खालीलपैकी कोणत्या समस्थानिकाला जड हायड्रोजन असे म्हणतात ? (a) प्रोटीयम (b) ड्युटेरिअम (c) ट्रिटीअम (d) वरीलपैकी काहीही नाही पर्यायी उत्तरे :
- (1)फक्त (c)
- (2)फक्त (b)
- (3)फक्त (d)
- (4)फक्त (a) आणि (c)
बरोबर उत्तर पर्याय (2) — 'फक्त (b)', म्हणजे ड्युटेरिअम. हायड्रोजनला तीन समस्थानिक आहेत; तिन्हींच्या केंद्रकात एकच प्रोटॉन असल्याने तिन्ही रासायनिकदृष्ट्या हायड्रोजनच आहेत, आणि त्यांच्यातला फरक फक्त केंद्रकातील न्यूट्रॉनांच्या संख्येचा आहे. प्रोटीयम, म्हणजे हायड्रोजन-1, याला न्यूट्रॉन अजिबात नाही आणि निसर्गात आढळणारा हायड्रोजन जवळजवळ पूर्णपणे याच रूपात आहे. ड्युटेरिअम, म्हणजे हायड्रोजन-2, ज्याचे चिन्ह D असे लिहितात, याला एक न्यूट्रॉन आहे, त्यामुळे त्याचा अणू सामान्य हायड्रोजन अणूच्या साधारण दुप्पट वस्तुमानाचा होतो; वस्तुमानाच्या याच दुपटीमुळे त्याला जड हायड्रोजन हे नाव मिळाले. ट्रिटीअम, म्हणजे हायड्रोजन-3, याला दोन न्यूट्रॉन असून तो किरणोत्सारी आहे — त्याचे अर्धायुष्य सुमारे बारा वर्षे — आणि तो निसर्गात केवळ अत्यल्प प्रमाणात आढळतो. या नावाला व्यवहारात महत्त्व आहे ते त्यापासून बनणाऱ्या संयुगामुळे : सामान्य हायड्रोजनऐवजी ड्युटेरिअम वापरून बनलेल्या पाण्याला जड पाणी म्हणतात, त्याचे सूत्र D2O असे लिहितात, आणि भारताच्या अणुऊर्जा कार्यक्रमाचा पहिला टप्पा असलेल्या दाबित जड पाणी अणुभट्ट्यांत तेच मंदक व शीतक म्हणून वापरले जाते. मंदक वेगवान न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करतो, जेणेकरून ते नैसर्गिक युरेनियममध्ये विखंडन टिकवून धरू शकतील; आणि जड पाणी हे काम अत्यंत कमी न्यूट्रॉन शोषून करते, म्हणूनच ते वापरणारी अणुभट्टी समृद्ध न केलेल्या युरेनियमवर चालू शकते. ड्युटेरिअमचा शोध हॅरल्ड युरी यांनी 1930 च्या दशकाच्या सुरुवातीला लावला आणि त्या कामासाठी त्यांना रसायनशास्त्राचे नोबेल पारितोषिक मिळाले. नैसर्गिक हायड्रोजनमध्ये ड्युटेरिअमचा वाटा अत्यंत लहान, टक्क्याच्या शंभराव्या भागाच्या आसपास असतो, म्हणून जड पाणी खाणीतून काढता येत नाही — ते सामान्य पाण्यापासून औद्योगिक प्रकल्पांत संहत करावे लागते.
- (1)फक्त (c) — ट्रिटीअम हा तिन्ही समस्थानिकांपैकी सर्वात जड आहे — त्याला दोन न्यूट्रॉन आहेत — पण जड हायड्रोजन हे नाव त्याचे नाही. त्याचे वेगळेपण दुसऱ्याच गोष्टीत आहे : हायड्रोजनचा तो एकमेव अस्थिर, म्हणजे किरणोत्सारी समस्थानिक असून त्याचे अर्धायुष्य सुमारे बारा वर्षे आहे, आणि निसर्गात तो केवळ वरच्या वातावरणात वैश्विक किरणांमुळे तयार होणाऱ्या अत्यल्प प्रमाणातच आढळतो. सर्वात जड समस्थानिकालाच जड हायड्रोजन म्हणत असणार असा तर्क करणारा उमेदवार नेमका हाच पर्याय निवडतो; पण दीर्घ काळापासून रूढ असलेल्या वापरानुसार हे नाव ड्युटेरिअमचे आहे — ज्याचे संयुग असलेले जड पाणी अणुतंत्रज्ञानाचा नित्याचा घटक आहे.
- (3)फक्त (d) — 'वरीलपैकी काहीही नाही' हा पर्याय निवडणे म्हणजे छापलेल्या समस्थानिकांपैकी एकही या प्रश्नाचे उत्तर नाही असे ठामपणे म्हणणे, आणि ड्युटेरिअम ओळखल्यानंतर तो दावा टिकूच शकत नाही. सुटकेचा पर्याय तेव्हाच घेण्यासारखा असतो जेव्हा प्रत्येक आशयपूर्ण पर्याय सकारात्मकपणे बाद केलेला असतो; इथे तिघांपैकी दुसरा पर्याय केवळ बचाव करण्याजोगाच नाही, तर रसायनशास्त्रात आणि अणुउद्योगात सारखेच रूढ असलेले प्रमाणित नावच आहे. जड हायड्रोजन हे नाव कोणत्या समस्थानिकाचे आहे हे न आठवणारा आणि वस्तुमानांकांवरून तर्क करण्याऐवजी निवडच टाळू पाहणारा उमेदवार या पर्यायात अडकतो — तर वस्तुमानांक हा प्रश्न थेट सोडवून टाकतात.
- (4)फक्त (a) आणि (c) — पर्याय (4) प्रोटीयम व ट्रिटीअम यांची नावे घेतो आणि ड्युटेरिअमला पूर्णपणे वगळतो, म्हणून तो दोन्ही टोकांना चुकतो. प्रोटीयम हा न्यूट्रॉन नसलेला सर्वात हलका, सामान्य समस्थानिक असल्याने त्याला 'जड' असे काहीही म्हणता येणार नाही, तर ट्रिटीअम हा किरणोत्सारी समस्थानिक असून त्याचे वेगळेपण एखाद्या खास नावात नसून त्याच्या अस्थिरतेत आहे. शिवाय प्रश्नाची मांडणी एकाच समस्थानिकाची अपेक्षा करत असताना हा पर्याय दोन समस्थानिकांची नावे घेतो — कोणत्या समस्थानिकाला जड हायड्रोजन म्हणतात असे विचारणारा प्रश्न जोडी शोधत नसतो.
समस्थानिक म्हणजे एकाच मूलद्रव्याचे असे अणू ज्यांच्यात प्रोटॉनांची संख्या समान पण न्यूट्रॉनांची संख्या वेगळी असते; त्यामुळे ते आवर्तसारणीत एकाच जागी बसतात आणि रसायनशास्त्रात जवळजवळ सारखेच वागतात, पण वस्तुमान व केंद्रकीय स्थैर्य यांत भिन्न असतात. हायड्रोजन हे याचे पाठ्यपुस्तकी उदाहरण आहे, कारण त्याच्या तीन समस्थानिकांचे सापेक्ष वस्तुमान एवढे वेगळे आहे — एक, दोन आणि तीन एकक — की त्यांना स्वतंत्र नावे दिली गेली आहेत; इतर कोणत्याही मूलद्रव्याच्या बाबतीत असे घडलेले नाही. प्रोटीयममध्ये एकटा प्रोटॉन असतो आणि निसर्गातील जवळजवळ सर्व हायड्रोजन त्याच रूपात आहे. ड्युटेरिअममध्ये एक न्यूट्रॉन जोडला जातो आणि तो स्थिर आहे; त्याचे ऑक्साइड, म्हणजे जड पाणी, सामान्य पाण्यापेक्षा घन असते, किंचित जास्त तापमानाला गोठते व उकळते, आणि ते सामान्य पाण्यापासून औद्योगिक रीतीने वेगळे काढले जाते. ट्रिटीअममध्ये दुसरा न्यूट्रॉन जोडला जातो, तो किरणोत्सारी असून त्याचे अर्धायुष्य सुमारे बारा वर्षे आहे, आणि तो वैश्विक किरणांमुळे नैसर्गिकरीत्या व अणुभट्ट्यांत कृत्रिमरीत्या अशा दोन्ही प्रकारे तयार होतो. या समस्थानिकांचे अणुविषयक महत्त्व दोन दिशांनी जाते. विखंडन अणुभट्ट्यांत जड पाणी मंदक म्हणून काम करते — ते न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करते पण त्यांतले फारच थोडे शोषते — आणि त्यामुळे इंधन म्हणून नैसर्गिक युरेनियम वापरता येते; भारताच्या दाबित जड पाणी अणुभट्ट्यांचा ताफा याच तत्त्वावर उभा आहे. संमीलनात भविष्यातील ऊर्जानिर्मितीसाठी सर्वाधिक अभ्यासली गेलेली अभिक्रिया ड्युटेरिअम व ट्रिटीअम यांच्यातली आहे, म्हणूनच औष्णिक-आण्विक ऊर्जेच्या चर्चेत हे दोन्ही समस्थानिक येतात.
एमपीएससी हायड्रोजनच्या समस्थानिकांविषयी दोन प्रकारे विचारते, आणि दोन्हींची तयारी असावी. पहिला प्रकार सरळ रसायनशास्त्राचा — प्रत्येकात किती न्यूट्रॉन, कोणता किरणोत्सारी, कोणत्याला जड हायड्रोजन म्हणतात — आणि त्याचे उत्तर केवळ वस्तुमानांकांवरूनच मिळते. दुसरा प्रकार अणुधोरणाचा, ज्यात जड पाणी दाबित जड पाणी अणुभट्टीचे मंदक म्हणून येते — भारताच्या त्रिस्तरीय अणुऊर्जा कार्यक्रमाचा हा कणा — आणि ड्युटेरिअम व ट्रिटीअम संमीलन संशोधनाचे इंधन म्हणून येतात. पहिल्या प्रकारचे प्रश्न वस्तुमानांक माहीत असतील तर परीक्षेच्या बाकावर बसूनही तर्काने सोडवता येतात, म्हणून तीन नावांपलीकडे वेगळे काही पाठ करण्याची गरज नाही. इथे वापरलेले विधान-यादीचे वेष्टन या प्रश्नपत्रिकेचे नेहमीचेच आहे आणि त्याने काठिण्य वाढत नाही; पण एक गोष्ट नोंदवण्यासारखी — या प्रश्नात 'वरीलपैकी काहीही नाही' असे सुटकेचे विधान छापलेले आहे, आणि संपूर्ण प्रश्नपत्रिकेत असे सुटकेचे पर्याय मोजक्याच ठिकाणी दिलेले आहेत.
- हायड्रोजनला तीन समस्थानिक आहेत : न्यूट्रॉन नसलेला प्रोटीयम, एक न्यूट्रॉन असलेला ड्युटेरिअम आणि दोन न्यूट्रॉन असलेला ट्रिटीअम; तिघांच्याही केंद्रकात एकच प्रोटॉन असतो.
- ड्युटेरिअमला जड हायड्रोजन म्हणतात, कारण त्याचा अणू सामान्य हायड्रोजन अणूच्या साधारण दुप्पट वस्तुमानाचा असतो; त्याचे चिन्ह D असून तो स्थिर आहे.
- जड पाणी, म्हणजे D2O, हे दाबित जड पाणी अणुभट्ट्यांचे मंदक व शीतक आहे, आणि म्हणूनच अशा अणुभट्ट्या नैसर्गिक, समृद्ध न केलेल्या युरेनियमवर चालू शकतात.
- ट्रिटीअम हा हायड्रोजनचा एकमेव किरणोत्सारी समस्थानिक असून त्याचे अर्धायुष्य सुमारे बारा वर्षे आहे आणि तो निसर्गात केवळ अत्यल्प प्रमाणात आढळतो.
- ड्युटेरिअमचा शोध हॅरल्ड युरी यांनी 1930 च्या दशकाच्या सुरुवातीला लावला आणि त्या कामाला रसायनशास्त्राचे नोबेल पारितोषिक मिळाले.
या नावाला महत्त्व आहे ते त्यापासून बनणाऱ्या संयुगामुळे. जड पाणी, म्हणजे D₂O, हे भारताच्या अणुऊर्जा कार्यक्रमाचा पहिला टप्पा असलेल्या दाबित जड पाणी अणुभट्ट्यांचे मंदक व शीतक आहे : ते वेगवान न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करते आणि त्याचवेळी अत्यंत कमी न्यूट्रॉन शोषते, म्हणूनच अशी अणुभट्टी नैसर्गिक, समृद्ध न केलेल्या युरेनियमवर चालू शकते. नैसर्गिक हायड्रोजनमध्ये ड्युटेरिअमचा वाटा टक्क्याच्या शंभराव्या भागाच्या आसपासच असतो, म्हणून जड पाणी सापडत नाही — ते औद्योगिक प्रकल्पांत संहत करावे लागते. हॅरल्ड युरी यांनी 1930 च्या दशकाच्या सुरुवातीला त्याचा शोध लावला.
- सर्वात जड समस्थानिकालाच जड हायड्रोजन म्हणत असणार असे गृहीत धरणे; हे नाव ड्युटेरिअमचे आहे, ट्रिटीअमचे नव्हे
- हायड्रोजनचा किरणोत्सारी समस्थानिक ड्युटेरिअम नसून ट्रिटीअम आहे हे विसरणे
- प्रत्येक नामनिर्देशित पर्याय आधी बाद केल्याशिवाय 'वरीलपैकी काहीही नाही' असा सुटकेचा पर्याय स्वीकारणे
- मंदक म्हणून वापरले जाणारे जड पाणी आणि इंधन यांची गल्लत करणे; मंदक न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करतो, त्याचे विखंडन होत नाही
एमपीएससीच्या प्रश्नपत्रिकांत हायड्रोजनचे समस्थानिक एका ओळीच्या स्मरणप्रश्नाच्या रूपात येतात — कोणता समस्थानिक किरणोत्सारी, कोणत्याला जड हायड्रोजन म्हणतात, प्रत्येकात किती न्यूट्रॉन — आणि अणुभट्ट्या व मंदकांवरील प्रश्नांचा पूल म्हणूनही येतात. या तिन्ही नावांतला फरक फक्त न्यूट्रॉनांच्या संख्येचा असल्याने, वस्तुमानांक पक्के केलेला उमेदवार आणखी काहीही पाठ न करता कोणतेही रूप सोडवू शकतो. सोबतीचे प्रश्न भारत कोणत्या प्रकारच्या अणुभट्ट्या वापरतो, मंदक नेमके काय करतो आणि संमीलनाचे इंधन म्हणून कोणते दोन समस्थानिक सुचवले जातात यांवर येतात, म्हणून या विषयाची रसायनशास्त्रीय बाजू व ऊर्जाधोरणाची बाजू एकत्रच उजळणी करावी.
या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.
- सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही
हायड्रोजनचा कोणता समस्थानिक किरणोत्सारी आहे ?
- (a)प्रोटीयम
- (b)ड्युटेरिअम
- (c)ट्रिटीअम
- (d)तिन्ही किरणोत्सारी आहेत
उत्तर(c) ट्रिटीअम — एक प्रोटॉन आणि दोन न्यूट्रॉन असलेला हा हायड्रोजनचा एकमेव अस्थिर समस्थानिक असून त्याचे अर्धायुष्य सुमारे बारा वर्षे आहे. प्रोटीयम व ड्युटेरिअम हे दोन्ही स्थिर आहेत, आणि त्यांतल्या ड्युटेरिअमलाच जड हायड्रोजन म्हणून ओळखले जाते.
- सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही
दाबित जड पाणी अणुभट्टीत जड पाणी मुख्यतः कशासाठी वापरतात ?
- (a)अणुइंधन म्हणून काम करण्यासाठी
- (b)वेगवान न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करून विखंडन टिकवून धरण्यासाठी
- (c)न्यूट्रॉन शोषून साखळी अभिक्रिया थांबवण्यासाठी
- (d)अणुभट्टीला गॅमा किरणांपासून कवच पुरवण्यासाठी
उत्तर(b) वेगवान न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करून विखंडन टिकवून धरण्यासाठी — जड पाणी उत्कृष्ट मंदक आहे, कारण ते न्यूट्रॉनांचा वेग कमी करते पण त्यांतले फारच थोडे शोषते; त्यामुळेच इंधन म्हणून नैसर्गिक युरेनियम वापरता येते. न्यूट्रॉन शोषून अभिक्रिया थांबवण्याचे काम नियंत्रक कांड्यांचे आहे, मंदकाचे नव्हे.