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लैंथनाइड संकुचन

1925
  • Victor Goldschmidt
Laboratory experiment on lanthanide elements in inorganic chemistry.

(यह छवि केवल उदाहरण के लिए बनाई गई है)

लैंथेनाइड संकुचन, परमाणु क्रमांक में वृद्धि के साथ लैंथेनाइड तत्वों (लैंथेनम से ल्यूटेटियम तक) की परमाणु और आयनिक त्रिज्याओं में होने वाली निरंतर कमी है। यह प्रभाव 4f इलेक्ट्रॉनों द्वारा नाभिकीय आवेश के कमजोर परिरक्षण के कारण होता है। इसके परिणामस्वरूप, लैंथेनाइड तत्वों के बाद आने वाले छठे आवर्त के तत्व अपने पाँचवें आवर्त के समकक्षों के समान, अप्रत्याशित रूप से छोटे होते हैं।

लैंथेनाइड संकुचन अकार्बनिक रसायन विज्ञान की एक मूलभूत अवधारणा है जो f-ब्लॉक तत्वों से संबंधित आवर्त सारणी के रुझानों की व्याख्या करती है। लैंथेनाइड श्रृंखला में सीरियम से ल्यूटेटियम तक आगे बढ़ने पर, प्रत्येक चरण में नाभिक में एक प्रोटॉन जुड़ता है और 4f उपकोश में एक इलेक्ट्रॉन जुड़ता है। 4f कक्षक बड़े और विक्षेपित होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे नाभिक के बढ़ते धनात्मक आवेश से बाहरी संयोजी इलेक्ट्रॉनों (5d और 6s कक्षकों में) को परिरक्षित करने में बहुत कमजोर होते हैं। परिणामस्वरूप, इन बाहरी इलेक्ट्रॉनों द्वारा अनुभव किया जाने वाला प्रभावी नाभिकीय आवेश श्रृंखला में आगे बढ़ने पर काफी बढ़ जाता है। यह प्रबल आकर्षण संयोजी इलेक्ट्रॉनों को नाभिक के निकट खींचता है, जिससे परमाणु और आयनिक त्रिज्या दोनों में धीरे-धीरे कमी आती है।

आवर्त सारणी में लैंथेनाइड्स के बाद आने वाले तत्वों (छठे आवर्त के संक्रमण धातु, जैसे हैफनियम, टैंटलम और टंगस्टन) के रसायन विज्ञान पर इस संकुचन का गहरा प्रभाव पड़ता है। लैंथेनाइड श्रृंखला में कुल आकार में कमी, पाँचवें आवर्त से छठे आवर्त तक नीचे जाने पर अपेक्षित आकार वृद्धि को लगभग पूरी तरह से संतुलित कर देती है। परिणामस्वरूप, हैफनियम (159 pm) की परमाणु त्रिज्या, इसके ठीक ऊपर स्थित तत्व ज़िरकोनियम (160 pm) की परमाणु त्रिज्या के लगभग समान है। आकार और इलेक्ट्रॉनिक विन्यास में यह समानता उनके रासायनिक गुणों को उल्लेखनीय रूप से एक समान बनाती है, जिसके कारण वे प्रकृति में एक साथ पाए जाते हैं और रसायन विज्ञान में उनका पृथक्करण सबसे कठिन कार्यों में से एक है। नायोबियम/टैंटलम और मोलिब्डेनम/टंगस्टन जैसे युग्मों में भी यही प्रभाव देखा जाता है। इसके अलावा, बढ़ा हुआ प्रभावी नाभिकीय आवेश और छोटा आकार, लैंथेनाइड के बाद के तत्वों के उच्च घनत्व और उच्च आयनीकरण ऊर्जा में योगदान करते हैं।

UNESCO Nomenclature: 2206
अकार्बनिक रसायन विज्ञान

Type

केमिकल संपत्ति

व्यवधान

मूलभूत

उपयोग

व्यापक उपयोग

शगुन

  • परमाणु के बोहर मॉडल का विकास
  • लैंथेनाइड तत्वों की खोज
  • क्वांटम यांत्रिकी और परमाणु कक्षीय सिद्धांत का निरूपण
  • मोसले का परमाणु संख्या और एक्स-रे स्पेक्ट्रा से संबंधित नियम

आवेदन

  • लैंथेनाइड्स का एक दूसरे से रासायनिक पृथक्करण
  • यह ज़िरकोनियम और हैफ़नियम की अत्यधिक रासायनिक समानता को स्पष्ट करता है, जिससे उनका पृथक्करण कठिन हो जाता है।
  • यह सोने और प्लैटिनम जैसे पोस्ट-लैंथनाइड तत्वों के उच्च घनत्व में योगदान देता है।
  • influences the coordination chemistry and catalytic activity of lanthanide compounds

पेटेंट:

NA

संभावित नवाचार विचार

  • designing novel उत्प्रेरक by exploiting the subtle size differences in lanthanide ions
  • आकार-चयनात्मक कीलेशन एजेंटों पर आधारित उन्नत पृथक्करण तकनीकों का विकास करना
  • पोस्ट-लैंथनाइड तत्वों को मिलाकर अनुकूलित घनत्व वाले नए मिश्र धातुओं का निर्माण करना।
  • engineering phosphors where emission wavelength is fine-tuned by the lanthanide ion’s environment, influenced by its size
  • हैफनियम ऑक्साइड का उपयोग करके उच्च पारगम्यता वाले परावैद्युत पदार्थों का विकास करना, जिनके गुण संकुचन का परिणाम हैं।
  • creating size-specific drug delivery nanoparticles using lanthanide-doped materials
  • लैंथेनाइड आयन के आकार के आधार पर बढ़ी हुई शिथिलता क्षमता वाले एमआरआई के लिए नए कंट्रास्ट एजेंटों का डिजाइन तैयार करना।
  • ऐसी बैटरियों के लिए उन्नत ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोलाइट्स का विकास करना जहाँ आयन गतिशीलता को लैंथनाइड डोपिंग से प्रभावित जाली रिक्ति द्वारा नियंत्रित किया जाता है।
  • होस्ट लैटिस और लैंथेनाइड आयन के आकार के आधार पर अनुकूलित प्रकाश आउटपुट के साथ विकिरण का पता लगाने के लिए नए सिंटिलेटर बनाना।
  • synthesizing single-molecule magnets where the magnetic anisotropy is tuned by the lanthanide ion’s coordination environment, which is size-dependent
संबंधित विषय: लैंथेनाइड संकुचन, परमाणु त्रिज्या, एफ-ब्लॉक, परिरक्षण प्रभाव, लैंथेनाइड्स, आवर्त प्रवृत्तियाँ, भू-रसायन विज्ञान, ज़िरकोनियम, हैफ़नियम, विक्टर गोल्डश्मिट।

ऐतिहासिक संदर्भ

Laboratory scene with scientist analyzing spectrometer for quantum mechanics research.

लेंडे जी-फैक्टर

लैंडे जी-फैक्टर ([latex]g_J[/latex]) एक आयामहीन आनुपातिकता स्थिरांक है जो परमाणु के कुल चुंबकीय क्षण और उसके कुल कोणीय संवेग के बीच दुर्बल क्षेत्र सीमा में संबंध स्थापित करता है। यह विसंगत ज़ीमैन प्रभाव की मात्रात्मक व्याख्या के लिए महत्वपूर्ण है। इसका मान निम्न सूत्र द्वारा दिया जाता है: [latex]g_J = 1 + frac{J(J+1) + S(S+1) - L(L+1)}{2J(J+1)}[/latex], जहाँ L, S और J क्वांटम संख्याएँ हैं।
Laboratory experiment demonstrating wave-particle duality in quantum physics.

तरंग-कण द्वैत

सभी क्वांटम इकाइयाँ, जैसे फोटॉन और इलेक्ट्रॉन, कण और तरंग दोनों गुण प्रदर्शित करती हैं। प्रायोगिक सेटअप के आधार पर, वे एक स्थानीयकृत कण या एक वितरित तरंग की तरह व्यवहार कर सकती हैं। डी ब्रोगली परिकल्पना कहती है कि संवेग [latex]p[/latex] वाले किसी भी कण की संबद्ध तरंगदैर्घ्य [latex]lambda = h/p[/latex] होती है, जहाँ [latex]h[/latex] प्लैंक स्थिरांक है।
Laboratory pH measurement with a digital meter in analytical chemistry.

शारीरिक रूप से विकलांग

pH को औपचारिक रूप से हाइड्रोजन आयन सक्रियता, [latex]a_{H^+}[/latex] के ऋणात्मक दशमलव लघुगणक के रूप में परिभाषित किया जाता है। इसका सूत्र है [latex]pH = -log_{10}(a_{H^+})[/latex]। सक्रियता हाइड्रोजन आयनों की प्रभावी सांद्रता है, जो अंतर-आणविक बलों को ध्यान में रखती है, और यह आयामहीन होती है। तनु विलयनों के लिए, सक्रियता लगभग [latex]H^+[/latex] आयनों की मोलर सांद्रता के बराबर होती है, जिससे गणना सरल हो जाती है।

लैंथनाइड संकुचन

Research laboratory focused on quantum statistics applications in semiconductor physics and lasers.

क्वांटम सांख्यिकी

क्वांटम सांख्यिकी, समान कणों की अविभेदनीयता को ध्यान में रखते हुए, शास्त्रीय सांख्यिकीय यांत्रिकी में संशोधन करती है। यह दो प्रकारों में विभाजित होती है: फर्मिऑन (इलेक्ट्रॉन जैसे अर्ध-पूर्णांक स्पिन कण) के लिए फर्मी-डिराक सांख्यिकी, जो पाउली अपवर्जन सिद्धांत का पालन करते हैं, और बोसॉन (फोटॉन जैसे पूर्णांक स्पिन कण) के लिए बोस-आइंस्टीन सांख्यिकी, जो एक ही क्वांटम अवस्था में रह सकते हैं। यह अंतर कम तापमान और उच्च घनत्व पर महत्वपूर्ण है।
Scientist stirring thixotropic fluid demonstrating time-dependent viscosity changes in mechanics.

समय पर निर्भर श्यानता: थिक्सोट्रोपी और रियोपेक्सी

थिक्सोट्रोपी और रियोपेक्सी श्यानता में समय के साथ होने वाले परिवर्तनों का वर्णन करते हैं। एक थिक्सोट्रोपिक द्रव की श्यानता स्थिर अपरूपण बल के तहत समय के साथ घटती है (उदाहरण के लिए, दही को हिलाने पर वह अधिक पतला हो जाता है)। एक रियोपेक्टिक (या एंटी-थिक्सोट्रोपिक) द्रव की श्यानता स्थिर अपरूपण बल के तहत समय के साथ बढ़ती है (उदाहरण के लिए, कुछ स्नेहक)। ये प्रभाव प्रतिवर्ती होते हैं; द्रव कुछ समय के आराम के बाद अपनी मूल अवस्था में लौट आता है।
Scanning tunneling microscope in a laboratory setting demonstrating quantum tunneling principles.

क्वांटम टनलिंग

क्वांटम यांत्रिकी की एक घटना जिसमें एक तरंग ऊर्जा अवरोध को पार कर सकती है। शास्त्रीय रूप से, एक कण जिसमें अवरोध को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं होती, वह परावर्तित हो जाता है। हालांकि, कणों की तरंग जैसी प्रकृति के कारण, इस बात की थोड़ी-बहुत संभावना रहती है कि कण अवरोध के दूसरी ओर प्रकट हो जाए, यानी प्रभावी रूप से उसके आर-पार 'सुरंग' बना ले।
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Laboratory experiment demonstrating Keesom force with polar liquids and molecular models.

कीसोम बल

जल या हाइड्रोजन क्लोराइड जैसे स्थायी विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण वाले अणुओं के बीच एक स्थिरवैद्युत अंतःक्रिया होती है। यह बल इन द्विध्रुवों के एक दूसरे के समानांतर संरेखित होने की प्रवृत्ति से उत्पन्न होता है, जिसके परिणामस्वरूप एक शुद्ध आकर्षण होता है। यह अंतःक्रिया तापमान पर निर्भर करती है, क्योंकि ऊष्मीय गति संरेखण को बाधित करती है। अभिविन्यास-औसत स्थितिज ऊर्जा [latex]V propto -frac{1}{r^6 k_B T}[/latex] के रूप में बदलती है।
Laboratory scene with Bingham plastic materials and viscosity testing equipment.

बिंगहम प्लास्टिक

बिंगहैम प्लास्टिक एक चिपचिपा पदार्थ है जो कम तनाव पर एक कठोर पिंड की तरह व्यवहार करता है, लेकिन उच्च तनाव पर एक चिपचिपे तरल की तरह बहता है। इसकी विशेषता एक यील्ड स्ट्रेस (τ₀) है, जो प्रवाह शुरू करने के लिए आवश्यक न्यूनतम अपरूपण तनाव है। इस सीमा से नीचे, यह विकृत नहीं होता है। इसके सामान्य उदाहरणों में टूथपेस्ट, मेयोनेज़ और मिट्टी का घोल शामिल हैं।
Laboratory scene with scientist performing molecular dynamics simulations using Lennard-Jones potential.

लेनार्ड-जोन्स की क्षमता

एक सरल, व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला गणितीय मॉडल जो दो उदासीन परमाणुओं या अणुओं के बीच परस्पर क्रिया की संभावित ऊर्जा का अनुमान लगाता है। यह वैन डेर वाल्स बलों का प्रतिनिधित्व करने वाले एक दीर्घ-श्रेणी आकर्षण पद ([latex]propto r^{-6}[/latex]) को पाउली प्रतिकर्षण का प्रतिनिधित्व करने वाले एक तीव्र, अल्प-श्रेणी प्रतिकर्षण पद ([latex]propto r^{-12}[/latex]) के साथ जोड़ता है। सूत्र है: [latex]V_{LJ}(r) = 4epsilon [(frac{sigma}{r})^{12} - (frac{sigma}{r})^6][/latex]।
Demonstration of shear-thinning behavior in a laboratory with ketchup.

शियर-थिनिंग (स्यूडोप्लास्टिसिटी)

शियर थिनिंग, या स्यूडोप्लास्टिसिटी, एक गैर-न्यूटनियन व्यवहार है जिसमें किसी द्रव की श्यानता शियर स्ट्रेस की बढ़ती दर के साथ घटती है। कई सामान्य पदार्थ, जैसे केचप या पेंट, इस गुण को प्रदर्शित करते हैं। स्थिर अवस्था में ये गाढ़े होते हैं, लेकिन हिलाने, घोलने या फैलाने पर अधिक आसानी से बहते हैं। इसे अक्सर ओस्टवाल्ड-डी वेले पावर-लॉ संबंध द्वारा दर्शाया जाता है।
Physicist's workspace with Schrödinger Equation and quantum mechanics materials.

श्रोडिंगर समीकरण

यह क्वांटम यांत्रिकी का एक मूलभूत समीकरण है जो यह वर्णन करता है कि किसी भौतिक प्रणाली की क्वांटम अवस्था समय के साथ कैसे बदलती है। यह तरंग फलन [latex]Psi(x, t)[/latex] के लिए एक रैखिक आंशिक अवकल समीकरण है। समय पर निर्भर समीकरण [latex]ihbarfrac{partial}{partial t}Psi = hat{H}Psi[/latex] है, जहाँ [latex]hat{H}[/latex] हैमिल्टोनियन ऑपरेटर है, जो प्रणाली की कुल ऊर्जा को दर्शाता है।
Quantum mechanics laboratory with physicist analyzing momentum operators.

क्वांटम मोमेंटम ऑपरेटर

क्वांटम यांत्रिकी में, संवेग एक प्रेक्षणीय राशि है जिसे सदिश संचालक द्वारा दर्शाया जाता है। स्थिति आधार में, संवेग संचालक को [latex]hat{vec{p}} = -ihbarnabla[/latex] द्वारा दर्शाया जाता है, जहाँ [latex]hbar[/latex] अवकलित प्लैंक स्थिरांक है और [latex]nabla[/latex] प्रवणता संचालक है। संवेग का संरक्षण इस तथ्य से संबंधित है कि स्थानांतरीय समरूपता वाले तंत्र के लिए हैमिल्टोनियन संचालक संवेग संचालक के साथ क्रमविनिमय करता है, [latex][hat{H}, hat{vec{p}}] = 0[/latex]।
Physicist analyzing particle model in vintage laboratory, Heisenberg Uncertainty Principle.

हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत

किसी कण के पूरक भौतिक गुणों के कुछ युग्मों को एक साथ पूर्ण सटीकता से जानना असंभव है। इसका सबसे सामान्य उदाहरण स्थिति x और संवेग p है। सिद्धांत यह कहता है कि उनकी अनिश्चितताओं का गुणनफल, Δx और p, एक विशिष्ट मान से बड़ा या बराबर होना चाहिए: Δx Δp ≥ 2।
Light-emitting diode testing in solid state physics laboratory.

पीएन जंक्शन इलेक्ट्रोफ्लोरेसेंस

प्रकाश उत्सर्जक डायोड एक अर्धचालक पीएन जंक्शन होता है। जब उपयुक्त अग्र वोल्टेज लगाया जाता है, तो एन-साइड से इलेक्ट्रॉन और पी-साइड से होल रिक्तीकरण क्षेत्र में प्रवेश करते हैं। इनके पुनर्संयोजन से ऊर्जा मुक्त होती है। प्रत्यक्ष बैंड गैप वाले अर्धचालकों में, यह ऊर्जा प्रकाश के फोटॉनों के रूप में कुशलतापूर्वक उत्सर्जित होती है, इस प्रक्रिया को विद्युतदीप्ति (इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस) कहा जाता है।

(यदि तिथि अज्ञात है या प्रासंगिक नहीं है, उदाहरण के लिए "द्रव यांत्रिकी", तो इसके उल्लेखनीय उद्भव का एक अनुमानित आंकड़ा प्रदान किया गया है)

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