बर्फबारी के बाद सर्दियों की सुबह जब बर्फ हटाने वाला वाहन सड़क पर सफेद दाने बिखेरता हुआ गुजरता है, तो जमी हुई सड़क जल्द ही पिघलकर गीली और कीचड़ जैसी होने लगती है। उसी शून्य से नीचे के तापमान में भी समुद्र का पानी आसानी से नहीं जमता और फ्रीज़र में लंबे समय तक रखी आइसक्रीम पत्थर जैसी कठोर नहीं होती। इन सभी दृश्यों के पीछे छिपा साझा सिद्धांत हिमांक अवनमन है।
सरल शब्दों में, हिमांक अवनमन का अर्थ है ‘शुद्ध द्रव में कोई दूसरा पदार्थ घुला होने पर उस द्रव के जमने का तापमान कम हो जाना’। शुद्ध पानी 0 डिग्री पर जमता है, लेकिन नमक या चीनी घुला पानी बर्फ बनने के लिए उससे भी अधिक ठंडा होना चाहिए। रसायन विज्ञान में इसे ऐसे प्रमुख गुण के रूप में पढ़ा जाता है जिसका परिमाण घुले पदार्थ के प्रकार से अधिक उसके कणों की संख्या पर निर्भर करता है।
इस सामग्री में हम क्रम से देखेंगे कि हिमांक कम क्यों होता है, उसमें होने वाली कमी का अनुमान कैसे लगाया जाता है, सड़कों, कारों और रसोई में इसका उपयोग कैसे होता है, और ठंड सहने वाले जीवों तथा गुणवत्ता जाँच तक इसके क्या अनुप्रयोग हैं।
घुले हुए कण बर्फ जमने में देर कैसे कराते हैं
घुला हुआ पदार्थ जमने में बाधा क्यों डालता है
पानी जमते समय उसके अणु मानो एक-दूसरे का हाथ पकड़कर व्यवस्थित क्रम में खड़े हो जाते हैं और बर्फ के क्रिस्टल बनाते हैं। बर्फ और पानी के संपर्क स्थल पर अणुओं का बर्फ से जुड़ना और बर्फ से अलग होना एक साथ चलता रहता है। जिस तापमान पर इन दोनों प्रक्रियाओं की दर बराबर हो जाती है, वही हिमांक है।
(1) बर्फ से जुड़ने वाले अणुओं की संख्या घट जाती है
पानी में नमक घुलने पर उसके कण पानी के अणुओं के बीच मिल जाते हैं। इससे बर्फ की सतह तक पहुँचने वाले पानी के अणुओं की संख्या कम हो जाती है और बर्फ बढ़ने की दर धीमी पड़ जाती है।
(2) पिघलने की प्रक्रिया वैसी ही रहती है
दूसरी ओर, बर्फ केवल शुद्ध पानी के अणुओं से बनी होती है, इसलिए उससे अणुओं के अलग होने की दर में लगभग कोई बदलाव नहीं आता। अंततः जमने और पिघलने की दरों को फिर बराबर होने के लिए तापमान को और नीचे जाना पड़ता है।
(3) मिश्रित अवस्था अधिक स्थिर होती है
जिस विलयन में कई पदार्थ समान रूप से मिले हों, उसकी अवस्था शुद्ध पानी की तुलना में अधिक अव्यवस्थित होती है, इसलिए उसमें अपने-आप उसी अवस्था में बने रहने की प्रवृत्ति अधिक होती है। इसीलिए सुव्यवस्थित बर्फ में बदलने के लिए उसे और कम तापमान की आवश्यकता होती है।
कणों की संख्या तय करती है अवनमन का परिमाण
हिमांक कितना नीचे जाएगा, यह घुले हुए पदार्थ की पहचान से अधिक इस बात पर निर्भर करता है कि पानी में उसके कितने कण बिखरे हुए हैं। इस तरह के गुण को अणुसंख्य गुणधर्म कहते हैं। क्वथनांक में वृद्धि और परासरण दाब भी इसी समूह में आते हैं।
- तनु विलयन का नियम (Blagden's Law): 18वीं शताब्दी के ब्रिटिश वैज्ञानिक चार्ल्स ब्लैगडेन ने पता लगाया कि हिमांक में होने वाली कमी घुले हुए पदार्थ की मात्रा के समानुपाती होती है। तनु विलयन में घुलाए गए पदार्थ की मात्रा दोगुनी करने पर हिमांक में होने वाली कमी भी लगभग दोगुनी हो जाती है।
- पानी का मानक मान (Cryoscopic Constant): 1 किलोग्राम पानी में 1 मोल कण घुले हों, तो हिमांक लगभग 1.86 डिग्री कम हो जाता है। यह मान हर विलायक के लिए अलग होता है; बेंजीन के लिए यह लगभग 5.12 डिग्री और कपूर के लिए लगभग 39.7 डिग्री तक होता है।
- विभाजित होने वाले पदार्थों का प्रभाव (Van 't Hoff Factor): चीनी पानी में घुलने पर भी उसका एक अणु एक ही कण बना रहता है, लेकिन नमक सोडियम आयन और क्लोराइड आयन, इन दो कणों में बँट जाता है। इसलिए मोलों की संख्या समान होने पर नमक, चीनी की तुलना में हिमांक को लगभग दोगुना कम करता है।
सड़कों, कारों और रसोई में
सर्दियाँ बिताने के हमारे तरीकों में जगह-जगह हिमांक अवनमन का उपयोग होता है। यह कहना अधिक सटीक है कि नमक बर्फ को सीधे पिघलाने के बजाय उसकी सतह पर मौजूद पानी की पतली परत में घुलकर उस पानी को दोबारा जमने से रोकता है।
बर्फ हटाने वाले पदार्थों की तापमान सीमा
सड़कों पर आम तौर पर छिड़का जाने वाला सोडियम क्लोराइड पानी के हिमांक को अधिकतम लगभग शून्य से 21 डिग्री नीचे तक घटा सकता है। इससे अधिक ठंडी जगहों पर उसका प्रभाव कम हो जाता है, इसलिए कैल्शियम क्लोराइड या मैग्नीशियम क्लोराइड जैसे दूसरे लवण इस्तेमाल किए जाते हैं। हालाँकि, इन लवणों से लोहे में आसानी से जंग लग सकती है, इसलिए हवाई अड्डों जैसे स्थानों पर, जहाँ धातु के बहुत से उपकरण होते हैं, उनकी जगह पोटैशियम फॉर्मेट या पोटैशियम एसीटेट जैसे बर्फ हटाने वाले पदार्थ इस्तेमाल किए जाते हैं।
एंटीफ्रीज़ और आइसक्रीम
कार के शीतलक में पानी और एथिलीन ग्लाइकॉल से बना एंटीफ्रीज़ मिलाया जाता है, ताकि कड़ाके की सर्दी में भी रेडिएटर जमकर फट न जाए। आइसक्रीम का शून्य से नीचे के तापमान पर भी इतना मुलायम रहना कि उसे चम्मच से निकाला जा सके, इसमें घुली चीनी के हिमांक कम करने के कारण होता है, जिससे उसका कुछ हिस्सा बिना जमे रह जाता है।
ठंड सहने वाले जीव और गुणवत्ता जाँच
हिमांक अवनमन जीवों के भीषण ठंड सह पाने का एक रहस्य भी है और प्रयोगशालाओं तथा कारखानों में सटीक मापन के साधन के रूप में भी उपयोग किया जाता है।
(1) अपने शरीर में एंटीफ्रीज़ बनाने वाले जीव
उत्तरी अमेरिका की रेनबो स्मेल्ट मछली सर्दियाँ आने पर अपने शरीर में ग्लिसरॉल जमा करती है और जमे हुए नदी मुहाने में भी जीवित रहती है। कुछ मेंढक ठंड पड़ने पर यकृत में जमा ग्लाइकोजन को तोड़कर रक्त में बड़ी मात्रा में ग्लूकोज़ छोड़ देते हैं। पेड़ों का रस भी उसमें घुले पदार्थों के कारण सर्दियों में आसानी से नहीं जमता।
(2) दूध में पानी मिलाया गया है या नहीं, इसका पता लगाना
घुले हुए लैक्टोज़ और खनिजों के कारण दूध का हिमांक पानी के हिमांक से एक निश्चित स्तर तक नीचे रहता है। इसमें पानी मिलाने पर हिमांक 0 डिग्री की ओर बढ़ जाता है, इसलिए डेयरी उद्योग में हिमांक मापकर जाँचा जाता है कि दूध में पानी मिलाया गया है या नहीं।
(3) शुद्धता और अणुभार मापना
शुद्ध ठोस में अशुद्धियाँ मिलने पर उसका गलनांक कम हो जाता है और उसके पिघलने के तापमान की सीमा भी चौड़ी हो जाती है। इसलिए कार्बनिक रसायन के प्रयोगों में गलनांक मापकर पदार्थ की शुद्धता का अनुमान लगाया जाता है और हिमांक में हुई कमी से अज्ञात पदार्थ का अणुभार भी निकाला जाता है।
हिमांक अवनमन दिखाता है कि आँखों से दिखाई न देने वाले कुछ छोटे कण पानी के बर्फ में बदलने के क्षण को टाल देते हैं। सर्दियों की सड़कों पर इस्तेमाल होने वाले बर्फ हटाने के पदार्थों से लेकर कारों के एंटीफ्रीज़, बिना जमे रहने वाली मछलियों और दूध की जाँच तक, सभी की बुनियाद एक ही सिद्धांत है।
सर्दियों के परिचित दृश्यों में घुले हुए कणों की शक्ति को पहचानना ही विलयनों के गुणों को समझने की दिशा में रसायन विज्ञान का पहला कदम है।
