सामान्य तकनीकी क्षेत्रों और विशिष्टताओं के छात्रों के लिए व्याख्यान व्याख्यान 3 विषय 4
सामान्य तकनीकी क्षेत्रों और विशिष्टताओं के छात्रों के लिए व्याख्यान व्याख्यान 4 विषय 5
सामान्य तकनीकी क्षेत्रों और विशेषता मॉड्यूल II के छात्रों के लिए व्याख्यान। प्रतिक्रिया पैटर्न
सामान्य तकनीकी क्षेत्रों और विशिष्टताओं के छात्रों के लिए व्याख्यान व्याख्यान 7 रासायनिक कैनेटीक्स के विषय मूल बातें
सामान्य तकनीकी क्षेत्रों और विशिष्टताओं के छात्रों के लिए व्याख्यान व्याख्यान 8 विषय रासायनिक संतुलन इस विषय पर, आपको जानने और सक्षम होने की आवश्यकता है:
शिक्षकों के लिए प्रस्तावना
सामान्य तकनीकी क्षेत्रों और विशिष्टताओं के छात्रों के लिए व्याख्यान मॉड्यूल III। समाधान और विद्युत रासायनिक प्रक्रियाएं
7. युग्मित और अयुग्मित इलेक्ट्रॉन
इलेक्ट्रॉन जो कक्षकों को जोड़े में भरते हैं, कहलाते हैं जोड़ा,और एकल इलेक्ट्रॉन कहलाते हैं अयुगल. अयुग्मित इलेक्ट्रॉन एक परमाणु के अन्य परमाणुओं के साथ रासायनिक बंधन प्रदान करते हैं। चुंबकीय गुणों का अध्ययन करके अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति प्रयोगात्मक रूप से स्थापित की जाती है। अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों वाले पदार्थ अनुचुम्बकीय(वे एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के साथ प्राथमिक चुम्बकों की तरह, इलेक्ट्रॉन स्पिन की बातचीत के कारण चुंबकीय क्षेत्र में खींचे जाते हैं)। ऐसे पदार्थ जिनमें केवल युग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं प्रति-चुंबकीय(बाहरी चुंबकीय क्षेत्र उन पर कार्य नहीं करता है)। अयुग्मित इलेक्ट्रॉन केवल परमाणु के बाहरी ऊर्जा स्तर पर स्थित होते हैं और उनकी संख्या इसकी इलेक्ट्रॉनिक ग्राफिक योजना से निर्धारित की जा सकती है।
उदाहरण 4सल्फर परमाणु में अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की संख्या ज्ञात कीजिए।
समाधान।सल्फर की परमाणु संख्या Z = 16 है, इसलिए तत्व का पूर्ण इलेक्ट्रॉनिक सूत्र है: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4। बाह्य इलेक्ट्रॉनों की इलेक्ट्रॉनिक ग्राफिक योजना इस प्रकार है (चित्र 11)।
चावल। 11. सल्फर परमाणु के संयोजकता इलेक्ट्रॉनों की इलेक्ट्रॉन-ग्राफिक योजना
इलेक्ट्रॉन ग्राफिक योजना से यह पता चलता है कि सल्फर परमाणु में दो अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं।
8. इलेक्ट्रॉन पर्ची
सभी सबलेवल में स्थिरता बढ़ जाती है जब वे पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों से भरे होते हैं (s 2 , p 6 , d 10 , f 14), और p, d और f सबलेवल, इसके अलावा, जब वे आधे भरे होते हैं, यानी। पी 3, डी 5, एफ 7। राज्यों d 4 , f 6 और f 13 , इसके विपरीत, स्थिरता कम कर दी है। इस संबंध में, कुछ तत्वों में तथाकथित है पर्चीइलेक्ट्रॉन, जो बढ़ी हुई स्थिरता के साथ एक सबलेवल के निर्माण में योगदान देता है।
उदाहरण 5बताएं कि क्रोमियम परमाणुओं में 3d सबलेवल इलेक्ट्रॉनों से क्यों भरा होता है जबकि 4s सबलेवल पूरी तरह से नहीं भरा होता है? क्रोमियम परमाणु में कितने अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं?
समाधान।क्रोमियम परमाणु संख्या Z = 24, इलेक्ट्रॉनिक सूत्र: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5. 4s से 3डी सबलेवल तक एक इलेक्ट्रॉन छलांग देखी जाती है, जो एक अधिक स्थिर अवस्था 3डी 5 के गठन को सुनिश्चित करता है। बाहरी इलेक्ट्रॉनों की इलेक्ट्रॉन-ग्राफिक योजना (चित्र 12) से यह निम्नानुसार है कि क्रोमियम परमाणु में छह अयुग्मित इलेक्ट्रॉन हैं।
चावल। 12. क्रोमियम परमाणु के संयोजकता इलेक्ट्रॉनों की इलेक्ट्रॉन-ग्राफिक योजना
9. संक्षिप्त इलेक्ट्रॉनिक सूत्र
रासायनिक तत्वों के इलेक्ट्रॉनिक सूत्र संक्षिप्त रूप में लिखे जा सकते हैं। इस मामले में, पिछली महान गैस के परमाणु के स्थिर इलेक्ट्रॉन खोल के अनुरूप इलेक्ट्रॉनिक सूत्र का हिस्सा वर्ग कोष्ठक में इस तत्व के प्रतीक द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है (परमाणु के इस भाग को कहा जाता है कंकालपरमाणु), और शेष सूत्र सामान्य रूप में लिखा गया है। नतीजतन, इलेक्ट्रॉनिक सूत्र छोटा हो जाता है, लेकिन इसकी सूचना सामग्री इससे कम नहीं होती है।
उदाहरण 6पोटेशियम और जिरकोनियम के लिए संक्षिप्त इलेक्ट्रॉनिक सूत्र लिखें।
समाधान।पोटेशियम परमाणु संख्या Z = 19, पूर्ण इलेक्ट्रॉनिक सूत्र: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1, पिछली उत्कृष्ट गैस आर्गन है, संक्षिप्त इलेक्ट्रॉनिक सूत्र: 4s 1.
ज़िरकोनियम परमाणु संख्या Z = 40, पूर्ण इलेक्ट्रॉनिक सूत्र: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 2, पिछली महान गैस क्रिप्टन है, संक्षिप्त इलेक्ट्रॉनिक सूत्र: 5s 2 4d 2।
10. रासायनिक तत्वों के परिवार
इस आधार पर कि परमाणु में कौन सा ऊर्जा उप-स्तर इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है, तत्वों को चार परिवारों में विभाजित किया जाता है। आवर्त सारणी में अलग-अलग परिवारों के तत्वों के प्रतीकों को अलग-अलग रंगों में हाइलाइट किया गया है।
1. एस-तत्व: इन तत्वों के परमाणुओं में, एनएस-उप-स्तर इलेक्ट्रॉनों से भरा जाने वाला अंतिम है;
2. पी-तत्व: एनपी-उप-स्तर अंतिम इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है;
3. डी-एलिमेंट्स: (एन -1) डी-सबलेवल आखिरी में इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है;
4. f-तत्व: इलेक्ट्रॉनों से भरा जाने वाला अंतिम (n - 2) f-उप-स्तर है।
उदाहरण 7परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनिक फ़ार्मुलों का उपयोग करके, निर्धारित करें कि रासायनिक तत्वों के किन परिवारों में स्ट्रोंटियम (z = 38), ज़िरकोनियम (z = 40), लेड (z = 82) और समैरियम (z = 62) शामिल हैं।
समाधान।हम इन तत्वों के संक्षिप्त इलेक्ट्रॉनिक सूत्र लिखते हैं
सीनियर: 5s 2; Zr: 5s 2 4d 2; पंजाब: 6s 2 4f 14 5d 10 6p 2; एसएम: 6s 2 4f 6 ,
जिससे यह देखा जा सकता है कि तत्व परिवारों s (Sr), p (Pb), d (Zr), और f (Sm) से संबंधित हैं।
11. संयोजकता इलेक्ट्रॉन
यौगिकों में अन्य तत्वों के साथ दिए गए तत्व का रासायनिक बंधन किसके द्वारा प्रदान किया जाता है वालेन्स इलेक्ट्रॉनों. वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का निर्धारण तत्वों के एक विशेष परिवार से संबंधित होने से होता है। तो, एस-तत्वों के लिए, बाहरी एस-उप-स्तर के इलेक्ट्रॉन वैलेंस हैं, पी-तत्वों के लिए, बाहरी उप-स्तर एस और पी, और डी-तत्वों के लिए, वैलेंस इलेक्ट्रॉन बाहरी एस-उप-स्तर और पूर्व-बाहरी पर हैं डी-सबलेवल। एफ-तत्वों के वैलेंस इलेक्ट्रॉनों का प्रश्न स्पष्ट रूप से हल नहीं हुआ है।
उदाहरण 8एल्यूमीनियम और वैनेडियम परमाणुओं में वैलेंस इलेक्ट्रॉनों की संख्या निर्धारित करें।
समाधान। 1) एल्युमिनियम का संक्षिप्त इलेक्ट्रॉनिक सूत्र (z = 13): 3s 2 3पी 1. एल्युमिनियम पी-तत्व परिवार से संबंधित है, इसलिए, इसके परमाणु में तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं (3s 2 3p 1)।
2) वैनेडियम का इलेक्ट्रॉनिक सूत्र (z = 23): 4s 2 3d 3. वैनेडियम डी-तत्वों के परिवार से संबंधित है, इसलिए, इसके परमाणु में पांच वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं (4s 2 3d 3)।
12. परमाणुओं की संरचना और आवर्त प्रणाली
12.1. आवधिक कानून की खोज
पदार्थ की संरचना का आधुनिक सिद्धांत, विभिन्न प्रकार के रासायनिक पदार्थों का अध्ययन और नए तत्वों का संश्लेषण रासायनिक तत्वों के आवर्त नियम और आवर्त प्रणाली पर आधारित है।
तत्वों की आवर्त सारणी उत्कृष्ट रूसी रसायनज्ञ डी.आई. द्वारा विकसित रासायनिक तत्वों का एक प्राकृतिक व्यवस्थितकरण और वर्गीकरण है। मेंडलीफ द्वारा खोजे गए आवर्त नियम के आधार पर। आवधिक प्रणाली आवधिक कानून, इसकी दृश्य अभिव्यक्ति का एक चित्रमय प्रतिनिधित्व है।
आवर्त नियम की खोज मेंडेलीव (1869) ने रासायनिक और के विश्लेषण और तुलना के परिणामस्वरूप की थी भौतिक गुण 63 तत्व उस समय ज्ञात थे। इसका मूल शब्दार्थ:
तत्वों के गुण और उनके द्वारा निर्मित सरल और जटिल पदार्थ तत्वों के परमाणु द्रव्यमान पर आवधिक निर्भरता में होते हैं।
आवधिक प्रणाली को विकसित करने में, मेंडेलीव ने कुछ ज्ञात लेकिन खराब समझे जाने वाले तत्वों की संयोजकता और परमाणु द्रव्यमान को निर्दिष्ट या सही किया, नौ तत्वों के अस्तित्व की भविष्यवाणी की जो अभी तक खोजे नहीं गए हैं, और उनमें से तीन (गा, जीई, एससी) के लिए अपेक्षित गुणों का वर्णन किया है। इन तत्वों (1875-1886) की खोज के साथ, आवधिक कानून को सार्वभौमिक रूप से मान्यता दी गई और रसायन विज्ञान के सभी बाद के विकास का आधार बना।
आवर्त नियम की खोज और आवर्त प्रणाली के निर्माण के लगभग 50 वर्षों तक, तत्वों के गुणों की आवधिकता का कारण अज्ञात था। यह स्पष्ट नहीं था कि एक समूह के तत्वों की संयोजकता समान क्यों होती है और एक ही संरचना के ऑक्सीजन और हाइड्रोजन के साथ यौगिक बनाते हैं, आवर्त में तत्वों की संख्या समान क्यों नहीं होती है, आवर्त प्रणाली के कुछ स्थानों में तत्वों की व्यवस्था क्यों होती है परमाणु द्रव्यमान (Ar - K, Co - Ni, Te-I) में वृद्धि के अनुरूप नहीं है। इन सभी प्रश्नों के उत्तर परमाणुओं की संरचना का अध्ययन करके प्राप्त किए गए थे।
12.2 आवधिक कानून की व्याख्या
1914 में, परमाणु नाभिक के आरोप निर्धारित किए गए (जी। मोसले) और यह पाया गया कि तत्व गुण आवधिक निर्भरता में हैंतत्वों के परमाणु द्रव्यमान से नहीं, बल्कि से उनके परमाणुओं के नाभिक का धनात्मक आवेश।लेकिन आवर्त नियम के निर्माण को बदलने के बाद, आवर्त प्रणाली का रूप मौलिक रूप से नहीं बदला, क्योंकि तत्वों के परमाणु द्रव्यमान उसी क्रम में बढ़ते हैं जैसे कि उनके परमाणुओं के आरोप, उपरोक्त अनुक्रमों को छोड़कर, आर्गन - पोटेशियम, कोबाल्ट - निकल और टेल्यूरियम - आयोडीन।
तत्व की संख्या में वृद्धि के साथ नाभिक के आवेश में वृद्धि का कारण समझ में आता है: परमाणुओं के नाभिक में, जब तत्व से तत्व की ओर बढ़ते हैं, तो प्रोटॉन की संख्या एकरस रूप से बढ़ जाती है। लेकिन मुख्य क्वांटम संख्या के मूल्यों में क्रमिक वृद्धि के साथ परमाणुओं के इलेक्ट्रॉन खोल की संरचना समय-समय पर दोहराता हैसमान इलेक्ट्रॉनिक परतों का नवीनीकरण। इस मामले में, नई इलेक्ट्रॉन परतें न केवल दोहराई जाती हैं, बल्कि नए ऑर्बिटल्स की उपस्थिति के कारण और अधिक जटिल हो जाती हैं, इसलिए परमाणुओं के बाहरी कोशों में इलेक्ट्रॉनों की संख्या और आवर्त में तत्वों की संख्या बढ़ जाती है।
पहली अवधि:पहला ऊर्जा स्तर, जिसमें केवल एक कक्षीय (कक्षीय 1s) है, इलेक्ट्रॉनों से भरा जा रहा है, इसलिए अवधि में केवल दो तत्व हैं: हाइड्रोजन (1s 1) और हीलियम (1s 2)।
दूसरी अवधि:दूसरी इलेक्ट्रॉनिक परत (2s2p) भरने का काम चल रहा है, जिसमें पहली परत (2s) दोहराई जाती है और इसकी जटिलता (2p) चल रही है - इस अवधि में 8 तत्व हैं: लिथियम से नियॉन तक।
तीसरी अवधि:तीसरी इलेक्ट्रॉन परत (3s3p) भरी जा रही है, जिसमें दूसरी परत दोहराई जाती है, और कोई जटिलता नहीं है, क्योंकि 3d सबलेवल इस परत से संबंधित नहीं है; इस अवधि में 8 तत्व भी होते हैं: सोडियम से लेकर आर्गन तक।
चौथी अवधि:चौथी परत (4s3d4p) इलेक्ट्रॉनों से भरी जा रही है, जो कि 3d-उप-स्तर के पांच d-कक्षकों की तीसरी उपस्थिति से अधिक जटिल है, इसलिए इस अवधि में 18 तत्व हैं: पोटेशियम से क्रिप्टन तक।
पांचवीं अवधि:पांचवीं परत (5s4d5p) इलेक्ट्रॉनों से भरी होती है, जिसकी जटिलता चौथे की तुलना में नहीं होती है, इसलिए, पांचवीं अवधि में 18 तत्व भी होते हैं: रूबिडियम से क्सीनन तक।
छठी अवधि:छठी परत (6s4f5d6p) भरी जा रही है, जो 4f सबलेवल के सात ऑर्बिटल्स की उपस्थिति के कारण पांचवें से अधिक जटिल है, इसलिए छठी अवधि में 32 तत्व हैं: सीज़ियम से रेडॉन तक।
सातवां पीरियड:छठी परत के समान सातवीं परत (7s5f6d7p), इलेक्ट्रॉनों से भरी हुई है, इसलिए इस अवधि में 32 तत्व भी हैं: फ्रांसियम से परमाणु संख्या 118 वाले तत्व तक, जिसे प्राप्त किया गया है, लेकिन अभी तक कोई नाम नहीं है।
इस प्रकार, परमाणुओं के इलेक्ट्रॉन कोशों के निर्माण के पैटर्न आवधिक प्रणाली की अवधि में तत्वों की संख्या की व्याख्या करते हैं। इन नियमों का ज्ञान हमें आवर्त प्रणाली, अवधि और समूह में किसी रासायनिक तत्व की परमाणु संख्या का भौतिक अर्थ तैयार करने की अनुमति देता है।
परमाणु संख्यातत्व z है परमाणु नाभिक का धनात्मक आवेश, नाभिक में प्रोटॉन की संख्या और परमाणु के इलेक्ट्रॉन खोल में इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बराबर होता है।
अवधि रासायनिक तत्वों का एक क्षैतिज अनुक्रम है जिनके परमाणुओं में समान संख्या में ऊर्जा स्तर होते हैं, आंशिक रूप से या पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों से भरे होते हैं.
आवर्त संख्या परमाणुओं में ऊर्जा स्तरों की संख्या, उच्चतम ऊर्जा स्तर की संख्या और उच्चतम ऊर्जा स्तर के लिए मुख्य क्वांटम संख्या के मान के बराबर होती है।
समूह - यह तत्वों का एक ऊर्ध्वाधर क्रम है जिसमें परमाणुओं की समान प्रकार की इलेक्ट्रॉनिक संरचना, समान संख्या में बाहरी इलेक्ट्रॉनों, समान अधिकतम संयोजकता और समान रासायनिक गुण होते हैं।
समूह संख्या परमाणुओं में बाह्य इलेक्ट्रॉनों की संख्या, स्टोइकोमेट्रिक संयोजकता के अधिकतम मान और यौगिकों में तत्व की धनात्मक ऑक्सीकरण अवस्था के अधिकतम मान के बराबर होती है। समूह संख्या से, आप तत्व की नकारात्मक ऑक्सीकरण अवस्था का अधिकतम मान भी निर्धारित कर सकते हैं: यह संख्या 8 और उस समूह की संख्या के बीच के अंतर के बराबर है जिसमें तत्व स्थित है।
12.3. आवधिक प्रणाली के मूल रूप
आवर्त प्रणाली के लगभग 400 रूप हैं, लेकिन दो सबसे आम हैं: लंबी (18-कोशिका) और छोटी (8-कोशिका)।
वी लंबा(18-सेल) प्रणाली (इस कमरे में और पुस्तिका में प्रतिनिधित्व) में तीन छोटी अवधि और चार लंबी अवधि होती है। छोटी अवधियों (प्रथम, द्वितीय और तृतीय) में केवल s- और p-तत्व होते हैं, इसलिए उनमें 2 (प्रथम आवर्त) या 8 तत्व होते हैं। चौथे और पांचवें आवर्त में, s- और p-तत्वों के अलावा, प्रत्येक में 10 d-तत्व दिखाई देते हैं, इसलिए इन अवधियों में प्रत्येक में 18 तत्व होते हैं। छठे और सातवें आवर्त में f-तत्व दिखाई देते हैं, इसलिए आवर्त में प्रत्येक में 32 तत्व होते हैं। लेकिन f-तत्वों को तालिका से बाहर निकाल दिया जाता है और नीचे (परिशिष्ट के रूप में) दो पंक्तियों में दिया जाता है, और सिस्टम में उनका स्थान तारांकन द्वारा इंगित किया जाता है। पहली पंक्ति में 14 एफ-तत्व होते हैं जो लैंथेनम का पालन करते हैं, इसलिए उन्हें सामूहिक रूप से लैंथेनाइड्स कहा जाता है, और दूसरी पंक्ति में 14 एफ-तत्व होते हैं जो एक्टिनियम का पालन करते हैं, इसलिए उन्हें सामूहिक रूप से एक्टिनाइड्स कहा जाता है। सभी देशों में उपयोग के लिए आईयूपीएसी द्वारा आवधिक प्रणाली के इस रूप की सिफारिश की जाती है।
वी कम(8-सेल) प्रणाली (यह इस कमरे में और संदर्भ पुस्तक में भी उपलब्ध है), एफ-तत्वों को भी परिशिष्ट में रखा गया है, और बड़ी अवधि (चौथा, 5वां, 6वां और 7वां), जिसमें प्रत्येक में 18 तत्व हैं (बिना f-elements), 10:8 के अनुपात में विभाजित है, और दूसरे भाग को पहले के अंतर्गत रखा गया है। इस प्रकार, बड़े आवर्त में प्रत्येक में दो पंक्तियाँ (लाइनें) होती हैं। इस संस्करण में, आवधिक प्रणाली में आठ समूह होते हैं, और उनमें से प्रत्येक में एक मुख्य और द्वितीयक उपसमूह होता है। पहले और दूसरे समूहों के मुख्य उपसमूहों में एस-तत्व होते हैं, और बाकी में पी-तत्व होते हैं। सभी समूहों के द्वितीयक उपसमूहों में d-तत्व होते हैं। मुख्य उपसमूहों में प्रत्येक में 7-8 तत्व होते हैं, और द्वितीयक में 4 तत्व होते हैं, आठवें समूह को छोड़कर, जिसमें द्वितीयक उपसमूह (VIII-B) में नौ तत्व होते हैं - तीन "त्रय"।
इस प्रणाली में, उपसमूहों के तत्व हैं पूर्ण इलेक्ट्रॉनिक समकक्ष. एक ही समूह के तत्व, लेकिन विभिन्न उपसमूह, भी अनुरूप हैं (उनके पास समान संख्या में बाहरी इलेक्ट्रॉन हैं), लेकिन यह सादृश्य अधूरा है, क्योंकि बाहरी इलेक्ट्रॉन विभिन्न उपस्तरों पर होते हैं। संक्षिप्त रूप कॉम्पैक्ट है और इसलिए उपयोग करने के लिए अधिक सुविधाजनक है, लेकिन इसमें लंबी प्रणाली में निहित परमाणुओं के आकार और इलेक्ट्रॉनिक संरचना के बीच एक-से-एक पत्राचार नहीं है।
उदाहरण 9बताएं कि क्लोरीन और मैंगनीज एक ही समूह में क्यों हैं लेकिन 8-सेल आवर्त सारणी के विभिन्न उपसमूहों में हैं।
समाधान।क्लोरीन का इलेक्ट्रॉनिक सूत्र (परमाणु संख्या 17) 3s 2 3p 5 है, और मैंगनीज (परमाणु संख्या 25) 4s 2 3d 5 है। दोनों तत्वों के परमाणुओं में सात बाहरी (वैलेंस) इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए वे एक ही समूह (सातवें) में होते हैं, लेकिन विभिन्न उपसमूहों में, क्योंकि क्लोरीन है
पी-तत्व, और मैंगनीज - डी-तत्व।
12.4. तत्वों के आवधिक गुण
परमाणुओं के इलेक्ट्रॉन खोल की संरचना में आवधिकता व्यक्त की जाती है, इसलिए, इलेक्ट्रॉनों की स्थिति पर निर्भर गुण आवधिक कानून के साथ अच्छे समझौते में हैं: परमाणु और आयनिक त्रिज्या, आयनीकरण ऊर्जा, इलेक्ट्रॉन आत्मीयता, इलेक्ट्रोनगेटिविटी और तत्वों की वैलेंस। लेकिन सरल पदार्थों और यौगिकों की संरचना और गुण परमाणुओं की इलेक्ट्रॉनिक संरचना पर निर्भर करते हैं, इसलिए, सरल पदार्थों और यौगिकों के कई गुणों में आवधिकता देखी जाती है: पिघलने और उबलने का तापमान और गर्मी, लंबाई और ऊर्जा रासायनिक बंधइलेक्ट्रोड विभव, निर्माण की मानक एन्थैल्पी तथा पदार्थों की एन्ट्रापी आदि। आवधिक कानून में परमाणुओं, तत्वों, सरल पदार्थों और यौगिकों के 20 से अधिक गुण शामिल हैं।
1) परमाणु और आयनिक त्रिज्या
क्वांटम यांत्रिकी के अनुसार, एक इलेक्ट्रॉन परमाणु के नाभिक के चारों ओर किसी भी बिंदु पर, उसके पास और काफी दूरी पर स्थित हो सकता है। इसलिए, परमाणुओं की सीमाएँ अस्पष्ट, अनिश्चित होती हैं। इसी समय, क्वांटम यांत्रिकी नाभिक के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों के वितरण की संभावना और प्रत्येक कक्षीय के लिए अधिकतम इलेक्ट्रॉन घनत्व की स्थिति की गणना करता है।
परमाणु की कक्षीय त्रिज्या (आयन)इस परमाणु (आयन) के सबसे दूर के बाहरी कक्षीय के नाभिक से अधिकतम इलेक्ट्रॉन घनत्व की दूरी है.
कक्षीय त्रिज्या (उनके मान पुस्तिका में दिए गए हैं) आवर्त में कमी, क्योंकि परमाणुओं (आयनों) में इलेक्ट्रॉनों की संख्या में वृद्धि नई इलेक्ट्रॉन परतों की उपस्थिति के साथ नहीं होती है। नाभिक के आवेश में वृद्धि और नाभिक के लिए इलेक्ट्रॉनों के आकर्षण में वृद्धि के कारण प्रत्येक बाद के तत्व के परमाणु या आयन का इलेक्ट्रॉन खोल पिछले एक की तुलना में संकुचित होता है।
समूहों में कक्षीय त्रिज्या में वृद्धि होती है प्रत्येक तत्व का एक परमाणु (आयन) एक नई इलेक्ट्रॉनिक परत की उपस्थिति से जनक से भिन्न होता है।
पांच अवधियों के लिए कक्षीय परमाणु त्रिज्या का परिवर्तन अंजीर में दिखाया गया है। 13, जिसमें से यह देखा जा सकता है कि निर्भरता में "आरा" रूप है जो आवधिक कानून की विशेषता है।
चावल। 13. कक्षीय त्रिज्या की निर्भरता
लेकिन अवधियों में, परमाणुओं और आयनों के आकार में कमी नीरस रूप से नहीं होती है: अलग-अलग तत्वों में छोटे "फट" और "डुबकी" होते हैं। "डिप्स" में, एक नियम के रूप में, ऐसे तत्व होते हैं, जिनका इलेक्ट्रॉनिक कॉन्फ़िगरेशन बढ़ी हुई स्थिरता की स्थिति से मेल खाता है: उदाहरण के लिए, तीसरी अवधि में यह मैग्नीशियम (3s 2) है, चौथे में - मैंगनीज (4s 2 3d 5) और जिंक (4s 2 3d 10) आदि।
ध्यान दें।पिछली शताब्दी के मध्य सत्तर के दशक से इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटरों के विकास के कारण कक्षीय त्रिज्या की गणना की गई है। पहले इस्तेमाल किया गया कुशलपरमाणुओं और आयनों की त्रिज्या, जो अणुओं और क्रिस्टल में अंतर-परमाणु दूरी पर प्रयोगात्मक डेटा से निर्धारित होती हैं। यह माना जाता है कि परमाणु असम्पीडित गेंदें हैं जो यौगिकों में अपनी सतहों को छूती हैं। सहसंयोजक अणुओं में निर्धारित प्रभावी त्रिज्या कहलाती है सहसंयोजकत्रिज्या, धातु के क्रिस्टल में - धातुत्रिज्या, आयनिक बंधन वाले यौगिकों में - ईओण कात्रिज्या प्रभावी त्रिज्या कक्षीय त्रिज्या से भिन्न होती है, लेकिन परमाणु संख्या के आधार पर उनका परिवर्तन भी आवधिक होता है।
2) परमाणुओं की ऊर्जा और आयनीकरण क्षमता
आयनीकरण ऊर्जा(ई आयन) कहा जाता है एक परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन को अलग करने और परमाणु को एक सकारात्मक चार्ज आयन में बदलने में खर्च की गई ऊर्जा.
प्रयोगात्मक रूप से, परमाणुओं का आयनीकरण विद्युत क्षेत्र में उस संभावित अंतर को मापकर किया जाता है जिस पर आयनीकरण होता है। इस संभावित अंतर को कहा जाता है आयनीकरण क्षमता(जे)। आयनीकरण क्षमता के मापन की इकाई eV/परमाणु है, और आयनीकरण ऊर्जा kJ/mol है; एक मान से दूसरे मान में संक्रमण संबंध के अनुसार किया जाता है:
ई आयन = 96.5 जे
परमाणु से पहले इलेक्ट्रॉन की टुकड़ी की विशेषता पहली आयनीकरण क्षमता (J 1), दूसरी - दूसरी (J 2), आदि द्वारा होती है। क्रमिक आयनीकरण क्षमता बढ़ती है (तालिका 1), क्योंकि प्रत्येक बाद के इलेक्ट्रॉन को एक आयन से एक सकारात्मक चार्ज के साथ अलग किया जाना चाहिए। टेबल से। तालिका 1 से पता चलता है कि लिथियम के लिए जे 2 के लिए आयनीकरण क्षमता में तेज वृद्धि देखी गई है, जे 3 के लिए बेरिलियम के लिए, जे 4 के लिए बोरॉन के लिए, आदि। J में तेज वृद्धि तब होती है जब बाहरी इलेक्ट्रॉनों का पृथक्करण समाप्त हो जाता है और अगला इलेक्ट्रॉन पूर्व-बाहरी ऊर्जा स्तर पर होता है।
तालिका नंबर एक
दूसरी अवधि के तत्वों के परमाणुओं (ईवी/परमाणु) की आयनीकरण क्षमता
| तत्त्व | जे1 | जे2 | जे 3 | जे4 | जे5 | जे6 | J7 | J8 |
| लिथियम | 5,39 | 75,6 | 122,4 | – | – | – | – | – |
| फीरोज़ा | 9,32 | 18,2 | 158,3 | 217,7 | – | – | – | – |
| बीओआर | 8,30 | 25,1 | 37,9 | 259,3 | 340,1 | – | – | – |
| कार्बन | 11,26 | 24,4 | 47,9 | 64,5 | 392,0 | 489,8 | – | – |
| नाइट्रोजन | 14,53 | 29,6 | 47,5 | 77,4 | 97,9 | 551,9 | 666,8 | – |
| ऑक्सीजन | 13,60 | 35,1 | 54,9 | 77,4 | 113,9 | 138,1 | 739,1 | 871,1 |
| एक अधातु तत्त्व | 17,40 | 35,0 | 62,7 | 87,2 | 114,2 | 157,1 | 185,1 | 953,6 |
| नीयन | 21,60 | 41,1 | 63,0 | 97,0 | 126,3 | 157,9 |
आयनीकरण क्षमता किसी तत्व की "धात्विकता" का एक संकेतक है: यह जितना छोटा होता है, एक इलेक्ट्रॉन के लिए परमाणु से अलग होना उतना ही आसान होता है और तत्व के धात्विक गुणों को व्यक्त किया जाना चाहिए। उन तत्वों के लिए जिनके साथ अवधि शुरू होती है (लिथियम, सोडियम, पोटेशियम, आदि), पहली आयनीकरण क्षमता 4-5 eV/परमाणु है, और ये तत्व विशिष्ट धातु हैं। अन्य धातुओं के लिए, J 1 का मान अधिक है, लेकिन 10 eV / परमाणु से अधिक नहीं है, और गैर-धातुओं के लिए आमतौर पर 10 eV / परमाणु से अधिक: नाइट्रोजन के लिए 14.53 eV / परमाणु, ऑक्सीजन 13.60 eV / परमाणु, आदि। .
पहली आयनीकरण क्षमता अवधियों में बढ़ती है, और समूहों में कमी (चित्र 14), जो कि अवधियों में गैर-धातु गुणों और समूहों में धातु गुणों में वृद्धि को इंगित करती है। इसलिए, अधातुएँ आवर्त सारणी के ऊपरी दाएँ भाग में हैं, और धातुएँ निचले बाएँ भाग में हैं। धातुओं और अधातुओं के बीच की सीमा "धुंधली" होती है, क्योंकि अधिकांश तत्वों में उभयधर्मी (दोहरी) गुण होते हैं। फिर भी, ऐसी सशर्त सीमा खींची जा सकती है, इसे आवधिक प्रणाली के लंबे (18-सेल) रूप में दिखाया गया है, जो यहां कक्षा में और संदर्भ पुस्तक में उपलब्ध है।
चावल। 14. आयनीकरण क्षमता की निर्भरता
प्रथम-पांचवें आवर्त के तत्वों की परमाणु संख्या से।
इस संबंध का व्यावहारिक महत्व यह है कि, μ को जानना, जिसे मापना अपेक्षाकृत आसान है, कोई व्यक्ति D का निर्धारण कर सकता है,
जिसे सीधे निर्धारित करना मुश्किल है।
उभयचर प्रसार
गैस डिस्चार्ज प्लाज्मा में इलेक्ट्रॉन और आयन दोनों फैल जाते हैं। प्रसार प्रक्रिया को निम्नानुसार दर्शाया गया है। इलेक्ट्रॉन, जो अधिक गतिशील होते हैं, आयनों की तुलना में तेजी से विसरित होते हैं। यह इलेक्ट्रॉनों और आवारा धनात्मक आयनों के बीच एक विद्युत क्षेत्र बनाता है। यह क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों के आगे प्रसार को धीमा कर देता है, और इसके विपरीत - आयनों के प्रसार को तेज करता है। जब आयनों को इलेक्ट्रॉनों की ओर खींचा जाता है, तो संकेतित विद्युत क्षेत्र कमजोर हो जाता है, और इलेक्ट्रॉनों को फिर से आयनों से अलग कर दिया जाता है। यह प्रक्रिया जारी है। ऐसे विसरण को एंबिपोलर डिफ्यूजन कहते हैं, जिसका गुणांक है
डी अम्ब = |
डी ई μ और + डी और μ ई |
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μ ई + μ और |
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जहां डी ई, डी और |
इलेक्ट्रॉनों और आयनों के प्रसार गुणांक हैं; μ ई, μ और - |
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इलेक्ट्रॉनों और आयनों की गतिशीलता। |
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चूंकि डी ई >> डी और μ ई >> μ और, यह पता चला है कि |
डी औरμ ई≈ डी ई μ और , |
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इसलिए डी एंब ≈ 2 डी और। ऐसा प्रसार होता है, उदाहरण के लिए, एक चमक निर्वहन के सकारात्मक स्तंभ में।
1.6. परमाणुओं और अणुओं की उत्तेजना और आयनीकरण
यह ज्ञात है कि एक परमाणु में एक धनात्मक आयन और इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिनकी संख्या D.I की आवर्त सारणी में तत्व की संख्या से निर्धारित होती है। मेंडेलीव। एक परमाणु में इलेक्ट्रॉन कुछ निश्चित ऊर्जा स्तरों पर होते हैं। यदि कोई इलेक्ट्रॉन बाहर से कुछ ऊर्जा प्राप्त करता है, तो वह उच्च स्तर पर चला जाता है, जिसे उत्तेजना स्तर कहा जाता है।
आमतौर पर, इलेक्ट्रॉन 10-8 सेकेंड के क्रम में थोड़े समय के लिए उत्तेजना के स्तर पर होता है। जब एक इलेक्ट्रॉन महत्वपूर्ण ऊर्जा प्राप्त करता है, तो वह नाभिक से इतनी बड़ी दूरी पर चला जाता है कि वह उससे संपर्क खो सकता है और मुक्त हो सकता है। नाभिक से सबसे कम बंधे हुए वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं, जो उच्च ऊर्जा स्तरों पर होते हैं और इसलिए परमाणु से अधिक आसानी से अलग हो जाते हैं। एक परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन के अलग होने की प्रक्रिया को आयनीकरण कहा जाता है।
अंजीर पर। 1.3 एक परमाणु में एक संयोजक इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा तस्वीर को दर्शाता है। यहाँ W o इलेक्ट्रॉन का जमीनी स्तर है, W mst मेटास्टेबल है
एनवाई स्तर, डब्ल्यू 1 , डब्ल्यू 2 - उत्तेजना स्तर (पहला, दूसरा, आदि)।
भाग I. अध्याय 1. गैस डिस्चार्ज में इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक प्रक्रियाएं
चावल। 1.3. एक परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा तस्वीर
W ′ = 0 वह अवस्था है जब इलेक्ट्रॉन परमाणु से अपना संबंध खो देता है। मान W और = W - W o है
आयनीकरण ऊर्जा के साथ। कुछ गैसों के लिए इन स्तरों के मान तालिका में दिए गए हैं। 1.3.
एक मेटास्टेबल स्तर को इस तथ्य की विशेषता है कि इसमें से और इसके लिए इलेक्ट्रॉन संक्रमण निषिद्ध है। यह स्तर तथाकथित विनिमय अंतःक्रिया से भरा होता है, जब बाहर से एक इलेक्ट्रॉन W mst स्तर पर बैठता है, और अतिरिक्त
इलेक्ट्रॉन परमाणु छोड़ देता है। गैस-डिस्चार्ज प्लाज्मा में होने वाली प्रक्रियाओं में मेटास्टेबल स्तर एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, क्योंकि उत्तेजना के सामान्य स्तर पर, इलेक्ट्रॉन 10-8 सेकेंड के भीतर होता है, और मेटास्टेबल स्तर पर - 10-2 10-3 सेकेंड।
तालिका 1.3
ऊर्जा, ईवी |
सीओ 2 |
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डब्ल्यू एमएसटीई |
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परमाणु कणों के उत्तेजन की प्रक्रिया भी अनुनादी विकिरण के प्रसार की तथाकथित घटना के माध्यम से आयनीकरण को निर्धारित करती है। इस घटना में यह तथ्य शामिल है कि एक उत्तेजित परमाणु, एक सामान्य अवस्था में गुजरते हुए, प्रकाश की एक मात्रा का उत्सर्जन करता है, जो अगले परमाणु को उत्तेजित करता है, और इसी तरह। गुंजयमान विकिरण का प्रसार क्षेत्र फोटॉन माध्य मुक्त पथ द्वारा निर्धारित किया जाता है, जो निर्भर करता है
परमाणु कणों के घनत्व पर चलनी n । अत: n= 1016 cm-3 =10-2 1 . पर
देखें अनुनाद विकिरण प्रसार की घटना भी मेटास्टेबल स्तरों की उपस्थिति से निर्धारित होती है।
विभिन्न योजनाओं के अनुसार चरणबद्ध आयनीकरण हो सकता है: क) पहला इलेक्ट्रॉन या फोटॉन एक तटस्थ को उत्तेजित करता है
तटस्थ कण, और दूसरा इलेक्ट्रॉन या फोटॉन वैलेंस इलेक्ट्रॉन को अतिरिक्त ऊर्जा प्रदान करता है, जिससे इस तटस्थ कण का आयनीकरण होता है;
भाग I. अध्याय 1. गैस डिस्चार्ज में इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक प्रक्रियाएं
दिया गया परमाणु, और इस समय उत्तेजित परमाणु सामान्य अवस्था में चला जाता है और प्रकाश की मात्रा का उत्सर्जन करता है, जिससे ऊर्जा बढ़ जाती है
c) अंत में, दो उत्तेजित परमाणु एक दूसरे के निकट होते हैं। इस मामले में, उनमें से एक सामान्य अवस्था में चला जाता है और प्रकाश की मात्रा का उत्सर्जन करता है, जो दूसरे परमाणु को आयनित करता है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि चरणबद्ध आयनीकरण तब प्रभावी हो जाता है जब तेज इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता (ऊर्जा के करीब के साथ)
से W और ), फोटॉन और उत्तेजित परमाणु काफी बड़े होते हैं। यह नाम-
एक जगह है जब आयनीकरण पर्याप्त रूप से तीव्र हो जाता है। बदले में, परमाणुओं और अणुओं पर आपतित फोटॉन भी उत्तेजना और आयनीकरण (प्रत्यक्ष या चरणबद्ध) उत्पन्न कर सकते हैं। गैस डिस्चार्ज में फोटॉन का स्रोत एक इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन का विकिरण है।
1.6.1. अणुओं की उत्तेजना और आयनीकरण
आणविक गैसों के लिए, स्वयं अणुओं के उत्तेजना की संभावना को ध्यान में रखना आवश्यक है, जो परमाणुओं के विपरीत, घूर्णी और दोलन गति करते हैं। इन आंदोलनों को भी परिमाणित किया जाता है। घूर्णी गति के दौरान कूद ऊर्जा 10-3 10-1 eV है, और दोलन गति के दौरान - 10-2 1 eV।
एक परमाणु के साथ एक इलेक्ट्रॉन की लोचदार टक्कर में, इलेक्ट्रॉन खो देता है
उनकी अधिकांश ऊर्जा |
डब्ल्यू = 2 |
≈ 10 |
- 4 डब्ल्यू। जब खांसी- |
|||
जब एक इलेक्ट्रॉन एक अणु के साथ संपर्क करता है, तो इलेक्ट्रॉन अणुओं की घूर्णी और कंपन गति को उत्तेजित करता है। बाद के मामले में, इलेक्ट्रॉन 10-1 1 eV तक विशेष रूप से महत्वपूर्ण ऊर्जा खो देता है। इसलिए, एक इलेक्ट्रॉन से ऊर्जा निकालने के लिए अणुओं की दोलन गति का उत्तेजना एक प्रभावी तंत्र है। इस तरह के तंत्र की उपस्थिति में, इलेक्ट्रॉन का त्वरण कठिन होता है, और इलेक्ट्रॉन को आयनीकरण के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करने के लिए एक मजबूत क्षेत्र की आवश्यकता होती है। इसलिए, एक आणविक गैस के टूटने के लिए एक समान इंटरइलेक्ट्रोड दूरी और समान दबाव पर एक परमाणु (निष्क्रिय) गैस के टूटने की तुलना में अधिक वोल्टेज की आवश्यकता होती है। यह तालिका में डेटा में दिखाया गया है। 1.4, जहां t, S t और U pr परमाणु के मानों की तुलना-
वायुमंडलीय दबाव पर आणविक और आणविक गैसें और d = 1.3 सेमी।
भाग I. अध्याय 1. गैस डिस्चार्ज में इलेक्ट्रॉनिक और आयनिक प्रक्रियाएं
तालिका 1.4 |
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विशेषता |
गैस का नाम |
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एस टी 10 - 16, सेमी2 |
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यू पीआर, केवी |
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टेबल से। 1.4 यह देखा जा सकता है कि यद्यपि परिवहन अणु के लिए एस टी को पार करता है
ध्रुवीय गैसें और आर्गन तुलनीय हैं, लेकिन आर्गन का ब्रेकडाउन वोल्टेज बहुत कम है।
1.7. थर्मल आयनीकरण
उच्च तापमान पर, परमाणु कणों की गतिज ऊर्जा में वृद्धि के कारण गैस आयनीकरण हो सकता है, जिसे थर्मल आयनीकरण कहा जाता है। तो, ना, के, सीएस वाष्प के लिए, थर्मल आयनीकरण कई हजार डिग्री के तापमान पर और हवा के लिए लगभग 104 डिग्री के तापमान पर महत्वपूर्ण है। तापमान में वृद्धि और परमाणुओं (अणुओं) की आयनीकरण क्षमता में कमी के साथ थर्मल आयनीकरण की संभावना बढ़ जाती है। सामान्य तापमान पर, थर्मल आयनीकरण नगण्य होता है और व्यावहारिक रूप से केवल एक चाप निर्वहन के विकास के दौरान ही प्रभाव डाल सकता है।
हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि 1951 की शुरुआत में, हॉर्नबेक और मोलनार ने पाया कि जब मोनोएनेरजेनिक इलेक्ट्रॉनों को ठंडी अक्रिय गैसों के माध्यम से पारित किया जाता है, तो आयन केवल उत्तेजना के लिए पर्याप्त इलेक्ट्रॉन ऊर्जा पर बनते हैं, लेकिन परमाणुओं के आयनीकरण के लिए नहीं। इस प्रक्रिया को साहचर्य आयनीकरण कहा गया है।
साहचर्य आयनीकरण कभी-कभी उन जगहों पर आयनीकरण तरंगों और स्पार्क डिस्चार्ज के प्रसार में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है जहां अभी भी बहुत कम इलेक्ट्रॉन हैं। पहले से ही आयनित क्षेत्रों से निकलने वाले प्रकाश क्वांटा के अवशोषण के परिणामस्वरूप उत्साहित परमाणु वहां बनते हैं। मध्यम गर्म हवा में, 4000-8000 K के तापमान पर, अणु पर्याप्त रूप से अलग हो जाते हैं, लेकिन हिमस्खलन के विकास के लिए अभी भी बहुत कम इलेक्ट्रॉन हैं। इस मामले में मुख्य आयनीकरण तंत्र एक प्रतिक्रिया है जिसमें अप्रकाशित एन और ओ परमाणु भाग लेते हैं।
साहचर्य आयनन निम्न योजना के अनुसार आगे बढ़ता है N + O + 2.8 eV NO + + q । 2.8 eV की लुप्त ऊर्जा परमाणुओं की सापेक्ष गति की गतिज ऊर्जा से ली जाती है।
और सबसे छोटा सस्पेंडेड पार्टिकुलेट मैटर (पीएम)
नियंत्रित वायु आयनीकरण प्रक्रियाओं से रोगाणुओं की संख्या में उल्लेखनीय कमी आती है, गंधों का निष्प्रभावीकरण होता है और इनडोर वायु में कुछ वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों (वीओसी) की सामग्री में कमी आती है। उच्च दक्षता वाले फिल्टर वाले छोटे निलंबित ठोस कणों (धूल) को हटाने की दक्षता भी वायु आयनीकरण के उपयोग से बेहतर होती है। आयनीकरण प्रक्रिया में सुपरऑक्साइड ओ 2 .- (एक डायटोमिक ऑक्सीजन रेडिकल आयन) सहित वायु आयनों का निर्माण शामिल है, जो वायुवाहित वीओसी और निलंबित कण पदार्थ (पीएम) के साथ तेजी से प्रतिक्रिया करता है। विशिष्ट प्रायोगिक उदाहरणों पर वायु आयनीकरण रसायन विज्ञान के महत्व और इनडोर वायु गुणवत्ता में महत्वपूर्ण सुधार के लिए इसकी क्षमता पर विचार किया गया है। .
प्रतिक्रियाशील आयनों, रेडिकल्स और अणुओं से जुड़ी आयनीकरण घटनाएं मौसम विज्ञान, जलवायु विज्ञान, रसायन विज्ञान, भौतिकी, इंजीनियरिंग, शरीर विज्ञान और व्यावसायिक स्वास्थ्य के विभिन्न क्षेत्रों में होती हैं। कृत्रिम वायु आयनीकरण के क्षेत्र में हाल के विकास, वीओसी और पीएम शुद्धिकरण में बढ़ती रुचि के साथ, इनडोर वायु गुणवत्ता में सुधार के लिए उन्नत प्रौद्योगिकियों के विकास को प्रोत्साहन दिया है। यह लेख वायु आयनों के भौतिक और रासायनिक गुणों की समझ प्रदान करता है। , और फिर इसे शुद्ध करने के लिए आयनीकरण के उपयोग और इससे VOCs और PM को हटाने का वर्णन करता है।
वायु आयनों के भौतिक गुण.
ब्रह्मांड में अधिकांश पदार्थ आयनित है। गहरे अंतरिक्ष निर्वात में, परमाणु और अणु उत्तेजित ऊर्जा अवस्था में होते हैं और उनमें विद्युत आवेश होता है। जबकि पृथ्वी और पृथ्वी के वायुमंडल में, अधिकांश पदार्थ आयनित नहीं होते हैं। आयनीकरण और आवेश पृथक्करण के लिए ऊर्जा के पर्याप्त शक्तिशाली स्रोत की आवश्यकता होती है। यह प्राकृतिक और कृत्रिम (मानवजनित) दोनों मूल का हो सकता है, इसे परमाणु, थर्मल, विद्युत या रासायनिक प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप जारी किया जा सकता है। ऊर्जा के कुछ स्रोत हैं: ब्रह्मांडीय विकिरण, स्थलीय स्रोतों से आयनकारी (परमाणु) विकिरण, पराबैंगनी विकिरण, हवा के घर्षण से आवेश, पानी की बूंदों का विघटन (झरने, बारिश), विद्युत निर्वहन (बिजली), दहन (आग, जलती हुई गैस जेट, इंजन) और मजबूत विद्युत क्षेत्र (कोरोना डिस्चार्ज)।
पर्यावरण में आयनों की मात्रा पर मानव प्रभाव:
दहन के दौरान, आयन और निलंबित कण दोनों एक साथ बनते हैं। उत्तरार्द्ध, एक नियम के रूप में, आयनों को अवशोषित करते हैं, उदाहरण के लिए, धूम्रपान के दौरान, मोमबत्तियां जलाना।
इनडोर वातावरण में, सिंथेटिक अंदरूनी और कृत्रिम वेंटिलेशन हवा में आवेशित कणों की मात्रा को कम कर सकते हैं।
विद्युत लाइनें आयनों की पूरी धाराएं उत्पन्न करती हैं; वीडियो डिस्प्ले से उनकी संख्या में कमी आती है।
विशेष उपकरण हवा को शुद्ध करने या इसके आवेश को बेअसर करने के लिए आयन उत्पन्न करते हैं।
कृत्रिम वायु आयनीकरण के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए उपकरण प्राकृतिक प्रक्रियाओं की तुलना में अधिक नियंत्रित होते हैं। बड़े आयन जनरेटर में हाल के विकास के परिणामस्वरूप ऊर्जा कुशल मॉड्यूल की व्यावसायिक उपलब्धता हुई है जो ओजोन जैसे न्यूनतम उप-उत्पादों के साथ नियंत्रित तरीके से आवश्यक आयनों का उत्पादन करने में सक्षम है। सतह के स्थिर आवेश को नियंत्रित करने के लिए आयन जनरेटर का उपयोग किया गया है। इनडोर वायु शोधन के लिए एयर आयनाइज़र (आयन जनरेटर) का तेजी से उपयोग किया जा रहा है।
आयनीकरण एक प्रक्रिया या प्रक्रिया का परिणाम है जिसके द्वारा विद्युत रूप से तटस्थ परमाणु या अणु एक सकारात्मक या नकारात्मक चार्ज प्राप्त करता है। जब एक परमाणु अतिरिक्त ऊर्जा को अवशोषित करता है, तो आयनीकरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप एक मुक्त इलेक्ट्रॉन और एक सकारात्मक चार्ज परमाणु होता है। शब्द "वायु आयन" व्यापक अर्थों में उन सभी वायु कणों को संदर्भित करता है जिनमें विद्युत आवेश होता है, जिनकी गति विद्युत क्षेत्रों पर निर्भर करती है।
वायु आयनों के रासायनिक परिवर्तन, दोनों प्राकृतिक उत्पत्ति और कृत्रिम रूप से निर्मित, माध्यम की संरचना पर निर्भर करते हैं, विशेष रूप से गैसीय अशुद्धियों के प्रकार और एकाग्रता पर। विशिष्ट प्रतिक्रियाओं का कोर्स व्यक्तिगत परमाणुओं और अणुओं के भौतिक गुणों पर निर्भर करता है, उदाहरण के लिए, आयनीकरण क्षमता, इलेक्ट्रॉन आत्मीयता, प्रोटॉन आत्मीयता, द्विध्रुवीय क्षण, ध्रुवीकरण और प्रतिक्रियाशीलता पर। मुख्य धनात्मक आयन N 2 + , O 2 + , N + और O + बहुत जल्दी (एक सेकंड के मिलियनवें भाग में) प्रोटोनेटेड हाइड्रेट्स में बदल जाते हैं, जबकि मुक्त इलेक्ट्रॉन ऑक्सीजन से जुड़ जाते हैं, जिससे सुपरऑक्साइड रेडिकल आयन 3 O 2 .- का निर्माण होता है, जो हाइड्रेट भी बना सकते हैं। इन मध्यवर्ती (मध्यवर्ती कण) को सामूहिक रूप से "क्लस्टर आयन" कहा जाता है।
क्लस्टर आयन तब वाष्पशील अशुद्धियों या निलंबित कणों के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं। अपने छोटे जीवनकाल (लगभग एक मिनट) के दौरान, एक क्लस्टर आयन 1,000,000,000,000 बार (10 12) तक जमीनी अवस्था में हवा के अणुओं से टकरा सकता है। रासायनिक, परमाणु, फोटो- और इलेक्ट्रो-आयनीकरण प्रक्रियाओं का उपयोग रासायनिक स्पेक्ट्रा को अलग करने और पहचानने के लिए किया जाता है। गैस चरण में और ठोस कणों की सतह पर अणुओं और प्रतिक्रियाओं का पृथक्करण वास्तविक मीडिया में सामान्य प्रतिक्रिया योजनाओं को काफी जटिल करता है। चल रही रासायनिक प्रतिक्रियाओं, आणविक पुनर्व्यवस्था, आणविक आयन समूहों के गठन और आवेशित कणों के कारण आयनों के गुण लगातार बदल रहे हैं। प्रोटोनेटेड हाइड्रेट्स व्यास में 1 एनएम (0.001 माइक्रोन) तक हो सकते हैं और 1-2 सेमी 2 / वी · एस की गतिशीलता होती है। आयनिक समूहों का आकार लगभग 0.01-0.1 एनएम है, और उनकी गतिशीलता 0.3-1·10 -6 मीटर 2 /V·s है। बाद वाले कण आकार में बड़े होते हैं, लेकिन परिमाण का क्रम कम मोबाइल होता है। तुलना के लिए: कोहरे की बूंदों या धूल के कणों का औसत आकार 20 माइक्रोन तक होता है।
आयनों और इलेक्ट्रॉनों की संयुक्त उपस्थिति एक अंतरिक्ष आवेश की उपस्थिति की ओर ले जाती है, अर्थात वातावरण में एक मुक्त अप्रतिस्पर्धी आवेश के अस्तित्व के लिए। धनात्मक और ऋणात्मक दोनों आवेशों के स्थानिक घनत्व को मापना संभव है। समुद्र तल पर साफ मौसम में, दोनों ध्रुवों के आयनों की सांद्रता लगभग 200-3,000 आयन/सेमी 3 होती है। प्राकृतिक सक्रियता के कारण बारिश और आंधी के दौरान उनकी संख्या काफी बढ़ जाती है: नकारात्मक आयनों की एकाग्रता बढ़कर 14,000 आयन/सेमी 3 हो जाती है, और सकारात्मक - 7,000 आयन/सेमी 3 तक। सकारात्मक से नकारात्मक आयनों का अनुपात आमतौर पर 1.1-1.3 होता है, जो कुछ खास मौसम स्थितियों में घटकर 0.9 रह जाता है। एक सिगरेट पीने से कमरे की हवा में आयनों की मात्रा 10-100 आयन/सेमी 3 तक कम हो जाती है।
आयनों और आयन समूहों में किसी भी वायुजनित अशुद्धियों के साथ टकराव और प्रतिक्रिया के कई अवसर होते हैं, अर्थात, वास्तव में, वातावरण के सभी घटकों के साथ। वे अन्य वाष्पशील घटकों के साथ प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप या विसरण आवेश और क्षेत्र आवेश के माध्यम से बड़े कणों से जुड़कर वातावरण से गायब हो जाते हैं। आयनों का जीवनकाल छोटा होता है, उनकी सांद्रता जितनी अधिक होती है (और इसके विपरीत, जीवनकाल कम सांद्रता में लंबा होता है, क्योंकि टकराव की संभावना कम होती है)। वायु आयनों का जीवनकाल सीधे आर्द्रता, तापमान और वाष्पशील पदार्थों और निलंबित कणों के निशान की सापेक्ष एकाग्रता पर निर्भर करता है। स्वच्छ हवा में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले आयनों का सामान्य जीवनकाल 100-1000 सेकेंड होता है।
वायु आयनों का रसायन
ऑक्सीजन सभी जीवों के लिए आवश्यक है। हालांकि, एक ओर जीवन के लिए आवश्यक ऑक्सीजन के निर्माण और दूसरी ओर इसके विषाक्त प्रभावों से सुरक्षा के बीच एक गतिशील संतुलन है। आण्विक ऑक्सीजन की 4 ऑक्सीकरण अवस्थाएं हैं [O 2] n, जहां n = 0, +1, -1, -2, क्रमशः ऑक्सीजन अणु के लिए, एक धनायन, एक सुपरऑक्साइड आयन, और एक पेरोक्साइड आयन (3 के रूप में लिखा जाता है) ओ 2 , 3 ओ 2 .+ , 3 ओ 2 .- और 3 ओ 2 -2)। इसके अलावा, हवा में "साधारण" ऑक्सीजन 3 ओ 2 "मूल" (ऊर्जावान रूप से अस्पष्ट) अवस्था में है। यह दो अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों के साथ एक मुक्त "द्विपक्षीय" है। ऑक्सीजन में, बाहरी परत में इलेक्ट्रॉनों के दो जोड़े में समानांतर स्पिन होते हैं, जो एक ट्रिपल स्टेट (सुपरस्क्रिप्ट 3, लेकिन आमतौर पर सादगी के लिए छोड़े गए) को दर्शाता है। ऑक्सीजन स्वयं आमतौर पर अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता होता है जैव रासायनिक प्रक्रियाएं. यह रासायनिक रूप से बहुत सक्रिय नहीं है और स्वयं ऑक्सीकरण द्वारा जैव प्रणालियों को नष्ट नहीं करता है। हालांकि, यह ऑक्सीजन के अन्य रूपों का अग्रदूत है जो विषाक्त हो सकता है, जैसे कि सुपरऑक्साइड रेडिकल आयन, हाइड्रॉक्सिल रेडिकल, पेरोक्साइड रेडिकल, अल्कोक्सी रेडिकल और हाइड्रोजन पेरोक्साइड। अन्य प्रतिक्रियाशील अणुओं में सिंगलेट ऑक्सीजन 1 ओ 2 और ओजोन ओ 3 शामिल हैं।
ऑक्सीजन अपनी सामान्य अवस्था में अधिकांश अणुओं के साथ अच्छी तरह से प्रतिक्रिया नहीं करता है, लेकिन इसे अतिरिक्त ऊर्जा (प्राकृतिक या कृत्रिम, विद्युत, थर्मल, फोटोकैमिकल या परमाणु) देकर और इसे प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आरओएस) में परिवर्तित करके "सक्रिय" किया जा सकता है। एक इलेक्ट्रॉन के जुड़ने पर ऑक्सीजन का प्रतिक्रियाशील अवस्था में परिवर्तन अपचयन (समीकरण 1) कहलाता है। एक इलेक्ट्रॉन दान करने वाला एक दाता अणु ऑक्सीकृत होता है। ट्रिपल ऑक्सीजन की इस आंशिक कमी का परिणाम सुपरऑक्साइड ओ 2 ·- है। यह एक रेडिकल (एक बिंदु द्वारा निरूपित) और एक आयन (चार्ज -1) दोनों है।
ओ 2 + ई - → ओ 2 .- (1)
सुपरऑक्साइड रेडिकल आयन मानव शरीर में बनने वाला सबसे महत्वपूर्ण रेडिकल है: 70 किलोग्राम वजन वाला एक वयस्क प्रति वर्ष कम से कम 10 किलोग्राम (!) का संश्लेषण करता है। माइटोकॉन्ड्रियल श्वसन द्वारा खपत ऑक्सीजन का लगभग 98% पानी में परिवर्तित हो जाता है, जबकि शेष 2% सुपरऑक्साइड में परिवर्तित हो जाता है, जो श्वसन प्रणाली में साइड प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप बनता है। मानव कोशिकाएं लगातार विदेशी सूक्ष्मजीवों के खिलाफ "एंटीबायोटिक" के रूप में सुपरऑक्साइड (और इससे प्राप्त प्रतिक्रियाशील अणु) का उत्पादन करती हैं। वायु आयनों और ऑक्सीजन रेडिकल्स के जीव विज्ञान की समीक्षा क्रुएगर और रीड, 1976 द्वारा की गई है। सुपरऑक्साइड NO के साथ-साथ कई सेलुलर प्रक्रियाओं के नियमन के लिए एक सिग्नलिंग अणु के रूप में भी कार्य करता है। . जैविक परिस्थितियों में, यह प्रतिक्रिया 2 में हाइड्रोजन पेरोक्साइड और ऑक्सीजन बनाने के लिए स्वयं के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिसे विघटन प्रतिक्रिया के रूप में जाना जाता है। यह एंजाइम सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज (एसओडी) द्वारा स्वतःस्फूर्त या उत्प्रेरित हो सकता है।
2 ओ 2 .- + 2 एच + → एच 2 ओ 2 + ओ 2 (2)
सुपरऑक्साइड एक ऑक्सीकरण एजेंट (इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता) और एक कम करने वाला एजेंट (इलेक्ट्रॉन दाता) दोनों हो सकता है। यह धातु आयनों और/या सूर्य के प्रकाश द्वारा उत्प्रेरित एक सक्रिय हाइड्रॉक्सिल रेडिकल (HO.) के निर्माण के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। सुपरऑक्साइड नाइट्रिक ऑक्साइड (NO.) रेडिकल के साथ अभिक्रिया करके बनाता है विवो मेंएक अन्य सक्रिय अणु पेरोक्सीनाइट्रेट (OONO।) है। सुपरऑक्साइड को फिर पेरोक्साइड (ओ 2 -2) में कम किया जा सकता है - ऑक्सीजन का एक सक्रिय रूप, जो जलीय वातावरण में हाइड्रोजन पेरोक्साइड (एच 2 ओ 2) के रूप में मौजूद है और स्वास्थ्य के लिए आवश्यक है।
सुपरऑक्साइड एक कमजोर एसिड, हाइड्रोपरॉक्साइड रेडिकल HO 2 · के पृथक्करण का एक उत्पाद है। जलीय प्रणालियों में, इन दो कणों की मात्रा का अनुपात माध्यम के अम्लता सूचकांक और संबंधित संतुलन स्थिरांक द्वारा निर्धारित किया जाता है। हवा के नकारात्मक आयनीकरण के परिणामस्वरूप सुपरऑक्साइड भी बन सकता है। नम हवा में छोटी सांद्रता के गठन की भी अध्ययनों से पुष्टि हुई है।
सुपरऑक्साइड के आयनिक समूह वायुजनित कणों और वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों के साथ शीघ्रता से प्रतिक्रिया करते हैं। जबकि हाइड्रोजन पेरोक्साइड एक ऑक्सीकरण एजेंट है, हाइड्रोजन पेरोक्साइड और सुपरऑक्साइड (ईक्यू 3) का संयोजन एक अधिक सक्रिय प्रजाति, हाइड्रॉक्सिल रेडिकल, ज्ञात सबसे शक्तिशाली ऑक्सीकरण एजेंट का उत्पादन करता है।
2 ओ 2 .- + एच 2 ओ 2 → ओ 2 + ओएच। + ओह - (3)
रासायनिक प्रतिक्रियाओं में शामिल व्यक्तिगत कणों की पहचान एक गैर-तुच्छ कार्य है। एक प्रतिक्रिया योजना की मॉडलिंग में दर्जनों सजातीय और शामिल हो सकते हैं विषम प्रतिक्रियाएंऊपर वर्णित कणों के बीच।
सक्रिय ऑक्सीजन प्रजातियां
ऑक्सीजन, सुपरऑक्साइड, पेरोक्साइड और हाइड्रॉक्सिल को प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियां (आरओएस) कहा जाता है, वे गैसीय और जलीय मीडिया दोनों में विभिन्न रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में भाग ले सकते हैं। ये सक्रिय कण वातावरण में मौजूद कार्बनिक पदार्थों के अपघटन, स्मॉग कणों और ओजोन (O 3) के टूटने के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं। हाइड्रॉक्सिल रेडिकल ऑक्सीकरण (कार्बनिक यौगिकों से इलेक्ट्रॉनों को हटाने) सहित जटिल रासायनिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से क्षोभमंडल में वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों के अपघटन में एक महत्वपूर्ण कारक है, जो बाद में एक श्रृंखला प्रतिक्रिया में अन्य कार्बनिक अणुओं के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है।
स्थलीय अंतरिक्ष और बाहरी अंतरिक्ष दोनों में प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियां पाई गई हैं। SnO 2 पर आधारित सॉलिड स्टेट सेंसर, जो आमतौर पर गैस की अशुद्धियों का पता लगाने के लिए उपयोग किया जाता है, ऑक्सीजन और जल वाष्प के रसायन विज्ञान से प्रभावित होते हैं। पर्याप्त रूप से उच्च परिचालन तापमान पर, हवा से ऑक्सीजन क्रिस्टलीय सतहों पर सोख ली जाती है, जिन पर ऋणात्मक आवेश होता है। इस मामले में, क्रिस्टल के इलेक्ट्रॉन अधिशोषित O 2 में जाते हैं, जिससे सुपरऑक्साइड रेडिकल बनते हैं, जो तब CO, हाइड्रोकार्बन और गैसों या वाष्प की अन्य अशुद्धियों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। इलेक्ट्रॉनों की रिहाई के परिणामस्वरूप, सतह चार्ज कम हो जाता है, जिससे चालकता में वृद्धि होती है, जो निश्चित है। इसी तरह की रासायनिक प्रक्रियाएं फोटोकैटलिटिक ऑक्सीकरण, ठोस ऑक्साइड ईंधन कोशिकाओं और विभिन्न गैर-थर्मल प्लाज्मा प्रक्रियाओं में पाई जाती हैं।
अंतरिक्ष वैज्ञानिकों का सुझाव है कि मंगल ग्रह की मिट्टी की असामान्य गतिविधि और कार्बनिक यौगिकों की अनुपस्थिति पराबैंगनी विकिरण के कारण होती है, जो धातु के परमाणुओं के आयनीकरण और मिट्टी के कणिकाओं पर प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन कणों के निर्माण का कारण बनती है। आमतौर पर ऑक्सीजन की उपस्थिति में यूवी विकिरण की क्रिया के तहत बनने वाले तीन रेडिकल ओ ·-, ओ 2 ·- और ओ 3 ·- को कभी-कभी सामूहिक रूप से प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजाति (आरओएस) के रूप में संदर्भित किया जाता है। O 2 ·- पृथ्वी पर सामान्य तापमान पर बनने वाला सबसे कम सक्रिय, सबसे स्थिर और सबसे अधिक संभावित ऑक्सीजन रेडिकल है। इसके रासायनिक गुणों में हाइड्रेटेड क्लस्टर आयन बनाने के लिए पानी के साथ प्रतिक्रिया शामिल है। दो परस्पर जुड़े कण - हाइड्रॉक्साइड और हाइड्रोपरॉक्साइड - कार्बनिक अणुओं को ऑक्सीकरण करने में सक्षम हैं। सुपरऑक्साइड पानी के साथ प्रतिक्रिया करता है (समीकरण 4) ऑक्सीजन, पेरहाइड्रॉक्सिल और हाइड्रॉक्सिल रेडिकल बनाने के लिए, जो आसानी से कार्बनिक अणुओं को ऑक्सीकरण करने में सक्षम हैं।
2 ओ 2 .- + एच 2 ओ → ओ 2 + एचओ 2 .- + ओएच .- (4)
सुपरऑक्साइड भी हाइड्रॉक्सिल रेडिकल (समीकरण 5) बनाने के लिए ओजोन के साथ सीधे प्रतिक्रिया कर सकती है।
2 ओ 2 .- + ओ 3 + एच 2 ओ → 2 ओ 2 + ओएच - + ओएच। (5)
हम निम्नलिखित समग्र योजना (समीकरण 6) मान सकते हैं, जिसमें ऊपर वर्णित कई प्रतिक्रियाएं शामिल हैं। इसमें, वायु आयनीकरण के दौरान बनने वाला सुपरऑक्साइड, धातु के समावेशन के साथ हवा में निलंबित कणों से जुड़े वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों के ऑक्सीकरण का कारण बनता है:
सी एक्स एच वाई + (एक्स+वाई/4) ओ 2 → एक्स सीओ 2 + (वाई/2) एच 2 ओ (6)
यह एक सरलीकृत प्रतिनिधित्व है। प्रत्येक प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आरओएस) के लिए उनके पारस्परिक परिवर्तन की प्रतिक्रियाओं की कई काल्पनिक या पुष्टि की गई योजनाएं हैं।
व्यक्तिगत VOCs का परिवर्तन, अर्थात्, मूल कणों का गायब होना और कार्बन डाइऑक्साइड और पानी के बजाय उप-उत्पादों का निर्माण, वायु आयनीकरण से पहले और बाद में, वैज्ञानिक पत्रों में सुझाया और मॉडलिंग किया गया है। यह एक सर्वविदित तथ्य है कि गैर-थर्मल, गैस-चरण प्लाज़्मा, जो कमरे के तापमान और वायुमंडलीय दबाव पर इलेक्ट्रॉनिक रूप से उत्पन्न होते हैं, स्पंदित कोरोना रिएक्टर में वीओसी (10-100 सेमी 3 / मी 3 एकाग्रता) की कम सांद्रता को नष्ट कर सकते हैं। . रासायनिक आयनीकरण क्षमता के आधार पर विनाश या उन्मूलन (ईयूएल) की क्षमता का मोटे तौर पर अनुमान लगाया गया था। आयनीकरण और अन्य कोरोना प्रक्रियाओं का उपयोग किया गया है, विशेष रूप से, वीओसी की अपेक्षाकृत कम प्रारंभिक सांद्रता वाली हवा के उपचार के लिए (100-0.01 सेमी 3 / मी 3)। कई निजी और सार्वजनिक शोधकर्ताओं ने उपचार योग्य रासायनिक यौगिकों (तालिका 1) की सूचना दी है, जिसका अर्थ है कि इन पदार्थों को वायु आयनीकरण और संबंधित प्रक्रियाओं द्वारा रासायनिक रूप से परिवर्तित या नष्ट किया जा सकता है।
तालिका 1. रासायनिक यौगिक जिन्हें आयनीकरण (*) द्वारा हवा से हटाया जा सकता है।
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नाम |
नाम |
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कार्बन मोनोऑक्साइड |
नेफ़थलीन |
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नाइट्रोजन आक्साइड |
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formaldehyde |
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एसीटैल्डिहाइड |
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मिथाइल अल्कोहल |
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मिथाइल एथिल कीटोन |
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मिथाइलीन क्लोराइड |
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cyclohexane |
1,1,1-ट्राइक्लोरोइथेन |
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1,1,2-ट्राइक्लोरोइथेन |
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कार्बन टेट्राक्लोराइड |
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जाइलीन (ओ-, एम-, पी-) |
tetrachlorethylene |
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1,2,4-ट्राइमेथाइलोबेंजीन |
हेक्साफ्लोरोएथेन |
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इथाइलबेंजीन |
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* दक्षता प्रारंभिक सांद्रता, सापेक्ष आर्द्रता और ऑक्सीजन सामग्री पर निर्भर करती है।
जब हवा को आयनित किया जाता है, तो इसी तरह की प्रक्रियाएं होंगी, जिसमें द्विध्रुवीय आयनों द्वारा कार्बनिक यौगिकों के ऑक्सीकरण और मध्यवर्ती उप-उत्पादों के लिए मुक्त कण और अंत में कार्बन डाइऑक्साइड और पानी शामिल हैं। वायु आयनों से जुड़ी चार प्रतिक्रिया प्रक्रियाएं संभव हैं: (I) अन्य आयनों के साथ पुनर्संयोजन, (II) गैस अणुओं के साथ प्रतिक्रिया, (III) बड़े कणों से लगाव, और (IV) सतह के साथ संपर्क। पहली दो प्रक्रियाएं वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों को हटाने में मदद कर सकती हैं; अंतिम दो ठोस कणों को हटाने में योगदान कर सकते हैं।
AIR IONIZERS के संचालन सिद्धांत
बाइपोलर एयर आयोनाइजर्स आवेशित अणु बनाते हैं। इलेक्ट्रॉन प्राप्त करने या दान करने पर, अणु ऋणात्मक या धनात्मक आवेश प्राप्त कर लेता है। तीन प्रकार के आयनीकरण प्रणालियाँ वर्तमान में उपयोग में हैं: फोटोनिक, परमाणु और इलेक्ट्रॉनिक। फोटॉन आयनीकरण गैस के अणुओं से इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने के लिए नरम एक्स-रे स्रोतों का उपयोग करता है। परमाणु ionizers में, पोलोनियम -210 का उपयोग किया जाता है, यह α-कणों के स्रोत के रूप में कार्य करता है, जो गैस के अणुओं से टकराकर इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालता है। इलेक्ट्रॉनों को खोने वाले अणु सकारात्मक आयन बन जाते हैं। तटस्थ गैस के अणु जल्दी से इलेक्ट्रॉनों को पकड़ लेते हैं और नकारात्मक आयन बन जाते हैं। इस प्रकार के ऑसिलेटर में उत्सर्जक सुइयां नहीं होती हैं, इसलिए उन पर जमा कोई समस्या नहीं है। हालांकि, सुरक्षा खतरों से बचने के लिए एक्स-रे और परमाणु स्रोतों को सावधानीपूर्वक और लगातार निगरानी में स्थापित करने की आवश्यकता है।
इलेक्ट्रॉन आयनाइज़र या कोरोना डिस्चार्ज आयनाइज़र एक मजबूत विद्युत क्षेत्र बनाने के लिए एक उत्सर्जक टिप या ग्रिड पर लागू उच्च वोल्टेज का उपयोग करते हैं। यह क्षेत्र आस-पास के अणुओं के इलेक्ट्रॉनों के साथ संपर्क करता है और लागू वोल्टेज के समान ध्रुवता के आयनों का उत्पादन करता है। इन ionizers को वर्तमान के प्रकार के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है: स्पंदित, एकदिश धाराऔर प्रत्यावर्ती धारा। एसी ionizers द्विध्रुवी हैं, वे बारी-बारी से प्रत्येक चक्र के साथ नकारात्मक और सकारात्मक आयनों का उत्पादन करते हैं। अन्य रसायनों का निर्माण धारा के प्रकार, विधा, एकध्रुवीय आयनों की सांद्रता, धनात्मक और ऋणात्मक आयनों के अनुपात, सापेक्षिक आर्द्रता पर निर्भर करता है। एसी ionizers, बहुत पहले प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक ionizer, में अंतर्निहित वोल्टेज उतार-चढ़ाव होता है और उनके द्वारा उत्पादित विद्युत क्षेत्र सकारात्मक और नकारात्मक चोटियों से गुजरते हैं।
उत्पन्न वायु आयनों की मात्रा को चार्ज किए गए प्लेट रिकॉर्डर का उपयोग करके मापा जाता है। या आप ग्लास सबस्ट्रेट्स पर स्थिर क्षीणन को मापने के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक फील्ड मीटर का उपयोग कर सकते हैं। आयन निगरानी आपको इष्टतम प्रदर्शन के लिए आयनों की एक निर्धारित मात्रा उत्पन्न करने की अनुमति देती है।
विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक एयर प्यूरीफायर के बीच अंतर करना महत्वपूर्ण है। एयर आयनाइज़र, इलेक्ट्रोस्टैटिक फिल्टर और ओजोन जनरेटर अक्सर संयुक्त होते हैं, लेकिन ऑपरेटिंग मोड में उनके स्पष्ट अंतर होते हैं।
एक वायु आयनीकरण प्रणाली में कई घटक होते हैं: वायु गुणवत्ता (वीओसी और पीएम) की निगरानी के लिए सेंसर, आवश्यक मात्रा में आयनों को उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक आयन निगरानी और आयनीकरण मॉड्यूल। औद्योगिक वायु आयनीकरण प्रणाली स्वचालित रूप से एक आरामदायक जलवायु प्रदान करने के लिए आयनीकरण प्रक्रिया को नियंत्रित करती है, माइक्रोबियल प्रदूषण को कम करती है और इनडोर वायु में अस्थिर और निलंबित घटकों को नष्ट और / या समाप्त करके गंध को बेअसर करती है। आयनीकरण वायु उपचार प्रणाली को सीधे बंद स्थान या केंद्रीय वेंटिलेशन वायु आपूर्ति प्रणाली में स्थापना के लिए डिज़ाइन किया गया है। फिर हवा को सीधे कमरे के वातावरण में उतारा जा सकता है, या बाहरी हवा के साथ मिलाने के बाद फिर से प्रसारित किया जा सकता है।
वीओसी और पीएम के स्रोतों और उनकी तीव्रता के आधार पर, एक विशिष्ट वस्तु पर आयनीकरण मॉड्यूल रखना संभव है। पूरे प्रवाह का इलाज करने के लिए आयनीकरण उपकरणों को सीधे एयर कंडीशनिंग इकाई की केंद्रीय इकाई में रखा जा सकता है। उन्हें केंद्रीय एचवीएसी (हीटिंग, वेंटिलेशन और एयर कंडीशनिंग) सिस्टम में मौजूदा डाउनस्ट्रीम नलिकाओं में भी स्थापित किया जा सकता है। तत्काल जरूरतों को पूरा करने के लिए अलग-अलग कमरों में स्टैंड-अलोन आयनीकरण उपकरणों को रखना भी संभव है। इनडोर वायु गुणवत्ता में सुधार के लिए आयनीकरण प्रणाली के उचित संचालन के लिए विशिष्ट स्थिति और आवश्यकताओं का वर्णन करने वाले सात कारकों के अनुकूलन की आवश्यकता होती है। एक औद्योगिक वायु ionizer के संचालन के दौरान, निम्नलिखित मापदंडों को नियंत्रित किया जाता है: आयन तीव्रता का वांछित स्तर, वायु प्रवाह की शक्ति और कवरेज, आर्द्रता, वायु गुणवत्ता और ओजोन का पता लगाना।
चित्र 1. वायु आयनीकरण प्रक्रिया की योजना।
प्रवाह संवेदक वायु मात्रा प्रवाह (सीएफएम में) को मापता है। आर्द्रता संवेदक हवा में जल वाष्प की मात्रा को मापता है। वायु गुणवत्ता संवेदक आयनीकरण की सापेक्ष आवश्यकता का निर्धारण करेगा। इन सेंसर्स को एयर रिटर्न डक्ट और बाहरी एयर इनटेक दोनों में लगाया जा सकता है। यह सुनिश्चित करने के लिए एक और वायु गुणवत्ता सेंसर (वैकल्पिक) स्थापित किया जा सकता है कि ओजोन का स्तर, जो एक उप-उत्पाद के रूप में कम मात्रा में बन सकता है, निर्धारित सीमा से नीचे है। एक अन्य प्रकार के सेंसर (वैकल्पिक भी) का उपयोग कुछ पार्टिकुलेट मैटर (पीएम) अंशों के सापेक्ष स्तर को मापने के लिए किया जा सकता है जिन्हें आयनीकरण द्वारा हवा से हटाया जा सकता है। सेंसर से सिग्नल एक पीसी का उपयोग करके रिकॉर्ड किए जाते हैं। आयनीकरण प्रणाली की प्रतिक्रिया को वास्तविक समय में कई रेखांकन के रूप में नेत्रहीन रूप से प्रदर्शित किया जाता है, और इसके लिए भी संग्रहीत किया जाता है आगे उपयोग. एक नियमित ब्राउज़र के माध्यम से नेटवर्क पर क्लाइंट के लिए सभी जानकारी उपलब्ध है।
व्यावहारिक प्रयोग और वस्तु अनुसंधान।
विभिन्न दिशाओं में लंबे समय से आयनीकरण तकनीकों का उपयोग किया जाता रहा है। अर्धचालक या नैनोमटेरियल के उत्पादन जैसे संवेदनशील निर्माण कार्यों में इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज (वायु आयनों द्वारा चार्ज न्यूट्रलाइजेशन) का नियंत्रण बहुत महत्वपूर्ण है। आयनीकरण का उपयोग हवा को शुद्ध करने के लिए किया जाता है, जो हमारे समय में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। परिवर्तनशील कार्बनिक यौगिक(वीओसी), गंध, प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों द्वारा ऑक्सीकृत होते हैं। तंबाकू के धुएं, पराग और धूल जैसे ठोस कण वायु आयनों के प्रभाव में आपस में चिपक जाते हैं। एयरबोर्न बैक्टीरिया और मोल्ड बेअसर हो जाते हैं। अन्य लाभों में ऊर्जा की बचत शामिल है, क्योंकि कंडीशनिंग के लिए कम बाहरी हवा का उपयोग किया जाता है, साथ ही साथ इनडोर आराम में समग्र वृद्धि होती है। घरेलू और कार्यालय स्थानों में वायु गुणवत्ता में सुधार के लिए आयनीकरण प्रणाली स्थापित की गई है। उन्हें संस्थानों, वाणिज्यिक और औद्योगिक परिसरों में वाष्पशील यौगिकों और पार्टिकुलेट मैटर के नियंत्रण के लिए भी स्थापित किया गया है। वास्तविक वस्तुओं पर किए गए प्रयोगों की एक छोटी सूची संभावित अनुप्रयोगों (तालिका II) की विविधता को दर्शाती है।
तालिका II। वायु आयनीकरण पर प्रयोग करने के लिए वस्तुएं
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एक वस्तु |
स्थान |
आवेदन |
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इंजीनियरिंग केंद्र |
बड़ा शहर |
विशिष्ट VOCs को हटाना |
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भुगतान केंद्र |
अंतर्राष्ट्रीय हवाईअड्डा |
विमान निकास हटाने |
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पुराना होटल |
शहर का केंद्र |
ऊर्जा बचाएं, वायु गुणवत्ता में सुधार करें |
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आधुनिक होटल |
अंतर्राष्ट्रीय हवाईअड्डा |
विमान निकास हटाने |
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शॉपिंग सेंटर |
राजधानी का केंद्र |
वीओसी नियंत्रण, ऊर्जा की बचत |
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संसद भवन |
गंध, वीओसी, रोगाणुओं का तटस्थकरण |
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रेस्तरां परिसर |
सेंट्रल स्क्वायर |
रसोई की गंध को बेअसर करना |
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अलग रेस्टोरेंट |
शहर का केंद्र |
रसोई की दुर्गंध, तंबाकू के धुएं को बेअसर करना |
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मांस प्रसंस्करण संयंत्र |
बड़ा शहर |
हवा में रोगाणुओं का बेअसर होना, कचरे की गंध |
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मांस/खाद्य भंडारण |
सुपरमार्केट |
रसोई की गंध, कीटाणुओं को बेअसर करना |
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शारीरिक प्रयोगशाला |
चिकित्सा विद्यालय |
फॉर्मलडिहाइड हटाने |
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रोग प्रयोगशाला |
अस्पताल |
मायरोब्स को हटाना |
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फ़ुटबॉल स्टेडियम |
बड़ा शहर |
गंधों का तटस्थकरण |
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फर्नीचर फैक्टरी |
औद्योगीक क्षेत्र |
तंबाकू का धुआं हटाना |
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टाइपोग्राफी |
छोटा कस्बा |
शोधक का वाष्प हटाना |
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सैलून |
बड़ा शहर |
वीओसी हटाने (नेल पॉलिश गंध) |
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पशु प्रसंस्करण स्थान |
अनुसंधान प्रयोगशाला |
हवा में गंध, कीटाणुओं को दूर करना |
एक बहुमंजिला इमारत में कई सौ कर्मचारियों के साथ एक बड़े इंजीनियरिंग केंद्र (सीमेंस एजी, बर्लिन) में एक वायु आयनीकरण प्रणाली स्थापित की गई थी। नौ विभिन्न वर्गों के पदार्थों से संबंधित 59 विशिष्ट वीओसी के स्तर में कमी की मात्रा निर्धारित की गई थी (तालिका III)। वीओसी सामग्री को गैस क्रोमैटोग्राफी और मास स्पेक्ट्रोस्कोपी (जीसी / एमएस) द्वारा प्रयोग अवधि के दौरान और बिना आयनीकरण के शर्बत ट्यूबों में एकत्र किए गए नमूनों में निर्धारित किया गया था। हालांकि वीओसी 31 और 59 की सामग्री पहले से ही निर्धारित सीमा से कम थी, लेकिन उनकी राशि इससे अधिक नहीं बढ़ी। वीओसी की कुल राशि में 50% की कमी आई। शुरुआती स्तर 112 माइक्रोग्राम/एम 3 है और लक्ष्य प्रदर्शन स्तर 300 माइक्रोग्राम/एम 3 है, यह देखते हुए ये उत्कृष्ट परिणाम हैं। पदार्थों का स्तर 20 और 59 घट गया, अन्य पदार्थों का स्तर नहीं बढ़ा। अधूरे आयनीकरण के उत्पादों के रूप में नए वीओसी का पता नहीं चला।
इसके अलावा, प्रयोग के दौरान, कमरे में ओजोन का स्तर लगातार मापा जाता था, दोनों आयनीकरण के साथ और बिना। प्रयोग के महीने के दौरान औसत स्तर 0.7 पीपीबीवी बिना आयनीकरण के था, और अधिकतम मूल्य 5.8 पीपीबीवी था। यह 100 पीपीबीवी के नियामक लक्ष्य के बराबर है। आयनीकरण के दौरान औसत स्तर 6.6 पीपीबीवी था, अधिकतम मूल्य 14.4 पीपीबीवी था। बाहरी ओजोन स्तरों को सीधे नहीं मापा गया था, लेकिन एक संभावित सीमा की गणना 10-20 पीपीबीवी की गई थी।
तालिका III। ऑब्जेक्ट ए: इंजीनियरिंग सेंटर (ए)।
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अवयव (#) |
आयनीकरण के बिना, माइक्रोग्राम / एम 3 |
आयनीकरण के साथ, माइक्रोग्राम / एम 3 |
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सुगंधित यौगिक (20) |
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अल्केन्स (13) |
4-1 या उससे कम |
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आइसोअल्केन्स (9) |
4-1 या उससे कम |
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साइक्लोअल्केन्स (3) |
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अल्कोहल (8) |
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केटोन्स (7) |
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एस्टर (3) |
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क्लोरीनयुक्त हाइड्रोकार्बन (9) |
2-1 या उससे कम |
2-1 या उससे कम |
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टेरपेन्स (5) |
3-1 या उससे कम |
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कुल वीओसी (59) |
एक अन्य प्रयोग एक प्रमुख अंतरराष्ट्रीय हवाई अड्डे (वीज़ा, ज्यूरिख) के पास एक भुगतान केंद्र में किया गया, जहां कार्यालय के कर्मचारी विमान और जमीनी परिवहन निकास धुएं के संपर्क में हैं। तीन वीओसी के स्तर को आयनीकरण के साथ और बिना आयनीकरण (तालिका IV) के परिमाणित किया गया था। ईंधन के अधूरे दहन के कारण होने वाली हानिकारक गंधों में उल्लेखनीय कमी देखी गई।
तालिका IV। वस्तु बी। पर्यटक केंद्र।
विभिन्न अनुप्रयोगों में विशिष्ट संदूषकों के उन्मूलन पर मात्रात्मक परिणाम प्राप्त करने के लिए वर्तमान में अन्य अध्ययन चल रहे हैं। श्रमिकों और संयंत्र प्रबंधकों से उपाख्यानात्मक रिपोर्ट भी एकत्र की जा रही हैं जो धुएं और गंध में महत्वपूर्ण कमी और इनडोर वायु गुणवत्ता में समग्र सुधार की रिपोर्ट करते हैं।
वायु आयनीकरण: हम क्या करने जा रहे हैं…
भौतिक बलों का प्रभाव, एकत्रीकरण की स्थिति और द्रव्यमान न केवल परिणाम पर, बल्कि एक प्रकार के पदार्थ को दूसरे में बदलने की विधि पर भी - रासायनिक परिवर्तन की स्थिति, संक्षेप में - एक रसायनज्ञ के लिए एक जरूरी समस्या है, जिसका हाल ही में प्रयोगात्मक अध्ययन शुरू किया गया है। अनुसंधान की इस पंक्ति में कई कठिनाइयाँ हैं, लेकिन उनमें से सबसे महत्वपूर्ण यह है कि ऐसी प्रतिक्रिया खोजना मुश्किल है जो प्रकृति में सरल हो, शुद्ध रूप में लिए जा सकने वाले पदार्थों के बीच हो रही हो, और ऐसे उत्पाद दे रही हो जिन्हें सटीक रूप से परिभाषित किया जा सके .
वायु शोधन प्रौद्योगिकियों में शामिल हैं: (I) भौतिक, (II) भौतिक-रासायनिक, और/या (III) इलेक्ट्रॉनिक प्रक्रियाएं या उनका संयोजन (तालिका IV)। पीएम निस्पंदन में छिद्रपूर्ण या रेशेदार सामग्री पर कणों का भौतिक या यांत्रिक संग्रह शामिल होता है। निष्कासन तंत्र टक्कर, अवसादन (बसना), और प्रसार हैं। गैस चरण निस्पंदन में रासायनिक प्रतिक्रियाओं की संभावित घटना के साथ एक ठोस सतह पर वीओसी का सोखना शामिल है। रासायनिक रूप से सक्रिय घटकों जैसे एसिड, बेस या कम करने वाले एजेंटों, या उत्प्रेरक या फोटोकैटलिटिक रूप से सक्रिय सामग्री के साथ केमीसॉर्बेंट्स को लगाया जाता है।
इलेक्ट्रॉनिक एयर प्यूरीफायर को आगे आयनीकरण के प्रकार और संचालन के तरीके के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है। द्विध्रुवी वायु आयनीकरण उपकरण सबसे सरल हैं, जबकि अन्य उपयोग करते हैं विभिन्न विकल्पप्लाज्मा और कोरोनरी डिस्चार्ज। ये उपकरण नकारात्मक और/या धनात्मक आयनों के समूह उत्पन्न करते हैं। ये आयन पीएम को चार्ज करते हैं, जिससे इसे फिल्टर करना आसान हो जाता है। क्लस्टर आयन भी रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं और वीओसी को नष्ट कर देते हैं। हालांकि यह प्रक्रिया कई ज्ञात ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं के समान है, फिर भी यह अधिक सूक्ष्म और जटिल है। यह ठोस उत्प्रेरक की उपस्थिति के बिना कमरे के तापमान पर किया जा सकता है। एयर आयनाइज़र इलेक्ट्रोस्टैटिक फिल्टर से भिन्न होते हैं जिसमें पीएम विद्युत रूप से चार्ज की गई सतह के संपर्क के बजाय वायु आयनों के सीधे संपर्क के माध्यम से विद्युत रूप से चार्ज होता है। एयर आयनाइज़र ओजोन जनरेटर से भी भिन्न होते हैं क्योंकि सक्रिय कण ओजोन के बजाय नकारात्मक या सकारात्मक आयनों के समूह होते हैं, जो स्वास्थ्य कारणों से इनडोर वायु में नियंत्रित होते हैं।
वायु आयनीकरण तकनीक, हालांकि अच्छी तरह से विकसित है, अब केवल वीओसी और पीएम से वायु शोधन में आवेदन पा रही है, संवेदनशील प्रक्रिया संचालन में इलेक्ट्रोस्टैटिक डिस्चार्ज के नियंत्रण से लेकर खतरनाक वायु प्रदूषकों के विनाश तक। संबंधित तकनीकों में कोरोना स्पंदित ऑक्सीकरण और अन्य गैर-थर्मल प्लाज्मा उपकरण शामिल हैं। आयनीकरण द्वारा वायु शोधन के कई लाभ हैं: संभावित खतरनाक वीओसी और पीएम का विनाश, रूपांतरण और उन्मूलन; संवहन प्रौद्योगिकियों (निस्पंदन और सोखना) का विस्तारित और बेहतर प्रदर्शन; कम ऊर्जा खपत; इनडोर सतहों पर न्यूनतम पीएम जमा; कम खतरनाक अभिकर्मक और उप-उत्पाद; और स्वास्थ्य में सुधार की संभावना है।
तालिका V. वायु शोधन प्रणालियों की तुलना
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द्विध्रुवी वायु आयनीकरण |
ओजोन पीढ़ी |
इलेक्ट्रोस्टैटिक धूल संग्रह |
गैस चरण निस्पंदन |
छानने का काम |
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कार्यकरण |
इलेक्ट्रोनिक |
इलेक्ट्रोनिक |
इलेक्ट्रोनिक |
भौतिक |
शारीरिक |
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शांत निर्वहन |
बाधा निर्वहन |
उच्च तनाव के तहत जाल और प्लेट |
चयनात्मक सोखना और प्रतिक्रियाएं |
फ्लैट, मुड़ा हुआ फिल्टर, VEVF |
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(+) और (-) आयनों का निर्माण |
ओजोन पीढ़ी |
निलंबित कणों का प्रभार |
सोखना और प्रतिक्रिया |
झरझरा सतह पर कणों का जमाव |
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सक्रिय कण |
द्विध्रुवीय आयन और मूलक (O 2 .-) |
आवेशित कण |
सोखने और प्रतिक्रियाओं के स्थान |
बड़ा सतह क्षेत्र |
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उत्पादों |
सीओ 2, एच 2 ओ, मोटे कण |
सीओ 2, एच 2 ओ, ओ 3 |
बढ़े हुए कण |
वीओसी कमी |
पीएम कमी |
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सह-उत्पाद |
न्यूनतम राशि, लगभग 3 यदि नियंत्रित नहीं है |
ओ 3 की महत्वपूर्ण मात्रा, |
लगभग 3 यदि नियमित रूप से सफाई न की जाए |
संदूषक के साथ प्रयुक्त भराव |
दूषित पदार्थों के साथ प्रयुक्त फिल्टर |
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स्वास्थ्य देखभाल |
सीमा ओ 3 |
ओजोन एक्सपोजर |
उच्च वोल्टेज और ओजोन के संपर्क में |
संचय, भंडारण, उन्मूलन |
गंदे फिल्टर का उन्मूलन |
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रासायनिक ऑक्सीकरण |
रासायनिक ऑक्सीकरण |
पीएम पर वीओसी का वर्गीकरण |
सोखना/अवशोषण |
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साथ - साथ चिपके रहना |
प्लेटों पर संचय |
भराव में संचय |
संघनन, जमाव, प्रसार |
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ऑक्सीकरण |
ऑक्सीकरण |
सोखना/अवशोषण |
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क्रियाशीलता छोड़ना |
क्रियाशीलता छोड़ना |
शायद ही कभी |
शायद ही कभी |
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नियंत्रण |
मांग पर आयन |
लगातार पीढ़ी |
प्रक्रिया डिजाइन |
प्रक्रिया डिजाइन |
प्रक्रिया डिजाइन |
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कीमत |
उदारवादी |
एमएमएचजी कला। किलोग्राम। किलोग्राम। डब्ल्यू = किग्रा / एच ह्यूमिडिफायर प्रदर्शन |
एक परमाणु की संरचना उसकी त्रिज्या, आयनीकरण ऊर्जा, इलेक्ट्रॉन आत्मीयता, वैद्युतीयऋणात्मकता और परमाणु के अन्य मापदंडों को निर्धारित करती है। परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनिक गोले ऑप्टिकल, विद्युत, चुंबकीय और सबसे महत्वपूर्ण, परमाणुओं और अणुओं के रासायनिक गुणों के साथ-साथ ठोस पदार्थों के अधिकांश गुणों को निर्धारित करते हैं।
एक परमाणु की चुंबकीय विशेषताएं
इलेक्ट्रॉन का अपना है चुंबकीय पल, जिसे लागू चुंबकीय क्षेत्र के समानांतर या विपरीत दिशा में परिमाणित किया जाता है। यदि एक ही कक्षक में रहने वाले दो इलेक्ट्रॉनों में विपरीत दिशा में घूमने वाले (पॉली सिद्धांत के अनुसार) होते हैं, तो वे एक दूसरे को रद्द कर देते हैं। इस मामले में, इलेक्ट्रॉनों को कहा जाता है बनती. केवल युग्मित इलेक्ट्रॉनों वाले परमाणु चुंबकीय क्षेत्र से बाहर धकेल दिए जाते हैं। ऐसे परमाणु कहलाते हैं प्रति-चुंबकीय. जिन परमाणुओं में एक या अधिक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं, वे चुंबकीय क्षेत्र में खींचे जाते हैं। उन्हें प्रतिचुंबकीय कहा जाता है।
एक परमाणु का चुंबकीय क्षण, जो एक चुंबकीय क्षेत्र के साथ एक परमाणु की बातचीत की तीव्रता को दर्शाता है, व्यावहारिक रूप से अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की संख्या के समानुपाती होता है।
विभिन्न तत्वों के परमाणुओं की इलेक्ट्रॉनिक संरचना की विशेषताएं आयनीकरण ऊर्जा और इलेक्ट्रॉन आत्मीयता जैसी ऊर्जा विशेषताओं में परिलक्षित होती हैं।
आयनीकरण ऊर्जा
एक परमाणु के आयनीकरण की ऊर्जा (क्षमता) इ मैंसमीकरण के अनुसार एक परमाणु से अनंत तक एक इलेक्ट्रॉन को निकालने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा है
एक्स = एक्स + + इ −
इसके मान आवर्त प्रणाली के सभी तत्वों के परमाणुओं के लिए जाने जाते हैं। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन परमाणु की आयनीकरण ऊर्जा 1 . से एक इलेक्ट्रॉन के संक्रमण से मेल खाती है एस- ऊर्जा उपस्तर (−1312.1 kJ/mol) शून्य ऊर्जा के साथ उप-स्तर तक और +1312.1 kJ/mol के बराबर होता है।
परमाणुओं के एक इलेक्ट्रॉन को हटाने के अनुरूप पहले आयनीकरण क्षमता के परिवर्तन में, परमाणु संख्या में वृद्धि के साथ आवधिकता स्पष्ट रूप से व्यक्त की जाती है:
अवधि के साथ बाएं से दाएं जाने पर, आयनीकरण ऊर्जा, आम तौर पर बोलती है, धीरे-धीरे बढ़ती है, जबकि समूह के भीतर क्रम संख्या बढ़ने पर यह घट जाती है। क्षार धातुओं में न्यूनतम प्रथम आयनीकरण क्षमता होती है, महान गैसों में अधिकतम होती है।
उसी परमाणु के लिए, दूसरी, तीसरी और बाद की आयनीकरण ऊर्जा हमेशा बढ़ती है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन को एक सकारात्मक चार्ज आयन से अलग करना पड़ता है। उदाहरण के लिए, लिथियम परमाणु के लिए, पहली, दूसरी और तीसरी आयनीकरण ऊर्जा क्रमशः 520.3, 7298.1 और 11814.9 kJ/mol हैं।
इलेक्ट्रॉनों के पृथक्करण का क्रम आमतौर पर न्यूनतम ऊर्जा के सिद्धांत के अनुसार इलेक्ट्रॉनों द्वारा ऑर्बिटल्स की जनसंख्या के अनुक्रम के विपरीत होता है। हालाँकि, जो तत्व आबाद हैं डी-ऑर्बिटल्स अपवाद हैं - सबसे पहले वे हारते नहीं हैं डी-, ए एस-इलेक्ट्रॉन।
इलेक्ट्रान बन्धुता
एक इलेक्ट्रॉन के लिए एक परमाणु की आत्मीयता एई - परमाणुओं की एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन संलग्न करने और एक नकारात्मक आयन में बदलने की क्षमता। इलेक्ट्रॉन आत्मीयता का माप प्रक्रिया में जारी या अवशोषित ऊर्जा है। इलेक्ट्रॉन आत्मीयता ऋणात्मक आयन X - की आयनन ऊर्जा के बराबर होती है:
एक्स - = एक्स + इ −
हलोजन परमाणुओं में सबसे अधिक इलेक्ट्रॉन बंधुता होती है। उदाहरण के लिए, एक फ्लोरीन परमाणु के लिए, एक इलेक्ट्रॉन के जुड़ने के साथ 327.9 kJ/mol ऊर्जा निकलती है। कई तत्वों के लिए, इलेक्ट्रॉन आत्मीयता शून्य या नकारात्मक के करीब है, जिसका अर्थ है कि इस तत्व के लिए कोई स्थिर आयन नहीं है।
आमतौर पर, विभिन्न तत्वों के परमाणुओं के लिए इलेक्ट्रॉन बंधुता उनकी आयनीकरण ऊर्जा में वृद्धि के साथ समानांतर में घट जाती है। हालांकि, तत्वों के कुछ जोड़े के लिए अपवाद हैं:
| तत्त्व | इमैं, केजे / मोल | ए इ, केजे / मोल |
| एफ | 1681 | −238 |
| क्लोरीन | 1251 | −349 |
| एन | 1402 | 7 |
| पी | 1012 | −71 |
| हे | 1314 | −141 |
| एस | 1000 | −200 |
इसके लिए एक स्पष्टीकरण पहले परमाणुओं के छोटे आकार और उनमें अधिक इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षण के आधार पर दिया जा सकता है।
वैद्युतीयऋणात्मकता
इलेक्ट्रोनगेटिविटी एक रासायनिक तत्व के परमाणु की क्षमता को एक रासायनिक बंधन के गठन के दौरान इलेक्ट्रॉन बादल को अपनी दिशा में स्थानांतरित करने की क्षमता को दर्शाती है (उच्च इलेक्ट्रोनगेटिविटी वाले तत्व की दिशा में)। अमेरिकी भौतिक विज्ञानी मुल्लिकेन ने आयनीकरण क्षमता और इलेक्ट्रॉन आत्मीयता के बीच अंकगणितीय माध्य के रूप में इलेक्ट्रोनगेटिविटी को परिभाषित करने का प्रस्ताव रखा:
= 1/2 ( इमैं + ए इ)
इस पद्धति को लागू करने में कठिनाई इस तथ्य में निहित है कि सभी तत्वों के लिए इलेक्ट्रॉन आत्मीयता के मूल्य ज्ञात नहीं हैं।
रेडियोधर्मिता की खोज ने न केवल परमाणुओं की संरचना की जटिलता की पुष्टि की, बल्कि उनके नाभिक भी। 1903 में, ई. रदरफोर्ड और एफ. सोड्डी ने रेडियोधर्मी क्षय के सिद्धांत का प्रस्ताव रखा, जिसने परमाणुओं की संरचना पर पुराने विचारों को मौलिक रूप से बदल दिया। इस सिद्धांत के अनुसार, रेडियोधर्मी तत्व α- या β-कणों की रिहाई और मूल तत्वों से रासायनिक रूप से भिन्न नए तत्वों के परमाणुओं के निर्माण के साथ स्वतः ही क्षय हो जाते हैं। इसी समय, प्रारंभिक परमाणुओं और क्षय प्रक्रिया के परिणामस्वरूप बनने वाले दोनों के द्रव्यमान की स्थिरता संरक्षित है। 1919 में ई. रदरफोर्ड ने नाभिक के कृत्रिम परिवर्तन की जांच करने वाले पहले व्यक्ति थे। नाइट्रोजन परमाणुओं पर α-कणों की बमबारी के दौरान, उन्होंने हाइड्रोजन परमाणुओं (प्रोटॉन) के नाभिक और ऑक्सीजन न्यूक्लाइड के परमाणुओं को अलग कर दिया। इस तरह के परिवर्तनों को परमाणु प्रतिक्रिया कहा जाता है, क्योंकि एक तत्व के परमाणुओं के नाभिक दूसरे तत्वों के परमाणुओं के नाभिक से प्राप्त होते हैं। नाभिकीय अभिक्रियाएँ समीकरणों द्वारा लिखी जाती हैं। तो, ऊपर चर्चा की गई परमाणु प्रतिक्रिया को निम्नानुसार लिखा जा सकता है:
रेडियोधर्मिता की घटना की परिभाषाएँ आइसोटोप की अवधारणा का उपयोग करके दी जा सकती हैं: रेडियोधर्मिता एक रासायनिक तत्व के परमाणुओं के अस्थिर नाभिक का दूसरे तत्व के परमाणुओं के नाभिक में परिवर्तन है, जो प्राथमिक कणों की रिहाई के साथ होता है। प्रकृति में मौजूद तत्वों के समस्थानिकों द्वारा प्रदर्शित रेडियोधर्मिता को प्राकृतिक रेडियोधर्मिता कहा जाता है। विभिन्न समस्थानिकों के लिए रेडियोधर्मी परिवर्तनों की दर भिन्न होती है। यह रेडियोधर्मी क्षय स्थिरांक की विशेषता है, जो दर्शाता है कि एक रेडियोधर्मी न्यूक्लाइड के कितने परमाणु 1 s में क्षय होते हैं। यह स्थापित किया गया है कि प्रति इकाई समय में क्षय होने वाले रेडियोधर्मी न्यूक्लाइड के परमाणुओं की संख्या इस न्यूक्लाइड के परमाणुओं की कुल संख्या के समानुपाती होती है और रेडियोधर्मी क्षय स्थिरांक के परिमाण पर निर्भर करती है। उदाहरण के लिए, यदि एक निश्चित अवधि के दौरान एक रेडियोधर्मी न्यूक्लाइड के परमाणुओं की कुल संख्या का आधा क्षय हो जाता है, तो अगली ऐसी अवधि में शेष का आधा क्षय हो जाएगा, यानी पिछली अवधि की तुलना में आधा, और इसी तरह।
एक रेडियोधर्मी न्यूक्लाइड का जीवनकाल उसके आधे जीवन की विशेषता है, अर्थात, ऐसी अवधि जिसके दौरान इस न्यूक्लाइड की प्रारंभिक मात्रा का आधा क्षय हो जाता है। उदाहरण के लिए, रेडॉन का आधा जीवन 3.85 दिन, रेडियम - 1620 वर्ष, यूरेनस - 4.5 बिलियन वर्ष है। ज्ञात इस प्रकार के रेडियोधर्मी परिवर्तन: α-क्षय, β-क्षय, स्वतःस्फूर्त (अनधिकृत) परमाणु विखंडन। इस प्रकार के रेडियोधर्मी परिवर्तनों के साथ-साथ α-कण, इलेक्ट्रॉन, पॉज़िट्रॉन, -रे निकलते हैं। -क्षय की प्रक्रिया में, एक रेडियोधर्मी तत्व के परमाणु का नाभिक हीलियम परमाणु के नाभिक को मुक्त करता है, जिसके परिणामस्वरूप मूल रेडियोधर्मी तत्व के परमाणु के नाभिक का आवेश दो इकाई कम हो जाता है, और द्रव्यमान संख्या - चार से। उदाहरण के लिए, रेडियम परमाणु का रेडॉन परमाणु में परिवर्तन समीकरण द्वारा लिखा जा सकता है
β-क्षय की परमाणु प्रतिक्रिया, जो इलेक्ट्रॉनों, पॉज़िट्रॉन या कक्षीय इलेक्ट्रॉनों के खींचने के साथ होती है, को भी समीकरण द्वारा लिखा जा सकता है
जहां ई एक इलेक्ट्रॉन है; एचν - -विकिरण की मात्रा; o - एंटीन्यूट्रिनो (एक प्राथमिक कण जिसका शेष द्रव्यमान और आवेश शून्य के बराबर है)।
β-क्षय की संभावना इस तथ्य के कारण है कि, आधुनिक अवधारणाओं के अनुसार, एक न्यूट्रॉन कुछ शर्तों के तहत एक प्रोटॉन में बदल सकता है, एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो जारी कर सकता है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक ही परमाणु कण की दो अवस्थाएँ हैं - न्यूक्लियॉन। इस प्रक्रिया को एक चित्र द्वारा दर्शाया जा सकता है
न्यूट्रॉन -> प्रोटॉन + इलेक्ट्रॉन + एंटीन्यूट्रिनो
एक रेडियोधर्मी तत्व के परमाणुओं के β-क्षय की प्रक्रिया में, न्यूट्रॉन में से एक, जो परमाणु नाभिक का हिस्सा है, एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो जारी करता है, जो एक प्रोटॉन में बदल जाता है। इस मामले में, नाभिक का धनात्मक आवेश एक से बढ़ जाता है। इस प्रकार के रेडियोधर्मी क्षय को इलेक्ट्रॉनिक क्षय (β-क्षय) कहा जाता है। इसलिए, यदि एक रेडियोधर्मी तत्व के परमाणु का नाभिक एक α-कण छोड़ता है, तो एक नए तत्व के परमाणु का नाभिक एक प्रोटॉन संख्या दो इकाई कम के साथ प्राप्त होता है, और जब एक β-कण निकलता है, तो एक का नाभिक एक नया परमाणु जिसका मूल प्रोटॉन संख्या एक से अधिक है। यह सोड्डी-फैयेंस विस्थापन कानून का सार है। कुछ अस्थिर समस्थानिकों के परमाणुओं के नाभिक ऐसे कणों को छोड़ सकते हैं जिनका धनात्मक आवेश +1 और द्रव्यमान एक इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान के करीब होता है। इस कण को पॉज़िट्रॉन कहते हैं। तो, योजना के अनुसार प्रोटॉन का न्यूट्रॉन में संभावित परिवर्तन:
प्रोटॉन → न्यूट्रॉन + पॉज़िट्रॉन + न्यूट्रिनो
एक प्रोटॉन का न्यूट्रॉन में परिवर्तन तभी देखा जाता है जब नाभिक की अस्थिरता उसमें प्रोटॉन की अधिक मात्रा के कारण होती है। फिर प्रोटॉन में से एक न्यूट्रॉन में बदल जाता है, और इस मामले में उत्पन्न होने वाले पॉज़िट्रॉन और न्यूट्रिनो नाभिक की सीमाओं से बाहर निकल जाते हैं; परमाणु आवेश एक से कम हो जाता है। इस प्रकार के रेडियोधर्मी क्षय को पॉज़िट्रॉन क्षय (β+ क्षय) कहा जाता है। तो, एक रेडियोधर्मी तत्व के परमाणु के नाभिक के β-क्षय के कारण, एक तत्व का एक परमाणु प्राप्त होता है जो एक स्थान को दाईं ओर (β-क्षय) या बाईं ओर (β+-decay) से स्थानांतरित कर दिया जाता है। मूल रेडियोधर्मी तत्व। एक रेडियोधर्मी परमाणु के नाभिक के आवेश में कमी न केवल β+ क्षय के कारण हो सकती है, बल्कि इलेक्ट्रॉन ड्रैग के कारण भी हो सकती है, जिसके परिणामस्वरूप नाभिक के निकटतम इलेक्ट्रॉन बॉल के इलेक्ट्रॉनों में से एक को किसके द्वारा कब्जा कर लिया जाता है केंद्र। यह इलेक्ट्रॉन नाभिक के एक प्रोटॉन के साथ एक न्यूट्रॉन बनाता है: e - + p → n
परमाणु नाभिक की संरचना का सिद्धांत XX सदी के 30 के दशक में विकसित किया गया था। यूक्रेन के वैज्ञानिक डी.डी. इवानेंको और ई.एम. गैपॉन, साथ ही जर्मन वैज्ञानिक डब्ल्यू। हाइजेनबर्ग। इस सिद्धांत के अनुसार, परमाणुओं के नाभिक धनावेशित प्रोटॉन और विद्युत रूप से तटस्थ न्यूट्रॉन से बने होते हैं। इन प्राथमिक कणों के सापेक्ष द्रव्यमान लगभग समान हैं (प्रोटॉन द्रव्यमान 1.00728 है, न्यूट्रॉन द्रव्यमान 1.00866 है)। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन (न्यूक्लियॉन) बहुत मजबूत परमाणु बलों द्वारा नाभिक में समाहित होते हैं। परमाणु बल केवल बहुत कम दूरी पर कार्य करते हैं - लगभग 10-15 मीटर।
प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से नाभिक के निर्माण के दौरान जो ऊर्जा निकलती है, उसे नाभिक की बंधन ऊर्जा कहा जाता है और इसकी स्थिरता की विशेषता होती है।
