કોપર (Cu) રસાયણશાસ્ત્ર: પ્રેક્ટિસ પ્રશ્નો

બહુવિકલ્પ પ્રશ્નો (MCQs)

પ્રશ્ન 1

કોપર વિશે નીચેનામાંથી કયું વિધાન ખોટું છે? a) Cu$^+$ ડાયમેગ્નેટિક છે. b) Cu$^\{2+\}$ સંયોજનો સામાન્ય રીતે રંગીન હોય છે. c) કોપર મંદ હાઈડ્રોક્લોરિક એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને હાઈડ્રોજન વાયુ ઉત્પન્ન કરે છે. d) Cu$^+$ જલીય દ્રાવણમાં વિસંવાદીકરણ પામે છે.

ઉકેલ

સાચો જવાબ છે c).

• સ્પષ્ટીકરણ:
  • a) Cu$^+$ નું ઇલેક્ટ્રોનિક બંધારણ [Ar]3d$^\{10\}$ છે. બધા ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મિત છે, જે તેને ડાયમેગ્નેટિક બનાવે છે. આ વિધાન સાચું છે.
  • b) Cu$^\{2+\}$ નું ઇલેક્ટ્રોનિક બંધારણ [Ar]3d$^9$ છે. તેમાં એક અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન છે, જે d-d સંક્રમણો તરફ દોરી જાય છે જે પ્રકાશની ચોક્કસ તરંગલંબાઈને શોષી લે છે અને અન્યને પ્રસારિત કરે છે, પરિણામે રંગ (સામાન્ય રીતે જલીય દ્રાવણમાં વાદળી અથવા લીલો) ઉત્પન્ન થાય છે. આ વિધાન સાચું છે.
  • c) કોપર હાઈડ્રોજન કરતાં ઓછો પ્રતિક્રિયાશીલ છે અને હાઈડ્રોજન વાયુ ઉત્પન્ન કરવા માટે મંદ હાઈડ્રોક્લોરિક એસિડ અથવા મંદ સલ્ફ્યુરિક એસિડ જેવા બિન-ઓક્સિડાઇઝિંગ એસિડ્સ સાથે પ્રતિક્રિયા કરતો નથી. તે ઓક્સિડાઇઝિંગ એસિડ્સ (દા.ત., HNO$_3$, સાંદ્ર H$_2$SO$_4$) સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે. આ વિધાન ખોટું છે.
  • d) Cu$^+$ જલીય દ્રાવણમાં અસ્થિર છે અને Cu$^\{2+\}$ અને Cu(s) માં વિસંવાદીકરણ પામે છે. 2Cu$^+$(aq) (\rightarrow) Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s) માટેનો પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ ધન (+0.37 V) છે, જે સ્વયંભૂતા દર્શાવે છે. આ વિધાન સાચું છે.

પ્રશ્ન 2

કોપર ટર્નિંગ્સને સાંદ્ર નાઈટ્રિક એસિડમાં ઉમેરવામાં આવે છે. ઉત્સર્જિત વાયુ છે: a) NO b) NO$_2$ c) N$_2$O d) NH$_3$

ઉકેલ

સાચો જવાબ છે b).

• સ્પષ્ટીકરણ:
  • કોપર સાંદ્ર નાઈટ્રિક એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને નાઈટ્રોજન ડાયોક્સાઇડ (NO$_2$), એક લાલ-ભુરો વાયુ, તેમજ કોપર નાઈટ્રેટ અને પાણી ઉત્પન્ન કરે છે.
  • પ્રતિક્રિયા છે: Cu(s) + 4HNO$_3$(conc) (\rightarrow) Cu(NO$_3$)$_2$(aq) + 2NO$_2$(g) + 2H$_2$O(l)
  • મંદ નાઈટ્રિક એસિડ સાથે, કોપર નાઈટ્રિક ઑક્સાઈડ (NO) ઉત્પન્ન કરે છે, જે રંગહીન છે પરંતુ હવાના સંપર્કમાં આવતા (NO$_2$ માં ઓક્સિડેશનને કારણે) લાલ-ભુરો બને છે.
  • મંદ HNO$_3$ સાથેની પ્રતિક્રિયા છે: 3Cu(s) + 8HNO$_3$(dil) (\rightarrow) 3Cu(NO$_3$)$_2$(aq) + 2NO(g) + 4H$_2$O(l)

પ્રશ્ન 3

કોપર સલ્ફેટના જલીય દ્રાવણને વધુ પડતા જલીય એમોનિયા સાથે પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે. પરિણામી દ્રાવણનો રંગ શું હશે: a) વાદળી b) ઘેરો વાદળી c) લીલો d) રંગહીન

ઉકેલ

સાચો જવાબ છે b).

• સ્પષ્ટીકરણ:
  • જ્યારે કોપર સલ્ફેટના દ્રાવણમાં જલીય એમોનિયા ઉમેરવામાં આવે છે, ત્યારે શરૂઆતમાં કોપર(II) હાઇડ્રોક્સાઇડ, Cu(OH)$_2$, નો આછો વાદળી અવક્ષેપ બને છે: CuSO$_4$(aq) + 2NH$_4$OH(aq) (\rightarrow) Cu(OH)$_2$(s) + (NH$_4$)$_2$SO$_4$(aq)
  • વધુ પડતો જલીય એમોનિયા ઉમેરતા, અવક્ષેપ ઓગળીને ઘેરા વાદળી રંગનો દ્રાવ્ય સંકીર્ણ, ટેટ્રાએમાઇનકોપર(II) આયન, [Cu(NH$_3$)$_4$]$^\{2+\}$ બનાવે છે: Cu(OH)$_2$(s) + 4NH$_3$(aq) (\rightarrow) [Cu(NH$_3$)$_4$]$^\{2+\}$(aq) + 2OH$^-$(aq)
  • આ ઘેરો વાદળી રંગ લાક્ષણિક છે અને તેનો ઉપયોગ ઘણીવાર Cu$^\{2+\}$ આયનોના પરીક્ષણ માટે થાય છે.

વિધાન-કારણ પ્રશ્નો

નીચેના પ્રશ્નોમાં બે વિધાનો છે, એકને વિધાન (A) અને બીજાને કારણ (R) તરીકે લેબલ કરવામાં આવ્યું છે. બંને વિધાનોની કાળજીપૂર્વક તપાસ કરો અને નીચેનામાંથી સાચો વિકલ્પ પસંદ કરો: 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.

પ્રશ્ન 1

વિધાન (A): Cu$^+$ આયન ડાયમેગ્નેટિક છે. કારણ (R): Cu$^+$ આયનમાં સંપૂર્ણ ભરાયેલ d-કક્ષક (3d$^\{10\}$) હોય છે.

ઉકેલ

સાચો જવાબ છે a).

• સ્પષ્ટીકરણ:
  • વિધાન (A) જણાવે છે કે Cu$^+$ ડાયમેગ્નેટિક છે. આ સાચું છે. ડાયમેગ્નેટિઝમ અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોનની ગેરહાજરીને કારણે ઉદ્ભવે છે.
  • કારણ (R) જણાવે છે કે Cu$^+$ માં સંપૂર્ણ ભરાયેલ d-કક્ષક (3d$^\{10\}$) હોય છે. આ પણ સાચું છે. Cu નું ઇલેક્ટ્રોનિક બંધારણ [Ar]3d$^\{10\}$4s$^1$ છે. જ્યારે તે Cu$^+$ બનાવવા માટે એક ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવે છે, ત્યારે તેનું બંધારણ [Ar]3d$^\{10\}$ બને છે, જેનો અર્થ છે કે તેના બધા 3d ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મિત છે.
  • કારણ કે સંપૂર્ણ ભરાયેલ d-કક્ષક (3d$^\{10\}$) નો અર્થ છે કે બધા ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મિત છે, તે સીધી રીતે સમજાવે છે કે શા માટે Cu$^+$ ડાયમેગ્નેટિક છે. તેથી, R એ A ની સાચી સમજૂતી છે.

પ્રશ્ન 2

વિધાન (A): કોપર વીજળીનો ઉત્તમ સુવાહક છે. કારણ (R): કોપર ની પ્રથમ આયનીકરણ એન્થાલ્પી ઓછી હોય છે.

ઉકેલ

સાચો જવાબ છે b).

• સ્પષ્ટીકરણ:
  • વિધાન (A) જણાવે છે કે કોપર વીજળીનો ઉત્તમ સુવાહક છે. આ સાચું છે. તેની ધાતુમય રચનાને કારણે કોપર શ્રેષ્ઠ વિદ્યુત સુવાહકમાંથી એક છે.
  • કારણ (R) જણાવે છે કે કોપર ની પ્રથમ આયનીકરણ એન્થાલ્પી ઓછી હોય છે. આ પણ ઘણા અધાતુઓની સાપેક્ષે સાચું છે, જે તેને સરળતાથી તેના સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોનને ગુમાવવા દે છે.
  • જોકે, કોપરની ઉચ્ચ વિદ્યુત વાહકતાનું સીધું કારણ વિસ્થાનીકૃત સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન (જેને ઘણીવાર “ઇલેક્ટ્રોનનો સમુદ્ર” કહેવાય છે) ની હાજરી છે જે ધાતુમય લેટિસમાં મુક્તપણે ફરવા માટે સક્ષમ છે, ખાસ કરીને તેની ઓછી આયનીકરણ એન્થાલ્પી નથી. જ્યારે ઓછી આયનીકરણ એન્થાલ્પી ધાતુમય બંધન અને આ મોબાઇલ ઇલેક્ટ્રોનની ઉપલબ્ધતામાં ફાળો આપે છે, ત્યારે તે ઇલેક્ટ્રોન સી મોડેલના સંદર્ભમાં વાહકતા માટેની સીધી અને એકમાત્ર સમજૂતી નથી. તેથી, A અને R બંને સાચા છે, પરંતુ R એ A ની સાચી સમજૂતી નથી.

ટૂંકા પ્રશ્નો

પ્રશ્ન 1

સમજાવો કે શા માટે Cu$^+$ આયન જલીય દ્રાવણમાં અસ્થિર છે જ્યારે Cu$^\{2+\}$ સ્થિર છે.

મોડેલ જવાબ

Cu$^+$ આયન (ઇલેક્ટ્રોનિક બંધારણ [Ar]3d$^\{10\}$) જલીય દ્રાવણમાં અસ્થિર છે અને વિસંવાદીકરણ પામે છે, જેનાથી વધુ સ્થિર Cu$^\{2+\}$ આયનો અને ઘન કોપર બને છે: 2Cu$^+$(aq) (\rightarrow) Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s)

આ વિસંવાદીકરણ જલીય માધ્યમમાં સ્વયંભૂ હોય છે કારણ કે:

1. હાઈડ્રેશન એન્થાલ્પી: Cu$^+$ ની સરખામણીમાં Cu$^\{2+\}$ ની હાઈડ્રેશન એન્થાલ્પી ઘણી વધારે (વધુ નકારાત્મક) હોય છે. આ Cu$^\{2+\}$ ના નાના કદ અને ઉચ્ચ ચાર્જ ઘનતાને કારણે છે, જે પાણીના અણુઓ સાથે મજબૂત ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને મંજૂરી આપે છે. આ મોટી હાઈડ્રેશન ઊર્જા Cu$^+$ માંથી Cu$^\{2+\}$ બનાવવા માટે જરૂરી ઉચ્ચ બીજી આયનીકરણ એન્થાલ્પીને સરભર કરે છે.
2. લેટીસ એન્થાલ્પી: ઘન સંયોજનો માટે, Cu$^\{2+\}$ સંયોજનોની સ્થિરતા સામાન્ય રીતે Cu$^\{2+\}$ ના ઉચ્ચ ચાર્જને કારણે ઉદ્ભવતા મજબૂત આયનીય બંધનને કારણે Cu$^+$ સંયોજનો કરતાં વધુ હોય છે.
3. પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ: વિસંવાદીકરણ પ્રતિક્રિયા (E°cell = +0.37 V) માટેનો પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ (E°) ધન છે, જે દર્શાવે છે કે પ્રતિક્રિયા થર્મોડાયનેમિક રીતે અનુકૂળ છે.
   • Cu$^+$(aq) + e$^-$ (\rightarrow) Cu(s) ; E° = +0.52 V
   • Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ (\rightarrow) Cu$^+$(aq) ; E° = +0.15 V
   • આ પ્રતિક્રિયાનો સ્વયંભૂ સ્વભાવ પાણીમાં Cu$^+$ ની અસ્થિરતા દર્શાવે છે.

તેનાથી વિપરીત, Cu$^\{2+\}$ આયન (ઇલેક્ટ્રોનિક બંધારણ [Ar]3d$^9$) જલીય દ્રાવણમાં સ્થિર છે કારણ કે તેની ઉચ્ચ હાઈડ્રેશન એન્થાલ્પી તેના નિર્માણ માટે જરૂરી ઊર્જાને નોંધપાત્ર રીતે સરભર કરે છે.

પ્રશ્ન 2

કોપર સાથે સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડના ઓક્સિડાઇઝિંગ ગુણધર્મ દર્શાવતી બે પ્રતિક્રિયાઓ આપો.

મોડેલ જવાબ

સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડ (H$_2$SO$_4$) એક મજબૂત ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે, ખાસ કરીને જ્યારે ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે તે પોતાને ઘટાડે છે જ્યારે કોપર જેવી ઓછી પ્રતિક્રિયાશીલ ધાતુઓને ઓક્સિડાઇઝ કરે છે. અહીં બે પ્રતિક્રિયાઓ આપેલી છે:

1. કોપર સાથે પ્રતિક્રિયા (સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ ઉત્પન્ન કરવું): જ્યારે કોપરને સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડ સાથે ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે કોપર કોપર(II) સલ્ફેટમાં ઓક્સિડાઇઝ થાય છે, અને સલ્ફ્યુરિક એસિડ સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ વાયુમાં ઘટાડે છે. Cu(s) + 2H$_2$SO$_4$(conc) (\xrightarrow{\text{heat}}) CuSO$_4$(aq) + SO$_2$(g) + 2H$_2$O(l) આ પ્રતિક્રિયામાં, H$_2$SO$_4$ માં સલ્ફરની ઓક્સિડેશન અવસ્થા +6 થી SO$_2$ માં +4 માં બદલાય છે, જે ઘટાડો દર્શાવે છે. કોપરની ઓક્સિડેશન અવસ્થા 0 થી +2 માં બદલાય છે, જે ઓક્સિડેશન દર્શાવે છે.

2. રેડોક્સ ફેરફારો પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરતું અન્ય નિરૂપણ: આ આવશ્યકપણે સમાન પ્રતિક્રિયા છે પરંતુ રેડોક્સ અર્ધ-પ્રતિક્રિયાઓને વધુ સ્પષ્ટ રીતે દર્શાવે છે: ઓક્સિડેશન અર્ધ-પ્રતિક્રિયા: Cu(s) (\rightarrow) Cu$^\{2+\}$(aq) + 2e$^-$ ઘટાડો અર્ધ-પ્રતિક્રિયા: SO$_4^\{2-\}$(aq) + 4H$^+$(aq) + 2e$^-$ (\rightarrow) SO$_2$(g) + 2H$_2$O(l) આને જોડવાથી ઉપર દર્શાવેલ એકંદર પ્રતિક્રિયા મળે છે. આ સ્પષ્ટપણે H$_2$SO$_4$ ને ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે દર્શાવે છે.

ઉચ્ચ-સ્તરની વિચારસરણી કૌશલ્ય (HOTS) પ્રશ્ન

કોપર +1 અને +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થા દર્શાવે છે. આમાંથી કયું જલીય દ્રાવણમાં વધુ સ્થિર છે અને શા માટે? સંબંધિત થર્મોડાયનેમિક પરિમાણોનો ઉપયોગ કરીને સમજાવો.

વિગતવાર રાસાયણિક સમજૂતી

જલીય દ્રાવણમાં, કોપરની +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થા (Cu$^\{2+\}$), +1 ઓક્સિડેશન અવસ્થા (Cu$^+$) કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધુ સ્થિર છે. આ સ્થિરતાનો તફાવત આયનીકરણ એન્થાલ્પી અને હાઈડ્રેશન એન્થાલ્પીના આંતરક્રિયાને ધ્યાનમાં રાખીને સમજાવી શકાય છે.

1. ઇલેક્ટ્રોનિક બંધારણ:

   • Cu: [Ar]3d$^\{10\}$4s$^1$
   • Cu$^+$: [Ar]3d$^\{10\}$ (સ્થિર, સંપૂર્ણ ભરાયેલ d-ઉપકક્ષા)
   • Cu$^\{2+\}$: [Ar]3d$^9$ (અસ્થિર, અપૂર્ણ d-ઉપકક્ષા, પરંતુ દ્રાવણમાં આવશ્યકપણે અસ્થિર નથી)

2. આયનીકરણ એન્થાલ્પી:

   • Cu$^+$ ના નિર્માણ માટે પ્રથમ આયનીકરણ એન્થાલ્પી (Δ$_i$H$_1$) ની જરૂર પડે છે.
   • Cu$^\{2+\}$ ના નિર્માણ માટે પ્રથમ અને બીજી આયનીકરણ એન્થાલ્પી (Δ$_i$H$_1$ + Δ$_i$H$_2$) ના સરવાળાની જરૂર પડે છે.
   • કારણ કે બીજી આયનીકરણ એન્થાલ્પી (Δ$_i$H$_2$) હંમેશા પ્રથમ (Δ$_i$H$_1$) કરતાં વધુ હોય છે, Cu$^\{2+\}$ બનાવવા માટે Cu$^+$ બનાવવા કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધુ ઊર્જાની જરૂર પડે છે. માત્ર આયનીકરણ ઊર્જાના દૃષ્ટિકોણથી, Cu$^+$ વધુ અનુકૂળ લાગે છે.

3. હાઈડ્રેશન એન્થાલ્પી:

   • જ્યારે આયનને પાણીમાં મૂકવામાં આવે છે, ત્યારે તે હાઇડ્રેટેડ થાય છે, જેનાથી હાઈડ્રેશન એન્થાલ્પી (Δ$_\{hyd\}$H) તરીકે ઓળખાતી ઊર્જા મુક્ત થાય છે. આ ઊર્જા આયનને સ્થિર કરે છે.
   • Cu$^+$ ની સરખામણીમાં Cu$^\{2+\}$ ની હાઈડ્રેશન એન્થાલ્પી ઘણી વધારે (વધુ નકારાત્મક, એટલે કે વધુ ઊર્જા મુક્ત થાય છે) હોય છે. આનું કારણ:
     • ઉચ્ચ ચાર્જ: Cu$^\{2+\}$ માં Cu$^+$ કરતાં બમણો ચાર્જ હોય છે.
     • નાની આયનીય ત્રિજ્યા: Cu$^\{2+\}$ ની આયનીય ત્રિજ્યા Cu$^+$ કરતાં નાની હોય છે (ઉચ્ચ અસરકારક ન્યુક્લિયર ચાર્જને કારણે).
   • આ પરિબળો Cu$^\{2+\}$ આયનો અને ધ્રુવીય પાણીના અણુઓ વચ્ચે મજબૂત ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક આકર્ષણ તરફ દોરી જાય છે, જેના પરિણામે નોંધપાત્ર રીતે વધુ હાઈડ્રેશન ઊર્જા મળે છે.

4. એકંદર સ્થિરતા અને વિસંવાદીકરણ: Cu$^\{2+\}$ ની મોટી હાઈડ્રેશન એન્થાલ્પી Cu$^+$ માંથી બીજો ઇલેક્ટ્રોન દૂર કરવા માટે જરૂરી ઉચ્ચ બીજી આયનીકરણ એન્થાલ્પીને અસરકારક રીતે સરભર કરે છે. જલીય દ્રાવણમાં Cu$^+$ ની અસ્થિરતા તેના વિસંવાદીકરણ પામવાના વલણ પરથી સ્પષ્ટ થાય છે: 2Cu$^+$(aq) (\rightarrow) Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s)

   આ પ્રતિક્રિયાની સ્વયંભૂતાનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે, આપણે પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ જોઈએ છીએ:

   • Cu$^+$ નું ઘટાડો: Cu$^+$(aq) + e$^-$ (\rightarrow) Cu(s); E° = +0.52 V
   • Cu$^\{2+\}$ નું ઘટાડો: Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ (\rightarrow) Cu$^+$(aq); E° = +0.15 V

   વિસંવાદીકરણ પ્રતિક્રિયા 2Cu$^+$(aq) (\rightarrow) Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s) માટે, આપણે તેને આ રીતે ધ્યાનમાં લઈ શકીએ:

   • Cu$^+$(aq) (\rightarrow) Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ (ઓક્સિડેશન)
   • Cu$^+$(aq) + e$^-$ (\rightarrow) Cu(s) (ઘટાડો)

   આ વિસંવાદીકરણ માટેનો પ્રમાણભૂત કોષ પોટેન્શિયલ (E°cell) છે: E°cell = E°(Cu$^+$ નો ઘટાડો) - E°(Cu$^\{2+\}$ થી Cu$^+$ નો ઘટાડો) E°cell = (+0.52 V) - (+0.15 V) = +0.37 V

   કારણ કે E°cell ધન (+0.37 V) છે, જલીય દ્રાવણમાં Cu$^+$ નું વિસંવાદીકરણ એક સ્વયંભૂ પ્રક્રિયા છે (ΔG° = -nFE°cell, તેથી ΔG° નકારાત્મક હશે). આનો અર્થ એ છે કે Cu$^+$ પાણીમાં થર્મોડાયનેમિક રીતે અસ્થિર છે અને સરળતાથી વધુ સ્થિર Cu$^\{2+\}$ અને તત્વ કોપરમાં રૂપાંતરિત થશે.

નિષ્કર્ષ: Cu$^+$ માં સ્થિર 3d$^\{10\}$ બંધારણ હોવા છતાં અને તેના નિર્માણ માટે ઓછી ઊર્જાની જરૂર હોવા છતાં, Cu$^\{2+\}$ આયનની નોંધપાત્ર રીતે મોટી હાઈડ્રેશન એન્થાલ્પી, Cu$^+$ ના વિસંવાદીકરણ માટેના ધન પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ સાથે મળીને, Cu$^\{2+\}$ ઓક્સિડેશન અવસ્થાને જલીય દ્રાવણમાં વધુ સ્થિર બનાવે છે.