बहुरूपता (पदार्थ विज्ञान)

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सामग्री विज्ञान में, बहुरूपता ठोस सामग्री के रूपों या क्रिस्टल संरचना में अस्तित्व का वर्णन करता है। बहुरूपता समावयवता का रूप है। कोई भी क्रिस्टलीय सामग्री घटना को प्रदर्शित कर सकती है। अपररूपता रासायनिक तत्वों के लिए बहुरूपता को संदर्भित करता है। बहुरूपता औसधि , कृषि रसायनों, रंग, रंग बनानेवाला पदार्थ, खाद्य पदार्थ एवं विस्फोटक के लिए व्यावहारिक प्रासंगिकता है। आईयूपीएसी के अनुसार, बहुरूपी संक्रमण निश्चित तापमान एवं दबाव (उलटा बिंदु) पर ठोस क्रिस्टलीय चरण का रासायनिक संरचना के दूसरे चरण में प्रतिवर्ती संक्रमण है।[1] वाल्टर मैकक्रोन के अनुसार, बहुरूपता क्रिस्टल संरचना में भिन्न होते हैं किन्तु तरल या वाष्प अवस्था में समान होते हैं।[2][3] दो बहुरूपताओं वाली सामग्री को द्विरूपी कहा जाता है, जिसमें तीन बहुरूप, त्रिरूपी आदि होते हैं।[4]


उदाहरण

कई यौगिक बहुरूपता प्रदर्शित करते हैं। यह प्रभुत्व किया गया है कि प्रत्येक यौगिक के भिन्न-भिन्न बहुरूपी रूप होते हैं, एवं सामान्यतः किसी दिए गए परिसर के लिए ज्ञात रूपों की संख्या उस यौगिक पर शोध में व्यय किए गए समय एवं धन के अनुपात में होती है।[5][2][6]


कार्बनिक यौगिक

कैल्साइट (बाईं ओर) और एरेगोनाइट (दाईं ओर), कैल्शियम कार्बोनेट के दो रूप होते है I नोट: रंग अशुद्धियों से हैं।

बेंजामाइड

इस घटना का शोध 1832 में फ्रेडरिक वोहलर एवं जस्टस वॉन लिबिग ने की थी। उन्होंने देखा कि क्रिस्टलीकृत बेंजामाइड की रेशमी सुइयाँ मंद गति से रोम्बिक क्रिस्टल में परिवर्तित हो जाती हैं।[7] वर्तमान के समय का विश्लेषण[8] बेंज़ामाइड के लिए तीन बहुरूपों की पहचान करता है: फ्लैश कूलिंग द्वारा गठित सबसे अर्घ्य स्थिर ऑथरहॉम्बिक फॉर्म II है। इस प्रकार के पश्चात मोनोकलिनिक फॉर्म III (वोहलर/लीबिग द्वारा देखा गया) आता है। सबसे स्थिर रूप मोनोक्लिनिक रूप I है। तीनों चरणों के लिए हाइड्रोजन बंधन तंत्र समान हैं, चूँकि, वे स्वयं पीआई परस्पर क्रिया में दृढ़ता से भिन्न होते हैं।

मेलिइक अम्ल

2006 में मैलिक अम्ल के नए बहुरूप का शोध किया गया था, पूर्व क्रिस्टल फॉर्म का अध्ययन करने के 124 वर्ष पश्चात[9] मैलिक अम्ल रासायनिक उद्योग में औद्योगिक स्तर पर निर्मित होता है। यह औसधि में पाए जाने वाले नमक का निर्माण करता है। नए क्रिस्टल प्रकार का उत्पादन तब होता है जब कैफीन एवं मैलिक अम्ल (2:1) का सह क्रिस्टल क्लोरोफार्म में मिश्रण हो जाता है एवं जब विलायक को मंद गति से वाष्पित होने दिया जाता है। जबकि फॉर्म I में मोनोक्लिनिक अंतरिक्ष समूह P21/c होते हैं। नए प्रपत्र में स्थान समूह Pc है। दोनों बहुरूपों में कार्बोज़ाइलिक अम्लीय समूहों के हाइड्रोजन बंधन के माध्यम से जुड़े अणुओं की धातु-पत्र होती हैंI किन्तु, फॉर्म I में, शुद्ध आणविक द्विध्रुवीय क्षण के संबंध में पत्र वैकल्पिक होती हैं, जबकि फॉर्म II में, पत्र दिशा में उन्मुख होती हैं।

1,3,5-ट्रिनिट्रोबेंजीन

125 वर्षों के अध्ययन के पश्चात, 1,3,5-ट्रिनिट्रोबेंजीन ने दूसरा बहुरूप प्राप्त किया। सामान्य रूप में अंतरिक्ष समूह पीबीसीए होता है, किन्तु 2004 में, अंतरिक्ष समूह पीसीए 21 में दूसरा बहुरूप प्राप्त किया गया था I जब यौगिक को योज्य, त्रिसिंदाने की उपस्थिति में क्रिस्टलीकृत किया गया था। इस प्रयोग से ज्ञात होता है कि योजक बहुरूपी की उपस्थिति को प्रेरित कर सकते हैं।[10]


अन्य कार्बनिक यौगिक

एक्रिडीन को आठ बहुरूपों के रूप में प्राप्त किया गया है[11] एवं एरीपिप्राज़ोल में नौ हैं।[12] 5-मिथाइल-2-((2-नाइट्रोफेनिल) अमीनो)-3-थियोफीनकार्बोनिट्राइल के रूप में जाने जाने वाले यौगिक द्वारा सबसे बड़ी संख्या में उचित रूप से चित्रित बहुरूपताओं का अभिलेख रखा गया है।[13][14] ग्लाइसिन मोनोक्लिनिक क्रिस्टल प्रणाली एवं हेक्सागोनल क्रिस्टल सदस्य दोनों के रूप में क्रिस्टलीकृत होता है। कार्बनिक यौगिकों में बहुरूपता प्रायः गठनात्मक बहुरूपता का परिणाम होता है।[15]


अकार्बनिक यौगिक

द्विआधारी धातु आक्साइड

बाइनरी मेटल ऑक्साइड में बहुरूपता ने अधिक ध्यान आकर्षित किया है, क्योंकि ये सामग्रियां महत्वपूर्ण आर्थिक मूल्य की हैं। प्रसिद्ध उदाहरणों के समुच्चय में रचना SiO2 है, जो कई बहुरूपता बनाते हैं। महत्वपूर्ण में सम्मिलित हैं: क्वार्ट्ज α-क्वार्ट्ज, क्वार्ट्ज β-क्वार्ट्ज, ट्राइडिमाइट, क्रिस्टोबलाइट, मोगेंस, कोसाइट एवं छंद होते हैं।[16][17]

धातु आक्साइड अवस्था P एवं T की कंडीशन संरचना / अंतरिक्ष समूह
CrO2 α अवस्था परिवेश की स्थिति Cl2-प्रकार ऑर्थोरोम्बिक
RT and 12±3 GPa
Cr2O3 कोरन्डम चरण परिवेश की स्थिति कोरन्डम-प्रकार का समलम्बाकार (R3c)
उच्च दबाव चरण RT and 35 GPa Rh2O3-II प्रकार
Fe2O3 α अवस्था परिवेश की स्थिति कोरन्डम-प्रकार का समलम्बाकार (R3c)
β अवस्था 773 K नीचे शरीर-केंद्रित घन (Ia3)
γ अवस्था 933 K तक घन खनिज पदार्थ संरचना (Fd3m)
ε अवस्था -- समचतुर्भुज (Pna21)
Bi2O3 α अवस्था परिवेश की स्थिति मोनोकलिनिक (P21/c)
β अवस्था 603-923 K and 1 atm चतुष्कोण
γ अवस्था 773-912 K or RT and 1 atm शरीर केंद्रित घन
δ अवस्था 912-1097 K and 1 atm FCC (Fm3m)
In2O3 बिक्सबाइट-प्रकार चरण परिवेश की स्थिति घन (Ia3)
कोरन्डम-प्रकार 15-25 GPa at 1273 K कोरंडम-प्रकार हेक्सागोनल (R3c)
Rh2O3(II)-प्रकार 100 GPa and 1000 K ऑथरहोम्बिक
Al2O3 α अवस्था परिवेश की स्थिति कोरन्डम-प्रकार तिकोना (R3c)
γ अवस्था 773 K and 1 atm घन (Fd3m)
SnO2 α अवस्था परिवेश की स्थिति रूटाइल-टाइप टेट्रागोनल (P42/mnm)
CaCl2-प्रकार चरण 15 KBar at 1073 K ऑर्थोरोम्बिक, CaCl2-प्रकार (Pnnm)
α-PbO2-प्रकार Above 18 KBar α-PbO2-प्रकार (Pbcn)
TiO2 रूटाइल संतुलन चरण रूटाइल-प्रकार टेट्रागोनल
अनातसे मेटास्टेबल चरण (स्थिर नहीं)[18] चतुष्कोणीय (I41/amd)
ब्रुकाइट मेटास्टेबल चरण (स्थिर नहीं)[18] ऑर्थोरोम्बिक (Pcab)
ZrO2 मोनोक्लिनिक चरण परिवेश की स्थिति मोनोकलिनिक (P21/c)
चतुर्भुज चरण 1443 K ऊपर चतुष्कोणीय (P42/nmc)
फ्लोराइट-प्रकार का चरण 2643 K ऊपर घन (Fm3m)
MoO3 α अवस्था 553-673 K & 1 atm ऑर्थोरोम्बिक (Pbnm)
β अवस्था 553-673 K & 1 atm मोनोक्लिनिक
h अवस्था उच्च दबाव और उच्च तापमान चरण षट्कोणीय (P6a/m या P6a)
MoO3-II 60 kbar and 973 K मोनोक्लिनिक
WO3 ε अवस्था 220 K तक मोनोक्लिनिक (Pc)
δ अवस्था 220-300 K ट्राइक्लिनिक (P1)
γ अवस्था 300-623 K मोनोकलिनिक (P21/n)
β अवस्था 623-900 K ऑर्थोरोम्बिक (Pnma)
α अवस्था 900 K ऊपर चतुर्भुज (P4/ncc)


अन्य अकार्बनिक सामग्री

बहुरूपता के शास्त्रीय उदाहरण कैल्शियम कार्बोनेट के दोनों रूपों, केल्साइट एवं एंरेगोनाइट के खनिजों की जोड़ी हैं। सम्भवता सबसे प्रसिद्ध उदाहरण कार्बन के बहुरूपों का ग्रेफाइट एवं हीरा है ।

β-HgS काले ठोस के रूप में अवक्षेपित होता है जब Hg (II) लवणों को हाइड्रोजन सल्फाइड H2 के साथ प्रतिक्रिया की जाती है I ऐसे मिश्रण के कोमल ताप के साथ, काला बहुरूपी लाल रूप में परिवर्तित हो जाता है।[19]


बहुरूपता को प्रभावित करने वाले कारक

ओस्टवाल्ड के नियम के अनुसार, सामान्यतः अर्घ्य स्थिर बहुरूपता के रूप से पूर्व क्रिस्टलीकृत होते हैं। अवधारणा इस विचार पर आधारित है, कि अस्थिर बहुरूपता समाधान में राज्य के अधिक निकट होती है, एवं इस प्रकार काइनेटिक रूप से सुविधा है। रेशेदार के प्रति रोम्बिक बेंजामाइड की संस्थापक स्थितियाँ इस स्थिति को दर्शाती है। अन्य उदाहरण रंजातु डाइऑक्साइड के दो बहुरूपों द्वारा प्रदान किया गया है।[18] बहुरूपताओं में असमान स्थिरता होती है। कुछ कक्ष (या किसी भी) तापमान पर तीव्र गति से परिवर्तित होते हैं। कार्बनिक अणुओं के अधिकांश बहुरूप जाली ऊर्जा में केवल कुछ kJ/mol से भिन्न होते हैं। लगभग 50% ज्ञात पॉलीमॉर्फ जोड़े 2 kJ/mol से अर्घ्य भिन्न होते हैं एवं 10 kJ/mol से अधिक के स्थिरता अंतर कठिन होते हैं।[20] बहुरूपता क्रिस्टलीकरण के विवरण से प्रभावित होता है। विलायक सभी प्रकार से पॉलीमॉर्फ की प्रकृति को प्रभावित करता है, जिसमें एकाग्रता, विलायक के अन्य घटक, अर्थात ऐसी प्रजातियां सम्मिलित हैं, जो कुछ विकास पैटर्न को बाधित या बढ़ावा देती हैं। निर्णायक कारक प्रायः उस विलायक का तापमान होता है जिससे क्रिस्टलीकरण किया जाता है।

मेटास्टेबल बहुरूपता सदैव पुनरुत्पादित रूप से प्राप्त नहीं होते हैं, जिससे बहुरूपता विलुप्त होने के विषय सामने आते हैं।[5][21][22]


औसधिया

औसधि केवल बहुरूपी के लिए नियमन प्राप्त करती है। क्लासिक पेटेंट विचार में, ग्लैक्सोस्मिथक्लाइन ने रैनिटिडीन में सक्रिय संघटक के पॉलीमॉर्फ प्रकार II के लिए प्रतियोगियों के विरुद्ध स्वयं पेटेंट का बचाव किया, जबकि पॉलीमॉर्फ प्रकार I का पेटेंट पूर्व में ही समाप्त हो चुका गया था।[23] औसधि में बहुरूपता का प्रत्यक्ष चिकित्सा प्रभाव भी हो सकता है, क्योंकि सॉल्वैंशन दर बहुरूपता पर निर्भर करती है। पाउडर एक्स-रे विवर्तन, आईआर/रमन जैसी प्रौद्योगिकी का उपयोग करके औसधि के प्रतिरूप की बहुरूपी शुद्धता का परीक्षण किया जा सकता है I स्पेक्ट्रोस्कोपी, एवं कुछ स्थितियो में उनके ऑप्टिकल गुणों में अंतर का उपयोग करते है।[24]


स्थिति का अध्ययन

रितोनवीर

प्रतिविषाणुज औषधि रितोनवीर दो बहुरूपों के रूप में उपस्थित होती है, जो प्रभावकारिता में अधिक भिन्न होते हैं। इस प्रकार के विषयो को मूल आवरण के स्थान पर औसधि को जेलकैप्स एवं टेबलेट्स में सुधार कर विवरण किया गया था।[25]


एसिटाइलसैलीसिलिक अम्ल

एसिटाइलसैलिसिलिक अम्ल का दूसरा बहुरूप केवल 2005 में विवरण किया गया था।[26][27] उष्ण मिथाइल सायनाइड से एस्पिरिन एवं लेवेतिरसेटम के क्रिस्टलीकरण के प्रयास के पश्चात नया क्रिस्टल प्रकार पाया गया। प्रपत्र I में, एस्पिरिन अणुओं के जोड़े कार्बोनिल हाइड्रोजन बांड के लिए (अम्लीय) मिथाइल प्रोटॉन के साथ एसिटल समूहों के माध्यम से सेंट्रोसिमेट्रिक डिमर (रसायन विज्ञान) बनाते हैं। फॉर्म II में, प्रत्येक एस्पिरिन अणु समान हाइड्रोजन बांड बनाता है, किन्तु दो परस्पर अणुओं के साथ कार्बोक्जिलिक अम्ल समूहों द्वारा गठित हाइड्रोजन बांड के संबंध में, दोनों बहुरूप समान मंद संरचनाएं बनाते हैं। एस्पिरिन पॉलीमॉर्फ्स में समान 2-आयामी खंड होते हैं एवं इसलिए उन्हें अधिक स्थिर रूप से पॉलीटाइप्स के रूप में वर्णित किया जाता है।[28]


पैरासिटामोल

पैरासिटामोल पाउडर में अर्घ्य संपीड़न गुण होते हैं, जिससे गोलियां बनाने में कठिनाई होती है। अधिक उपयुक्त संपीड़न गुणों के साथ दूसरा बहुरूप पाया गया है।[29]


कोर्टिसोन एसीटेट

कोर्टिसोन एसीटेट अल्प से अल्प पांच भिन्न-भिन्न बहुरूपों में उपस्थित होते है, जिनमें से चार पानी में अस्थिर होते हैं एवं स्थिर रूप में परिवर्तित होते हैं।

कार्बामेज़ेपाइन

कार्बमेज़पाइन, एस्ट्रोजन, पैरोक्सटाइन,[30] एवं क्लोरमफेनिकॉल भी बहुरूपता दर्शाते हैं।

पॉलीटिपिसं

पॉलीटिप्स पॉलीमॉर्फ की विशेष स्थिति है, जहां कई पैक-बंद क्रिस्टल संरचनाएं केवल आयाम में भिन्न होती हैं। पॉलीटिप्स में बंद पैक विमान होते हैं, किन्तु इन विमान के लंबवत तीसरे आयाम में स्टैकिंग क्रम में भिन्नता होती है। सिलिकॉन कार्बाइड के बहुरूप होते हैं, चूँकि एसआईसी के सभी पॉलीटिप्स में वस्तुतः समान घनत्व एवं गिब्स मुक्त ऊर्जा होती है। सारणी 1 में सबसे सरल पॉलीटाइप दर्शाये गए हैं।

सारणी 1: सारणी के कुछ बहुप्रकार हैं।[31]

अवस्था संरचना रैम्सडेल नोटेशन स्टैकिंग लगाने का क्रम टिप्पणी
α-SiC हेक्सागोनल 2H AB वर्टज़ाइट फॉर्म
α-SiC हेक्सागोनल 4H ABCB
α-SiC हेक्सागोनल 6H ABCACB सबसे स्थिर और सामान्य रूप
α-SiC तिर्यगायत षडनीक 15R ABCACBCABACABCB
β-SiC मुख केंद्रित घन 3C ABC स्पैलेराइट या जिंक ब्लेंड फॉर्म

विभिन्न पॉलीटाइप वाली सामग्रियों का दूसरा समूह संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड्स है, स्तरित सामग्री जैसे मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड (MoS2) इन सामग्रियों के लिए पॉलीटाइप का भौतिक गुणों पर अधिक विशिष्ट प्रभाव पड़ता है, उदाहरण MOS2 के लिए, 1T पॉलीटाइप चरित्र में धात्विक है, जबकि 2H रूप अधिक अर्धचालक है।[32] अन्य उदाहरण टैंटलम डाइसल्फ़ाइड है, जहां सामान्य 1T एवं साथ ही 2H पॉलीटाइप होते हैं, किन्तु अधिक कठिन 'मिश्रित समन्वय' प्रकार जैसे 4Hb एवं 6R, जहां त्रिकोणीय प्रिज्मीय एवं ऑक्टाहेड्रल ज्यामिति परतें मिश्रित होती हैं।[33] यहां, 1T पॉलीटाइप तापमान के फंक्शन के रूप में चालकता पर भिन्न प्रभाव के साथ आवेश घनत्व तरंग प्रदर्शित करता है, जबकि 2H पॉलीटाइप अतिचालकता प्रदर्शित करता है।

ZnS एवं CdI2 बहुरूपी भी हैं।[34] यह विचार प्रकट किया गया है, कि इस प्रकार का बहुरूपता कैनेटीक्स के कारण होता है जहां स्क्रू अव्यवस्था तीव्र गति से आवधिक विधान में आंशिक रूप से अव्यवस्थित अनुक्रमों को पुन: प्रस्तुत करती है।

सिद्धांत

ऊष्म प्रवैगिकी के संदर्भ में, दो प्रकार के बहुरूपी व्यवहार पहचाने जाते हैं। मोनोट्रोपिक प्रणाली के लिए, तापमान के विरुद्ध विभिन्न बहुरूपताओं की मुक्त ऊर्जा के भूखंड सभी बहुरूपों के पिघलने से पूर्व ज्ञात नहीं होते हैं। परिणाम स्वरूप गलनांक के नीचे बहुरूपी तक कोई भी संक्रमण अपरिवर्तनीय होगा। विकटी के लिए एनेंटियोट्रोपिक प्रणाली, तापमान के विरुद्ध मुक्त ऊर्जा का कथानक विभिन्न पिघलने से पूर्व क्रॉसिंग बिंदु दिखाता है।[35] यह भी संभव हो सकता है कि गर्म या ठंडा करके ऊर्जा वाले पॉलीमॉर्फ के साथ भौतिक संपर्क के माध्यम से दो बहुरूपताओं के मध्य परस्पर विनिमय किया जा सके।

ठोस चरण संक्रमण जो तरल या गैसीय चरणों से प्रवाह के बिना उत्क्रमणीय रूप से रूपांतरित होते हैं, उन्हें एनेंटियोट्रोपिक कहा जाता है। इसके विपरीत, यदि संशोधन इन वचन के अनुसार परिवर्तनीय नहीं हैं, तो प्रणाली मोनोट्रोपिक है। प्रायोगिक डेटा का उपयोग एनेंटियोट्रोपिक एवं मोनोट्रोपिक संक्रमणों के मध्य अंतर करने के लिए किया जाता है एवं ऊर्जा/तापमान अर्ध-मात्रात्मक आरेखों के कई नियमों को प्रारम्भ करके प्रस्तुत किया जा सकता है, मुख्यतः ऊष्मा-संक्रमण नियम, ताप-संलयन नियम एवं घनत्व नियम ये नियम E/T आरेख में H एवं गिसोबार के सापेक्ष पदों की अवहार को सक्षम करते हैं। [1]

यह भी देखें

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संदर्भ

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बाहरी संबंध

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