरण द्वारा व्यक्त किया जा सकता है:

$$ \begin{equation*} \frac{x}{m}=k \cdot p^{1 / n}(n>1) \tag{5.1} \end{equation*} $$

जहाँ x, दबाव P पर अवशोषक के m ग्राम पर गैस के अवशोषित द्रव्यमान है, k और n अवशोषक और गैस की प्रकृति तथा निश्चित तापमान पर निर्भर अचर हैं। यह संबंध आमतौर पर एक वक्र के रूप में प्रस्तुत किया जाता है, जहाँ अवशोषक के प्रति ग्राम गैस के अवशोषित द्रव्यमान को दबाव के विरुद्ध आलेखित किया जाता है (चित्र 5.1)। इन वक्रों के अनुसार, निश्चित दबाव पर तापमान के बढ़ने के साथ-साथ भौतिक अवशोषण में कमी आती है। ये वक्र उच्च दबाव पर हमेशा संतृप्ति की ओर बढ़ते हुए दिखाई देते हैं। समीकरण (5.1) के लघुगणक लेने पर

$$ \begin{equation*} \log \frac{x}{m}=\log k+\frac{1}{n} \log p \tag{5.2} \end{equation*} $$

फ्रेंडलिच आइसोथर्म की वैधता की जांच यह आकृति खींचकर की जा सकती है जिसमें $\log \frac{x}{m}$ को $y$-अक्ष (लंबवत) पर और $\log p$ को $\mathrm{x}$-अक्ष (समतल) पर लिया जाए। यदि यह एक सीधी रेखा बने, तो फ्रेंडलिच आइसोथर्म वैध है, अन्यथा नहीं (चित्र 5.2)। सीधी रेखा की ढलान $\frac{1}{n}$ के मान को देती है। $y$-अक्ष पर अन्तर्वेशन का मान $\log k$ के मान को देता है।

फ्रेंडलिच आइसोथर्म अवशोषण के व्यवहार को लगभग बताती है। गुणांक $\frac{1}{n}$ के मान 0 और 1 के बीच हो सकते हैं (संभावित रेंज 0.1 से 0.5)। इसलिए, समीकरण (5.2) दबाव के एक सीमित रेंज में सही रहता है।

जब $\frac{1}{n}=0, \frac{x}{m}=$ स्थिरांक, तो अवशोषण दबाव से स्वतंत्र होता है।

जब $\frac{1}{n}=1, \frac{x}{m}=k p$, अर्थात $\frac{x}{m} \propto p$, तो अवशोषण दबाव के सीधे अनुपात में होता है।

दोनों स्थितियाँ प्रयोगात्मक परिणामों द्वारा समर्थित हैं। प्रयोगात्मक आइसोथर्म हमेशा उच्च दबाव पर संतृप्ति की ओर बढ़ती है। यह फ्रेंडलिच आइसोथर्म द्वारा समझा नहीं जा सकता है। इसलिए, इस आइसोथर्म उच्च दबाव पर विफल रहती है।

5.1.5 विलयन अवस्था से अवशोषण

ठोस पदार्थ विलयन से विलेय पदार्थों को भी अवशोषित कर सकते हैं। जब एसिटिक अम्ल के पानी के विलयन को कार्बन चारकोल के साथ हिलाया जाता है, तो अम्ल का एक भाग कार्बन चारकोल द्वारा अवशोषित हो जाता है और विलयन में अम्ल की सांद्रता कम हो जाती है। इसी तरह, जब लिटमस विलयन को कार्बन चारकोल के साथ हिलाया जाता है, तो विलयन रंगहीन हो जाता है। $\mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_{2}$ के अवक्षेप के उपस्थिति में मैग्नेसन अभिकर्मक के साथ अवक्षेप नीला रंग ले लेता है। रंग के कारण मैग्नेसन के अवशोषण होता है। विलयन अवस्था से अवशोषण के मामले में निम्नलिखित अवलोकन किए गए हैं:

(i) अवशोषण के मात्रा कम हो जाती है तापमान में वृद्धि के साथ।

(ii) अवशोषण के मात्रा सोद्धारक के सतह क्षेत्रफल में वृद्धि के साथ बढ़ती है।

(iii) अवशोषण के मात्रा विलयन में विलेय के सांद्रण पर निर्भर करती है।

(iv) अवशोषण के मात्रा अवशोषक और अवशोषित पदार्थ की प्रकृति पर निर्भर करती है।

विलयन से अवशोषण के सटीक यांत्रिक तंत्र के बारे में अभी तक कोई ज्ञात जानकारी नहीं है। फ्रेंडलिच के समीकरण विलयन से अवशोषण के व्यवहार का लगभग वर्णन करते हैं, जिसमें दबाव के स्थान पर विलयन के सांद्रण को ग्रहण किया जाता है, अर्थात,

$$ \begin{equation*} \frac{x}{m}=k C^{1 / n} \tag{5.3} \end{equation*} $$

( $C$ असानुकूलित सांद्रता है, अर्थात जब अवशोषण पूर्ण हो जाए।) उपरोक्त समीकरण के लघुगणक लेने पर हमें प्राप्त होता है

$$ \begin{equation*} \log \frac{x}{m}=\log k+\frac{1}{n} \log C \tag{5.4} \end{equation*} $$

$\log \frac{x}{m}$ को $\log C$ के विरुद्ध आलेखित करने पर एक सीधी रेखा प्राप्त होती है जो फ्रेंडलिच अवशोषण वक्र की वैधता को दर्शाती है। इसकी जांच प्रयोग के माध्यम से की जा सकती है जिसमें ऐसिटिक अम्ल के विभिन्न सांद्रता वाले विलयन लिए जाते हैं। विभिन्न बर्तनों में समान मात्रा के कार्बन के साथ समान आयतन के विलयन मिलाए जाते हैं। अवशोषण के बाद प्रत्येक बर्तन में अंतिम सांद्रता निर्धारित की जाती है। आरंभिक और अंतिम सांद्रता में अंतर $x$ का मान देता है। उपरोक्त समीकरण के उपयोग द्वारा फ्रेंडलिच अवशोषण वक्र की वैधता स्थापित की जा सकती है।

5.1.6 अवशोषण के अनुप्रयोग

अवशोषण की घटना कई अनुप्रयोगों में पाई जाती है। महत्वपूर्ण अनुप्रयोग नीचे सूचीबद्ध हैं:

(i) उच्च वैक्यूम के उत्पादन: एक वैक्यूम पंप द्वारा एक बरतन को निर्वात देने के बाद कार्बन के रूप में वायु के शेष ट्रेस को अवशोषित करके बहुत उच्च वैक्यूम प्राप्त किया जा सकता है।

(ii) गैस मास्क: गैस मास्क (एक उपकरण जो सक्रिय कार्बन या अवशोषक के मिश्रण के बना होता है) कोल खानों में सांस लेने के लिए आमतौर पर उपयोग किया जाता है ताकि विषैली गैसों को अवशोषित किया जा सके।

(iii) आर्द्रता के नियंत्रण: सिलिका और एल्यूमीनियम जेल आर्द्रता के नियंत्रण और नमी के आविष्कार के लिए अवशोषक के रूप में उपयोग किए जाते हैं।

(iv) विलयन से रंग के पदार्थ के निकालना: पशु चारकोल विलयन के रंग को अवशोषण के माध्यम से निकालता है।

(v) विषम उत्प्रेरण: उत्प्रेरक के ठोस सतह पर अभिकर्मक के अवशोषण अभिक्रिया की दर को बढ़ाता है। उद्योग में महत्वपूर्ण गैसीय अभिक्रियाओं में ठोस उत्प्रेरकों की भाग लेने वाली अनेक अभिक्रियाएं होती हैं। अमोनिया के निर्माण में लोहा उत्प्रेरक के रूप में उपयोग, $\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}$ के निर्माण में संपर्क प्रक्रम के द्वारा उत्प्रेरक के रूप में उपयोग और तेलों के हाइड्रोजनीकरण में छोटे कणों वाले निकेल के उपयोग विषम उत्प्रेरण के अच्छे उदाहरण हैं।

(vi) अक्रिय गैसों के अलग करना: कोकोनट काले चारकोल द्वारा विभिन्न तापमानों पर अधिशोषण के कारण गैसों के अधिशोषण के मात्रा में अंतर के कारण, एक नॉबल गैस के मिश्रण को अलग किया जा सकता है।

(vii) बीमारियों के उपचार में: कई दवाओं का उपयोग जीरों को मारने के लिए किया जाता है, जो उन पर अधिशोषित हो जाते हैं।

(viii) फ्रोथ फ्लोटेशन प्रक्रिया: इस विधि के द्वारा पिन तेल और फ्रोथिंग एजेंट का उपयोग करके निम्न गुणवत्ता वाला सल्फाइड खनिज चूना बर्तन और अन्य मिट्टी के पदार्थ से अलग किया जाता है (इकाई 6 देखें)।

(ix) अधिशोषण सूचक: ऐसे अवक्षेपण के सतह जैसे चांदी के हैलाइड के अधिशोषण के गुण होते हैं जो कुछ रंग जैसे एओसिन, फ्लूओरेस्सेन आदि के रंग के अंत बिंदु पर विशिष्ट रंग उत्पन्न करते हैं।

(x) वर्णक्रमण विश्लेषण: अवशोषण के घटना पर आधारित वर्णक्रमण विश्लेषण विश्लेषणात्मक एवं औद्योगिक क्षेत्रों में कई अनुप्रयोगों के लिए पाया जाता है।

अंतर्गत प्रश्न

5.1 रासायनिक अवशोषण के कोई दो गुण लिखिए।

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उत्तर

1. रासायनिक अवशोषण प्रकृति में बहुत विशिष्ट होता है। यह केवल उस स्थिति में होता है जब अवशोषक और अवशोषित पदार्थ के बीच रासायनिक बंधन की संभावना हो।
2. भौतिक अवशोषण के जैसे, रासायनिक अवशोषण भी अवशोषक के सतह क्षेत्रफल में वृद्धि के साथ बढ़ता है।

5.2 तापमान में वृद्धि के साथ भौतिक अवशोषण कम हो जाता है, क्यों?

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उत्तर

भौतिक अवशोषण प्रकृति में ऊष्माक्षेपी होता है। अतः लेचेटेलियर के सिद्धांत के अनुसार, तापमान में वृद्धि के साथ यह कम हो जाता है। इसका अर्थ है कि भौतिक अवशोषण निम्न तापमान पर अधिक आसानी से होता है।

5.3 क्यों तौलिए वस्तुएं उनके क्रिस्टलीय रूपों की तुलना में अधिक प्रभावी अवशोषक होती हैं?

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उत्तर

तौलिए वस्तुएं उनके क्रिस्टलीय रूपों की तुलना में अधिक प्रभावी अवशोषक होती हैं क्योंकि जब कोई वस्तु तौलिए रूप में होती है, तो उसका सतह क्षेत्रफल बढ़ जाता है और भौतिक अवशोषण अवशोषक के सतह क्षेत्रफल के सीधे अनुपात में होता है।

5.2 उत्प्रेरण

क्लोरेट एवं पोटेशियम, जब तीव्र ताप पर गरम किया जाता है, धीरे-धीरे डाइऑक्सीजन देता है। विघटन के तापमान के परिसर $653-873 \mathrm{~K}$ होता है।

$$ 2 \mathrm{KClO_3} \rightarrow 2 \mathrm{KCl}+3 \mathrm{O_2} $$

हालांकि, जब थोड़ा मैंगनीज डाइऑक्साइड मिलाया जाता है, तो अपघटन बहुत कम तापमान के बराबर रेंज में होता है, अर्थात 473-633K और बहुत तेजी से भी होता है। जोड़े गए मैंगनीज डाइऑक्साइड के संबंध में उसके द्रव्यमान और संघटन में कोई बदलाव नहीं होता। इसी तरह, कई रासायनिक अभिक्रियाओं की दरों को एक विदेशी पदार्थ के उपस्थिति के कारण बदला जा सकता है।

रासायनिक अभिक्रियाओं की दरों पर विभिन्न विदेशी पदार्थों के प्रभाव के प्रणालीय अध्ययन के लिए बर्जेलियस ने 1835 में पहले अध्ययन किया। उन्होंने इन पदार्थों के लिए “उत्प्रेरक” शब्द का प्रस्ताव रखा।

पदार्थ जो रासायनिक अभिक्रिया की दर को बढ़ाते हैं और अभिक्रिया के बाद रासायनिक एवं मात्रात्मक रूप से अपरिवर्तित रहते हैं, कैटलिस्ट कहलाते हैं, और इस घटना को कैटलिसिस कहते हैं। आप पहले सेक्शन 4.5 में कैटलिस्ट और इसके कार्य के बारे में अध्ययन कर चुके हैं।

प्रोमोटर और पॉइज़न

प्रोमोटर वे पदार्थ होते हैं जो कैटलिस्ट की गतिविधि को बढ़ाते हैं जबकि पॉइज़न कैटलिस्ट की गतिविधि को कम करते हैं। उदाहरण के लिए, अमोनिया के निर्माण के हैबर प्रक्रम में, मोलिब्डेनम लोहा के उपयोग के रूप में कैटलिस्ट के लिए एक प्रोमोटर के रूप में कार्य करता है।

$$ \mathrm{N_2}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow[\mathrm{Mo}(\mathrm{s})]{\mathrm{Fe}(\mathrm{s})} 2 \mathrm{NH_3}(\mathrm{~g}) $$

5.2.1 समानाधिकारी एवं विषमाधिकारी उत्प्रेरण

उत्प्रेरण को दो वर्गों में व्यापक रूप से विभाजित किया जा सकता है:

(अ) समानाधिकारी उत्प्रेरण

जब अभिकर्मक, उत्पाद एवं उत्प्रेरक समान अवस्था (अर्थात तरल या गैस) में होते हैं, तो प्रक्रिया को समानाधिकारी उत्प्रेरण कहा जाता है। नीचे कुछ समानाधिकारी उत्प्रेरण के उदाहरण दिए गए हैं:

(ई) नाइट्रोजन ऑक्साइड की उपस्थिति में डाइऑक्सीजन की उपस्थिति में सल्फर डाइऑक्साइड के सल्फर ट्राइऑक्साइड में ऑक्सीकरण को लेड चैम्बर प्रक्रिया में एक उत्प्रेरक के रूप में ऑक्साइड ऑफ नाइट्रोजन के उपस्थिति में दिखाया गया है।

$$ 2 \mathrm{SO_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{NO}(\mathrm{g})} 2 \mathrm{SO_3}(\mathrm{~g}) $$

अभिकर्मक, सल्फर डाइऑक्साइड और ऑक्सीजन, तथा उत्प्रेरक, नाइट्रिक ऑक्साइड, सभी एक ही अवस्था में होते हैं।

(ii) मेथिल एसीटेट के जलअपघटन को हाइड्रोक्लोरिक अम्ल द्वारा प्रदान किए गए H+ आयनों द्वारा उत्प्रेरित किया जाता है

$$ \mathrm{CH_3} \mathrm{COOCH_3}(\mathrm{l})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \xrightarrow{\mathrm{HCI}(\mathrm{l})} \mathrm{CH_3} \mathrm{COOH}(\mathrm{aq})+\mathrm{CH_3} \mathrm{OH}(\mathrm{aq}) $$

$$

प्रतिक्रियक एवं उत्प्रेरक दोनों ही एक ही अवस्था में होते हैं।

(iii) शर्करा के हाइड्रोलिसिस को सल्फ्यूरिक अम्ल द्वारा प्रदान किए गए H+ आयनों द्वारा उत्प्रेरित किया जाता है।

$$ \underset{\substack{\text { विलयन }}}{\mathrm{C_12} \mathrm{H_22} \mathrm{O_11}(\mathrm{aq})}+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \xrightarrow{\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}(\mathrm{l})} \underset{\text { विलयन }}{\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}(\mathrm{aq})+\underbrace{\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}_\text {ग्लूकोज }}(\mathrm{aq})} $$

$$

प्रतिक्रियक एवं उत्प्रेरक दोनों एक ही अवस्था में होते हैं।

(b) विषम अवस्था उत्प्रेरण

उत्प्रेरक एवं प्रतिक्रियक अलग-अलग अवस्था में होने वाली उत्प्रेरण प्रक्रिया को विषम अवस्था उत्प्रेरण कहते हैं। नीचे विषम अवस्था उत्प्रेरण के कुछ उदाहरण दिए गए हैं:

(i) Pt की उपस्थिति में सल्फर डाइऑक्साइड के सल्फर ट्राइऑक्साइड में ऑक्सीकरण।

$$ 2 \mathrm{SO_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{Pt}(\mathrm{s})} 2 \mathrm{SO_3}(\mathrm{~g}) $$

प्रतिक्रियक गैसीय अवस्था में होता है जबकि उत्प्रेरक ठोस अवस्था में होता है।

(ii) हैबर प्रक्रम में छोटे-छोटे लोहे की चिकनी बूंदों की उपस्थिति में डाइनाइट्रोजन और डाइहाइड्रोजन के मिश्रण से अमोनिया के निर्माण के बारे में।

$$ \mathrm{N_2}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{Fe}(\mathrm{s})} 2 \mathrm{NH_3}(\mathrm{~g}) $$

अभिकर्मक गैसीय अवस्था में होते हैं जबकि कैटलिस्ट ठोस अवस्था में होता है।

(iii) ओस्टवैल्ड प्रक्रम में प्लैटिनम जाली की उपस्थिति में अमोनिया के ऑक्सीकरण से नाइट्रिक ऑक्साइड के निर्माण के बारे में।

$$ 4 \mathrm{NH_3}(\mathrm{~g})+5 \mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{Pt}(\mathrm{s})} 4 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) $$

$$

अभिकर्मक गैसीय अवस्था में होते हैं जबकि कैटलिस्ट ठोस अवस्था में होता है।

(iv) वनस्पति तेलों के हाइड्रोजनीकरण को अत्यधिक छोटे निकल के उपस्थिति में कैटलिस्ट के रूप में किया जाता है।

$$ \text { Vegetable oils(l) }+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{Ni}(\mathrm{s})} \text { Vegetable ghee(s) } $$

एक अभिकर्मक तरल अवस्था में होता है और दूसरा गैसीय अवस्था में होता है जबकि कैटलिस्ट ठोस अवस्था में होता है।

5.2.2 विषम विस्थापन विस्थापन सिद्धांत के अनुसार विषम विस्थापन विस्थापन

इस सिद्धांत ने विषम विस्थापन विस्थापन के यांत्रिक अभिक्रिया की व्याख्या करता है। पुराना सिद्धांत, जिसे विस्थापन विस्थापन विस्थापन के सिद्धांत के रूप में जाना जाता है, यह बताता है कि गैसीय अवस्था या विलयन में अभिकर्मक ठोस कैटलिस्ट के सतह पर अवशोषित होते हैं। सतह पर अभिकर्मक के सांद्रण में वृद्धि अभिक्रिया की दर को बढ़ाती है। अवशोषण एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया होती है, इसलिए अवशोषण की ऊष्मा अभिक्रिया की दर को बढ़ाने में सहायता करती है।

कैटलिस्ट के अभिक्रिया कार्य को मध्यवर्ती यौगिक निर्माण के रूप में समझा जा सकता है, जिसके सिद्धांत के बारे में आप पहले सेक्शन 4.5.1 में अध्ययन कर चुके हैं।

आधुनिक अवशोषण सिद्धांत मध्यवर्ती यौगिक निर्माण सिद्धांत और पुराने अवशोषण सिद्धांत के संयोजन है। अभिकर्मक क्रियाशीलता अभिकर्मक के सतह पर स्थलीय होती है। यह योजना पांच चरणों के अंतर्गत होती है:

(i) अभिकर्मक के अणुओं के अभिकर्मक के सतह तक प्रसारण।

(ii) अभिकर्मक अणुओं के अभिकर्मक के सतह पर अवशोषण।

इस सिद्धांत के अनुसार, अभिक्रिया के अंत में उत्प्रेरक की द्रव्यमान और रासायनिक संरचना में कोई परिवर्तन नहीं होता है और इसकी कम मात्रा में भी प्रभावकारिता रहती है। हालांकि, इस सिद्धांत के अंतर्गत उत्प्रेरक प्रोमोटर और उत्प्रेरक विष आदि के कार्य के बारे में व्याख्या नहीं की जा सकती है।

ठोस उत्प्रेरक के महत्वपूर्ण गुण

(ए) उत्प्रेरकता : एक उत्प्रेरक की उत्प्रेरकता रासायनिक अधिशोषण की शक्ति के बहुत अधिक आधार पर निर्भर करती है। अभिकर्मक अणुओं को उत्प्रेरक पर अपेक्षाकृत मजबूत रूप से अधिशोषित होना चाहिए ताकि वे सक्रिय हो सकें। हालांकि, वे इतनी मजबूत रूप से अधिशोषित नहीं होना चाहिए कि वे अपने आप में अटैच हो जाएं और अन्य अभिकर्मक अणुओं के लिए उत्प्रेरक के सतह पर अधिशोषण के लिए स्थान न बचे। यह पाया गया है कि हाइड्रोजनीकरण अभिक्रिया के लिए, उत्प्रेरकता तत्वों के समूह 5 से समूह 11 तक बढ़ती जाती है और आवर्त सारणी के समूह 7-9 तत्वों द्वारा अधिकतम उत्प्रेरकता दिखाई देती है (कक्षा XI, अवयव 3)।

$$ 2 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{Pt}} 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) $$

(ब) चयनात्मकता : एक कैटलिस्ट की चयनात्मकता एक रासायनिक अभिक्रिया के एक विशिष्ट उत्पाद के उत्पादन के लिए अभिक्रिया को दिशा देने की क्षमता होती है, जब एक ही अभिक्रिया स्थितियों में कई उत्पाद उत्पन्न हो सकते हैं। समान अभिकारकों के लिए विभिन्न कैटलिस्ट के चयनात्मकता अलग-अलग होती है। उदाहरण के लिए, $\mathrm{H_2}$ और $\mathrm{CO}$ से शुरू करते हुए और विभिन्न कैटलिस्ट का उपयोग करते हुए, हम अलग-अलग उत्पाद प्राप्त करते हैं।

(i) $\mathrm{CO}(\mathrm{g})+3 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{Ni}} \mathrm{CH_4}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{g})$

(ii) $\mathrm{CO}$ (g) $+2 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{Cu} / \mathrm{ZnO}-\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_3}} \mathrm{CH_3} \mathrm{OH}(\mathrm{g})$

(iii) $\mathrm{CO}(\mathrm{g})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{Cu}} \mathrm{HCHO}(\mathrm{g})$

इस प्रकार, यह निष्कर्ष निकलता है कि एक कैटलिस्ट के कार्य की प्रकृति बहुत चयनात्मक होती है। इस कारण एक अभिक्रिया में कैटलिस्ट के रूप में कार्य करने वाला पदार्थ दूसरी अभिक्रिया में कैटलिस्ट के रूप में कार्य नहीं कर सकता।

5.2.3 आकृति-विशिष्ट उत्प्रेरण जेलोइट्स द्वारा

उत्प्रेरण अभिक्रिया जो उत्प्रेरक के पोर संरचना और अभिकारक एवं उत्पाद अणुओं के आकार पर निर्भर करती है, आकृति-विशिष्ट उत्प्रेरण कहलाती है। जेलोइट्स आकृति-विशिष्ट उत्प्रेरकों के रूप में अच्छे होते हैं क्योंकि उनकी मीठे बर्फ के समान संरचना होती है। वे तीन आयामी सिलिकेट नेटवर्क के साथ माइक्रोपोरस एल्यूमिनोसिलिकेट होते हैं जिसमें कुछ सिलिकॉन परमाणु एल्यूमिनियम परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापित हो जाते हैं जिससे $\mathrm{Al}-\mathrm{O}-\mathrm{Si}$ फ्रेमवर्क बनता है। जेलोइट्स में होने वाली अभिक्रियाएं अभिकारक एवं उत्पाद अणुओं के आकार और आकृति तथा जेलोइट्स के पोर एवं खोलों पर निर्भर करती हैं। वे प्रकृति में पाए जाते हैं तथा उत्प्रेरक चयनात्मकता के लिए संश्लेषित भी किए जाते हैं।

Zeolites विशेष रूप से पेट्रोकेमिकल उद्योगों में हाइड्रोकार्बन के तोड़ने और समानता के लिए कैटलिस्ट के रूप में बहुत व्यापक रूप से उपयोग किए जा रहे हैं। पेट्रोलियम उद्योग में एक महत्वपूर्ण जिओलाइट कैटलिस्ट ZSM-5 है। यह एल्कोहल को एक मिश्रण के हाइड्रोकार्बन के रूप में वाष्पीकरण करके डीहाइड्रेट करके डीजल (पेट्रोल) में बदल देता है।

5.2.4 एंजाइम कैटलिसिस

एंजाइम जटिल नाइट्रोजन युक्त अनॉर्गेनिक यौगिक होते हैं जो जीवित पौधों और जानवरों द्वारा उत्पादित किए जाते हैं। वे वास्तव में उच्च अणुभार वाले प्रोटीन अणु होते हैं और पानी में कोलॉइडियल घोल बनाते हैं। वे बहुत प्रभावी कैटलिस्ट होते हैं; वे कई रासायनिक अभिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं, विशेष रूप से उन अभिक्रियाओं के संबंध में जो प्राकृतिक प्रक्रियाओं से जुड़ी होती हैं। जानवरों और पौधों के शरीर में जीवन के प्रक्रम को बरकरार रखने वाली अनेक अभिक्रियाएं एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित होती हैं। इसलिए, एंजाइम को बायोकेमिकल कैटलिस्ट कहा जाता है और इस घटना को बायोकेमिकल कैटलिसिस कहा जाता है।

कई एंजाइम को जीवित कोशिकाओं से शुद्ध क्रिस्टलीय अवस्था में प्राप्त किया गया है। हालांकि, पहला एंजाइम 1969 में प्रयोगशाला में संश्लेषित किया गया था। नीचे कुछ एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं के उदाहरण दिए गए हैं:

(i) गन्ने के शर्करा के व्युत्क्रमण: इन्वर्टेज एंजाइम गन्ने के शर्करा को ग्लूकोज और फ्रक्टोज में परिवर्तित करता है।

$$ \begin{aligned} & \mathrm{C_12} \mathrm{H_22} \mathrm{O_11} \text { (aq) }+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \xrightarrow{\text { Invertase }} \mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}(\mathrm{aq})+\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6} \text { (aq) } \\

& \text { Cane sugar } \quad \text { Glucose } \quad \text { Fructose } \end{aligned} $$

(ii) ग्लूकोज के एथिल ऐल्कोहल में परिवर्तन: ज़िमेज़ एंजाइम ग्लूकोज को एथिल ऐल्कोहल और कार्बन डाइऑक्साइड में परिवर्तित करता है।

$$ \underset{\text { Glucose }}{\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}(\mathrm{aq}) \xrightarrow{\text { Zymase }} \underset{\text { Ethyl alcohol }}{2 \mathrm{C_2} \mathrm{H_5} \mathrm{OH}(\mathrm{aq})}+2 \mathrm{CO_2}(\mathrm{~g})} $$

(iii) स्टार्च के मल्टोज में परिवर्तन: डाइएस्टेज एंजाइम स्टार्च को मल्टोज में परिवर्तित करता है।

$$ \begin{aligned} & 2\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_10} \mathrm{O_5}\right)_{\mathrm{n}}(\mathrm{aq})+\mathrm{nH_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \xrightarrow{\text { Diastase }} \mathrm{nC_12} \mathrm{H_22} \mathrm{O_11} \text { (aq) } \\ & \text { स्टार्च मल्टोज } \end{aligned} $$

(iv) मल्टोज के ग्लूकोज में परिवर्तन: मल्टेज एंजाइम मल्टोज को ग्लूकोज में परिवर्तित करता है।

$$ \underset{\text { मल्टोज }}{\mathrm{C_12} \mathrm{H_22} \mathrm{O_11}(\mathrm{aq})}+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \xrightarrow{\text { मल्टेज }} \underset{\text { ग्लूकोज }}{2 \mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}(\mathrm{aq})} $$

$$

(व) यूरिया के अमोनिया और कार्बन डाइऑक्साइड में विघटन: एन्जाइम यूरेज इस विघटन को उत्प्रेरित करता है।

$$ \mathrm{NH_2} \mathrm{CONH_2}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \xrightarrow{\text { Urease }} 2 \mathrm{NH_3}(\mathrm{~g})+\mathrm{CO_2}(\mathrm{~g}) $$

(vi) आमाशय में, पेप्सिन एन्जाइम प्रोटीन को पेप्टाइड में बदलता है जबकि आंत में, पैनक्रियाटिक ट्राइप्सिन एन्जाइम प्रोटीन को हाइड्रोलाइजिस के माध्यम से ऐमीनो एसिड में बदलता है।

(vii) दूध के क curd में बदलना: यह एन्जाइमिक अभिक्रिया है जो curd में मौजूद लैक्टो बैक्टीरियम एन्जाइम द्वारा होती है।

सारणी 5.2: कुछ एंजाइमी अभिक्रियाएं

एंजाइमी उत्प्रेरण के गुणधर्म

एन्जाइम कैटलिसिस अपनी दक्षता और उच्च स्तर की विशिष्टता के कारण अद्वितीय होता है। निम्नलिखित विशेषताएं एन्जाइम कैटलिस्ट द्वारा प्रदर्शित की जाती हैं:

(i) सबसे अधिक दक्ष: एक एन्जाइम अणु एक मिनट में एक लाख अणुओं के रासायनिक पदार्थ को परिवर्तित कर सकता है।

(ii) उच्च विशिष्ट प्रकृति: प्रत्येक एन्जाइम एक निश्चित अभिक्रिया के लिए विशिष्ट होता है, अर्थात एक कैटलिस्ट एक से अधिक अभिक्रिया कैटलाइज कर सकता है। उदाहरण के लिए, यूरेज एन्जाइम केवल यूरिया के हाइड्रोलिसिस को कैटलाइज करता है। यह कोई अन्य एमाइड के हाइड्रोलिसिस को कैटलाइज नहीं करता।

(iii) उच्च गतिशीलता अनुकूल तापमान पर : एन्जाइम अभिक्रिया की दर एक निश्चित तापमान पर अधिकतम हो जाती है, जिसे अनुकूल तापमान कहते हैं। अनुकूल तापमान के दोनों ओर एन्जाइम की गतिशीलता घट जाती है। एन्जाइम गतिशीलता के अनुकूल तापमान वाले श्रेणी अंतराल $298-310 K$ होता है। मनुष्य के शरीर का तापमान $310 \mathrm{~K}$ होने के कारण एन्जाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं के लिए अनुकूल होता है।

(iv) अनुकूल $\mathrm{pH}$ पर उच्च गतिशीलता : एन्जाइम-उत्प्रेरित अभिक्रिया की दर एक विशिष्ट $\mathrm{pH}$ पर अधिकतम हो जाती है, जिसे अनुकूल $\mathrm{pH}$ कहते हैं, जो $\mathrm{pH}$ मान 5-7 के बीच होता है।

(v) सक्रियकरण एवं सह-एंजाइम की उपस्थिति में बढ़ती गतिविधि: कुछ पदार्थों, जिन्हें सह-एंजाइम कहा जाता है, की उपस्थिति में एंजाइम की गतिविधि बढ़ जाती है। यह देखा गया है कि जब एक छोटा गैर-प्रोटीन (विटामिन) एंजाइम के साथ मिलकर उपस्थित होता है, तो उसकी उत्प्रेरक गतिविधि बहुत अधिक बढ़ जाती है।

सक्रियकरण आमतौर पर धातु आयन होते हैं, जैसे $\mathrm{Na}^{+}, \mathrm{Mn}^{2+}, \mathrm{Co}^{2+}, \mathrm{Cu}^{2+}$ आदि। ये धातु आयन, जब एंजाइम अणुओं से कमजोर रूप से जुड़े होते हैं, तो उनकी उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ा देते हैं। नैत्रिक लवण की उपस्थिति में एमाइलेज, अर्थात $\mathrm{Na}^{+}$ आयनों के साथ, उत्प्रेरक रूप से बहुत सक्रिय हो जाता है।

(vi) इनहिबिटर और पॉइज़न के प्रभाव: सामान्य कैटलिस्ट के जैसे, एंजाइम भी कुछ विशिष्ट पदार्थों की उपस्थिति के कारण अवरोधित या पॉइज़न हो जाते हैं। इनहिबिटर या पॉइज़न एंजाइम सतह पर सक्रिय कार्य करने वाले समूहों के साथ अंतर्क्रिया करते हैं और एंजाइम के विस्थापन गतिशीलता को आमतौर पर कम कर देते हैं या पूरी तरह से नष्ट कर देते हैं। शरीर में कई दवाओं के उपयोग उनके एंजाइम इनहिबिटर के रूप में कार्य करने पर आधारित होते हैं।

एंजाइम विस्थापन के यांत्रिक तंत्र

एंजाइम के कोलॉइडी कणों के सतह पर कई गड्ढे उपस्थित होते हैं। ये गड्ढे विशिष्ट आकार के होते हैं और जैसे $-\mathrm{NH_2},-\mathrm{COOH}$, $-\mathrm{SH},-\mathrm{OH}$, आदि ऐसे सक्रिय समूह रखते हैं। ये वास्तव में एंजाइम कणों के सतह पर सक्रिय केंद्र होते हैं। अभिकर्मक (प्रतिक्रिया योग्य पदार्थ) के अणु, जो आकार में अनुरूप होते हैं, इन गड्ढों में फिट हो जाते हैं जैसे कि कुंजी लॉक में फिट हो जाती है। सक्रिय समूहों की उपस्थिति के कारण, एक सक्रिय संयोजन बनता है जो फिर उत्पादों के निर्माण के लिए विघटित हो जाता है।

इस प्रकार, एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियाएं दो चरणों में हो सकती हैं।

चरण 1: एंजाइम के उपस्थिति में उपाय वस्तु के साथ बंधन बनाकर सक्रिय जटिल के निर्माण।

$$ \mathrm{E}+\mathrm{S} \rightarrow \mathrm{ES}^{\neq} $$

चरण 2: सक्रिय जटिल के विघटन से उत्पाद के निर्माण।

$$ \mathrm{ES}^{\neq} \rightarrow \mathrm{E}+\mathrm{P} $$

$$

5.2.5 उद्योग में कैटलिस्ट

कुछ महत्वपूर्ण तकनीकी कैटलिस्ट प्रक्रम तालिका 5.3 में सूचीबद्ध हैं जिससे उद्योगों में कैटलिस्ट के उपयोग के बारे में एक अंदाज बनाया जा सके।

| 2. नाइट्रिक अम्ल के निर्माण के ओस्वाल्ड प्रक्रम।
$4 \mathrm{NH_3}(\mathrm{~g})+5 \mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 4 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{g})$
$2 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{NO_2}(\mathrm{~g})$
$4 \mathrm{NO_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 4 \mathrm{HNO_3}(\mathrm{aq})$ | प्लैटिनाइज्ड एस्बेस्टस;
तापमान $573 \mathrm{~K}$. |

| 3. सल्फ्यूरिक अम्ल के निर्माण के लिए संपर्क प्रक्रिया।
$2 \mathrm{SO_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{SO_3}(\mathrm{~g})$
$\mathrm{SO_3}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{H_2} \mathrm{~S_2} \mathrm{O_7}(\mathrm{l})$
$\quad$ ऑल्इम
$\mathrm{H_2} \mathrm{~S_2} \mathrm{O_7}(\mathrm{l})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}(\mathrm{aq})$ | प्लैटिनाइज्ड एस्बेस्टस या वैनेडियम पेंटऑक्साइड $\left(\mathrm{V_2} \mathrm{O_5}\right)$;
तापमान $673-723 \mathrm{~K}$. |

अंतर्गत प्रश्न

5.4 हैबर की प्रक्रिया में, हाइड्रोजन को मीथेन के स्टीम के साथ अभिक्रिया करके प्राप्त किया जाता है, जिसमें एनी ऑक्साइड कैटलिस्ट के उपस्थिति में। यह प्रक्रिया स्टीम रीफॉर्मिंग के रूप में जानी जाती है। हैबर की प्रक्रिया द्वारा अमोनिया के प्राप्त करने के लिए CO को हटाने की आवश्यकता क्यों होती है?

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उत्तर

अमोनिया के संश्लेषण में CO को हटाना महत्वपूर्ण है क्योंकि CO हैबर की प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले लोहा कैटलिस्ट के क्रियाशीलता को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है।

5.5 क्यों एस्टर के हाइड्रोलिज़ करना शुरू में धीमा होता है और बाद में तेज हो जाता है?

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उत्तर

एस्टर के हाइड्रोलिज़ को निम्नलिखित रूप में प्रस्तुत किया जा सकता है:

एस्टर + पानी $\longrightarrow$ अम्ल + एल्कोहल

अभिक्रिया में उत्पन्न अम्ल अभिक्रिया को तेज करने में सहायता करता है। एक अभिक्रिया में उत्पाद के रूप में प्राप्त होने वाले उपाय जो उसी अभिक्रिया में उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं, आत्म उत्प्रेरक कहलाते हैं।

5.6 कैटलिसिस प्रक्रिया में डेसॉर्प्शन की भूमिका क्या है?

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उत्तर

कैटलिसिस प्रक्रिया में डेसॉर्प्शन की भूमिका ठोस कैटलिस्ट के सतह को नए अभिकर्मक के अवशोषण के लिए मुक्त करना है।

5.3 कोलॉइड

हम इकाई 2 में सीख चुके हैं कि विलयन एक समान तंत्र होते हैं। हम यह भी जानते हैं कि पानी में चूर्ण अपने आप में कम्पैक्ट कर देता है जो समय के साथ धीरे-धीरे नीचे बैठ जाता है। अतिरिक्त बिंदुओं के बीच अपेक्षित विलयन और अपेक्षित विलयन के बीच एक बड़ा समूह तंत्र जो कोलॉइडी वितरण या बस कोलॉइड कहलाते हैं।

एक कोलॉइड एक विषम तंत्र होता है जिसमें एक पदार्थ दूसरे पदार्थ में बहुत छोटे कणों के रूप में वितरित होता है जिसे वितरण माध्यम कहते हैं।

हल और कोलॉइड के बीच मूल अंतर कण के आकार में होता है। जबकि एक हल में संघटक कण आयन या छोटे अणु होते हैं, कोलॉइड में वितरित अवस्था कण एक अकेले मैक्रोमोलेकुल (जैसे प्रोटीन या संश्लेषित पॉलिमर) के कण हो सकते हैं या कई परमाणु, आयन या अणु के एकत्रित रूप हो सकते हैं। कोलॉइड कण साधारण अणु से बड़े होते हैं लेकिन इतने छोटे होते हैं कि वे तैरते रह सकते हैं। उनके व्यास की श्रेणी 1 और $1000 \mathrm{~nm}$ $\left(10^{-9}\right.$ से $\left.10^{-6} \mathrm{~m}\right)$ के बीच होती है।

कोलॉइडी पार्टिकल के छोटे आकार के कारण इनके इकाई द्रव्यमान पर बहुत बड़ा सतह क्षेत्र होता है। एक $1 \mathrm{~cm}$ भुजा वाले घन के लिए कुल सतह क्षेत्र $6 \mathrm{~cm}^{2}$ होता है। यदि इसे $10^{12}$ घनों में समान रूप से विभाजित कर दिया जाए, तो घन बड़े कोलॉइडी पार्टिकल के आकार के होंगे और उनका कुल सतह क्षेत्र $60,000 \mathrm{~cm}^{2}$ या $6 \mathrm{~m}^{2}$ होगा। इस बहुत बड़े सतह क्षेत्र के कारण कोलॉइड के कुछ विशिष्ट गुण होते हैं जो इस इकाई के बाद चर्चा किए जाएंगे।

5.4 कोलॉइड के वर्गीकरण

कोलॉइड को निम्नलिखित मापदंडों के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है:

(i) वितरित अवस्था और वितरण माध्यम की भौतिक अवस्था

(ii) वितरित अवस्था और वितरण माध्यम के बीच संपर्क की प्रकृति

(iii) वितरित अवस्था के कणों के प्रकार।

5.4.1 वितरित अवस्था और वितरण माध्यम की भौतिक अवस्था के आधार पर वर्गीकरण

वितरित अवस्था और वितरण माध्यम के ठोस, तरल या गैस होने पर, आठ प्रकार के कोलॉइडी तंत्र संभव हो सकते हैं। एक गैस दूसरी गैस के साथ मिश्रित होती है और एक समान मिश्रण बनाती है, इसलिए यह एक कोलॉइडी तंत्र नहीं होता। विभिन्न प्रकार के कोलॉइड के उदाहरण और उनके सामान्य नाम तालिका 5.4 में सूचीबद्ध हैं।

तालिका 5.4: कोलॉइडीय प्रणालियों के प्रकार

| गैस | तरल | बुलबुला | फोम, व्हीप्ड क्रीम, साबुन का बुलबुला |

कई परिचित व्यावसायिक उत्पाद और प्राकृतिक वस्तुएं कोलॉइड होती हैं। उदाहरण के लिए, व्हीप्ड क्रीम एक फोम होती है, जो एक गैस के तरल में वितरित होती है। आपदा में विमान उतरते समय उपयोग किए जाने वाले आग बुझाने के फोम भी कोलॉइडी प्रणाली होते हैं। अधिकांश जैविक तरल पदार्थ जलीय सोल (ठोस के जल में वितरित) होते हैं। एक सामान्य कोशिका में, प्रोटीन और न्यूक्लिक अम्ल कोलॉइड आकार के कण होते हैं जो आयन और छोटे अणुओं के जलीय घोल में वितरित होते हैं।

टेबल 5.4 में दिए गए विभिन्न प्रकार के कोलॉइड में से सबसे आम कोलॉइड सॉल्स (ठोस तरल में), जेल्स (तरल ठोस में) और एमल्सन (तरल तरल में) हैं। हालांकि, इस इकाई में हम केवल “सॉल्स” और “एमल्सन” के बारे में चर्चा करेंगे। इसके अतिरिक्त, यह ध्यान दिया जा सकता है कि यदि वितरण माध्यम पानी हो, तो सॉल को एक्वासॉल या हाइड्रोसॉल कहा जाता है और यदि वितरण माध्यम अल्कोहल हो, तो इसे अल्कोसॉल कहा जाता है आदि।

5.4.2 वितरित अवयव और वितरण माध्यम के बीच संपर्क के प्रकार पर आधारित वर्गीकरण

अपसारित अवस्था और प्रसारक माध्यम के बीच अंतरक्रिया के प्रकार पर निर्भर करते हुए, कोलॉइडल सॉल्स को दो श्रेणियों में विभाजित किया जाता है, अर्थात, लाइफोफिलिक (प्रसारक आकर्षक) और लाइफोफोबिक (प्रसारक विरोधी)। यदि पानी प्रसारक माध्यम हो, तो इन शब्दों के उपयोग जल प्रेमी और जल विरोधी होते हैं।

(i) लाइफोफिलिक कोलॉइड्स: “लाइफोफिलिक” शब्द का अर्थ है तरल प्रेमी। गुम, जेलेटिन, स्टार्च, रबर आदि जैसे पदार्थों को उपयुक्त तरल (प्रसारक माध्यम) के साथ मिश्रित करके बनाए गए कोलॉइडल सॉल्स को लाइफोफिलिक सॉल्स कहा जाता है। इन सॉल्स की एक महत्वपूर्ण विशेषता यह है कि यदि प्रसारक माध्यम को अपसारित अवस्था से अलग कर दिया जाए (उदाहरण के लिए वाष्पीकरण द्वारा), तो सॉल को केवल प्रसारक माध्यम के साथ फिर से मिश्रित करके पुनः बनाया जा सकता है। इस कारण इन सॉल्स को भी पुनः बनाने योग्य सॉल्स के रूप में जाना जाता है। इसके अतिरिक्त, ये सॉल्स बहुत स्थायी होते हैं और बाद में चर्चा किए जाने वाले अनुसार आसानी से अवकलित नहीं हो सकते।

(ii) लाइफोबिक कोलॉइड: “लाइफोबिक” शब्द का अर्थ है द्रव-भयभीत। धातुएं, उनके सल्फाइड आदि जैसे पदार्थ जब केवल वितरण माध्यम के साथ मिश्रित किए जाते हैं, तो कोलॉइडीय सोल नहीं बनते। इन कोलॉइडीय सोल केवल विशेष विधियों (जैसा कि बाद में चर्चा की जाएगी) द्वारा तैयार किए जा सकते हैं। ऐसे सोल को लाइफोबिक सोल कहा जाता है। ये सोल छोटी मात्रा में विद्युत अपघट्य के जोड़ने, गरम करने या हिलाने पर आसानी से अवक्षेपित (या संगठित) हो जाते हैं, इसलिए ये अस्थायी होते हैं। इसके अतिरिक्त, जब अवक्षेपित हो जाते हैं, तो वे वितरण माध्यम के साथ आसानी से कोलॉइडीय सोल के रूप में वापस नहीं आ जाते। इसलिए, ये सोल अव्यवस्थित सोल भी कहलाते हैं। लाइफोबिक सोल के संरक्षण के लिए स्थायित्व एजेंट की आवश्यकता होती है।

5.4.3 वितरित अवस्था के कणों के प्रकार पर आधारित वर्गीकरण, बहुकणिक, मैक्रोअणुक और संबद्ध कोलॉइड

वितरित अवस्था के कणों के प्रकार के आधार पर कोलॉइड को बहुकणिक, मैक्रोअणुक और संबद्ध कोलॉइड के रूप में वर्गीकृत किया जाता है।

(i) बहुकणिक कोलॉइड: विलेय होने पर किसी पदार्थ के बहुत सारे परमाणु या छोटे अणु एक साथ जुड़कर कोलॉइडी श्रेणी में आकार वाले विशिष्ट बनाते हैं $(1-1000 \mathrm{~nm})$। इस प्रकार बने विशिष्ट बहुकणिक कोलॉइड कहलाते हैं। उदाहरण के लिए, एक सोने का सॉल विभिन्न आकार के कणों के साथ हो सकता है जिनमें कई परमाणु होते हैं। सल्फर सॉल में एक हजार या उससे अधिक $\mathrm{S_8}$ सल्फर अणु वाले कण होते हैं।

(ii) मैक्रोमोलेकुलर कोलॉइड: मैक्रोमोलेकुल (यूनिट 15) उपयुक्त विलायक में घोल बनाते हैं जहां मैक्रोमोलेकुल के आकार कोलॉइडी श्रेणी में हो सकता है। ऐसे प्रणाली को मैक्रोमोलेकुलर कोलॉइड कहा जाता है। ये कोलॉइड बहुत स्थायी होते हैं और कई दृष्टिकोणों से सत्य घोल के समान होते हैं। प्राकृतिक रूप से उत्पन्न मैक्रोमोलेकुल के उदाहरण शर्करा, सेल्यूलोज, प्रोटीन और एंजाइम हैं; और मानव निर्मित मैक्रोमोलेकुल के उदाहरण पॉलीथीन, नाइलॉन, पॉलीस्टाइरीन, संश्लेषित रबर आदि हैं।

(iii) संगठित कोलॉइड (माइकेल्स): कुछ पदार्थ निम्न सांद्रता पर सामान्य शक्तिशाली विद्युत अपघट्य के रूप में व्यवहार करते हैं, लेकिन उच्च सांद्रता पर एकत्रित अणुओं के निर्माण के कारण कोलॉइडी व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। इस प्रकार निर्मित एकत्रित कणों को माइकेल्स कहा जाता है। ये अपने आप में संगठित कोलॉइड के रूप में भी जाने जाते हैं। माइकेल्स का निर्माण केवल एक विशिष्ट तापमान के ऊपर होता है जिसे क्रॉफ्ट तापमान $\left(\mathbf{T_\mathrm{k}}\right)$ कहा जाता है और एक विशिष्ट सांद्रता के ऊपर होता है जिसे न्यूनतम माइकेल्स सांद्रता (CMC) कहा जाता है। विलयन के तनुकरण पर ये कोलॉइड व्यक्तिगत आयनों में वापस आ जाते हैं। सतह के सक्रिय एजेंट जैसे साबुन और संश्लेषित शुद्धक इस श्रेणी में आते हैं। साबुन के लिए, CMC $10^{-4}$ से $10^{-3} \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1}$ होता है। ये कोलॉइड दोनों लाइफोबाइड और लाइफोफिलिक भागों के साथ होते हैं। माइकेल्स में 100 अणु या उससे अधिक अणु भी हो सकते हैं।

माइसिल निर्माण के यांत्रिक तंत्र

मान लीजिए हम साबुन के घोल के उदाहरण को ले रहे हैं। साबुन एक उच्च वसा अम्ल के सोडियम या पोटेशियम लवण होता है और इसे $\mathrm{RCOO}^{-} \mathrm{Na}^{+}$ के रूप में प्रदर्शित किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, सोडियम स्टीयरेट $\mathrm{CH_3}\left(\mathrm{CH_2}\right)_{16} \mathrm{COO}^{-} \mathrm{Na}^{+}$, जो कई बार साबुनों का मुख्य घटक होता है)। जब इसे पानी में घोला जाता है, तो यह $\mathrm{RCOO}^{-}$ और $\mathrm{Na}^{+}$ आयनों में अपघटित हो जाता है। हालांकि, $\mathrm{RCOO}^{-}$ आयन दो भागों से मिलकर बने होते हैं - एक लंबा हाइड्रोकार्बन शृंखला $\mathrm{R}$ (जिसे अप्रतिरोधी अप-पोलर ‘पैंट’ कहा जाता है) जो जल-अप्रतिरोधी (जल से दूर रखने वाला) होता है, और एक ध्रुवीय समूह $\mathrm{COO}^{-}$ (जिसे ध्रुवीय-आयनिक ‘हेड’ कहा जाता है) जो जल-प्रतिरोधी (जल के साथ अच्छी तरह से बर्बाद होने वाला) होता है।

इसलिए, $\mathrm{RCOO}^{-}$ आयन सतह पर उपस्थित होते हैं, जिनके $\mathrm{COO}$ समूह पानी में होते हैं और हाइड्रोकार्बन शृंखला R इससे दूर रहती है और सतह पर बचती है। लेकिन आयनिक मिसेल निर्माण के आवश्यक सांद्रता पर, आयन विलयन के बुनियादी भाग में खींचे जाते हैं और एक गोलाकार आकृति में एकत्रित होकर एक गोला बनाते हैं, जिसमें हाइड्रोकार्बन शृंखला गोले के केंद्र की ओर बिंदु रहती है और $\mathrm{COO}^{-}$ भाग गोले के सतह पर बाहर रहता है। इस प्रकार बने एकत्रित आयन आकृति को ‘आयनिक मिसेल’ कहा जाता है। ये मिसेल ऐसे आयनों के लगभग 100 तक समावेशित हो सकते हैं।

उसी तरह, धोने के साबुन के मामले में, उदाहरण के लिए, सोडियम लौरिल सल्फेट, $\mathrm{CH_3}\left(\mathrm{CH_2}\right)_{11} \mathrm{SO_4}{ }^{-} \mathrm{Na}^{+}$, में ध्रुवीय समूह $-\mathrm{SO_4}^{-}$ होता है जिसके साथ लंबा हाइड्रोकार्बन शृंखला होती है। अतः, यहाँ माइसेल निर्माण के यांत्रिक तंत्र भी साबुन के तंत्र के समान होता है।

साबुन के शुद्ध करने के कार्य

पहले से ही उल्लेख किया गया है कि एक माइसिल में एक हाइड्रोफोबिक हाइड्रोकार्बन - जैसा केंद्रीय भाग होता है। साबुन के सफाई कार्य के कारण यह है कि साबुन के अणु तेल के बूद के चारों ओर माइसिल बनाते हैं जिस तरह कि स्टीरेट आयन के हाइड्रोफोबिक भाग तेल के बूद में होते हैं और हाइड्रोफिलिक भाग ग्रीस के बूद से बाहर निकलकर ब्रश की तरह बाहर जाते हैं (चित्र 5.7)। चूंकि ध्रुवीय समूह पानी के साथ अंतराल बना सकते हैं, तेल के बूद के चारों ओर स्टीरेट आयन होने के कारण अब यह बूद पानी में खींच लिया जाता है और गंदे सतह से हटा दिया जाता है। इस प्रकार साबुन तेल और वसा के एमल्सिफिकेशन और धुलाई में सहायता करता है। गोल्डल के चारों ओर नकारात्मक आवेश वाला आवरण उन्हें एक साथ आने से रोकता है और एकत्रित बूदों के गठन से रोकता है।

5.4.4 कोलॉइड के तैयार करना

कोलॉइड के तैयार करने के कुछ महत्वपूर्ण विधियाँ निम्नलिखित हैं:

(ए) रासायनिक विधियाँ : कोलॉइडी वितरण को द्वि-अपघटन, ऑक्सीकरण, अपचयन या हाइड्रोलिसिस के माध्यम से रासायनिक अभिक्रियाओं द्वारा अणुओं के निर्माण के द्वारा तैयार किया जा सकता है। इन अणुओं के फिर से एकत्र होने से सोल के निर्माण होता है।

$$ \begin{aligned} & \mathrm{As_2} \mathrm{O_3}+3 \mathrm{H_2} \mathrm{~S} \xrightarrow{\text { Double decompostion }} \mathrm{As_2} \mathrm{~S_3}(\mathrm{sol})+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \\

$$ \begin{aligned} & \mathrm{SO_2}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{~S} \xrightarrow{\text { ऑक्सीकरण }} 3 \mathrm{~S}\left(\text sol) +2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}\right. \\ & 2 \mathrm{AuCl_3}+3 \mathrm{HCHO}+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \xrightarrow{\text { अपचायक अभिक्रिया }} 2 \mathrm{Au}(\mathrm{sol})+3 \mathrm{HCOOH}+6 \mathrm{HCl} \\ & \mathrm{FeCl_3}+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \xrightarrow{\text { हाइड्रोलिज़िस }} \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{3}(\mathrm{sol})+3 \mathrm{HCl} \end{aligned} $$

(ब) विद्युत अपघटन या ब्रेडिग के चार विधि

इस प्रक्रिया में वितरण के साथ-साथ ठंढ़ा होना भी शामिल है। चांदी, स्वर्ण, प्लैटिनम आदि धातुओं के कोलॉइडियल सॉल इस विधि द्वारा तैयार किए जा सकते हैं। इस विधि में, धातु के इलेक्ट्रोडों के बीच विद्युत चार चमक उत्पन्न की जाती है जो वितरण माध्यम में (चित्र 5.8) डूबे हुए होते हैं। इस तीव्र गर्मी के कारण धातु वाष्प बन जाती है, जो फिर कोलॉइडियल कणों के रूप में ठंढ़ा होकर बन जाती है।

(c) पेप्टीजेशन

पेप्टीकरण को एक प्रक्रिया के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिसमें एक अवक्षेप को वितरण माध्यम के साथ अपमार्जन करके एक कोलॉइडियल सॉल में परिवर्तित किया जाता है। इसके लिए उपयोग किए जाने वाले विद्युत अपघट्य को पेप्टिजिंग एजेंट कहा जाता है। यह विधि आमतौर पर एक नए तैयार किए गए अवक्षेप को कोलॉइडियल सॉल में परिवर्तित करने के लिए लागू की जाती है।

पेप्टीकरण के दौरान, अवक्षेप विद्युत अपघट्य के एक आयन को अपनी सतह पर अधिशोषित करता है। इसके परिणामस्वरूप अवक्षेप पर धनात्मक या ऋणात्मक आवेश विकसित होता है, जो अंततः एक कोलॉइड के आकार के छोटे कणों में विखंडित हो जाता है। आप अनुभाग 5.4.6 में “कोलॉइडियल कणों पर आवेश” के अंतर्गत ठोस कणों पर आवेश के विकास और उनके वितरण के घटना के बारे में जानेंगे।

5.4.5 कोलॉइडी विलयन के शुद्धीकरण

कोलॉइडी विलयन के बनाने के दौरान, आमतौर पर अत्यधिक मात्रा में विद्युत अपघट्य तथा कुछ अन्य विलेय अशुद्धियाँ उपस्थित होती हैं। जबकि विद्युत अपघट्य के ट्रेस मात्रा के उपस्थित होने के लिए कोलॉइडी विलयन के स्थायित्व के लिए आवश्यक होता है, बड़ी मात्रा में इसे जमा कर देता है। अतः इन विलेय अशुद्धियों की सांद्रता को आवश्यक न्यूनतम तक कम करना आवश्यक होता है। इन अशुद्धियों की मात्रा को आवश्यक न्यूनतम तक कम करने की प्रक्रिया को कोलॉइडी विलयन के शुद्धीकरण कहते हैं। कोलॉइजी विलयन के शुद्धीकरण को निम्नलिखित विधियों द्वारा किया जाता है:

(ई) डायलिस: यह एक प्रक्रिया है जिसमें एक कोलॉइडी विलयन से घुले हुए पदार्थ को उपयुक्त झिल्ली के माध्यम से विस्थापन के माध्यम से हटाया जाता है। चूंकि एक सच्चे विलयन में पार्टिकल (आयन या छोटे अणु) एनिमल झिल्ली (गुदा) या पेपर या सेलोफ़ैन शीट के माध्यम से गुजर सकते हैं लेकिन कोलॉइडी पार्टिकल नहीं, इसलिए झिल्ली को डायलिस के लिए उपयोग किया जा सकता है। इसके लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण को डायलाइजर कहा जाता है। एक उपयुक्त झिल्ली वाले बैग में कोलॉइडी विलयन को एक बरतन में लटकाया जाता है जहां निरंतर ताजा पानी बहता रहता है (चित्र 5.9)। अणु और आयन झिल्ली के माध्यम से बाहरी पानी में विस्थापित हो जाते हैं और शुद्ध कोलॉइडी विलयन बचा रहता है।

(ii) विद्युत डायलिस: सामान्यतः डायलिस क्रमांक बहुत धीमा होता है। यदि अशुद्ध कोलॉइडी विलयन में घुले पदार्थ केवल एक विद्युत अपघट्य है, तो विद्युत क्षेत्र के अनुप्रयोग से इस क्रमांक को तेज किया जा सकता है। इस प्रक्रम को विद्युत डायलिस कहा जाता है। अशुद्ध कोलॉइडी विलयन को एक उपयुक्त मेम्ब्रेन के बैग में रखा जाता है जबकि शुद्ध पानी बाहरी भाग में लिया जाता है। चित्र 5.10 में दिखाए अनुसार विद्युत ध्रुवों को बर्तन में स्थापित किया जाता है। कोलॉइडी विलयन में उपस्थित आयन विपरीत चार्जित ध्रुवों की ओर बहते हैं।

(iii) अति-ऊतकन: अति-ऊतकन एक प्रक्रिया है जिसमें विलेय विलायक तथा विलयन में उपस्थित ऊतकीय कणों को विलेय विलायक तथा विलयन में उपस्थित ऊतकीय कणों से अलग किया जाता है। इसके लिए विशेष रूप से तैयार किए गए फिल्टर का उपयोग किया जाता है, जो सभी पदार्थों के लिए पारगमन योग्य होते हैं, बशर्ते कि वे ऊतकीय कणों के लिए नहीं हों। ऊतकीय कण आम फिल्टर कागज के माध्यम से गुजर सकते हैं क्योंकि उनके छेद बहुत बड़े होते हैं। हालांकि, छेदों के आकार को छोटा करके ऊतकीय कणों के प्रवाह को रोका जा सकता है। इसके लिए कोलोडियन घोल के साथ फिल्टर कागज को भीगाया जा सकता है। सामान्य कोलोडियन एल्कोहल और ईथर के मिश्रण में 4% नाइट्रो-सेल्यूलोज के घोल के रूप में होता है। अति-ऊतकन कागज को तैयार करने के लिए फिल्टर कागज को कोलोडियन घोल में भीगाया जाता है, फॉर्मल्डीहाइड के द्वारा ठोस बनाया जाता है और अंत में इसे सूखा जाता है। इस तरह, अति-ऊतकन कागज के उपयोग से ऊतकीय कणों को अन्य सामग्री से अलग किया जा सकता है। अति-ऊतकन एक धीमी प्रक्रिया है। प्रक्रिया को तेज करने के लिए दबाव या निम्न दबाव का उपयोग किया जाता है। अति-ऊतकन कागज पर बचे ऊतकीय कणों को फिर से शुद्ध विलायक माध्यम (विलेय) के साथ मिलाकर शुद्ध ऊतकीय विलयन प्राप्त किया जा सकता है।

5.4.6 कोलॉइडी विलयन के गुण

कोलॉइडी विलयन द्वारा प्रदर्शित विभिन्न गुण नीचे वर्णित हैं:

(i) समपरिमाणीय गुण: कोलॉइडी कण बड़े एकत्रित अणु होते हैं, इसलिए कोलॉइडी विलयन में कणों की संख्या वास्तविक विलयन के तुलना में कम होती है। अतः, समपरिमाणीय गुण (परासरण दबाव, वाष्प दबाव में कमी, तापमान में तैलीय बिंदु की गिरावट और क्वथनांक में वृद्धि) के मान एक ही सांद्रता पर वास्तविक विलयन द्वारा प्रदर्शित मानों की तुलना में कम होते हैं।

(ii) टाइंडल प्रभाव: यदि एक समान विलयन को अंधेरे में रखा जाता है और उसे प्रकाश के दिशा में देखा जाता है, तो वह स्पष्ट दिखाई देता है और यदि उसे प्रकाश किरण के दिशा के लंबवत दिशा से देखा जाता है, तो वह पूरी तरह से काला दिखाई देता है। समान विलयन के ऐसे देखे जाने पर भी वह अपारदर्शी या अर्ध-अपारदर्शी दिखाई दे सकता है, लेकिन जब उसे प्रकाश के पारगमन के लंबवत दिशा से देखा जाता है, तो वह बहुत हल्के से गहरे अपारदर्शी दिखाई देता है, अर्थात प्रकाश के पारगमन के मार्ग पर नीला प्रकाश दिखाई देता है। यह प्रभाव पहले फैराडे द्वारा देखा गया था और बाद में टाइंडल द्वारा विस्तार से अध्ययन किया गया था और इसे टाइंडल प्रभाव कहा जाता है। प्रकाश के चमकदार शंख (कोना) को टाइंडल शंख (चित्र 5.11) कहा जाता है। टाइंडल प्रभाव के कारण यह है कि कोलॉइडी कण प्रकाश को सभी दिशाओं में फैलाते हैं। इस प्रकाश के फैलाव के कारण कोलॉइडी वितरण में प्रकाश के किरण के मार्ग को चमकदार बनाया जाता है।

किसी चित्र के प्रकाशन के दौरान सिनेमा हॉल में टाइंडल प्रभाव देखा जा सकता है क्योंकि वहां मौजूद धूल और धुआँ के कणों द्वारा प्रकाश के प्रकीर्णन के कारण। टाइंडल प्रभाव केवल निम्नलिखित दो स्थितियों के संतुलन होने पर देखा जा सकता है।

(i) वितरित कणों का व्यास उपयोग किए गए प्रकाश की तरंगदैर्ध्य से बहुत छोटा नहीं हो; और

(ii) वितरित अवस्था और वितरण माध्यम के अपवर्तनांक बहुत अधिक अंतर में हों।

टाइंडल प्रभाव का उपयोग एक कोलॉइडी विलयन और एक सच्चे विलयन के बीच अंतर करने के लिए किया जाता है। 1903 में जिग्मोंडी ने टाइंडल प्रभाव का उपयोग करके एक उपकरण बनाया जिसे अल्ट्रामाइक्रोस्कोप कहा जाता है। एक तीव्र प्रकाश किरण एक कांच के बरतन में रखे गए कोलॉइडी विलयन पर फोकस किया जाता है। फिर प्रकाश के फोकस को एक माइक्रोस्कोप के माध्यम से प्रकाश किरण के लंब दिशा में देखा जाता है। व्यक्तिगत कोलॉइडी कण गहरे पृष्ठभूमि के खिलाफ चमकदार तारों के रूप में दिखाई देते हैं। अल्ट्रामाइक्रोस्कोप वास्तविक कोलॉइडी कणों को दिखाने में असमर्थ होता है, बल्कि उनके द्वारा प्रकाश के प्रकीर्णन को देखता है। इस प्रकार, अल्ट्रामाइक्रोस्कोप कोलॉइडी कणों के आकार और आकृति के बारे में कोई जानकारी नहीं प्रदान करता।

(iii) रंग: कोलॉइडी विलयन का रंग वितरित कणों द्वारा प्रतिबिंबित किए गए प्रकाश के तरंगदैर्ध्य पर निर्भर करता है। प्रकाश के तरंगदैर्ध्य के अतिरिक्त, कणों के आकार और प्रकृति भी इस पर प्रभाव डालती है। कोलॉइडी विलयन का रंग दृष्टि के व्यक्ति द्वारा प्रकाश को प्राप्त करने के तरीके पर भी प्रभावित होता है। उदाहरण के लिए, दूध और पानी के मिश्रण को प्रतिबिंबित प्रकाश द्वारा देखने पर नीला लगता है और प्रसारित प्रकाश द्वारा देखने पर लाल लगता है। सबसे छोटे सोने के विलयन का रंग लाल होता है; जैसे-जैसे कणों का आकार बढ़ता है, इसका रंग बैंगनी, फिर नीला और अंत में सोने के रंग में बदल जाता है।

(iv) ब्रॉन्सियन गति: जब कोलॉइडी विलयन को एक शक्तिशाली अल्पदृश्य दूरबीन के माध्यम से देखा जाता है, तो कोलॉइडी कण दृश्य के सभी क्षेत्र में लगातार लंबी लंबी गति करते हुए दिखाई देते हैं। इस गति को पहले ब्रिटिश वनस्पति वैज्ञानिक रॉबर्ट ब्रॉन ने देखा था और इसे ब्रॉन्सियन गति (चित्र 5.12) कहा जाता है। यह गति कोलॉइड की प्रकृति पर निर्भर नहीं करती, बल्कि कणों के आकार और विलयन के श्यानता पर निर्भर करती है। छोटे कण और कम श्यानता वाले विलयन में गति तेज होती है।

ब्रॉन्स्वन गति के कारण के रूप में व्याख्या की गई है, जो वितरण माध्यम के अणुओं द्वारा कणों पर असंतुलित बम्बरमेंट के कारण होती है। ब्रॉन्स्वन गति एक उत्तेजक प्रभाव होता है जो कणों के नीचे जाने से रोकता है और इसलिए, एक विलय के स्थिरता के लिए जिम्मेदार होता है।

(व) कोलॉइडी कणों पर आवेश: कोलॉइडी कण हमेशा एक विद्युत आवेश के साथ होते हैं। इस आवेश की प्रकृति एक दिए गए कोलॉइडी विलय में सभी कणों पर समान होती है और यह धनात्मक या ऋणात्मक हो सकती है। कुछ सामान्य विलयों के कणों पर आवेश की प्रकृति की सूची नीचे दी गई है:

कोलॉइडी विलयन के स्थायित्व के बड़े हिस्से के लिए कोलॉइडी कणों पर समान और समान आवेशों की उपस्थिति जिम्मेदार होती है, क्योंकि समान आवेश वाले कणों के बीच प्रतिकर्षण बल उन्हें एक दूसरे के पास आने पर संलयन या संगठन से बचाते हैं।

सोल कणों पर आवेश एक या एक से अधिक कारणों से होता है, जैसे कि धातु के विद्युत विस्थापन के दौरान सोल कणों द्वारा इलेक्ट्रॉन के अधिग्रहण के कारण, विलयन से आयनों के प्रतियोगी अवशोषण के कारण और/या विद्युत द्विस्तरीय संरचना के निर्माण के कारण। विलयन से आयनों के प्रतियोगी अवशोषण के माध्यम से सोल कणों पर आवेश के विकास का वर्णन नीचे दिया गया है।

सोल कण अपने अपवर्जन माध्यम में धनात्मक या ऋणात्मक आयनों के प्रतिशोधी अधिशोषण के कारण धनात्मक या ऋणात्मक आवेश ले लेते हैं। जब अपवर्जन माध्यम में दो या अधिक आयन उपस्थित होते हैं, तो कोलॉइडी कण के साथ उभयनिष्ठ आयन के प्रतिशोधी अधिशोषण के कारण आमतौर पर आयन के अधिशोषण के कारण आवेश ले लेते हैं। इसकी व्याख्या निम्नलिखित उदाहरणों के माध्यम से की जा सकती है:

(a) जब एक तार नाइट्रेट विलयन को पोटैशियम आयोडाइड विलयन में मिलाया जाता है, तो निकले तार आयोडाइड कण अपवर्जन माध्यम से आयोडाइड आयनों के अधिशोषण के कारण ऋणात्मक आवेश वाला कोलॉइडी सॉल बनता है। हालांकि, जब $\mathrm{KI}$ विलयन को $\mathrm{AgNO_3}$ विलयन में मिलाया जाता है, तो अपवर्जन माध्य आयनों के अधिशोषण के कारण धनात्मक आवेश वाला सॉल बनता है।

(b) यदि $\mathrm{FeCl_3}$ अत्यधिक गर्म पानी में मिलाया जाता है, तो जलीय लोहा ऑक्साइड के धनात्मक आवेश वाले सॉल के निर्माण के कारण $\mathrm{Fe}^{3+}$ आयनों के अधिशोषण के कारण होता है। हालांकि, जब लोहा क्लोराइड तनु $\mathrm{NaOH}$ में मिलाया जाता है, तो $\mathrm{OH}^{-}$ आयनों के अधिशोषण के कारण एक नकारात्मक आवेश वाला सॉल प्राप्त होता है।

ऊपर बताए गए तरीके से एक कोलॉइडी कण के सतह पर चयनित अधिशोषण के कारण धनात्मक या नकारात्मक आवेश अर्जित कर लेने के बाद, इस आवेशित परत के विरुद्ध आवेश वाले आयनों को माध्यम से आकर्षित किया जाता है जो दूसरी परत के रूप में बनते हैं, जैसा कि नीचे दिखाया गया है।

$\mathrm{AgI} / \mathrm{I}^{-} \mathrm{K}^{+} \quad \quad$ $\mathrm{AgI} / \mathrm{Ag}^{+} \mathrm{I}$

कोलॉइडी बूंद के आवेशित दो तहों के संयोजन को हेल्महोल्ज विद्युत द्वितल कहते हैं। आधुनिक दृष्टिकोण के अनुसार, पहली तह के आयन ठोस रूप से बंधे होते हैं और इन्हें निश्चित तह कहते हैं, जबकि दूसरी तह गतिशील होती है जिसे विस्तारित तह कहते हैं। चित्र 5.13 में द्वितल के निर्माण को दर्शाया गया है। आवेश के विभाजन विभव के स्रोत होता है, इसलिए द्वितल के निश्चित और विस्तारित भाग पर विपरीत चिह्नों वाले आवेश के कारण इन तहों के बीच विभव का अंतर होता है, जिसके अनुरूप एक कैपेसिटर में विभवांतर के विकसित होने के तरीके से। निश्चित तह और विस्तारित तह के विपरीत आवेश के बीच विभवांतर को विद्युत गतिशील विभव या जेटा विभव कहते हैं।

यदि एक अविलेप्य पदार्थ के दो कणों (अविलेप्य) के दोले परत नहीं होते हैं, तो वे एक दूसरे के पास पहुंच सकते हैं और आकर्षक वैन डर वाल्स बल उन्हें एक दूसरे के बराबर खींच सकते हैं। जब कणों में दोले परत होती है जैसा कि चित्र 5.13 में दिखाया गया है, तो कणों के बीच दूरी पर एक बुरा प्रभाव होता है जिसके कारण कण एक दूसरे से दूर रहते हैं। इस प्रतिकर्षण के कारण उनके निकट आने को रोक देता है। वे विस्थापित रहते हैं और कोलॉइड स्थायी रहता है।

सोल में अधिक विद्युत अपघट्य के योग करने से विस्तारित दोले परत कमजोर हो जाती है और जेटा विभव कम हो जाता है। इसके परिणामस्वरूप कणों के बीच विद्युत आकर्षण बहुत कम हो जाता है और कोलॉइड अविलेप्य हो जाता है। इस कारण कोलॉइड विपरीत चार्जित आयनों के साथ बहुत संवेदनशील होता है।

(vi) विद्युत अपचायन (Electrophoresis): कोलॉइडी कणों पर आवेश की उपस्थिति को विद्युत अपचायन प्रयोग द्वारा पुष्टि की जाती है। जब दो प्लैटिनम इलेक्ट्रोडों के बीच विद्युत विभव लगाया जाता है जो एक कोलॉइडी विलयन में डूबे होते हैं, तो कोलॉइडी कण एक या दूसरे इलेक्ट्रोड की ओर गति करते हैं। आवेशित विद्युत विभव के अधीन कोलॉइडी कणों की गति को विद्युत अपचायन कहते हैं। धनावेशित कण एनोड की ओर गति करते हैं जबकि ऋणावेशित कण कैथोड की ओर गति करते हैं। इसको निम्नलिखित प्रयोगात्मक सुविधा द्वारा दिखाया जा सकता है (चित्र 5.14)।

जब विद्युत शोषण (electrophoresis), अर्थात कणों के गति को कुछ उपयुक्त तरीकों द्वारा रोक दिया जाता है, तो देखा जाता है कि प्रसार माध्यम विद्युत क्षेत्र में गति करना शुरू कर देता है। इस घटना को विद्युत शोषण (electroosmosis) कहा जाता है।

(vii) संगटन या अपसारण: लियोफोबिक सोल्स की स्थायित्व विद्युत आवेश के कोलॉइडल कणों की उपस्थिति के कारण होता है। यदि किसी तरह आवेश हटा दिया जाए, तो कण एक दूसरे के पास जाकर एकत्रित हो जाएंगे (या संगटित हो जाएंगे) और गुरुत्वाकर्षण बल के कारण नीचे गिर जाएंगे।

कोलॉइडल कणों के नीचे गिरने की प्रक्रिया को सोल के संगटन या अपसारण कहा जाता है। लियोफोबिक सोल्स के संगटन को निम्नलिखित तरीकों से किया जा सकता है:

(i) विद्युत अपचयन द्वारा: कोलॉइडी कण विपरीत चार्जित इलेक्ट्रोड की ओर गति करते हैं, चार्ज निर्मुक्त हो जाते हैं और अवक्षेपित हो जाते हैं।

(ii) विपरीत चार्जित सोल के मिश्रण द्वारा: विपरीत चार्जित सोल के लगभग समान अनुपात में मिश्रण होने पर उनके चार्ज निराकरण हो जाते हैं और आंशिक या पूर्ण रूप से अवक्षेपित हो जाते हैं। जलयुक्त लोहा ऑक्साइड (+ve सोल) और अर्सेनियस सल्फाइड (–ve सोल) के मिश्रण उन्हें अवक्षेपित रूप में लाते हैं। इस प्रकार के अवक्षेपण को परस्पर अवक्षेपण कहते हैं।

(iii) उबालने द्वारा: जब एक सोल को उबाला जाता है, तो प्रसारण माध्यम के अणुओं के साथ बढ़ते टकराव के कारण अवशोषित वर्ण की परत अस्थिर हो जाती है। इसके परिणामस्वरूप कणों पर चार्ज कम हो जाता है और अंत में एक अवक्षेप के रूप में नीचे गिर जाते हैं।

(iv) निरंतर डायलिस के द्वारा: लंबे समय तक डायलिस करने पर, द्रव में उपस्थित विद्युत अपघट्य के ट्रेस लगभग पूरी तरह से हटा दिए जाते हैं और कोलॉइड अस्थायी बन जाते हैं और अंततः जम जाते हैं।

(v) विद्युत अपघट्य के योग के द्वारा: जब एक विद्युत अपघट्य की अत्यधिक मात्रा जोड़ी जाती है, तो कोलॉइड के कण अवक्षेपित हो जाते हैं। कारण यह है कि कोलॉइड कण अपने आप पर उपस्थित चार्ज के विपरीत चार्ज वाले आयनों के साथ अंतरक्रिया करते हैं। इसके परिणामस्वरूप उनके चार्ज के निराकरण होता है जिससे उनका जमाव घटता है। कणों पर चार्ज के निराकरण के लिए जिम्मेदार आयन को जमाव आयन कहा जाता है। एक नकारात्मक आयन धनात्मक चार्ज वाले द्रव के अवक्षेपण के लिए जिम्मेदार होता है और विपरीत रूप से धनात्मक आयन नकारात्मक चार्ज वाले द्रव के अवक्षेपण के लिए जिम्मेदार होता है।

यह देखा गया है कि, सामान्यतः, जोड़े गए जमावन आयन की बहुलता जितनी अधिक होती है, उसकी वर्षा करने की शक्ति उतनी ही अधिक होती है। इसे हार्डी-शुल्जे नियम के रूप में जाना जाता है। एक नकारात्मक सॉल के जमावन में, जमावन शक्ति का क्रम इस प्रकार होता है: $\mathrm{Al}^{3+}>\mathrm{Ba}^{2+}>\mathrm{Na}^{+}$

उसी तरह, एक धनात्मक सॉल के जमावन में, जमावन शक्ति का क्रम इस प्रकार होता है: $\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_{6}\right]^{4-}>\mathrm{PO_4}{ }^{3-}>\mathrm{SO_4}{ }^{2-}>\mathrm{Cl}^{-}$

अम्लीय विलयन के विलयन में विलयन के दो घंटे में एक सॉल के अवक्षेपण के लिए आवश्यक न्यूनतम सांद्रता मिलीमोल प्रति लीटर को संगटन माना जाता है। आवश्यक मात्रा के अधिक होने पर, आयन के संगटन शक्ति अधिक होती है।

सॉल के संगटन

लाइफोफिलिक सॉल के स्थायित्व के लिए दो कारक उत्तरदायी होते हैं। ये कारक विद्युत आवेश और सॉल्वेटेशन होते हैं। जब इन दोनों कारक हट जाते हैं, तो लाइफोफिलिक सॉल को संगटित किया जा सकता है। इसे (i) एक विद्युत विलयन के जोड़ने और (ii) उपयुक्त विलायक के जोड़ने द्वारा किया जाता है। जब ऐल्कोहल और एसिटोन जैसे विलायक जल प्रेमी सॉल में जोड़े जाते हैं, तो वितरित अवयव के जल के विस्थापन की प्रक्रिया होती है। इस स्थिति में, एक छोटी मात्रा में विद्युत विलयन संगटन कर सकता है।

कोलॉइड के संरक्षण

लाइफोफिलिक सॉल लाइफोफोबिक सॉल से अधिक स्थायी होते हैं। इसका कारण यह है कि लाइफोफिलिक कोलॉइड बहुत अधिक घोलन योग्य होते हैं, अर्थात कोलॉइड के कण उनके वितरण के द्रव में एक आवरण के रूप में ढके रहते हैं।

लाइफोफिलिक कोलॉइड लाइफोफोबिक कोलॉइड के संरक्षण के लिए एक अद्वितीय गुण रखते हैं। जब एक लाइफोफिलिक सॉल लाइफोफोबिक सॉल में मिलाया जाता है, तो लाइफोफिलिक कण लाइफोफोबिक कण के चारों ओर एक परत बनाते हैं और इस प्रकार उन्हें विद्युत अपघटकों से संरक्षित करते हैं। इस उद्देश्य के लिए उपयोग किए जाने वाले लाइफोफिलिक कोलॉइड को संरक्षक कोलॉइड कहा जाता है।

5.5 एमल्सन

ये तरल-तरल कोलॉइडी तंत्र हैं, अर्थात एक तरल के छोटे-छोटे बूंदों के दूसरे तरल में वितरण। यदि दो अमिश्रणशील या आंशिक रूप से मिश्रणशील तरलों के मिश्रण को हिलाया जाता है, तो एक तरल के दूसरे तरल में एक गहरी वितरण प्राप्त होता है जिसे एमल्सन कहते हैं। सामान्यतः दो तरलों में से एक पानी होता है। एमल्सन के दो प्रकार होते हैं। (i) तेल पानी में वितरित (O/W प्रकार) और (ii) पानी तेल में वितरित (W/O प्रकार)।

पहले सिस्टम में, पानी वितरण माध्यम के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार के एमल्सन के उदाहरण दूध और वानिशिंग क्रीम हैं। दूध में, तरल वसा पानी में वितरित होती है। दूसरे सिस्टम में, तेल वितरण माध्यम के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार के उदाहरण बर्फी और क्रीम हैं।

तेल के पानी में एमल्सन अस्थिर होते हैं और कभी-कभी खड़े होने पर दो लेयर में विभाजित हो जाते हैं। एमल्सन के स्थायित्व के लिए, एक तीसरा घटक, जिसे एमल्सिफाइंग एजेंट कहा जाता है, आमतौर पर जोड़ा जाता है। एमल्सिफाइंग एजेंट अपेक्षित कणों और माध्यम के बीच एक संरचनात्मक फिल्म बनाता है। O/W एमल्सन के मुख्य एमल्सिफाइंग एजेंट प्रोटीन, गम, प्राकृतिक और संशोधित साबुन, आदि होते हैं, और W/O के लिए, वसा अम्ल के भारी धातु लवण, लंबे श्रृंखला अल्कोहल, लैंपब्लैक, आदि होते हैं।

ईमल्सियन को वितरण माध्यम के किसी भी मात्रा के साथ तनु किया जा सकता है। दूसरी ओर, वितरित तरल के मिश्रण में अलग लेयर बनता है। ईमल्सियन में बूंदें अक्सर नकारात्मक चार्ज रखती हैं और इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अवक्षेपित की जा सकती हैं। वे ब्रॉन्नियन गति और टिंडल प्रभाव भी दिखाती हैं। ईमल्सियन को गरम करके, बर्फ के रूप में, विलयन के घटक तरल में तोड़ा जा सकता है, आदि।

5.6 हमारे आसपास के कोलॉइड

हमारे दैनिक जीवन में आने वाले अधिकांश पदार्थ कोलॉइड होते हैं। हम खाने वाले भोजन, हम धारण करने वाले कपड़े, हम उपयोग करने वाली लकड़ी की मेजबानी, हम रहने वाले घर, हम पढ़ने वाले अखबार आदि बहुत सारे कोलॉइड से बने होते हैं।

निम्नलिखित उदाहरण एक आकर्षक और महत्वपूर्ण तरह से कोलॉइड के हैं:

यह संभव है कि विद्युत चार्जित रेत फेंककर या विमान से बादलों पर विपरीत चार्ज वाले एक घोल के छिड़काव से अनुमानित बारिश कराई जा सके।

(i) खाद्य पदार्थ: दूध, मक्खन, हलवा, बर्फी, फल के रस, आदि सभी किसी न किसी रूप में कोलॉइड होते हैं।

(iii) रक्त: यह एल्ब्यूमिनॉइड पदार्थ के कोलॉइडी विलयन है। अमोनियम चिकनी और लोहा के क्लोराइड के विलयन के स्टिप्टिक कार्य के कारण रक्त के जमाव के कारण रक्त के बहाव को रोक देता है।

(iii) मिट्टी: उपजाऊ मिट्टी की प्रकृति कोलॉइडी होती है जहां हमस एक संरक्षक कोलॉइड के रूप में कार्य करता है। कोलॉइडी प्रकृति के कारण मिट्टी जल और पोषक तत्वों को अवशोषित कर लेती है।

(i) विद्युत धूल निकासी: धूल वायु में ठोस कणों जैसे कार्बन, असीम यौगिक, धूल आदि के कोलॉइडी विलयन होती है। धूल, चिमनी से बाहर निकलने से पहले, एक कमरे में जाती है जिसमें प्लेट होते हैं जो धूल कणों द्वारा वाहक के विपरीत चार्ज के होते हैं। कण जब इन प्लेटों के संपर्क में आते हैं तो अपना चार्ज खो देते हैं और निकासी के लिए बर्बाद हो जाते हैं। इन कणों के इस तरह से तल पर बैठ जाते हैं। इस निकासी युक्ति को कॉट्रेल निकासी युक्ति (चित्र 5.16) कहा जाता है।

(ii) पीने के पानी के शुद्धीकरण: प्राकृतिक स्रोतों से प्राप्त पानी में अक्सर अशुद्धियाँ बर्फ के रूप में पाई जाती हैं। ऐलुम ऐसे पानी में मिलाया जाता है ताकि बर्फ के रूप में अशुद्धियों को जमा कर दिया जाए और पानी पीने के उपयुक्त बन जाए।

(iii) दवाईयाँ: अधिकांश दवाईयाँ प्रकृति में कोलॉइडी होती हैं। उदाहरण के लिए, एर्गीरोल एक चांदी का सॉल है जो आंख के लिए लोशन के रूप में उपयोग किया जाता है। कोलॉइडी एंटीमोनियम कालाजार के इलाज में उपयोग किया जाता है। कोलॉइडी सोना अंतर्मुखी इंजेक्शन के लिए उपयोग किया जाता है। मैग्नेशियम के दूध, एक एमल्सन है, जो पेट के विकारों के इलाज में उपयोग किया जाता है। कोलॉइडी दवाईयाँ अधिक प्रभावी होती हैं क्योंकि वे बड़ा सतह क्षेत्र रखती हैं और इसलिए आसानी से अवशोषित हो जाती हैं।

(iv) चमकाना: जानवरों के छाल तरल पदार्थ के रूप में होते हैं। जब एक छाल, जिसमें धनावेशित कण होते हैं, तानिन में डूबाया जाता है, जो ऋणावेशित कोलॉइडी कणों के साथ बना होता है, तो एक दूसरे के साथ जमाव क्रमशः होता है। इसके परिणामस्वरूप चमड़ा कठिन हो जाता है। इस प्रक्रिया को चमकाना कहते हैं। चांदी के लवण भी तानिन के स्थान पर उपयोग किए जाते हैं।

(v) साबुन और डिटरजेंट के साफ करने का कार्य: इसके बारे में अभी अनुच्छेद 5.4.3 में विस्तार से बताया गया है।

(vi) फोटोग्राफिक प्लेट और फिल्म: फोटोग्राफिक प्लेट या फिल्म तैयार करने के लिए चांदी के ब्रोमाइड के प्रकाश संवेदी एमलसन को ग्लास प्लेट या सेल्यूलोइड फिल्म पर जेलेटिन के ऊपर छोटे बूंदों के रूप में छिड़का जाता है।

(vii) रबड़ उद्योग: लैटेक्स रबड़ के कणों के कोलॉइडी घोल है जो नकारात्मक आवेशित होते हैं। रबड़ लैटेक्स के जमावट से प्राप्त किया जाता है।

(viii) औद्योगिक उत्पाद: पेंट, इंक, संश्लेषित प्लास्टिक, रबड़, ग्राफाइट लिप्सन, सीमेंट आदि सभी कोलॉइडी घोल हैं।

अंतर्गत प्रश्न

5.7 हार्डी-शुल्जे कानून में कौन सा सुधार आप अनुशंग कर सकते हैं?

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उत्तर

हार्डी-शुल्जे कानून कहता है कि ‘जो विलेय आयन जोड़े जाते हैं, उनके आवेश के अधिक होने पर वे विलेयता कम करने में अधिक क्षमता रखते हैं।’

इस कानून में केवल आयन द्वारा वहन किए गए आवेश को माना जाता है, आयन के आकार को नहीं। आयन के आकार छोटा होने पर उसकी ध्रुवीकरण क्षमता अधिक होती है। इसलिए, हार्डी-शुल्जे कानून को ध्रुवीकरण क्षमता के आधार पर सुधार किया जा सकता है। इसलिए, सुधारित हार्डी-शुल्जे कानून कहा जा सकता है कि ‘जो विलेय आयन जोड़े जाते हैं, उनकी ध्रुवीकरण क्षमता अधिक होने पर वे विलेयता कम करने में अधिक क्षमता रखते हैं।’

5.8 क्यों आवश्यक है कि विलेय ठोस को मात्रात्मक अनुमान लगाने से पहले पानी से धोया जाए?

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उत्तर

जब कोई पदार्थ विलेयता के कारण ठोस रूप में बर्फ के रूप में बनता है, तो कुछ आयन जो ठोस के निर्माण में भाग लेते हैं, ठोस के सतह पर अधिशोषित हो जाते हैं। इसलिए, ठोस को मात्रात्मक अनुमान लगाने से पहले इन अधिशोषित आयनों या अन्य अशुद्धियों को हटाने के लिए उसे पानी से धोना आवश्यक है।

सारांश

अधिशोषण एक घटना है जिसमें किसी ठोस के सतह पर किसी पदार्थ के कणों को आकर्षित और रखे जाने के कारण ठोस के सतह पर पदार्थ की सांद्रता बulk में अधिक हो जाती है। अधिशोषित पदार्थ को अधिशोषित पदार्थ कहा जाता है और जिस पर अधिशोषण होता है उसे अधिशोषक कहा जाता है। भौतिक अधिशोषण में अधिशोषित पदार्थ अधिशोषक के साथ दुर्बल वैन डर वाल्स बलों द्वारा बंधे रहते हैं, जबकि रासायनिक अधिशोषण में अधिशोषित पदार्थ अधिशोषक के साथ तीव्र रासायनिक बंधन द्वारा बंधे रहते हैं। लगभग सभी ठोस गैसों को अधिशोषित करते हैं। एक गैस के एक ठोस पर अधिशोषण के मात्रा गैस की प्रकृति, ठोस की प्रकृति, ठोस के सतह क्षेत्र, गैस के दबाव और तापमान पर निर्भर करती है। अधिशोषण के मात्रा (x/m) और गैस के दबाव के बीच संबंध नियत तापमान पर अधिशोषण आइसोथेर्म के रूप में जाना जाता है।

एक कैटलिस्ट एक ऐसा पदार्थ होता है जो रासायनिक अभिक्रिया की दर को बढ़ाता है बिना कि अभिक्रिया में खुद खप जाए। कैटलिस्ट के उपयोग के घटना को कैटलिसिस कहते हैं। समान अवस्था में अभिकारक और कैटलिस्ट होते हैं तो इसे समान अवस्था या एकरूप विस्थापन अभिक्रिया कहते हैं, जबकि अलग अवस्था में कैटलिस्ट होता है तो इसे असमान अवस्था या असमान विस्थापन अभिक्रिया कहते हैं।

कोलॉइडियल विलयन वास्तविक विलयन और अविलयन के बीच मध्य बिंदु होते हैं। कोलॉइडियल कणों के आकार 1 से 1000 नैनोमीटर के बीच होते हैं। एक कोलॉइडियल प्रणाली दो अवस्थाओं से बनी होती है - विस्थापित अवस्था और विस्थापन माध्यम। कोलॉइडियल प्रणालियों को तीन तरीकों से वर्गीकृत किया जाता है जो निम्नलिखित हैं (i) विस्थापित अवस्था और विस्थापन माध्यम की भौतिक अवस्था (ii) विस्थापित अवस्था और विस्थापन माध्यम के बीच संपर्क की प्रकृति और (iii) विस्थापित अवस्था के कणों की प्रकृति। कोलॉइडियल प्रणालियां रोचक प्रकाशिक, यांत्रिक और विद्युत गुण दिखाती हैं। एक विलयन में कोलॉइडियल कणों को कुछ उपयुक्त विद्युत विलयन द्वारा अविलयनी अवसाद में बदलने की प्रक्रिया को संगटन कहते हैं। एमल्सन वे कोलॉइडियल प्रणालियां होती हैं जिनमें दोनों विस्थापित अवस्था और विस्थापन माध्यम तरल होते हैं। ये निम्नलिखित प्रकार के हो सकते हैं: (i) तेल जल में प्रकार और (ii) जल तेल में प्रकार। एमल्सन बनाने की प्रक्रिया को एमल्सनीकरण कहते हैं। एमल्सन को स्थायी बनाने के लिए एमल्सिंग एजेंट या एमल्सिफायर जोड़ा जाता है। साबुन और डिटर्जेंट अधिकतर एमल्सिफायर के रूप में उपयोग किए जाते हैं। कोलॉइड उद्योग और दैनिक जीवन में विभिन्न अनुप्रयोगों में उपलब्ध होते हैं।

अभ्यास

5.1 अवशोषण और अवशोषण शब्दों के अर्थ में अंतर स्पष्ट कीजिए। प्रत्येक का एक उदाहरण दीजिए।

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उत्तर

अवशोषण एक सतह घटना है जिसमें किसी पदार्थ के अणु ठोस या द्रव के सतह पर एकत्रित होते हैं बल्कि ठोस या द्रव के आंतरिक भाग में नहीं। अवशोषित पदार्थ को ‘अवशोषित पदार्थ’ कहते हैं और जिस सतह पर अवशोषण होता है उसे ‘अवशोषक’ कहते हैं। यहाँ, अवशोषक के सतह पर अवशोषित पदार्थ की सांद्रता बढ़ जाती है। अवशोषण में, पदार्थ केवल सतह पर सांद्रित होता है। यह सतह के माध्यम से ठोस या द्रव के आंतरिक भाग में प्रवेश नहीं करता। उदाहरण के लिए, जब हम एक चाक छड़ी को इंक के घोल में डूबाते हैं, तो केवल उसकी सतह रंगीन हो जाती है। यदि हम चाक छड़ी को टूटा हुआ पाते हैं, तो उसके भीतर सफेद पाया जाता है।

दूसरी ओर, अवशोषण की प्रक्रिया एक आंतरिक घटना है। अवशोषण में, पदार्थ ठोस या द्रव के आंतरिक भाग में एकसमान रूप से वितरित हो जाता है।

5.2 भौतिक अवशोषण और रासायनिक अवशोषण में क्या अंतर है?

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उत्तर

	भौतिक अवशोषण	रासायनिक अवशोषण
1.	इस प्रकार के अवशोषण में, अवशोषित पदार्थ अवशोषक की सतह पर दुर्बल वैन डर वाल के बलों द्वारा जुड़ा होता है।	इस प्रकार के अवशोषण में, अवशोषित पदार्थ और अवशोषक की सतह के बीच तीव्र रासायनिक बंधन बनते हैं।
2.	प्रक्रिया में कोई नए यौगिक नहीं बनते।	अवशोषक की सतह पर नए यौगिक बनते हैं।
3.	यह आमतौर पर पुनः प्राप्त करने योग्य होता है।	यह आमतौर पर पुनः प्राप्त करने योग्य नहीं होता है।
4.	अवशोषण की एंथैल्पी कम होती है क्योंकि दुर्बल वैन डर वाल बलों के कारण होती है। मान के बराबर होते हैं $20-40 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol} ^{-1}$.	अवशोषण की एंथैल्पी अधिक होती है क्योंकि रासायनिक बंधन बनते हैं। मान के बराबर होते हैं $40-400 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol} ^{-1}$.

| 5. | निम्न तापमान के अनुकूल होता है। | उच्च तापमान के अनुकूल होता है। | | 6. | इसका एक बहु-तहाई अवशोषण के उदाहरण है | इसका एक एक-तहाई अवशोषण के उदाहरण है। |

5.3 एक रूपांतरित पदार्थ के अवशोषक के रूप में अधिक प्रभावी क्यों होता है?

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Answer

अवशोषण एक सतही घटना है। अतः अवशोषण सतह क्षेत्रफल के सीधे अनुपाती होता है। एक रूपांतरित पदार्थ का सतह क्षेत्रफल बहुत अधिक होता है। भौतिक अवशोषण और रासायनिक अवशो रण दोनों सतह क्षेत्रफल में वृद्धि के साथ बढ़ते हैं। अतः एक रूपांतरित पदार्थ एक अच्छा अवशोषक के रूप में व्यवहार करता है।

5.4 एक गैस के ठोस पर अवशोषण के लिए कौन से कारक प्रभाव डालते हैं?

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Answer

एक गैस के ठोस सतह पर अवशोषण की दर को प्रभावित करने वाले कई कारक होते हैं।

(1) गैस की प्रकृति:

आसानी से द्रवीकृत होने वाली गैसों जैसे $\mathrm{NH_3}, \mathrm{HCl}$ आदि के तुलनात्मक रूप से अधिक अवशोषित होती हैं जबकि गैसों जैसे $\mathrm{H_2}$, $\mathrm{O_2}$ आदि के तुलनात्मक रूप से कम अवशोषित होती हैं। इसका कारण यह है कि आसानी से द्रवीकृत होने वाली गैसों में वैन डर वाल के बल अधिक होते हैं।

(2) ठोस के सतह क्षेत्रफल

अवशोषक के सतह क्षेत्रफल अधिक होने पर गैस के ठोस पर अवशोषण अधिक होता है।

(3) दबाव का प्रभाव

अवशोषण एक व्युत्क्रमी प्रक्रिया है और दबाव में कमी के साथ संगत होती है। अतः दबाव में वृद्धि के साथ अवशोषण बढ़ता है।

(4) तापमान का प्रभाव

अवशोषण एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया है। अतः ली-चातलियर के सिद्धांत के अनुसार, तापमान में वृद्धि के साथ अवशोषण की मात्रा घटती है।

5.5 अवशोषण वक्र क्या होता है? फ्रेउंडलिच अवशोषण वक्र का वर्णन करें।

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Answer

द्वारा गैस के दबाव $(P)$ के विरुद्ध अवशोषण $(\frac{x}{m})$ के मात्रा के बीच ग्राफ निश्चित तापमान $(\mathrm{T})$ पर अवशोषण आइसोथेर्म कहलाता है।

फ्रेंडलिच अवशोषण आइसोथेर्म:

फ्रेंडलिच अवशोषण आइसोथेर्म एक एम्पिरिकल संबंध है जो एक ठोस अवशोषक के इकाई द्रव्यमान द्वारा अवशोषित गैस की मात्रा और विशिष्ट तापमान पर दबाव के बीच संबंध दर्शाता है।

दिए गए ग्राफ से स्पष्ट है कि दबाव $P_{\mathrm{s}}$ पर, $\frac{x}{m}$ अधिकतम मान तक पहुंच जाता है। $P \mathrm{~s}$ को संतृप्ति दबाव कहा जाता है। अब ग्राफ से तीन मामले उत्पन्न होते हैं।

मामला I- कम दबाव पर:

ग्राफ सीधा और झुका होता है, जो इस बात को दर्शाता है कि दबाव $\frac{x}{m}$ के सीधे अनुपात में होता है, अर्थात $\frac{x}{m} \alpha P$।

$$ \frac{x}{m}=k P \quad(k \text { एक स्थिरांक है }) $$

मामला II- उच्च दबाव पर:

जब दबाव संतृप्ति दबाव से अधिक हो जाता है, तो $\frac{x}{m}$ दबाव $(\mathrm{P})$ के मानों से स्वतंत्र हो जाता है।

$$ \begin {aligned} & \frac{x}{m} \alpha P ^{\circ} \\ & \frac{x}{m}=k P ^{\circ} \end{aligned} $$

मामला III- मध्यम दबाव पर:

मध्यम दबाव पर, $\frac{x}{m}$ $P$ के घात के बीच 0 और 1 के बीच निर्भर करता है। इस संबंध को फ्रेंडलिच अवशोषण आइसोथेर्म के रूप में जाना जाता है।

$$ \begin {aligned} & \frac{x}{m} \alpha P ^{\frac{1}{n}} \\ & \frac{x}{m}=k P ^{\frac{1}{n}} \quad n>1 \end{aligned} $$

अब, लघुगणक लेने पर:

$$ \log \frac{x}{m}=\log k+\frac{1}{n} \log P $$

लघुगणक $\left(\frac{x}{m}\right)$ और $\log P$ के बीच ग्राफ खींचने पर, एक सीधी रेखा प्राप्त होती है जिसकी ढलान $\frac{1}{n}$ के बराबर होती है और अंतराल $\log \mathrm{k}$ के बराबर होता है।

5.6 आपको अवशोषक के सक्रियण के बारे में क्या समझ आता है? यह कैसे प्राप्त किया जाता है?

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Answer

By activating an adsorbent, we tend to increase the adsorbing power of the adsorbent. Some ways to activate an adsorbent are:

(i) By increasing the surface area of the adsorbent. This can be done by breaking it into smaller pieces or powdering it.

(ii) Some specific treatments can also lead to the activation of the adsorbent. For example, wood charcoal is activated by heating it between $650 \mathrm{~K}$ and $1330 \mathrm{~K}$ in vacuum or air. It expels all the gases absorbed or adsorbed and thus, creates a space for adsorption of gases.

5.7 एड्सर्प्शन के एक विषम तत्व रासायनिक उत्प्रेरण में क्या भूमिका होती है?

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Answer

विषम तत्व रासायनिक उत्प्रेरण:

एक उत्प्रेरक और अभिकर्मक अलग-अलग अवस्थाओं में उपस्थित होते हैं तो इसे विषम तत्व रासायनिक उत्प्रेरण कहते हैं। यह विषम तत्व रासायनिक उत्प्रेरण क्रिया एड्सर्प्शन सिद्धांत के आधार पर समझी जा सकती है। उत्प्रेरण के यांत्रिक चरण निम्नलिखित हैं:

(i) अभिकर्मक अणुओं के उत्प्रेरक सतह पर एड्सर्प्शन।

(ii) एक मध्यवर्ती के निर्माण के माध्यम से रासायनिक अभिक्रिया के घटना।

(iii) उत्पादों के उत्प्रेरक सतह से विसरण।

(iv) उत्पादों के उत्प्रेरक सतह से विसरण।

इस प्रक्रिया में, अभिकर्मक आमतौर पर गैसीय अवस्था में उपस्थित होते हैं और उत्प्रेरक ठोस अवस्था में होता है। गैसीय अणु फिर उत्प्रेरक के सतह पर एड्सर्प्शन होते हैं। जैसे ही उत्प्रेरक के सतह पर अभिकर्मक के सांद्रण में वृद्धि होती है, अभिक्रिया की दर भी बढ़ जाती है। ऐसी अभिक्रियाओं में, उत्पादों के उत्प्रेरक के प्रति बहुत कम आकर्षण होता है और वे तेजी से विसरित हो जाते हैं, जिसके कारण अन्य अभिकर्मकों के लिए सतह खाली हो जाती है।

5.8 क्यों एड्सर्प्शन हमेशा ऊष्माक्षेपी होती है?

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Answer

एड्सर्प्शन हमेशा ऊष्माक्षेपी होती है। इस कथन को दो तरीकों से समझा जा सकता है।

(i) एड्सर्प्शन एड्सर्बेंट के सतह पर अवशेष बलों के कम होने के कारण होती है। इसके कारण एड्सर्बेंट की सतह ऊर्जा कम हो जाती है। इसलिए, एड्सर्प्शन हमेशा ऊष्माक्षेपी होती है।

(ii) $\Delta H$ अवशोषण के लिए हमेशा नकारात्मक होता है। जब एक गैस ठोस सतह पर अवशोषित होती है, तो इसकी गति कम हो जाती है जिसके परिणामस्वरूप गैस के एन्ट्रॉपी में कमी आती है, अर्थात, $\Delta S$ नकारात्मक होता है। अब एक प्रक्रिया के अपस्पष्ट होने के लिए, $\Delta G$ नकारात्मक होना चाहिए।

$\therefore \Delta G=\Delta H-T \Delta S$

क्योंकि $\Delta S$ नकारात्मक है, $\Delta H$ को नकारात्मक होना चाहिए ताकि $\Delta G$ नकारात्मक हो। इसलिए, अवशोषण हमेशा ऊष्माक्षेपी होता है।

5.9 विसperse अवस्था और विसperse माध्यम के आधार पर कोलॉइडी विलयन कैसे वर्गीकृत किए जाते हैं?

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उत्तर

कोलॉइड के वर्गीकरण के एक मानक विसperse अवस्था और विसperse माध्यम की भौतिक अवस्था होती है। विसperse अवस्था और विसperse माध्यम (ठोस, तरल, या गैस) के प्रकार के आधार पर, आठ प्रकार के कोलॉइडी प्रणाली हो सकते हैं।

	विसperse अवस्था	विसperse माध्यम	कोलॉइड का प्रकार	उदाहरण
1.	ठोस	ठोस	ठोस विलयन	ज्वेलरी
2.	ठोस	तरल	विलयन	रंग
3.	ठोस	गैस	वायु विलयन	धुआं
4.	तरल	ठोस	जेल	दही
5.	तरल	तरल	एमल्सियन	दूध
6.	तरल	गैस	वायु विलयन	धुंआ
7.	गैस	ठोस	ठोस बुलबुला	पुमिस स्टोन
8.	गैस	तरल	बुलबुला	फोम

5.10 ठोस पर गैसों के अवशोषण पर दबाव और तापमान के प्रभाव के बारे में चर्चा करें।

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उत्तर

दबाव का प्रभाव

अवशोषण एक व्युत्क्रमी प्रक्रिया है और इसके साथ दबाव में कमी होती है। इसलिए, दबाव में वृद्धि के साथ अवशोषण बढ़ता है।

तापमान का प्रभाव

अवशोषण एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया है। इसलिए, लेचेटेलिय के सिद्धांत के अनुसार, तापमान में वृद्धि के साथ अवशोषण की मात्रा कम होती है।

5.11 लाइफिलिक और लाइफोबिक विलयन क्या होते हैं? प्रत्येक प्रकार का एक उदाहरण दें। क्यों जल-अपसरण विलयन आसानी से अवकेन्द्रित हो जाते हैं?

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उत्तर

(i) लाइफोइलिक सॉल्स:

गूम, जेलेटिन, स्टार्च आदि ऐसे पदार्थों को उपयुक्त तरल (वितरण माध्यम) के साथ मिलाकर बनाए गए कोलॉइडियल सॉल्स को लाइफोइलिक सॉल्स कहते हैं। ये सॉल्स पुनः बनाए जा सकते हैं, अर्थात यदि किसी तरीके से सॉल के दो घटकों को अलग कर दिया जाए (जैसे वाष्पीकरण), तो वितरण माध्यम को वितरण चरण के साथ मिलाकर और मिश्रण को हिलाकर सॉल को पुनः बनाया जा सकता है।

(ii) लाइफोफोबिक सॉल्स:

जब धातु और उनके सल्फाइड आदि ऐसे पदार्थों को वितरण माध्यम के साथ मिलाया जाए तो वे कोलॉइडियल सॉल्स नहीं बनाते हैं। इनके कोलॉइडियल सॉल्स केवल विशेष विधियों द्वारा बनाए जा सकते हैं। ऐसे सॉल्स को लाइफोफोबिक सॉल्स कहते हैं। ये सॉल्स प्रकृति में अवांछित होते हैं। उदाहरण के लिए: धातुओं के सॉल्स।

अब, जलीय सॉल्स के स्थायित्व के दो कारण होते हैं- आवेश की उपस्थिति और कोलॉइडियल कणों के जलीय आवेशन। दूसरी ओर, जल विरोधी सॉल्स के स्थायित्व केवल आवेश की उपस्थिति के कारण होता है। अतः, दूसरे कम स्थायित्व रखते हैं। यदि जल विरोधी सॉल्स के आवेश को हटा दिया जाए (इलेक्ट्रोलाइट के योग से), तो उनमें उपस्थित कण एक दूसरे के पास आ जाते हैं और एकत्रित होकर वर्षा के रूप में बन जाते हैं।

5.12 मल्टीमोलेक्यूलर और मैक्रोमोलेक्यूलर कोलॉइड के बीच क्या अंतर है? प्रत्येक के एक उदाहरण दें। संगठित कोलॉइड को इन दो प्रकार के कोलॉइड से कैसे अलग किया जा सकता है?

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उत्त र

(i) बहु-मोलेक्यूलर कोलॉइड में, कोलॉइडियल कण एक छोटे मोलेक्यूल या परमाणुओं के समूह से बने होते हैं जिनका व्यास $1 \mathrm{~nm}$ से कम होता है। इन अणुओं को वैन डर वाल के आकर्षण बलों द्वारा एक साथ रखा जाता है। ऐसे कोलॉइड के उदाहरण चांदी का सॉल और सल्फर का सॉल हैं।

(ii) मैक्रोमोलेक्यूलर कोलॉइड में, कोलॉइडियल कण बड़े अणुओं से बने होते हैं जो कोलॉइडियल आकार के होते हैं। इन कणों का उच्च अणुभार होता है। जब ये कण एक तरल में घुल जाते हैं, तो एक सॉल प्राप्त होता है। उदाहरण के लिए: स्टार्च, नाइलॉन, सेल्यूलोज आदि।

(iii) कुछ पदार्थ निम्न सांद्रता पर सामान्य विद्युत अपघट्य के आचरण करते हैं। हालांकि, उच्च सांद्रता पर ये पदार्थ जमावट वाले कणों के निर्माण के कारण कोलॉइडी विलयन के आचरण करते हैं। ऐसे कोलॉइड को जमावट वाले कोलॉइड कहा जाता है।

5.13 एंजाइम क्या हैं? एंजाइम उत्प्रेरण के योजना के बारे में छोटे-से लिखिए।

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उत्तर

एंजाइम मूल रूप से उच्च अणुभार वाले प्रोटीन अणु होते हैं। ये जल में घुलने पर कोलॉइडी विलयन बनाते हैं। ये जटिल, नाइट्रोजन युक्त अंगों के संयोजन होते हैं जो जीवित पौधों और जानवरों द्वारा उत्पादित होते हैं। एंजाइम को भी ‘जैव रासायनिक उत्प्रेरक’ कहा जाता है।

एंजाइम उत्प्रेरण के योजना:

एंजाइम के सतह पर विशिष्ट आकार के विभिन्न गॉलियां होती हैं। ये गॉलियां $-\mathrm{NH_2},-\mathrm{COOH}$ आदि ऐसे सक्रिय समूह रखती हैं। उत्प्रेरक अणु जो एक चाबी के आकार के होते हैं, गॉलियों में फिट हो जाते हैं। इससे एक सक्रिय जटिल के निर्माण होता है। इस जटिल फिर से विघटित होकर उत्पाद देता है।

इसलिए,

चरण 1: $E+S \rightarrow S ^{+}$

(सक्रिय जटिल)

चरण 2: $\mathrm{ES} ^{+} \rightarrow \mathrm{E}+\mathrm{P}$

5.14 कोलॉइड को निम्नलिखित आधार पर कैसे वर्गीकृत किया जाता है?

(i) घटकों के भौतिक अवस्था

(ii) वितरित अवस्था की प्रकृति और

(iii) वितरित अवस्था और वितरण माध्यम के बीच संपर्क?

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उत्तर

कोलॉइड को विभिन्न आधारों पर वर्गीकृत किया जा सकता है:

(i) घटकों के भौतिक अवस्था (घटकों के तात्पर्य वितरित अवस्था और वितरण माध्यम होते हैं)। घटक ठोस, तरल या गैस हो सकते हैं, इसलिए हमें आठ प्रकार के कोलॉइड हो सकते हैं।

(ii) वितरण माध्यम के आधार पर, सॉल को निम्नलिखित रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है:

वितरण माध्यम	सॉल का नाम
पानी	एक्वासॉल या हाइड्रोसॉल
अल्कोहल	अल्कोसॉल
बेंजीन	बेंजोसॉल
गैसें	एयरोसॉल

(iii) वितरित अवस्था और वितरण माध्यम के बीच संपर्क की प्रकृति के आधार पर, कोलॉइड को लाइफिलिक (समाधान आकर्षक) और लाइफोबिक (समाधान विरोधी) के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है।

5.15 समझाइए कि निम्नलिखित के दौरान क्या देखा जाता है

(i) एक प्रकाश किरण को कोलॉइडी सॉल के माध्यम से गुजारा जाता है।

(ii) एक विद्युत अपघट्य, $\mathrm{NaCl}$, जलीय लोहा ऑक्साइड सॉल में मिलाया जाता है।

(iii) एक कोलॉइडी सॉल में विद्युत धारा प्रवाहित की जाती है।

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उत्तर

(i) जब एक प्रकाश किरण को कोलॉइडी विलयन के माध्यम से गुजारा जाता है, तो प्रकाश के विक्षेपण को देखा जाता है। इसे टिंडल प्रभाव कहा जाता है। इस प्रकाश के विक्षेपण के कारण कोलॉइडी विलयन में प्रकाश के प्रवाह के मार्ग को दिखाया जाता है।

(ii) जब $\mathrm{NaCl}$ लोहा ऑक्साइड सॉल में मिलाया जाता है, तो यह $\mathrm{Na} ^{+}$ और $\mathrm{Cl} ^{-}$ आयनों में अपघटित हो जाता है। लोहा ऑक्साइड सॉल के कण धनावेशित होते हैं। इसलिए, ऋणावेशित $\mathrm{Cl} ^{-}$ आयनों की उपस्थिति में वे जमा हो जाते हैं।

(iii) कोलॉइडी कण धनावेशित या ऋणावेशित हो सकते हैं। वितरण माध्यम बराबर आवेश वाला विपरीत आवेश ले रहा होता है। इससे पूरे प्रणाली को उदासीन बनाए रखा जाता है। विद्युत धारा के प्रभाव में कोलॉइडी कण विपरीत आवेश वाले इलेक्ट्रोड की ओर बढ़ते हैं। जब वे इलेक्ट्रोड के संपर्क में आते हैं, तो वे अपना आवेश खो बैठते हैं और जमा हो जाते हैं।

5.16 एमल्सियन क्या होते हैं? उनके विभिन्न प्रकार क्या हैं? प्रत्येक प्रकार के उदाहरण दीजिए।

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उत्त र

वह कोलॉइडी विलयन जिसमें वितरित अवस्था और वितरण माध्यम दोनों तरल होते हैं, एमल्सियन कहलाते हैं। एमल्सियन के दो प्रकार होते हैं:

(a) तेल जल में प्रकार:

यहाँ, तेल वितरित अवस्था होता है जबकि जल वितरण माध्यम होता है। उदाहरण: दूध, वानिशिंग क्रीम, आदि।

(ब) तेल में पानी के प्रकार:

यहाँ पानी वितरित अवस्था होता है जबकि तेल वितरण माध्यम होता है। उदाहरण के लिए: ठंडा क्रीम, मक्खन आदि।

5.17 एमल्सिफायर कैसे एमल्सन को स्थायी बनाते हैं? दो एमल्सिफायर के नाम बताइए।

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उत्तर

एमल्सिफायर एमल्सन को स्थायी बनाते हैं क्योंकि वे एमल्सन के दो तरलों के बीच अंतराफलक तनाव को कम करते हैं। लंबे शृंखला वाले अणु जिनमें ध्रुवीय समूह होते हैं, एमल्सिफायर होते हैं।

उदाहरण: केसिन या दूध के प्रोटीन, साबुन

5.18 साबुन के कार्य एमल्सीकरण और माइक्रेल निर्माण के कारण होता है। टिप्पणी कीजिए।

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उत्तर

साबुन के सफाई कार्य एमल्सीकरण और माइक्रेल निर्माण के कारण होता है। साबुन मुख्य रूप से लंबे शृंखला वाले वसीय अम्ल के सोडियम और पोटेशियम लवण होते हैं, $\mathrm{R}-\mathrm{COO} \mathrm{Na} ^{+}$. जिस अंत में सोडियम जुड़ा होता है वह प्रकृति में ध्रुवीय होता है, जबकि ऐल्किल अंत अध्रुवीय होता है। इस प्रकार, एक साबुन अणु में एक जल प्रवण (ध्रुवीय) और एक जल अप्रवण (अध्रुवीय) भाग होता है।

जब साबुन को धूल वाले पानी में मिलाया जाता है, तो साबुन के अणु धूल के कणों के चारों ओर इस तरह घेर लेते हैं कि उनके अध्रुवीय भाग धूल के अणुओं से जुड़ जाते हैं और ध्रुवीय भाग धूल के अणु से दूर बिंदु बनते हैं। इसे माइक्रेल निर्माण कहते हैं। इस प्रकार, हम कह सकते हैं कि ध्रुवीय समूह पानी में घुल जाता है जबकि अध्रुवीय समूह धूल के कण में घुल जाता है। अब, इन माइक्रेल के नकारात्मक आवेश होते हैं, इसलिए वे एक दूसरे से जुड़ नहीं सकते और एक स्थायी एमल्सन का निर्माण हो जाता है।

5.19 विषम एकाग्रता वाले उत्प्रेरक के चार उदाहरण दीजिए।

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(i) सल्फर डाइऑक्साइड के ऑक्सीकरण सल्फर ट्राइऑक्साइड बनाने की प्रक्रिया में, इस प्रतिक्रिया में Pt एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है।

$ 2 \mathrm{SO_{2(g)}} \xrightarrow{\mathrm{Pt_{(z)}}} 2 \mathrm{SO_{3(g)}} $

(ii) डाइनाइट्रोजन और डाइहाइड्रोजन के संयोजन से अमोनिया के निर्माण की प्रक्रिया में बहुत छोटे लोहे के कणों की उपस्थिति में।

$ \mathrm{N_{2(g)}}+3 \mathrm{H_{2(g)}} \xrightarrow{\mathrm{Fe_(\mathrm{s})}} 2 \mathrm{NH_{3(g)}} `

$

इस प्रक्रिया को हैबर की प्रक्रिया कहते हैं।

(iii) ओस्वाल्ड की प्रक्रिया: प्लैटिनम की उपस्थिति में अमोनिया के ऑक्सीकरण से नाइट्रिक ऑक्साइड का निर्माण।

$ 4 \mathrm{NH_{3(g)}}+5 \mathrm{O_{2(\mathrm{~g})}} \xrightarrow{\mathrm{Pt_[\mathrm{s})}} 4 \mathrm{NO_{(\mathrm{g})}}+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O_{(\mathrm{g})}} $

(iv) वनस्पति तेलों के हाइड्रोजनीकरण की उपस्थिति में एनी।

$\mathrm{Vegetable ~oil_{(l)}} + \mathrm{H_{2(g)}} \xrightarrow{\mathrm{Ni_{(s)}}} \text{vegetable ghee}_{(s)}$

5.20 आप कैसलेट के गति और चयनात्मकता के अर्थ क्या समझते हैं?

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(a) कैसलेट की गति:

कैसलेट की गति एक विशिष्ट अभिक्रिया की दर को बढ़ाने की क्षमता होती है। रासायनिक अधिशोषण एक विशिष्ट कैसलेट की गति के निर्धारण के मुख्य कारक होता है। अभिकर्मक के सतह पर अभिकर्मक के अधिशोषण की तीव्रता बहुत अधिक या बहुत कम नहीं होनी चाहिए। यह बस उतनी तीव्रता होनी चाहिए जिससे कैसलेट सक्रिय हो जाए।

(b) कैसलेट की चयनात्मकता:

एक कैसलेट के अभिक्रिया को एक विशिष्ट उत्पाद के निर्माण की दिशा में निर्देशित करने की क्षमता को कैसलेट की चयनात्मकता कहते हैं। उदाहरण के लिए, $\mathrm{H_2}$ और $\mathrm{CO}$ के अभिक्रिया के लिए विभिन्न कैसलेट के उपयोग से हम विभिन्न उत्पाद प्राप्त कर सकते हैं।

(i) $\mathrm{ CO_{(g)} + 3H_{2(g)} \xrightarrow{Ni} CH_{4(g)} + H_2O_{(g)}}$

(ii) $\mathrm{CO_{(g)} +2H_{2(g)} \xrightarrow{CuZnO-CrO_2} CH_3OH_{(g)}}$

(iii) $\mathrm{CO_{(\mathrm{g})}}+\mathrm{H_{2(\mathrm{g})}} \xrightarrow{\mathrm{Cu}} \mathrm{HCHO_{(\mathrm{g})}} $

5.21 जेलेट के द्वारा विपाक के कुछ विशेषताओं का वर्णन करें।

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जेलेट एल्यूमिनो-सिलिकेट होते हैं जो माइक्रो-पोरस प्रकृति के होते हैं। जेलेट के हैंडी बर्फ के संरचना के कारण वे आकार चयनात्मक कैसलेट होते हैं। वे सिलिकेट के विस्तारित 3D नेटवर्क के रूप में होते हैं जिसमें कुछ सिलिकन परमाणु सिलिकन परमाणुओं के स्थान पर एल्यूमिनियम परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापित हो जाते हैं, जिससे उन्हें एल-ओ-एसी फ्रेमवर्क प्रदान करता है। जेलेट में होने वाले अभिक्रिया जेलेट के छेद और गुहा के आकार पर बहुत संवेदनशील होते हैं। जेलेट का उपयोग अधिकांश तेल रसायन उद्योग में होता है।

5.22 आकृति चुनावी उत्प्रेरण क्या है?

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जो उत्प्रेरण अभिक्रिया उत्प्रेरक के छेद संरचना तथा अभिकारक तथा उत्पाद अणुओं के आकार पर निर्भर करती है, उसे आकृति चुनावी उत्प्रेरण कहते हैं। उदाहरण के लिए, जेलेट्रोइट द्वारा उत्प्रेरण आकृति चुनावी उत्प्रेरण है। जेलेट्रोइट में उपस्थित छेद का आकार $260-74 एमपी$ के बीच होता है। इसलिए, छेद के आकार इससे अधिक वाले अणु जेलेट्रोइट में प्रवेश नहीं कर सकते तथा अभिक्रिया में शामिल नहीं हो सकते।

5.23 निम्नलिखित शब्दों की व्याख्या कीजिए:

(i) विद्युत अपचयन

(ii) अपचयन

(iii) डायलिसिस

(iv) टिंडल प्रभाव।

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(i) विद्युत अपचयन:

एक विद्युत चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव के अंतर्गत कोलॉइडी कणों के गति को विद्युत अपचयन कहते हैं। धनावेशित कण ऋणात्मक ध्रुव की ओर गति करते हैं, जबकि ऋणावेशित कण धनात्मक ध्रुव की ओर गति करते हैं। जब कण विपरीत चार्जित ध्रुवों तक पहुंचते हैं, तो वे उदासीन हो जाते हैं तथा अपचयन हो जाते हैं।

(ii) अपचयन:

कोलॉइडी कणों के अपने आप नीचे गिरने की प्रक्रिया, अर्थात एक कोलॉइड को अवक्षेप बनाने की प्रक्रिया को अपचयन कहते हैं।

(iii) डायलिसिस

एक विलयन के घोल से घुले हुए पदार्थ को एक झिल्ली के माध्यम से विसरण के माध्यम से हटाने की प्रक्रिया को डायलिसिस कहते हैं। यह प्रक्रिया यह सिद्धांत पर आधारित है कि आयन तथा छोटे अणु जानवरीय झिल्ली के माध्यम से गुजर सकते हैं, जबकि कोलॉइडी कण नहीं।

(iv) टिंडल प्रभाव:

जब एक प्रकाश किरण को कोलॉइडी घोल में गुजारा जाता है, तो यह प्रकाश किरण एक प्रकाश के स्तंभ के रूप में दिखाई देती है। इसे टिंडल प्रभाव कहते हैं। यह घटना घटित होती है क्योंकि कोलॉइडी आकार के कण प्रकाश को सभी दिशाओं में विसरित करते हैं।

5.24 एमल्सियन के चार उपयोग बताइए।

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एमल्सियन के चार उपयोग:

(i) साबुन के साफ्ट करने का कार्य एमल्सियन के निर्माण पर आधारित है।

(ii) आंत्र में वसा के पाचन की प्रक्रिया एमल्सीकरण के माध्यम से होती है।

(iii) एंटीसेप्टिक्स और डिसिन्फेक्टेंट्स को पानी में मिलाने पर एमल्सन बनते हैं।

(iv) एमल्सीफिकेशन की प्रक्रिया दवाओं के निर्माण में उपयोग की जाती है।

5.25 मिकल्स क्या हैं? एक मिकलर सिस्टम का उदाहरण दें।

5.26 उपयुक्त उदाहरणों के साथ निम्नलिखित शब्दों की व्याख्या करें:

(i) अल्कोसॉल

(ii) एयरोसॉल

(iii) हाइड्रोसॉल।

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(i) अल्कोसॉल:

एल्कोहल के वितरण माध्यम और ठोस पदार्थ के वितरित अवयव वाले कोलॉइडी विलयन को अल्कोसॉल कहते हैं।

उदाहरण: केल्सियम नाइट्रेट के कोलॉइडी विलयन एथिल एल्कोहल में एक अल्कोसॉल है।

(ii) एयरोसॉल:

एक गैस के वितरण माध्यम और ठोस के वितरित अवयव वाले कोलॉइडी विलयन को एयरोसॉल कहते हैं।

उदाहरण: धूल

(iii) हाइड्रोसॉल

पानी के वितरण माध्यम और ठोस के वितरित अवयव वाले कोलॉइडी विलयन को हाइड्रोसॉल कहते हैं।

उदाहरण: स्टार्च विलयन या सोने का विलयन

5.27 कथन “कोलॉइड एक पदार्थ नहीं है, बल्कि एक पदार्थ की अवस्था है” पर टिप्पणी करें।

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सामान्य नमक (एक जलीय माध्यम में एक सामान्य क्रिस्टलॉइड) बेंजीन माध्यम में एक कोलॉइड के रूप में व्यवहार करता है। इसलिए, हम कह सकते हैं कि कोलॉइडी पदार्थ एक अलग श्रेणी के पदार्थ का प्रतिनिधित्व नहीं करता है। जब विलेय कण का आकार $1 \mathrm{~nm}$ और $1000 \mathrm{~nm}$ के बीच होता है, तो यह कोलॉइड के रूप में व्यवहार करता है।

इसलिए, हम कह सकते हैं कि कोलॉइड एक पदार्थ नहीं है, बल्कि एक पदार्थ की अवस्था है जो कण के आकार पर निर्भर करती है। एक कोलॉइडी अवस्था एक सच्चे विलयन और एक असंगति के बीच मध्य अवस्था है।