द्रव्यमान संरक्षण का नियम: लवोइज़िए, कथन और उदाहरण

द्रव्यमान संरक्षण का नियम कहता है कि किसी भी साधारण रासायनिक अभिक्रिया में द्रव्यमान न तो बनाया जा सकता है, न मिटाया जा सकता है। अभिकारकों का कुल द्रव्यमान हमेशा उत्पादों के कुल द्रव्यमान के बराबर रहता है। यह एक सिद्धांत, जिसे फ़्रांसीसी रसायनज्ञ एंटोनी लवोइज़िए ने 1789 में स्थापित किया, स्टॉइकियोमेट्री की बुनियाद है और वही वजह है कि किसी भी मात्रात्मक हिसाब में इस्तेमाल करने से पहले हर रासायनिक समीकरण को संतुलित करना पड़ता है। द्रव्यमान संरक्षण का नियम रासायनिक संयोजन के नियमों में पहला है, और यही वह प्रयोगों से निकली बुनियाद है जिस पर आगे चलकर डाल्टन का परमाणु सिद्धांत खड़ा हुआ।

NCERT कक्षा 9 के विज्ञान और UPSC प्रीलिम्स के सामान्य विज्ञान में द्रव्यमान संरक्षण का नियम बार-बार पूछा जाता है — परिभाषा के रूप में भी, और अभिकारकों तथा उत्पादों के द्रव्यमान वाले संख्यात्मक सवालों के ज़रिए भी। यह नियम हर साधारण रासायनिक अभिक्रिया पर साफ़-साफ़ लागू होता है। नाभिकीय अभिक्रियाओं पर यह बदले हुए रूप में लागू होता है, जहाँ आइंस्टीन के संबंध E = mc² के मुताबिक़ द्रव्यमान और ऊर्जा एक-दूसरे में बदल सकते हैं। इसलिए पूरा कथन द्रव्यमान-ऊर्जा संरक्षण का नियम है, जो हर जगह चलता है। किसी सामान्य दहन, उदासीनीकरण या अवक्षेपण अभिक्रिया में ऊर्जा के रूप में जाने वाला द्रव्यमान इतना कम होता है कि द्रव्यमान संरक्षण का नियम दशमलव के कई अंकों तक सही उतरता है।

नियम कहता क्या है

NCERT वाले मानक रूप में द्रव्यमान संरक्षण का नियम कहता है: किसी भी बंद तंत्र में रासायनिक अभिक्रिया के उत्पादों का द्रव्यमान अभिकारकों के द्रव्यमान के बराबर होता है। परमाणु सिर्फ़ नए सिरे से सजते हैं। अभिक्रिया में न कोई परमाणु बनता है, न कोई मिटता है। हर तत्व के परमाणुओं की कुल संख्या अभिकारक वाली तरफ़ और उत्पाद वाली तरफ़ बराबर रहती है।

इसी वजह से हर रासायनिक समीकरण संतुलित किया जाता है। संतुलन का गणितीय कथन और द्रव्यमान संरक्षण के नियम का रासायनिक कथन, दोनों एक ही बात हैं।

एंटोनी लवोइज़िए और दहन के प्रयोग

एंटोनी लवोइज़िए ने यह नियम 1789 में अपनी किताब Traité Élémentaire de Chimie में सामने रखा। वे यहाँ तक बंद काँच के बर्तनों में बहुत सावधानी से तौलने वाले प्रयोग करते-करते पहुँचे। एक मशहूर प्रयोग में लवोइज़िए ने पारे को एक बंद रिटॉर्ट में गर्म किया, जो हवा की नापी हुई मात्रा से जुड़ा था। पारा हवा के एक हिस्से से मिलकर लाल पारद ऑक्साइड बना। लवोइज़िए ने अभिक्रिया से पहले और बाद में पूरे उपकरण का वज़न लिया। कुल द्रव्यमान वैसा का वैसा रहा। बने पारद ऑक्साइड का द्रव्यमान ख़र्च हुए पारे और हवा से लिए गए ऑक्सीजन के द्रव्यमान के जोड़ के बराबर निकला।

लवोइज़िए के मात्रा नापने वाले तरीक़े ने पुराने फ्लॉजिस्टन सिद्धांत को उलट दिया, जो कहता था कि जलती हुई चीज़ें फ्लॉजिस्टन नाम का एक अदृश्य पदार्थ छोड़ती हैं। ध्यान से तौलकर लवोइज़िए ने दिखाया कि दहन असल में ऑक्सीजन के साथ रासायनिक मेल है और उसमें पूरा द्रव्यमान बचा रहता है। उनके तरीक़े ने रसायन विज्ञान को मात्रा नापने वाला विज्ञान बना दिया।

NCERT का कथन और गणितीय रूप

NCERT कक्षा 9 के परमाणु और अणु वाले अध्याय में नियम इस तरह दिया गया है: किसी रासायनिक अभिक्रिया में अभिकारकों का कुल द्रव्यमान उत्पादों के कुल द्रव्यमान के बराबर होता है। प्रतीकों में, एक आम अभिक्रिया के लिए:

A + B → C + D

द्रव्यमान(A) + द्रव्यमान(B) = द्रव्यमान(C) + द्रव्यमान(D)

हाइड्रोजन और ऑक्सीजन से पानी बनने पर:

2H_2 + O_2 → 2H_2O

4 ग्राम हाइड्रोजन 32 ग्राम ऑक्सीजन से मिलकर ठीक 36 ग्राम पानी देती है। द्रव्यमान का कोई नापा जा सकने वाला नुक़सान नहीं होता।

द्रव्यमान संरक्षण के नियम के उदाहरण

द्रव्यमान संरक्षण का नियम NCERT के उन मानक उदाहरणों से सबसे अच्छे तरीक़े से समझ आता है, जिन्हें स्कूल की प्रयोगशाला में जाँचा जा सकता है।

सोडियम सल्फेट और बेरियम क्लोराइड की अभिक्रिया

सोडियम सल्फेट का घोल बेरियम क्लोराइड के घोल के साथ एक बंद फ्लास्क में मिलाया जाता है, और फ्लास्क तराज़ू पर रखा रहता है। बेरियम सल्फेट का सफ़ेद अवक्षेप बनता है। तराज़ू का पाठ नहीं बदलता। अभिकारक घोलों का द्रव्यमान उत्पाद घोल और अवक्षेप के जोड़ के बराबर रहता है।

Na_2SO_4 + BaCl_2 → BaSO_4 + 2NaCl

मैग्नीशियम का जलना

मैग्नीशियम रिबन का नापा हुआ टुकड़ा ढकी हुई क्रूसिबल में जलाया जाता है। बनने वाला मैग्नीशियम ऑक्साइड का सफ़ेद चूरा असली रिबन से ज़्यादा भारी होता है, पर यह बढ़ोतरी ठीक उतनी ही है जितनी हवा से ली गई ऑक्सीजन का द्रव्यमान। जब यही प्रयोग बंद बर्तन में किया जाए, तो अभिक्रिया से पहले और बाद का कुल द्रव्यमान वही रहता है।

2Mg + O_2 → 2MgO

अम्ल और क्षार का उदासीनीकरण

50 मिली हाइड्रोक्लोरिक अम्ल को उतनी ही मोलरता वाले 50 मिली सोडियम हाइड्रॉक्साइड घोल के साथ मिलाया जाता है। मिलाने से पहले का कुल द्रव्यमान अभिक्रिया के बाद के कुल द्रव्यमान के बराबर रहता है। नमक यानी सोडियम क्लोराइड और पानी बनते हैं, और तंत्र का द्रव्यमान वही रहता है।

HCl + NaOH → NaCl + H_2O

रासायनिक समीकरणों का संतुलन

रासायनिक समीकरण को संतुलित करना इसलिए ज़रूरी है क्योंकि द्रव्यमान संरक्षण का नियम है। संतुलित करने का मतलब है स्टॉइकियोमीट्रिक गुणांक इस तरह बदलना कि हर तत्व के परमाणुओं की संख्या अभिकारक और उत्पाद, दोनों तरफ़ एक जैसी हो जाए। फिर वही गुणांक यह भी बता देते हैं कि पदार्थ किस द्रव्यमान अनुपात में आपस में मिलते हैं।

मिसाल के लिए, यह असंतुलित समीकरण:

H_2 + O_2 → H_2O

नियम तोड़ता है, क्योंकि बाईं तरफ़ ऑक्सीजन के दो परमाणु हैं और दाईं तरफ़ सिर्फ़ एक। संतुलित करने पर यह बनता है:

2H_2 + O_2 → 2H_2O

दोनों तरफ़ हाइड्रोजन के चार परमाणु और ऑक्सीजन के दो परमाणु आ जाते हैं। द्रव्यमान भी बराबर हो जाता है: 4 ग्राम + 32 ग्राम = 36 ग्राम।

यही संतुलन की प्रक्रिया वजह है कि रसायनज्ञ पैदावार, सीमित अभिकारक और औद्योगिक प्रक्रियाओं के लिए ज़रूरी अभिकर्मकों की मात्रा का अंदाज़ा लगाने के लिए स्टॉइकियोमीट्रिक हिसाब इस्तेमाल करते हैं। खाद उद्योग, दवा क्षेत्र और धातु शोधन, तीनों हर मात्रात्मक प्रक्रिया के डिज़ाइन में द्रव्यमान संरक्षण के नियम पर ही टिके हैं।

बंद तंत्र बनाम खुला तंत्र

द्रव्यमान संरक्षण का नियम बंद तंत्र में ही पूरी तरह चलता है। खुले तंत्र में द्रव्यमान बदलता हुआ दिखता है, क्योंकि गैस बाहर निकल सकती है या हवा की गैस अंदर सोख ली जा सकती है। जब खुली तश्तरी पर मोमबत्ती जलती है, तो मोम ग़ायब होता दिखता है और तराज़ू का पाठ गिर जाता है। मोम मिटता नहीं है। वह कार्बन डाइऑक्साइड और जलवाष्प में बदलकर उड़ जाता है। वही मोमबत्ती अगर बंद काँच के मर्तबान में जलाई जाए, तो जब तक ऑक्सीजन ख़त्म नहीं होती, कुल द्रव्यमान ठीक-ठीक बचा रहता है।

इसलिए द्रव्यमान संरक्षण के नियम का हर कक्षा-प्रदर्शन बंद या सील किए हुए उपकरण में ही करना चाहिए, तभी पाठ का कोई मतलब निकलता है।

अपवाद: नाभिकीय अभिक्रियाएँ और E = mc²

द्रव्यमान संरक्षण का नियम हर साधारण रासायनिक अभिक्रिया के लिए बिल्कुल सही है। नाभिकीय अभिक्रियाओं के लिए यह बिल्कुल सही नहीं है। किसी नाभिकीय अभिक्रिया में — विखंडन, संलयन या रेडियोधर्मी क्षय — अभिकारकों के द्रव्यमान का एक छोटा हिस्सा आइंस्टीन के द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता संबंध के मुताबिक़ ऊर्जा में बदल जाता है:

E = mc^2

यहाँ E निकली ऊर्जा है, m बदला हुआ द्रव्यमान, और c निर्वात में प्रकाश की चाल, यानी क़रीब 3 × 10^8 मीटर प्रति सेकंड। c इतना बड़ा है कि ज़रा-सा द्रव्यमान घटने पर भी बहुत भारी मात्रा में ऊर्जा निकलती है। कुडनकुलम परमाणु ऊर्जा संयंत्र में इस्तेमाल होने वाले यूरेनियम-235 के विखंडन में हर नाभिक पर क़रीब 0.1 प्रतिशत का द्रव्यमान घाटा ही 1,000 MWe के रिएक्टर को चलाने भर की ऊर्जा दे देता है।

इसलिए सही और सार्वभौमिक कथन द्रव्यमान-ऊर्जा संरक्षण का नियम है। किसी भी बंद तंत्र में कुल द्रव्यमान-ऊर्जा बची रहती है। साधारण रसायन में निकलने वाली ऊर्जा विराम-द्रव्यमान ऊर्जा के मुक़ाबले इतनी कम होती है कि द्रव्यमान का बदलाव पकड़ा ही नहीं जा सकता, इसलिए वहाँ आसान वाला द्रव्यमान संरक्षण का नियम काम में लिया जाता है।

डाल्टन का परमाणु सिद्धांत और यह नियम

1808 में जॉन डाल्टन ने अपना परमाणु सिद्धांत कुछ हद तक द्रव्यमान संरक्षण के नियम को समझाने के लिए ही रखा। डाल्टन ने कहा कि सारा पदार्थ अविभाज्य परमाणुओं से बना है, कि किसी तत्व के परमाणुओं का द्रव्यमान एक जैसा होता है, और कि रासायनिक अभिक्रियाएँ परमाणुओं के फिर से सजने भर की बात हैं। चूँकि अभिक्रिया में परमाणु न बनते हैं, न मिटते हैं, इसलिए कुल द्रव्यमान वही रहना चाहिए। इस तरह द्रव्यमान संरक्षण का नियम परमाणु के विचार की ही प्रयोगों से निकली बुनियाद बन गया।

आधुनिक रूप: द्रव्यमान-ऊर्जा संरक्षण

आधुनिक भौतिकी में द्रव्यमान संरक्षण के नियम को द्रव्यमान-ऊर्जा संरक्षण के नियम का एक ख़ास मामला माना जाता है। 1905 के विशिष्ट सापेक्षता सिद्धांत ने साफ़ कर दिया कि द्रव्यमान और ऊर्जा एक ही भौतिक राशि के दो रूप हैं, जो E = mc² से जुड़े हैं। हर रासायनिक अभिक्रिया के लिए द्रव्यमान-ऊर्जा संरक्षण का नियम अरब में कुछ हिस्सों की सटीकता तक द्रव्यमान संरक्षण के नियम पर आ जाता है। नाभिकीय अभिक्रियाओं के लिए पूरा द्रव्यमान-ऊर्जा वाला रूप ही इस्तेमाल करना पड़ता है।

उद्योग और पर्यावरण में अहमियत

हर रासायनिक उद्योग में स्टॉइकियोमीट्रिक हिसाब की बुनियाद द्रव्यमान संरक्षण का नियम ही है। दवा संश्लेषण, खाद निर्माण, धातुकर्म और पेट्रोरसायन क्षेत्र, सब अभिकारकों की ज़रूरत और उत्पाद की पैदावार निकालने के लिए संतुलित समीकरणों पर टिके हैं। यही नियम पर्यावरण के द्रव्यमान-संतुलन मॉडलिंग को भी चलाता है: वायु गुणवत्ता के अध्ययन, जल शोधन के डिज़ाइन और कचरा प्रबंधन की जाँच में तंत्र में घुसने वाले प्रदूषकों का कुल द्रव्यमान बाहर निकलने वाले और अंदर जमा होने वाले द्रव्यमान के जोड़ के बराबर होना चाहिए। केंद्रीय प्रदूषण नियंत्रण बोर्ड और राज्य प्रदूषण नियंत्रण बोर्ड भारत में उत्सर्जन के मानक तय करने के लिए इसी एक नियम पर टिके द्रव्यमान-संतुलन तरीक़े इस्तेमाल करते हैं।

NCERT और UPSC के लिहाज़ से

द्रव्यमान संरक्षण का नियम NCERT कक्षा 9 विज्ञान के परमाणु और अणु वाले अध्याय में, और NCERT कक्षा 11 रसायन विज्ञान के रसायन की कुछ बुनियादी अवधारणाओं वाले अध्याय में आता है। UPSC प्रीलिम्स में नियम का कथन, लवोइज़िए का प्रयोग, और समीकरण संतुलित करने से इसका रिश्ता, तीनों पूछे जा चुके हैं। परमाणु ऊर्जा, कुडनकुलम परमाणु ऊर्जा संयंत्र और भारत के तीन-चरणीय परमाणु कार्यक्रम पर मुख्य परीक्षा के सामान्य अध्ययन के सवाल E = mc² वाले आधुनिक रूप पर ही टिकते हैं।

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