સલ્ફરનું રસાયણશાસ્ત્ર (S) - પ્રેક્ટિસ પ્રશ્નો

બહુવિકલ્પ પ્રશ્નો (MCQs)

Q1: સલ્ફરના અપરરૂપો

કયો સલ્ફરનો અપરરૂપ ઓરડાના તાપમાને (25°C) સ્થિર છે અને S₈ રિંગ્સ તરીકે અસ્તિત્વ ધરાવે છે? (A) મોનોક્લિનિક સલ્ફર (B) રોમ્બિક સલ્ફર (C) પ્લાસ્ટિક સલ્ફર (D) કોલોઇડલ સલ્ફર

સાચો જવાબ: (B)

સ્પષ્ટીકરણ: આલ્ફા-સલ્ફર, જેને રોમ્બિક સલ્ફર તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે 95.6°C (ઓરડાનું તાપમાન) થી નીચેના તાપમાને સલ્ફરનું સૌથી સ્થિર અપરરૂપીય સ્વરૂપ છે. તે S₈ પકડ્ડ રિંગ રચનાઓ ધરાવે છે, જ્યાં દરેક સલ્ફર પરમાણુ અન્ય બે સલ્ફર પરમાણુઓ સાથે બંધાયેલ છે.

Q2: SO₂ ના રેડોક્સ ગુણધર્મો

સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ (SO₂) ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ અને રિડ્યુસિંગ એજન્ટ બંને તરીકે કાર્ય કરી શકે છે. નીચેનામાંથી કઈ પ્રતિક્રિયા તેના રિડ્યુસિંગ સ્વભાવનું શ્રેષ્ઠ ઉદાહરણ આપે છે? (A) SO₂ + 2H₂S → 3S + 2H₂O (B) SO₂ + Cl₂ → SO₂Cl₂ (C) SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O (D) SO₂ + 2Mg → 2MgO + S

સાચો જવાબ: (B)

સ્પષ્ટીકરણ: SO₂ દ્વારા રિડ્યુસિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરવા માટે, સલ્ફરની ઓક્સિડેશન અવસ્થા વધવી જોઈએ.

• પ્રતિક્રિયા (A) માં, સલ્ફરની ઓક્સિડેશન અવસ્થા +4 (SO₂ માં) થી 0 (S માં) બદલાય છે. આ એક રિડક્શન છે, તેથી SO₂ ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે.
• પ્રતિક્રિયા (B) માં, સલ્ફરની ઓક્સિડેશન અવસ્થા +4 (SO₂ માં) થી +6 (SO₂Cl₂ માં) બદલાય છે. આ એક ઓક્સિડેશન છે, જેનો અર્થ છે કે SO₂ Cl₂ ને ઇલેક્ટ્રોન દાન કરીને રિડ્યુસિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે.
• પ્રતિક્રિયા (C) માં, SO₂ બેઝ સાથે એસિડિક ઓક્સાઇડ તરીકે પ્રતિક્રિયા આપે છે, જે એસિડ-બેઝ પ્રતિક્રિયા છે, મુખ્યત્વે રેડોક્સ પ્રતિક્રિયા નથી.
• પ્રતિક્રિયા (D) માં, સલ્ફરની ઓક્સિડેશન અવસ્થા +4 (SO₂ માં) થી 0 (S માં) બદલાય છે. આ એક રિડક્શન છે, તેથી SO₂ ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે.

Q3: સંપર્ક પ્રક્રિયાની વિગત

સલ્ફ્યુરિક એસિડના ઉત્પાદન માટેની સંપર્ક પ્રક્રિયામાં, સલ્ફર ટ્રાયોક્સાઇડ (SO₃) ને પાણીમાં સીધા શોષિત કરવાને બદલે 98% H₂SO₄ માં શોષિત કરવામાં આવે છે. આનું મુખ્ય કારણ છે: (A) SO₃ પાણીમાં અદ્રાવ્ય છે. (B) SO₃ ની પાણી સાથેની સીધી પ્રતિક્રિયા અત્યંત ઉષ્માક્ષેપક છે, જે H₂SO₄ નો ગાઢ ધુમ્મસ બનાવે છે જેને સંઘનિત કરવું મુશ્કેલ છે. (C) 98% H₂SO₄ SO₃ ના હાઈડ્રેશન માટે વધુ સારા ઉત્પ્રેરક તરીકે કાર્ય કરે છે. (D) આ પદ્ધતિ આર્થિક રીતે ઓછી વ્યવહારુ છે પરંતુ અતિ-શુદ્ધ H₂SO₄ ઉત્પન્ન કરે છે.

સાચો જવાબ: (B)

સ્પષ્ટીકરણ: SO₃ નું પાણીમાં સીધું શોષણ અત્યંત ઉષ્માક્ષેપક પ્રતિક્રિયા તરફ દોરી જાય છે, જે સલ્ફ્યુરિક એસિડ કણો (H₂SO₄ ધુમ્મસ) નો ઝીણો ધુમ્મસ ઉત્પન્ન કરે છે. આ ધુમ્મસને સંઘનિત કરવું અને અલગ કરવું મુશ્કેલ છે, જેના કારણે ઉત્પાદનમાં નોંધપાત્ર નુકસાન થાય છે અને પર્યાવરણીય ચિંતાઓ ઊભી થાય છે. સાંદ્ર H₂SO₄ માં SO₃ ને શોષીને, ઓલિયમ (H₂S₂O₇) બને છે: SO₃(g) + H₂SO₄(conc.) \rightarrow H₂S₂O₇(l) (ઓલિયમ) આ ઓલિયમને પછી ઇચ્છિત સાંદ્રતાનો સલ્ફ્યુરિક એસિડ મેળવવા માટે ગણતરી કરેલ પાણીના જથ્થા સાથે મંદ કરી શકાય છે: H₂S₂O₇(l) + H₂O(l) \rightarrow 2H₂SO₄(l) આ બે-પગલાની પ્રક્રિયા એસિડ ધુમ્મસની રચનાને ટાળે છે અને કાર્યક્ષમ ઉત્પાદન સુનિશ્ચિત કરે છે.

વિધાન-કારણ પ્રશ્નો

નિર્દેશ: નીચેના પ્રશ્નોમાં, એક વિધાન (A) પછી એક કારણ (R) આપવામાં આવ્યું છે. નીચે આપેલા વિકલ્પોમાંથી 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.

Q1

વિધાન (A): H₂S એ H₂O કરતાં વધુ મજબૂત રિડ્યુસિંગ એજન્ટ છે. કારણ (R): H-S બંધની બંધ વિયોજન એન્થાલ્પી H-O બંધ કરતાં ઓછી હોય છે.

સાચો જવાબ: (A)

સ્પષ્ટીકરણ: જ્યારે આપણે ઓક્સિજનથી સલ્ફર સુધી સમૂહ 16 માં નીચે જઈએ છીએ, ત્યારે પરમાણુ કદ વધે છે. પરિણામે, H-S બંધની લંબાઈ H-O બંધની લંબાઈ કરતાં વધુ હોય છે. આ વધેલી બંધ લંબાઈ H-O બંધની સરખામણીમાં H-S બંધ માટે બંધ વિયોજન એન્થાલ્પીમાં ઘટાડો તરફ દોરી જાય છે (H-S બંધ એન્થાલ્પી ~347 kJ/mol, H-O બંધ એન્થાલ્પી ~463 kJ/mol). નબળો H-S બંધ એટલે કે તેને વધુ સરળતાથી તોડી શકાય છે, જે સલ્ફરને સરળતાથી ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવવા (ઓક્સિડાઇઝ થવા) અને આમ વધુ મજબૂત રિડ્યુસિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરવા દે છે. તેથી, H₂S એ H₂O કરતાં વધુ મજબૂત રિડ્યુસિંગ એજન્ટ છે, અને H-S બંધની ઓછી બંધ વિયોજન એન્થાલ્પી આને યોગ્ય રીતે સમજાવે છે.

Q2

વિધાન (A): સાંદ્ર H₂SO₄ એક મજબૂત નિર્જળીકરણ એજન્ટ છે. કારણ (R): સાંદ્ર H₂SO₄ પાણીના અણુઓ પ્રત્યે મજબૂત આકર્ષણ ધરાવે છે.

સાચો જવાબ: (A)

સ્પષ્ટીકરણ: સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડ પાણી પ્રત્યે અત્યંત મજબૂત આકર્ષણ ધરાવે છે, મુખ્યત્વે ઉચ્ચ હાઈડ્રેશન એન્થાલ્પીને કારણે (એટલે કે, પાણી સાથે મજબૂત ઉષ્માક્ષેપક પ્રતિક્રિયા). આ ગુણધર્મ તેને વિવિધ પદાર્થોમાંથી પાણીને અસરકારક રીતે દૂર કરવાની મંજૂરી આપે છે, જેમાં કાર્બનિક સંયોજનો (દા.ત., ખાંડનું કોલસ થવું, ઇથેનોલનું નિર્જળીકરણ) અને સંયોજનોમાંથી પાણીના ઘટકોનો પણ સમાવેશ થાય છે. પાણીના અણુઓ પ્રત્યેનું આ મજબૂત આકર્ષણ જ તેને શક્તિશાળી નિર્જળીકરણ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરવાનું ચોક્કસ કારણ છે.

ટૂંકા જવાબના પ્રશ્નો

Q1: સલ્ફર અને ઓક્સિજનમાં શૃંખલન

સમજાવો કે શા માટે સલ્ફર ઓક્સિજન કરતાં ઘણી હદ સુધી શૃંખલન દર્શાવે છે.

મોડેલ જવાબ: શૃંખલન એ તત્વની પોતાની જાતના પરમાણુઓ સાથે બંધ બનાવવાની ક્ષમતા છે, જે સાંકળો અથવા રિંગ્સની રચના તરફ દોરી જાય છે. ઓક્સિજન અને સલ્ફર બંને સમૂહ 16 ના છે, પરંતુ તેમની શૃંખલન ક્ષમતાઓ નોંધપાત્ર રીતે અલગ પડે છે:

1. ઓક્સિજન: ઓક્સિજન ખૂબ જ મર્યાદિત શૃંખલન દર્શાવે છે, મુખ્યત્વે O₂ અણુઓ અને, ઓછી હદ સુધી, ઓઝોન (O₃) અને હાઇડ્રોજન પેરોક્સાઇડ (H₂O₂) બનાવે છે. O-O સિંગલ બોન્ડ એન્થાલ્પી (આશરે 146 kJ/mol) પ્રમાણમાં ઓછી છે. આ ઓક્સિજન પરમાણુઓના નાના કદને આભારી છે, જેના પરિણામે સાંકળમાં નજીકના ઓક્સિજન પરમાણુઓ વચ્ચે મજબૂત લોન પેર-લોન પેર પ્રતિકર્ષણ થાય છે, જે લાંબી સાંકળોને અસ્થિર બનાવે છે.

2. સલ્ફર: સલ્ફર વ્યાપક શૃંખલન દર્શાવે છે, સ્થિર S₈ પકડ્ડ રિંગ્સ (રોમ્બિક અને મોનોક્લિનિક સલ્ફરમાં જોવા મળે છે) અને લાંબી પોલિમરીક સાંકળો (જેમ કે પ્લાસ્ટિક સલ્ફરમાં) બનાવે છે. S-S સિંગલ બોન્ડ એન્થાલ્પી (આશરે 213 kJ/mol) O-O બોન્ડ એન્થાલ્પી કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે. સલ્ફરનું મોટું પરમાણુ કદ નજીકના સલ્ફર પરમાણુઓ વચ્ચેના લોન પેર-લોન પેર પ્રતિકર્ષણને ઘટાડે છે. આ મજબૂત અને વધુ સ્થિર S-S સિંગલ બોન્ડ્સ માટે પરવાનગી આપે છે, જે વૈવિધ્યસભર અને સ્થિર પોલીએટોમિક રચનાઓની રચનાને સરળ બનાવે છે.

Q2: સલ્ફર ડાયોક્સાઇડનો એસિડિક સ્વભાવ

સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ (SO₂) ના એસિડિક સ્વભાવનું વર્ણન કરો. સંબંધિત રાસાયણિક સમીકરણો લખો.

મોડેલ જવાબ: સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ (SO₂) એક લાક્ષણિક એસિડિક ઓક્સાઇડ છે. તેનો એસિડિક સ્વભાવ નીચેની પ્રતિક્રિયાઓ પરથી સ્પષ્ટ થાય છે:

1. પાણી સાથે પ્રતિક્રિયા: SO₂ પાણીમાં ઓગળીને સલ્ફ્યુરસ એસિડ (H₂SO₃) બનાવે છે, જે એક નબળો ડાયપ્રોટિક એસિડ છે. આ જ કારણ છે કે SO₂ નું જલીય દ્રાવણ વાદળી લિટમસને લાલ બનાવે છે. SO₂(g) + H₂O(l) \rightleftharpoons H₂SO₃(aq)

2. બેઝ સાથે પ્રતિક્રિયા: એસિડિક ઓક્સાઇડ હોવાથી, SO₂ સરળતાથી બેઝ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને સલ્ફાઇટ્સ બનાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, તે સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને સોડિયમ સલ્ફાઇટ બનાવે છે: SO₂(g) + 2NaOH(aq) \rightarrow Na₂SO₃(aq) + H₂O(l) જો દ્રાવણમાંથી વધુ SO₂ પસાર કરવામાં આવે, તો સલ્ફાઇટ વધુ પ્રતિક્રિયા કરીને બાયસલ્ફાઇટ બનાવી શકે છે: Na₂SO₃(aq) + H₂O(l) + SO₂(g) \rightarrow 2NaHSO₃(aq)

3. બેઝિક ઓક્સાઇડ્સ સાથે પ્રતિક્રિયા: SO₂ બેઝિક ઓક્સાઇડ્સ સાથે પણ પ્રતિક્રિયા કરીને સલ્ફાઇટ્સ બનાવે છે. આ ગુણધર્મનો ઉપયોગ ફ્લુ ગેસ ડિસલ્ફરાઇઝેશન જેવી ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાઓમાં થાય છે, જ્યાં SO₂ ને ઉત્સર્જન વાયુઓમાંથી કેલ્શિયમ કાર્બોનેટ (ચૂનાનો પત્થર) અથવા કેલ્શિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (ફોડેલો ચૂનો) સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને દૂર કરવામાં આવે છે: SO₂(g) + CaO(s) \rightarrow CaSO₃(s) SO₂(g) + CaCO₃(s) \rightarrow CaSO₃(s) + CO₂(g)

આ પ્રતિક્રિયાઓ સલ્ફર ડાયોક્સાઇડના એસિડિક લક્ષણને સ્પષ્ટપણે દર્શાવે છે.

ઉચ્ચ-સ્તરીય વિચાર કૌશલ્ય (HOTS) પ્રશ્ન

Q: H₂S ગેસને સૂકવવો

સાંદ્ર H₂SO₄ નો સામાન્ય રીતે H₂S ગેસને સૂકવવા માટે ઉપયોગ થતો નથી. સંબંધિત રાસાયણિક સમીકરણો સહિત, શા માટે તે સમજાવો. જો H₂SO₄ નહીં, તો અન્ય કયો સૂકવવાનો એજન્ટ વાપરી શકાય?

વિગતવાર રાસાયણિક સ્પષ્ટીકરણ: સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડ (H₂SO₄) એક શક્તિશાળી નિર્જળીકરણ એજન્ટ છે, પરંતુ તે હાઇડ્રોજન સલ્ફાઇડ (H₂S) ગેસને સૂકવવા માટે અયોગ્ય છે. આનું મુખ્ય કારણ એ છે કે સાંદ્ર H₂SO₄ એક મજબૂત ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ પણ છે, જ્યારે H₂S એક મજબૂત રિડ્યુસિંગ એજન્ટ છે. જ્યારે આ બંને પદાર્થો સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે સાદા નિર્જળીકરણને બદલે રેડોક્સ પ્રતિક્રિયા થાય છે, જેના પરિણામે H₂S નો વપરાશ થાય છે અને અનિચ્છનીય આડપેદાશો બને છે.

રાસાયણિક સમીકરણ: આ પ્રતિક્રિયામાં H₂S નું ઓક્સિડેશન (સલ્ફરની ઓક્સિડેશન અવસ્થા -2 થી 0 માં બદલાય છે) અને H₂SO₄ નું રિડક્શન (સલ્ફરની ઓક્સિડેશન અવસ્થા +6 થી +4 માં બદલાય છે) સામેલ છે. આ પ્રતિક્રિયાનું એક સામાન્ય નિરૂપણ છે: H₂S(g) + H₂SO₄(conc.) \rightarrow S(s) + SO₂(g) + 2H₂O(l) આ પ્રતિક્રિયામાં, H₂S તત્વ સલ્ફર (S) માં ઓક્સિડાઇઝ થાય છે, અને H₂SO₄ સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ (SO₂) માં રિડ્યુસ થાય છે. આ માત્ર H₂S ને સૂકવવામાં નિષ્ફળ રહેતું નથી પરંતુ ઘન સલ્ફર અને અન્ય ગેસ (SO₂) પણ ઉત્પન્ન કરે છે, જે પ્રક્રિયાને જટિલ બનાવે છે.

વૈકલ્પિક સૂકવનારા એજન્ટો: H₂S એક રિડ્યુસિંગ એજન્ટ અને નબળો એસિડ પણ હોવાથી, યોગ્ય સૂકવનારા એજન્ટો આ હોવા જોઈએ:

1. બિન-ઓક્સિડાઇઝિંગ: રેડોક્સ પ્રતિક્રિયાઓને રોકવા માટે.
2. બિન-બેઝિક: એસિડ-બેઝ પ્રતિક્રિયાઓને ટાળવા માટે.

તેથી, તટસ્થ અને બિન-ઓક્સિડાઇઝિંગ સૂકવનારા એજન્ટો પસંદ કરવામાં આવે છે. સારા વિકલ્પોમાં શામેલ છે:

• નિર્જળ ફોસ્ફરસ પેન્ટોક્સાઇડ (P₂O₅): આ એક ખૂબ જ અસરકારક નિર્જળીકરણ એજન્ટ છે અને સામાન્ય પરિસ્થિતિઓમાં H₂S સાથે પ્રતિક્રિયા કરતું નથી.
• નિર્જળ મેગ્નેશિયમ સલ્ફેટ (MgSO₄): એક તટસ્થ ક્ષાર જે એક સારો સૂકવવાનો એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે.
• સિલિકા જેલ: સિલિકોન ડાયોક્સાઇડનું છિદ્રાળુ સ્વરૂપ જે ભેજને અસરકારક રીતે શોષી લે છે.

ગાળેલા નિર્જળ કેલ્શિયમ ક્લોરાઇડ (CaCl₂) ને સામાન્ય રીતે ટાળવામાં આવે છે કારણ કે તે H₂S સાથે અસ્થિર એડક્ટ (CaCl₂·xH₂S) બનાવી શકે છે, જોકે તેની પ્રતિક્રિયા H₂SO₄ કરતાં ઓછી ગંભીર છે. H₂S ને સૂકવવા માટે સૌથી વધુ ભલામણ કરેલ અને સલામત વિકલ્પ નિર્જળ P₂O₅ છે.