सतह रसायन विज्ञान उन घटनाओं से संबंधित है जो सतहों या इंटरफेस पर घटित होती हैं। इंटरफेस या सतह को थोक चरणों को हाइफ़न या स्लैश द्वारा अलग करके दर्शाया जाता है। उदाहरण के लिए, ठोस और गैस के बीच का इंटरफेस ठोस-गैस या ठोस/गैस द्वारा दर्शाया जा सकता है। पूर्ण मिश्रणीयता के कारण गैसों के बीच कोई इंटरफेस नहीं होता। सतह रसायन में हम जिन थोक चरणों का सामना करते हैं, वे शुद्ध यौगिक या विलयन हो सकते हैं। इंटरफेस सामान्यतः कुछ अणुओं की मोटाई का होता है, लेकिन इसका क्षेत्रफल थोक चरणों के कणों के आकार पर निर्भर करता है। कई महत्वपूर्ण घटनाएँ, जिनमें मुख्य रूप से संक्षारण, इलेक्ट्रोड प्रक्रियाएँ, विषम उत्प्रेरण, विलयन और क्रिस्टलीकरण शामिल हैं, इंटरफेस पर घटित होती हैं। सतह रसायन का विषय उद्योग, विश्लेषणात्मक कार्य और दैनिक जीवन की स्थितियों में कई अनुप्रयोग पाता है।

सतह अध्ययनों को सावधानीपूर्वक पूरा करने के लिए, एक वास्तव में स्वच्छ सतह होना अनिवार्य हो जाता है। $10^{-8}$ से $10^{-9}$ पास्कल के क्रम के बहुत उच्च निर्वात में, अब धातुओं की अल्ट्रा स्वच्छ सतह प्राप्त करना संभव है। ऐसी स्वच्छ सतहों वाले ठोस पदार्थों को निर्वात में संग्रहित करने की आवश्यकता होती है, अन्यथा ये वायु के प्रमुख घटकों, अर्थात् डाइऑक्सीजन और डाइनाइट्रोजन के अणुओं द्वारा आच्छादित हो जाएँगे।

इस इकाई में, आप सतह रसायन की कुछ महत्वपूर्ण विशेषताओं जैसे कि अधिशोषण, उत्प्रेरण और कोलॉइड जिनमें इमल्शन और जेल शामिल हैं, का अध्ययन करेंगे।

5.1 अधिशोषण

कई उदाहरण हैं जो दर्शाते हैं कि एक ठोस की सतह उस चरण के अणुओं को आकर्षित करने और संरक्षित करने की प्रवृत्ति रखती है जिसके साथ वह संपर्क में आता है। ये अणु केवल सतह पर रहते हैं और आंतरिक बल में गहराई से नहीं जाते। ठोस या द्रव के आंतरिक भाग के बजाय सतह पर अणुजातीय प्रजातियों के संचय को अधिशोषण कहा जाता है। वह अणुजातीय प्रजाति या पदार्थ जो सतह पर संकेन्द्रित या संचित होता है, अधिशोषित कहलाता है और वह सामग्री जिसकी सतह पर अधिशोषण होता है, अधिशोषक कहलाती है।

अधिशोषण अनिवार्यतः एक सतही घटना है। ठोस, विशेष रूप से सूक्ष्म विभाजित अवस्था में, बड़ी सतह क्षेत्र रखते हैं और इसलिए चारकोल, सिलिका जेल, एल्युमिना जेल, मिट्टी, कोलॉइड, सूक्ष्म विभाजित अवस्था में धातुएँ आदि अच्छे अधिशोषक के रूप में कार्य करते हैं।

अधिशोषण कार्यरत

(i) यदि $\mathrm{O_2}, \mathrm{H_2}, \mathrm{CO}, \mathrm{Cl_2}, \mathrm{NH_3}$ या $\mathrm{SO_2}$ जैसी कोई गैस एक बंद बर्तन में ली जाती है जिसमें पिसा हुआ चारकोल हो, तो यह देखा जाता है कि बंद बर्तन में गैस का दबाव घट जाता है। गैस के अणु चारकोल की सतह पर संकेन्द्रित होते हैं, अर्थात् गैसें सतह पर अधिशोषित होती हैं।

(ii) एक कार्बनिक रंग के विलयन में, मान लीजिए मेथिलीन ब्लू, जब पशु चारकोल मिलाया जाता है और विलयन को अच्छी तरह हिलाया जाता है, तो यह देखा जाता है कि फ़िल्ट्रेट रंगहीन हो जाता है। इस प्रकार रंग के अणु चारकोल की सतह पर संचित होते हैं, अर्थात् अधिशोषित होते हैं।

(iii) कच्ची चीनी के जलीय विलयन को जब पशु चारकोल की परतों पर से गुजारा जाता है, तो वह रंगहीन हो जाता है क्योंकि रंगीन पदार्थ चारकोल द्वारा अधिशोषित हो जाते हैं।

(iv) सिलिका जेल की उपस्थिति में वायु शुष्क हो जाती है क्योंकि जल अणु जेल की सतह पर अधिशोषित हो जाते हैं।

उपर्युक्त उदाहरणों से यह स्पष्ट है कि ठोस सतहें अधिशोषण की सहायता से गैस या द्रव अणुओं को पकड़ सकती हैं। किसी सतह से अधिशोषित पदार्थ को हटाने की प्रक्रिया को वियोजन कहा जाता है।

5.1.1 अधिशोषण और अवशोषण के बीच अंतर

अधिशोषण में, पदार्थ केवल सतह पर ही सांद्रित होता है और यह सतह के माध्यम से अधिशोषक के आंतरिक भाग में नहीं जाता, जबकि अवशोषण में पदार्ष ठोस के संपूर्ण आंतरिक भाग में एकसमान रूप से वितरित होता है। उदाहरण के लिए, जब चाक की छड़ को स्याही में डुबाया जाता है, तो सतह स्याही के रंग को अपने ऊपर रखती है क्योंकि रंगीन अणु अधिशोषित होते हैं जबकि स्याही का विलायक छड़ के भीतर चला जाता है जो अवशोषण है। जब चाक की छड़ को तोड़ा जाता है, तो वह भीतर से सफेद पाई जाती है। जल वाष्प का उदाहरण लेकर अवशोषण और अधिशोषण के बीच अंतर किया जा सकता है। जल वाष्प को निर्जल कैल्शियम क्लोराइड अवशोषित करता है लेकिन सिलिका जेल द्वारा अधिशोषित किया जाता है। दूसरे शब्दों में, अधिशोषण में अधिशोषक की सतह पर ही अधिशोष्य की सांद्रता बढ़ती है, जबकि अवशोषण में सांद्रता ठोस के संपूर्ण आंतरिक भाग में एकसमान होती है।

दोनों अधिशोषण और अवशोषण एक साथ भी हो सकते हैं। इन दोनों प्रक्रियाओं को वर्णित करने के लिए सॉर्प्शन शब्द का प्रयोग किया जाता है।

5.1.2 अधिशोषण की क्रियाविधि

अधिशोषण इस तथ्य के कारण उत्पन्न होता है कि ऐड्सॉर्बेंट के सतह कण थोक के अंदर के कणों की तरह समान वातावरण में नहीं होते हैं। ऐड्सॉर्बेंट के अंदर सभी कणों के बीच कार्यरत बल आपस में संतुलित होते हैं, परंतु सतह पर कण चारों ओर अपनी ही तरह के परमाणुओं या अणुओं से घिरे नहीं होते, और इसलिए उनमें असंतुलित या अवशिष्ट आकर्षण बल होते हैं। ऐड्सॉर्बेंट के ये बल ही इसकी सतह पर ऐड्सॉर्बेट कणों को आकर्षित करने के लिए उत्तरदायी होते हैं। एक निश्चित तापमान और दबाव पर ऐड्सॉर्बेंट की इकाई द्रव्यमान के अनुसार सतह क्षेत्रफल में वृद्धि के साथ अधिशोषण की मात्रा बढ़ती है।

एक और महत्वपूर्ण कारक जो अधिशोषण को दर्शाता है वह है अधिशोषण की ऊष्मा। अधिशोषण के दौरान, सतह की अवशेष बलों में हमेशा कमी होती है, अर्थात् सतह ऊर्जा में कमी होती है जो ऊष्मा के रूप में प्रकट होती है। इसलिए, अधिशोषण अनिवार्यतः एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया होती है। दूसरे शब्दों में, अधिशोषण का $\Delta \mathrm{H}$ हमेशा ऋणात्मक होता है। जब कोई गैस अधिशोषित होती है, तो इसके अणुओं की गति की स्वतंत्रता सीमित हो जाती है। इससे अधिशोषण के बाद गैस की एन्ट्रॉपी में कमी होती है, अर्थात् $\Delta \mathrm{S}$ ऋणात्मक होता है। इस प्रकार, अधिशोषण के साथ सिस्टम की एन्थैल्पी में कमी के साथ-साथ एन्ट्रॉपी में भी कमी होती है। किसी प्रक्रिया के स्वतः होने के लिए, थर्मोडायनामिक आवश्यकता यह है कि नियत ताप और दबाव पर, $\Delta \mathrm{G}$ ऋणात्मक होना चाहिए, अर्थात् गिब्स ऊर्जा में कमी होनी चाहिए। समीकरण $\Delta \mathrm{G}=\Delta \mathrm{H}-\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ के आधार पर, $\Delta \mathrm{G}$ तभी ऋणात्मक हो सकता है जब $\Delta \mathrm{H}$ पर्याप्त रूप से उच्च ऋणात्मक मान रखता है क्योंकि $-\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ धनात्मक होता है। इस प्रकार, एक अधिशोषण प्रक्रिया, जो स्वतः होती है, इन दोनों कारकों के संयोजन से $\Delta \mathrm{G}$ को ऋणात्मक बनाती है। जैसे-जैसे अधिशोषण आगे बढ़ता है, $\Delta \mathrm{H}$ कम और कम ऋणात्मक होता जाता है और अंततः $\Delta \mathrm{H}$ का मान $\mathrm{T} \Delta \mathrm{S}$ के बराबर हो जाता है और $\Delta \mathrm{G}$ शून्य हो जाता है। इस अवस्था में साम्य स्थापित होता है।

5.1.3 अधिशोषण के प्रकार

गैसों का ठोसों पर अधिशोषण मुख्यतः दो प्रकार का होता है। यदि ठोस की सतह पर गैस का संचय दुर्बल वान्‌डर वाल्स बलों के कारण होता है, तो इस अधिशोषण को भौतिक अधिशोषण या फिजीसॉर्प्शन कहा जाता है। जब गैस के अणु या परमाणु रासायनिक आबंधों द्वारा ठोस सतह से जुड़े रहते हैं, तो इस अधिशोषण को रासायनिक अधिशोषण या कैमीसॉर्प्शन कहा जाता है। रासायनिक आबंध प्रकृति में सहसंयोजक या आयनिक हो सकते हैं। कैमीसॉर्प्शन में सक्रियण ऊर्जा अधिक होती है और इसलिए इसे प्रायः सक्रियित अधिशोषण कहा जाता है। कभी-कभी ये दोनों प्रक्रियाएँ एक साथ घटित होती हैं और अधिशोषण के प्रकार का निर्धारण करना आसान नहीं होता है। निम्न ताप पर होने वाला भौतिक अधिशोषण ताप बढ़ने पर रासायनिक अधिशोषण में बदल सकता है। उदाहरण के लिए, डाइहाइड्रोजन पहले निकल पर वान्‌डर वाल्स बलों द्वारा अधिशोषित होता है। फिर हाइड्रोजन के अणु विघटित होकर हाइड्रोजन परमाणु बनाते हैं जो सतह पर रासायनिक अधिशोषण द्वारा जुड़े रहते हैं।

अधिशोषण के दोनों प्रकारों की कुछ महत्वपूर्ण विशेषताएँ नीचे वर्णित हैं:

फिजीसॉर्प्शन की विशेषताएँ

(i) विशिष्टता की कमी: किसी अधिशोषक की दी गई सतह किसी विशेष गैस के प्रति कोई पसंद नहीं दिखाती क्योंकि वान्‌डर वाल्स बल सार्वभौमिक होते हैं।

(ii) एड्सॉर्बेट की प्रकृति: किसी ठोस द्वारा अधिशोषित गैस की मात्रा गैस की प्रकृति पर निर्भर करती है। सामान्यतः, आसानी से द्रवित होने वाली गैसें (अर्थात् जिनकी क्रांतिक तापमान अधिक होती है) सरलता से अधिशोषित होती हैं क्योंकि वान्‌डर वाल्स बल क्रांतिक तापमान के निकट अधिक प्रबल होते हैं। इस प्रकार, सक्रियित चारकोल के $1 \mathrm{~g}$ द्वारा सल्फर डाइऑक्साइड (क्रांतिक तापमान 630K) की तुलना में मीथेन (क्रांतिक तापमान 190K) अधिक अधिशोषित होता है, जो कि डाइहाइड्रोजन (क्रांतिक तापमान $33 \mathrm{~K}$) के $4.5 \mathrm{~mL}$ से भी अधिक है।

(iii) प्रत्यावर्ती प्रकृति: किसी ठोस द्वारा गैस का भौतिक अधिशोषण सामान्यतः प्रत्यावर्ती होता है। इस प्रकार,

$$ \text { ठोस }+ \text { गैस } \rightleftharpoons \text { गैस } / \text { ठोस }+ \text { ऊष्मा } $$

दबाव बढ़ाने पर गैस का अधिक अधिशोषण होता है क्योंकि गैस का आयतन घटता है (ले-शातेलिये का सिद्धांत) और दबाव घटाकर गैस को पृथक किया जा सकता है। चूंकि अधिशोषण प्रक्रिया ऊष्माक्षेपी होती है, भौतिक अधिशोषण निम्न तापमान पर सरलता से होता है और तापमान बढ़ने पर यह घटता है (ले-शातेलिये का सिद्धांत)।

(iv) एड्सॉर्बेंट का सतह क्षेत्रफल: अधिशोषण की मात्रा एड्सॉर्बेंट के सतह क्षेत्रफल के साथ बढ़ती है। इस प्रकार, सूक्ष्म रूप से विभाजित धातुएँ और छिद्रयुक्त पदार्थ जिनका सतह क्षेत्रफल बड़ा होता है, अच्छे एड्सॉर्बेंट होते हैं।

(v) अधिशोषण की एन्थैल्पी: कोई संदेह नहीं कि भौतिक अधिशोषण एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया है, लेकिन इसकी अधिशोषण एन्थैल्पी काफी कम होती है (20–40 kJ mol⁻¹)। ऐसा इसलिए है क्योंकि गैस अणुओं और ठोस सतह के बीच आकर्षण केवल कमजोर वान डेर वाल्स बलों के कारण होता है।

रासायनिक अधिशोषण की विशेषताएँ

(i) उच्च विशिष्टता: रासायनिक अधिशोषण अत्यधिक विशिष्ट होता है और यह तभी होगा जब अधिशोषक और अधिशोष्य के बीच रासायनिक बंधन बनने की संभावना हो। उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन धातुओं पर ऑक्साइड बनने के कारण अधिशोषित होती है और हाइड्रोजन संक्रमण धातुओं द्वारा हाइड्राइड बनने के कारण अधिशोषित होती है।

(ii) अनुत्क्रमणीयता: चूँकि रासायनिक अधिशोषण में यौगिक बनना शामिल होता है, यह प्रायः अनुत्क्रमणीय प्रकृति का होता है। रासायनिक अधिशोषण भी एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया है, लेकिन सक्रियण ऊर्जा अधिक होने के कारण यह प्रक्रिया निम्न ताप पर बहुत धीमी होती है। अधिकांश रासायनिक परिवर्तनों की तरह, अधिशोषण भी ताप बढ़ने पर बढ़ता है। निम्न ताप पर अधिशोषित गैस का भौतिक अधिशोषण उच्च ताप पर रासायनिक अधिशोषण में बदल सकता है। प्रायः उच्च दाब भी रासायनिक अधिशोषण के लिए अनुकूल होता है।

(iii) सतह क्षेत्रफल: भौतिक अधिशोषण की तरह, रासायनिक अधिशोषण भी अधिशोषक के सतह क्षेत्रफल बढ़ने पर बढ़ता है।

(iv) अधिशोषण की एन्थैल्पी: रासायनिक अधिशोषण की एन्थैल्पी अधिक होती है (80–240 kJ mol⁻¹) क्योंकि इसमें रासायनिक बंधन बनना शामिल होता है।

5.1.4 अधिशोषण समताप

निश्चित ताप पर अवशोषक द्वारा अवशोषित गैस की मात्रा में दाब के साथ होने वाले परिवर्तन को एक वक्र द्वारा व्यक्त किया जाता है जिसे अवशोषण समतापी (adsorption isotherm) कहा जाता है।

फ्रेंडलिच अवशोषण समतापी: फ्रेंडलिच ने 1909 में एक अनुभवजन्य संबंध प्रस्तुत किया जो किसी विशेष ताप पर ठोस अवशोषक की इकाई द्रव्यमान द्वारा अवशोषित गैस की मात्रा और दाब के बीच होता है। इस संबंध को निम्न समीकरण द्वारा व्यक्त किया जाता है:

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

जहाँ x दाब P पर अवशोषक के द्रव्यमान m पर अवशोषित गैस का द्रव्यमान है, k और n स्थिरांक हैं जो निश्चित ताप पर अवशोषक और गैस की प्रकृति पर निर्भर करते हैं। इस संबंध को सामान्यतः एक वक्र के रूप में चित्रित किया जाता है जिसमें अवशोषक के प्रति ग्राम पर अवशोषित गैस के द्रव्यमान को दाब के विरुद्ध प्लॉट किया जाता है (चित्र 5.1)। ये वक्र दर्शाते हैं कि निश्चित दाब पर ताप में वृद्धि के साथ भौतिक अवशोषण में कमी आती है। ये वक्र उच्च दाब पर सदैव संतृप्ति की ओर झुकते प्रतीत होते हैं। समीकरण (5.1) का लघुगणक लेने पर

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

Freundlich आइसोथर्म की वैधता को $y$-अक्ष (कोटि) पर $\log \frac{x}{m}$ और $\mathrm{x}$-अक्ष (अभिस्क) पर $\log p$ प्लॉट करके सत्यापित किया जा सकता है। यदि यह एक सीधी रेखा बनाता है, तो Freundlich आइसोथर्म वैध है, अन्यथा नहीं (चित्र 5.2)। सीधी रेखा की ढलाई $\frac{1}{n}$ का मान देती है। $y$-अक्ष पर अंतःखंड $\log k$ का मान देता है।

Freundlich आइसोथर्म सोखन के व्यवहार को एक सन्निकट तरीके से समझाता है। कारक $\frac{1}{n}$ का मान 0 और 1 के बीच हो सकता है (संभावित सीमा 0.1 से 0.5)। इस प्रकार, समीकरण (5.2) दबाव की सीमित सीमा के लिए सही है।

जब $\frac{1}{n}=0, \frac{x}{m}=$ नियतांक, सोखन दबाव से स्वतंत्र होता है।

जब $\frac{1}{n}=1, \frac{x}{m}=k p$, अर्थात् $\frac{x}{m} \propto p$, सोखन दबाव के साथ सीधे अनुक्रमानुसार बदलता है।

दोनों स्थितियाँ प्रयोगात्मक परिणामों द्वारा समर्थित हैं। प्रयोगात्मक आइसोथर्म हमेशा उच्च दबाव पर संतृप्ति की ओर प्रतीत होते हैं। यह Freundlich आइसोथर्म द्वारा समझाया नहीं जा सकता। इस प्रकार, यह उच्च दबाव पर विफल होता है।

5.1.5 विलयन चरण से सोखन

ठोस विलयनों से भी विलेयों को अधिशोषित कर सकते हैं। जब पानी में एसीटिक अम्ल का विलयन चारकोल के साथ हिलाया जाता है, तो अम्ल का एक भाग चारकोल द्वारा अधिशोषित हो जाता है और विलयन में अम्ल की सांद्रता घट जाती है। इसी प्रकार, लिटमस विलयन जब चारकोल के साथ हिलाया जाता है तो वह रहित हो जाता है। $\mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_{2}$ का अवक्षेप जब मैग्नेसन अभिकर्मक की उपस्थिति में अवक्षेपित किया जाता है तो नीला रंग प्राप्त कर लेता है। यह रंग मैग्नेसन के अधिशोषण के कारण होता है। विलयन प्रावस्था से अधिशोषण के संदर्भ में निम्नलिखित प्रेक्षण किए गए हैं:

(i) तापमान में वृद्धि के साथ अधिशोषण की मात्रा घटती है।

(ii) अधिशोषक की सतह क्षेत्र में वृद्धि के साथ अधिशोषण की मात्रा बढ़ती है।

(iii) अधिशोषण की मात्रा विलयन में विलेय की सांद्रता पर निर्भर करती है।

(iv) अधिशोषण की मात्रा अधिशोषक और अधिशोषित पदार्थ की प्रकृति पर निर्भर करती है।

विलयन से अधिशोषण की सटीक क्रियाविधि ज्ञात नहीं है। फ्रॉइंडलिच समीकरण विलयन से अधिशोषन के व्यवहार का लगभग वर्णन करता है, केवल इस अंतर के साथ कि दाब के स्थान पर विलयन की सांद्रता को ध्यान में रखा जाता है, अर्थात्

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

($C$ साम्यावस्था सांद्रता है, अर्थात् जब अधिशोषण पूर्ण हो जाता है)। उपरोक्त समीकरण का 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 समतापी की वैधता को दर्शाती है। इसे प्रायोगिक रूप से सत्यापित किया जा सकता है एसिटिक एसिड की विभिन्न सांद्रता वाले विलयन लेकर। समान आयतन के विलयनों को विभिन्न फ्लास्कों में समान मात्रा में चारकोल में मिलाया जाता है। प्रत्येक फ्लास्क में अधिशोषण के बाद अंतिम सांद्रता निर्धारित की जाती है। प्रारंभिक और अंतिम सांद्रता के बीच का अंतर $x$ का मान देता है। उपरोक्त समीकरण का उपयोग करके फ्रेंडलिच समतापी की वैधता स्थापित की जा सकती है।

5.1.6 अधिशोषण के अनुप्रयोग

अधिशोषण की घटना के कई अनुप्रयोग होते हैं। महत्वपूर्ण अनुप्रयोग यहाँ सूचीबद्ध हैं:

(i) उच्च निर्वात का उत्पादन: चारकोल द्वारा वैक्यूम पंप से निर्वातित बर्तन में शेष बची हवा के अंशों को अधिशोषित करके बहुत उच्च निर्वात प्राप्त किया जा सकता है।

(ii) गैस मास्क: गैस मास्क (एक उपकरण जो सक्रिय चारकोल या अधिशोषकों के मिश्रण से बना होता है) का उपयोग आमतौर पर कोयला खदानों में जहरीली गैसों को अधिशोषित करने के लिए श्वास लेने के लिए किया जाता है।

(iii) आर्द्रता का नियंत्रण: सिलिका और एल्यूमिनियम जेल आर्द्रता को हटाने और नियंत्रित करने के लिए अधिशोषक के रूप में उपयोग किए जाते हैं।

(iv) विलयनों से रंगीन पदार्थों को हटाना: पशु चारकोल रंगीन अशुद्धियों को अधिशोषित करके विलयनों के रंगों को हटा देता है।

(v) विषमांगी उत्प्रेरण: उत्प्रेरक के ठोस सतह पर अभिकारकों का अधिशोषण अभिक्रिया की दर को बढ़ाता है। उद्योग में महत्वपूर्ण कई गैसीय अभिक्रियाएँ ठोस उत्प्रेरकों से होती हैं। अमोनिया का निर्माण लोहे के उत्प्रेरक से, संपर्क विधि द्वारा (\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}) का निर्माण और तेलों के हाइड्रोजनीकरण में सूक्ष्म निकेल के उपयोग को विषमांगी उत्प्रेरण के उत्कृष्ट उदाहरण माने जाते हैं।

(vi) अक्रिय गैसों का पृथक्करण: चारकोल द्वारा गैसों के अधिशोषण की डिग्री में अंतर के कारण, नारियल चारकोल पर विभिन्न तापमानों पर अधिशोषण द्वारा उत्कृष्ट गैसों के मिश्रण को पृथक किया जा सकता है।

(vii) रोगों के उपचार में: कई औषधियाँ कीटाणुओं पर अधिशोषित होकर उन्हें मारने के लिए प्रयोग की जाती हैं।

(viii) फ्रॉथ फ्लोटेशन प्रक्रिया: निम्न ग्रेड सल्फाइड अयस्क को इस विधि द्वारा सिलिका और अन्य भूमि संबंधी पदार्थों से पृथक करके सांद्रित किया जाता है, जिसमें पाइन ऑयल और फ्रॉथिंग एजेंट का उपयोग होता है (इकाई 6 देखें)।

(ix) अधिशोषण सूचक: चांदी के हैलाइड्स जैसे कुछ अवक्षेपों की सतहें इओसिन, फ्लोरेसीन आदि कुछ रंगों को अधिशोषित करने और इस प्रकार अंत बिंदु पर एक विशिष्ट रंग उत्पन्न करने की क्षमता रखती हैं।

(x) क्रोमैटोग्राफिक विश्लेषण: अधिशोषण की घटना पर आधारित क्रोमैटोग्राफिक विश्लेषण का विश्लेषणात्मक और औद्योगिक क्षेत्रों में कई अनुप्रयोग हैं।

5.2 उत्प्रेरण

पोटैशियम क्लोरेट, जब तेजी से गरम किया जाता है, धीरे-धीरे डाइऑक्सीजन देता है। यह अपघटन 653-873 K तापमान सीमा में होता है।

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

हालांकि, जब थोड़ी मात्रा में मैंगनीज डाइऑक्साइड मिलाया जाता है, तो अपघटन काफी कम तापमान सीमा, अर्थात् 473-633K पर होता है और साथ ही बहुत तेजी से होता है। मिलाया गया मैंगनीज डाइऑक्साइड अपने द्रव्यमान और संघटन के संदर्भ में अपरिवर्तित रहता है। इसी प्रकार, कई रासायनिक अभिक्रियाओं की दरों को केवल किसी विदेशी पदार्थ की उपस्थिति से बदला जा सकता है।

रासायनिक अभिक्रियाओं की दरों पर विभिन्न विदेशी पदार्थों के प्रभाव का व्यवस्थित अध्ययन सबसे पहले 1835 में बर्ज़ेलियस ने किया। उन्होंने ऐसे पदार्थों के लिए उत्प्रेरक (catalyst) शब्द सुझाया।

पदार्थ, जो किसी रासायनिक अभिक्रिया की दर को तेज करते हैं और अभिक्रिया के बाद स्वयं रासायनिक और मात्रात्मक रूप से अपरिवर्तित रहते हैं, उत्प्रेरक कहलाते हैं, और इस घटना को उत्प्रेरण (catalysis) कहा जाता है। आपने अनुभाग 4.5 में उत्प्रेरक और इसके कार्य के बारे में पहले ही पढ़ा है।

प्रवर्तक और विष

प्रवर्तक ऐसे पदार्थ होते हैं जो उत्प्रेरक की सक्रियता बढ़ाते हैं, जबकि विष उत्प्रेरक की सक्रियता घटाते हैं। उदाहरण के लिए, अमोनिया के निर्माण के लिए हैबर प्रक्रिया में मोलिब्डेनम आयरन के लिए प्रवर्तक का कार्य करता है, जिसे उत्प्रेरक के रूप में प्रयोग किया जाता 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 समांगी और विषमांगी उत्प्रेरण

उत्प्रेरण को मुख्यतः दो समूहों में बाँटा जा सकता है:

(a) समांगी उत्प्रेरण

जब अभिकारक, उत्पाद और उत्प्रेरक एक ही चरण में होते हैं (अर्थात् द्रव या गैस), तो इस प्रक्रिया को समझदार उत्प्रेरण कहा जाता है। समझदार उत्प्रेरण के कुछ उदाहरण निम्नलिखित हैं:

(i) सल्फर डाइऑक्साइड का सल्फर ट्राइऑक्साइड में डाइऑक्सीजन की उपस्थिति में नाइट्रोजन के ऑक्साइडों के उत्प्रेरक के रूप में लेड चैम्बर प्रक्रिया में ऑक्सीकरण।

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

अभिकारक, सल्फर डाइऑक्साइड और ऑक्सीजन, और उत्प्रेरक, नाइट्रिक ऑक्साइड, सभी एक ही चरण में हैं।

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

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

अभिकारक और उत्प्रेरक दोनों एक ही चरण में हैं।

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

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

अभिकारक और उत्प्रेरक दोनों एक ही चरण में हैं।

(b) विषम उत्प्रेरण

वह उत्प्रेरकीय प्रक्रिया जिसमें अभिकारक और उत्प्रेरक भिन्न चरणों में होते हैं, विषमांगी उत्प्रेरण कहलाती है। विषमांगी उत्प्रेरण के कुछ उदाहरण नीचे दिए गए हैं:

(i) प्लैटिनम की उपस्थिति में सल्फर डाइऑक्साइड का सल्फर ट्राइऑक्साइड में ऑक्सीकरण।

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

अभिकारक गैसीय अवस्था में है जबकि उत्प्रेरक ठोस अवस्था में है।

(ii) हेबर प्रक्रिया में बारीक विभाजित आयरन की उपस्थिति में डाइनाइट्रोजन और डाइहाइड्रोजन का संयोजन अमोनिया बनाने के लिए।

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

अभिकारक गैसीय अवस्था में हैं जबकि उत्प्रेरक ठोस अवस्था में है।

(iii) ऑस्टवाल्ड प्रक्रिया में प्लैटिनम गॉज की उपस्थिति में अमोनिया का नाइट्रिक ऑक्साइड में ऑक्सीकरण।

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

अभिकारक गैसीय अवस्था में हैं जबकि उत्प्रेरक ठोस अवस्था में है।

(iv) बारीक विभाजित निकल को उत्प्रेरक के रूप में उपयोग करते हुए वनस्पति तेलों का हाइड्रोजनीकरण।

$$ \text { वनस्पति तेल(l) }+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\mathrm{Ni}(\mathrm{s})} \text { वनस्पति घी(s) } $$

अभिकारकों में से एक द्रव अवस्था में और दूसरा गैसीय अवस्था में है जबकि उत्प्रेरक ठोस अवस्था में है।

5.2.2 विषमांगी उत्प्रेरण का अधिशोषण सिद्धांत

यह सिद्धांत विषमांगी उत्प्रेरण की क्रियाविधि को समझाता है। पुराना सिद्धांत, जिसे उत्प्रेरण का अधिशोषण सिद्धांत कहा जाता है, यह था कि गैसीय अवस्था या विलयन में मौजूद अभिकारक ठोस उत्प्रेरक की सतह पर अधिशोषित होते हैं। सतह पर अभिकारकों की सांद्रता में वृद्धि से अभिक्रिया की दर बढ़ जाती है। अधिशोषण एक ऊष्माक्षेपी प्रक्रिया होने के कारण, अधिशोषण की ऊष्मा अभिक्रिया की दर को बढ़ाने में उपयोग होती है।

उत्प्रेरक क्रिया को मध्यवर्ती यौगिक निर्माण के संदर्भ में समझाया जा सकता है, जिसका सिद्धांत आपने पहले ही खंड 4.5.1 में पढ़ा है।

आधुनिक अधिशोषण सिद्धांत मध्यवर्ती यौगिक निर्माण सिद्धांत और पुराने अधिशोषण सिद्धांत का संयोजन है। उत्प्रेरक क्रियाकलाप उत्प्रेरक की सतह पर स्थानबद्ध होता है। इसकी क्रियाविधि में पांच चरण शामिल हैं:

(i) अभिकारकों का उत्प्रेरक की सतह तक विसरण।

(ii) अभिकारक अणुओं का उत्प्रेरक की सतह पर अधिशोषण।

(iii) उत्प्रेरक की सतह पर मध्यवर्ती के निर्माण के माध्यम से रासायनिक अभिक्रिया का होना (चित्र 5.3)।

(iv) अभिक्रिया उत्पादों का उत्प्रेरक सतह से वियोजन, और इस प्रकार सतह को पुनः अभिक्रिया के लिए उपलब्ध कराना।

(v) उत्प्रेरक की सतह से दूर अभिक्रिया उत्पादों का विसरण। उत्प्रेरक की सतह, ठोस के भीतरी भाग के विपरीत, स्वतंत्र संयोजकता को संरक्षित रखती है जो आकर्षण की रासायनिक शक्तियों के लिए आधान प्रदान करती है। जब कोई गैस ऐसी सतह के संपर्क में आती है, तो उसकी अणु वहाँ ढीले रासायनिक संयोजन के कारण रुक जाते हैं। यदि विभिन्न अणु एक साथ सोखे जाते हैं, तो वे एक-दूसरे से अभिक्रिया कर सकते हैं जिससे नए अणु बनते हैं। इस प्रकार बने अणु वाष्पित होकर सतह को नए अभिकारक अणुओं के लिए खाली छोड़ देते हैं।

यह सिद्धांत समझाता है कि अभिक्रिया के अंत में उत्प्रेरक अपने द्रव्यमान और रासायनिक संघटन में अपरिवर्तित क्यों रहता है और यहां तक कि थोड़ी मात्रा में भी प्रभावी क्यों होता है। यह, हालांकि, उत्प्रेरक प्रवर्तकों और उत्प्रेरक विषों की क्रिया को नहीं समझाता।

ठोस उत्प्रेरकों की महत्वपूर्ण विशेषताएं

(a) क्रियाशीलता : उत्प्रेरक की क्रियाशीलता बड़े पैमाने पर रासायनिक सोखने की शक्ति पर निर्भर करती है। अभिकारकों को सक्रिय होने के लिए उत्प्रेरक पर उचित रूप से दृढ़ता से सोखना चाहिए। हालांकि, उन्हें इतनी दृढ़ता से सोखा नहीं जाना चाहिए कि वे स्थिर हो जाएं और अन्य अभिकारकों के पास उत्प्रेरक की सतह पर सोखने के लिए कोई स्थान न बचे। यह पाया गया है कि हाइड्रोजनीकरण अभिक्रिया के लिए, उत्प्रेरक क्रियाशीलता समूह 5 से समूह 11 धातुओं तक बढ़ती है, अधिकतम क्रियाशीलता आवर्त सारणी के समूह 7-9 तत्वों द्वारा दिखाई जाती है (कक्षा XI, इकाई 3)।

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

(b) चयनात्मकता : किसी उत्प्रेरक की चयनात्मकता उसकी योग्यता होती है जिससे वह अभिक्रिया को किसी विशेष उत्पाद की ओर चयनपूर्वक मोड़ दे, जबकि समान अभिक्रिया परिस्थितियों में कई उत्पाद संभव हैं। समान अभिकारकों के लिए विभिन्न उत्प्रेरकों की चयनात्मकता भिन्न-भिन्न होती है। उदाहरण के लिए, $\mathrm{H_2}$ और $\mathrm{CO}$ से प्रारंभ करके विभिन्न उत्प्रेरकों का उपयोग करने पर हमें भिन्न-भिन्न उत्पाद प्राप्त होते 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 निकाला जा सकता है कि उत्प्रेरक की क्रिया अत्यधिक चयनात्मक प्रकृति की होती है। परिणामस्वरूप, कोई पदार्थ जो एक अभिक्रिया में उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, दूसरी अभिक्रिया को उत्प्रेरित करने में असफल हो सकता है।

5.2.3 ज़ियोलाइटों द्वारा आकृति-चयनात्मक उत्प्रेरण

वह उत्प्रेरकीय अभिक्रिया जो उत्प्रेरक के छिद्र संरचना और अभिकारक तथा उत्पाद अणुओं के आकार पर निर्भर करती है, आकृतिवरण-चयनात्मक उत्प्रेरण कहलाती है। ज़ीओलाइट्स अपनी छत्ते जैसी संरचना के कारण अच्छे आकृतिवरण-चयनात्मक उत्प्रेरक होते हैं। ये सूक्ष्मछिद्रयुक्त ऐलुमिनोसिलिकेट होते हैं जिनमें सिलिकेट्स का त्रिविम जालक होता है जिसमें कुछ सिलिकन परमाणु ऐलुमिनियम परमाणुओं द्वारा प्रतिस्थापित हो जाते हैं जिससे $\mathrm{Al}-\mathrm{O}-\mathrm{Si}$ ढांचा बनता है। ज़ीओलाइट्स में होने वाली अभिक्रियाएं अभिकारक और उत्पाद अणुओं के आकार और आकृति के साथ-साथ ज़ीओलाइट्स के छिद्रों और गुहिकाओं पर भी निर्भर करती हैं। ये प्रकृति में पाए जाते हैं तथा उत्प्रेरक चयनात्मकता के लिए संश्लेषित भी किए जाते हैं।

ज़ीओलाइट्स को पेट्रोरसायन उद्योगों में हाइड्रोकार्बनों के क्रैकिंग और समावयवीकरण के लिए उत्प्रेरक के रूप में बहुत व्यापक रूप से प्रयोग किया जा रहा है। पेट्रोलियम उद्योग में प्रयुक्त एक महत्वपूर्ण ज़ीओलाइट उत्प्रेरक ZSM-5 है। यह अल्कोहलों को सीधे गैसोलीन (पेट्रोल) में परिवर्तित करता है उन्हें निर्जलित करके हाइड्रोकार्बनों के मिश्रण देता है।

5.2.4 एंजाइम उत्प्रेरण

एंजाइम जटिल नाइट्रोजनीय कार्बनिक यौगिक होते हैं जो जीवित पौधों और जानवरों द्वारा उत्पन्न किए जाते हैं। ये वास्तव में उच्च आणविक द्रव्यमान वाले प्रोटीन अणु होते हैं और पानी में कोलॉइडीय विलयन बनाते हैं। ये अत्यंत प्रभावी उत्प्रेरक होते हैं; अनगिनत अभिक्रियाओं, विशेष रूप से प्राकृतिक प्रक्रियाओं से जुड़ी अभिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं। जानवरों और पौधों के शरीरों में जीवन प्रक्रिया को बनाए रखने के लिए होने वाली अनेक अभिक्रियाएं एंजाइमों द्वारा उत्प्रेरित होती हैं। इस प्रकार एंजाइमों को जैव-रासायनिक उत्प्रेरक कहा जाता है और इस घटना को जैव-रासायनिक उत्प्रेरण कहा जाता है।

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

(i) गन्ने की चीनी का उलटन: इन्वर्टेज एंजाइम गन्ने की चीनी को ग्लूकोज और फ्रक्टोज में परिवर्तित करता है।

$$ \begin{aligned} & \mathrm{C_12} \mathrm{H_22} \mathrm{O_11} \text { (aq) }+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \xrightarrow{\text { Invertase }} \mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}(\mathrm{aq})+\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6} \text { (aq) } \\ & \text { गन्ने की चीनी } \quad \text { ग्लूकोज } \quad \text { फ्रक्टोज } \end{aligned} $$

(ii) ग्लूकोज का एथिल अल्कोहल में रूपांतरण: जाइमेज एंजाइम ग्लूकोज को एथिल अल्कोहल और कार्बन डाइऑक्साइड में परिवर्तित करता है।

$$ \underset{\text { ग्लूकोज़ }}{\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}(\mathrm{aq}) \xrightarrow{\text { ज़ाइमेज़ }} \underset{\text { एथिल अल्कोहल }}{2 \mathrm{C_2} \mathrm{H_5} \mathrm{OH}(\mathrm{aq})}+2 \mathrm{CO_2}(\mathrm{~g})} $$

(iii) स्टार्च का माल्टोज़ में रूपांतरण: डायस्टेस एंजाइम स्टार्च को माल्टोज़ में बदलता है।

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

(iv) माल्टोज़ का ग्लूकोज़ में रूपांतरण: माल्टेस एंजाइम माल्टोज़ को ग्लूकोज़ में बदलता है।

$$ \underset{\text { माल्टोज़ }}{\mathrm{C_12} \mathrm{H_22} \mathrm{O_11}(\mathrm{aq})}+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \xrightarrow{\text { माल्टेस }} \underset{\text { ग्लूकोज़ }}{2 \mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}(\mathrm{aq})} $$

(v) यूरिया का अमोनिया और कार्बन डाइऑक्साइड में विघटन: यूरिएस एंजाइम इस विघटन को उत्प्रेरित करता है।

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

(vi) पेट में, पेप्सिन एंजाइम प्रोटीन को पेप्टाइड्स में बदलता है जबकि आंत में, अग्न्याशयी ट्रिप्सिन प्रोटीन को हाइड्रोलिसिस द्वारा अमीनो अम्लों में बदलता है।

(vii) दूध का दही में रूपांतरण: यह दही में उपस्थित लैक्टो बेसिली एंजाइम द्वारा लाया गया एक एंजाइमी अभिक्रिया है।

तालिका 5.2: कुछ एंजाइमी अभिक्रियाएँ

एंजाइम	स्रोत
इन्वर्टेज	यीस्ट	सुक्रोज $\rightarrow$ ग्लूकोज और फ्रक्टोज
जाइमेज	यीस्ट	ग्लूकोज $\rightarrow$ एथिल अल्कोहल और कार्बन डाइऑक्साइड
डायस्टेज	माल्ट	स्टार्च $\rightarrow$ माल्टोज
माल्टेज	यीस्ट	माल्टोज $\rightarrow$ ग्लूकोज
यूरिएज	सोयाबीन	यूरिया $\rightarrow$ अमोनिया और कार्बन डाइऑक्साइड
पेप्सिन	पेट	प्रोटीन $\rightarrow$ अमीनो अम्ल

एंजाइम उत्प्रेरण की विशेषताएँ

एंजाइम उत्प्रेरण अपनी दक्षता और उच्च स्तर की विशिष्टता में अद्वितीय है। निम्नलिखित विशेषताएँ एंजाइम उत्प्रेरक द्वारा प्रदर्शित होती हैं:

(i) अत्यधिक दक्ष: एक एंजाइम अणु एक मिनट में एक मिलियन अभिकारक अणुओं को रूपांतरित कर सकता है।

(ii) अत्यधिक विशिष्ट प्रकृति: प्रत्येक एंजाइम एक निश्चित अभिक्रिया के लिए विशिष्ट होता है, अर्थात् एक उत्प्रेरक एक से अधिक अभिक्रियाओं को उत्प्रेरित नहीं कर सकता। उदाहरण के लिए, यूरिएज एंजाइम केवल यूरिया के जल-अपघटन को उत्प्रेरित करता है। यह किसी अन्य एमाइड के जल-अपघटन को उत्प्रेरित नहीं करता।

(iii) इष्टतम तापमान पर अत्यधिक सक्रिय : एक एंजाइम अभिक्रिया की दर एक निश्चित तापमान पर अधिकतम हो जाती है, जिसे इष्टतम तापमान कहा जाता है। इष्टतम तापमान के दोनों ओर एंजाइम की सक्रियता घट जाती है। एंजाइमेटिक गतिविधि के लिए इष्टतम तापमान सीमा $298-310 K$ है। मानव शरीर का तापमान $310 \mathrm{~K}$ होने के कारण यह एंजाइम-संचालित अभिक्रियाओं के लिए उपयुक्त है।

(iv) इष्टतम $\mathrm{pH}$ पर अत्यधिक सक्रिय : एक एंजाइम-संचालित अभिक्रिया की दर एक विशेष $\mathrm{pH}$ पर अधिकतम होती है, जिसे इष्टतम $\mathrm{pH}$ कहा जाता है, जो $\mathrm{pH}$ मान 5-7 के बीच होता है।

(v) सक्रियक और सह-एंजाइमों की उपस्थिति में सक्रियता में वृद्धि : कुछ विशेष पदार्थों, जिन्हें सह-एंजाइम कहा जाता है, की उपस्थिति में एंजाइमेटिक गतिविधि बढ़ जाती है। यह देखा गया है कि जब एक छोटा गैर-प्रोटीन (विटामिन) एंजाइम के साथ उपस्थित होता है, तो उत्प्रेरक गतिविधि काफी बढ़ जाती है।

सक्रियक 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 बंधन बनाते हैं, उनकी उत्प्रेरक गतिविधि बढ़ा देते हैं। सोडियम क्लोराइड, अर्थात् $\mathrm{Na}^{+}$आयनों की उपस्थिति में एमिलेस उत्प्रेरक रूप से बहुत सक्रिय होता है।

(vi) अवरोधकों और विषों का प्रभाव: सामान्य उत्प्रेरकों की तरह, एंजाइमों को भी कुछ विशेष पदार्थों की उपस्थिति द्वारा अवरुद्ध या विषैला बनाया जाता है। अवरोधक या विष एंजाइम सतह पर मौजूद सक्रिय कार्यात्मक समूहों से क्रिया करते हैं और प्रायः एंजाइमों की उत्प्रेरक सक्रियता को घटा देते हैं या पूरी तरह नष्ट कर देते हैं। कई औषधियों का उपयोग उनके शरीर में एंजाइम अवरोधक के रूप में कार्य करने से संबंधित है।

एंजाइम उत्प्रेरण की क्रियाविधि

एंजाइमों के कोलॉइडीय कणों की सतह पर कई गुहिकाएँ मौजूद होती हैं। ये गुहिकाएँ विशिष्ट आकृति की होती हैं और सक्रिय समूहों जैसे $-\mathrm{NH_2},-\mathrm{COOH}$, $-\mathrm{SH},-\mathrm{OH}$ आदि से युक्त होती हैं। ये वास्तव में एंजाइम कणों की सतह पर सक्रिय केंद्र होते हैं। अभिकारक (सब्सट्रेट) के अणु, जिनकी आकृति पूरक होती है, इन गुहिकाओं में इस प्रकार फिट होते हैं जैसे चाबी ताले में फिट होती है। सक्रिय समूहों की उपस्थिति के कारण एक सक्रिय संकुल बनता है जो फिर अपघटित होकर उत्पाद देता है।

इस प्रकार, एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं को दो चरणों में चलने वाला माना जा सकता है।

चरण 1: एंजाइम का सब्सट्रेट से बंधकर सक्रिय संकुल बनाना।

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

चरण 2: सक्रिय संकुल का अपघटित होकर उत्पाद बनाना।

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

5.2.5 उद्योग में उत्प्रेरक

कुछ महत्वपूर्ण तकनीकी उत्प्रेरक प्रक्रियाओं को उद्योगों में उत्प्रेरकों की उपयोगिता के बारे में एक विचार देने के लिए तालिका 5.3 में सूचीबद्ध किया गया है।

प्रक्रिया	उत्प्रेरक
1. अमोनिया के निर्माण के लिए हेबर प्रक्रिया $\mathrm{N_2}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{NH_3}(\mathrm{~g})$	सूक्ष्म रूप से विभाजित लोहा, प्रवर्तक के रूप में मोलिब्डेनम; परिस्थितियाँ: 200 बार दबाव और $723-773 \mathrm{~K}$ ताप- मान। आजकल लौह ऑक्साइड, पोटैशियम ऑक्साइड और एल्युमिना के मिश्रण का प्रयोग किया जाता है।
2. नाइट्रिक अम्ल के निर्माण के लिए ऑस्टवाल्ड प्रक्रिया। $4 \mathrm{NH_3}(\mathrm{~g})+5 \mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 4 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{g})$ $2 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{NO_2}(\mathrm{~g})$ $4 \mathrm{NO_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 4 \mathrm{HNO_3}(\mathrm{aq})$	प्लैटिनाइज्ड ऐसबेस्टस; तापमान $573 \mathrm{~K}$।
3. सल्फ्यूरिक अम्ल के निर्माण के लिए कॉन्टेक्ट प्रक्रिया। $2 \mathrm{SO_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{SO_3}(\mathrm{~g})$ $\mathrm{SO_3}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{H_2} \mathrm{~S_2} \mathrm{O_7}(\mathrm{l})$ $\quad$ ओलियम $\mathrm{H_2} \mathrm{~S_2} \mathrm{O_7}(\mathrm{l})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}(\mathrm{aq})$	प्लैटिनाइज्ड ऐसबेस्टस या वैनेडियम पेंटॉक्साइड $\left(\mathrm{V_2} \mathrm{O_5}\right)$; तापमान $673-723 \mathrm{~K}$।

5.3 कोलॉइड

हमने इकाई 2 में सीखा है कि विलयन समांगी तंत्र होते हैं। हम यह भी जानते हैं कि पानी में मिलाया गया रेत जब हिलाया जाता है तो एक निलंबन बनता है, जो समय के साथ धीरे-धीरे तल पर बैठ जाता है। निलंबन और विलयन के इन दो चरमों के बीच हम एक बड़े समूह के तंत्रों से मिलते हैं जिन्हें कोलॉइडीय विसर्जन या सरलतः कोलॉइड कहा जाता है।

कोलॉइड एक विषम तंत्र है जिसमें एक पदार्थ (विसर्जित प्रावस्था) बहुत सूक्ष्म कणों के रूप में दूसरे पदार्थ, जिसे विसर्जन माध्यम कहा जाता है, में फैला होता है।

विलयन और कोलॉइड के बीच अनिवार्य अंतर कणों के आकार का है। जबकि विलयन में घटक कण आयन या छोटे अणु होते हैं, कोलॉइड में विसर्जित प्रावस्था एकल बृहदाणुकण (जैसे प्रोटीन या संश्लेषित बहुलक) या बहुत से परमाणुओं, आयनों या अणुओं के एक समूह से बने कणों से मिल सकती है। कोलॉइडीय कण सरल अणुओं से बड़े होते हैं परंतु निलंबित रहने के लिए पर्याप्त रूप से छोटे होते हैं। उनके व्यास की सीमा 1 से $1000 \mathrm{~nm}$ $\left(10^{-9}\right.$ से $\left.10^{-6} \mathrm{~m}\right)$ के बीच होती है।

कोलॉइड कण अपने छोटे आकार के कारण इकाई द्रव्यमान प्रति विशाल सतह क्षेत्र रखते हैं। एक घन लीजिए जिसकी भुजा $1 \mathrm{~cm}$ है। इसका कुल सतह क्षेत्र $6 \mathrm{~cm}^{2}$ है। यदि इसे समान रूप से $10^{12}$ घनों में विभाजित किया जाए, तो ये घन बड़े कोलॉइड कणों के आकार के होंगे और इनका कुल सतह क्षेत्र $60,000 \mathrm{~cm}^{2}$ या $6 \mathrm{~m}^{2}$ होगा। यह विशाल सतह क्षेत्र कोलॉइडों की कुछ विशेष गुणधर्माओं का कारण बनता है जिनकी चर्चा इस इकाई में आगे की जाएगी।

5.4 कोलॉइडों का वर्गीकरण

कोलॉइडों को निम्नलिखित मानदंडों के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है:

(i) विसर्जित प्रावस्था और विसर्जन माध्यम की भौतिक अवस्था

(ii) विसर्जित प्रावस्था और विसर्जन माध्यम के बीच अन्योन्यक्रिया की प्रकृति

(iii) विसर्जित प्रावस्था के कणों का प्रकार।

5.4.1 विसर्जित प्रावस्था और विसर्जन माध्यम की भौतिक अवस्था के आधार पर वर्गीकरण

इस बात पर निर्भर करते हुए कि विसर्जित प्रावस्था और विसर्जन माध्यम ठोस, द्रव या गैस हैं, आठ प्रकार के कोलॉइडी तंत्र संभव हैं। एक गैस जब दूसरी गैस के साथ मिलती है तो समांगी मिश्रण बनाती है और इसलिए यह कोलॉइडी तंत्र नहीं होता है। विभिन्न प्रकार के कोलॉइडों के उदाहरणों को उनके विशिष्ट नामों के साथ तालिका 5.4 में सूचीबद्ध किया गया है।

तालिका 5.4: कोलॉइडी तंत्रों के प्रकार

विसर्जित प्रावस्था	विसर्जन माध्यम		कोलॉइड का प्रकार
ठोस	ठोस	ठोस सॉल	कुछ रंगीन काँच और रत्न पत्थर
ठोस	द्रव	सॉल	पेंट, कोशिका द्रव
ठोस	गैस	एरोसॉल	धुआँ, धूल
द्रव	ठोस	जेल	पनीर, मक्खन, जेली
द्रव	द्रव	इमल्शन	दूध, हेयर क्रीम
द्रव	गैस	एरोसॉल	कोहरा, धुंध, बादल, कीटनाशक स्प्रे
गैस	ठोस	ठोस सॉल	प्यूमिस स्टोन, फोम रबड़
गैस	द्रव	फोम	झाग, व्हिप्ड क्रीम, साबुन का झाग

बहुत-सी परिचित वाणिज्यिक वस्तुएँ और प्राकृतिक वस्तुएँ कोलॉइड होती हैं। उदाहरण के लिए, व्हिप्ड क्रीम एक फोम है, जो गैस का द्रव में विसर्जन है। अग्निशामक फोम, जिनका उपयोग आपातकालीन हवाई जहाज़ की लैंडिंग में होता है, वे भी कोलॉइडीय प्रणालियाँ हैं। अधिकांश जैविक द्रव जलीय सॉल (पानी में विसर्जित ठोस) होते हैं। एक विशिष्ट कोशिका के भीतर प्रोटीन और न्यूक्लिक अम्ल आयनों और छोटे अणुओं के जलीय विलयन में विसर्जित कोलॉइड-आकार के कण होते हैं।

तालिका 5.4 में दी गई कोलॉइडों की विभिन्न प्रकारों में से सबसे सामान्य हैं सॉल (द्रव में ठोस), जेल (ठोस में द्रव) और इमल्शन (द्रव में द्रव)। तथापि, वर्तमान इकाई में हम केवल ‘सॉल’ और ‘इमल्शन’ की चर्चा करेंगे। आगे यह उल्लेख किया जा सकता है कि यदि विसर्जन माध्यम पानी है, तो सॉल को एक्वासॉल या हाइड्रोसॉल कहा जाता है और यदि विसर्जन माध्यम अल्कोहल है, तो उसे अल्कोसॉल कहा जाता है, इत्यादि।

5.4.2 विसर्जित प्रावस्था और विसर्जन माध्यम के बीच अन्योन्यक्रिया के स्वभाव के आधार पर वर्गीकरण

विसर्जित प्रावस्था और विसर्जन माध्यम के बीच अन्योन्यक्रिया के स्वभाव के आधार पर कोलॉइडी सॉल्स को दो श्रेणियों में विभाजित किया जाता है, अर्थात् लायोफिलिक (विलायक आकर्षित करने वाले) और लायोफोबिक (विलायक से प्रतिकर्षित करने वाले)। यदि जल विसर्जन माध्यम है, तो प्रयुक्त पद हैं हाइड्रोफिलिक और हाइड्रोफोबिक।

(i) लायोफिलिक कोलॉइड्स: ‘लायोफिलिक’ शब्द का अर्थ है द्रव-प्रेमी। कोलॉइडी सॉल्स जो सीधे गोंद, जिलेटिन, स्टार्च, रबर आदि जैसे पदार्थों को उपयुक्त द्रव (विसर्जन माध्यम) के साथ मिलाकर बनाए जाते हैं, लायोफिलिक सॉल्स कहलाते हैं। इन सॉल्स का एक महत्वपूर्ण लक्षण यह है कि यदि विसर्जन माध्यम को विसर्जित प्रावस्था से पृथक कर दिया जाए (मान लीजिए वाष्पीकरण द्वारा), तो सॉल को केवल विसर्जन माध्यम के साथ पुनः मिलाकर पुनर्गठित किया जा सकता है। इसीलिए इन सॉल्स को प्रतिवर्ती सॉल्स भी कहा जाता है। इसके अतिरिक्त, ये सॉल्स काफी स्थिर होते हैं और इन्हें आसानी से संघटित नहीं किया जा सकता जैसा कि आगे चर्चा की गई है।

(ii) ल्योफोबिक कोलॉइड: ‘ल्योफोबिक’ शब्द का अर्थ है तरल-विरोधी। धातुएँ, उनके सल्फाइड आदि पदार्थ जब केवल विसर्पी माध्यम के साथ मिलाए जाते हैं तो कोलॉइडल सॉल नहीं बनाते। इनके कोलॉइडल सॉल केवल विशेष विधियों द्वारा ही तैयार किए जा सकते हैं (जैसा कि बाद में चर्चा की गई है)। ऐसे सॉलों को ल्योफोबिक सॉल कहा जाता है। ये सॉल थोड़ी मात्रा में इलेक्ट्रोलाइट मिलाने, गर्म करने या हिलाने पर आसानी से अवक्षेपित (या संघटित) हो जाते हैं और इसलिए स्थिर नहीं होते हैं। इसके अतिरिक्त, एक बार अवक्षेपित हो जाने पर ये सरलतः विसर्पी माध्यम मिलाने पर पुनः कोलॉइडल सॉल नहीं बनाते। इसलिए इन्हें अनुत्क्रमणीय सॉल भी कहा जाता है। ल्योफोबिक सॉलों को संरक्षित रखने के लिए स्थिरकारी एजेंटों की आवश्यकता होती है।

5.4.3 विसर्पित प्रावस्था के कणों के प्रकार के आधार पर वर्गीकरण, बहु-आणविक, बृहदाणविक और सहबद्ध कोलॉइड

विसर्पित प्रावस्था के कणों के प्रकार पर निर्भर करते हुए कोलॉइडों को बहु-आणविक, बृहदाणविक और सहबद्ध कोलॉइडों में वर्गीकृत किया जाता है।

(i) बहु-आणविक कोलॉइड: विलयन के समय किसी पदार्थ के बड़ी संख्या में परमाणु या छोटे अणु एक साथ समूहित होकर कोलॉइडीय परास (1–1000 nm) के आकार वाली प्रजातियाँ बनाते हैं। इस प्रकार बनी प्रजातियों को बहु-आणविक कोलॉइड कहा जाता है। उदाहरण के लिए, एक गोल्ड सॉल में विभिन्न आकारों के ऐसे कण हो सकते हैं जिनमें कई परमाणु हों। सल्फर सॉल में ऐसे कण होते हैं जिनमें एक हजार या अधिक S₈ सल्फर अणु होते हैं।

(ii) उच्च आण्विक कोलॉइड: उपयुक्त विलायकों में उच्च आण्विक पदार्थ (इकाई 15) ऐसे विलयन बनाते हैं जिनमें उच्च आण्विकों का आकार कोलॉइडी सीमा में हो सकता है। ऐसी व्यवस्थाओं को उच्च आण्विक कोलॉइड कहा जाता है। ये कोलॉइड काफी स्थिर होते हैं और कई मायनों में सत्य विलयनों से मिलते-जुलते हैं। प्राकृत रूप से पाए जाने वाले उच्च आण्विकों के उदाहरण हैं मंड, सेल्युलोज, प्रोटीन और एंजाइम; और मानव-निर्मित उच्च आण्विकों के उदाहरण हैं पॉलीथीन, नायलॉन, पॉलिस्टाइरीन, संश्लिष्ट रबड़ आदि।

(iii) सहचारी कोलॉइड (मिसेल): कुछ ऐसे पदार्थ होते हैं जो कम सांद्रता पर सामान्य प्रबल विद्युत्-अपघट्यों की तरह व्यवहार करते हैं, पर उच्च सांद्रता पर समुच्चयों के निर्माण के कारण कोलॉइडी व्यवहार दिखाते हैं। इस प्रकार बने समुच्चित कणों को मिसेल कहा जाता है। इन्हें सहचारी कोलॉइड भी कहा जाता है। मिसेलों का निर्माण केवल एक विशिष्ट तापमान, जिसे क्राफ्ट तापमान $\left(\mathbf{T_\mathrm{k}}\right)$ कहा जाता है, और एक विशिष्ट सांद्रता, जिसे क्रांतिक मिसेल सांद्रता (CMC) कहा जाता है, से ऊपर ही होता है। तनुकरण पर ये कोलॉइड पुनः व्यक्तिगत आयनों में लौट जाते हैं। सतह-सक्रिय एजेंट जैसे साबुन और संश्लिष्ट अपमारक इस वर्ग में आते हैं। साबुनों के लिए CMC $10^{-4}$ से $10^{-3} \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1}$ होती है। इन कोलॉइडों में लायोफोबिक और लायोफिलिक दोनों प्रकार के भाग होते हैं। मिसेलों में 100 या अधिक अणु हो सकते हैं।

मिसेल निर्माण की क्रियाविधि

आइए साबुन के घोलों का उदाहरण लें। साबुन एक उच्च फैटी अम्ल का सोडियम या पोटैशियम लवण होता है और इसे $\mathrm{RCOO}^{-} \mathrm{Na}^{+}$के रूप में दर्शाया 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 प्रमुख घटक होता है)। जब इसे पानी में घोला जाता है, तो यह $\mathrm{RCOO}^{-}$ और $\mathrm{Na}^{+}$ आयनों में विघटित हो जाता है। $\mathrm{RCOO}^{-}$ आयन, हालांकि, दो भागों से बने होते हैं — एक लंबा हाइड्रोकार्बन श्रृंखला $\mathrm{R}$ (जिसे अध्रुवीय ‘पूंछ’ भी कहा जाता है) जो जल-विरोधी (पानी को दूर रखने वाली) होती है, और एक ध्रुवीय समूह $\mathrm{COO}^{-}$ (जिसे ध्रुवीय-आयनिक ‘सिर’ भी कहा जाता है), जो जल-प्रेमी (पानी से प्रेम करने वाला) होता है।

इसलिए $\mathrm{RCOO}^{-}$ आयन सतह पर उपस्थित होते हैं, जिनके $\mathrm{COO}$ समूह पानी में होते हैं और हाइड्रोकार्बन श्रृंखलाएं R उससे दूर रहती हैं और सतह पर बनी रहती हैं। लेकिन क्रिटिकल मिसेल सांद्रता पर, ऋणायनों को विलयन के थोक में खींच लिया जाता है और एक गोलाकार आकृति बनाने के लिए एकत्रित होते हैं, जिनकी हाइड्रोकार्बन श्रृंखलाएं गोले के केंद्र की ओर इशारा करती हैं और $\mathrm{COO}^{-}$ भाग गोले की सतह पर बाहर की ओर बना रहता है। इस प्रकार बना हुआ समुच्चय ‘आयनिक मिसेल’ के रूप में जाना जाता है। ये मिसेलें 100 तक ऐसे आयनों को समाहित कर सकती हैं।

इसी प्रकार, डिटर्जेंट्स के मामले में, उदाहरण के लिए सोडियम लॉरिल सल्फेट, (\mathrm{CH_3}\left(\mathrm{CH_2}\right)_{11} \mathrm{SO_4}{ }^{-} \mathrm{Na}^{+}), ध्रुवीय समूह (-\mathrm{SO_4}^{-})है जो लंबे हाइड्रोकार्बन श्रृंखला के साथ जुड़ा है। इसलिए, यहाँ मिसेल निर्माण की प्रक्रिया भी साबुनों की तरह ही है।

साबुन की सफाई क्रिया

पहले उल्लेख किया गया है कि एक मिसेल में हाइड्रोफोबिक हाइड्रोकार्बन जैसा केंद्रीय कोर होता है। साबुन की सफाई क्रिया इस तथ्य के कारण होती है कि साबुन के अणु तेल की बूंद के चारों ओर मिसेल इस प्रकार बनाते हैं कि स्टीयरेट आयनों का हाइड्रोफोबिक भाग तेल की बूंद के अंदर होता है और हाइड्रोफिलिक भाग ग्रीस की बूंद से बाहर की ओर काँटों की तरह फैला होता है (चित्र 5.7)। चूँकि ध्रुवीय समूह पानी के साथ अन्योन्यक्रिया कर सकते हैं, स्टीयरेट आयनों से घिरी तेल की बूंद अब पानी में खींची जाती है और गंदी सतह से हटा दी जाती है। इस प्रकार साबुन तेलों और वसाओं के पायसीकरण और धुलाई में मदद करता है। गोलियों के चारों ओर ऋणात्मक आवेशित आवरण उन्हें एक साथ आकर समुच्चय बनाने से रोकता है।

5.4.4 कोलॉइड्स की तैयारी

कोलॉइड्स की तैयारी की कुछ महत्वपूर्ण विधियाँ इस प्रकार हैं:

(a) रासायनिक विधियाँ : कोलॉइडल विसरण द्विघटन, ऑक्सीकरण, अपचयन या जलअपघटन द्वारा अणुओं के निर्माण की ओर ले जाने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं द्वारा तैयार किए जा सकते हैं। ये अणु फिर एकत्र होकर सॉल के निर्माण की ओर ले जाते हैं।

$$ \begin{aligned} & \mathrm{As_2} \mathrm{O_3}+3 \mathrm{H_2} \mathrm{~S} \xrightarrow{\text { द्विक्षेपण }} \mathrm{As_2} \mathrm{~S_3}(\mathrm{sol})+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \ & \mathrm{SO_2}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{~S} \xrightarrow{\text { ऑक्सीकरण }} 3 \mathrm{~S}\left(\text sol) +2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}\right. \ & 2 \mathrm{AuCl_3}+3 \mathrm{HCHO}+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \xrightarrow{\text { अपचयन }} 2 \mathrm{Au}(\mathrm{sol})+3 \mathrm{HCOOH}+6 \mathrm{HCl} \ & \mathrm{FeCl_3}+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \xrightarrow{\text { जलअपघटन }} \mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{3}(\mathrm{sol})+3 \mathrm{HCl} \end{aligned} $$

(b) विद्युत् विघटन या ब्रेडिग का आर्क विधि

इस प्रक्रिया में विसरण के साथ-साथ संघनन भी होता है। सोना, चाँदी, प्लैटिनम आदि धातुओं के कोलॉइडी सॉल इस विधि द्वारा तैयार किए जा सकते हैं। इस विधि में धातु के इलेक्ट्रोडों के बीच विसरण माध्यम में डूबे हुए विद्युत् चिनगारी (आर्क) प्रज्वलित की जाती है (चित्र 5.8)। उत्पन्न तीव्र ऊष्मा धातु को वाष्पित कर देती है, जो फिर संघनित होकर कोलॉइडी आकार के कण बनाती है।

(c) पेप्टाइज़ेशन

पेप्टाइज़ेशन को एक ऐसी प्रक्रिया के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जिसमें किसी अवक्षेप को किसी विसरण माध्यम के साथ थोड़ी मात्रा में विद्युत-अपघट्य की उपस्थिति में हिलाकर कोलॉइडल सॉल में बदला जाता है। इस उद्देश्य के लिए प्रयुक्त विद्युत-अपघट्य को पेप्टाइज़िंग एजेंट कहा जाता है। यह विधि प्रायः ताजे तैयार किए गए अवक्षेप को कोलॉइडल सॉल में बदलने के लिए प्रयोग की जाती है।

पेप्टाइज़ेशन के दौरान अवक्षेप विद्युत-अपघट्य के एक आयन को अपनी सतह पर अधिशोषित कर लेता है। इससे अवक्षेपों पर धनात्मक या ऋणात्मक आवेश विकसित होता है, जिससे वे अंततः कोलॉइड के आकार के छोटे कणों में टूट जाते हैं। ठोस कणों पर आवेश विकसित होने और उनके विसरण की घटना के बारे में आप खंड 5.4.6 में “कोलॉइडल कणों पर आवेश” शीर्षक के अंतर्गत सीखेंगे।

5.4.5 कोलॉइडल विलयन का शुद्धिकरण

जब कोलॉइडल विलयन तैयार किए जाते हैं, तो वे सामान्यतः विद्युत-अपघट्यों की अत्यधिक मात्रा और कुछ अन्य घुलनशील अशुद्धियों से युक्त होते हैं। जबकि कोलॉइडल विलयन की स्थिरता के लिए थोड़ी मात्रा में विद्युत-अपघट्य का होना आवश्यक होता है, अधिक मात्रा में वे इसे स्कंदित कर देते हैं। इसलिए इन घुलनशील अशुद्धियों की सांद्रता को आवश्यक न्यूनतम तक घटाना आवश्यक होता है। उस प्रक्रिया को कोलॉइडल विलयन का शुद्धिकरण कहा जाता है जिससे अशुद्धियों की मात्रा को आवश्यक न्यूनतम तक घटाया जाता है। कोलॉइडल विलयन का शुद्धिकरण निम्नलिखित विधियों द्वारा किया जाता है:

(i) डायलिसिस: यह एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें उपयुक्त झिल्ली के माध्यम से विसरण द्वारा कोलॉइडी विलयन से घुले हुए पदार्थ को हटाया जाता है। चूँकि सच्चे विलयन में उपस्थित कण (आयन या छोटे अणु) पशु झिल्ली (मूत्राशय) या पार्चमेंट पेपर या सेलोफ़ीन शीट से गुज़र सकते हैं, लेकिन कोलॉइडी कण नहीं, इसलिए इस झिल्ली का उपयोग डायलिसिस के लिए किया जा सकता है। इस उद्देश्य के लिए प्रयुक्त उपकरण को डायलाइज़र कहा जाता है। उपयुक्त झिल्ली का थैला जिसमें कोलॉइडी विलयन होता है, एक बर्तन में लटकाया जाता है जिससे ताज़ा पानी लगातार बहता रहता है (चित्र 5.9)। अणु और आयन झिल्ली के माध्यम से बाहर के पानी में विसरित हो जाते हैं और शुद्ध कोलॉइडी विलयन पीछे रह जाता है।

(ii) इलेक्ट्रो-डायलिसिस: सामान्यतः डायलिसिस की प्रक्रिया काफी धीमी होती है। यदि अशुद्ध कोलॉइडी विलयन में घुला हुआ पदार्थ केवल एक विद्युत-अपघट्य हो, तो विद्युत क्षेत्र लगाकर इस प्रक्रिया को तेज़ किया जा सकता है। इस प्रक्रिया को तब इलेक्ट्रोडायलिसिस कहा जाता है। कोलॉइडी विलयन को उपयुक्त झिल्ली के थैले में रखा जाता है जबकि बाहर शुद्ध पानी लिया जाता है। इलेक्ट्रोडों को डिब्बे में चित्र 5.10 के अनुसार लगाया जाता है। कोलॉइडी विलयन में उपस्थित आयन विपरीत आवेश वाले इलेक्ट्रोडों की ओर स्थानांतरित हो जाते हैं।

(iii) अल्ट्राफिल्ट्रेशन: अल्ट्राफिल्ट्रेशन वह प्रक्रिया है जिसमें कोलॉइडी कणों को विलायक और कोलॉइडी विलयन में उपस्थित घुलनशील घुलनशील पदार्थों से विशेष रूप से तैयार फिल्टरों द्वारा पृथक किया जाता है, जो कोलॉइडी कणों को छोड़कर सभी पदार्थों के लिए पारगम्य होते हैं। कोलॉइडी कण सामान्य फिल्टर पेपर से गुजर सकते हैं क्योंकि छिद्र बहुत बड़े होते हैं। हालांकि, फिल्टर पेपर के छिद्रों का आकार कोलोडियन विलयन में भिगोकर घटाया जा सकता है ताकि कोलॉइडी कणों के प्रवाह को रोका जा सके। सामान्य कोलोडियन अल्कोहल और ईथर के मिश्रण में 4% नाइट्रो-सेल्युलोज का विलयन होता है। एक अल्ट्रा-फिल्टर पेपर कोलोडियन विलयन में फिल्टर पेपर को भिगोकर, फॉर्मल्डिहाइड द्वारा कठोर करके और फिर अंत में सुखाकर तैयार किया जा सकता है। इस प्रकार, अल्ट्रा-फिल्टर पेपर का उपयोग करके कोलॉइडी कणों को शेष पदार्थों से पृथक किया जाता है। अल्ट्राफिल्ट्रेशन एक धीमी प्रक्रिया है। इस प्रक्रिया को तेज करने के लिए दबाव या सक्शन लगाया जाता है। अल्ट्रा-फिल्टर पेपर पर बचे हुए कोलॉइडी कणों को तब ताजा विसर्जन माध्यम (विलायक) के साथ हिलाकर एक शुद्ध कोलॉइडी विलयन प्राप्त किया जाता है।

5.4.6 कोलॉइडी विलयनों के गुण

कोलॉइडी विलयनों द्वारा प्रदर्शित विभिन्न गुण नीचे वर्णित हैं:

(i) सहचक गुण: कोलॉइड कण बड़े समूह होते हैं, इसलिए कोलॉइडीय विलयन में कणों की संख्या सच्चे विलयन की तुलना में अपेक्षाकृत कम होती है। इसलिए, सहचक गुणों (ओस्मोटिक दबाव, वाष्प दबाव में कमी, हिमांक में अवनमन और क्वथनांक में वृद्धि) के मान सच्चे विलयनों की तुलना में कम कोटि के होते हैं, यदि समान सांद्रता पर देखा जाए।

(ii) टिंडल प्रभाव: यदि एक समांगी विलयन को अंधेरे में रखकर प्रकाश की दिशा में देखा जाए, तो वह स्वच्छ प्रतीत होता है और यदि इसे प्रकाश पुंज की दिशा के लंबवत दिशा से देखा जाए, तो यह पूरी तरह से अंधेरा प्रतीत होता है। कोलॉइडीय विलयन भी इसी प्रकार देखे जाने पर पारगम्य प्रकाश द्वारा उचित रूप से स्वच्छ या पारदर्शी प्रतीत हो सकते हैं, लेकिन जब इन्हें प्रकाश के पथ के लंबवत देखा जाता है, तो ये हल्के से तीव्र धवलता दिखाते हैं, अर्थात् पुंज का पथ नीले प्रकाश से प्रबुद्ध होता है। यह प्रभाव सर्वप्रथम फैराडे ने देखा और बाद में टिंडल ने विस्तार से अध्ययन किया और इसे टिंडल प्रभाव कहा गया। प्रकाश का उज्जवल शंकु टिंडल शंकु कहलाता है (चित्र 5.11)। टिंडल प्रभाव इस तथ्य के कारण होता है कि कोलॉइड कण प्रकाश को अंतरिक्ष में सभी दिशाओं में प्रकीर्णित करते हैं। प्रकाश की यह प्रकीर्णन कोलॉइडीय विसर्जन में पुंज के पथ को प्रबुद्ध करता है।

टिंडल प्रभाव सिनेमा हॉल में चित्र प्रक्षेपण के दौरान देखा जा सकता है, क्योंकि वहाँ मौजूद धूल और धुएँ के कण प्रकाश को प्रकीर्णित करते हैं। टिंडल प्रभाव तभी दिखाई देता है जब निम्नलिखित दो शर्तें पूरी हों।

(i) विसर्जित कणों का व्यास प्रयुक्त प्रकाश की तरंगदैर्ध्य से बहुत छोटा न हो; और

(ii) विसर्जित प्रावस्था और विसर्जन माध्यम के अपवर्तनांकों में पर्याप्त अंतर हो।

टिंडल प्रभाव का उपयोग कोलॉइडीय और वास्तविक विलयन के बीच भेद करने के लिए किया जाता है। 1903 में ज़िगमंडी ने टिंडल प्रभाव का उपयोग कर एक उपकरण स्थापित किया जिसे अल्ट्रामाइक्रोस्कोप कहा जाता है। प्रकाश की एक तीव्र किरण कांच के बर्तन में रखे कोलॉइडीय विलयन पर केंद्रित की जाती है। फिर प्रकाश की किरण को लंबवत कोण से सूक्ष्मदर्शी से देखा जाता है। व्यक्तिगत कोलॉइडीय कण अंधेरे पृष्ठभूमि के विरुद्ध चमकते तारों के रूप में प्रकट होते हैं। अल्ट्रामाइक्रोस्कोप वास्तविक कोलॉइडीय कणों को दिखाई नहीं देता, बल्कि केवल उनके द्वारा प्रकीर्णित प्रकाश को देखता है। इस प्रकार, अल्ट्रामाइक्रोस्कोप कोलॉइडीय कणों के आकार और आकृति के बारे में कोई जानकारी नहीं देता।

(iii) रंग: कोलॉइडी विलयन का रंग विसरित कणों द्वारा परावर्तित प्रकाश की तरंगदैर्ध्य पर निर्भर करता है। प्रकाश की तरंगदैर्ध्य आगे कणों के आकार और प्रकृति पर निर्भर करती है। कोलॉइडी विलयन का रंग यह भी बदलता है कि प्रेक्षक प्रकाश को किस प्रकार ग्रहण करता है। उदाहरण के लिए, दूध और पानी के मिश्रण को परावर्तित प्रकाश में देखने पर नीला और अनुनादित प्रकाश में देखने पर लाल प्रतीत होता है। सबसे बारीक सोने का सॉल लाल रंग का होता है; जैसे-जैसे कणों का आकार बढ़ता है, यह बैंगनी, फिर नीला और अंत में सुनहरा दिखाई देता है।

(iv) ब्राउनी गति: जब कोलॉइडी विलयनों को शक्तिशाली अल्ट्रामाइक्रोस्कोप के अंतर्गत देखा जाता है, तो कोलॉइडी कण दृश्य क्षेत्र में सभी दिशाओं में लगातार ज़िग-ज़ैग गति में प्रतीत होते हैं। इस गति को सर्वप्रथम ब्रिटिश वनस्पतिशास्त्री रॉबर्ट ब्राउन ने देखा था और इसे ब्राउनी गति (चित्र 5.12) कहा जाता है। यह गति कोलॉइड की प्रकृति से स्वतंत्र होती है, परंतु कणों के आकार और विलयन की श्यानता पर निर्भर करती है। आकार छोटा हो और श्यानता कम हो तो गति तेज होती है।

ब्राउनी गति को इस आधार पर समझाया गया है कि विसरण माध्यम के अणु कणों पर असंतुलित टक्कर करते हैं। ब्राउनी गति में एक हलचल प्रभाव होता है जो कणों को बैठने नहीं देता और इस प्रकार यह सॉलों की स्थिरता के लिए उत्तरदायी है।

(v) कोलॉइडी कणों पर आवेश: कोलॉइडी कण सदैव विद्युत आवेश लेकर रहते हैं। इस आवेश का स्वभूत एक ही कोलॉइडी विलयन के सभी कणों पर समान होता है और यह धनात्मक या ऋणात्मक हो सकता है। कुछ सामान्य सॉल्स की सूची, जिनमें उनके कणों पर आवेश का स्वभूत नीचे दिया गया है:

कोलॉइडी कणों पर समान और समरूप आवेश की उपस्थिति कोलॉइडी विलयन को स्थायित्व प्रदान करने में बड़े पैमाने पर उत्तरदायी होती है, क्योंकि समान आवेश वाले आवेशित कणों के बीच प्रतिकर्षी बल उन्हें एक-दूसरे के निकट आने पर संयुक्त होने या एकत्रित होने से रोकते हैं।

सॉल कणों पर आवेश एक या अधिक कारणों से होता है, अर्थात् धातुओं के विद्युत-विक्षेपण के दौरान सॉल कणों द्वारा इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने से, विलयन से आयनों के वरीय अधिशोषण से और/या विद्युत द्वि-स्तर के निर्माण से। आयनों के वरीय अधिशोषण द्वारा सॉल कणों पर आवेश का विकास नीचे वर्णित है।

सॉल कण सकारात्मक या नकारात्मक आयनों के वरीय अधिशोषण द्वारा धनात्मक या ऋणात्मक आवेश प्राप्त करते हैं। जब विसरण माध्यम में दो या अधिक आयन उपस्थित होते हैं, तो सामान्यतः कोलॉइडी कण के सामान्य आयन का वरीय अधिशोषण होता है। इसे निम्नलिखित उदाहरणों द्वारा समझाया जा सकता है:

(a) जब सिल्वर नाइट्रेट विलयन को पोटैशियम आयोडाइड विलयन में मिलाया जाता है, तो अवक्षेपित सिल्वर आयोडाइड विसरण माध्यम से आयोडाइड आयनों को अधिशोषित करता है और ऋणावेशित कोलॉइडल सॉल बनता है। हालांकि, जब $\mathrm{KI}$ विलयन को $\mathrm{AgNO_3}$ विलयन में मिलाया जाता है, तो विसरण माध्यम से $\mathrm{Ag}^{+}$आयनों के अधिशोषण के कारण धनावेशित सॉल बनता है।

$\mathrm{AgI} / \mathrm{I}^{-}$	$\mathrm{AgI} / \mathrm{Ag}^{+}$
ऋणावेशित	धनावेशित

(b) यदि $\mathrm{FeCl_3}$ को अधिक गर्म पानी में मिलाया जाता है, तो $\mathrm{Fe}^{3+}$ आयनों के अधिशोषण के कारण हाइड्रेटेड फेरिक ऑक्साइड का धनावेशित सॉल बनता है। हालांकि, जब फेरिक क्लोराइड को $\mathrm{NaOH}$ में मिलाया जाता है, तो $\mathrm{OH}^{-}$आयनों के अधिशोषण के साथ एक ऋणावेशित सॉल प्राप्त होता है।

उपरोक्त वर्णित के अनुसार, एक कोलॉइडल कण की सतह पर चयनात्मक अधिशोषण द्वारा धनात्मक या ऋणात्मक आवेश प्राप्त करने के बाद, यह परत माध्यम से प्रतिपक्षी आयनों को आकर्षित करती है और एक द्वितीय परत बनाती है, जैसा कि नीचे दिखाया गया है।

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

कोलॉइड कण के चारों ओर विपरीत आवेशों की दो परतों के संयोजन को हेल्महोल्ट्ज़ विद्युत द्विस्तर कहा जाता है। आधुनिक दृष्टिकोण के अनुसार, आयनों की पहली परत दृढ़ता से बंधी होती है और इसे स्थिर परत कहा जाता है, जबकि दूसरी परत चलायमान होती है जिसे विसरित परत कहा जाता है। आकृति 5.13 द्विस्तर के निर्माण को दर्शाती है। चूँकि आवेश का पृथक्करण विभव का केंद्र होता है, द्विस्तर की स्थिर तथा विसरित भागों पर विपरीत चिह्नों के आवेशों के कारण इन परतों के बीच उसी प्रकार विभव अंतर उत्पन्न होता है जैसा कि एक संधारित्र में विभव अंतर विकसित होता है। विपरीत आवेशों की स्थिर परत और विसरित परत के बीच यह विभव अंतर विद्युतगतिकीय विभव या ज़ीटा विभव कहलाता है।

यदि अघुलनशील पदार्थ (अवक्षेप) के दो कणों के पास द्विस्तर नहीं होते हैं, तो वे पर्याप्त निकट आ सकते हैं और आकर्षी वान डर वाल्स बल उन्हें एक साथ खींच लेते हैं। जब कणों में आकृति 5.13 के अनुसार द्विस्तर होता है, तो समग्र प्रभाव यह होता है कि वे बड़ी दूरी पर एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। यह प्रतिकर्षण उनके निकट आने से रोकता है। वे विसरित रहते हैं और कोलॉइड स्थिर हो जाता है।

सॉल में और अधिक विद्युत्-अपघट्य डालने से विसरित द्विस्तर दब जाता है और ज़ीटा विभव घट जाता है। इससे कणों के बीच स्थिरवैद्युत प्रतिकर्षण बड़ी हद तक कम हो जाता है और कोलॉइड अवक्षेपित हो जाता है। इसीलिए कोलॉइड विपरीत आवेशित आयनों के प्रति विशेष रूप से संवेदनशील होता है।

(vi) विद्युतअपोहन (Electrophoresis): कोलॉइडी कणों पर आवेश की उपस्थिति विद्युतअपोहन प्रयोग द्वारा पुष्टि की जाती है। जब कोलॉइडी विलयन में डूबे दो प्लैटिनम इलेक्ट्रोडों के पार विद्युत विभव लगाया जाता है, तो कोलॉइडी कण एक या दूसरे इलेक्ट्रोड की ओर गति करते हैं। आवेदित विद्युत विभव के अंतर्गत कोलॉइडी कणों की गति को विद्युतअपोहन कहा जाता है। धनात्मक आवेशित कण कैथोड की ओर गति करते हैं जबकि ऋणात्मक आवेशित कण एनोड की ओर। इसे निम्न प्रयोगात्मक व्यवस्था (चित्र 5.14) द्वारा प्रदर्शित किया जा सकता है।

जब विद्युतअपोहन, अर्थात् कणों की गति किसी उपयुक्त साधन द्वारा रोक दी जाती है, तो यह प्रेक्षित होता है कि विसरण माध्यम विद्युत क्षेत्र में गति करने लगता है। इस घटना को विद्युतस्राव (electroosmosis) कहा जाता है।

(vii) संक्षेपण या अवक्षेपण: लायोफोबिक सॉल की स्थिरता कोलॉइडी कणों पर उपस्थित आवेश के कारण होती है। यदि किसी प्रकार आवेश हटा दिया जाए, तो कण एक-दूसरे के निकट आकर समूह बनाएँगे (या संक्षेपित होंगे) और गुरुत्वाकर्षण बल के अंतर्गत तल पर बैठ जाएँगे।

कोलॉइडी कणों के तल पर बैठने की प्रक्रिया को सॉल का संक्षेपण या अवक्षेपण कहा जाते हैं। लायोफोबिक सॉलों का संक्षेपण निम्न तरीकों से किया जा सकता है:

(i) विद्युतअपोहन द्वारा: कोलॉइडी कण विपरीत आवेशित इलेक्ट्रोडों की ओर गति करते हैं, आवेशहीन होकर अवक्षेपित हो जाते हैं।

(ii) विपरीत आवेश युक्त सॉलों को मिलाकर: लगभग बराबर अनुपात में मिलाने पर विपरीत आवेश युक्त सॉल एक-दूसरे का आवेश निष्फल कर देते हैं और आंशिक या पूर्ण रूप से अवक्षेपित हो जाते हैं। हाइड्रेटेड फेरिक ऑक्साइड (+ve सॉल) और आर्सेनियस सल्फाइड (–ve सॉल) को मिलाने से वे अवक्षेपित रूप में आ जाते हैं। इस प्रकार के संघनन को पारस्परिक संघनन कहा जाता है।

(iii) उबालकर: जब किसी सॉल को उबाला जाता है, तो विसरित माध्यम के अणुओं से बढ़े हुए टकराव के कारण अधिशोषित परत विचलित हो जाती है। इससे कणों पर आवेश घट जाता है और अंततः वे अवक्षेप के रूप में तल में बैठ जाते हैं।

(iv) निरंतर डायलिसिस द्वारा: लंबे समय तक डायलिसिस करने पर सॉल में मौजूद इलेक्ट्रोलाइट के अंश लगभग पूरी तरह निकल जाते हैं और कोलॉइड अस्थिर हो जाते हैं जिससे अंततः संघनन होता है।

(v) इलेक्ट्रोलाइटों की अधिकता डालकर: जब किसी इलेक्ट्रोलाइट की अधिकता डाली जाती है, तो कोलॉइड कण अवक्षेपित हो जाते हैं। इसका कारण यह है कि कोलॉइड स्वयं पर मौजूद आवेश के विपरीत आवेश वाले आयनों से संपर्क करते हैं, जिससे निष्फलन होता है और वे संघनित हो जाते हैं। कणों पर आवेश निष्फल करने वाले आयन को संघननकारी आयन कहा जाता है। एक ऋणात्मक आयन धनात्मक आवेश युक्त सॉल को अवक्षेपित करता है और इसका विपरीत भी सत्य है।

यह प्रेक्षित किया गया है कि, सामान्यतः, जितना अधिक वैलेन्स होता है जोड़े गए फ्लॉक्युलेटिंग आयन का, उतनी ही अधिक उसकी अवक्षेपण कराने की शक्ति होती है। इसे हार्डी-शुल्ज़ नियम कहा जाता है। एक ऋणात्मक सॉल के संक्षेपण में, फ्लॉक्युलेटिंग शक्ति इस क्रम में होती है: $\mathrm{Al}^{3+}>\mathrm{Ba}^{2+}>\mathrm{Na}^{+}$

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

एक विद्युत्-अपघट्य की वह न्यूनतम सांद्रता जो मिलीमोल प्रति लिटर में हो और जो दो घंटे में किसी सॉल के अवक्षेपण के लिए आवश्यक हो, संक्षेपण मान कहलाती है। जितनी कम मात्रा की आवश्यकता होगी, उतनी ही अधिक होगी किसी आयन की संक्षेपण शक्ति।

लायोफिलिक सॉलों का संक्षेपण

दो कारक होते हैं जो लायोफिलिक सॉलों की स्थिरता के लिए उत्तरदायी होते हैं। ये कारक हैं कोलॉइडीय कणों का आवेश और सॉल्वेशन। जब इन दोनों कारकों को हटा दिया जाता है, तो एक लायोफिलिक सॉल संक्षेपित किया जा सकता है। यह (i) कोई विद्युत्-अपघट्य जोड़कर और (ii) कोई उपयुक्त विलायक जोड़कर किया जाता है। जब ऐसे विलायक जैसे एल्कोहल और एसीटोन हाइड्रोफिलिक सॉलों में जोड़े जाते हैं, तो विसरित प्रावस्था का निर्जलीकरण होता है। इस स्थिति में, थोड़ी-सी मात्रा में विद्युत्-अपघट्य संक्षेपण ला सकता है।

कोलॉइडों का संरक्षण

लायोफिलिक सॉल्स लायोफोबिक सॉल्स की तुलना में अधिक स्थायी होते हैं। यह इसलिए है क्योंकि लायोफिलिक कोलॉइड्स व्यापक रूप से सॉल्वेटेड होते हैं, अर्थात् कोलॉइडल कण उस द्रव की एक परत से ढके होते हैं जिसमें वे विसर्जित होते हैं।

लायोफिलिक कोलॉइड्स में लायोफोबिक कोलॉइड्स की रक्षा करने की एक अनोखी क्षमता होती है। जब लायोफिलिक सॉल को लायोफोबिक सॉल में मिलाया जाता है, तो लायोफिलिक कण लायोफोबिक कणों के चारों ओर एक परत बना देते हैं और इस प्रकार उन्हें इलेक्ट्रोलाइट्स से बचाते हैं। इस उद्देश्य के लिए प्रयुक्त लायोफिलिक कोलॉइड्स को सुरक्षात्मक कोलॉइड्स कहा जाता है।

5.5 इमल्शन

ये द्रव-द्रव कोलॉइडल प्रणालियाँ होती हैं, अर्थात् एक द्रव में सूक्ष्म बूंदों का विसर्जन। यदि दो अमिश्रणशील या आंशिक रूप से मिश्रणशील द्रवों को हिलाया जाए, तो एक द्रव में दूसरे द्रव का एक मोटा विसर्जन प्राप्त होता है जिसे इमल्शन कहा जाता है। सामान्यतः, दो द्रवों में से एक पानी होता है। इमल्शन दो प्रकार के होते हैं। (i) तेल जल में विसर्जित (O/W प्रकार) और (ii) पानी तेल में विसर्जित (W/O प्रकार)।

पहली प्रणाली में, पानी विसर्जन माध्यम के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार के इमल्शन के उदाहरण हैं दूध और वैनिशिंग क्रीम। दूध में, तरबूरी वसा पानी में विसर्जित होती है। दूसरी प्रणाली में, तेल विसर्जन माध्यम के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार के सामान्य उदाहरण हैं मक्खन और क्रीम।

तेल-जल इमल्शन अस्थिर होते हैं और कभी-कभी खड़े रहने पर ये दो परतों में अलग हो जाते हैं। एक इमल्शन को स्थिर बनाने के लिए, आमतौर पर एक तीसरा घटक जिसे इमल्सीफाइंग एजेंट कहा जाता है, मिलाया जाता है। इमल्सीफाइंग एजेंट निलंबित कणों और माध्यम के बीच एक इंटरफेसियल फिल्म बनाता है। O/W इमल्शनों के प्रमुख इमल्सीफाइंग एजेंट प्रोटीन, गम, प्राकृतिक और सिंथेटिक साबुन आदि होते हैं, और W/O के लिए फैटी एसिड के भारी धातु लवण, लंबी श्रृंखला वाले अल्कोहल, लैंपब्लैक आदि होते हैं।

इमल्शनों को किसी भी मात्रा में विसरण माध्यम के साथ तनु किया जा सकता है। दूसरी ओर, जब विसृत द्रव मिलाया जाता है, तो यह एक अलग परत बनाता है। इमल्शनों में बूंदें अक्सर ऋणात्मक आवेशित होती हैं और इलेक्ट्रोलाइटों द्वारा अवक्षेपित की जा सकती हैं। वे ब्राउनियन गति और टिंडल प्रभाव भी दिखाते हैं। इमल्शनों को गर्म करने, जमाने, सेंट्रीफ्यूजिंग आदि द्वारा उनके घटक द्रवों में विघटित किया जा सकता है।

5.6 हमारे आस-पास कोलॉइड

अधिकांश पदार्थ जो हम अपने दैनिक जीवन में देखते हैं, कोलॉइड होते हैं। भोजन जो हम खाते हैं, कपड़े जो हम पहनते हैं, लकड़ी का फर्नीचर जिसका हम उपयोग करते हैं, घर जिनमें हम रहते हैं, अखबार जो हम पढ़ते हैं, ये सब काफी हद तक कोलॉइडों से बने होते हैं।

निम्नलिखित कोलॉइडों के रोचक और उल्लेखनीय उदाहरण हैं:

(i) आकाश का नीला रंग: वायु में निलंबित धूल के कण और जल मिलकर नीली रोशनी को बिखेरते हैं जो हमारी आंखों तक पहुंचती है और आकाश हमें नीला दिखाई देता है।

(ii) कोहरा, धुंध और वर्षा: जब धूल के कणों से भरी हवा की एक बड़ी मात्रा अपने ओस बिंदु से नीचे ठंडी हो जाती है, तो हवा की नमी इन कणों की सतहों पर संघनित होकर सूक्ष्म बूंदें बनाती है। ये बूंदें कोलॉइड प्रकृति की होने के कारण हवा में धुंध या कोहरे के रूप में तैरती रहती हैं। बादल वायुमंडल में निलंबित पानी की छोटी बूंदों वाले एरोसॉल होते हैं। ऊपरी वायुमंडल में संघनन के कारण पानी की कोलॉइड बूंदें आकार में बड़ी और बड़ी होती जाती हैं, जब तक कि वे वर्षा के रूप में नीचे नहीं गिरती हैं। कभी-कभी वर्षा तब होती है जब दो विपरीत आवेशित बादल आपस में मिलते हैं।

कृत्रिम वर्षा करना संभव है, जब विमान से विद्युतीकृत रेत फेंकी जाती है या ऐसा सॉल छिड़का जाता है जिसका आवेश बादलों के आवेश के विपरीत हो।

(iii) खाद्य पदार्थ: दूध, मक्खन, हलवा, आइसक्रीम, फलों के रस आदि सभी किसी न किसी रूप में कोलॉइड होते हैं।

(iv) रक्त: यह एक ऐल्बुमिनॉयड पदार्थ का कोलॉइडी विलयन है। फिटकरी और फेरिक क्लोराइड विलयन की रक्तस्तंभक क्रिया रक्त के थक्के बनने के कारण होती है जो आगे के रक्तस्राव को रोकता है।

(v) मिट्टी: उपजाऊ मिट्टियाँ कोलॉइड प्रकृति की होती हैं जिनमें ह्यूमस एक सुरक्षात्मक कोलॉइड के रूप में कार्य करता है। कोलॉइड प्रकृति के कारण मिट्टियाँ नमी और पोषक तत्वों को सोख लेती हैं।

(vi) डेल्टा का निर्माण: नदी का जल मिट्टी का कोलॉइडी घोल होता है। समुद्र का जल कई विद्युत-अपघट्य यौगिकों से युक्त होता है। जब नदी का जल समुद्र के जल से मिलता है, तो समुद्री जल में उपस्थित विद्युत-अपघट्य मिट्टी के कोलॉइडी घोल का स्कंदन कर देते हैं, जिससे उसका निक्षेपण होता है और डेल्टा का निर्माण होता है।

कोलॉइड्स के अनुप्रयोग

कोलॉइड्स का उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। कुछ उदाहरण निम्नलिखित हैं:

(i) धुएँ का विद्युत निक्षेपण: धुआँ वायु में ठोस कणों जैसे कार्बन, आर्सेनिक यौगिक, धूल आदि का कोलॉइडी घोल होता है। धुएँ को चिमनी से बाहर निकलने से पहले एक ऐसे कक्ष से गुजारा जाता है जिसमें प्लेटें होती हैं जिन पर धुएँ के कणों के विपरीत आवेश होता है। ये कण प्लेटों के संपर्क में आते ही अपना आवेश खो देते हैं और निक्षेपित हो जाते हैं। इस प्रकार कण कक्ष की फर्श पर बैठ जाते हैं। इस निक्षेपित्र को कॉट्रेल निक्षेपित्र (Fig.5.16) कहा जाता है।

(ii) पेयजल का शुद्धिकरण: प्राकृतिक स्रोतों से प्राप्त जल में प्रायः निलंबित अशुद्धियाँ होती हैं। ऐसे जल में फिटकरी मिलाई जाती है ताकि निलंबित अशुद्धियाँ स्कंदित हो जाएँ और जल पीने योग्य बन जाए।

(iii) औषधियाँ: अधिकांश औषधियाँ कोलॉइडी प्रकृति की होती हैं। उदाहरण के लिए, आर्गिरोल एक चांदी का सॉल है जिसे आँखों की लोशन के रूप में प्रयोग किया जाता है। कोलॉइडी एंटीमनी कालाजार के इलाज में प्रयोग होती है। कोलॉइडी सोना इंट्रामस्क्युलर इंजेक्शन के लिए प्रयोग किया जाता है। मिल्क ऑफ मैग्नीशिया, एक इमल्शन, पेट के विकारों के लिए प्रयोग की जाती है। कोलॉइडी औषधियाँ अधिक प्रभावी होती हैं क्योंकि इनका सतह क्षेत्र बड़ा होता है और इसलिए ये आसानी से आत्मसात हो जाती हैं।

(iv) टैनिंग: पशु चमड़ियाँ कोलॉइडी प्रकृति की होती हैं। जब एक चमड़ी, जिसमें धनात्मक आवेशित कण होते हैं, को टैनिन में भिगोया जाता है, जिसमें ऋणात्मक आवेशित कोलॉइडी कण होते हैं, तो पारस्परिक स्कंदन होता है। इससे चमड़ा कठोर हो जाता है। इस प्रक्रिया को टैनिंग कहा जाता है। टैनिन के स्थान पर क्रोमियम लवण भी प्रयोग किए जाते हैं।

(v) साबुन और डिटर्जेंटों की सफाई क्रिया: इसे पहले ही खंड 5.4.3 में वर्णित किया जा चुका है।

(vi) फोटोग्राफिक प्लेटें और फिल्में: फोटोग्राफिक प्लेटें या फिल्में तैयार की जाती हैं by coating an emulsion of the light sensitive silver bromide in gelatin over glass plates or celluloid films.

(vii) रबर उद्योग: लेटेक्स रबर कणों का एक कोलॉइडी विलयन है जो ऋणात्मक आवेशित होते हैं। रबर लेटेक्स के स्कंदन द्वारा प्राप्त किया जाता है।

(viii) औद्योगिक उत्पाद: पेंट, स्याही, सिंथेटिक प्लास्टिक, रबर, ग्रेफाइट स्नेहक, सीमेंट आदि सभी कोलॉइडी विलयन हैं।

सारांश

अधिशोषण एक ऐसी घटना है जिसमें किसी पदार्थ के अणु किसी ठोस की सतह पर आकर्षित होकर बने रहते हैं, जिससे सतह पर आयतन की तुलना में अधिक सांद्रता हो जाती है। जो पदार्थ अधिशोषित होता है उसे अधिशोषित और जिस ठोस पर अधिशोषण होता है उसे अधिशोषक कहा जाता है। भौतिक अधिशोषण में, अधिशोषित दुर्बल वान डर वाल्स बलों द्वारा अधिशोषक से जुड़ा रहता है, और रासायनिक अधिशोषण में अधिशोषित प्रबल रासायनिक बंध द्वारा अधिशोषक से जुड़ा रहता है। लगभग सभी ठोस गैसों को अधिशोषित करते हैं। किसी ठोस पर गैस के अधिशोषण की मात्रा गैस की प्रकृति, ठोस की प्रकृति, ठोस का सतह क्षेत्रफल, गैस का दाब और गैस के ताप पर निर्भर करती है। नियत ताप पर अधिशोषण की मात्रा (x/m) और गैस के दाब के बीच का संबंध अधिशोषण समतापी कहलाता है।

उत्प्रेरक एक ऐसा पदार्थ है जो रासायनिक अभिक्रिया की दर को बढ़ाता है पर स्वयं अभिक्रिया में खपता नहीं। उत्प्रेरक का उपयोग करने की इस घटना को उत्प्रेरण कहा जाता है। समजात उत्प्रेरण में उत्प्रेरक अभिकारकों के समान ही प्रावस्था में होता है, और विषमजात उत्प्रेरण में उत्प्रेरक अभिकारकों से भिन्न प्रावस्था में होता है।

कोलॉइडी द्रावण सच्चे द्रावण और निलंबनों के बीच मध्यवर्ती होते हैं। कोलॉइडी कणों का आकार 1 से 1000 नैनोमीटर तक होता है। एक कोलॉइडी तंत्र में दो चरण होते हैं — विसर्जित चरण और विसर्जन माध्यम। कोलॉइडी तंत्रों को तीन तरीकों से वर्गीकृत किया जाता है: (i) विसर्जित चरण और विसर्जन माध्यम की भौतिक अवस्थाओं के आधार पर, (ii) विसर्जित चरण और विसर्जन माध्यम के बीच अंतःक्रिया की प्रकृति के आधार पर, और (iii) विसर्जित चरण के कणों की प्रकृति के आधार पर। कोलॉइडी तंत्र रोचक प्रकाशीय, यांत्रिक और विद्युत गुण दिखाते हैं। किसी उपयुक्त विद्युत-अपघट्य को मिलाकर सॉल में उपस्थित कोलॉइडी कणों को अविलेय अवक्षेप में बदलने की प्रक्रिया को संक्षेपण (coagulation) कहा जाता है। इमल्शन ऐसे कोलॉइडी तंत्र हैं जिनमें विसर्जित चरण और विसर्जन माध्यम दोनों द्रव होते हैं। ये दो प्रकार के हो सकते हैं: (i) तेल-जल-प्रकार और (ii) जल-तेल-प्रकार। इमल्शन बनाने की प्रक्रिया को इमल्सिफिकेशन कहा जाता है। इमल्शन को स्थिर बनाने के लिए एक इमल्सिफाइंग एजेंट या इमल्सिफायर मिलाया जाता है। साबुन और डिटर्जेंट सबसे अधिक प्रयुक्त होने वाले इमल्सिफायर हैं। कोलॉइड्स का उद्योग में और दैनिक जीवन में कई अनुप्रयोग हैं।