हाइड्रोजन, ब्रह्मांड में सबसे अधिक मात्रा में पाया जाने वाला तत्व और पृथ्वी की सतह पर तीसरे स्थान पर सबसे अधिक मात्रा में उपलब्ध तत्व, भविष्य की प्रमुख ऊर्जा स्रोत के रूप में कल्पना किया जा रहा है।

हाइड्रोजन प्रकृति में हमारे चारों ओर मौजूद सभी तत्वों में सबसे सरल परमाण्विक संरचना रखता है। परमाण्विक रूप में इसमें केवल एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन होता है। हालांकि, मूल तत्व के रूप में यह द्विपरमाण्विक $\left(\mathrm{H_2}\right)$ अणु के रूप में मौजूद होता है और इसे डाइहाइड्रोजन कहा जाता है। यह किसी भी अन्य तत्व की तुलना में अधिक यौगिक बनाता है। क्या आप जानते हैं कि ऊर्जा से संबंधित वैश्विक चिंता को ऊर्जा के स्रोत के रूप में हाइड्रोजन के उपयोग से काफी हद तक दूर किया जा सकता है? वास्तव में, हाइड्रोजन की औद्योगिक महत्त्व बहुत अधिक है जैसा कि आप इस इकाई में सीखेंगे।

9.1 आवर्त सारणी में हाइड्रोजन की स्थिति

हाइड्रोजन आवर्त सारणी का पहला तत्व है। हालांकि, आवर्त सारणी में इसकी स्थिति को लेकर अतीत में चर्चा होती रही है। जैसा कि आप अब तक जान चुके हैं कि आवर्त सारणी में तत्वों को उनकी इलेक्ट्रॉनिक विन्यास के अनुसार व्यवस्थित किया जाता है।

हाइड्रोजन का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास $1 s^{1}$ है। एक ओर, इसका इलेक्ट्रॉनिक विन्यास, आवर्त सारणी के प्रथम समूह से संबंधित क्षार धातुओं के बाह्य इलेक्ट्रॉनिक विन्यास ($n s^{1}$) के समान है। दूसरी ओर, हैलोजनों की तरह (जिनका $n s^{2} n p^{5}$ विन्यास आवर्त सारणी के सत्रहवें समूह से संबंधित है), यह संबंधित निष्क्रिय गैस, हीलियम $\left(1 s^{2}\right)$ के विन्यास से एक इलेक्ट्रॉन की कमी रखता है। इसलिए हाइड्रोजन की समानता क्षार धातुओं से है, जो एक इलेक्ट्रॉन खोकर एकधनायन बनाते हैं, साथ ही हैलोजनों से भी है, जो एक इलेक्ट्रॉन ग्रहण करकर एकऋणायन बनाते हैं। क्षार धातुओं की तरह, हाइड्रोजन ऑक्साइड, हैलाइड और सल्फाइड बनाता है। हालांकि, क्षार धातुओं के विपरीत, इसकी आयनन एन्थैल्पी बहुत अधिक है और यह सामान्य परिस्थितियों में धात्विक लक्षण नहीं रखता है। वास्तव में, आयनन एन्थैल्पी के मामले में, हाइड्रोजन की अधिक समानता हैलोजनों से है, $\mathrm{Li}$ की $\Delta_{i} H$ $520 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol}^{-1}$ है, $\mathrm{F}$ की $1680 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol}^{-1}$ है और $\mathrm{H}$ की $1312 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol}^{-1}$ है। हैलोजनों की तरह, यह द्विपरमाणुिक अणु बनाता है, तत्वों के साथ मिलकर हाइड्राइड और बड़ी संख्या में सहसंयोजी यौगिक बनाता है। हालांकि, क्रियाशीलता के मामले में, यह हैलोजनों की तुलना में बहुत कम है।

इस तथ्य के बावजूद कि हाइड्रोजन किसी हद तक क्षारीय धातुओं और हैलोजन दोनों से मिलता-जुलता है, यह उनसे भिन्न भी है। अब प्रासंगिक प्रश्न उठता है कि इसे आवर्त सारणी में कहाँ रखा जाए? हाइड्रोजन परमाणु से इलेक्ट्रॉन के नुकसान से लगभग 1.5×10⁻³ pm आकार का नाभिक (H⁺) बनता है। यह सामान्य परमाणु और आयनिक आकारों की तुलना में 50 से 200 pm के मुकाबले बेहद छोटा है। परिणामस्वरूप, H⁺ स्वतंत्र रूप से अस्तित्व में नहीं रहता और हमेशा अन्य परमाणुओं या अणुओं से जुड़ा रहता है। इस प्रकार, यह व्यवहार में अद्वितीय है और इसलिए इसे आवर्त सारणी में अलग से रखना सर्वोत्तम है (इकाई 3)।

9.2 डाइहाइड्रोजन, H₂

9.2.1 उपस्थिति

डाइहाइड्रोजन ब्रह्मांड में सबसे प्रचुर तत्व है (ब्रह्मांड के कुल द्रव्यमान का 70%) और सौर वातावरण में प्रमुख तत्व है। विशाल ग्रह बृहस्पति और शनि अधिकांशतः हाइड्रोजन से बने हैं। हालांकि, अपने हल्के स्वभाव के कारण, यह पृथ्वी के वातावरण में बहुत कम मात्रा में (द्रव्यमान के 0.15% तक) है। निस्संदेह, संयुक्त रूप में यह पृथ्वी की पपड़ी और महासागरों का 15.4% बनाता है। संयुक्त रूप में यह जल के अतिरिक्त पौधों और जानवरों के ऊतकों, कार्बोहाइड्रेट्स, प्रोटीन, हाइड्राइड्स जिनमें हाइड्रोकार्बन और कई अन्य यौगिक शामिल हैं, में पाया जाता है।

9.2.2 हाइड्रोजन के समस्थानिक

हाइड्रोजन के तीन समस्थानिक होते हैं: प्रोटियम, ${ _1}^{1} \mathrm{H}$, ड्यूटीरियम, ${ _1}^{2} \mathrm{H}$ या D और ट्राइटियम, ${ _1}^{3} \mathrm{H}$ या T। क्या आप अनुमान लगा सकते हैं कि ये समस्थानिक एक-दूसरे से किस प्रकार भिन्न हैं? ये समस्थानिक एक-दूसरे से न्यूट्रॉनों की उपस्थिति के संदर्भ में भिन्न होते हैं। सामान्य हाइड्रोजन, प्रोटियम, में कोई न्यूट्रॉन नहीं होता, ड्यूटीरियम (जिसे भारी हाइड्रोजन भी कहा जाता है) में एक न्यूट्रॉन होता है और ट्राइटियम के नाभिक में दो न्यूट्रॉन होते हैं। वर्ष 1934 में एक अमेरिकी वैज्ञानिक, हेरोल्ड सी. यूरे, ने भौतिक विधियों द्वारा द्रव्यमान संख्या 2 का हाइड्रोजन समस्थानिक पृथक करने पर नोबेल पुरस्कार प्राप्त किया।

प्रमुख रूप प्रोटियम है। पार्थिव हाइड्रोजन में $0.0156 \%$ ड्यूटीरियम होता है, ज्यादातर HD के रूप में। ट्राइटियम की सांद्रता लगभग प्रोटियम के $10^{18}$ परमाणुओं प्रति एक परमाणु है। इन समस्थानिकों में से केवल ट्राइटियम ही रेडियोधर्मी है और यह निम्न ऊर्जा $\beta^{-}$कण उत्सर्जित करता है ($t, 12.33$ वर्ष)।

तालिका 9.1 हाइड्रोजन की परमाणुक और भौतिक गुणधर्म

चूंकि समस्थानिकों की इलेक्ट्रॉनिक विन्यास समान होती है, उनके रासायनिक गुण लगभग समान होते हैं। केवल अंतर उनकी अभिक्रिया की दरों में होता है, मुख्यतः उनकी भिन्न आबंध वियोजन एन्थैल्पी के कारण (तालिका 9.1)। हालांकि, भौतिक गुणों में ये समस्थानिक काफी भिन्न होते हैं क्योंकि उनके द्रव्यमान में बड़ा अंतर होता है।

9.3 डाइहाइड्रोजन, $\mathrm{H_2}$ की तैयारी

धातुओं और धातु हाइड्राइडों से डाइहाइड्रोजन तैयार करने की कई विधियां हैं।

9.3.1 प्रयोगशाला में डाइहाइड्रोजन की तैयारी

(i) यह आमतौर पर ग्रैन्युलेटेड जिंक के साथ तनु हाइड्रोक्लोरिक एसिड की अभिक्रिया द्वारा तैयार किया जाता है।

(\mathrm{Zn}+2 \mathrm{H}^{+} \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}+\mathrm{H_2})

(ii) इसे जिंक की जलीय क्षार के साथ अभिक्रिया द्वारा भी तैयार किया जा सकता है।

$$ \begin{aligned} & \mathrm{Zn}+2 \mathrm{NaOH} \rightarrow \underset{\text { सोडियम जिंकेट }}{\mathrm{Na_2} \mathrm{ZnO_2}} +\mathrm{H_2} \ \end{aligned} $$

9.3.2 डाइहाइड्रोजन का वाणिज्यिक उत्पादन नीचे:

सामान्यतः प्रयुक्त प्रक्रियाएँ नीचे दी गई हैं:

(i) प्लैटिनम इलेक्ट्रोडों का उपयोग करके अम्लित जल का विद्युत-अपघटन हाइड्रोजन देता है।

$$ 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(1) \xrightarrow[\text { अम्ल/क्षार की अल्प मात्रा }]{\text { विद्युत-अपघटन }} 2 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{g}) $$

(ii) गर्म जलीय बेरियम हाइड्रॉक्साइड विलयन का निकल इलेक्ट्रोडों के बीच विद्युत-अपघटन करने पर उच्च शुद्धता (>99.95 %) का डाइहाइड्रोजन प्राप्त होता है।

(iii) यह ब्राइन विलयन के विद्युत-अपघटन द्वारा सोडियम हाइड्रॉक्साइड और क्लोरीन के निर्माण में उप-उत्पाद के रूप में प्राप्त होता है। विद्युत-अपघटन के दौरान होने वाली अभिक्रियाएँ इस प्रकार हैं:

ऐनोड पर: (2 \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{e}^{-})

कैथोड पर: (2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}) (l) (+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}))

कुल अभिक्रिया है

$$ \begin{gathered} 2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \ \downarrow \ \mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \end{gathered} $$

(iv) उच्च तापमान पर उत्प्रेरक की उपस्थिति में हाइड्रोकार्बन या कोक पर भाप की अभिक्रिया से हाइड्रोजन प्राप्त होती है।

$\mathrm{C_\mathrm{n}} \mathrm{H_2 \mathrm{n} 2} \quad \mathrm{nH_2} \mathrm{O} \quad \underset{\mathrm{Ni}}{1270 \mathrm{~K}} \quad \mathrm{nCO} \quad\left(\begin{array}{lll}2 \mathrm{n} & 1\end{array}\right) \mathrm{H_2}$

उदाहरण के लिए,

$\mathrm{CH_4}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) \xrightarrow[N i]{1270 \mathrm{~K}} \mathrm{CO}(\mathrm{g})+3 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g})$

$\mathrm{CO}$ और $\mathrm{H_2}$ के मिश्रण को वॉटर गैस कहा जाता है। चूँकि यह $\mathrm{CO}$ और $\mathrm{H_2}$ का मिश्रण मेथेनॉल और कई हाइड्रोकार्बन के संश्लेषण के लिए प्रयोग किया जाता है, इसे संश्लेषण गैस या ‘syngas’ भी कहा जाता है। आजकल ‘syngas’ को सीवेज, आरा-धूल, स्क्रैप लकड़ी, अखबार आदि से बनाया जाता है। कोयले से ‘syngas’ बनाने की प्रक्रिया को ‘coal gasification’ कहा जाता है।

$\mathrm{C}(\mathrm{s})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) \xrightarrow{1270 \mathrm{~K}} \mathrm{CO}(\mathrm{g})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g})$

सिंगैस मिश्रण में मौजूद कार्बन मोनोऑक्साइड को भाप के साथ आयरन क्रोमेट उत्प्रेरक की उपस्थिति में अभिक्रिया कराकर डाइहाइड्रोजन का उत्पादन बढ़ाया जा सकता है।

$\mathrm{CO}(\mathrm{g})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) \xrightarrow[\text { catalyst }]{673 \mathrm{~K}} \mathrm{CO_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2}(\mathrm{g})$

इसे वॉटर-गैस शिफ्ट अभिक्रिया कहा जाता है। कार्बन डाइऑक्साइड को सोडियम आर्सेनाइट विलयन से स्क्रबिंग द्वारा हटाया जाता है।

वर्तमान में लगभग 77 % औद्योगिक डाइहाइड्रोजन पेट्रो-रसायनों से, 18 % कोयले से, 4 % जलीय विलयनों के विद्युत-अपघटन से और 1 % अन्य स्रोतों से प्राप्त की जाती है।

9.4 डाइहाइड्रोजन के गुण

9.4.1 भौतिक गुण

डाइहाइड्रोजन एक रंगहीन, गंधहीन, स्वादहीन, दहनशील गैस है। यह वायु से हल्की है और पानी में अघुलनशील है। इसके अन्य भौतिक गुण ड्यूटीरियम के गुणों के साथ तालिका 9.1 में दिए गए हैं।

9.4.2 रासायनिक गुण

डाइहाइड्रोजन का रासायनिक व्यवहार (और वास्तव में किसी भी अणु का) काफी हद तक बंध विघटन एन्थैल्पी द्वारा निर्धारित होता है। $\mathrm{H}-\mathrm{H}$ बंध विघटन एन्थैल्पी किसी भी तत्व के दो परमाणुओं के बीच एकल बंध के लिए सबसे अधिक होती है। आप इस तथ्य से क्या निष्कर्ष निकालेंगे? इसी कारक के कारण डाइहाइड्रोजन का अपने परमाणुओं में विघटन केवल $\sim 0.081 \%$ है लगभग $2000 \mathrm{~K}$ पर, जो $5000 \mathrm{~K}$ पर बढ़कर $95.5 \%$ हो जाता है। साथ ही, यह कमरे के तापमान पर अपेक्षाकृत निष्क्रिय होता है उच्च $\mathrm{H}-\mathrm{H}$ बंध एन्थैल्पी के कारण। इस प्रकार, परमाणुकार हाइड्रोजन उच्च तापमान पर विद्युत चाप या पराबैंगनी विकिरणों के अंतर्गत उत्पन्न होता है। चूँकि इसकी कक्षीय अपूर्ण होती है $1 s^{1}$ इलेक्ट्रॉनिक विन्यास के साथ, यह लगभग सभी तत्वों के साथ संयोजन करता है। यह अभिक्रियाएँ सम्पन्न करता है (i) अकेले इलेक्ट्रॉन के नुकसान से $\mathrm{H}^{+}$ देने के लिए, (ii) एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त कर $\mathrm{H}^{-}$ बनाने के लिए, और (iii) इलेक्ट्रॉनों को साझा कर एकल सहसंयोजी बंध बनाने के लिए।

डाइहाइड्रोजन की रसायन शास्त्र निम्नलिखित अभिक्रियाओं द्वारा दर्शायी जा सकती है:

हैलोजनों के साथ अभिक्रिया: यह हैलोजनों, $\mathrm{X_2}$ के साथ अभिक्रिया कर हाइड्रोजन हैलाइड, $\mathrm{HX}$ देता है, $\mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{X_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{HX}(\mathrm{g}) \quad(\mathrm{X}=\mathrm{F}, \mathrm{Cl}, \mathrm{Br}, \mathrm{I})$

जबकि फ्लोरीन के साथ अभिक्रिया अंधेरे में भी हो जाती है, आयोडीन के साथ इसे उत्प्रेरक की आवश्यकता होती है।

डाइऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया: यह डाइऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया कर जल बनाता है। यह अभिक्रिया अत्यधिक ऊष्माक्षेपी होती है।

$2 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\text { catalyst or heating }} 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$;

$$ \Delta H^{\ominus}=-285.9 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol}^{-1} $$

डाइनाइट्रोजन के साथ अभिक्रिया: डाइनाइट्रोजन के साथ यह अमोनिया बनाता है।

$$ \begin{aligned} & & 3 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{N_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\text { 673K, 200atm }} 2 \mathrm{NH_3}(\mathrm{~g}) ; \\ & & \Delta H^{\ominus}=-92.6 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol}^{-1} \end{aligned} $$

यह हैबर प्रक्रम द्वारा अमोनिया के निर्माण की विधि है।

धातुओं के साथ अभिक्रियाएँ: कई धातुओं के साथ यह उच्च ताप पर संयुक्त होकर संगत हाइड्राइड देता है (अनुभाग 9.5)

$\mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{M}(\mathrm{g}) \rightarrow 2 \mathrm{MH}(\mathrm{s})$

जहाँ $\mathrm{M}$ एक क्षार धातु है

धातु आयनों और धातु ऑक्साइडों के साथ अभिक्रियाएँ: यह जलीय विलयन में कुछ धातु आयनों और धातुओं के ऑक्साइडों (जो लोहे से कम सक्रिय हैं) को संगत धातुओं में अपचयित करता है।

$$ \begin{aligned} & \mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{Pd}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Pd}(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \\ & \mathrm{yH_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{M_\mathrm{x}} \mathrm{O_\mathrm{y}}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{xM}(\mathrm{s})+\mathrm{yH_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \end{aligned} $$

कार्बनिक यौगिकों के साथ अभिक्रियाएँ: यह उत्प्रेरकों की उपस्थिति में अनेक कार्बनिक यौगिकों के साथ अभिक्रिया कर व्यावसायिक दृष्टि से उपयोगी हाइड्रोजनीकृत उत्पाद देता है। उदाहरण के लिए:
(i) सब्जी के तेलों का निकल उत्प्रेरक का उपयोग कर हाइड्रोजनीकरण खाद्य वसा (मार्जरीन और वनस्पति घी) देता है

(ii) ओलिफिनों की हाइड्रोफॉर्मिलेशन से ऐल्डिहाइड प्राप्त होते हैं जो आगे अपचयन से एल्कोहल देते हैं।

$$ \begin{aligned} & \mathrm{H_2}+\mathrm{CO}+\mathrm{RCH}=\mathrm{CH_2} \rightarrow \mathrm{RCH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHO} \\ & \mathrm{H_2}+\mathrm{RCH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHO} \rightarrow \mathrm{RCH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{OH} \end{aligned} $$

प्रश्न 9.1

डाइहाइड्रोजन की अभिक्रियाओं पर टिप्पणी कीजिए (i) क्लोरीन, (ii) सोडियम, और (iii) कॉपर(II) ऑक्साइड के साथ

हल

(i) डाइहाइड्रोजन क्लोरीन को क्लोराइड $\left(\mathrm{Cl}^{-}\right)$आयन में अपचयित करता है और स्वयं $\mathrm{H}^{+}$आयन में क्लोरीन द्वारा ऑक्सीकृत होकर हाइड्रोजन क्लोराइड बनाता है। $\mathrm{H}$ और $\mathrm{Cl}$ के बीच एक इलेक्ट्रॉन युग्म साझा होता है जिससे एक सह-संयोजी अणु बनता है।

(ii) डाइहाइड्रोजन सोडियम द्वारा अपचयित होकर $\mathrm{NaH}$ बनाता है। $\mathrm{Na}$ से $\mathrm{H}$ में एक इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित होता है जिससे एक आयनिक यौगिक, $\mathrm{Na}^{+} \mathrm{H}^{-}$ बनता है।

(iii) डाइहाइड्रोजन कॉपर(II) ऑक्साइड को शून्य ऑक्सीकरण अवस्था वाले कॉपर में अपचयित करता है और स्वयं $\mathrm{H_2} \mathrm{O}$ में ऑक्सीकृत होता है, जो एक सह-संयोजी अणु है।

9.4.3 डाइहाइड्रोजन के उपयोग

• डाइहाइड्रोजन का सबसे बड़ा एकल उपयोग अमोनिया के संश्लेषण में होता है, जिसका उपयोग नाइट्रिक अम्ल और नाइट्रोजनी उर्वरकों के निर्माण में किया जाता है।
• डाइहाइड्रोजन का उपयोग वनस्पति वसा के निर्माण में किया जाता है, जो बहु-असंतृप्त वनस्पति तेलों जैसे सोयाबीन, कपास के बीज आदि के हाइड्रोजनीकरण द्वारा किया जाता है।
• इसका उपयोग थोक कार्बनिक रसायनों, विशेष रूप से मेथेनॉल के निर्माण में किया जाता है।

$$ \mathrm{CO}(\mathrm{g})+2 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow[\text { उत्प्रेरक }]{\text { कोबाल्ट }} \mathrm{CH_3} \mathrm{OH}(\mathrm{l}) $$

• इसका व्यापक रूप से उपयोग धातु हाइड्राइड्स के निर्माण में किया जाता है (अनुभाग 9.5)
• इसका उपयोग हाइड्रोजन क्लोराइड, एक अत्यंत उपयोगी रसायन, की तैयारी के लिए किया जाता है।
• धातुकर्मीय प्रक्रियाओं में, इसका उपयोग भारी धातु ऑक्साइडों को धातुओं में अवशोषित करने के लिए किया जाता है।
• परमाणु हाइड्रोजन और ऑक्सी-हाइड्रोजन टॉर्च काटने और वेल्डिंग उद्देश्यों के लिए उपयोग में लाए जाते हैं। परमाणु हाइड्रोजन परमाणु (जो कि डाइहाइड्रोजन के विघटन से विद्युत चाप की सहायता से उत्पन्न होते हैं) को वेल्ड किए जाने वाले सतह पर पुनः संयोजित होने दिया जाता है ताकि $4000 \mathrm{~K}$ का तापमान उत्पन्न हो सके।
• इसका उपयोग अंतरिक्ष अनुसंधान में रॉकेट ईंधन के रूप में किया जाता है।
• डाइहाइड्रोजन का उपयोग ईंधन कोशिकाओं में विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। इसे पारंपरिक जीवाश्म ईंधनों और विद्युत शक्ति की तुलना में कई फायदे हैं। यह कोई प्रदूषण नहीं उत्पन्न करता है और गैसोलीन और अन्य ईंधनों की तुलना में प्रति इकाई द्रव्यमान अधिक ऊर्जा मुक्त करता है।

9.5 हाइड्राइड्स

डाइहाइड्रोजन, कुछ विशिष्ट अभिक्रिया परिस्थितियों में, नोबल गैसों को छोड़कर लगभग सभी तत्वों के साथ संयोग करके द्वितीयिक यौगिक बनाता है, जिन्हें हाइड्राइड कहा जाता है। यदि ’ $\mathrm{E}$ ’ किसी तत्व का प्रतीक है तो हाइड्राइड को $\mathrm{EH_\mathrm{x}}$ (उदा., $\mathrm{MgH_2}$ ) या $\mathrm{E_\mathrm{m}} \mathrm{H_\mathrm{n}}$ (उदा., $\mathrm{B_2} \mathrm{H_6}$ ) के रूप में व्यक्त किया जा सकता है।

हाइड्राइडों को तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया गया है :

(i) आयनिक या लवणीय या लवणसदृश हाइड्राइड

(ii) सहसंयोजक या आण्विक हाइड्राइड

(iii) धात्विक या असमस्थानिक हाइड्राइड

9.5.1 आयनिक या लवणीय हाइड्राइड

ये डाइहाइड्रोजन के साथ बने समस्थानिक यौगिक होते हैं जो अत्यधिक धनायनस्वभाव वाले s-ब्लॉक के अधिकांश तत्वों के साथ बनते हैं। हालांकि, हल्के धातु हाइड्राइडों जैसे $\mathrm{LiH}, \mathrm{BeH_2}$ और $\mathrm{MgH_2}$ में उल्लेखनीय सहसंयोजक स्वभाव पाया जाता है। वास्तव में $\mathrm{BeH_2}$ और $\mathrm{MgH_2}$ बहुलकीय संरचना वाले होते हैं। आयनिक हाइड्राइड क्रिस्टलीय, अस्वचालित और ठोस अवस्था में विद्युत्-अचालक होते हैं। हालांकि, उनके गलित अवस्था में विद्युत् चालन होता है और विद्युत्-अपघटन पर ऐनोड पर डाइहाइड्रोजन गैस मुक्त होती है, जो $\mathrm{H}^{-}$आयन की उपस्थिति की पुष्टि करता है।

$2 \mathrm{H}^{-}($गलित $) \xrightarrow{\text { ऐनोड }} \mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{e}^{-}$

लवणीय हाइड्राइड जल के साथ प्रचंड रूप से अभिक्रिया कर डाइहाइड्रोजन गैस उत्पन्न करते हैं।

$\mathrm{NaH}(\mathrm{s})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{NaOH}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g})$

लिथियम हाइड्राइड मध्यम तापमान पर $\mathrm{O_2}$ या $\mathrm{Cl_2}$ के साथ काफी कम क्रियाशील होता है। इसलिए इसका उपयोग अन्य उपयोगी हाइड्राइड्स के संश्लेषण में किया जाता है, उदाहरण के लिए,

$$ \begin{aligned} & 8 \mathrm{LiH}+\mathrm{Al_2} \mathrm{Cl_6} \rightarrow 2 \mathrm{LiAlH_4}+6 \mathrm{LiCl} \\ & 2 \mathrm{LiH}+\mathrm{B_2} \mathrm{H_6} \rightarrow 2 \mathrm{LiBH_4} \end{aligned} $$

9.5.2 सहसंयोजक या आणविक हाइड्राइड

डाइहाइड्रोजन अधिकांश $p$-ब्लॉक तत्वों के साथ आणविक यौगिक बनाता है। सबसे परिचित उदाहरण $\mathrm{CH_4}, \mathrm{NH_3}, \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ और $\mathrm{HF}$ हैं। सुविधा के लिए अधातुओं के हाइड्रोजन यौगिकों को भी हाइड्राइड माना गया है। सहसंयोजक होने के कारण ये वाष्पशील यौगिक होते हैं।

आणविक हाइड्राइड्स को आगे उनकी लुइस संरचना में इलेक्ट्रॉनों और बंधुओं की सापेक्ष संख्या के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है:

(i) इलेक्ट्रॉन-अल्प, (ii) इलेक्ट्रॉन-यथातथ्य, और (iii) इलेक्ट्रॉन-अधिक हाइड्राइड्स।

एक इलेक्ट्रॉन-अल्प हाइड्राइड, जैसा कि नाम से स्पष्ट है, इसके पारंपरिक लुइस संरचना को लिखने के लिए पर्याप्त इलेक्ट्रॉन नहीं रखता है। डाइबोरेन $\left(\mathrm{B_2} \mathrm{H_6}\right)$ एक उदाहरण है। वास्तव में समूह 13 के सभी तत्व इलेक्ट्रॉन-अल्प यौगिक बनाएंगे। आप उनके व्यवहार से क्या अपेक्षा करते हैं? वे लुइस अम्लों की तरह कार्य करते हैं अर्थात् इलेक्ट्रॉन ग्राही होते हैं।

इलेक्ट्रॉन-सटीक यौगिकों के पास अपनी पारंपरिक लुइस संरचनाएँ लिखने के लिए आवश्यक संख्या में इलेक्ट्रॉन होते हैं। समूह 14 के सभी तत्व ऐसे यौगिक बनाते हैं (उदाहरण के लिए, $\mathrm{CH_4}$) जो आकृति में चतुष्फलकीय होते हैं।

इलेक्ट्रॉन-समृद्ध हाइड्राइडों में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं जो एकाकी युग्मों के रूप में उपस्थित होते हैं। समूह 15-17 के तत्व ऐसे यौगिक बनाते हैं। $\left(\mathrm{NH_3}\right.$ में 1 एकाकी युग्म है, $\mathrm{H_2} \mathrm{O}$ में 2 और $\mathrm{HF}$ में 3 एकाकी युग्म)। आप ऐसे यौगिकों के व्यवहार से क्या अपेक्षा करते हैं? वे लुइस क्षारक की तरह व्यवहार करेंगे, अर्थात् इलेक्ट्रॉन दाता। हाइड्राइडों में $\mathrm{N}, \mathrm{O}$ और $\mathrm{F}$ जैसे अत्यधिक विद्युतऋणात्मक परमाणुओं पर एकाकी युग्मों की उपस्थिति के परिणामस्वरूप अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंध बनता है। इससे अणुओं का संघटन होता है।

प्रश्न 9.2

क्या आप $\mathrm{N}, \mathrm{O}$ और $\mathrm{F}$ के हाइड्राइडों के क्वथनांक उनके अगले समूह सदस्यों के हाइड्राइडों की तुलना में कम होने की अपेक्षा करेंगे? कारण दीजिए।

हल

$\mathrm{NH_3}$, $\mathrm{H_2} \mathrm{O}$ और $\mathrm{HF}$ के अणुभारों के आधार पर उनके क्वथनांक अगले समूह सदस्यों के हाइड्राइडों की तुलना में कम होने की अपेक्षा की जाती है। हालाँकि, $\mathrm{N}, \mathrm{O}$ और $\mathrm{F}$ की उच्च विद्युतऋणता के कारण उनके हाइड्राइडों में हाइड्रोजन बंधन की मात्रा काफी अधिक होगी। इसलिए $\mathrm{NH_3}, \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ और $\mathrm{HF}$ के क्वथनांक उनके अगले समूह सदस्यों के हाइड्राइडों की तुलना में अधिक होंगे।

9.5.3 धात्वीय या गैर-स्टॉइकियोमेट्रिक (या अंतराल) हाइड्राइड

ये अनेक $d$-ब्लॉक और $f$-ब्लॉक तत्वों द्वारा बनाए जाते हैं। हालांकि, समूह 7, 8 और 9 की धातुएँ हाइड्राइड नहीं बनातीं। यहाँ तक कि समूह 6 से केवल क्रोमियम ही $\mathrm{CrH}$ बनाता है। ये हाइड्राइड ऊष्मा और विद्युत का संचालन करते हैं, यद्यपि उतनी दक्षता से नहीं जितनी उनकी मूल धातुएँ करती हैं। लवणीय हाइड्राइडों के विपरीत, ये लगभग हमेशा गैर-स्टॉइकियोमेट्रिक होते हैं, जिनमें हाइड्रोजन की कमी होती है। उदाहरण के लिए, $\mathrm{LaH_2.87}, \mathrm{YbH_2.55}, \mathrm{TiH_1.5-1.8}, \mathrm{ZrH_1.3-1.75}, \mathrm{VH_0.56}, \mathrm{Nih_0.6-0.7}, \mathrm{PdH_0.6-0.8}$ आदि। ऐसे हाइड्राइडों में स्थिर संघटन का नियम लागू नहीं होता।

पहले यह माना जाता था कि इन हाइड्राइडों में हाइड्रोजन धातु जालक के अंतरालों को घेरता है और इसके प्रकार में कोई परिवर्तन किए बिना विरूपण उत्पन्न करता है। परिणामस्वरूप, इन्हें अंतराल हाइड्राइड कहा गया। हालांकि, हाल के अध्ययनों से पता चला है कि Ni, Pd, Ce और Ac के हाइड्राइडों को छोड़कर, इस वर्ग के अन्य हाइड्राइडों का जालक उनकी मूल धातु से भिन्न होता है। संक्रमण धातुओं पर हाइड्रोजन के अवशोषण की संपत्ति का उपयोग बड़ी संख्या में यौगिकों की तैयारी के लिए उत्प्रेरक अपचयन/हाइड्रोजनीकरण अभिक्रियाओं में व्यापक रूप से किया जाता है। कुछ धातुएँ (जैसे Pd, Pt) हाइड्रोजन की बहुत बड़ी मात्रा को समाहित कर सकती हैं और, इसलिए, इसे भंडारण माध्यम के रूप में उपयोग किया जा सकता है। इस संपत्ति का हाइड्रोजन भंडारण और ऊर्जा के स्रोत के रूप में उच्च संभावना है।

प्रश्न 9.3

क्या फॉस्फोरस, जिसकी बाह्य इलेक्ट्रॉनिक विन्यास $3 s^{2} 3 p^{3}$ है, $\mathrm{PH_5}$ बना सकता है?

हल

यद्यपि फॉस्फोरस +3 और +5 ऑक्सीकरण अवस्थाएँ दिखाता है, वह $\mathrm{PH_5}$ नहीं बना सकता। कुछ अन्य विचारों के अलावा, डाइहाइड्रोजन का उच्च $\Delta_{\mathrm{a}} H$ मान और हाइड्रोजन का $\Delta_{e q} H$ मान, $\mathrm{P}$ की उच्चतम ऑक्सीकरण अवस्था को प्रदर्शित करने के पक्ष में नहीं होता, और परिणामस्वरूप $\mathrm{PH_5}$ का निर्माण नहीं होता।

9.6 जल

सभी जीवित जीवों का एक बड़ा भाग जल से बना होता है। मानव शरीर में लगभग $65 \%$ और कुछ पौधों में $95 \%$ तक जल होता है। यह सभी जीवन रूपों के अस्तित्व के लिए एक महत्वपूर्ण यौगिक है। यह एक महत्वपूर्ण विलायक है। पृथ्वी की सतह पर जल का वितरण समान नहीं है। अनुमानित विश्व जल आपूर्ति Table 9.2 में दी गई है।

Table 9.2 अनुमानित विश्व जल आपूर्ति

9.6.1 जल के भौतिक गुण

यह एक रंगहीन और स्वादहीन द्रव है। इसके भौतिक गुण Table 9.3 में दिए गए हैं, जिनमें भारी जल के भौतिक गुण भी शामिल हैं।

संघनित अवस्था (द्रव और ठोस) में जल के असामान्य गुण जल अणुओं के बीच व्यापक हाइड्रोजन बंधन की उपस्थिति के कारण होते हैं। इससे $\mathrm{H_2} \mathrm{~S}$ और $\mathrm{H_2} \mathrm{Se}$ की तुलना में उच्च हिमांक, उच्च क्वथनांक, उच्च वाष्पीकरण ऊष्मा और उच्च संलयन ऊष्मा प्राप्त होती है। अन्य द्रवों की तुलना में जल में उच्च विशिष्ट ऊष्मा, ऊष्मा चालकता, पृष्ठ तनाव, द्विध्रुव आघूर्ण और परावैद्युत स्थिरांक आदि होते हैं। ये गुण जल को जैवमंडल में एक प्रमुख भूमिका निभाने में सक्षम बनाते हैं।

तालिका 9.3 $\mathrm{H_2} \mathrm{O}$ और $\mathrm{D_2} \mathrm{O}$ के भौतिक गुण

उच्च वाष्पन ऊष्मा और ऊष्मा धारिता जलवायु और जीवित प्राणियों के शरीर के तापमान की मध्यस्थता के लिए उत्तरदायी हैं। यह पादप और पशु चयापचय के लिए आवश्यक आयनों और अणुओं के परिवहन के लिए एक उत्कृष्ट विलायक है। ध्रुवीय अणुओं के साथ हाइड्रोजन बंधन के कारण, यहां तक कि सहसंयोजी यौगिक जैसे अल्कोहल और कार्बोहाइड्रेट भी पानी में घुल जाते हैं।

9.6.2 जल की संरचना

गैसीय प्रावस्था में जल एक वक्र अणु है जिसमें बंधन कोण $104.5^{\circ}$ है, और $\mathrm{O}-\mathrm{H}$ बंधन लंबाई 95.7 pm है जैसा कि चित्र 9.1(a) में दिखाया गया है। यह एक अत्यधिक

ध्रुवीय अणु, (चित्र 9.1(b))। इसकी कक्षीय ओवरलैप की तस्वीर चित्र 9.1(c) में दिखाई गई है। द्रव अवस्था में जल अणु हाइड्रोजन बंधों द्वारा एक-दूसरे से संबद्ध रहते हैं।

जल का क्रिस्टलीय रूप बर्फ है। वायुमंडलीय दाब पर बर्फ षट्कोनी रूप में क्रिस्टलीकृत होती है, परंतु बहुत कम ताप पर यह घनाकार रूप में संघनित होती है। बर्फ का घनत्व जल से कम होता है। इसलिए बर्फ का टुकड़ा जल पर तैरता है। सर्दी के मौसम में झील की सतह पर बनी बर्फ ऊष्मीय इन्सुलेशन प्रदान करती है जिससे जलीय जीवन की उत्तरजीविता सुनिश्चित होती है। यह तथ्य पारिस्थितिक दृष्टि से बहुत महत्वपूर्ण है।

9.6.3 बर्फ की संरचना

बर्फ में अत्यंत क्रमबद्ध त्रि-आयामी हाइड्रोजन-बंधित संरचना होती है जैसा कि चित्र 9.2 में दिखाया गया है। बर्फ के क्रिस्टलों का

एक्स-रे से परीक्षण दर्शाता है कि प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु चार अन्य ऑक्सीजन परमाणुओं द्वारा चतुष्फलकीय रूप से घिरा होता है, $276 \mathrm{pm}$ की दूरी पर।

हाइड्रोजन बंधिंग बर्फ को अपेक्षाकृत खुली संरचना देता है जिसमें चौड़े छिद्र होते हैं। ये छिद्र उपयुक्त आकार के कुछ अन्य अणुओं को अंतरस्थ रूप से रख सकते हैं।

9.6.4 जल के रासायनिक गुण

जल बहुत सी सामग्रियों के साथ अभिक्रिया करता है। कुछ महत्वपूर्ण अभिक्रियाएँ नीचे दी गई हैं।

(1) उभयधर्मी प्रकृति: इसमें अम्ल के रूप में तथा क्षार के रूप में कार्य करने की क्षमता होती है, अर्थात् यह एक उभयधर्मी पदार्थ के समान व्यवहार करता है। ब्रॉन्स्टेड की दृष्टि से यह (\mathrm{NH_3}) के साथ अम्ल तथा (\mathrm{H_2} \mathrm{~S}) के साथ क्षार के रूप में कार्य करता है।

$$ \begin{array}{lll} \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{NH_3}(\mathrm{aq}) \rightarrow& \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{NH_4}^{+}(\mathrm{aq}) \\ \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{H_2} \mathrm{~S}(\mathrm{aq}) \rightarrow & \mathrm{H_3} \mathrm{O}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{HS}^{-}(\mathrm{aq}) \end{array} $$

जल का स्व-प्रोटोनीकरण (स्व-आयनन) इस प्रकार होता है:

$$ \begin{aligned} & \underset{ \substack {\text{अम्ल -1} \\ \text{(अम्ल)} }}{\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})} + \underset{\substack {\text{क्षार -1} \\ \text{(क्षार)} }}{\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow} \quad \underset{\substack{\text{अम्ल-2} \\ \text{(संयुग्मी अम्ल)}}}{\mathrm{H_3} \mathrm{O}^{+}(\mathrm{aq})}+ \underset{\substack{\text{क्षार -1 }\\ \text{(संयुग्मी क्षार)}}}{\mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})} \\ \end{aligned} $$

(2) जल से सम्बन्धित रेडॉक्स अभिक्रियाएँ: अत्यधिक धनात्मक धातुओं द्वारा जल को सरलता से डाइहाइड्रोजन में अपचयित किया जा सकता है।

$$ 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+2 \mathrm{Na}(\mathrm{s}) \rightarrow 2 \mathrm{NaOH}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) $$

इस प्रकार, यह डाइहाइड्रोजन का एक उत्कृष्ट स्रोत है।

प्रकाश-संश्लेषण के दौरान जल को (\mathrm{O_2}) में ऑक्सीकृत किया जाता है।

$6 \mathrm{CO_2}(\mathrm{~g})+12 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}(\mathrm{aq})+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) +6 \mathrm{O_2}(\mathrm{~g})$

फ्लोरीन के साथ भी यह ऑक्सीकृत होकर $\mathrm{O_2}$ बनाता है।

$2 \mathrm{~F_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 4 \mathrm{H}^{+}$(aq) $+4 \mathrm{~F}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g})$

(3) जलअपघटन अभिक्रिया: उच्च डाइलेक्ट्रिक स्थिरांक के कारण इसमें बहुत प्रबल जलयोजी प्रवृत्ति होती है। यह अनेक आयनिक यौगिकों को विलेय बना देता है। तथापि, कुछ सहसंयोजी तथा कुछ आयनिक यौगिक जल में जलअपघटित होते हैं।

$\mathrm{P_4} \mathrm{O_10}(\mathrm{~s})+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(1) \rightarrow 4 \mathrm{H_3} \mathrm{PO_4}(\mathrm{aq})$

$\mathrm{SiCl_4}(\mathrm{l})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{SiO_2}(\mathrm{~s})+4 \mathrm{HCl}(\mathrm{aq})$

$$ \mathrm{N}^{3-}(\mathrm{s})+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{NH_3}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) $$

(4) हाइड्रेट बनना: जलीय विलयनों से अनेक लवण हाइड्रेटेड लवण के रूप में क्रिस्टलित किए जा सकते हैं। जल का ऐसा संगठन विभिन्न प्रकार का होता है, जैसे-

(i) समन्वित जल उदा.,

$\left[\mathrm{Cr}\left(\mathrm{H_2} \mathrm{O}\right)_{6}\right]^{3+} 3 \mathrm{Cl}^{-}$

(ii) अंतरा-स्थित जल उदा., $\mathrm{BaCl_2} \cdot 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$

(iii) हाइड्रोजन-बंधित जल उदा.,

$$ \left[\mathrm{Cu}\left(\mathrm{H_2} \mathrm{O}\right)_{4}\right]^{2+} \mathrm{SO_4}^{2-} \cdot \mathrm{H_2} \mathrm{O} \text { in } \mathrm{CuSO_4} \cdot 5 \mathrm{H_2} \mathrm{O} $$

प्रश्न 9.4

$\mathrm{CuSO_4} \cdot 5 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ में कितने जल-अणु हाइड्रोजन-बंध द्वारा संबद्ध हैं?

हल

केवल एक जल-अणु, जो कोष्ठकों (समन्वय क्षेत्र) के बाहर है, हाइड्रोजन-बंध द्वारा संबद्ध है। शेष चार जल-अणु समन्वित हैं।

9.6.5 कठोर तथा मृदु जल

वर्षा जल लगभग शुद्ध होता है (इसमें वायुमंडल से घुले कुछ गैसें हो सकती हैं)। एक अच्छा विलायक होने के कारण जब यह पृथ्वी की सतह पर बहता है तो अनेक लवण घो लेता है। जल में कैल्शियम और मैग्नीशियम लवणों—हाइड्रोजनकार्बोनेट, क्लोराइड और सल्फेट के रूप में—की उपस्थिति जल को ‘कठोर’ बना देती है। कठोर जल साबुन से झाग नहीं देता। कैल्शियम और मैग्नीशियम के घुलनशील लवणों से रहित जल को मृदु जल कहा जाता है; यह साबुन से आसानी से झाग देता है।

कठोर जल साबुन के साथ स्कम/अवक्षेप बनाता है। सोडियम स्टीयरेट युक्त साबुन $\left(\mathrm{C_{17}} \mathrm{H_{35}} \mathrm{COONa}\right)$ कठोर जल से अभिक्रिया कर $\mathrm{Ca} / \mathrm{Mg}$ स्टीयरेट को अवक्षेपित कर देता है।

$2 \mathrm{C_{17}} \mathrm{H_{35}} \mathrm{COONa}(\mathrm{aq})+\mathrm{M}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow$

$\left(\mathrm{C_{17}} \mathrm{H_{35}} \mathrm{COO}\right)_{2} \mathrm{M} \downarrow+2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq}) ; \mathrm{M}$ is $\mathrm{Ca} / \mathrm{Mg}$

इसलिए यह कपड़े धोने के लिए अनुपयुक्त है। यह बॉयलरों के लिए भी हानिकारक है, क्योंकि इसमें लवणों का अवक्षेप स्केल के रूप में होता है। इससे बॉयलर की दक्षता घट जाती है। जल की कठोरता दो प्रकार की होती है: (i) अस्थायी कठोरता, और (ii) स्थायी कठोरता।

9.6.6 अस्थायी कठोरता

अस्थायी कठोरता मैग्नीशियम और कैल्शियम हाइड्रोजनकार्बोनेट्स की उपस्थिति के कारण होती है। इसे निम्नलिखित विधियों द्वारा दूर किया जा सकता है:

(i) उबालना: उबालने के दौरान, घुलनशील $\mathrm{Mg} (\mathrm{HCO_3} )_2$ अघुलनशील $\mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_2$ में परिवर्तित हो जाता है और $\mathrm{Ca} \left(\mathrm{HCO_3} \right)_2$ अघुलनशील $\mathrm{CaCO_3}$ में बदल जाता है। यह $\mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_2$ की $\mathrm{MgCO_3}$ की तुलना में उच्च विलेयता गुणनफल के कारण है, कि $\mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_2$ अवक्षेपित होता है। इन अवक्षेपों को छानकर हटाया जा सकता है। इस प्रकार प्राप्त छननादि मृदु जल होगा।

$$ \begin{aligned} & \mathrm{Mg}\left(\mathrm{HCO_3}\right)_2 \xrightarrow{\text { Heating }} \mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_2 \downarrow+2 \mathrm{CO_2} \uparrow \\ & \mathrm{Ca}\left(\mathrm{HCO_3}\right)_2 \xrightarrow{\text { Heating }} \mathrm{CaCO_3} \downarrow+\mathrm{H_2} \mathrm{O}+\mathrm{CO_2} \uparrow \end{aligned} $$

(ii) क्लार्क की विधि: इस विधि में कठोर जल में चूने की गणनात्मक मात्रा मिलाई जाती है। यह कैल्शियम कार्बोनेट और मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड को अवक्षेपित कर देता है जिसे छानकर अलग किया जा सकता है।

$$ \begin{aligned} \mathrm{Ca} \left(\mathrm{HCO_3} \right)_2+\mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_2 & \rightarrow 2 \mathrm{CaCO_3} \downarrow+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \end{aligned} $$

$$ \begin{aligned} \mathrm{Mg} \left(\mathrm{HCO_3} \right)_2+2 \mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_2 & \rightarrow 2 \mathrm{CaCO_3} \downarrow + \mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_2 \downarrow+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}\\ \end{aligned} $$

9.6.7 स्थायी कठोरता

यह पानी में मैग्नीशियम और कैल्शियम के क्लोराइड और सल्फेट के रूप में घुलनशील लवणों की उपस्थिति के कारण होती है। स्थायी कठोरता उबालने से दूर नहीं होती। इसे निम्नलिखित विधियों द्वारा दूर किया जा सकता है:

(i) वॉशिंग सोडा (सोडियम कार्बोनेट) के साथ उपचार: वॉशिंग सोडा कठोर पानी में घुलनशील कैल्शियम और मैग्नीशियम क्लोराइडों और सल्फेटों के साथ अभिक्रिया करके अघुलनशील कार्बोनेट बनाती है।

$$ \begin{aligned} \mathrm{MCl_2}+\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3} \rightarrow \mathrm{MCO_3} \downarrow+ & 2 \mathrm{NaCl} \\ & (\mathrm{M}=\mathrm{Mg}, \mathrm{Ca}) \\ \mathrm{MSO_4}+\mathrm{Na_2} \mathrm{CO_3} \rightarrow \mathrm{MCO_3} \downarrow+ & \mathrm{Na_2} \mathrm{SO_4} \end{aligned} $$

(ii) कैलगॉन विधि: सोडियम हेक्सामेटाफॉस्फेट $\left(\mathrm{Na_6} \mathrm{P_6} \mathrm{O_18}\right)$, जिसे व्यावसायिक रूप से ‘कैलगॉन’ कहा जाता है, जब कठोर पानी में मिलाया जाता है, तो निम्नलिखित अभिक्रियाएँ होती हैं। $\mathrm{Na_6} \mathrm{P_6} \mathrm{O_18} \rightarrow 2 \mathrm{Na}^{+}+\mathrm{Na_4} \mathrm{P_6} \mathrm{O_18}^{2-}$

$$ (\mathrm{M}=\mathrm{Mg}, \mathrm{Ca}) $$

$\mathrm{M}^{2+}+\mathrm{Na_4} \mathrm{P_6} \mathrm{O_18}^{2-} \rightarrow\left[\mathrm{Na_2} \mathrm{MP_6} \mathrm{O_18}\right]^{2-}+2 \mathrm{Na}^{+}$

कॉम्प्लेक्स ऋणायन $\mathrm{Mg}^{2+}$ और $\mathrm{Ca}^{2+}$ आयनों को विलयन में बनाए रखता है।

(iii) आयन-विनिमय विधि: इस विधि को ज़ीलोलाइट/परम्यूटाइट प्रक्रम भी कहा जाता है। हाइड्रेटेड सोडियम एल्युमिनियम सिलिकेट ज़ीलोलाइट/परम्यूटाइट होता है। सरलता के लिए, सोडियम एल्युमिनियम सिलिकेट $\left(\mathrm{NaAlSiO_4}\right)$ को $\mathrm{NaZ}$ लिखा जा सकता है। जब इसे कठोर जल में मिलाया जाता है, तो विनिमय अभिक्रियाएँ होती हैं।

$$ \begin{array}{r} 2 \mathrm{NaZ}(\mathrm{s})+\mathrm{M}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{MZ_2}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq}) \ (\mathrm{M}=\mathrm{Mg}, \mathrm{Ca}) \end{array} $$

जब परम्यूटाइट/ज़ीलोलाइट में सारा सोडियम समाप्त हो जाता है, तो इसे समाप्त कहा जाता है। इसे आगे उपयोग के लिए जलीय सोडियम क्लोराइड विलयन के साथ उपचारित कर पुनर्जीवित किया जाता है।

$\mathrm{MZ_2}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{NaCl}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{NaZ}(\mathrm{s})+\mathrm{MCl_2}(\mathrm{aq})$

(iv) सिंथेटिक रेजिन विधि: आजकल कठोर जल को सिंथेटिक कैटायन एक्सचेंजरों का उपयोग करके नरम किया जाता है। यह विधि ज़ियोलाइट प्रक्रिया से अधिक कुशल है। कैटायन एक्सचेंज रेजिन में - $\mathrm{SO_3} \mathrm{H}$ समूह वाले बड़े कार्बनिक अणु होते हैं और ये जल में अघुलनशील होते हैं। आयन एक्सचेंज रेजिन $\left(\mathrm{RSO_3} \mathrm{H}\right)$ को $\mathrm{NaCl}$ के साथ उपचारित करके $\mathrm{RNa}$ में बदला जाता है। रेजिन कठोर जल में उपस्थित $\mathrm{Ca}^{2+}$ और $\mathrm{Mg}^{2+}$ आयनों के साथ $\mathrm{Na}^{+}$आयनों का आदान-प्रदान करता है ताकि जल को नरम बनाया जा सके। यहाँ $\mathrm{R}$ रेजिन ऐनायन है।

$2 \mathrm{RNa}(\mathrm{s})+\mathrm{M}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{R_2} \mathrm{M}(\mathrm{s})+2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})$

रेजिन को जलीय $\mathrm{NaCl}$ विलयन डालकर पुनः उत्पन्न किया जा सकता है।

शुद्ध डिमिनरलाइज़्ड (डिआयनाइज़्ड) जल, जो सभी घुलनशील खनिज लवणों से मुक्त हो, को क्रमशः कैटायन एक्सचेंज ($\mathrm{H}^{+}$ रूप में) और ऐनायन एक्सचेंज ($\mathrm{OH}^{-}$ रूप में) रेजिनों के माध्यम से प्रवाहित करके प्राप्त किया जाता है:

$$ 2 \mathrm{RH}(\mathrm{s})+\mathrm{M}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \quad \mathrm{MR_2}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) $$

इस कैटायन एक्सचेंज प्रक्रिया में, $\mathrm{H}^{+}$ जल में उपस्थित $\mathrm{Na}^{+}, \mathrm{Ca}^{2+}, \mathrm{Mg}^{2+}$ और अन्य कैटायनों के लिए आदान-प्रदान करता है। यह प्रक्रिया प्रोटॉन मुक्त करती है और इस प्रकार जल को अम्लीय बना देती है। ऐनायन एक्सचेंज प्रक्रिया में:

$$ \begin{array}{rr} \mathrm{RNH_2}(\mathrm{~s})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \quad \mathrm{RNH_3}^{+} \cdot \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{s}) \ \mathrm{RNH_3}^{+} \cdot \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{s})+\mathrm{X}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \quad \mathrm{RNH_3}^{+} \cdot \mathrm{X}^{-}(\mathrm{s}) +\mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \ \end{array} $$

$\mathrm{OH}^{-}$ जल में उपस्थित $\mathrm{Cl}^{-}, \mathrm{HCO_3}^{-}, \mathrm{SO_4}^{2-}$ आदि जैसे ऋणायनों के साथ विनिमय करता है। इस प्रकार मुक्त हुए $\mathrm{OH}^{-}$ आयन कैटायन विनिमय में मुक्त हुए $\mathrm{H}^{+}$ आयनों को उदासीन करते हैं।

$$ \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) $$

थके हुए कैटायन और ऐनायन विनिमय रेजिन बिस्तरों को क्रमशः तनु अम्ल और क्षार विलयनों से उपचारित कर पुनर्जीवित किया जाता है।

9.7 हाइड्रोजन पेरोक्साइड $\left(\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}\right)$

हाइड्रोजन पेरोक्साइड एक महत्वपूर्ण रसायन है जिसका उपयोग घरेलू और औद्योगिक अपशिष्टों के प्रदूषण नियंत्रण उपचार में होता है।

9.7.1 निर्माण

इसे निम्नलिखित विधियों द्वारा तैयार किया जा सकता है।

(i) बेरियम पेरोक्साइड को अम्लीय बनाना और घटित दबाव में वाष्पन द्वारा अतिरिक्त जल को हटाना हाइड्रोजन पेरोक्साइड देता है।

$$ \begin{array}{r} \mathrm{BaO_2} \cdot 8 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{BaSO_4}(\mathrm{~s})+ \mathrm{H_2} \mathrm{O_2}(\mathrm{aq})+8 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \end{array} $$

(ii) पेरॉक्सोडाइसल्फेट, जो अम्लित सल्फेट विलयनों की उच्च धारा घनत्व पर विद्युत-अपघटनीय ऑक्सीकरण द्वारा प्राप्त किया जाता है, जलअपघटन पर हाइड्रोजन पेरॉक्साइड देता है।

$$ \begin{aligned} & 2 \mathrm{HSO_4}^{-}(\mathrm{aq}) \xrightarrow{\text { Electrolysis }} \mathrm{HO_3} \mathrm{SOOSO_3} \mathrm{H}(\mathrm{aq}) \\ & \xrightarrow{\text { Hydrolysis }} 2 \mathrm{HSO_4}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}(\mathrm{aq}) \end{aligned} $$

इस विधि का उपयोग अब प्रयोगशाला में $\mathrm{D_2} \mathrm{O_2}$ की तैयारी के लिए किया जाता है।

$$ \mathrm{K_2} \mathrm{~S_2} \mathrm{O_8}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{D_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{KDSO_4}(\mathrm{aq})+\mathrm{D_2} \mathrm{O_2}(\mathrm{l}) $$

(iii) औद्योगिक रूप से इसे 2-अल्किलऐन्थ्राक्विनॉल्स के स्व-ऑक्सीकरण द्वारा तैयार किया जाता है।

$ \begin{aligned} \text{ 2- ethylanthraquinol }\underset{\mathrm{H_2} / \mathrm{Pd}}{\stackrel{\mathrm{O_2} \text{ (air) }}{\rightleftarrows}} \mathrm{H_2} \mathrm{O_2}+ \\ & \text{(oxidised product)} \end{aligned} $

इस स्थिति में $1 \% \mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ बनता है। इसे जल से निकाला जाता है और घटित दाब पर आसवन द्वारा $\sim 30 \%$ (द्रव्यमान द्वारा) तक सान्द्रित किया जाता है। इसे सावधानीपूर्वक निम्न दाब पर आसवन द्वारा $\sim 85 \%$ तक और सान्द्रित किया जा सकता है। शेष जल को जमा देकर शुद्ध $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ प्राप्त किया जा सकता है।

9.7.2 भौतिक गुणधर्म

शुद्ध अवस्था में $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ लगभग बिना रंग का (बहुत हल्का नीला) द्रव होता है। इसकी महत्वपूर्ण भौतिक गुणधर्मों को तालिका 9.4 में दिया गया है।

$\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ जल के साथ सभी अनुपातों में मिश्रणीय है और एक हाइड्रेट $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2} \cdot \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ (गलनांक 221K) बनाता है। $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ का 30\% विलयन ‘100 volume’ हाइड्रोजन परॉक्साइड के रूप में बाज़ार में उपलब्ध है। इसका अर्थ है कि 30\% $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ विलयन का एक मिलीलीटर STP पर 100 mL ऑक्सीजन देगा। व्यावसायिक रूप से बेचा जाने वाला नमूना 10 V होता है, जिसका अर्थ है कि नमूने में 3\% $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ है।

प्रश्न 9.5

हाइड्रोजन परॉक्साइड के 10 volume विलयन की सांद्रता की गणना कीजिए।

हल

$\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ का 10 volume विलयन इस बात को दर्शाता है कि इस $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ विलयन के 1 L से STP पर 10 L ऑक्सीजन प्राप्त होगी

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

$234 \mathrm{~g} \quad 22.7 \mathrm{~L}$ STP पर

$68 \mathrm{~g}$

उपरोक्त समीकरण के आधार पर STP पर $22.7 \mathrm{~L}$ $\mathrm{O_2}$ का निर्माण $68 \mathrm{~g}$ $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ से होता है

STP पर $10 \mathrm{~L}$ $\mathrm{O_2}$ का निर्माण

$$ \frac{6810}{22.7} \mathrm{~g}=29.9 \mathrm{~g} \quad 30 \mathrm{~g} \mathrm{H_2} \mathrm{O_2} $$

इसलिए, 10 आयतन $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ विलयन में $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ की सामर्थ्य $=30 \mathrm{~g} / \mathrm{L}=3 \% \mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ विलयन

तालिका 9.4 हाइड्रोजन पेरोक्साइड के भौतिक गुण

9.7.3 संरचना

हाइड्रोजन पेरोक्साइड की संरचना समतलीय नहीं होती है। गैसीय और ठोस अवस्था में आण्विक माप आकृति 9.3 में दिखाए गए हैं

9.7.4 रासायनिक गुण

यह अम्लीय और क्षारीय दोनों माध्यमों में ऑक्सीकारक तथा अपचायक दोनों के रूप में कार्य करता है। सरल अभिक्रियाएँ नीचे दी गई हैं।

(i) अम्लीय माध्यम में ऑक्सीकारक क्रिया

(ii) अम्लीय माध्यम में अपचायक क्रिया

$$ \begin{aligned} & 2 \mathrm{MnO_4}^{-}+6 \mathrm{H}^{+}+5 \mathrm{H_2} \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{Mn}^{2+}+8 \mathrm{H_2} \mathrm{O}+5 \mathrm{O_2} \ & \mathrm{HOCl}+\mathrm{H_2} \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{H_3} \mathrm{O}^{+}+\mathrm{Cl}^{-}+\mathrm{O_2} \end{aligned} $$

(iii) क्षारीय माध्यम में ऑक्सीकारक क्रिया

$$ \begin{aligned} & 2 \mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{H_2} \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{Fe}^{3+}+2 \mathrm{OH}^{-} \ & \mathrm{Mn}^{2+}+\mathrm{H_2} \mathrm{O_2} \rightarrow \mathrm{Mn}^{4+}+2 \mathrm{OH}^{-} \end{aligned} $$

(iv) क्षारीय माध्यम में अपचायक क्रिया

$$ \begin{aligned} & \mathrm{I_2}+\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}+2 \mathrm{OH}^{-} \rightarrow 2 \mathrm{I}^{-}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}+\mathrm{O_2} \ & 2 \mathrm{MnO_4}^{-}+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O_2} \rightarrow 2 \mathrm{MnO_2}+3 \mathrm{O_2}+ 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}+2 \mathrm{OH}^{-} \end{aligned} $$

9.7.5 संग्रहण

$\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ प्रकाश के संपर्क में आने पर धीरे-धीरे अपघटित हो जाता है।

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

धातु की सतहों या काँच के बर्तनों में मौजूद क्षार के अंशों की उपस्थिति में, उपरोक्त अभिक्रिया उत्प्रेरित होती है। इसलिए इसे मोम से लाइन किए गए काँच या प्लास्टिक के बर्तनों में अंधेरे में संग्रहित किया जाता है। स्थिरीकरण के लिए यूरिया मिलाया जा सकता है। इसे धूल से दूर रखा जाता है क्योंकि धूल इस यौगिक के विस्फोटक वियोजन को उत्पन्न कर सकती है।

9.7.6 उपयोग

इसके व्यापक स्तर पर उपयोग ने $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ के औद्योगिक उत्पादन में भारी वृद्धि कर दी है। इसके कुछ उपयोग नीचे सूचीबद्ध हैं:

(i) दैनिक जीवन में इसे बालों की ब्लीच और हल्के डिसइन्फेक्टेंट के रूप में उपयोग किया जाता है। एक एंटीसेप्टिक के रूप में इसे बाजार में परहाइड्रोल के नाम से बेचा जाता है।

(ii) इसका उपयोग सोडियम परबोरेट और पर-कार्बोनेट जैसे रसायनों के निर्माण के लिए किया जाता है, जो उच्च गुणवत्ता वाले डिटर्जेंटों में उपयोग होते हैं।

(iii) इसका उपयोग हाइड्रोक्विनोन, टारटरिक अम्ल और कुछ खाद्य उत्पादों तथा फार्मास्यूटिकल्स (सेफैलोस्पोरिन) आदि के संश्लेषण में किया जाता है।

(iv) इसे उद्योगों में टेक्सटाइल, कागज के लुगदी, चमड़े, तेलों, वसा आदि के लिए ब्लीचिंग एजेंट के रूप में नियोजित किया जाता है।

(v) आजकल इसका उपयोग पर्यावरणीय (हरित) रसायन में भी किया जाता है। उदाहरण के लिए, घरेलू और औद्योगिक अपशिष्टों के प्रदूषण नियंत्रण उपचार में, सायनाइडों के ऑक्सीकरण में, सीवेज अपशिष्टों में एरोबिक परिस्थितियों की बहाली आदि में।

9.8 भारी जल, $\mathrm{D_2} \mathrm{O}$

इसका व्यापक रूप से परमाणु रिएक्टरों में मॉडरेटर के रूप में और अभिक्रिया तंत्रों के अध्ययन के लिए विनिमय अभिक्रियाओं में उपयोग किया जाता है। इसे जल का व्यापक विद्युत-अपघटन करके या कुछ उर्वरक उद्योगों में उप-उत्पाद के रूप में तैयार किया जा सकता है। इसकी भौतिक गुणधर्माएँ सारणी 9.3 में दी गई हैं। इसका उपयोग अन्य ड्यूटेरियम यौगिकों की तैयारी के लिए किया जाता है, उदाहरण के लिए:

$$ \begin{aligned} & \mathrm{CaC_2}+2 \mathrm{D_2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{C_2} \mathrm{D_2}+\mathrm{Ca}(\mathrm{OD})_2 \\ & \mathrm{SO_3}+\mathrm{D_2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{D_2} \mathrm{SO_4} \\ & \mathrm{Al_4} \mathrm{C_3}+12 \mathrm{D_2} \mathrm{O} \rightarrow 3 \mathrm{CD_4}+4 \mathrm{Al}(\mathrm{OD})_3 \end{aligned} $$

9.9 ईंधन के रूप में डाइहाइड्रोजन

डाइहाइड्रोजन दहन पर बड़ी मात्रा में ऊष्मा मुक्त करता है। डाइहाइड्रोजन, मीथेन, LPG आदि जैसे ईंधनों के दहन से मुक्त ऊर्जा के आंकड़ों की तुलना मोल, द्रव्यमान और आयतन की समान मात्राओं के संदर्भ में की जाती है, जो सारणी 9.5 में दिखाए गए हैं।

इस सारणी से यह स्पष्ट है कि द्रव्यमान के आधार पर डाइहाइड्रोजन पेट्रोल की तुलना में अधिक ऊर्जा मुक्त कर सकता है (लगभग तीन गुना)। इसके अतिरिक्त, डाइहाइड्रोजन के दहन में उत्पन्न प्रदूषक पेट्रोल की तुलना में कम होंगे। एकमात्र प्रदूषक डाइनाइट्रोजन के ऑक्साइड होंगे (डाइहाइड्रोजन के साथ डाइनाइट्रोजन के अशुद्धि के रूप में उपस्थित होने के कारण)। यह, निश्चित रूप से, सिलेंडर में थोड़ी मात्रा में पानी डालकर तापमान को कम करके न्यूनतम किया जा सकता है ताकि डाइनाइट्रोजन और डाइऑक्सीजन के बीच अभिक्रिया न हो। हालांकि, डाइहाइड्रोजन को रखे जाने वाले कंटेनरों के द्रव्यमान पर भी विचार किया जाना चाहिए। संपीड़ित डाइहाइड्रोजन का एक सिलेंडर उसी मात्रा की ऊर्जा वाले पेट्रोल के टैंक की तुलना में लगभग 30 गुना अधिक भारी होता है। साथ ही, डाइहाइड्रोजन गैस को $20 \mathrm{~K}$ तक ठंडा करके द्रव अवस्था में परिवर्तित किया जाता है। इसके लिए महंगे इन्सुलेटेड टैंकों की आवश्यकता होगी। $\mathrm{NaNi_5}$, $\mathrm{Ti}-\mathrm{TiH_2}$, $\mathrm{Mg}-\mathrm{MgH_2}$ आदि धातु मिश्रधातु के टैंक छोटी मात्रा में डाइहाइड्रोजन के भंडारण के लिए उपयोग में लाए जाते हैं। इन सीमाओं ने शोधकर्ताओं को डाइहाइड्रोजन को कुशल तरीके से उपयोग करने के लिए वैकल्पिक तकनीकों की खोज करने के लिए प्रेरित किया है।

इस दृष्टिकोण में हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था एक विकल्प है। हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था का मूलभूत सिद्धांत ऊर्जा को द्रव या गैसीय डाइहाइड्रोजन के रूप में परिवहन और भंडारण करना है। हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था का लाभ यह है कि ऊर्जा विद्युत शक्ति के रूप में नहीं बल्कि डाइहाइड्रोजन के रूप में प्रेषित की जाती है। भारत के इतिहास में पहली बार अक्टूबर 2005 में डाइहाइड्रोजन को ईंधन के रूप में उपयोग करते हुए एक पायलट प्रोजेक्ट शुरू किया गया था जिसमें ऑटोमोबाइल चलाए गए। प्रारंभ में चार-पहिया वाहनों में उपयोग के लिए CNG में 5% डाइहाइड्रोजन मिलाया गया है। डाइहाइड्रोजन का प्रतिशत धीरे-धीरे बढ़ाकर इष्टतम स्तर तक पहुँचाया जाएगा।

आजकल इसका उपयोग विद्युत शक्ति उत्पन्न करने के लिए ईंधन सेलों में भी किया जाता है। यह अपेक्षा की जाती है कि आने वाले वर्षों में डाइहाइड्रोजन के आर्थिक रूप से व्यवहार्य और सुरक्षित स्रोतों की पहचान की जाएगी, ताकि इसे ऊर्जा के सामान्य स्रोत के रूप में उपयोग किया जा सके।

तालिका 9.5 विभिन्न ईंधनों के दहन से मोल, द्रव्यमान और आयतन में मुक्त ऊर्जा

सारांश

हाइड्रोजन सबसे हल्का परमाणु है जिसमें केवल एक इलेक्ट्रॉन होता है। इस इलेक्ट्रॉन के नष्ट होने से एक मूलभूत कण, प्रोटॉन, बनता है। इस प्रकार यह अपने स्वभाव में अद्वितीय है। इसके तीन समस्थानिक हैं, अर्थात् : प्रोटियम $\left( _1^1 \mathrm{H}\right)$, ड्यूटेरियम (D या $\left. _1^2 \mathrm{H}\right)$ और ट्राइटियम $\left(\mathrm{T}\right.$ या $\left. _1^3 \mathrm{H}\right)$। इन तीनों में से केवल ट्राइटियम ही रेडियोधर्मी है। क्षारीय धातुओं और हैलोजन दोनों से इसकी समानता होने के बावजूद, यह अपने अनोखे गुणों के कारण आवर्त सारणी में एक पृथक स्थान रखता है।

हाइड्रोजन ब्रह्मांड में सर्वाधिक प्रचुर तत्व है। मुक्त अवस्था में यह पृथ्वी के वायुमंडल में लगभग पाया ही नहीं जाता। तथापि, संयुक्त अवस्था में यह पृथ्वी की सतह पर तीसरा सबसे प्रचुर तत्व है।

औद्योगिक पैमाने पर डाइहाइड्रोजन पेट्रोरसायनों से वॉटर-गैस शिफ्ट अभिक्रिया द्वारा तैयार किया जाता है। यह ब्राइन के विद्युत-अपघटन के उप-उत्पाद के रूप में प्राप्त होता है।

डाइहाइड्रोजन की $\mathrm{H}-\mathrm{H}$ बंध विघटन एन्थैल्पी $\left(435.88 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol}^{-1}\right)$ किसी भी तत्व के दो परमाणुओं के बीच एकल बंध के लिए सबसे अधिक है। इस गुण का उपयोग परमाणु हाइड्रोजन टॉर्च में किया जाता है जो $\sim 4000 \mathrm{~K}$ तापमान उत्पन्न करता है और उच्च गलनांक धातुओं की वेल्डिंग के लिए आदर्श है।

हालांकि डाइहाइड्रोजन कमरे के ताप पर बहुत अधिक नकारात्मक विघटन एन्थैल्पी के कारण काफी निष्क्रिय होता है, यह उपयुक्त परिस्थितियों में लगभग सभी तत्वों के साथ मिलकर हाइड्राइड बनाता है। सभी प्रकार के हाइड्राइडों को तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: आयनिक या लवण हाइड्राइड, सहसंयोजी या आण्विक हाइड्राइड और धात्विक या अ-रासायनिक हाइड्राइड। क्षार धातु हाइड्राइड अन्य हाइड्राइड यौगिकों को तैयार करने के लिए अच्छे अभिकारक होते हैं। आण्विक हाइड्राइड (उदाहरण के लिए, $\mathrm{B_2} \mathrm{H_6}, \mathrm{CH_4}, \mathrm{NH_3}, \mathrm{H_2} \mathrm{O}$) दैनिक जीवन में बहुत महत्वपूर्ण हैं। धात्विक हाइड्राइड डाइहाइड्रोजन की अत्यधिक शुद्धता और डाइहाइड्रोजन भंडारण माध्यम के रूप में उपयोगी होते हैं।

डाइहाइड्रोजन की अन्य रासायनिक अभिक्रियाओं में, हाइड्रोजन हैलाइड, पानी, अमोनिया, मेथानॉल, वनस्पति घी आदि के निर्माण की ओर ले जाने वाली अपचयन अभिक्रियाएं बहुत महत्वपूर्ण हैं। धातुकर्म प्रक्रिया में, इसका उपयोग धातु ऑक्साइडों को अपचित करने के लिए किया जाता है। अंतरिक्ष कार्यक्रमों में, इसे रॉकेट ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है। वास्तव में, इसका उपयोग निकट भविष्य के गैर-प्रदूषणकारी ईंधन के रूप में होने का आशाजनक संभावित क्षमता है (हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था)।

पानी सबसे सामान्य और प्रचुरता से उपलब्ध पदार्थ है। यह महत्वपूर्ण रासायनिक और जैविक महत्व का है। पानी के आसानी से द्रव से ठोस और फिर गैसीय अवस्था में बदलने की क्षमता इसे जैवमंडल में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाने देती है। पानी का अणु अपने मुड़े हुए संरचना के कारण अत्यधिक ध्रुवीय होता है। यह गुण हाइड्रोजन बंधन की ओर ले जाता है जो बर्फ में अधिकतम और जल वाष्प में न्यूनतम होता है। पानी की ध्रुवीय प्रकृति इसे: (क) आयनिक और आंशिक रूप से आयनिक यौगिकों के लिए एक बहुत अच्छा विलायक बनाती है; (ख) एक उभयांगी (अम्ल और क्षार दोनों) पदार्थ के रूप में कार्य करने देती है; और (ग) विभिन्न प्रकार के हाइड्रेट बनाने देती है। इसकी कई लवणों को, विशेष रूप से बड़ी मात्रा में, घोलने की क्षमता इसे औद्योगिक उपयोग के लिए कठोर और हानिकारक बनाती है। अस्थायी और स्थायी दोनों प्रकार की कठोरता को ज़ीओलाइट्स और संश्लेषित आयन-विनिमयकों के उपयोग से हटाया जा सकता है।

भारी पानी, $\mathrm{D_2} \mathrm{O}$ एक अन्य महत्वपूर्ण यौगिक है जिसे सामान्य पानी के विद्युत-अपघटनीय संवर्धन द्वारा निर्मित किया जाता है। यह मुख्यतः परमाणु रिएक्टरों में मॉडरेटर के रूप में उपयोग किया जाता है।

हाइड्रोजन पेरोक्साइड, $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ की एक रोचक अध्रुवीय संरचना है और इसे व्यापक रूप से औद्योगिक ब्लीच के रूप में और औद्योगिक और घरेलू अपशिष्टों के फार्मास्यूटिकल और प्रदूषण नियंत्रण उपचार में उपयोग किया जाता है।