એલ્યુમિનિયમ (Al) નું રસાયણ વિજ્ઞાન: પ્રેક્ટિસ પ્રશ્નો

બહુવિકલ્પી પ્રશ્નો (MCQs)

પ્રશ્ન 1

એલ્યુમિનિયમ વિશે નીચેનામાંથી કયું વિધાન ખોટું છે? A) એલ્યુમિનિયમ એક ઉભયધર્મી ધાતુ છે. B) એલ્યુમિનિયમ મંદ HCl સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને હાઇડ્રોજન વાયુ ઉત્પન્ન કરે છે. C) એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ (Al₂O₃) પ્રકૃતિમાં બેઝિક છે. D) એલ્યુમિનિયમ તેની સપાટી પર ઓક્સાઇડનું નિષ્ક્રિય સ્તર બનાવે છે.

ઉકેલ: સાચો જવાબ છે C) એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ (Al₂O₃) પ્રકૃતિમાં બેઝિક છે.

સ્પષ્ટતા: A) એલ્યુમિનિયમ ખરેખર એક ઉભયધર્મી ધાતુ છે, જેનો અર્થ છે કે તે એસિડ અને બેઝ બંને સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે. B) એલ્યુમિનિયમ મંદ HCl સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે: 2Al(s) + 6HCl(aq) \rightarrow 2AlCl₃(aq) + 3H₂(g). C) એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ (Al₂O₃) ઉભયધર્મી છે, બેઝિક નથી. તે એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને ક્ષાર બનાવે છે અને બેઝ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને એલ્યુમિનેટ બનાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, Al₂O₃ + 6HCl \rightarrow 2AlCl₃ + 3H₂O અને Al₂O₃ + 2NaOH \rightarrow 2NaAlO₂ + H₂O. D) એલ્યુમિનિયમ તેની સપાટી પર એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ (Al₂O₃) નું પાતળું, સખત અને અભેદ્ય સ્તર સરળતાથી બનાવે છે, જે અંદરની ધાતુને વધુ કાટ લાગવાથી સુરક્ષિત કરે છે. આને નિષ્ક્રિયકરણ (passivation) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

પ્રશ્ન 2

હોલ-હેરોલ્ટ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને એલ્યુમિનિયમના વિદ્યુત વિઘટનીય નિષ્કર્ષણમાં, ક્રાયોલાઇટ (Na₃AlF₆) ની મુખ્ય ભૂમિકા શું છે? A) ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરવા. B) એલ્યુમિના (Al₂O₃) ના ગલનબિંદુને ઘટાડવા. C) એલ્યુમિના (Al₂O₃) ના ગલનબિંદુને વધારવા. D) એલ્યુમિનિયમના મુખ્ય સ્ત્રોત તરીકે સેવા આપવા.

ઉકેલ: સાચો જવાબ છે B) એલ્યુમિના (Al₂O₃) ના ગલનબિંદુને ઘટાડવા.

સ્પષ્ટતા: એલ્યુમિના (Al₂O₃) નું ગલનબિંદુ ખૂબ ઊંચું હોય છે (2000 °C થી વધુ). હોલ-હેરોલ્ટ પ્રક્રિયામાં, ક્રાયોલાઇટ (Na₃AlF₆) ને ગલિત એલ્યુમિનામાં મુખ્યત્વે નીચેના માટે ઉમેરવામાં આવે છે:

1. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મિશ્રણનું ગલનબિંદુ ઘટાડવું જેથી તે લગભગ 950-1000 °C થાય, જે પ્રક્રિયાને આર્થિક રીતે સક્ષમ બનાવે છે.
2. ઇલેક્ટ્રોલાઇટની વિદ્યુત વાહકતા વધારવી.
3. એલ્યુમિનાને અસરકારક રીતે ઓગાળવું. ક્રાયોલાઇટ પોતે એલ્યુમિનિયમના મુખ્ય સ્ત્રોત તરીકે કાર્ય કરતું નથી; એલ્યુમિના એ મુખ્ય અયસ્ક છે. તે ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરતું નથી.

પ્રશ્ન 3

એલ્યુમિનિયમ કયા તત્વ સાથે વિકર્ણ સંબંધ દર્શાવે છે, જે કેટલીક સમાન ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરે છે? A) બોરોન B) ગેલિયમ C) મેગ્નેશિયમ D) બેરિલિયમ

ઉકેલ: સાચો જવાબ છે D) બેરિલિયમ.

સ્પષ્ટતા: વિકર્ણ સંબંધ બીજા આવર્ત અને ત્રીજા આવર્તના તત્વો વચ્ચે જોવા મળે છે, જે વિકર્ણીય રીતે વિરુદ્ધ સમૂહોના હોય છે. એલ્યુમિનિયમ (સમૂહ 13, આવર્ત 3) બેરિલિયમ (સમૂહ 2, આવર્ત 2) સાથે વિકર્ણ સંબંધ દર્શાવે છે. સમાનતાઓ સમાવેશ થાય છે:

• બંને સહસંયોજક સંયોજનો બનાવે છે.
• તેમના ઓક્સાઇડ (Al₂O₃ અને BeO) અને હાઇડ્રોક્સાઇડ (Al(OH)₃ અને Be(OH)₂) ઉભયધર્મી છે.
• તેઓ સંકીર્ણ ફ્લોરાઇડ્સ બનાવે છે, દા.ત., [AlF₆]³⁻ અને [BeF₄]²⁻.
• બંને ધાતુઓ નાઈટ્રિક એસિડ પ્રત્યે નિષ્ક્રિય હોય છે.
• બંને પ્રબળ બેઝ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને સંકીર્ણ એનાયન (એલ્યુમિનેટ્સ અને બેરીલેટ્સ) બનાવે છે.

વિધાન-કારણ પ્રશ્નો

પ્રશ્ન 1

વિધાન (A): એલ્યુમિનિયમના વાસણોને વોશિંગ સોડા (સોડિયમ કાર્બોનેટ) થી ધોવા જોઈએ નહીં. કારણ (R): વોશિંગ સોડા આલ્કલાઇન છે અને એલ્યુમિનિયમ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને સોડિયમ એલ્યુમિનેટ અને હાઇડ્રોજન વાયુ બનાવે છે.

A) A અને R બંને સાચા છે અને R એ A ની સાચી સમજૂતી છે. B) A અને R બંને સાચા છે પરંતુ R એ A ની સાચી સમજૂતી નથી. C) A સાચું છે પરંતુ R ખોટું છે. D) A ખોટું છે પરંતુ R સાચું છે. E) A અને R બંને ખોટા છે.

ઉકેલ: સાચો જવાબ છે A) A અને R બંને સાચા છે અને R એ A ની સાચી સમજૂતી છે.

સ્પષ્ટતા: એલ્યુમિનિયમ એક ઉભયધર્મી ધાતુ છે. વોશિંગ સોડા (Na₂CO₃) પાણીમાં જળવિભાજન પામીને પ્રબળ બેઝ (NaOH) અને નિર્બળ એસિડ (H₂CO₃) ઉત્પન્ન કરે છે, જેના કારણે તેનું દ્રાવણ આલ્કલાઇન બને છે. Na₂CO₃ + 2H₂O \rightleftharpoons 2NaOH + H₂CO₃ એલ્યુમિનિયમ પ્રબળ બેઝ (NaOH) સાથે નીચે મુજબ પ્રતિક્રિયા આપે છે: 2Al(s) + 2NaOH(aq) + 6H₂O(l) \rightarrow 2Na[Al(OH)₄](aq) + 3H₂(g) (સોડિયમ ટેટ્રાહાઈડ્રોક્સોએલ્યુમિનેટ(III)) આ પ્રતિક્રિયા એલ્યુમિનિયમના વાસણને કાટ લગાડે છે, જેનાથી ખાડા પડે છે અને નુકસાન થાય છે. તેથી, વિધાન અને કારણ બંને સાચા છે, અને કારણ વિધાનને યોગ્ય રીતે સમજાવે છે.

પ્રશ્ન 2

વિધાન (A): નિર્જળ AlCl₃ એ લુઈસ એસિડ છે. કારણ (R): નિર્જળ AlCl₃ એ ઇલેક્ટ્રોન-ઊણપવાળો અણુ છે.

A) A અને R બંને સાચા છે અને R એ A ની સાચી સમજૂતી છે. B) A અને R બંને સાચા છે પરંતુ R એ A ની સાચી સમજૂતી નથી. C) A સાચું છે પરંતુ R ખોટું છે. D) A ખોટું છે પરંતુ R સાચું છે. E) A અને R બંને ખોટા છે.

ઉકેલ: સાચો જવાબ છે A) A અને R બંને સાચા છે અને R એ A ની સાચી સમજૂતી છે.

સ્પષ્ટતા: નિર્જળ એલ્યુમિનિયમ ક્લોરાઇડ (AlCl₃) માં, કેન્દ્રીય એલ્યુમિનિયમ પરમાણુ ત્રણ ક્લોરિન પરમાણુઓ સાથે જોડાયેલો હોય છે. એલ્યુમિનિયમ સમૂહ 13 માં છે અને તેમાં ત્રણ સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન હોય છે. ત્રણ સહસંયોજક બંધ બનાવ્યા પછી, એલ્યુમિનિયમ પરમાણુના સંયોજકતા કોષમાં ફક્ત છ ઇલેક્ટ્રોન (3 ઇલેક્ટ્રોન જોડી) હોય છે. તેને તેનું અષ્ટક પૂર્ણ કરવા માટે વધુ બે ઇલેક્ટ્રોનની જરૂર છે. લુઈસ સિદ્ધાંત મુજબ, લુઈસ એસિડ એ ઇલેક્ટ્રોન જોડી સ્વીકારનાર છે. AlCl₃ ઇલેક્ટ્રોન-ઊણપવાળો હોવાથી, તે સ્થિર અષ્ટક પ્રાપ્ત કરવા માટે ઇલેક્ટ્રોન જોડી સરળતાથી સ્વીકારે છે, આમ લુઈસ એસિડ તરીકે કાર્ય કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, AlCl₃ + Cl⁻ \rightarrow [AlCl₄]⁻. તેથી, વિધાન અને કારણ બંને સાચા છે, અને કારણ વિધાનને યોગ્ય રીતે સમજાવે છે.

ટૂંકા જવાબી પ્રશ્નો

પ્રશ્ન 1

સમજાવો કે શા માટે એલ્યુમિનિયમ પ્રબળ બેઝ સાથે પ્રક્રિયા કરતા [Al(OH)₄]⁻ બનાવે છે, પરંતુ બોરોન, જે પણ સમૂહ 13 માં છે, તે સમાન પરિસ્થિતિઓમાં સામાન્ય રીતે [B(OH)₄]⁻ બનાવતું નથી.

આદર્શ જવાબ: એલ્યુમિનિયમ તેની ઉભયધર્મી પ્રકૃતિ અને તેના સવર્ગ આંકને વિસ્તૃત કરવાની ક્ષમતાને કારણે ટેટ્રાહાઈડ્રોક્સોએલ્યુમિનેટ(III) સંકીર્ણ, [Al(OH)₄]⁻, બનાવે છે. એલ્યુમિનિયમ, બોરોન કરતાં મોટો પરમાણુ હોવાથી, તેના સંયોજકતા કોષમાં ખાલી d-કક્ષકો ધરાવે છે, જેનો ઉપયોગ હાઇડ્રોક્સાઇડ લિગેન્ડ્સમાંથી વધારાની ઇલેક્ટ્રોન જોડીઓને સમાવવા માટે થઈ શકે છે. આ એલ્યુમિનિયમને 4 નો સવર્ગ આંક પ્રાપ્ત કરવા અને સ્થિર [Al(OH)₄]⁻ સંકીર્ણ બનાવવાની મંજૂરી આપે છે.

બીજી તરફ, બોરોન એક ખૂબ નાનો પરમાણુ છે અને તેના સંયોજકતા કોષમાં સુલભ d-કક્ષકોનો અભાવ હોય છે. d-કક્ષકોની ગેરહાજરીને કારણે તેની મહત્તમ સહસંયોજકતા ચાર સુધી મર્યાદિત છે. જ્યારે તે કેટલીક વિશિષ્ટ પરિસ્થિતિઓમાં [B(OH)₄]⁻ (ટેટ્રાહાઈડ્રોક્સોબોરેટ) બનાવી શકે છે, તે સામાન્ય રીતે બોરિક એસિડ, B(OH)₃, તરીકે અસ્તિત્વ ધરાવે છે, જે એક નિર્બળ લુઈસ એસિડ છે. બોરોનની sp² સંકરણ પ્રાપ્ત કરવાની અને સમતલિય રચનાઓ બનાવવાની પ્રબળ વૃત્તિ, અવકાશી અવરોધ અને ઇલેક્ટ્રોન-ઊણપ સાથે મળીને, એલ્યુમિનિયમ માટે [Al(OH)₄]⁻ કરતાં [B(OH)₄]⁻ નું નિર્માણ ઓછું અનુકૂળ અને ઓછું સામાન્ય બનાવે છે. બોરિક એસિડ B(OH)₃ તરીકે અસ્તિત્વ ધરાવે છે જે H⁺ આયનનું દાન કરવાને બદલે OH⁻ આયન સ્વીકારીને લુઈસ એસિડ તરીકે કાર્ય કરે છે.

પ્રશ્ન 2

એલ્યુમિનિયમના વિદ્યુત વિઘટનીય નિષ્કર્ષણ (હોલ-હેરોલ્ટ પ્રક્રિયા) માં ક્રાયોલાઇટ (Na₃AlF₆) ની ભૂમિકાનું વર્ણન કરો.

આદર્શ જવાબ: એલ્યુમિના (Al₂O₃) માંથી એલ્યુમિનિયમના વિદ્યુત વિઘટનીય નિષ્કર્ષણ માટેની હોલ-હેરોલ્ટ પ્રક્રિયામાં, ક્રાયોલાઇટ (Na₃AlF₆) ઘણી નિર્ણાયક ભૂમિકાઓ ભજવે છે:

1. ગલનબિંદુ ઘટાડવું: શુદ્ધ એલ્યુમિનાનું ગલનબિંદુ ખૂબ ઊંચું હોય છે (2000 °C થી વધુ). એલ્યુમિનાને ગલિત ક્રાયોલાઇટમાં ઓગાળવાથી, મિશ્રણનું ગલનબિંદુ નોંધપાત્ર રીતે ઘટીને લગભગ 950-1000 °C થઈ જાય છે. તાપમાનમાં આ ઘટાડો ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાને આર્થિક રીતે શક્ય બનાવે છે, કારણ કે ગલિત અવસ્થા જાળવવા માટે ઓછી ઊર્જાની જરૂર પડે છે.

2. વિદ્યુત વાહકતા વધારવી: ગલિત એલ્યુમિના પોતે વીજળીનો નબળો વાહક છે. ક્રાયોલાઇટ, જ્યારે ગલિત હોય છે, ત્યારે આયનો (Na⁺, AlF₆³⁻, AlF₄⁻) માં વિયોજન પામે છે, જે ઇલેક્ટ્રોલાઇટની વિદ્યુત વાહકતામાં નોંધપાત્ર વધારો કરે છે. આ વિદ્યુત વિઘટન માટે જરૂરી પ્રવાહના કાર્યક્ષમ પ્રવાહને સુવિધાજનક બનાવે છે.

3. એલ્યુમિના માટે દ્રાવક: ક્રાયોલાઇટ એલ્યુમિના માટે ઉત્તમ દ્રાવક તરીકે કાર્ય કરે છે. એલ્યુમિના ગલિત ક્રાયોલાઇટમાં ઓગળીને AlF₆³⁻ અને AlOF₂⁻ જેવા સંકીર્ણ આયનો બનાવે છે, જે પછી કેથોડ પર રિડ્યુસ થાય છે. આ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રિડક્શન પ્રક્રિયા માટે એલ્યુમિનિયમ આયનોનો સતત પુરવઠો સુનિશ્ચિત કરે છે.

સારાંશમાં, ક્રાયોલાઇટ કાર્યકારી તાપમાન ઘટાડવા, વિદ્યુત વાહકતા વધારવા અને એલ્યુમિનાને ઓગાળવા માટે આવશ્યક છે, જેનાથી એલ્યુમિનિયમ ધાતુનું વ્યવહારુ અને કાર્યક્ષમ ઉત્પાદન શક્ય બને છે.

ઉચ્ચ કૌશલ્ય વિચારણા (HOTS) પ્રશ્ન

એલ્યુમિનિયમ પ્રતિક્રિયાશીલતા શ્રેણીમાં તેની સ્થિતિ અનુસાર અત્યંત પ્રતિક્રિયાશીલ ધાતુ છે. તેમ છતાં, એલ્યુમિનિયમની વસ્તુઓ હવા અને ભેજ પ્રત્યે ખુલ્લી હોવા છતાં સરળતાથી કાટ લાગતી નથી. આ ઘટનાને સમજાવો અને એલ્યુમિનિયમની ઉભયધર્મી પ્રકૃતિ દર્શાવવા માટે સંબંધિત રાસાયણિક સમીકરણો આપો.

વિગતવાર રાસાયણિક સમજૂતી:

એલ્યુમિનિયમ ખરેખર E° = -1.66 V ના પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ સાથે અત્યંત પ્રતિક્રિયાશીલ ધાતુ છે, જે ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવવાની પ્રબળ વૃત્તિ દર્શાવે છે. જોકે, હવા અને ભેજ પ્રત્યે ખુલ્લા હોવા છતાં તેની કાટ પ્રત્યેની ઉત્તમ પ્રતિકાર શક્તિ, નિષ્ક્રિયકરણ (passivation) ની ઘટનાને આભારી છે.

1. રક્ષણાત્મક ઓક્સાઇડ સ્તરનું નિર્માણ: જ્યારે એલ્યુમિનિયમ હવાના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે તે તરત જ વાતાવરણીય ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને તેની સપાટી પર એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ (Al₂O₃) નું પાતળું, સખત, છિદ્રરહિત અને મજબૂત રીતે ચોંટેલું સ્તર બનાવે છે. 4Al(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2Al₂O₃(s) આ ઓક્સાઇડ સ્તર એક રક્ષણાત્મક અવરોધ તરીકે કાર્ય કરે છે, જે અંદરની એલ્યુમિનિયમ ધાતુને ઓક્સિજન, ભેજ અને અન્ય ક્ષારક એજન્ટો સાથે વધુ પ્રતિક્રિયા કરતા અટકાવે છે. આ નિષ્ક્રિય સ્તર ખૂબ જ સ્થિર છે અને યાંત્રિક રીતે દૂર કરવું મુશ્કેલ છે.

2. એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડની ઉભયધર્મી પ્રકૃતિ: રક્ષણાત્મક Al₂O₃ સ્તર ઉભયધર્મી છે, જેનો અર્થ છે કે તે પ્રબળ એસિડ અને પ્રબળ બેઝ બંને સાથે પ્રતિક્રિયા કરી શકે છે. આ ગુણધર્મ ચોક્કસ વાતાવરણમાં નિયંત્રિત વિઘટનની મંજૂરી આપે છે પરંતુ સામાન્ય રીતે તટસ્થ પરિસ્થિતિઓમાં તેની સ્થિરતામાં ફાળો આપે છે.

   • એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા: Al₂O₃(s) + 6HCl(aq) \rightarrow 2AlCl₃(aq) + 3H₂O(l) અથવા, સલ્ફ્યુરિક એસિડ જેવા વધુ પ્રબળ એસિડ સાથે: Al₂O₃(s) + 3H₂SO₄(aq) \rightarrow Al₂(SO₄)₃(aq) + 3H₂O(l)

   • બેઝ સાથે પ્રતિક્રિયા: Al₂O₃(s) + 2NaOH(aq) + 3H₂O(l) \rightarrow 2Na[Al(OH)₄](aq) (સોડિયમ ટેટ્રાહાઈડ્રોક્સોએલ્યુમિનેટ(III)) આ પ્રતિક્રિયા દર્શાવે છે કે જ્યારે ઓક્સાઇડ સ્તર રક્ષણ પૂરું પાડે છે, ત્યારે પ્રબળ બેઝના લાંબા સમય સુધી સંપર્કમાં રહેવાથી તે ઓગળી જશે, અને અંદરની ધાતુને કાટ લાગવાની સંભાવના રહેશે. તેવી જ રીતે, ખૂબ પ્રબળ એસિડ પણ આ સ્તરને ઓગાળી શકે છે.

સારાંશમાં, એલ્યુમિનિયમની ઉચ્ચ પ્રતિક્રિયાશીલતા સ્થિર, અભેદ્ય અને સ્વયં-મુરમ્મત થતા નિષ્ક્રિય ઓક્સાઇડ સ્તર (Al₂O₃) ના ઝડપી નિર્માણ દ્વારા છુપાઈ જાય છે. આ સ્તર વધુ રાસાયણિક હુમલાને અટકાવે છે, જેનાથી એલ્યુમિનિયમ મોટાભાગની પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓમાં કાટ પ્રત્યે અત્યંત પ્રતિરોધક બને છે. આ ઓક્સાઇડ સ્તરની ઉભયધર્મી પ્રકૃતિ એસિડિક અને બેઝિક માધ્યમોમાં તેના વર્તનને નિર્ધારિત કરે છે.