कार्बोनेटेड पेय की बोतल का ढक्कन घुमाते ही "छिस्स" की आवाज़ आती है और बोतल के भीतर छोटे-छोटे बुलबुले लगातार ऊपर उठने लगते हैं। आपने कभी सोचा होगा कि बंद बोतल में साफ़ और शांत दिखने वाला पेय केवल ढक्कन खोलने से इतना बदल क्यों जाता है। इसकी वजह बोतल के भीतर की गैस में बदलाव नहीं, बल्कि उसके भीतर के दबाव में बदलाव है।
हेनरी का नियम (Henry's Law) इस घटना को एक समीकरण से समझाता है। इस नियम के अनुसार, स्थिर तापमान पर किसी द्रव में घुलने वाली गैस की मात्रा उस द्रव के संपर्क में मौजूद गैस के दबाव के समानुपाती होती है। इसका उपयोग पेय की एक बोतल से लेकर समुद्र की गहराइयों में गोताखोरी तक अनेक परिस्थितियों में होता है।
इस लेख में हम क्रम से समझेंगे कि हेनरी का नियम क्या कहता है, गोताखोर के शरीर के भीतर क्या होता है और किन परिस्थितियों में यह नियम ठीक से लागू नहीं होता।
दबाव किस तरह गैस को द्रव में घुला रहने देता है
ढक्कन खोलते ही क्या होता है
कार्बोनेटेड पेय बनाने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड को ऊँचे दबाव पर पेय में घोला जाता है। इस तरीके की शुरुआत 18वीं शताब्दी के उत्तरार्ध तक जाती है, जब ब्रिटेन के जोसेफ प्रीस्टली (Joseph Priestley) ने पानी में कार्बन डाइऑक्साइड घोलकर कार्बोनेटेड पानी बनाया था। बोतल के ऊपरी खाली हिस्से में वायुमंडलीय दबाव से अधिक दबाव वाली कार्बन डाइऑक्साइड भरी होती है और यही दबाव पेय में बड़ी मात्रा में गैस को घुला रखता है।
ढक्कन खोलने पर ऊपर का दबाव अचानक घटकर वायुमंडलीय दबाव के बराबर हो जाता है। इस नए दबाव पर उतनी अधिक गैस घुली नहीं रह सकती, इसलिए अतिरिक्त कार्बन डाइऑक्साइड छोटे बुलबुलों के रूप में बाहर निकलती है। यही झाग है। बोतल हिलाकर खोलने पर पेय अधिक ज़ोर से इसलिए उफनता है क्योंकि हिलाने के दौरान बने छोटे बुलबुले बीज का काम करते हैं, जिनमें घुली हुई गैस एक साथ इकट्ठी होने लगती है। खुला रखा पेय समय के साथ इसी कारण अपनी गैस खो देता है: नए दबाव पर संतुलन की मात्रा तक पहुँचने तक गैस लगातार बाहर निकलती रहती है।
हेनरी का नियम क्या कहता है
यह नियम ब्रिटिश रसायनज्ञ विलियम हेनरी (William Henry) के 1803 में किए गए प्रयोगों से निकला, जिनमें उन्होंने दबाव और तापमान बदलते हुए पानी में घुलने वाली गैस की मात्रा मापी थी। उनके परिणाम उसी वर्ष ब्रिटेन की रॉयल सोसाइटी की शोध पत्रिका में प्रकाशित हुए। उन्होंने पाया कि दबाव दोगुना या तिगुना करने पर पानी द्वारा अवशोषित गैस की मात्रा भी दोगुनी या तिगुनी हो जाती है। इसे समीकरण के रूप में C = k × P लिखा जाता है, जिसका अर्थ है कि गैस की सांद्रता C, दबाव P के सीधे समानुपाती है। उदाहरण के लिए, दबाव 1 वायुमंडल से बढ़कर 4 वायुमंडल हो जाए, तो उसी तापमान पर घुलने वाली कार्बन डाइऑक्साइड की मात्रा भी चार गुनी हो जाती है।
- विलेयता (Solubility): द्रव की एक निश्चित मात्रा में घुल सकने वाली गैस की मात्रा को कहते हैं।
- आंशिक दबाव (Partial Pressure): कई गैसों के मिश्रण में किसी एक गैस का अपना दबाव। यह नियम कुल दबाव के बजाय प्रत्येक गैस के आंशिक दबाव के अनुसार लागू होता है।
- हेनरी नियतांक (Henry's Law Constant): ऊपर दिए समीकरण में k का मान। यह गैस और द्रव के प्रत्येक संयोजन के लिए अलग होता है और तापमान के साथ भी बदलता है।
एक ही दबाव पर कुछ गैसें पानी में अच्छी तरह घुलती हैं और कुछ कम घुलती हैं, क्योंकि उनके इस नियतांक के मान अलग-अलग होते हैं। यह नियम यह नहीं बताता कि कोई गैस कितनी आसानी से घुलती है, बल्कि यह समानुपाती संबंध बताता है कि दबाव दोगुना होने पर घुलने वाली मात्रा भी दोगुनी हो जाती है।
गोताखोर के शरीर के भीतर क्या होता है
हेनरी का नियम पानी के भीतर काम करने वाले लोगों की सुरक्षा से भी सीधे जुड़ा है। पानी की गहराई में हर 10 मीटर की वृद्धि पर दबाव लगभग 1 वायुमंडल बढ़ता है। इस बढ़े हुए दबाव के अनुपात में हवा से साँस लेने वाले गोताखोर के रक्त और ऊतकों में अधिक नाइट्रोजन घुल जाती है।
समस्या ऊपर आते समय होती है। बहुत तेज़ी से सतह पर आने पर दबाव अचानक कम हो जाता है और ऊतकों में घुली नाइट्रोजन शरीर से बाहर निकलने का समय पाए बिना रक्त वाहिकाओं में बुलबुलों में बदल जाती है। इसे विसंपीड़न रोग (Decompression Sickness) कहते हैं, जिसे गोताखोरी रोग भी कहा जाता है। इससे जोड़ों में दर्द या त्वचा पर चकत्ते हो सकते हैं और गंभीर स्थिति में पक्षाघात भी हो सकता है।
(1) धीरे-धीरे ऊपर आएँ
गोताखोर निर्धारित गति से धीरे-धीरे ऊपर आते हैं और बीच-बीच में रुककर विश्राम करते हैं, ताकि शरीर की नाइट्रोजन को साँस के साथ बाहर निकलने का समय मिल सके।
(2) नाइट्रोजन की जगह दूसरी गैस इस्तेमाल करें
बहुत गहराई में काम करते समय कभी-कभी नाइट्रोजन की जगह हीलियम मिला गैस मिश्रण इस्तेमाल किया जाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि हीलियम रक्त में नाइट्रोजन से कम घुलती है।
(3) दबाव फिर से बढ़ाएँ
यदि लक्षण पहले ही दिखाई देने लगे हों, तो व्यक्ति को अधिक दबाव वाले उपचार कक्ष में रखा जाता है, ताकि शरीर के भीतर के बुलबुले फिर से घुल जाएँ। इसके बाद दबाव धीरे-धीरे कम किया जाता है।
ये तीनों उपाय एक ही सिद्धांत पर चलते हैं: दबाव घटने की गति को नियंत्रित करना या गैस को कम घुलने देना। यह एक समीकरण केवल झाग उठते पेय को ही नहीं, बल्कि मानव शरीर के भीतर होने वाली घटनाओं को भी समझाता है।
किन परिस्थितियों में नियम लागू नहीं होता
हेनरी का नियम उपयुक्त परिस्थितियों में सटीक बैठता है, लेकिन हर स्थिति में लागू नहीं होता। वास्तविक विलयनों में गैस के अणु द्रव के अणुओं के साथ किस तरह परस्पर क्रिया करते हैं, इसके अनुसार समानुपाती संबंध में थोड़ा-बहुत विचलन होता है। मानों को गलत समझने से बचने के लिए यह जानना ज़रूरी है कि किन परिस्थितियों में ऐसा होता है।
(1) जब तापमान बदलता है
एक ही दबाव पर द्रव गर्म होने लगे, तो आम तौर पर उसमें कम गैस घुलती है। गुनगुने हो चुके कार्बोनेटेड पेय की गैस अधिक आसानी से निकलने का कारण भी यही है कि हेनरी नियतांक तापमान के साथ बदलता है।
(2) जब गैस द्रव के साथ रासायनिक अभिक्रिया करती है
हाइड्रोजन क्लोराइड या अमोनिया जैसी गैसें, जो पानी के साथ अभिक्रिया करके आयनों में विभाजित होती हैं, इस सरल समानुपाती संबंध का पालन नहीं करतीं। इसका कारण यह है कि घुली हुई गैस का कुछ हिस्सा दूसरे पदार्थों में बदल चुका होता है।
(3) जब दबाव बहुत अधिक हो या सांद्रता अधिक हो
गैस पर बहुत अधिक दबाव हो या इतनी अधिक गैस घुल जाए कि विलयन तनु न रहे, तो समानुपाती संबंध बिगड़ जाता है। यह नियम तनु विलयनों और बहुत अधिक न होने वाले दबावों पर सबसे सटीक होता है।
इसके अलावा, गहरे पानी में अधिक दबाव के कारण अधिक कार्बन डाइऑक्साइड घुली रह सकती है और यह प्रकृति में भी ख़तरा बन सकता है। 1986 में कैमरून की न्योस झील की गहराई में जमा कार्बन डाइऑक्साइड अचानक फूटकर बाहर निकली, जिससे कम से कम 1,700 लोगों की मृत्यु हो गई। गैस का घुला होना यह भी दर्शाता है कि वह कभी भी बाहर निकल सकती है।
नियम कहाँ तक सटीक है, यह जानना उतना ही महत्वपूर्ण है जितना स्वयं नियम को जानना। किसी नियम का उसकी शर्तों को समझकर किया गया उपयोग सबसे भरोसेमंद होता है। दबाव के अनुसार अदृश्य गैस कितनी मात्रा में घुली रहती है और कितनी बाहर निकलती है, इसे समझने की दृष्टि विकसित करना हेनरी के नियम को जानने का पहला कदम है।
