ગોલ્ડ (Au) નું રસાયણ વિજ્ઞાન - ઉકેલાયેલા અભ્યાસ પ્રશ્નો

બહુવિકલ્પી પ્રશ્નો (MCQs)

Question 1

તેના સંયોજનોમાં ગોલ્ડ (Au) ની સૌથી સામાન્ય અને સ્થિર ઓક્સિડેશન અવસ્થા કઈ છે?

A) +1 B) +2 C) +3 D) +4

સાચો જવાબ: C) +3

સમજૂતી: ગોલ્ડ મુખ્યત્વે +1 અને +3 ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ દર્શાવે છે. જ્યારે Au(I) સંયોજનો સ્થિર હોય છે (દા.ત., AuCN), Au(III) ઘણીવાર જલીય દ્રાવણોમાં અને AuCl₃ અને H[AuCl₄] જેવા ઘણા ઘન સંયોજનોમાં વધુ સામાન્ય અને સ્થિર હોય છે.

Question 2

ગોલ્ડ તેની નિષ્ક્રિયતા માટે જાણીતું છે. નીચેનામાંથી કયું રીએજન્ટ ગોલ્ડને ઓગાળી શકે છે?

A) Concentrated HCl B) Concentrated HNO₃ C) Aqua Regia D) Dilute H₂SO₄

સાચો જવાબ: C) Aqua Regia

સમજૂતી: ગોલ્ડ એક ઉમદા ધાતુ છે અને તે સાંદ્ર HCl અથવા સાંદ્ર HNO₃ જેવા એકલ એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા આપતી નથી. એક્વા રેજીયા, જે સાંદ્ર HCl ના 3 ભાગ અને સાંદ્ર HNO₃ ના 1 ભાગનું મિશ્રણ છે, તે સિનર્જિસ્ટિક ક્રિયા દ્વારા ગોલ્ડને ઓગાળે છે. નાઈટ્રિક એસિડ ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે, Au³⁺ આયનો બનાવે છે, અને હાઈડ્રોક્લોરિક એસિડ સ્થિર ટેટ્રાક્લોરોઓરેટ(III) સંકીર્ણ, [AuCl₄]⁻ બનાવે છે, જે સંતુલનને આગળ ધકેલે છે, અને દ્રાવણને પ્રોત્સાહન આપે છે.

Question 3

સાયનાઈડ પ્રક્રિયા (મેકઆર્થર-ફોરેસ્ટ પ્રક્રિયા) દ્વારા ગોલ્ડના નિષ્કર્ષણમાં, ગોલ્ડ નીચેનામાંથી કયા સંકીર્ણમાં રૂપાંતરિત થાય છે?

A) [AuCl₄]⁻ B) [Au(CN)₂]⁻ C) [Au(OH)₄]⁻ D) [Au(NH₃)₄]³⁺

સાચો જવાબ: B) [Au(CN)₂]⁻

સમજૂતી: મેકઆર્થર-ફોરેસ્ટ સાયનાઈડ પ્રક્રિયામાં, બારીક કચરેલા ગોલ્ડ અયસ્કને હવા (ઓક્સિજન) ની હાજરીમાં સોડિયમ અથવા પોટેશિયમ સાયનાઈડના પાતળા દ્રાવણમાં ઓગાળવામાં આવે છે. આ એક દ્રાવ્ય ડાયસાયનોઓરેટ(I) સંકીર્ણ, [Au(CN)₂]⁻ બનાવે છે. પ્રતિક્રિયા નીચે મુજબ છે: 4Au(s) + 8CN⁻(aq) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4[Au(CN)₂]⁻(aq) + 4OH⁻(aq)

---

વિધાન-કારણ પ્રશ્નો

નિર્દેશો: નીચેના પ્રશ્નોમાં, વિધાન (A) પછી કારણ (R) નું નિવેદન આપેલું છે. યોગ્ય 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.

Question 4

વિધાન (A): ગોલ્ડ એક ઉમદા ધાતુ છે અને તે સરળતાથી ક્ષારણ પામતું નથી. કારણ (R): ગોલ્ડ ખૂબ ઊંચો હકારાત્મક પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ ધરાવે છે (E°Au³⁺/Au = +1.50 V).

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

સમજૂતી: ઊંચો હકારાત્મક પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ ધાતુમાં ઓક્સિડેશનનો પ્રતિકાર કરવાની અને તેની ધાતુ અવસ્થામાં રહેવાની મજબૂત વૃત્તિ દર્શાવે છે. આ ગોલ્ડને ઓક્સિડેશન, કાટ અને મોટાભાગના એસિડ્સ સાથેની પ્રતિક્રિયા સામે અત્યંત પ્રતિરોધક બનાવે છે, તેને એક ઉમદા ધાતુ તરીકે વર્ગીકૃત કરે છે. તેથી, કારણ વિધાનને યોગ્ય રીતે સમજાવે છે.

Question 5

વિધાન (A): ગોલ્ડ પીળો દેખાય છે, ચાંદીથી વિપરીત જે સફેદ હોય છે. કારણ (R): ગોલ્ડનો પીળો રંગ તેના ઇલેક્ટ્રોન ઓર્બિટલ પર રિલેટિવિસ્ટિક અસરોને કારણે છે, જેના પરિણામે વાદળી પ્રકાશનું શોષણ થાય છે.

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

સમજૂતી: ગોલ્ડનો અનન્ય પીળો રંગ ખરેખર રિલેટિવિસ્ટિક અસરોને કારણે છે. ગોલ્ડ જેવા ભારે તત્વો માટે, રિલેટિવિસ્ટિક અસરો 6s ઓર્બિટલને સંકોચાઈને ઓછી ઉર્જાવાળી બનાવે છે, જ્યારે 5d ઓર્બિટલ સ્થિર થાય છે. આ 5d અને 6s/6p બેન્ડ્સ વચ્ચેના ઉર્જાના અંતરને ઘટાડે છે, જેનાથી દૃશ્યમાન સ્પેક્ટ્રમમાંથી ઉચ્ચ ઉર્જાવાળા ફોટોન (વાદળી અને જાંબલી પ્રકાશ) નું શોષણ થાય છે. પૂરક પીળો અને લાલ પ્રકાશ પછી પરાવર્તિત થાય છે, જે ગોલ્ડને તેનો લાક્ષણિક સોનેરી રંગ આપે છે. ચાંદી, હલકી હોવાને કારણે, આ અસરોનો સમાન હદ સુધી અનુભવ કરતી નથી, જેના કારણે ઉર્જાનો મોટો અંતર રહે છે અને માત્ર UV પ્રકાશનું શોષણ થાય છે, જે તમામ દૃશ્યમાન પ્રકાશને પરાવર્તિત કરે છે (સફેદ દેખાય છે).

---

ટૂંકા પ્રશ્નો

Question 6

સમજાવો કે ગોલ્ડ એકલા નાઈટ્રિક એસિડમાં કેમ ઓગળતું નથી પરંતુ એક્વા રેજીયામાં ઓગળે છે.

આદર્શ જવાબ: ગોલ્ડ એકલા નાઈટ્રિક એસિડમાં ઓગળતું નથી કારણ કે તે ખૂબ ઊંચા હકારાત્મક પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ (E°Au³⁺/Au = +1.50 V) ધરાવતી ઉમદા ધાતુ છે. આ ઉચ્ચ પોટેન્શિયલ H⁺ આયનો અથવા નાઈટ્રેટ્સ દ્વારા ઓક્સિડેશન સામે તેના મજબૂત પ્રતિકારને સૂચવે છે.

જોકે, ગોલ્ડ એક્વા રેજીયા (સાંદ્ર HCl અને સાંદ્ર HNO₃ નું 3:1 મિશ્રણ) માં સિનર્જિસ્ટિક ક્રિયાને કારણે ઓગળે છે:

1. નાઈટ્રિક એસિડ દ્વારા ઓક્સિડેશન: નાઈટ્રિક એસિડ એક શક્તિશાળી ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે, જે ધાતુના ગોલ્ડ (Au⁰) ને ગોલ્ડ(III) આયનો (Au³⁺) માં ઓક્સિડાઇઝ કરે છે: Au(s) + 4H⁺(aq) + 3NO₃⁻(aq) → Au³⁺(aq) + 3NO₂(g) + 2H₂O(l) (સરળ પ્રતિક્રિયા)
2. હાઈડ્રોક્લોરિક એસિડ દ્વારા સંકીર્ણ નિર્માણ: તે જ સમયે, હાઈડ્રોક્લોરિક એસિડ નવજાત Au³⁺ આયનો સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને અત્યંત સ્થિર ટેટ્રાક્લોરોઓરેટ(III) સંકીર્ણ એનાયન, [AuCl₄]⁻ બનાવે છે: Au³⁺(aq) + 4Cl⁻(aq) → [AuCl₄]⁻(aq)

સ્થિર [AuCl₄]⁻ સંકીર્ણનું નિર્માણ દ્રાવણમાં મુક્ત Au³⁺ આયનોની સાંદ્રતામાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરે છે. લે શાટેલિયરના સિદ્ધાંત અનુસાર, Au³⁺ આયનોને દૂર કરવાથી પ્રારંભિક ઓક્સિડેશન પ્રતિક્રિયાનું સંતુલન જમણી તરફ ખસે છે, જે વધુ ગોલ્ડના સતત વિસર્જનને પ્રોત્સાહન આપે છે. એકંદર પ્રતિક્રિયા નીચે મુજબ રજૂ કરી શકાય છે: Au(s) + 3HCl(aq) + HNO₃(aq) → HAuCl₄ + NO(g) + 2H₂O(l)

Question 7

ગોલ્ડ નિષ્કર્ષણ માટે મેકઆર્થર-ફોરેસ્ટ સાયનાઈડ પ્રક્રિયામાં સાયનાઈડ અને ઓક્સિજનની ભૂમિકાનું વર્ણન કરો.

આદર્શ જવાબ: ગોલ્ડ નિષ્કર્ષણ માટે મેકઆર્થર-ફોરેસ્ટ સાયનાઈડ પ્રક્રિયામાં, બારીક કચરેલા ગોલ્ડ અયસ્કને ઓક્સિજનની હાજરીમાં સોડિયમ અથવા પોટેશિયમ સાયનાઈડના પાતળા દ્રાવણ સાથે લીચ કરવામાં આવે છે. સાયનાઈડ અને ઓક્સિજન બંને મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે:

1. સાયનાઈડ (CN⁻) ની ભૂમિકા: સાયનાઈડ એક સંકીર્ણ બનાવનાર એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે. તે ધાતુના ગોલ્ડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને અત્યંત સ્થિર, દ્રાવ્ય ડાયસાયનોઓરેટ(I) સંકીર્ણ, [Au(CN)₂]⁻ બનાવે છે. આ સંકીર્ણ નિર્માણ અત્યંત મહત્વપૂર્ણ છે કારણ કે તે ગોલ્ડને, જે અન્યથા પાણી અને મોટાભાગના રીએજન્ટ્સમાં અદ્રાવ્ય છે, જલીય દ્રાવણમાં ઓગળવા દે છે. સંકીર્ણની સ્થિરતા સંતુલનને ગોલ્ડના વિસર્જન તરફ ખસેડે છે.

2. ઓક્સિજન (O₂) ની ભૂમિકા: ઓક્સિજન એક ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે. તે ધાતુના ગોલ્ડ (Au⁰) ને Au(I) ઓક્સિડેશન અવસ્થામાં ઓક્સિડાઇઝ કરે છે, જે ગોલ્ડને સાયનાઈડ આયનો સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને સંકીર્ણ બનાવવા માટે જરૂરી છે. ઓક્સિજનની ગેરહાજરીમાં, ઓક્સિડેશન પ્રક્રિયા થશે નહીં, અને ગોલ્ડ ઓગળશે નહીં. ઓક્સિજન અનિવાર્યપણે ઘન ગોલ્ડને તેના આયનીય સ્વરૂપમાં રૂપાંતરિત કરવામાં મદદ કરે છે.

તેમની સંયુક્ત ભૂમિકા દર્શાવતી એકંદર રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા આ મુજબ છે: 4Au(s) + 8CN⁻(aq) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4[Au(CN)₂]⁻(aq) + 4OH⁻(aq) આ પ્રક્રિયા ગોલ્ડને તેના અયસ્કમાંથી અસરકારક રીતે દ્રાવ્ય બનાવે છે, જેનાથી તેને પછીથી રિડક્શન (દા.ત., ઝીંકનો ઉપયોગ કરીને) દ્વારા પુનઃપ્રાપ્ત કરી શકાય છે.

---

ઉચ્ચ-સ્તરની વિચારધારા (HOTS) પ્રશ્ન

Question 8

મોટાભાગની સંક્રાંતિ ધાતુઓ પરિવર્તનશીલ ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ દર્શાવે છે અને રંગીન સંયોજનો બનાવે છે. ગોલ્ડ (Au), એક d-બ્લોક તત્વ છે, તે મુખ્યત્વે +1 અને +3 ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ દર્શાવે છે અને સ્થિર સંકીર્ણ બનાવે છે. સમજાવો કે શા માટે ગોલ્ડ ઘણીવાર લોખંડ અથવા તાંબા જેવી અન્ય સંક્રાંતિ ધાતુઓ કરતાં ઓછું પ્રતિક્રિયાશીલ જણાય છે, અને તેની ઇલેક્ટ્રોનિક રચના તેના ગુણધર્મોમાં કેવી રીતે ફાળો આપે છે.

આદર્શ જવાબ: ગોલ્ડના અનન્ય ગુણધર્મો, જેમાં લોખંડ અથવા તાંબા જેવી અન્ય સંક્રાંતિ ધાતુઓની તુલનામાં તેની સંબંધિત નિષ્ક્રિયતા, અને તેની લાક્ષણિક ઇલેક્ટ્રોનિક રચનાનો સમાવેશ થાય છે, તે અનેક પરિબળોમાં મૂળ ધરાવે છે:

1. ઇલેક્ટ્રોનિક રચના અને આયનીકરણ ઉર્જા: ગોલ્ડની ઇલેક્ટ્રોનિક રચના [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹ છે.

   • ઉચ્ચ પ્રથમ આયનીકરણ ઉર્જા: ગોલ્ડ ખૂબ ઊંચી પ્રથમ આયનીકરણ ઉર્જા ધરાવે છે. આ તેના કોમ્પેક્ટ ન્યુક્લિયર ચાર્જ (Z=79) અને તેના 6s ઓર્બિટલના રિલેટિવિસ્ટિક સંકોચનને કારણે છે. રિલેટિવિસ્ટિક અસર 6s ઇલેક્ટ્રોનને ન્યુક્લિયસ સાથે વધુ મજબૂત રીતે બાંધે છે, તેમને દૂર કરવા માટે નોંધપાત્ર માત્રામાં ઉર્જાની જરૂર પડે છે. આ ઉચ્ચ આયનીકરણ ઉર્જા ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવવાની અને ઓક્સિડેશન થવાની તેની અનિચ્છામાં ફાળો આપે છે.
   • સ્થિર d¹⁰ રચના: ગોલ્ડ સંપૂર્ણપણે ભરાયેલ 5d¹⁰ સબશેલ ધરાવે છે. આ સ્થિર રચના આંશિક રીતે ભરાયેલા d-ઓર્બિટલ ધરાવતી સંક્રાંતિ ધાતુઓ કે જે ધાતુબંધન અને રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓમાં સરળતાથી ભાગ લે છે, તેની સરખામણીમાં તેની સામાન્ય રીતે ઓછી પ્રતિક્રિયાશીલતામાં ફાળો આપે છે.

2. ઉચ્ચ પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ: ગોલ્ડ ખૂબ ઊંચો હકારાત્મક પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ ધરાવે છે (E°Au³⁺/Au = +1.50 V; E°Au⁺/Au = +1.69 V). આ સૂચવે છે કે ગોલ્ડ આયનો બનાવવાની જગ્યાએ તેની ધાતુ, બિન-ઓક્સિડાઇઝ્ડ અવસ્થામાં રહેવાની મજબૂત વૃત્તિ ધરાવે છે. સરખામણીમાં, લોખંડ (E°Fe²⁺/Fe = -0.44 V) અને તાંબુ (E°Cu²⁺/Cu = +0.34 V) જેવા તત્વોમાં ઘણા નીચા અથવા નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ હોય છે, જે ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવવાની અને પ્રતિક્રિયા કરવાની વધુ વૃત્તિ દર્શાવે છે.

3. રિલેટિવિસ્ટિક અસરો: ગોલ્ડ માટે, એક ખૂબ ભારે તત્વ હોવાને કારણે, રિલેટિવિસ્ટિક અસરો નોંધપાત્ર બની જાય છે:

   • 6s ઓર્બિટલનું સંકોચન: 6s ઓર્બિટલમાં ઇલેક્ટ્રોન રિલેટિવિસ્ટિક દળ વૃદ્ધિ માટે પૂરતી ઊંચી ઝડપે ફરે છે, જેના કારણે ઓર્બિટલ સંકોચાય છે અને ઉર્જામાં નોંધપાત્ર રીતે નીચી બની જાય છે. આ 6s ઇલેક્ટ્રોનને દૂર કરવા અત્યંત મુશ્કેલ બનાવે છે.
   • 5d ઓર્બિટલનું સ્થિરીકરણ: સંકોચિત s-ઇલેક્ટ્રોનમાંથી વધેલા શીલ્ડિંગને કારણે 5d ઓર્બિટલ્સ પણ અમુક અંશે સ્થિર થાય છે. આ રિલેટિવિસ્ટિક અસરો કબજે કરેલા d-ઓર્બિટલ્સ અને ખાલી s/p ઓર્બિટલ્સ વચ્ચે ઉર્જાનો મોટો અંતર તરફ દોરી જાય છે, જે તેના રાસાયણિક વર્તનને અસર કરે છે અને તેની સંબંધિત નિષ્ક્રિયતામાં ફાળો આપે છે.

4. સંકીર્ણ નિર્માણની વૃત્તિ: ઘણા રીએજન્ટ્સ દ્વારા સીધા ઓક્સિડેશન પ્રત્યે તેની નિષ્ક્રિયતા હોવા છતાં, ગોલ્ડ સરળતાથી સ્થિર સંકીર્ણ બનાવે છે, ખાસ કરીને સાયનાઈડ (CN⁻) અને હેલાઇડ્સ (Cl⁻) જેવા નરમ લિગેન્ડ્સ સાથે. આ સ્થિર સંકીર્ણ (દા.ત., [Au(CN)₂]⁻, [AuCl₄]⁻) નું નિર્માણ એક્વા રેજીયા અથવા સાયનાઈડ દ્રાવણો જેવા વિશિષ્ટ રીએજન્ટ્સમાં તેના વિસર્જન માટે નિર્ણાયક છે. આ સંકીર્ણની ઉચ્ચ સ્થિરતા પ્રતિક્રિયા સંતુલનને ખસેડે છે, જે અસરકારક રીતે Au આયનોને દ્રાવણમાં ‘ખેંચે છે’ અને તેની સહજ નિષ્ક્રિયતાને દૂર કરે છે.

સારાંશમાં, ગોલ્ડની અપવાદરૂપ નિષ્ક્રિયતા તેની ઉચ્ચ આયનીકરણ ઉર્જા, સ્થિર d¹⁰ ઇલેક્ટ્રોનિક રચના અને નિર્ણાયક રીતે, નોંધપાત્ર રિલેટિવિસ્ટિક અસરોને કારણે છે જે તેના સંયોજક ઇલેક્ટ્રોનને મજબૂત રીતે બાંધે છે, જે ખૂબ ઊંચા હકારાત્મક પ્રમાણભૂત ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ તરીકે પ્રગટ થાય છે. ઘણા રીએજન્ટ્સ પ્રત્યે નિષ્ક્રિય હોવા છતાં, ઉચ્ચ સ્થિર સંકીર્ણ બનાવવાની તેની ક્ષમતા તેને વિશિષ્ટ પરિસ્થિતિઓમાં પ્રતિક્રિયા કરવા દે છે.