विलयन की सांद्रता (Concentration of Solutions)

विलयन का अध्ययन केवल उसके घटकों तक सीमित नहीं रहता, बल्कि यह जानना भी आवश्यक होता है कि किसी निश्चित मात्रा में विलेय की मात्रा कितनी है। इसी परिभाषा को विलयन की सांद्रता कहा जाता है।

रसायन विज्ञान में सांद्रता व्यक्त करने की विभिन्न विधियाँ विकसित की गई हैं, क्योंकि अलग-अलग परिस्थितियों में अलग मापन सुविधाजनक होता है।

द्रव्यमान प्रतिशत (Mass Percentage)

जब किसी विलयन में उपस्थित विलेय की मात्रा कुल विलयन के द्रव्यमान के सापेक्ष प्रतिशत में व्यक्त की जाती है, तो उसे द्रव्यमान प्रतिशत कहते हैं।

द्रव्यमान % = (विलेय का द्रव्यमान / विलयन का द्रव्यमान) × 100

यह विधि उन परिस्थितियों में अधिक उपयोगी होती है जहाँ तापमान परिवर्तन का प्रभाव नगण्य माना जाता है।

आयतन प्रतिशत (Volume Percentage)

जब विलेय की मात्रा को विलयन के कुल आयतन के सापेक्ष प्रतिशत में व्यक्त किया जाता है, तो इसे आयतन प्रतिशत कहा जाता है।

आयतन % = (विलेय का आयतन / विलयन का आयतन) × 100

यह विधि सामान्यतः द्रव-द्रव विलयनों में प्रयुक्त होती है, जैसे अल्कोहल-जल मिश्रण।

द्रव्यमान-आयतन प्रतिशत (Mass by Volume Percentage)

जब 100 mL विलयन में उपस्थित विलेय का द्रव्यमान व्यक्त किया जाता है, तो उसे द्रव्यमान-आयतन प्रतिशत कहा जाता है।

चिकित्सा विज्ञान में प्रयुक्त अधिकांश इंजेक्शन और औषधीय घोल इसी पद्धति पर आधारित होते हैं।

मोल भिन्न (Mole Fraction)

मोल भिन्न एक विमारहित (dimensionless) मात्रा है, जो किसी घटक के मोलों की संख्या को कुल मोलों की संख्या के अनुपात में व्यक्त करती है।

मोल भिन्न (X_A) = n_A / (n_A + n_B)

इस विधि का विशेष महत्व वाष्प दाब और कोलिगेटिव गुणों के अध्ययन में होता है।

मोलरता (Molarity)

मोलरता उस सांद्रता को कहते हैं जिसमें 1 लीटर विलयन में उपस्थित विलेय के मोलों की संख्या व्यक्त की जाती है।

मोलरता (M) = विलेय के मोल / विलयन का आयतन (लीटर में)

मोलरता तापमान पर निर्भर करती है, क्योंकि आयतन तापमान परिवर्तन से बदलता है।

मोलालता (Molality)

मोलालता उस सांद्रता को दर्शाती है जिसमें 1 किलोग्राम विलायक में उपस्थित विलेय के मोलों की संख्या व्यक्त की जाती है।

मोलालता (m) = विलेय के मोल / विलायक का द्रव्यमान (किलोग्राम में)

मोलालता तापमान से स्वतंत्र होती है, इसी कारण कोलिगेटिव गुणों में इसका व्यापक प्रयोग होता है।

आदर्श विलयन (Ideal Solutions)

ऐसे विलयन जिनमें विभिन्न घटकों के बीच पारस्परिक आकर्षण बल लगभग समान होते हैं तथा मिश्रण के समय न तो ऊष्मा का उत्सर्जन होता है और न ही अवशोषण, आदर्श विलयन कहलाते हैं।

आदर्श विलयनों में विलयन बनने पर आयतन परिवर्तन भी नगण्य माना जाता है। यह अवधारणा वास्तविक विलयनों के व्यवहार को समझने के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान करती है।

• ΔH_mix = 0 (ऊष्मा परिवर्तन शून्य)
• ΔV_mix = 0 (आयतन परिवर्तन शून्य)

बेंज़ीन–टोल्यून तथा n-हेक्सेन–n-हेप्टेन आदर्श विलयनों के निकटतम उदाहरण माने जाते हैं।

राउल्ट का नियम (Raoult’s Law)

आदर्श विलयनों के वाष्प दाब के अध्ययन के लिए राउल्ट का नियम अत्यंत महत्वपूर्ण है।

इस नियम के अनुसार किसी आदर्श विलयन में किसी घटक का आंशिक वाष्प दाब उस घटक के शुद्ध वाष्प दाब और उसके मोल भिन्न के गुणनफल के बराबर होता है।

P_A = X_A × P_A⁰

जहाँ P_A⁰ शुद्ध घटक A का वाष्प दाब तथा X_A उसका मोल भिन्न है।

बहु-घटक विलयन के लिए कुल वाष्प दाब सभी घटकों के आंशिक वाष्प दाबों का योग होता है।

राउल्ट के नियम से विचलन

वास्तविक विलयन प्रायः आदर्श व्यवहार नहीं दर्शाते। जब विलयन राउल्ट के नियम का पालन नहीं करता, तो उसे विचलन कहा जाता है।

धनात्मक विचलन (Positive Deviation)

जब विलयन का वाष्प दाब राउल्ट के नियम द्वारा अपेक्षित मान से अधिक होता है, तो उसे धनात्मक विचलन कहते हैं।

यह स्थिति तब उत्पन्न होती है जब A–B अणुओं के बीच आकर्षण बल A–A तथा B–B से कम होता है।

एथेनॉल–एसीटोन तंत्र धनात्मक विचलन का प्रसिद्ध उदाहरण है।

ऋणात्मक विचलन (Negative Deviation)

जब विलयन का वाष्प दाब अपेक्षित मान से कम हो जाता है, तो उसे ऋणात्मक विचलन कहा जाता है।

इस स्थिति में A–B अणुओं के बीच आकर्षण बल A–A तथा B–B से अधिक होता है।

एथेनॉल–जल तंत्र ऋणात्मक विचलन का प्रमुख उदाहरण है।

विलयन का वाष्प दाब और भौतिक महत्व

वाष्प दाब का अध्ययन विलयन के क्वथनांक, वाष्पीकरण तथा पृथक्करण प्रक्रियाओं को समझने में सहायक होता है।

औद्योगिक आसवन, पेट्रोलियम शोधन और द्रव–द्रव पृथक्करण इसी सिद्धांत पर आधारित प्रक्रियाएँ हैं।

कोलिगेटिव गुण (Colligative Properties)

विलयनों के कुछ भौतिक गुण ऐसे होते हैं जो विलयन में उपस्थित विलेय की प्रकृति पर निर्भर न होकर केवल उसके कणों की संख्या पर निर्भर करते हैं। इन गुणों को कोलिगेटिव गुण कहा जाता है।

कोलिगेटिव गुणों का अध्ययन विलयनों के व्यवहार, अणुओं के द्रव्यमान निर्धारण तथा जैविक एवं औद्योगिक प्रणालियों को समझने में अत्यंत सहायक होता है।

• वाष्प दाब में आपेक्षिक ह्रास
• क्वथनांक में वृद्धि
• हिमांक में अवनमन
• परासरण दाब

वाष्प दाब में आपेक्षिक ह्रास

जब किसी विलायक में अवाष्पशील विलेय मिलाया जाता है, तो विलयन का वाष्प दाब शुद्ध विलायक की तुलना में कम हो जाता है। इस कमी को वाष्प दाब में आपेक्षिक ह्रास कहा जाता है।

(P⁰ − P) / P⁰ = X_solute

यह गुण सीधे तौर पर विलेय के मोल भिन्न पर निर्भर करता है और विलेय की रासायनिक प्रकृति से स्वतंत्र रहता है।

क्वथनांक में वृद्धि (Elevation of Boiling Point)

विलयन का क्वथनांक शुद्ध विलायक के क्वथनांक से अधिक होता है। इस अंतर को क्वथनांक वृद्धि कहा जाता है।

ΔT_b = K_b × m

यहाँ K_b विलायक का क्वथनांक स्थिरांक तथा m विलयन की मोलालता है।

यह गुण द्रवों के शोधन और ऊँचे तापमान पर कार्य करने वाली प्रणालियों में विशेष रूप से उपयोगी है।

हिमांक में अवनमन (Depression of Freezing Point)

विलयन का हिमांक शुद्ध विलायक की तुलना में कम होता है। इसे हिमांक अवनमन कहा जाता है।

ΔT_f = K_f × m

सर्दियों में सड़कों पर डाला जाने वाला नमक इसी सिद्धांत पर आधारित होता है, जिससे बर्फ पिघलने लगती है।

परासरण दाब (Osmotic Pressure)

जब दो विलयन विभिन्न सांद्रता के हों और उनके बीच अर्धपारगम्य झिल्ली उपस्थित हो, तो विलायक का प्रवाह कम सांद्र विलयन से अधिक सांद्र विलयन की ओर होता है। इस प्रवाह को रोकने के लिए आवश्यक दाब परासरण दाब कहलाता है।

π = CRT

परासरण दाब का प्रयोग उच्च अणुभार वाले पदार्थों, जैसे प्रोटीन और पॉलिमर, के मोलर द्रव्यमान निर्धारण में किया जाता है।

वैन्ट हॉफ गुणांक (van’t Hoff Factor)

कोलिगेटिव गुणों के अध्ययन में यह पाया गया कि कुछ विलयन अपेक्षित मानों से अधिक या कम प्रभाव दिखाते हैं। इस विचलन को समझाने के लिए वैन्ट हॉफ गुणांक की अवधारणा प्रस्तुत की गई।

वैन्ट हॉफ गुणांक को वास्तविक विलयन में उपस्थित कणों की संख्या और सैद्धांतिक रूप से अपेक्षित कणों की संख्या के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है।

i = वास्तविक कणों की संख्या / अपेक्षित कणों की संख्या

यदि विलयन में कोई विघटन या संघटन नहीं होता, तो वैन्ट हॉफ गुणांक का मान 1 होता है।

विघटन (Dissociation) का प्रभाव

जब इलेक्ट्रोलाइटिक विलेय विलयन में आयनित हो जाता है, तो विलयन में कणों की संख्या बढ़ जाती है। इस स्थिति में वैन्ट हॉफ गुणांक का मान 1 से अधिक हो जाता है।

उदाहरण के लिए, सोडियम क्लोराइड का जलीय विलयन Na⁺ और Cl⁻ आयनों में विभाजित हो जाता है, जिससे कणों की संख्या दोगुनी हो जाती है।

संघटन (Association) का प्रभाव

कुछ विलयनों में अणु आपस में जुड़कर बड़े अणु बना लेते हैं। इस प्रक्रिया को संघटन कहा जाता है।

संघटन के कारण विलयन में प्रभावी कणों की संख्या घट जाती है और वैन्ट हॉफ गुणांक का मान 1 से कम हो जाता है।

एथेनोइक अम्ल का बेंज़ीन में विलयन संघटन का प्रसिद्ध उदाहरण है।

अणुभार निर्धारण में कोलिगेटिव गुणों का उपयोग

कोलिगेटिव गुणों का एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग अज्ञात विलेय के मोलर द्रव्यमान का निर्धारण है।

परासरण दाब विशेष रूप से उच्च अणुभार वाले पदार्थों जैसे प्रोटीन, स्टार्च और पॉलिमर के लिए अत्यंत उपयोगी सिद्ध होता है।

अन्य कोलिगेटिव गुणों की तुलना में परासरण दाब बहुत कम सांद्रता पर भी मापने योग्य मान प्रदान करता है।

विलयन और जैविक प्रणालियाँ

जैविक कोशिकाओं में विलयन की अवधारणा अत्यंत महत्वपूर्ण है। रक्त, कोशिकाद्रव तथा अंतःकोशिकीय द्रव सभी जलीय विलयन ही हैं।

परासरण दाब का संतुलन कोशिकाओं के सामान्य आकार और कार्यक्षमता को बनाए रखने में सहायक होता है। इसी कारण चिकित्सा में प्रयुक्त सलाइन घोलों की सांद्रता विशेष रूप से नियंत्रित की जाती है।

विलयन का दृश्य निरूपण (Visual Representation of Solutions)

विलयन की अवधारणा को स्पष्ट रूप से समझने के लिए कण स्तर (particle level) पर उसका निरूपण अत्यंत सहायक होता है। नीचे दिए गए आरेख विलायक, विलेय और उनके पारस्परिक संबंध को प्रत्यक्ष रूप से दर्शाते हैं।

इस आरेख में बड़े नीले गोले विलायक अणुओं को दर्शाते हैं, जबकि छोटे लाल गोले विलेय कणों का प्रतिनिधित्व करते हैं। विलेय कण विलायक में समान रूप से वितरित रहते हैं, जिससे विलयन की समांगता स्पष्ट होती है।

इस चित्र में अर्धपारगम्य झिल्ली के माध्यम से विलायक का प्रवाह कम सांद्र विलयन से अधिक सांद्र विलयन की ओर होता हुआ दिखाया गया है। यही प्रक्रिया परासरण कहलाती है, जो जैविक कोशिकाओं के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

यह रेखीय आरेख यह दर्शाता है कि आदर्श विलयन में वाष्प दाब मोल भिन्न के साथ रैखिक रूप से परिवर्तित होता है। यही राउल्ट के नियम का गुणात्मक सार है।

संक्षिप्त नोट्स (Quick Revision Notes)

• विलयन एक समांग मिश्रण होता है जिसमें विलेय विलायक में समान रूप से वितरित रहता है।
• सांद्रता व्यक्त करने की प्रमुख विधियाँ: मोलरता, मोलालता, मोल भिन्न, द्रव्यमान प्रतिशत।
• आदर्श विलयन राउल्ट के नियम का पूर्ण पालन करते हैं।
• धनात्मक विचलन में वाष्प दाब अपेक्षित मान से अधिक होता है, ऋणात्मक विचलन में कम।
• कोलिगेटिव गुण केवल कणों की संख्या पर निर्भर करते हैं, प्रकृति पर नहीं।
• परासरण दाब उच्च अणुभार निर्धारण के लिए सबसे विश्वसनीय गुण है।
• वैन्ट हॉफ गुणांक विलयन में संघटन या विघटन की जानकारी देता है।

काल्पनिक प्रश्न–उत्तर ⭐

प्रश्न: यदि मोलरता और मोलालता दोनों उपलब्ध हों, तो कोलिगेटिव गुणों के लिए किसे प्राथमिकता दी जाती है?

उत्तर: मोलालता, क्योंकि यह तापमान से स्वतंत्र होती है और अधिक शुद्ध परिणाम देती है।

प्रश्न: परासरण दाब को जैविक दृष्टि से क्यों महत्वपूर्ण माना जाता है?

उत्तर: क्योंकि कोशिकाओं के आकार, रक्त का परासरणीय संतुलन तथा औषधीय द्रवों की तैयारी इसी पर आधारित होती है।

प्रश्न: क्या दो अलग-अलग विलयनों के कोलिगेटिव गुण समान हो सकते हैं?

उत्तर: हाँ, यदि दोनों विलयनों में कणों की प्रभावी संख्या समान हो।

सबसे कठिन अवधारणा आधारित प्रश्न

प्रश्न: यदि किसी विलयन से प्राप्त अणुभार वास्तविक अणुभार से कम आता है, तो इसके पीछे क्या कारण हो सकता है?

उत्तर: यह स्थिति सामान्यतः विलेय के विघटन (dissociation) के कारण उत्पन्न होती है, जिससे विलयन में कणों की संख्या बढ़ जाती है। इस प्रभाव को वैन्ट हॉफ गुणांक द्वारा सुधारा जाता है।

संबंधित वैज्ञानिक योगदान

• François-Marie Raoult: विलयनों के वाष्प दाब से संबंधित नियम प्रतिपादित किया।
• Jacobus Henricus van’t Hoff: परासरण दाब और वैन्ट हॉफ गुणांक की अवधारणा दी।
• Svante Arrhenius: इलेक्ट्रोलाइटिक विघटन सिद्धांत प्रस्तुत किया।

अस्वीकरण

यह अध्ययन सामग्री राजस्थान माध्यमिक शिक्षा बोर्ड के नवीनतम पाठ्यक्रम पर आधारित है। इसका उद्देश्य विद्यार्थियों को अवधारणात्मक स्पष्टता प्रदान करना है। परीक्षा में अंतिम निर्णय संबंधित बोर्ड द्वारा निर्धारित पाठ्यक्रम पर ही निर्भर करेगा।

दैनिक जीवन में विलयन का उपयोग

• समुद्री जल से नमक का पृथक्करण
• औषधीय सलाइन और ग्लूकोज घोल
• शीतल पेय एवं ऊर्जा पेय
• एंटी-फ्रीज़ का उपयोग (हिमांक अवनमन)
• खाद्य संरक्षण में नमक और शर्करा

विद्यार्थियों द्वारा की जाने वाली सामान्य त्रुटियाँ

• मोलरता और मोलालता को एक जैसा मान लेना
• कोलिगेटिव गुणों को विलेय की प्रकृति से जोड़ देना
• वैन्ट हॉफ गुणांक का प्रयोग न करना
• इकाइयों में गलती (kg की जगह g)

संख्यात्मक प्रश्नों की रणनीति

• पहले सांद्रता का प्रकार पहचानें
• इकाइयों को SI में बदलें
• वैन्ट हॉफ गुणांक आवश्यक है या नहीं, जाँच करें
• अंतिम उत्तर से पहले dimension check करें

उच्च स्तरीय परीक्षाओं से संबंध

परासरण दाब एवं वैन्ट हॉफ गुणांक से जुड़े प्रश्न UPSC, IIT-JEE एवं अन्य राष्ट्रीय परीक्षाओं में अवधारणा आधारित रूप में पूछे जा चुके हैं।

संबंधित अध्याय

• Electrochemistry
• Chemical Kinetics
• Solutions – Important Questions

पुनरावृत्ति समय सुझाव

इस अध्याय की संपूर्ण पुनरावृत्ति 6–8 घंटे में की जा सकती है, यदि सूत्रों एवं अवधारणाओं पर समान ध्यान दिया जाए।

स्व-मूल्यांकन चेकलिस्ट

• मैं सभी सांद्रता इकाइयाँ समझता हूँ
• मैं राउल्ट के नियम का प्रयोग कर सकता हूँ
• मैं कोलिगेटिव गुणों का अंतर जानता हूँ
• मैं वैन्ट हॉफ गुणांक का सही उपयोग कर सकता हूँ

संदर्भ

• NCERT Chemistry Textbook – Class XII
• Rajasthan Board Official Curriculum
• Standard Physical Chemistry References

यह अध्याय RBSE कक्षा 12 रसायन विज्ञान के सबसे अधिक अवधारणा-आधारित अध्यायों में से एक है। यदि विद्यार्थी विलयन की मूल अवधारणाओं को सही क्रम में समझ लेता है, तो आगे के अध्याय स्वाभाविक रूप से सरल हो जाते हैं।