નાઇટ્રોજન (N) રસાયણશાસ્ત્રના પ્રેક્ટિસ પ્રશ્નો

બહુવિકલ્પી પ્રશ્નો (MCQs)

1. નીચેનામાંથી કયું વિધાન ઓરડાના તાપમાને ડાયનાઇટ્રોજન (N$_2$) ની નિષ્ક્રિયતાને શ્રેષ્ઠ રીતે સમજાવે છે?

A) નાઇટ્રોજન નાનું પરમાણુ કદ ધરાવે છે. B) નાઇટ્રોજન ઉચ્ચ વિદ્યુતઋણતા ધરાવે છે. C) N$_2$ માં N≡N બંધ ખૂબ ઊંચી બંધ વિયોજન એન્થાલ્પી ધરાવે છે. D) નાઇટ્રોજન અધાતુ છે.

ઉકેલ: C સમજૂતી: ડાયનાઇટ્રોજન (N$_2$) ત્રિબંધ (N≡N) ધરાવે છે, જે ખૂબ જ મજબૂત છે. N≡N બંધ માટે બંધ વિયોજન એન્થાલ્પી આશરે 946 kJ/mol છે, જે દ્વિપરમાણુ અણુ માટે જાણીતી સૌથી ઊંચી એન્થાલ્પી પૈકી એક છે. આ બંધને તોડવા માટે જરૂરી આ ઉચ્ચ ઊર્જા N$_2$ ને રાસાયણિક રીતે નિષ્ક્રિય અને ઓરડાના તાપમાને અપ્રતિક્રિયાત્મક બનાવે છે.

2. એમોનિયમ નાઇટ્રેટ (NH$_4$NO$_3$) માં નાઇટ્રોજનની ઓક્સિડેશન અવસ્થા શું છે?

A) +5 અને -3 B) +3 અને -5 C) +1 અને -1 D) +4 અને -4

ઉકેલ: A સમજૂતી: એમોનિયમ નાઇટ્રેટ એ એમોનિયમ આયન (NH_4$$^+) અને નાઇટ્રેટ આયન (NO_3$$^-) થી બનેલું આયનીય સંયોજન છે. NH_4$$^+ માં: N ની ઓક્સિડેશન અવસ્થા ‘x’ ધારો. x + 4(+1) = +1 => x + 4 = +1 => x = -3. NO_3$$^- માં: N ની ઓક્સિડેશન અવસ્થા ‘y’ ધારો. y + 3(-2) = -1 => y - 6 = -1 => y = +5. તેથી, NH$_4$NO$_3$ માં નાઇટ્રોજન બે અલગ-અલગ ઓક્સિડેશન અવસ્થા દર્શાવે છે: એમોનિયમ આયનમાં -3 અને નાઇટ્રેટ આયનમાં +5.

3. એમોનિયાના ઉત્પાદન માટેની હેબર પ્રક્રિયા માટે નીચેનામાંથી કઈ શરતોનો સમૂહ સાચો છે?

A) ઊંચું તાપમાન, નીચું દબાણ, ઉત્પ્રેરકની હાજરી. B) નીચું તાપમાન, ઊંચું દબાણ, ઉત્પ્રેરકની ગેરહાજરી. C) ઊંચું તાપમાન, ઊંચું દબાણ, ઉત્પ્રેરકની હાજરી. D) નીચું તાપમાન, નીચું દબાણ, ઉત્પ્રેરકની હાજરી.

ઉકેલ: C સમજૂતી: હેબર પ્રક્રિયા (N$_2$(g) + 3H$_2$(g) ⇌ 2NH$_3$(g), ΔH = -92.4 kJ/mol) એ ઉષ્માક્ષેપક પ્રક્રિયા છે જે મોલની સંખ્યામાં ઘટાડો કરે છે. લે ચેટેલિયરના સિદ્ધાંત મુજબ:

• તાપમાન: પ્રક્રિયા ઉષ્માક્ષેપક હોવાથી, નીચું તાપમાન એમોનિયાના નિર્માણને અનુકૂળ છે. જોકે, આર્થિક રીતે સક્ષમ પ્રક્રિયા દર હાંસલ કરવા માટે, 673-773 K (400-500 °C) નું સમાધાન તાપમાનનો ઉપયોગ થાય છે.
• દબાણ: પ્રક્રિયામાં મોલની સંખ્યામાં ઘટાડો થાય છે (પ્રક્રિયકોના 4 મોલમાંથી ઉત્પાદનના 2 મોલ). તેથી, ઊંચું દબાણ એમોનિયાના નિર્માણને અનુકૂળ છે. સામાન્ય રીતે, 200-300 atm ના દબાણનો ઉપયોગ થાય છે.
• ઉત્પ્રેરક: પ્રક્રિયાનો દર વધારવા માટે આયર્ન ઉત્પ્રેરક (ઘણીવાર મોલિબ્ડેનમ પ્રોમોટર તરીકે) નો ઉપયોગ થાય છે, જે સંતુલનની સ્થિતિને અસર કર્યા વિના સંતુલન ઝડપથી હાંસલ કરવામાં મદદ કરે છે.

આમ, શરતોનો સાચો સમૂહ ઊંચું તાપમાન (ગતિશીલ અનુકૂળતાની સાપેક્ષમાં), ઊંચું દબાણ અને ઉત્પ્રેરકની હાજરી છે.

વિધાન-કારણ પ્રશ્નો

સૂચના: નીચેના પ્રશ્નોમાં, વિધાન (A) પછી કારણ (R) આપવામાં આવેલું છે. 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.

1. વિધાન (A): ડાયનાઇટ્રોજન (N$_2$) સફેદ ફોસ્ફરસ (P$_4$) કરતાં ઓછું પ્રતિક્રિયાત્મક છે.

કારણ (R): નાઇટ્રોજન મજબૂત N≡N બંધ ધરાવે છે અને ફોસ્ફરસથી વિપરીત, બંધ વિસ્તરણ માટે d-કક્ષકોનો અભાવ ધરાવે છે.

ઉકેલ: A સમજૂતી:

• વિધાન (A): ડાયનાઇટ્રોજન ખરેખર સફેદ ફોસ્ફરસ કરતાં ઓછું પ્રતિક્રિયાત્મક છે. N$_2$ ઓરડાના તાપમાને એકદમ નિષ્ક્રિય હોય છે, જ્યારે સફેદ ફોસ્ફરસ અત્યંત પ્રતિક્રિયાત્મક હોય છે અને હવામાં સ્વયંભૂ સળગી ઉઠે છે.
• કારણ (R): ડાયનાઇટ્રોજનમાં N≡N ત્રિબંધ અપવાદરૂપે ઊંચી બંધ વિયોજન એન્થાલ્પી (946 kJ/mol) ધરાવે છે, જેના કારણે તેને તોડવું મુશ્કેલ બને છે. તેની નિષ્ક્રિયતાનું આ મુખ્ય કારણ છે. વધુમાં, નાઇટ્રોજન તેના સંયોજકતા કોષમાં સુલભ d-કક્ષકોનો અભાવ ધરાવે છે, જે તેને તેના અષ્ટકને વિસ્તૃત કરવા અને ચાર કરતાં વધુ બંધ બનાવવા દેતું નથી. બીજી બાજુ, ફોસ્ફરસ ખાલી d-કક્ષકો ધરાવે છે, જે તેને ચાર કરતાં વધુ બંધ બનાવવા (દા.ત., PCl$_5$) અને પ્રક્રિયાઓની વ્યાપક શ્રેણીમાં ભાગ લેવાની મંજૂરી આપે છે. P$_4$ માં P-P એકલ બંધ પણ N≡N ત્રિબંધ કરતાં નબળો છે. A અને R બંને સાચા છે, અને R યોગ્ય રીતે સમજાવે છે કે શા માટે N$_2$ ઓછું પ્રતિક્રિયાત્મક છે.

2. વિધાન (A): સાંદ્ર નાઇટ્રિક એસિડ પ્રબળ ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે.

કારણ (R): સાંદ્ર નાઇટ્રિક એસિડમાં, નાઇટ્રોજન તેની ઉચ્ચતમ શક્ય ઓક્સિડેશન અવસ્થા +5 માં હોય છે.

ઉકેલ: A સમજૂતી:

• વિધાન (A): સાંદ્ર નાઇટ્રિક એસિડ (HNO$_3$) એક શક્તિશાળી ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ છે, જે ઘણા ધાતુઓ (Au, Pt જેવી ઉમદા ધાતુઓ સિવાય) અને અધાતુઓને ઓક્સિડાઇઝ કરવામાં સક્ષમ છે.
• કારણ (R): HNO$_3$ માં, નાઇટ્રોજનની ઓક્સિડેશન અવસ્થાની ગણતરી આ પ્રમાણે થાય છે: x + 1(+1) + 3(-2) = 0 => x - 5 = 0 => x = +5. નાઇટ્રોજન માટે આ સર્વોચ્ચ શક્ય ઓક્સિડેશન અવસ્થા છે. નાઇટ્રોજન તેની સર્વોચ્ચ ઓક્સિડેશન અવસ્થામાં હોવાથી, તે ફક્ત તેની ઓક્સિડેશન અવસ્થા ઘટાડી શકે છે, એટલે કે તે ફક્ત રિડ્યુસ થઈ શકે છે. જે પ્રજાતિઓ રિડ્યુસ થાય છે તે ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે. A અને R બંને સાચા છે, અને R એ A માટે યોગ્ય સમજૂતી પૂરી પાડે છે.

ટૂંકા જવાબી પ્રશ્નો

1. સમજાવો કે એમોનિયા (NH$_3$) લુઈસ બેઝ તરીકે શા માટે કાર્ય કરે છે.

આદર્શ જવાબ: એમોનિયા (NH$_3$) નાઇટ્રોજન પરમાણુ પર ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મ (એક અબંધકારક ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મ) ની હાજરીને કારણે લુઈસ બેઝ તરીકે કાર્ય કરે છે. લુઈસ સિદ્ધાંત મુજબ, લુઈસ બેઝ એ એવી પ્રજાતિ છે જે ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મનું દાન કરી શકે છે. એમોનિયામાં નાઇટ્રોજન પરમાણુ પાંચ સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન ધરાવે છે; તેમાંથી ત્રણ હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ સાથે સહસંયોજક બંધ બનાવવા માટે વહેંચાયેલા હોય છે, અને એક અબંધકારક ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મ બાકી રહે છે. આ સરળતાથી ઉપલબ્ધ અબંધકારક ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મ ઇલેક્ટ્રોન-ઊણપવાળી પ્રજાતિ (લુઈસ એસિડ) ને દાન કરી શકાય છે, જે સંવર્ગ સહસંયોજક બંધ બનાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે: NH$_3$ + H$^+$ → NH_4$$^+ (એમોનિયા પોતાનું અબંધકારક ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મ H$^+$ ને દાન કરે છે) NH$_3$ + BF$_3$ → H$_3$N → BF$_3$ (એમોનિયા પોતાનું અબંધકારક ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મ ઇલેક્ટ્રોન-ઊણપવાળા BF$_3$ ને દાન કરે છે)

2. નાઇટ્રિક એસિડના ઉત્પાદન માટે ઓસ્ટવાલ્ડ પ્રક્રિયામાં સમાવિષ્ટ મુખ્ય પગલાંનું વર્ણન કરો.

આદર્શ જવાબ: ઓસ્ટવાલ્ડ પ્રક્રિયા એ એમોનિયા (NH$_3$) માંથી નાઇટ્રિક એસિડ (HNO$_3$) ના ઉત્પાદન માટેની ઔદ્યોગિક પદ્ધતિ છે. તેમાં ત્રણ મુખ્ય પગલાં શામેલ છે:

1. એમોનિયાનું ઉત્પ્રેરકીય ઓક્સિડેશન: હવા (અથવા ઓક્સિજન) સાથે મિશ્રિત એમોનિયા વાયુને લગભગ 800-950 °C તાપમાને અને 9 બાર દબાણે ગરમ પ્લેટિનમ-રોડિયમ જાળી ઉત્પ્રેરક પરથી પસાર કરવામાં આવે છે. એમોનિયાનું નાઇટ્રિક ઑક્સાઇડ (NO) અને પાણીમાં ઓક્સિડેશન થાય છે. 4NH$_3$(g) + 5O$_2$(g) $\xrightarrow\{\text\{Pt/Rh gauze, 800-950°C\}\}$ 4NO(g) + 6H$_2$O(g)

2. નાઇટ્રિક ઑક્સાઇડનું ઓક્સિડેશન: ઉત્પન્ન થયેલ નાઇટ્રિક ઑક્સાઇડ (NO) ને ઠંડુ કરવામાં આવે છે અને પછી વધારાની હવા (અથવા ઓક્સિજન) સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને નાઇટ્રોજન ડાયોક્સાઇડ (NO$_2$) બનાવવા માટે વધુ ઓક્સિડાઇઝ કરવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયા ઉષ્માક્ષેપક છે અને સ્વયંભૂ આગળ વધે છે. 2NO(g) + O$_2$(g) $\rightarrow$ 2NO$_2$(g)

3. પાણીમાં નાઇટ્રોજન ડાયોક્સાઇડનું શોષણ: નાઇટ્રોજન ડાયોક્સાઇડ (NO$_2$) ને શોષણ ટાવરમાં પાણીમાં શોષવામાં આવે છે, સામાન્ય રીતે પાણીના પ્રવાહની વિરુદ્ધ દિશામાં. આ પ્રક્રિયા નાઇટ્રિક એસિડ ઉત્પન્ન કરે છે અને કેટલાક નાઇટ્રિક ઑક્સાઇડને પુનર્જીવિત કરે છે. પછી નાઇટ્રિક ઑક્સાઇડને પગલું 2 માં પાછો રિસાયકલ કરવામાં આવે છે. 3NO$_2$(g) + H$_2$O(l) $\rightarrow$ 2HNO$_3$(aq) + NO(g) પ્રાપ્ત જલીય નાઇટ્રિક એસિડ સામાન્ય રીતે દળ દ્વારા આશરે 68% હોય છે.

ઉચ્ચ-વિચાર કૌશલ્ય (HOTS) પ્રશ્ન

સમજાવો કે શા માટે સમૂહ 15 ના હાઇડ્રાઇડ્સ (NH$_3$, PH$_3$, AsH$_3$, SbH$_3$, BiH$_3$) પૈકી BiH$_3$ સૌથી પ્રબળ રિડ્યુસિંગ એજન્ટ છે, જ્યારે NH$_3$ સૌથી નબળો છે.

આદર્શ જવાબ: સમૂહ 15 ના હાઇડ્રાઇડ્સ (MH$_3$) ની રિડ્યુસિંગ પ્રકૃતિ NH$_3$ થી BiH$_3$ સુધી સમૂહમાં નીચે જતાં વધે છે. આ વલણ M-H બંધની બંધ પ્રબળતા અને મધ્યસ્થ પરમાણુના કદને ધ્યાનમાં લઈને સમજાવવામાં આવે છે.

1. બંધ વિયોજન એન્થાલ્પી (M-H બંધ પ્રબળતા): જેમ જેમ આપણે સમૂહ 15 માં નાઇટ્રોજનથી બિસ્મથ તરફ નીચે જઈએ છીએ, તેમ તેમ મધ્યસ્થ પરમાણુ (M) નું પરમાણુ કદ નોંધપાત્ર રીતે વધે છે. પરિણામે, M-H બંધ લંબાઈ વધે છે (દા.ત., N-H બંધ Bi-H બંધ કરતાં ટૂંકો છે). લાંબો બંધ સામાન્ય રીતે નબળો બંધ સૂચવે છે, કારણ કે મધ્યસ્થ પરમાણુ અને હાઇડ્રોજનના સંયોજકતા કક્ષકો વચ્ચેનો ઓવરલેપ ઓછો અસરકારક બને છે. તેથી, M-H બંધની બંધ વિયોજન એન્થાલ્પી NH$_3$ થી BiH$_3$ સુધી ક્રમશઃ ઘટે છે.

2. હાઇડ્રોજન મુક્ત કરવાની સરળતા: રિડ્યુસિંગ એજન્ટો એવા પદાર્થો છે જે ઇલેક્ટ્રોનનું દાન કરે છે અથવા રિડક્શન માટે હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ પૂરા પાડે છે (પોતે ઓક્સિડાઇઝ થાય છે). હાઇડ્રાઇડ્સના કિસ્સામાં, તેમની રિડ્યુસિંગ શક્તિ હાઇડ્રોજન પરમાણુઓને કેટલી સરળતાથી મુક્ત કરી શકે છે તેની સાથે સંબંધિત છે. M-H બંધ પ્રબળતા સમૂહમાં નીચે જતાં ઘટતી હોવાથી, M-H બંધને તોડવું અને હાઇડ્રોજન મુક્ત કરવું ક્રમશઃ સરળ બને છે.

3. હાઇડ્રાઇડ્સની સ્થિરતા: આ હાઇડ્રાઇડ્સની ઉષ્મીય સ્થિરતા પણ સમાન વલણ દર્શાવે છે, જે NH$_3$ થી BiH$_3$ સુધી ઘટે છે. NH$_3$ ખૂબ સ્થિર છે, જ્યારે BiH$_3$ અત્યંત અસ્થિર છે અને ગરમ કરવા પર બિસ્મથ અને હાઇડ્રોજનમાં સરળતાથી વિઘટિત થાય છે.

નિષ્કર્ષ:

• NH$_3$ (એમોનિયા): નાઇટ્રોજનના નાના કદ અને અસરકારક કક્ષકીય ઓવરલેપને કારણે સૌથી મજબૂત N-H બંધ ધરાવે છે. આનાથી હાઇડ્રોજન મુક્ત કરવું મુશ્કેલ બને છે, તેથી તે સૌથી નબળો રિડ્યુસિંગ એજન્ટ છે (અથવા સૌથી સ્થિર).
• BiH$_3$ (બિસ્મથાઈન): બિસ્મથના મોટા કદ અને નબળા કક્ષકીય ઓવરલેપને કારણે સૌથી નબળો Bi-H બંધ ધરાવે છે. આનાથી હાઇડ્રોજન મુક્ત કરવું ખૂબ જ સરળ બને છે, આમ તે સૌથી પ્રબળ રિડ્યુસિંગ એજન્ટ છે (અથવા ઓછામાં ઓછું સ્થિર).

રિડ્યુસિંગ પાવરનો ક્રમ આ પ્રમાણે છે: NH$_3$ < PH$_3$ < AsH$_3$ < SbH$_3$ < BiH$_3$.