નાઇટ્રોજન (N): રાસાયણિક ગુણધર્મો અને પ્રતિક્રિયાઓનો અભ્યાસ માર્ગદર્શિકા

રાસાયણિક ગુણધર્મોનું વિહંગાવલોકન

નાઇટ્રોજન (N) એ આવર્ત કોષ્ટકના 15મા સમૂહમાં આવેલું p-બ્લોક તત્વ છે. તેનું રાસાયણિક વર્તન તેની ઇલેક્ટ્રોનિક ગોઠવણી ([He] 2s²2p³) અને તેના દ્વિઆણ્વીય સ્વરૂપ (N₂) માં મજબૂત ટ્રિપલ બોન્ડ દ્વારા ખૂબ પ્રભાવિત થાય છે.

• પ્રતિક્રિયાશીલતા શ્રેણીમાં સ્થાન: N≡N ટ્રિપલ બોન્ડની અપવાદરૂપે ઊંચી બોન્ડ વિયોજન ઊર્જા (945 kJ/mol) ને કારણે આણ્વીય નાઇટ્રોજન (N₂) ઓરડાના તાપમાને નોંધપાત્ર રીતે નિષ્ક્રિય હોય છે. આ નિષ્ક્રિયતા તેને પ્રમાણભૂત પ્રતિક્રિયાશીલતા શ્રેણીમાં વધુ પ્રતિક્રિયાશીલ તત્વોથી અલગ પાડે છે.
• વિદ્યુતઋણતા: ઊંચા વિદ્યુતઋણતા મૂલ્ય (પૉલિંગ સ્કેલ પર 3.04) સાથે, નાઇટ્રોજન મજબૂત ધ્રુવીય સહસંયોજક બંધ બનાવી શકે છે. તે -3 (દા.ત., એમોનિયા, NH₃ માં) થી +5 (દા.ત., નાઈટ્રિક એસિડ, HNO₃ માં) સુધીના ઓક્સિડેશન અવસ્થાની વિશાળ શ્રેણી દર્શાવે છે.
• પ્રતિક્રિયાશીલતા:
  • નિષ્ક્રિયતા: N₂ એ આસપાસની પરિસ્થિતિઓમાં રંગહીન, ગંધહીન અને મોટાભાગે અપ્રતિક્રિયાશીલ વાયુ છે, જે તેને પ્રયોગશાળાઓ અને ઉદ્યોગોમાં નિષ્ક્રિય વાતાવરણ બનાવવા માટે સામાન્ય પસંદગી બનાવે છે.
  • ઊંચા તાપમાને/દબાણે પ્રતિક્રિયાશીલતા: નોંધપાત્ર પ્રતિક્રિયાશીલતા ફક્ત ઉગ્ર પરિસ્થિતિઓમાં જ જોવા મળે છે, જેમ કે ઊંચા તાપમાન, ઊંચા દબાણ અથવા ઉત્પ્રેરકની હાજરીમાં. ઉદાહરણોમાં અત્યંત પ્રતિક્રિયાશીલ ધાતુઓ (દા.ત., લિથિયમ, મેગ્નેશિયમ) અને અધાતુઓ (દા.ત., હાઈડ્રોજન, ઓક્સિજન) સાથેની પ્રતિક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે.
  • વિવિધ ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ: નાઇટ્રોજન -3, 0, +1, +2, +3, +4 અને +5 ના ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ દર્શાવી શકે છે, જે સંયોજનો બનાવવામાં તેની વૈવિધ્યતા દર્શાવે છે.

હવા અને ઓક્સિજનની પ્રતિક્રિયા

આણ્વીય નાઇટ્રોજન (N₂) ઓરડાના તાપમાને હવાના મોટાભાગના ઘટકો સાથે અપ્રતિક્રિયાશીલ હોય છે. ઓક્સિજન સાથેની તેની પ્રતિક્રિયા એ ઉચ્ચ-ઊર્જા પ્રક્રિયા છે.

• ઓક્સિજન (O₂) સાથે:
  • અત્યંત ઊંચા તાપમાને (દા.ત., વીજળીના ચમકારા દરમિયાન, આંતરિક કમ્બશન એન્જિનમાં અથવા ઇલેક્ટ્રિક આર્કમાં, સામાન્ય રીતે 3000 K થી ઉપર), નાઇટ્રોજન સીધો ઓક્સિજન સાથે જોડાઈને નાઈટ્રિક ઑક્સાઇડ ઉત્પન્ન કરે છે. N₂(g) + O₂(g) $\xrightarrow\{\text\{High Temp / Electric Arc\}\}$ 2NO(g)
  • નાઈટ્રિક ઑક્સાઇડ (NO) એ રંગહીન વાયુ છે જે વાતાવરણીય ઓક્સિજન સાથે સરળતાથી પ્રતિક્રિયા કરીને લાલ-બદામી નાઇટ્રોજન ડાયોક્સાઇડ (NO₂) બનાવે છે. 2NO(g) + O₂(g) $\rightarrow$ 2NO₂(g)
• હવાના અન્ય ઘટકો સાથે: નાઇટ્રોજન સામાન્ય પરિસ્થિતિઓમાં વાતાવરણમાં હાજર કાર્બન ડાયોક્સાઇડ, ઉમદા વાયુઓ અથવા પાણીની વરાળ સાથે સીધી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા દર્શાવતો નથી.

પાણી અને વરાળની પ્રતિક્રિયા

મૂળભૂત નાઇટ્રોજન (N₂) લાક્ષણિક પ્રયોગશાળા અથવા ઔદ્યોગિક પરિસ્થિતિઓમાં પાણી અથવા વરાળ સાથે કોઈ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા દર્શાવતો નથી. તે પાણીમાં અલ્પ દ્રાવ્ય છે.

• N₂(g) + H₂O(l) $\rightarrow$ કોઈ પ્રતિક્રિયા નહીં
• N₂(g) + H₂O(g) (વરાળ) $\rightarrow$ કોઈ પ્રતિક્રિયા નહીં

નોંધ: એમોનિયા (NH₃), નાઇટ્રોજનનું એક સંયોજન, પાણીમાં અત્યંત દ્રાવ્ય છે, જે એમોનિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (NH₄OH) બનાવે છે. જોકે, આ એમોનિયાનો ગુણધર્મ છે, સીધા પાણી સાથે પ્રતિક્રિયા કરતા મૂળભૂત નાઇટ્રોજનનો નહીં.

એસિડ અને બેઝની પ્રતિક્રિયા

N≡N ટ્રિપલ બોન્ડની અપવાદરૂપ સ્થિરતા અને તેની સહજ નિષ્ક્રિયતાને કારણે, આણ્વીય નાઇટ્રોજન (N₂) સામાન્ય એસિડ (ભલે તે મંદ હોય કે સાંદ્ર) અથવા પ્રબળ બેઝ (આલ્કલી) સાથે પ્રમાણભૂત પરિસ્થિતિઓમાં પ્રતિક્રિયા કરતું નથી.

• N₂(g) + Acids (દા.ત., HCl, H₂SO₄, HNO₃) $\rightarrow$ કોઈ પ્રતિક્રિયા નહીં
• N₂(g) + Bases (દા.ત., NaOH, KOH) $\rightarrow$ કોઈ પ્રતિક્રિયા નહીં

મુખ્ય પ્રયોગશાળા પરીક્ષણ/ઓળખ પ્રતિક્રિયાઓ

જ્યારે મૂળભૂત નાઇટ્રોજન (N₂) તેની નિષ્ક્રિય વાયુ ગુણધર્મો દ્વારા મુખ્યત્વે ઓળખાય છે, ત્યારે ગુણાત્મક વિશ્લેષણમાં રાસાયણિક ઓળખ પદ્ધતિઓ સામાન્ય રીતે તેના સામાન્ય આયનીય સ્વરૂપો પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે: એમોનિયમ (NH₄⁺), નાઈટ્રાઈટ (NO₂⁻), અને નાઈટ્રેટ (NO₃⁻).

1. એમોનિયમ આયન (NH₄⁺) ની ઓળખ

• એમોનિયા વાયુનું મુક્ત થવું: જ્યારે એમોનિયમ ક્ષારને પ્રબળ આલ્કલી (દા.ત., સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ દ્રાવણ અથવા કેલ્શિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ) સાથે ગરમ કરવામાં આવે છે, ત્યારે એમોનિયા વાયુ (NH₃) મુક્ત થાય છે. NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq) $\xrightarrow\{\text\{Heat\}\}$ NH₃(g) + H₂O(l) મુક્ત થયેલ NH₃ વાયુ નીચે મુજબ ઓળખાય છે:
  • તેની લાક્ષણિક તીવ્ર ગંધ.
  • ભીના લાલ લિટમસ પેપરને વાદળી બનાવવું (એમોનિયા બેઝિક છે).
  • જ્યારે સાંદ્ર હાઈડ્રોક્લોરિક એસિડમાં ડુબાડેલી કાચની સળીને ટેસ્ટ ટ્યુબના મોં પાસે લાવવામાં આવે છે, ત્યારે એમોનિયમ ક્લોરાઇડ (NH₄Cl) ના ઘટ્ટ સફેદ ધુમાડા બને છે. NH₃(g) + HCl(g) $\rightarrow$ NH₄Cl(s) (ઘટ્ટ સફેદ ધુમાડા)
• નેસ્લરના પ્રક્રિયકનો ટેસ્ટ: એમોનિયા વાયુ, નેસ્લરના પ્રક્રિયક (પોટેશિયમ ટેટ્રાયોડોમર્ક્યુરેટ(II), K₂[HgI₄] નું આલ્કલાઇન દ્રાવણ) માંથી પસાર થતાં, લાક્ષણિક બદામી અવક્ષેપ અથવા પીળો-બદામી રંગ ઉત્પન્ન કરે છે. 2K₂HgI₄ + NH₃(g) + 3KOH(aq) $\rightarrow$ O(HgI)(HgNH₂)(s) (બદામી અવક્ષેપ, મિલોન્સ બેઝનો આયોડાઈડ) + 7KI(aq) + 2H₂O(l)

2. નાઈટ્રેટ આયન (NO₃⁻) ની ઓળખ

• બ્રાઉન રિંગ ટેસ્ટ: આ નાઈટ્રેટ આયનો માટે નિર્ણાયક પરીક્ષણ છે. નાઈટ્રેટ ધરાવતા દ્રાવણમાં તાજી તૈયાર કરેલી ફેરસ સલ્ફેટ (FeSO₄) નું દ્રાવણ ઉમેરવામાં આવે છે. પછી સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડ (H₂SO₄) ને ટેસ્ટ ટ્યુબની બાજુથી કાળજીપૂર્વક ઉમેરવામાં આવે છે, જે બે સ્તરોની ઇન્ટરફેસ પર સ્પષ્ટ બદામી રીંગ બનાવે છે.
  • પગલું 1: નાઈટ્રેટનું રિડક્શન: એસિડિક માધ્યમમાં Fe²⁺ દ્વારા નાઈટ્રેટ આયનનું નાઈટ્રિક ઑક્સાઇડ (NO) માં રિડક્શન થાય છે. NO₃⁻(aq) + 3Fe²⁺(aq) + 4H⁺(aq) $\rightarrow$ NO(g) + 3Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l)
  • પગલું 2: બ્રાઉન રિંગ સંકીર્ણની રચના: પછી નાઈટ્રિક ઑક્સાઇડ વાયુ વધારાના Fe²⁺ આયનો સાથે જોડાઈને બદામી રંગનો સંકીર્ણ, પેન્ટાએક્વાનિટ્રોસાઇલઆયર્ન(II) બનાવે છે. Fe²⁺(aq) + NO(g) $\rightarrow$ [Fe(H₂O)₅NO]²⁺ (બ્રાઉન રિંગ સંકીર્ણ)

3. નાઈટ્રાઈટ આયન (NO₂⁻) ની ઓળખ

• સ્ટાર્ચ-આયોડાઈડ ટેસ્ટ: પોટેશિયમ આયોડાઈડ (KI) અને સ્ટાર્ચ દ્રાવણની હાજરીમાં નાઈટ્રાઈટ આયનો ધરાવતા દ્રાવણને એસિડિક બનાવવાથી વાદળી-કાળો રંગ બને છે. નાઈટ્રાઈટ આયન આયોડાઈડ આયનો (I⁻) ને આયોડિન (I₂) માં ઓક્સિડાઈઝ કરે છે, જે પછી સ્ટાર્ચ સાથે વાદળી-કાળો સંકીર્ણ બનાવે છે. 2NO₂⁻(aq) + 2I⁻(aq) + 4H⁺(aq) $\rightarrow$ 2NO(g) + I₂(aq) + 2H₂O(l) I₂(aq) + સ્ટાર્ચ દ્રાવણ $\rightarrow$ વાદળી-કાળો રંગ
• મંદ એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા: મંદ એસિડ (દા.ત., HCl) સાથે એસિડિક બનાવવાથી, નાઈટ્રાઈટ આયનો નાઈટ્રસ એસિડ (HNO₂) ઉત્પન્ન કરે છે, જે અસ્થિર હોય છે અને ગરમ કરવાથી વિઘટિત થઈને નાઈટ્રિક ઑક્સાઇડ (NO) મુક્ત કરે છે. આ NO પછી વાતાવરણીય ઓક્સિજન સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને નાઇટ્રોજન ડાયોક્સાઇડ (NO₂) ના લાલ-બદામી ધુમાડા ઉત્પન્ન કરે છે. NO₂⁻(aq) + H⁺(aq) $\rightarrow$ HNO₂(aq) 3HNO₂(aq) $\rightarrow$ HNO₃(aq) + 2NO(g) + H₂O(l) 2NO(g) + O₂(g) $\rightarrow$ 2NO₂(g) (લાલ-બદામી ધુમાડા)