अणुभारमापनाचा इतिहास: पृष्ठ (३ पैकी) २
पुढे जाऊन डाल्टनने सोपेपणाच्या तत्त्वानुसार अमोनियासाठी सूत्र NH असे दिले आणि लगेच तो अडचणीत आला. एक तर अमोनियामध्ये नत्रवायूचा संयोगी भार ४.६७ आहे. म्हणजे त्यात नत्रवायू आणि हायड्रोजन यांचे प्रमाण ४.६७ : १ किंवा १४ : ३ असे आहे. NH असे सूत्र दिल्याने नत्रवायूचा अणुभार ४.६७ आला. यात दोन अडचणी आल्या. एक म्हणजे ४.६७ हा अणुभार आधीच्या ७ पेक्षा वेगळा आहे. संयोगी भार बदलला तरी मूलद्रव्यासाठी अणुभार एकच हवा. दुसरे म्हणजे डाल्टनच्या अणुसिद्धांतानुसार सर्व मूलद्रव्यांचे अणुभार पूर्णांकात आहेत असे गृहीत धरले होते, त्याच्याविरुद्ध हा निष्कर्ष होता. जर त्याने आधीचा ७ अणुभार वापरून सूत्र काढले असते तर ३ : १४ म्हणजे हायड्रोजनच्या ३ अणूंसाठी नत्रवायूचे २ अणू (७ x २ = १४) म्हणून सूत्र N2H3, किंवा N4H6 असे सूत्र मिळाले असते आणि त्याचा आपल्या सोपेपणाच्या तत्त्वावरचा विश्वास डळमळीत झाला असता.
डाल्टनच्या सोपेपणाच्या तत्त्वाने किती घोटाळे झाले ते आपण पाहिले. पहिल्याने प्राणवायूसाठी ८ हा चुकीचा अणुभार निश्चित केल्याने त्यावरून काढलेली कार्बन (६) आणि नत्रवायू (७, ४.६७) ही पण चुकीची निघाली. संयुगांची सूत्रे कधी अनमानधपक्याने बरोबर तर कधी चूक येत होती. सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे यातले कुठले चुकीचे आणि कुठले बरोबर हेच माहीत नव्हते. एका पद्धतीने काढलेले अणुभार आणि सूत्रे दुसऱ्या विश्वसनीय पद्धतीने तपासून पाहाण्याची गरज होती. शास्त्रज्ञ जसेजसे मूलद्रव्यांचे अणुभार आणि संयुगांची सूत्र आणि रासायनिक क्रियांची समीकरणे यांच्यावर संशोधन करत गेले तसेतसे त्यांना डाल्टनच्या सोपेपणाच्या तत्त्वातला फोलपणा आणि त्याने काढलेल्या अणुभारांमधल्या चुका लक्षात आल्या. तरीही पुढची जवळपास साठ वर्षे अभूतपूर्व गोंधळ कायम होता.
गे - लुसॅकचा नियम: डाल्टन विरुद्ध ऍव्होगाड्रो
खरे तर या प्रश्नाची उकल करण्यासाठी आवश्यक असलेली गुरूकिल्ली रसायनशास्त्रज्ञांकडे इ. स. १८११ पासून होती. पण तिच्याकडे कोणाचेही लक्ष गेले नाही. इ. स. १८०८ मध्ये जोसेफ गे-लुसॅक (Joseph Gay- Lussac) (१७७८-१८५०) याला वायूंवर संशोधन करीत असताना असे लक्षात आले की दोन वायू एकमेकांशी त्यांच्या आकारमानांच्या प्रमाणात संयोग पावतात. उदा. दोन लीटर हायड्रोजन आणि एक लीटर प्राणवायू यांचा संयोग होऊन दोन लिटर पाण्याची वाफ तयार होते.
इ. स. १८११ मध्ये इटालियन भौतिक शास्त्रज्ञ अमिडो ऍव्होगाड्रो (Amedeo Avogadro) (१७७६-१८५६) याने एक क्रांतिकारक तत्त्व मांडले. त्यानुसार एकाच तापमानाला आणि एकाच दाबाखाली असलेल्या वायूंच्या समान आकारमानात कणांची संख्या समान असते. मग ते कण अणू असोत की रेणू. या तत्त्वावर त्या काळच्या शास्त्रज्ञांनी विश्वास ठेवला असता तर पुढे ५० वर्षे सुरू असलेला गोंधळ टळला असता. परंतु त्या काळी शास्त्रज्ञांचा या तत्त्वाला निरनिराळ्या कारणांनी विरोध होता.
खालील आकृत्यांमध्ये गे- लुसॅकच्या नियमाचे दोन प्रकारे स्पष्टीकरण दिले आहे. पहिल्या आकृतीत डाल्टनच्या सिद्धांतानुसार आणि दुसऱ्यात ऍव्होगाड्रोनुसार.
खालील सर्व आकृत्यांमध्ये छोट्या खोक्याचे आकारमान एक लीटर आणि मोठ्या खोक्याचे दोन लीटर आहे असे समजू. आता आकृती क्रमांक १ मधील वरच्या चित्रात दाखवल्याप्रमाणे एक लिटरच्या दोन खोक्यांमध्ये हायड्रोजन आणि क्लोरीन यांचे प्रत्येकी चार अणू आहेत. आता गे-लुसॅकच्या सिद्धांतानुसार यांचा संयोग होऊन हायड्रोक्लोरीक आम्लाचे चार रेणू दोन लीटर आकारमानात तयार होतात. म्हणजेच हायड्रोजन व क्लोरीन यांचे प्रत्येकी चार अणू एका लिटरमध्ये तर हायड्रोक्लोरीक आम्लाचे दोन रेणू एका लिटरमध्ये असतात.
आकृती क्रमांक १
आकृती क्रमांक १ मधील खालच्या चित्रात दाखवल्याप्रमाणे हायड्रोजनचे आठ अणू दोन लिटरमध्ये आणि प्राणवायूचे आठ अणू एक लिटरमध्ये आहेत. त्यांचा संयोग होऊन पाण्याचे आठ रेणू दोन लिटरमध्ये तयार होतात. डाल्टनच्या सिद्धांतानुसार असेच मानावे लागते कारण त्याने पाण्याचे सूत्र HO असे दिले होते. त्यामुळे हायड्रोजन आणि प्राणवायू यांच्या प्रत्येकी आठ अणूंचा संयोग होऊन पाण्याचे आठ रेणू तयार होतात. गे-लुसॅकच्या सिद्धांतानुसार दोन लीटर हायड्रोजन आणि एक लीटर प्राणवायू यांचा संयोग होऊन दोन लीटर पाणी तयार होते. म्हणून हायड्रोजनचे आठ अणू दोन लिटरमध्ये तर प्राणवायूचे आठ अणू एक लिटरमध्ये आहेत असे मानण्याशिवाय गत्यंतर नव्हते. वरील दोन्ही उदाहरणांमध्ये समान आकारमानात कणांची संख्या समान नाही. गे- लुसॅकच्या नियमांची ही स्पष्टीकरणे डाल्टनच्या सिद्धांतानुसार आहेत. ती खरी मानली तर, समान आकारमानात कणांची संख्या समान, हे ऍव्होगाड्रोचे तत्त्व खोटे ठरते..
यावर ऍव्होगाड्रोच्या समर्थकांचे स्पष्टीकरण थोडेसे वेगळे आहे. त्यांच्या मतानुसार हायड्रोजन, प्राणवायू आणि क्लोरीन ही मूलद्रव्ये डाल्टन म्हणतो तशी अणूंची बनलेली नाहीत. तर ती रेणूंची बनली आहेत. या मूलद्रव्यांचा प्रत्येक रेणू दोन अणूंनी बनला आहे. ऍव्होगाड्रोच्या तत्त्वानुसार गे-लुसॅकच्या नियमांचे स्पष्टीकरण आकृती क्रमांक २ मध्ये दिले आहे.
आकृती क्रमांक २
आकृती क्रमांक २ मधील वरच्या चित्रामध्ये एक लिटरच्या दोन खोक्यांमध्ये हायड्रोजनचे आणि क्लोरीनचे प्रत्येकी चार रेणू (आठ अणू) दाखवले आहेत. यांचा संयोग होऊन हायड्रोक्लोरीक आम्लाचे आठ रेणू दोन लिटरच्या आकारमानात तयार होतात. त्यामुळे हायड्रोजन, क्लोरीन आणि हायड्रोक्लोरीक आम्ल यांच्या रेणूंचे प्रमाण एका लिटरमध्ये चार असे पडते. म्हणजेच समान आकारमानात समान कण. खालच्या चित्रामध्ये दोन लीटर आकारमानात हायड्रोजनचे आठ रेणू (सोळा अणू) तर एक लिटरमध्ये प्राणवायूचे चार रेणू (आठ अणू) दाखवले आहेत. यांचा संयोग होऊन पाण्याचे आठ रेणू दोन लीटर आकारमानात तयार होतात. म्हणजेच हायड्रोजन, प्राणवायू आणि पाणी या तीनही पदार्थांचे एका लिटरमध्ये चार रेणू असे प्रमाण पडते. पुन्हा एकदा समान आकारमानात समान कण आणि पाण्याचे सुधारित सूत्र H2O असे येते.
वरील सर्व विवेचनाचा अर्थ असा की गे - लुसॅकच्या नियमांबद्दलच्या डाल्टन आणि ऍव्होगाड्रो यांनी दिलेल्या स्पष्टीकरणांपैकी फक्त एकच बरोबर असू शकते. डाल्टनचा अणुसिद्धांत आणि सोपेपणाचे तत्त्व बरोबर असेल तर समान आकारमानात समान कण असणे शक्य नाही हे वर पाहिले. तसेच ऍव्होगाड्रोचे समान आकारमानात समान कण हे तत्त्व बरोबर असेल तर डाल्टनचा अणुसिद्धांत (सर्व मूलद्रव्ये ही अणूंची बनलेली आहेत) आणि सोपेपणाचे तत्त्व चुकीचे ठरते. आता यातले नेमके कोण बरोबर आणि कोण चूक?
ऍव्होगाड्रोच्या तत्त्वाला विरोध
त्या काळच्या बहुतेक सर्व प्रस्थापित वैज्ञानिकांनी विशेषतः डाल्टन, जॉन्स जेकब बर्झेलिअस (Jons Jakob Berzelius) (इ. स. १७७९-१८४८), आणि स्वतः गे- लुसॅक यांनी ऍव्होगाड्रोच्या तत्त्वाला निरनिराळ्या कारणांनी प्रखर विरोध केल्याने ते उपेक्षित राहिले. डाल्टनचा विरोध समजण्यासारखा आहे, कारण हायड्रोजन, क्लोरीन आणि प्राणवायू ही मूलद्रव्ये रेणूंची बनलेली आहेत हे डाल्टनच्या अणुसिद्धांताच्या विरोधी आहे.
ऍव्होगाड्रोच्या तत्त्वाला त्या काळातला प्रतिष्ठित शास्त्रज्ञ बर्झेलिअस याने दुसऱ्या कारणासाठी प्रखर विरोध केला. बर्झेलिअसच्या सिद्धांतानुसार मूलद्रव्यांचे अणू हे विद्युत्भारित असतात. फक्त विरुद्ध भार असलेली मूलद्रव्येच एकमेकांशी संयोग पावून त्यांची संयुगे तयार होतात. उदा. त्याच्या मते सोडियमचा अणू धनभारित असतो तर क्लोरिनचा अणू ऋणभारित असतो. त्यामुळे त्या दोघांपासून मीठ तयार होते. या सिद्धांतानुसार एकाच मूलद्रव्याचे दोन अणू मिळून रेणू तयार होऊच शकत नाही. कारण ते दोन्ही अणू धनभारित किंवा ऋणभारित असतील आणि एकाच प्रकारचे विद्युत्भार असलेले दोन अणू एकमेकांकडे आकर्षित न होता प्रतिकर्षित होतात, एकमेकांपासून दूर जातात. या कारणाने त्यांचा रेणू होऊ शकत नाही.
बर्झेलिअससारखेच गे-लुसॅकचेही मत एकाच मूलद्रव्याचे दोन अणू मिळून रेणू बनू शकत नाही असेच होते. अशा रीतीने डाल्टन, गे-लुसॅक आणि सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे बर्झेलिअस या तीन प्रतिष्ठित शास्त्रज्ञांच्या विरोधामुळे ऍव्होगाड्रोच्या तत्त्वाला तत्कालीन शास्त्रज्ञांची मान्यता मिळू शकली नाही. दुसरे म्हणजे स्वतः ऍव्होगाड्रोची कीर्ती शास्त्रज्ञ म्हणून फारशी चांगली नव्हती. त्याने स्वतः काही थोडी मूलद्रव्ये आणि सुमारे २५ संयुगे यांचे अणुभार/रेणुभार अचूक मोजले तरी त्याने मोजण्यात चूक केलेल्या अणु/रेणुभारांची संख्या अक्षरशः काही शेकड्यांमध्ये आहे.
कॅनिझारोचे कार्य
वरील सर्व कारणांमुळे १८११ ते १८३८ या काळात ऍव्होगाड्रोचे तत्त्व दुर्लक्षित राहिले. १८३८ मध्ये गेरहार्ड (Gerhardt) आणि लॉरेंट (Laurent) यांनी ऍव्होगाड्रोच्या तत्त्वावर आधारित संशोधन करून काही मूलद्रव्यांचे अणुभार मोजले, पण बर्झेलिअसच्या सिद्धांताविरुद्ध असल्यामुळे त्यांच्या संशोधनाला मान्यता मिळाली नाही. इ. स. १८४८ मध्ये बर्झेलिअसचे निधन झाले. त्याच सुमारास सेंद्रिय रसायनशास्त्राचा उदय झाला, त्यामुळे वायूंच्या संशोधनाला गती मिळाली. पण सर्वात महत्त्वाचे योगदान स्टॅनिस्लाव कॅनिझारो (Stanislao Cannizzaro) (१८२६ - १९१०) या इटालियन शास्त्रज्ञाने दिले. त्याने ऍव्होगाड्रोचे तत्त्व पूर्णत्वाला नेले. मूलद्रव्यांचे अणुभार अचूकपणे मोजण्यासाठी त्याने वापरलेल्या काही पद्धती आपण बघणार आहोत.
समान आकारमानात समान कण हे ऍव्होगाड्रोचे गृहीतक हा कॅनिझारोच्या पद्धतीचा पाया होता. वायूंच्या घनतेवरून अणुभार मोजण्याची पद्धत पुढील काही तक्त्यांवरून लक्षात येईल. तक्ता क्रमांक ३ मध्ये पहिल्या स्तंभात वायूंची घनता दिली आहे. ही घनता १०० अंश सेंटिग्रेड तापमानाला आणि ७६० पाऱ्याचे मिलीमीटर यादाबाखाली मोजली आहे. दुसऱ्या स्तंभात वायूंमध्ये असलेल्या हायड्रोजनचे प्रमाण टक्यांमध्ये दाखवले आहे. हे प्रमाण रासायनिक पद्धतीने निश्चित केले आहे. तिसऱ्या स्तंभात पहिल्या आणि दुसऱ्या ओळींमधल्या आकड्यांचा गुणाकार आहे. म्हणजेच स्तंभात आपल्याला प्रत्येक वायूच्या एक लीटर आकारमानात असलेले हायड्रोजनचे वजन मिळते. आता तिसऱ्या स्तंभातल्या आकड्यांचे निरीक्षण केले असता असे लक्षात येते की हे सर्व आकडे त्यातल्या सर्वात कमी आकड्याच्या पटीत आहेत म्हणजेच या सर्व आकड्यांना त्यातल्या सर्वात कमी आकड्याने (म.सा.वि.) भागले तर उत्तर पूर्णांकामध्ये येते. ते चौथ्या स्तंभात दाखवले आहे.