पेंसिल की नोक और हीरे की अंगूठी बिल्कुल अलग चीज़ें लगती हैं। एक कागज़ पर रगड़ने से आसानी से घिस जाती है, जबकि दूसरी दुनिया के सबसे कठोर प्राकृतिक पदार्थों में गिनी जाती है। लेकिन आश्चर्य की बात है कि दोनों पदार्थों को बनाने वाले परमाणु एक ही तत्व, कार्बन के हैं। एक ही सामग्री से इतने अलग गुण उत्पन्न होने की इस घटना को रसायन विज्ञान में एक नाम दिया गया है। वह है ‘अपररूप (Allotrope)’।
सरल शब्दों में, अपररूप वे पदार्थ हैं जो केवल एक ही तत्व से बने होते हैं, लेकिन परमाणुओं के जुड़ने और व्यवस्थित होने के तरीके अलग होने के कारण उनके गुण अलग होते हैं। तत्व एक ही होने पर भी, परमाणुओं को कैसे जमाया और जोड़ा गया है, इसके अनुसार रंग, कठोरता, विद्युत चालकता और अभिक्रियाशीलता तक में बड़ा अंतर आ जाता है।
इस सामग्री में अपररूप की परिभाषा और उसके बनने के सिद्धांत से लेकर कार्बन के विभिन्न रूपों, ऑक्सीजन, फॉस्फोरस और टिन के उदाहरणों तथा अपररूपों को समझने के दृष्टिकोणों तक को सरल ढंग से प्रस्तुत किया गया है।
अपररूपों के सिद्धांत और प्रमुख उदाहरण
अपररूप क्या है?
अपररूप तब दिखाई देते हैं जब कोई एक तत्व दो या उससे अधिक संरचनाओं में मौजूद हो सकता है। परमाणु कितने पड़ोसी परमाणुओं से जुड़ते हैं, उनके बंध समतल में फैलते हैं या त्रिविमीय रूप में जुड़ते हैं, और एक अणु में कितने परमाणु होते हैं—इन बातों के बदलने पर पदार्थ का व्यवहार बिल्कुल अलग हो जाता है।
- बंधन का तरीका (Bonding): इसका अर्थ है कि एक परमाणु पड़ोसी परमाणुओं के साथ कितने बंध बनाता है।
- क्रिस्टल संरचना (Crystal Structure): यह वह आकृति है जिसमें परमाणु स्थान में नियमित रूप से व्यवस्थित होते हैं।
- आणविक रूप (Molecular Form): यह किसी अणु में मौजूद परमाणुओं की संख्या है, जैसे ऑक्सीजन के अणु O₂ और ओज़ोन O₃ में।
इसे एक उदाहरण से समझें तो यह एक ही तरह के लेगो ब्लॉकों से कार या घर बनाने जैसा है। ब्लॉक वही होते हैं, लेकिन उन्हें किस आकार में जोड़ा गया है, उसके अनुसार उनका उपयोग पूरी तरह बदल जाता है।
माना जाता है कि ‘अपररूप’ की अवधारणा सबसे पहले स्वीडन के रसायनज्ञ यॉन्स याकॉब बर्ज़ीलियस (Jöns Jacob Berzelius) ने 1841 में प्रस्तुत की थी। यह नाम एक ही तत्व से बने, फिर भी अलग-अलग गुण रखने वाले पदार्थों को समझाने के लिए दिया गया था।
यहाँ ध्यान देने की बात यह है कि अपररूप शब्द केवल ‘तत्वों’ के लिए इस्तेमाल होता है। पानी और बर्फ की तरह किसी एक पदार्थ की केवल अवस्था बदलने को, या कई तत्वों से बने यौगिकों की संरचना में अंतर को अपररूप नहीं कहा जाता।
एक ही कार्बन, अलग-अलग रूप
अपररूपों की व्याख्या करते समय सबसे पहले कार्बन का उदाहरण आता है। कार्बन परमाणु कई तरीकों से बंध बना सकते हैं, इसलिए वे एक-दूसरे से बिल्कुल विपरीत गुणों वाले अनेक पदार्थ बनाते हैं।
(1) हीरा
इस संरचना में प्रत्येक कार्बन परमाणु चार पड़ोसी परमाणुओं के साथ त्रिविमीय रूप में मज़बूती से जुड़ा होता है। इसी कारण यह बहुत कठोर और पारदर्शी होता है तथा लगभग विद्युत का चालन नहीं करता।
(2) ग्रेफाइट
इस संरचना में कार्बन परमाणु षट्कोणीय जाल जैसे समतल बनाते हैं और ऐसे कई समतल परतों के रूप में एक-दूसरे के ऊपर जमे होते हैं। परतों के बीच बल कमज़ोर होने से वे आसानी से फिसलती हैं, इसलिए इसका उपयोग पेंसिल की नोक और स्नेहक के रूप में होता है। समतल के समानांतर इसमें विद्युत भी अच्छी तरह प्रवाहित होती है।
(3) फुलरीन और ग्राफीन
कार्बन के 60 परमाणुओं के फुटबॉल जैसे आकार में जुड़ने से बने फुलरीन की खोज 1985 में हुई, जिसके फलस्वरूप 1996 में रसायन विज्ञान का नोबेल पुरस्कार मिला। ग्रेफाइट की केवल एक परत अलग करके प्राप्त किया गया ग्राफीन 2004 में पृथक किया गया और इसके लिए 2010 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला।
कार्बन नैनोट्यूब (Carbon Nanotube) नली के आकार का कार्बन होता है, जो ऐसा लगता है मानो ग्राफीन की एक चादर को गोल लपेट दिया गया हो। यह हल्का होने के साथ बहुत मज़बूत और विद्युत का अच्छा चालक भी है, इसलिए नई सामग्रियों के अनुसंधान में इस पर बहुत ध्यान दिया जा रहा है।
दिलचस्प बात यह है कि सामान्य तापमान और दाब पर ग्रेफाइट, हीरे से अधिक स्थिर रूप है। लेकिन हीरे के ग्रेफाइट में बदलने की गति कल्पना से भी अधिक धीमी होती है, इसलिए अंगूठी में लगा हीरा व्यावहारिक रूप से हमेशा वैसा ही बना रहता है।
कार्बन के अलावा अन्य अपररूप
अपररूप केवल कार्बन तक सीमित नहीं हैं। हम जिस ऑक्सीजन में साँस लेते हैं, वह दो परमाणुओं से बनी O₂ होती है, लेकिन तीन परमाणु मिलकर ओज़ोन (O₃) बनाते हैं। ओज़ोन की गंध तेज़ होती है और उसकी अभिक्रियाशीलता अधिक होती है, इसलिए पास में होने पर वह हानिकारक हो सकती है। लेकिन ऊँचे आकाश में ओज़ोन परत के रूप में यह सूर्य की पराबैंगनी किरणों को अवशोषित करके पृथ्वी पर जीवन की रक्षा करती है।
ओज़ोन तब बनती है जब ऑक्सीजन को बिजली चमकने या तीव्र पराबैंगनी किरणों जैसी उच्च ऊर्जा मिलती है। बिजली चमकने के बाद हवा में आने वाली मछली जैसी गंध भी अक्सर ओज़ोन के कारण होती है।
फॉस्फोरस (P) भी एक प्रमुख उदाहरण है। सफ़ेद फॉस्फोरस इतना अभिक्रियाशील होता है कि हवा में अपने आप आग पकड़ लेता है और बहुत विषैला भी होता है, इसलिए इसे पानी में रखा जाता है। दूसरी ओर, लाल फॉस्फोरस कहीं अधिक स्थिर होता है, इसलिए इसका इस्तेमाल माचिस की डिब्बी के किनारे बनी रगड़ने वाली सतह पर किया जाता है।
टिन (Sn) का रूप तापमान के अनुसार बदलता है। परिचित चाँदी जैसी चमक वाला धात्विक टिन, लगभग 13℃ से कम तापमान पर लंबे समय तक रहने पर धीरे-धीरे भुरभुरे धूसर चूर्ण के रूप में बदल सकता है। इस घटना को ‘टिन पेस्ट (Tin Pest)’ कहा जाता है।
सल्फर (S) के भी अलग-अलग क्रिस्टल आकृतियों वाले अपररूप होते हैं, जैसे कमरे के तापमान पर स्थिर रहने वाला समचतुर्भुजी सल्फर और ऊँचे तापमान पर बनने वाला एकनताक्ष सल्फर।
[उदाहरणों के मुख्य बिंदु]
- ऑक्सीजन: साँस लेने के काम आने वाली O₂ और पराबैंगनी किरणों को रोकने वाली O₃
- फॉस्फोरस: ख़तरनाक सफ़ेद फॉस्फोरस और माचिस में इस्तेमाल होने वाला लाल फॉस्फोरस
- टिन: चाँदी जैसी चमक वाली धातु और ठंड में टूटकर बिखरने वाला धूसर टिन
- सल्फर: अलग-अलग क्रिस्टल आकृतियों वाले समचतुर्भुजी सल्फर और एकनताक्ष सल्फर
अपररूपों को समझने के 4 दृष्टिकोण
अपररूपों का अध्ययन करने पर पता चलता है कि किसी पदार्थ के गुण केवल इस बात से तय नहीं होते कि वह किससे बना है। एक ही तरह के परमाणु होने पर भी उनकी व्यवस्था पदार्थ के गुणों को निर्धारित करती है।
(1) संरचना गुणों को निर्धारित करती है
कठोरता, रंग और विद्युत चालकता में बड़ा अंतर परमाणुओं के प्रकार की अपेक्षा उनके बंधन और व्यवस्था के तरीकों से आता है।
(2) परिस्थितियाँ रूप बदल देती हैं
तापमान और दाब बदलने पर अधिक स्थिर अपररूप भी बदल जाता है। कृत्रिम हीरे उच्च दाब और तापमान से ग्रेफाइट को परिवर्तित करके बनाए जाते हैं।
(3) स्थिरता और गति अलग बातें हैं
अधिक स्थिर रूप मौजूद होने पर भी, यदि उसमें बदलने की गति धीमी हो तो मूल रूप लंबे समय तक बना रहता है।
(4) नई सामग्रियों का आधार बनते हैं
ग्राफीन और कार्बन नैनोट्यूब जैसे नए खोजे गए अपररूप बैटरी, अर्धचालक और मिश्रित सामग्रियों के अनुसंधान में काम आते हैं।
जिस तरह एक ही तरह की ईंटों से झोपड़ी और मीनार दोनों बनाई जा सकती हैं, उसी तरह परमाणु भी अपनी जमावट के आकार के अनुसार बिल्कुल अलग दुनिया रच देते हैं। इसलिए रसायनज्ञ किसी तत्व के गुण बताते समय हमेशा यह भी स्पष्ट करते हैं कि वे उस तत्व की किस संरचना की बात कर रहे हैं।
एक ही तरह के परमाणु होने पर भी यह पूछना कि ‘वे आपस में कैसे जुड़े हैं’, पदार्थ के गुणों को गहराई से समझने की पहली सीढ़ी है।
