अणू व रेणू रचना – सामान्य विज्ञान (Science) Notes

अणू व रेणू रचना (Atomic and Molecular Structure): सर्व प्रकारचे पदार्थ हे अत्यंत सूक्ष्म कणांनी बनलेले असतात. द्रव्याच्या या सूक्ष्म घटकांना ‘अणू’ (Atom) आणि ‘रेणू’ (Molecule) म्हणतात. MPSC, पोलीस भरती, तलाठी व इतर स्पर्धा परीक्षांच्या दृष्टीने रसायनशास्त्रातील हा अत्यंत महत्त्वाचा मूलभूत घटक आहे. या घटकामध्ये अणूचे विविध सिद्धांत, अणूप्रभूत कण (Subatomic Particles), इलेक्ट्रॉन संरूपण, समस्थानिके आणि रासायनिक बंध यांवर सातत्याने प्रश्न विचारले जातात.

१. अणू आणि रेणू: मूलभूत संकल्पना

अणू (Atom): द्रव्याचा असा सूक्ष्म कण जो स्वतंत्रपणे अस्तित्वात राहू शकतो किंवा नाही, परंतु रासायनिक अभिक्रियेत भाग घेणारा तो सर्वात लहान कण असतो. अणू ही संकल्पना भारतीय तत्त्ववेत्ते महर्षी कणाद (इ.स. पूर्व ६ वे शतक) यांनी मांडली व त्याला ‘परमाणू’ असे नाव दिले. ग्रीक तत्त्ववेत्ता डेमॉक्रिटस याने या कणाला ‘Atomos’ (ज्याचे तुकडे करता येत नाहीत असा) असे नाव दिले.
रेणू (Molecule): दोन किंवा अधिक अणू जेव्हा रासायनिक बंधाने एकत्र येतात, तेव्हा ‘रेणू’ बनतो. रेणू हा स्वतंत्रपणे अस्तित्वात राहू शकतो आणि तो त्या पदार्थाचे सर्व गुणधर्म दर्शवतो.

२. अणू सिद्धांताचा इतिहास आणि अणू प्रारूपे (Atomic Models)

A. डाल्टनचा अणू सिद्धांत (John Dalton – 1803)

द्रव्य हे अणूंपासून बनलेले असते आणि अणू हे अविभाज्य आणि नॅशवंत (Indestructible) असतात.
एकाच मूलद्रव्याचे सर्व अणू वस्तुमान आणि गुणधर्माच्या बाबतीत समान असतात.
वेगवेगळ्या मूलद्रव्यांचे अणू भिन्न असतात.
डाल्टनच्या प्रारूपानुसार अणू हा एखाद्या कडक भरीव गोलासारखा (Hard sphere) असतो.

B. थॉमसनचे प्लम पुडिंग प्रारूप (J.J. Thomson – 1897)

सर जे. जे. थॉमसन यांनी इलेक्ट्रॉनचा शोध लावला (कॅथोड किरणांच्या प्रयोगाद्वारे).
त्यांच्या सिद्धांताला ‘पडिंग मॉडल’ किंवा ‘कलिंगड प्रारूप’ (Watermelon Model) म्हणतात.
अणू हा धनप्रभारीत गोलासारखा असतो आणि त्यात ऋणप्रभारीत इलेक्ट्रॉन रोवलेले (Embedded) असतात.
अणूवर एकूण धनप्रभार आणि ऋणप्रभार समान असल्याने अणू विद्युतदृष्ट्या उदासीन (Electrically Neutral) असतो.

C. रुदरफोर्डचे केंद्रकीय अणू प्रारूप (Ernest Rutherford – 1911)

रुदरफोर्ड यांनी सोन्याच्या अतिशय पातळ पत्र्यावर अल्फा ($\alpha$) कणांचा मारा करून प्रसिद्ध प्रयोग केला.
निष्कर्ष:
- बहुतांश अल्फा कण पत्र्यातून सरळ निघून गेले, यावरून अणूचा बहुतांश भाग मोकळा (पोकळ) असतो.
- काही थोडे कण मूळ मार्गापासून विचलित झाले, यावरून अणूच्या केंद्रस्थानी धनप्रभारीत सूक्ष्म भाग असतो.
शोध: रुदरफोर्ड यांनी अणूच्या केंद्रकाचा (Nucleus) शोध लावला. केंद्रकात अणूचे जवळजवळ सर्व वस्तुमान एकवटलेले असते.

D. बोहरचे स्थायी कक्षा अणू प्रारूप (Niels Bohr – 1913)

इलेक्ट्रॉन्स केंद्रकाभोवती ठराविक त्रिज्या असलेल्या वर्तुळाकार कक्षांमध्ये (Orbits / Shells) परिभ्रमण करतात.
विशिष्ट कक्षेत फिरताना इलेक्ट्रॉनची ऊर्जा स्थिर असते (Stationary Orbits).
जेव्हा इलेक्ट्रॉन आतील कक्षेतून बाहेरील कक्षेत जातो तेव्हा तो ऊर्जा शोषून घेतो; तर बाहेरील कक्षेतून आतील कक्षेत येताना ऊर्जा उत्सर्जित करतो.

💡 महत्वाचे: अणूच्या केंद्रकाचा शोध अर्नेस्ट रुदरफोर्ड यांनी लावला, म्हणूनच त्यांना ‘न्यूक्लियर फिजिक्सचे जनक’ (Father of Nuclear Physics) म्हटले जाते.

३. अणूप्रभूत कण (Subatomic Particles)

अणू प्रामुख्याने तीन मूलभूत कणांनी बनलेला असतो: प्रोटॉन (Proton), इलेक्ट्रॉन (Electron), आणि न्यूट्रॉन (Neutron).

मूलभूत कण (Particle)	संज्ञा (Symbol)	विद्युत प्रभार (Charge)	वस्तुमान (Mass)	शोधक (Discoverer)	स्थान (Location)
प्रोटॉन (Proton)	$p$ / $p^+$	धनप्रभारीत (+1.6 × 10^-19 C)	1.672 × 10^-27 kg (1 amu)	अर्नेस्ट रुदरफोर्ड (1919)	अणूचे केंद्रक (Nucleus)
इलेक्ट्रॉन (Electron)	$e$ / $e^-$	ऋणप्रभारीत (-1.6 × 10^-19 C)	9.1 × 10^-31 kg (नगण्य)	जे. जे. थॉमसन (1897)	केंद्रकाबाहेरील कक्षा
न्यूट्रॉन (Neutron)	$n$ / $n^0$	उदासीन (प्रभाररहित, 0)	1.674 × 10^-27 kg (1 amu)	जेम्स चॅडविक (1932)	अणूचे केंद्रक (Nucleus)

💡 परीक्षाभिमुख तथ्य: हायड्रोजनच्या ($^1_1H$) अणूमध्ये न्यूट्रॉन नसतो. हा न्यूट्रॉन नसलेला एकमेव अपवाद आहे.

४. अणुक्रमांक आणि अणुवस्तुमानांक (Atomic Number & Atomic Mass Number)

A. अणुक्रमांक (Atomic Number – Z)

अणूच्या केंद्रकात असणाऱ्या एकूण प्रोटॉनची संख्या म्हणजे त्या मूलद्रव्याचा अणुक्रमांक होय.
उदासीन अणूमध्ये प्रोटॉनची संख्या = इलेक्ट्रॉनची संख्या.
अणुक्रमांक हा ‘Z’ या अक्षराने दर्शवला जातो.

B. अणुवस्तुमानांक (Atomic Mass Number – A)

अणूच्या केंद्रकातील प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन यांच्या एकूण संख्येची बेरीज म्हणजे अणुवस्तुमानांक होय.
अणुवस्तुमानांक हा ‘A’ या अक्षराने दर्शवला जातो.
प्रोटॉन आणि न्यूट्रॉन यांना एकत्रितपणे ‘न्यूक्लिऑन्स’ (Nucleons) म्हणतात.

सूत्र: $A = P + N$ (म्हणजेच, अणुवस्तुमानांक = प्रोटॉन संख्या + न्यूट्रॉन संख्या)
न्यूट्रॉन संख्या ($N$) = $A – Z$

५. समस्थानिके, समभार आणि समन्यूट्रॉनिक

प्रकार	अणुक्रमांक (Z)	अणुवस्तुमानांक (A)	गुणधर्म / उदाहरणे
समस्थानिके (Isotopes)	समान	भिन्न	रासायनिक गुणधर्म समान असतात. उदा. हायड्रोजन: प्रोटियम ($^1_1H$), ड्युटेरियम ($^2_1H$), ट्रिटियम ($^3_1H$). Carbon-12 व Carbon-14.
समभार (Isobars)	भिन्न	समान	भौतिक व रासायनिक गुणधर्म भिन्न असतात. उदा. $^{40}_{18}Ar$ (आर्गॉन) आणि $^{40}_{20}Ca$ (कॅल्शियम).
समन्यूटॉनिक (Isotones)	भिन्न	भिन्न	न्यूट्रॉनची संख्या समान ($A-Z$ समान). उदा. $^{14}_6C$ आणि $^{16}_8O$ (दोघांमध्ये ८ न्यूट्रॉन).

समस्थानिकांचे व्यावहारिक उपयोग (Applications of Isotopes) – अत्यंत महत्त्वाचे:

युरेनियम-२३५ (U-235): अणुकेंद्री विखंडन (Nuclear Fission) व ऊर्जा निर्मितीसाठी.
कोबाल्ट-६० (Cobalt-60): कर्करोग (Cancer) उपचारासाठी रेडियोथेरपीमध्ये.
आयोडीन-१३१ (Iodine-131): गॉयटर (Goitre/थायरॉईड ग्रंथी) च्या आजारावर उपचारासाठी.
कार्बन-१४ (Carbon-14): जीवाश्मांचे वय ठरवण्यासाठी (Carbon Dating Technique).
सोडियम-२४ (Sodium-24): रक्ताच्या गुठळ्या (Blood Clots) शोधण्यासाठी.

६. इलेक्ट्रॉन संरूपण आणि संयुजा (Electronic Configuration & Valency)

A. इलेक्ट्रॉन कक्षांची धारणक्षमता (Capacity of Shells)

इलेक्ट्रॉन केंद्रकाभोवती असणाऱ्या K, L, M, N या कक्षांमध्ये फिरतात. कोणत्याही कक्षेत जास्तीत जास्त समावू शकणाऱ्या इलेक्ट्रॉनची संख्या $2n^2$ या सूत्राने ठरवली जाते (जिथे $n$ = कक्षेचा क्रमांक).

K-कक्षा ($n=1$): $2(1)^2 = \mathbf{2}$ इलेक्ट्रॉन्स
L-कक्षा ($n=2$): $2(2)^2 = \mathbf{8}$ इलेक्ट्रॉन्स
M-कक्षा ($n=3$): $2(3)^2 = \mathbf{18}$ इलेक्ट्रॉन्स
N-कक्षा ($n=4$): $2(4)^2 = \mathbf{32}$ इलेक्ट्रॉन्स

B. संयुजा (Valency) व संयुजा इलेक्ट्रॉन (Valence Electrons)

संयुजा इलेक्ट्रॉन: अणूच्या सर्वात बाहेरील कक्षेत (Outermost Shell) असणाऱ्या इलेक्ट्रॉन्सना ‘संयुजा इलेक्ट्रॉन’ म्हणतात.
संयुजा (Valency): एका अणूची दुसऱ्या अणूशी संयोग पावण्याची रासायनिक क्षमता म्हणजे संयुजा होय.
- बाहेरील कक्षेत १ ते ४ इलेक्ट्रॉन्स असतील, तर संयुजा = संयुजा इलेक्ट्रॉन संख्या.
- बाहेरील कक्षेत ५ ते ८ इलेक्ट्रॉन्स असतील, तर संयुजा = $8 – \text{संयुजा इलेक्ट्रॉन संख्या}$.
- उदा. सोडियम ($Na_{11}$): संरूपण (2, 8, 1) $\rightarrow$ संयुजा = 1
- उदा. ऑक्सिजन ($O_8$): संरूपण (2, 6) $\rightarrow$ संयुजा = $8 – 6 = 2$
अष्टकाचा नियम (Octet Rule): बाह्यतम कक्षेत ८ इलेक्ट्रॉन्स असल्यास तो अणू स्थिरावतो (उदा. राजवायू – Noble Gases: Helium, Neon, Argon).

७. रासायनिक बंधांचे प्रमुख प्रकार (Chemical Bonds)

आयनिक बंध / विद्युतसंयुज बंध (Ionic / Electrovalent Bond): एका अणूकडून दुसऱ्या अणूकाडे इलेक्ट्रॉन्सचे पूर्णतः हस्तांतरण (Transfer) होऊन तयार होणारा बंध. उदा. $NaCl$ ($Na^+$ आणि $Cl^-$).
सहसंयुज बंध (Covalent Bond): दोन अणूंमध्ये इलेक्ट्रॉनची भागीदारी (Sharing) होऊन तयार होणारा बंध. उदा. $H_2O$, $CH_4$, $H_2$.

🎯 महत्वाचे मुद्दे (Quick Revision)

इलेक्ट्रॉन: शोधक – जे. जे. थॉमसन (ऋणप्रभारीत, वस्तुमान नगण्य).
प्रोटॉन: शोधक – रुदरफोर्ड (धनप्रभारीत, केंद्रकात असतो).
न्यूट्रॉन: शोधक – जेम्स चॅडविक (प्रभाररहित/उदासीन).
हायड्रोजन: असा अणू ज्याच्या केंद्रकात न्यूट्रॉन नसतो.
अणुक्रमांक (Z): प्रोटॉनची संख्या.
अणुवस्तुमानांक (A): प्रोटॉन + न्यूट्रॉन यांची बेरीज ($P + N$).
समस्थानिके (Isotopes): अणुक्रमांक (Z) समान, पण अणुवस्तुमानांक (A) भिन्न.
समभार (Isobars): अणुवस्तुमानांक (A) समान, पण अणुक्रमांक (Z) भिन्न.
कक्षेतील कमाल इलेक्ट्रॉन सूत्र: $2n^2$ (K=2, L=8, M=18, N=32).
कर्करोग उपचारासाठी: कोबाल्ट-६० (Co-60) समस्थानिक वापरतात.
जीवाश्मांचे वय ठरवण्यासाठी: C-14 पद्धत वापरतात.