రసాయన శాస్త్రము
పరిచయము
రసాయనశాస్త్రం (in Greek: "χημεία") చాల విస్తృతం. ఇటువంటి విస్తృతమయిన శాస్త్రాన్ని ఏకాండీగా అధ్యయనం చెయ్యటం కష్టం. అందుకని చిన్న చిన్న ఖండాలుగా విడగొట్టి పరిశీలిస్తాం. అటువంటప్పుడు కొన్ని కొన్ని అంశాలు అనేక ఖండాలలో పదే పదే పునరావృతం కాక తప్పదు.
మౌలికంగా చెప్పుకోవాలంటే, రసాయనశాస్త్రంలో పదార్థ లక్షణాలని (material properties) అధ్యయనం చేస్తాం. ఒక పదార్థం (matter) మరొక పదార్థంతో సంయోగం చెందినప్పుడు ఏమవుతుంది? ఒక పదార్థం శక్తి (energy) తో కలసినప్పుడు ఏమవుతుంది? ఒక పదార్థం మరొక పదార్థంగా ఏయే సందర్భాలలో మారుతుంది? ఇటువంటి ప్రశ్నలకి సమాధానాలు రసాయనశాస్త్రంలో దొరుకుతాయి. ఒక పదార్థం మరొక పదార్థంతో కలసినప్పుడు జరిగే పనినే రసాయన ప్రక్రియ (chemical reaction) అంటారు. ఈ ప్రక్రియలో పదార్థంలో ఉన్న కొన్ని రసాయన బంధాలు (chemical bonds) సడలి కొత్త కొత్త బంధాలు ఏర్పడతాయి.
పదార్థం, (ఉదాహరణకి: మనం కూర్చునే కుర్చీ, పీల్చే గాలి) అణువు (molecule) ల సముదాయం. ప్రతి అణువు లోను కొన్ని పరమాణువు (atom) లు ఉంటాయి. పరమాణువు అంతర్భాగంలో ఎలక్ట్రాన్, ఫోటాన్ మరియు న్యూట్రాన్ వంటి ఉపపరమాణు భాగాలు (sub-atomic particles) లు ఉంటాయి. అయినప్పటికీ, మన దైనందిన జీవితంలో మనకి తారసపడేవి, మన అనుభవ పరిధిలో ఇమిడేవి అణువులు, వాటి రసాయన లక్షణాలు. కాని ఈ రసాయన లక్షణాలని నిర్ణయించేది అణువులు, వాటి మధ్య ఉండే రసాయన బంధాలు. ఉదాహరణకి, ఉక్కు దృఢంగా ఉందంటే దానికి కారణం ఉక్కు బణువులో ఉన్న అణువుల అమరిక, వాటి మధ్య ఉన్న రసాయన బంధాల శక్తి. కర్ర మండుతున్నదంటే కర్రలో ఉన్న కర్బనం (carbon) గాలిలో ఉన్న ఆమ్లజని (oxygen) తో రసాయన సంయోగం చెందింది కనుక. గది ఉష్ణోగ్రత (room temperature) వద్ద నీరు ద్రవ రూపంలో ఉందంటే దానికి కారణం నీటి బణువులలో ఉన్న అణువులు వాటి ఇరుగు పొరుగు అణువులతో ప్రవర్తించే విధానం అనుకూలించింది కనుక. ఆ మాటకొస్తే ఈ వాక్యాలు మీరు చదవగలుగుతున్నారంటే దానికి కారణం ఈ వాక్యాల మీద పడ్డ కాంతి పుంజం పరావర్తనం చెంది, మీ కంట్లో ప్రవేశించి, కంటి వెనుక రెటీనా మీద ఉన్న ప్రాణ్యము (protein) బణువులతో రసాయన సంయోగము చెందటమే. ఆఖరు మాటగా, ఈ వాక్యాలు చదువుతున్న చదువరులకి ఇదంతా అర్ధం అవుతోందంటే దానికి కారణం కూడా వారి వారి మెదడులలో జరిగే రసాయన ప్రక్రియలే.
రసాయనశాస్త్రంలో చాలా విభాగాలున్నాయి. ఈ విభాగాల్లో కొన్ని ఇతర విభాగాలతో మిళితమయి గాని, సంబంధాన్ని కలిగి గాని ఉన్న విభాగాలు కూడా చాలా ఉన్నాయి.రసాయన మిశ్రమాలకి పేర్లు పెట్టటం (nomenclature) ఆషామాషీ వ్యవహారం కాదు. లక్షల పైబడి ఉన్న వీటికి ఒక క్రమ పద్ధతిలో పేర్లు పెట్టకపోతే తర్వాత ఇబ్బంది పడవలసి వస్తుంది. అందుకని అంతర్జాతీయ ఒప్పందాల ప్రకారం వీటికి పేర్లు పెట్టటం సులభం. ఆంగిక (కర్బన) రసాయనాలకి (Organic compound) అవలంబించే పద్ధతి ఒకటి, అనాంగిక (వికర్బన) రసాయనాలకి (inorganic compound) అవలంబించే పద్ధతి మరొకటి.
అణువు గర్భంలో ధనావేశమైన (positively charged) కణిక (nucleus) ఉంటుంది. ఈ కణిక లేక కేంద్రకంలో ప్రోటాన్లు (protons), న్యూట్రాన్లు (neutrons) అనే పరమాణువులు (atomic particles) ఉంటాయి. ఈ కణిక చుట్టూ పరివేష్టితమై ఒక ఎలక్ట్రాను మేఘం (electron cloud) ఉంటుంది. కణికలో ఎన్ని ధన విద్యుదావేశమైన (positively charged) ప్రోటానులు ఉన్నాయో ఈ మేఘంలో అన్ని రుణ విద్యుదావేశమైన (negatively charged) ఎలక్ట్రానులు ఉంటాయి. అందువల్ల అణువుకి ఏ రకమైన విద్యుదావేశమూ ఉండదు.
ఒకే ఒక 'జాతి' అణువులతో ఉన్న పదార్థాన్ని మూలకం (element) అంటారు. ఇదే విషయాన్ని మరొక విధంగా కూడా చెప్పొచ్చు. ఒక మూలకంలో ఉన్న అణువులన్నిటిలోనూ ప్రోటానుల జనాభా ఒక్కటే. ఈ ప్రోటానుల జనాభానే ఆ మూలకం యొక్క పరమాణు సంఖ్య (atomic number) అంటారు. ఉదాహరణకి, ఆరే ఆరు ప్రోటానులు కణికలో ఉన్న అణువులన్నీ కూడా కర్బనం అణువులే! కనుక కర్బనం (carbon) అనే రసాయనిక మూలకం యొక్క పరమాణు సంఖ్య 6. ఇదే విధంగా 92 ప్రోటానులు కణికలో ఉన్న అణువులన్నీ కూడా యురేనియం (uranium) అణువులు. కనుక యురేనియం యొక్క అణు సంఖ్య 92.
మూలకాలని, వాటి లక్షణాలని అధ్యయనం చెయ్యటానికి ఎంతో అనుకూలమైన పనిముట్టు ఆవర్తన పట్టిక (periodic table). ఈ పట్టికని హొటేలు భవనంలా ఊహించుకోవచ్చు. ఈ భవనంలో ఏడు అంతస్తులు, రెండు నేలమాళిగలు ఉన్నట్లు ఊహించుకోవాలి. ప్రతి అంతస్తులోను ఒకటి నుండి పద్నాలుగు గదులు వరకు ఉండొచ్చు. ఒకొక్క గదికి ఒకొక్క మూలకాన్ని కేటాయించేరు. రసాయనిక లక్షణాలలో పోలికలు ఉన్న మూలకాలన్నీ దగ్గర దగ్గర గదులలో (అంటే, ఒకే నిలువ వరుసలో ఉండే గదులు, పక్క పక్కని ఉండే గదులు అని తాత్పర్యం) ఉండేటట్లు అమర్చబడి ఉంటాయి. ఈ భవనంలో ఎన్నో అంతస్తులో, ఎన్నో గదిలో ఏ మూలకం ఉందో తెలిసిన మీదట ఆ మూలకం రసాయనిక లక్షణాలన్నీ మనం పూసగుచ్చినట్లు చెప్పొచ్చు. ఇది ఎలా సాధ్య పడుతుందంటే - ఒక మూలకంలోని కణికలో ఎన్ని ప్రోటానులు ఉన్నాయో ఆ కణిక చుట్టూ పరిభ్రమించే మేఘంలో అన్ని ఎలక్ట్రానులు ఉంటాయి కదా. ఈ మేఘమే అణువు యొక్క బాహ్య ప్రపంచంతో సంపర్కం పెట్టుకోగలదు. కనుక అణువు యొక్క రసాయనిక లక్షణాలు ఎలా ఉండాలో ఈ మేఘం నిర్ణయిస్తుంది. ఆవర్తన పట్టికని అధ్యయనం చెయ్యటం వల్ల ఈ రకం విషయాలు కూలంకషంగా అర్ధం అవుతాయి.
సమ్మేళనం (compound) అంటే కొన్ని రసాయన మూలకాలు నిర్ధారితమైన పాళ్ళల్లో రసాయన సంయోగం చెందటం వల్ల తయారయిన పదార్థం. ఉదాహరణకి ఉదజని (hydrogen) రెండు పాళ్ళు, ఆమ్లజని (oxygen) ఒక పాలు రసాయన సంయోగం చెందగా వచ్చిన సమ్మేళనమే నీరు (water or HO). అంతేకాని ఇసక, పంచదార కలపగా వచ్చినది మిశ్రమం (mixture) అవుతుంది కాని సమ్మేళనం కాజాలదు; సమ్మేళనం కావాలంటే రసాయన సంయోగం విధిగా జరగాలి.
కొన్ని వేరు వేరు అణువులు లేదా పరమాణువుల సమూహాన్ని [బణువు] (molecule) అంటారు (నిర్వచనం: బహుళమైన అణువుల గుంపు బణువు). ఒక బణువులో ఉన్న అణువులన్నీ ఒకే మూలకానివి కావచ్చు (ఉదాహరణ: రెండు ఉదజని అణువుల సమ్మేళనం వల్ల పుట్టినది ఒక ఉదజని బణువు (H), రెండు ఆమ్లజని అణువుల సమ్మేళనం వల్ల పుట్టినది ఒక ఆమ్లజని బణువు (O) ). లేదా ఒకే బణువులో రకరకాల మూలకాలు ఉండొచ్చు (ఉదాహరణ: రెండు ఉదజని అణువులు, ఒక ఆమ్లజని అణువుల సమ్మేళనం వల్ల పుట్టినది ఒక నీటి బణువు (HO) ). అంటే రెండు కాని అంత కంటే ఎక్కువ కాని అణువులు రసాయన బంధం ప్రభావం వల్ల సమ్మిళితం అయితే బణువు పుడుతుంది.
విద్యుదావేశం (electrical charge) పొందిన అణువు (molecule) కాని, పరమాణువు (atom) కాని, పరమాణు కణాలు (sub-atomic particle) కాని అయాను (ion) అనబడును. విద్యుదావేశం పొందటం అంటే ఒక ఎలక్ట్రాన్ ని లబ్ధిపొందటం (gain) కాని, నష్టపోవటం (lose) కాని జరుగుతుంది. అణువులు, పరమాణువులు ఒకటి కాని, అంతకంటే ఎక్కువ కాని ఎలక్ట్రాన్ లని లబ్ధిపొందిన ఎడల అది ఋణ అయాను (anion). అదేవిధంగా ఒక బణువు, అణువు, పరమాణువు ఒకటి కాని, అంతకంటే ఎక్కువ కాని ఎలక్ట్రాన్ లని నష్టపోయిన ఎడల అది ధనయాను (cation). ఉదాహరణకి సోడియం ధనయాను (Na), హరితము ఋణయాను (Cl) తో కలిస్తే నిరావేశమైన (neutrally charged) సోడియం క్లోరైడ్‌ (NaCl) వస్తుంది. (మనం తినే ఉప్పులో ఉండే ముఖ్యమైన రసాయనం ఇది.)
ఒక బణువులో కాని, స్పటికము (crystal) లో కాని ఉన్న అణువులు విడివిడిగా విడిపోకుండా - అంటే ఒకదానితో మరొకటి అంటిపెట్టుకుని ఉండే విధంగా - ఉంచగలిగే శక్తిని రసాయన బంధం (chemical bond) అంటారు. ఈ రసాయన బంధం అనే ఊహనం (concept) తో పాటు బాహుబల సిద్ధాంతం (valence bond theory) కాని, భస్మీకరణ సంఖ్య (oxidation number) కాని ఉపయోగించి సామాన్యమైన పదార్థాలలో బణువుల అమరికని, ఏయే బణువులు ఏయే పాళ్ళల్లో ఉన్నాయో కూడా కనుక్కోవచ్చు. అసమాన్యమైన (క్లిష్ట) పదార్థాలని (ఉదాహారణకి, లోహరసాయనాలని) విశ్లేషణ చెయ్యవలసి వచ్చినప్పుడు బాహుబల సిద్దాంతం వీగిపోతుంది. ఆ సందర్భాలలో వాడకానికి ప్రత్యామ్నాయ సిద్ధాంతాలు ఉన్నాయి. వీటిలో ముఖ్యమయినవి క్వాంటం రసాయనశాస్త్రం ఒకటి.
రసాయన ప్రక్రియ అంటే ఏమిటి? బణువుల సూక్ష్మ కట్టడి (fine structure) లో వచ్చే పరిణామం (tranmsformation) రసాయన ప్రక్రియ (chemical reaction) అనబడును. ఇటువంటి పరిణామాలలో చిన్న చిన్న బణువులు ఒకదానికి మరొకటి అతుక్కుని పెద్దవిగా మారొచ్చు. లేదా పెద్ద బణువులు చితికిపోయి చిన్నవి కావచ్చు. లేదా, ఒక బణువులో ఉన్న కొన్ని అణువుల స్థానంలో కొత్త అణువులు ప్రతిక్షేపన కావచ్చు. ఏది ఏమయినప్పటికీ, రసాయన ప్రక్రియ జరిగినప్పుడు ఉన్న బంధాలు (రసాయన బంధాలు) తెగిపోవచ్చు, లేని చోట్ల సరికొత్త బంధాలు ఏర్పడనూ వచ్క్ష్చు.
సాధారణమైన రసాయన ప్రక్రియలలో పదార్థం యొక్క ద్రవ్యరాశి (mass) రూపాంతరం చెందొచ్చేమో కాని నాశనం కాదు. దీనినే ద్రవ్యరాశి నిహిత నియమం (conservation of mass) అంటారు. ఆధునిక భౌతికశాస్త్రం ప్రకారం నిజానికి నిహితమయేది ద్రవ్యరాశి కాదు; శక్తి (energy). ఈ ఆధునిక నిహిత నియమమే అయిన్‌స్టయిన్‌ ప్రవచించిన E = mc అనే సూత్రం. నిహితమయేది శక్తి అనే గుర్తింపు రాగానే రసాయన నిశ్చలత (chemical equilibrium) అనే భావనకి, తాపగతిశాస్త్రానికీ (thermodynamics) కొత్త పునాదులు పడ్డాయి.
= Chemical Glossary =