परमाणु और अणु
प्राचीन भारतीय और यूनानी दार्शनिक सदैव पदार्थ के अज्ञात और अदृश्य रूप के बारे में सोचते रहे हैं। पदार्थ की विभाज्यता का विचार भारत में बहुत पहले, लगभग $500 BC$ में माना गया था। एक भारतीय दार्शनिक महर्षि कणाद ने यह सिद्धांत दिया कि यदि हम पदार्थ (पदार्थ) को विभाजित करते जाएँ, तो हमें छोटे और छोटे कण प्राप्त होंगे। अंततः, एक ऐसी अवस्था आएगी जब हम सबसे छोटे कणों के पास पहुँच जाएँगे जिनके आगे और विभाजन संभव नहीं होगा। उन्होंने इन कणों को परमाणु नाम दिया। एक अन्य भारतीय दार्शनिक, पकुद्हा कात्यायन ने इस सिद्धांत को विस्तार से बताया और कहा कि ये कण सामान्यतः संयुक्त रूप में विद्यमान रहते हैं जो हमें पदार्थ के विभिन्न रूप देते हैं।
लगभग उसी युग में, प्राचीन यूनानी दार्शनिकों - डेमोक्रिटस और ल्यूसिपस ने सुझाव दिया कि यदि हम पदार्थ को विभाजित करते जाएँ, तो एक ऐसी अवस्था आएगी जब प्राप्त कणों को और विभाजित नहीं किया जा सकेगा। डेमोक्रिटस ने इन अविभाज्य कणों को परमाणु (अर्थात अविभाज्य) कहा। यह सब दार्शनिक विचारों पर आधारित था और अठारहवीं शताब्दी तक इन विचारों को सत्यापित करने के लिए अधिक प्रायोगिक कार्य नहीं किया जा सका।
अठारहवीं शताब्दी के अंत तक, वैज्ञानिकों ने तत्वों और यौगिकों के बीच अंतर को पहचान लिया और स्वाभाविक रूप से यह जानने में रुचि ली कि तत्व कैसे और क्यों संयोग करते हैं और जब वे संयोग करते हैं तो क्या होता है।
एंटोनी एल. लावॉज़ियर ने रासायनिक संयोग के दो महत्वपूर्ण नियम स्थापित करके रासायनिक विज्ञान की नींव रखी।
3.1 रासायनिक संयोग के नियम
लावॉज़ियर और जोसेफ एल. प्राउस्ट द्वारा बहुत प्रयोगों के बाद निम्नलिखित दो संयोग स्थापित किए गए।
3.1.1 द्रव्यमान संरक्षण का नियम
क्या कोई रासायनिक परिवर्तन (रासायनिक अभिक्रिया) होने पर द्रव्यमान में परिवर्तन होता है?
क्रियाकलाप 3.1
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निम्नलिखित में से एक समुच्चय, $X$ और $Y$ रसायन लें-
$\text{X}$ $\text{Y}$ (i) कॉपर सल्फेट सोडियम कार्बोनेट (ii) बेरियम क्लोराइड सोडियम सल्फेट (iii) लेड नाइट्रेट सोडियम क्लोराइड -
पानी में $X$ और $Y$ के अंतर्गत सूचीबद्ध पदार्थों की किसी एक जोड़ी का 5% विलयन अलग-अलग तैयार करें।
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एक शंक्वाकार फ्लास्क में $Y$ का थोड़ा सा विलयन लें और एक इग्निशन ट्यूब में $X$ का कुछ विलयन लें।
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इग्निशन ट्यूब को फ्लास्क में सावधानी से लटकाएँ; सुनिश्चित करें कि विलयन मिश्रित न हों। फ्लास्क पर एक कॉर्क लगाएँ (चित्र 3.1 देखें)।
चित्र 3.1: $X$ के विलयन वाली इग्निशन ट्यूब, $Y$ के विलयन वाले शंक्वाकार फ्लास्क में डूबी हुई
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फ्लास्क और उसकी सामग्री को सावधानीपूर्वक तौलें।
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अब फ्लास्क को झुकाएँ और घुमाएँ, ताकि विलयन $X$ और $Y$ मिश्रित हो जाएँ।
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फिर से तौलें।
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अभिक्रिया फ्लास्क में क्या होता है?
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क्या आपको लगता है कि कोई रासायनिक अभिक्रिया हुई है?
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हमें फ्लास्क के मुंह पर कॉर्क क्यों लगाना चाहिए?
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क्या फ्लास्क और उसकी सामग्री का द्रव्यमान बदलता है?
द्रव्यमान संरक्षण का नियम कहता है कि रासायनिक अभिक्रिया में द्रव्यमान न तो उत्पन्न किया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है।
3.1.2 निश्चित अनुपात का नियम
लावॉज़ियर ने, अन्य वैज्ञानिकों के साथ, यह नोट किया कि अनेक यौगिक दो या अधिक तत्वों से मिलकर बने होते हैं और प्रत्येक ऐसे यौगिक में समान तत्व समान अनुपात में होते हैं, चाहे यौगिक कहीं से भी आया हो या किसने भी तैयार किया हो।
पानी जैसे यौगिक में, हाइड्रोजन के द्रव्यमान का ऑक्सीजन के द्रव्यमान से अनुपात सदैव $1: 8$ होता है, चाहे पानी का स्रोत कोई भी हो। इस प्रकार, यदि $9 g$ पानी का अपघटन किया जाता है, तो सदैव $1 g$ हाइड्रोजन और $8 g$ ऑक्सीजन प्राप्त होते हैं। इसी प्रकार अमोनिया में, नाइट्रोजन और हाइड्रोजन सदैव द्रव्यमान से $14: 3$ के अनुपात में उपस्थित रहते हैं, चाहे इसे प्राप्त करने की विधि या स्रोत कोई भी हो।
इससे निश्चित अनुपात के नियम की ओर मार्गदर्शन मिला जिसे निश्चित संघटन का नियम भी कहा जाता है। इस नियम को प्राउस्ट ने इस प्रकार कहा: “एक रासायनिक पदार्थ में तत्व सदैव द्रव्यमान से निश्चित अनुपात में उपस्थित रहते हैं”।
वैज्ञानिकों के सामने अगली समस्या इन नियमों की उचित व्याख्या देना थी। ब्रिटिश रसायनज्ञ जॉन डाल्टन ने पदार्थ की प्रकृति के बारे में मूल सिद्धांत दिया। डाल्टन ने पदार्थ की विभाज्यता के विचार को उठाया, जो तब तक केवल एक दर्शन था। उन्होंने यूनानियों द्वारा दिए गए नाम ‘परमाणु’ को लिया और कहा कि पदार्थ के सबसे छोटे कण परमाणु हैं। उनका सिद्धांत रासायनिक संयोग के नियमों पर आधारित था। डाल्टन के परमाणु सिद्धांत ने द्रव्यमान संरक्षण के नियम और निश्चित अनुपात के नियम की व्याख्या प्रदान की।
जॉन डाल्टन का जन्म 1766 में इंग्लैंड में एक गरीब बुनकर परिवार में हुआ था। उन्होंने बारह वर्ष की आयु में एक शिक्षक के रूप में अपना करियर शुरू किया। सात वर्ष बाद वे एक स्कूल प्रधानाचार्य बन गए। 1793 में, डाल्टन गणित, भौतिकी और रसायन विज्ञान पढ़ाने के लिए मैनचेस्टर चले गए
जॉन डाल्टन एक कॉलेज में। उन्होंने अपना अधिकांश जीवन वहाँ शिक्षण और शोध में बिताया। 1808 में, उन्होंने अपना परमाणु सिद्धांत प्रस्तुत किया जो पदार्थ के अध्ययन में एक महत्वपूर्ण मोड़ था।
डाल्टन के परमाणु सिद्धांत के अनुसार, सभी पदार्थ, चाहे वह तत्व हो, यौगिक हो या मिश्रण, परमाणु नामक छोटे कणों से मिलकर बने होते हैं। इस सिद्धांत के अभिगृहीत निम्नलिखित रूप में कहे जा सकते हैं:
(i) सभी पदार्थ परमाणु नामक अत्यंत सूक्ष्म कणों से मिलकर बने होते हैं, जो रासायनिक अभिक्रियाओं में भाग लेते हैं।
(ii) परमाणु अविभाज्य कण होते हैं, जिन्हें रासायनिक अभिक्रिया में उत्पन्न या नष्ट नहीं किया जा सकता।
(iii) किसी दिए गए तत्व के परमाणु द्रव्यमान और रासायनिक गुणों में समान होते हैं।
(iv) विभिन्न तत्वों के परमाणुओं के द्रव्यमान और रासायनिक गुण भिन्न-भिन्न होते हैं।
(v) परमाणु छोटी पूर्ण संख्याओं के अनुपात में संयोग करके यौगिक बनाते हैं।
(vi) किसी दिए गए यौगिक में परमाणुओं की सापेक्ष संख्या और प्रकार स्थिर होते हैं।
आप अगले अध्याय में पढ़ेंगे कि सभी परमाणु और भी छोटे कणों से मिलकर बने होते हैं।
3.2 परमाणु क्या है?
क्या आपने कभी एक राजगीर को दीवारें बनाते हुए देखा है, इन दीवारों से एक कमरा और फिर कमरों का समूह एक इमारत बनाते हुए? विशाल इमारत का निर्माण खंड क्या है? चींटी के बिल के निर्माण खंड के बारे में क्या? यह रेत का एक छोटा कण है। इसी प्रकार, सभी पदार्थों के निर्माण खंड परमाणु हैं।
परमाणु कितने बड़े होते हैं?
परमाणु बहुत छोटे होते हैं, वे किसी भी चीज़ से छोटे होते हैं जिसकी हम कल्पना कर सकते हैं या तुलना कर सकते हैं। लाखों से अधिक परमाणु जब ढेर लगाए जाएँ तो एक परत बनाएँगे जो मुश्किल से इस कागज की शीट जितनी मोटी होगी।
परमाण्विक त्रिज्या नैनोमीटर में मापी जाती है।
$$ \begin{aligned} 1 / 10^{9} m & =1 nm \\ 1 m & =10^{9} nm \end{aligned} $$
सापेक्ष आकार
| त्रिज्या (मीटर में) | उदाहरण |
|---|---|
| $10^{-10}$ | हाइड्रोजन का परमाणु |
| $10^{-9}$ | जल का अणु |
| $10^{-8}$ | हीमोग्लोबिन का अणु |
| $10^{-4}$ | रेत का कण |
| $10^{-3}$ | चींटी |
| $10^{-1}$ | सेब |
हम सोच सकते हैं कि यदि परमाणु आकार में इतने नगण्य हैं, तो हमें उनकी चिंता क्यों करनी चाहिए? ऐसा इसलिए है क्योंकि हमारा संपूर्ण विश्व परमाणुओं से बना है। हम उन्हें देख नहीं सकते, लेकिन वे वहाँ हैं, और लगातार हम जो कुछ भी करते हैं उसे प्रभावित कर रहे हैं। आधुनिक तकनीकों के माध्यम से, हम अब तत्वों की सतहों के आवर्धित चित्र उत्पन्न कर सकते हैं जो परमाणुओं को दर्शाते हैं।
चित्र 3.2: सिलिकॉन की सतह का एक चित्र
3.2.1 विभिन्न तत्वों के परमाणुओं के आधुनिक प्रतीक क्या हैं?
डाल्टन तत्वों के लिए प्रतीकों का उपयोग बहुत विशिष्ट अर्थ में करने वाले पहले वैज्ञानिक थे। जब उन्होंने किसी तत्व के लिए एक प्रतीक का उपयोग किया तो उनका अर्थ उस तत्व की एक निश्चित मात्रा से भी था, अर्थात उस तत्व का एक परमाणु। बर्ज़ीलियस ने सुझाव दिया कि तत्वों के प्रतीक तत्व के नाम के एक या दो अक्षरों से बनाए जाएँ।
चित्र 3.3: डाल्टन द्वारा प्रस्तावित कुछ तत्वों के प्रतीक
प्रारंभ में, तत्वों के नाम उस स्थान के नाम से लिए गए थे जहाँ वे पहली बार पाए गए थे। उदाहरण के लिए, तांबे का नाम साइप्रस से लिया गया था। कुछ नाम विशिष्ट रंगों से लिए गए थे। उदाहरण के लिए, सोना अंग्रेजी शब्द से लिया गया था जिसका अर्थ पीला होता है। आजकल, आईयूपीएसी (अंतर्राष्ट्रीय शुद्ध एवं अनुप्रयुक्त रसायन संघ) एक अंतर्राष्ट्रीय वैज्ञानिक संगठन है जो तत्वों के नामों, प्रतीकों और इकाइयों को मंजूरी देता है। अनेक प्रतीक अंग्रेजी में तत्व के नाम के पहले एक या दो अक्षर होते हैं। प्रतीक का पहला अक्षर सदैव बड़े अक्षर (अपरकेस) में लिखा जाता है और दूसरा अक्षर छोटे अक्षर (लोअरकेस) में लिखा जाता है।
उदाहरण के लिए
(i) हाइड्रोजन, $H$
(ii) एल्युमीनियम, $Al$ और न कि $AL$
(iii) कोबाल्ट, Co और न कि CO.
कुछ तत्वों के प्रतीक नाम के पहले अक्षर और नाम में बाद में आने वाले एक अक्षर से बनते हैं। उदाहरण हैं: (i) क्लोरीन, $Cl$, (ii) जिंक, $Zn$ आदि।
अन्य प्रतीक लैटिन, जर्मन या ग्रीक में तत्वों के नामों से लिए गए हैं। उदाहरण के लिए, आयरन का प्रतीक $Fe$ है जो इसके लैटिन नाम फेरम से लिया गया है, सोडियम $Na$ नैट्रियम से है, पोटैशियम $K$ कैलियम से है। इसलिए, प्रत्येक तत्व का एक नाम और एक अद्वितीय रासायनिक प्रतीक होता है। (उपरोक्त तालिका आपके संदर्भ के लिए दी गई है ताकि जब भी आप तत्वों के बारे में पढ़ें तो इसे देख सकें। एक बार में सभी को याद करने की चिंता न करें। समय बीतने और बार-बार उपयोग से आप स्वतः ही प्रतीकों को पुनः प्रस्तुत करने में सक्षम हो जाएँगे।)
3.2.2 परमाणु द्रव्यमान
डाल्टन के परमाणु सिद्धांत द्वारा प्रस्तावित सबसे उल्लेखनीय अवधारणा परमाणु द्रव्यमान की थी। उनके अनुसार, प्रत्येक तत्व का एक विशिष्ट परमाणु द्रव्यमान होता था। सिद्धांत निश्चित अनुपात के नियम की इतनी अच्छी तरह व्याख्या कर सकता था कि वैज्ञानिक एक परमाणु के परमाणु द्रव्यमान को मापने के लिए प्रेरित हुए। चूँकि एक व्यक्तिगत परमाणु के द्रव्यमान का निर्धारण अपेक्षाकृत कठिन कार्य था, इसलिए रासायनिक संयोगों और बने यौगिकों के नियमों का उपयोग करके सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान निर्धारित किए गए।
आइए एक यौगिक, कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) का उदाहरण लेते हैं जो कार्बन और ऑक्सीजन से बनता है। प्रयोगात्मक रूप से यह देखा गया कि 3 $g$ कार्बन, $4 g$ ऑक्सीजन के साथ संयोग करके $CO$ बनाता है। दूसरे शब्दों में, कार्बन ऑक्सीजन के अपने द्रव्यमान के $4 / 3$ गुना द्रव्यमान के साथ संयोग करता है। मान लीजिए हम परमाणु द्रव्यमान इकाई (पहले संक्षिप्त रूप में ‘amu’, लेकिन नवीनतम आईयूपीएसी सिफारिशों के अनुसार, अब इसे ‘$u$’ - एकीकृत द्रव्यमान लिखा जाता है) को एक कार्बन परमाणु के द्रव्यमान के बराबर परिभाषित करते हैं, तो हम
तालिका 3.1: कुछ तत्वों के प्रतीक
| तत्व | प्रतीक | तत्व | प्रतीक | तत्व | प्रतीक |
|---|---|---|---|---|---|
| एल्युमीनियम | $Al$ | कॉपर | $Cu$ | नाइट्रोजन | $N$ |
| आर्गन | $Ar$ | फ्लोरीन | $F$ | ऑक्सीजन | $O$ |
| बेरियम | $Ba$ | गोल्ड | $Au$ | पोटैशियम | $K$ |
| बोरॉन | $B$ | हाइड्रोजन | $H$ | सिलिकॉन | $Si$ |
| ब्रोमीन | $Br$ | आयोडीन | $I$ | सिल्वर | $Ag$ |
| कैल्शियम | $Ca$ | आयरन | $Fe$ | सोडियम | $Na$ |
| कार्बन | $C$ | लेड | $Pb$ | सल्फर | $S$ |
| क्लोरीन | $Cl$ | मैग्नीशियम | $Mg$ | यूरेनियम | $U$ |
| कोबाल्ट | $Co$ | नियॉन | $Ne$ | जिंक | $Zn$ |
कार्बन को $1.0 u$ और ऑक्सीजन को $1.33 u$ का परमाणु द्रव्यमान निर्दिष्ट करेंगे। हालाँकि, इन संख्याओं को पूर्ण संख्याओं या पूर्ण संख्या के जितना संभव हो उतना निकट रखना अधिक सुविधाजनक है। विभिन्न परमाणु द्रव्यमान इकाइयों की खोज करते समय, वैज्ञानिकों ने प्रारंभ में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले ऑक्सीजन के एक परमाणु के द्रव्यमान के 1/16 भाग को इकाई के रूप में लिया। इसे दो कारणों से प्रासंगिक माना गया:
-
ऑक्सीजन बड़ी संख्या में तत्वों के साथ अभिक्रिया करता था और यौगिक बनाता था।
-
इस परमाणु द्रव्यमान इकाई ने अधिकांश तत्वों के द्रव्यमान को पूर्ण संख्याओं के रूप में दिया।
हालाँकि, 1961 में एक सार्वभौमिक रूप से स्वीकृत परमाणु द्रव्यमान इकाई के लिए, कार्बन-12 समस्थानिक को परमाणु द्रव्यमान मापने के लिए मानक संदर्भ के रूप में चुना गया। एक परमाणु द्रव्यमान इकाई एक द्रव्यमान इकाई है जो कार्बन-12 के एक परमाणु के द्रव्यमान के ठीक एक-बारहवें $(1 / 12^{th})$ के बराबर होती है। सभी तत्वों के सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान कार्बन-12 के एक परमाणु के सापेक्ष ज्ञात किए गए हैं।
कल्पना कीजिए एक फल विक्रेता बिना किसी मानक भार के फल बेच रहा है। वह एक तरबूज लेता है और कहता है, “इसका द्रव्यमान 12 इकाइयों के बराबर है” (12 तरबूज इकाइयाँ या 12 फल द्रव्यमान इकाइयाँ)। वह तरबूज के बारह बराबर टुकड़े करता है और प्रत्येक फल का द्रव्यमान, तरबूज के एक टुकड़े के द्रव्यमान के सापेक्ष ज्ञात करता है जो वह बेच रहा है। अब वह अपने फलों को सापेक्ष फल द्रव्यमान इकाई (fmu) में बेचता है, जैसा कि चित्र 3.4 में है।
चित्र 3.4 : (a) तरबूज, (b) 12 टुकड़े, (c) $1 / 12$ तरबूज का, (d) फल विक्रेता तरबूज के टुकड़ों का उपयोग करके फलों को कैसे तौल सकता है
इसी प्रकार, किसी तत्व के परमाणु का सापेक्ष परमाणु द्रव्यमान परमाणु के औसत द्रव्यमान के रूप में परिभाषित किया जाता है, जिसकी तुलना $1 / 12^{\text{th }}$ एक कार्बन-12 परमाणु के द्रव्यमान से की जाती है।
तालिका 3.2: कुछ तत्वों के परमाणु द्रव्यमान
| तत्व | परमाणु द्रव्यमान (u) |
|---|---|
| हाइड्रोजन | 1 |
| कार्बन | 12 |
| नाइट्रोजन | 14 |
| ऑक्सीजन | 16 |
| सोडियम | 23 |
| मैग्नीशियम | 24 |
| सल्फर | 32 |
| क्लोरीन | 35.5 |
| कैल्शियम | 40 |
3.2.3 परमाणु किस प्रकार विद्यमान रहते हैं?
अधिकांश तत्वों के परमाणु स्वतंत्र रूप से विद्यमान नहीं रह सकते। परमाणु अणु और आयन बनाते हैं। ये अणु या आयन बड़ी संख्या में एकत्रित होकर वह पदार्थ बनाते हैं जिसे हम देख सकते हैं, महसूस कर सकते हैं या छू सकते हैं।
3.3 अणु क्या है?
एक अणु सामान्यतः दो या अधिक परमाणुओं का समूह होता है जो रासायनिक रूप से आपस में बंधे होते हैं, अर्थात आकर्षक बलों द्वारा कसकर जुड़े होते हैं। एक अणु को किसी तत्व या यौगिक के सबसे छोटे कण के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो स्वतंत्र अस्तित्व के लिए सक्षम होता है और उस पदार्थ के सभी गुण दर्शाता है। समान तत्व या विभिन्न तत्वों के परमाणु आपस में जुड़कर अणु बना सकते हैं।
3.3.1 तत्वों के अणु
किसी तत्व के अणु समान प्रकार के परमाणुओं से बने होते हैं। अनेक तत्वों, जैसे आर्गन (Ar), हीलियम (He) आदि के अणु केवल उस तत्व के एक परमाणु से बने होते हैं। लेकिन अधिकांश अधातुओं के साथ ऐसा नहीं है। उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन का एक अणु ऑक्सीजन के दो परमाणुओं से मिलकर बना होता है और इसलिए इसे द्विपरमाणुक अणु, $O_2$ के रूप में जाना जाता है। यदि ऑक्सीजन के 3 परमाणु सामान्य 2 के बजाय एक अणु में मिल जाते हैं, तो हमें ओज़ोन, $O_3$ प्राप्त होता है। एक अणु का निर्माण करने वाले परमाणुओं की संख्या को उसकी परमाणुकता के रूप में जाना जाता है।
धातुएँ और कुछ अन्य तत्व, जैसे कार्बन, का सरल संरचना नहीं होती बल्कि बहुत बड़ी और अनिश्चित संख्या में परमाणु आपस में बंधे होते हैं।
आइए कुछ अधातुओं की परमाणुकता देखें।
तालिका 3.3 : कुछ की परमाणुकता
| तत्व का प्रकार | नाम | परमाणुकता |
|---|---|---|
| अधातु | आर्गन | एकपरमाणुक |
| हीलियम | एकपरमाणुक | |
| ऑक्सीजन | द्विपरमाणुक | |
| हाइड्रोजन | द्विपरमाणुक | |
| नाइट्रोजन | द्विपरमाणुक | |
| क्लोरीन | द्विपरमाणुक | |
| फॉस्फोरस | चतुष्परमाणुक | |
| सल्फर | बहुपरमाणुक |
3.3.2 यौगिकों के अणु
विभिन्न तत्वों के परमाणु निश्चित अनुपात में आपस में जुड़कर यौगिकों के अणु बनाते हैं। कुछ उदाहरण तालिका 3.4 में दिए गए हैं।
तालिका 3.4 : कुछ यौगिकों के अणु
| यौगिक | संयोग करने वाले तत्व | द्रव्यमान से अनुपात |
|---|---|---|
| जल $(H_2 O)$ | हाइड्रोजन, ऑक्सीजन | $1: 8$ |
| अमोनिया $(NH_3)$ | नाइट्रोजन, हाइड्रोजन | $14: 3$ |
| कार्बन डाइऑक्साइड $(CO_2)$ | कार्बन, ऑक्सीजन | $3: 8$ |
क्रियाकलाप 3.2
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अणुओं में उपस्थित परमाणुओं के द्रव्यमान से अनुपात के लिए तालिका 3.4 और तत्वों के परमाणु द्रव्यमान के लिए तालिका 3.2 देखें। तालिका 3.4 में दिए गए यौगिकों के अणुओं में तत्वों के परमाणुओं की संख्या से अनुपात ज्ञात करें।
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जल के अणु के लिए परमाणुओं की संख्या से अनुपात निम्न प्र
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