ઝીંક (Zn) નું રસાયણ વિજ્ઞાન - પ્રેક્ટિસ પ્રશ્નો

સ્પષ્ટીકરણ:

• A) ઝીંક +2 ની એક સ્થિર ઓક્સિડેશન અવસ્થા દર્શાવે છે. આ સાચું છે. તેના સંયોજનોમાં, ઝીંક લગભગ ફક્ત +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થા દર્શાવે છે, જ્યાં તેની ઇલેક્ટ્રોન રચના [Ar] 3d¹⁰ બને છે.
• B) ઝીંક d-બ્લોક તત્વોના સમૂહ 12 સાથે સંબંધિત છે. આ સાચું છે. ઝીંક (પરમાણુ ક્રમાંક 30) સમૂહ 12 માં પ્રથમ તત્વ છે, ત્યારબાદ કેડમિયમ અને મર્ક્યુરી આવે છે.
• C) ઝીંક d-d સંક્રમણ (transitions) ને કારણે રંગીન સંયોજનો બનાવે છે. આ ખોટું છે. +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થામાં, ઝીંક સંપૂર્ણ ભરાયેલ d-ઉપકક્ષા (3d¹⁰) ધરાવે છે. ખાલી d-કક્ષકો ઉપલબ્ધ ન હોવાથી, d-d ઇલેક્ટ્રોનિક સંક્રમણ શક્ય નથી. તેથી, મોટાભાગના ઝીંક સંયોજનો ડાયમેગ્નેટિક (પ્રતિચુંબકીય) અને રંગહીન હોય છે.
• D) ઝીંક ધાતુ એસિડ અને પ્રબળ બેઝ બંને સાથે પ્રક્રિયા કરે છે. આ સાચું છે. ઝીંક એક ઉભયધર્મી ધાતુ છે. તે હાઇડ્રોજન વાયુ ઉત્પન્ન કરવા માટે એસિડ સાથે પ્રક્રિયા કરે છે (દા.ત., Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂) અને ઝીંકેટ્સ બનાવવા માટે પ્રબળ બેઝ સાથે પ્રક્રિયા કરે છે (દા.ત., Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂).

સ્પષ્ટીકરણ: ધાતુઓની નાઈટ્રિક એસિડ સાથેની પ્રક્રિયા જટિલ હોય છે અને તે એસિડની સાંદ્રતા, ધાતુની સક્રિયતા અને તાપમાન પર આધાર રાખે છે.

• અત્યંત મંદ નાઈટ્રિક એસિડ ઝીંક જેવી સક્રિય ધાતુઓ સાથે પ્રક્રિયા કરીને નાઈટ્રસ ઓક્સાઇડ (N₂O) ઉત્પન્ન કરે છે. 4Zn + 10HNO₃ (અત્યંત મંદ) → 4Zn(NO₃)₂ + 5H₂O + N₂O
• મંદ નાઈટ્રિક એસિડ ઘણીવાર નાઈટ્રિક ઓક્સાઈડ (NO) અથવા અત્યંત સક્રિય ધાતુઓ સાથે હાઇડ્રોજન વાયુ પણ ઉત્પન્ન કરે છે. 3Zn + 8HNO₃ (મંદ) → 3Zn(NO₃)₂ + 4H₂O + 2NO
• સાંદ્ર નાઈટ્રિક એસિડ સામાન્ય રીતે નાઈટ્રોજન ડાયોક્સાઈડ (NO₂) ઉત્પન્ન કરે છે. Zn + 4HNO₃ (સાંદ્ર) → Zn(NO₃)₂ + 2H₂O + 2NO₂ જોકે, મંદ નાઈટ્રિક એસિડ અને ઝીંક સાથે, N₂O નું નિર્માણ મધ્યમ મંદન માટે એક સામાન્ય અવલોકન છે. અત્યંત મંદ નાઈટ્રિક એસિડ માટે, H₂ ઉત્પન્ન થઈ શકે છે, પરંતુ N₂O ઝીંક જેવી મધ્યમ સક્રિય ધાતુઓ માટે મધ્યમ મંદ પરિસ્થિતિઓની વધુ લાક્ષણિકતા છે. આપેલા વિકલ્પોને જોતાં, N₂O ઝીંક સાથેના મંદ નાઈટ્રિક એસિડ માટે મુખ્ય ઉત્પાદન છે.

સ્પષ્ટીકરણ:

• A) ઝીંક બ્લેન્ડ (સ્ફેલેરાઈટ): આ ઝીંક સલ્ફાઈડ (ZnS) છે, જે વિશ્વભરમાં ઝીંકની સૌથી મહત્વપૂર્ણ અયસ્ક છે.
• B) કેલેમાઇન: આ ઝીંક કાર્બોનેટ (ZnCO₃) નો ઉલ્લેખ કરે છે, જેને સ્મિથસોનાઈટ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. તે ઝીંકની એક મહત્વપૂર્ણ અયસ્ક છે. (નોંધ: ઐતિહાસિક રીતે, કેલેમાઇન શબ્દ ઝીંક ઓક્સાઇડ અને ફેરિક ઓક્સાઇડના મિશ્રણનો પણ ઉલ્લેખ કરતો હતો, પરંતુ ધાતુશાસ્ત્રમાં, તે સામાન્ય રીતે ZnCO₃ નો ઉલ્લેખ કરે છે).
• C) ઝીંકાઇટ: આ ઝીંક ઓક્સાઇડ (ZnO) છે, જે ઝીંકની બીજી મહત્વપૂર્ણ અયસ્ક છે.
• D) બોક્સાઇટ: બોક્સાઇટ એ એલ્યુમિનિયમની અયસ્ક છે, જેમાં મુખ્યત્વે હાઇડ્રેટેડ એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ જેમ કે ગિબ્સાઇટ (Al(OH)₃), બોહેમાઇટ (\gamma-AlO(OH)), અને ડાયાસ્પોર (\alpha-AlO(OH)) હોય છે. તેમાં ઝીંક હોતું નથી.

સ્પષ્ટીકરણ:

• વિધાન (A) સાચું છે. સંક્રાંતિ તત્વો માટે IUPAC વ્યાખ્યા જણાવે છે કે તેઓ એવા તત્વો છે જે તેમની મૂળ અવસ્થામાં અથવા તેમની કોઈપણ સામાન્ય ઓક્સિડેશન અવસ્થામાં અપૂર્ણ ભરાયેલી d-કક્ષકો ધરાવે છે.
• કારણ (R) પણ સાચું છે અને A ને યોગ્ય રીતે સમજાવે છે. ઝીંકની ઇલેક્ટ્રોન રચના [Ar] 3d¹⁰ 4s² છે. તેની સૌથી સામાન્ય અને સ્થિર +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થામાં, તે બે 4s ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવે છે, જેના પરિણામે [Ar] 3d¹⁰ રચના બને છે. મૂળ અવસ્થા કે +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થા બંનેમાં અપૂર્ણ ભરાયેલી d-કક્ષા ન હોવાથી, ઝીંક સંક્રાંતિ તત્વની વ્યાખ્યામાં બંધ બેસતું નથી, ભલે તે d-બ્લોક તત્વ હોય.

સ્પષ્ટીકરણ:

• વિધાન (A) સાચું છે. ઝીંક તેની સામાન્ય +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થામાં 3d¹⁰ રચના ધરાવે છે. d-કક્ષકોમાંના બધા ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મિત હોય છે, જેમાં કોઈ અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન બાકી રહેતા નથી. તેથી, ઝીંક સંયોજનો પ્રતિચુંબકીય હોય છે.
• કારણ (R) પણ સાચું છે. ઝીંક(II) એક d¹⁰ આયન છે અને વિવિધ લિગન્ડ્સ સાથે ચતુષ્ફલકીય અથવા અષ્ટફલકીય સંકીર્ણ બનાવી શકે છે, જેમાં પ્રબળ ક્ષેત્ર લિગન્ડ્સનો સમાવેશ થાય છે (દા.ત., [Zn(NH₃)₄]²⁺, [Zn(CN)₄]²⁻).
• જોકે, કારણ (પ્રબળ ક્ષેત્ર લિગન્ડ્સ સાથે સંકીર્ણ બનાવવું) પ્રતિચુંબકીય પ્રકૃતિને સમજાવતું નથી. પ્રતિચુંબકીયતા Zn²⁺ આયનમાં સંપૂર્ણ ભરાયેલી d-ઉપકક્ષા (3d¹⁰) માંથી ઉદ્ભવે છે, જેનો અર્થ છે કે લિગન્ડની શક્તિને ધ્યાનમાં લીધા વિના કોઈ અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન નથી. પ્રબળ ક્ષેત્ર લિગન્ડ્સ સ્ફટિક ક્ષેત્ર વિભાજનને અસર કરે છે, પરંતુ d¹⁰ આયનો માટે, આ વિભાજન અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન અથવા અનુચુંબકીયતા તરફ દોરી જતું નથી.

IUPAC વ્યાખ્યા મુજબ, સંક્રાંતિ તત્વો એવા તત્વો છે જે તેમની મૂળ અવસ્થામાં અથવા તેમની કોઈપણ સામાન્ય ઓક્સિડેશન અવસ્થામાં અપૂર્ણ ભરાયેલી d-કક્ષકો ધરાવે છે.

• ઇલેક્ટ્રોન રચના: તેની મૂળ અવસ્થામાં, ઝીંક સંપૂર્ણ ભરાયેલી 3d¹⁰ ઉપકક્ષા ધરાવે છે. તેની એકમાત્ર સામાન્ય અને સ્થિર +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થામાં, તે બે 4s ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવીને Zn²⁺ બનાવે છે, જેની રચના [Ar] 3d¹⁰ છે. મૂળ અવસ્થા કે +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થા બંનેમાં અપૂર્ણ ભરાયેલી d-કક્ષા ન હોવાથી, ઝીંક સંક્રાંતિ તત્વની IUPAC વ્યાખ્યાને પૂર્ણ કરતું નથી.
• ગુણધર્મો: આ ઇલેક્ટ્રોન રચના (3d¹⁰) ઝીંકને લાક્ષણિક સંક્રાંતિ તત્વોથી અલગ પાડતા કેટલાક ગુણધર્મો તરફ દોરી જાય છે:
  1. વિવિધ ઓક્સિડેશન અવસ્થા: મોટાભાગના સંક્રાંતિ તત્વો d-ઇલેક્ટ્રોનની ભાગીદારીને કારણે બહુવિધ ઓક્સિડેશન અવસ્થા દર્શાવે છે તેનાથી વિપરીત, ઝીંક ફક્ત +2 ઓક્સિડેશન અવસ્થા દર્શાવે છે.
  2. સંયોજનોનો રંગ: ઝીંક સંયોજનો સામાન્ય રીતે ઘન અવસ્થામાં અથવા દ્રાવણમાં રંગહીન (સફેદ) હોય છે કારણ કે d-d ઇલેક્ટ્રોનિક સંક્રમણ માટે કોઈ અયુગ્મિત d-ઇલેક્ટ્રોન હોતા નથી, જે મોટાભાગના સંક્રાંતિ ધાતુ સંયોજનોમાં રંગ માટે જવાબદાર હોય છે.
  3. ઉત્પ્રેરક પ્રવૃત્તિ: લાક્ષણિક સંક્રાંતિ ધાતુઓ ઘણીવાર તેમની વિવિધ ઓક્સિડેશન અવસ્થા અને અસ્થિર મધ્યવર્તી સંયોજનો બનાવવાની ક્ષમતાને કારણે ઉત્પ્રેરક તરીકે કાર્ય કરે છે. ઝીંક, મુખ્યત્વે +2 અવસ્થા સુધી મર્યાદિત હોવાથી, સાચી સંક્રાંતિ ધાતુઓની તુલનામાં મર્યાદિત ઉત્પ્રેરક પ્રવૃત્તિ દર્શાવે છે.

b) મંદ હાઇડ્રોક્લોરિક એસિડ સાથે ઝીંક ઓક્સાઇડ: ઝીંક ઓક્સાઇડ એક ઉભયધર્મી ઓક્સાઇડ છે. તે એસિડ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને ક્ષાર અને પાણી બનાવે છે. ZnO(s) + 2HCl(aq) → ZnCl₂(aq) + H₂O(l)

1. ઇલેક્ટ્રોન રચના:

   • ઝીંકનો પરમાણુ ક્રમાંક 30 છે. તેની મૂળ અવસ્થાની ઇલેક્ટ્રોન રચના [Ar] 3d¹⁰ 4s² છે.
   • તેની સામાન્ય અને સ્થિર ઓક્સિડેશન અવસ્થામાં, ઝીંક તેના બે 4s ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવીને Zn²⁺ આયન બનાવે છે. Zn²⁺ ની ઇલેક્ટ્રોન રચના [Ar] 3d¹⁰ છે.

2. સંયોજનોનો રંગ (સફેદ):

   • મોટાભાગના સંક્રાંતિ ધાતુ સંયોજનોમાં રંગ d-d ઇલેક્ટ્રોનિક સંક્રમણ માંથી ઉદ્ભવે છે. જ્યારે અપૂર્ણ ભરાયેલી d-ઉપકક્ષા ધરાવતા સંક્રાંતિ ધાતુ આયનને લિગન્ડ ક્ષેત્રમાં (દા.ત., સંકીર્ણ અથવા સ્ફટિક જાળીમાં) મૂકવામાં આવે છે, ત્યારે d-કક્ષકો વિવિધ ઉર્જા સ્તરોમાં વિભાજિત થાય છે.
   • ઇલેક્ટ્રોન ઓછી ઉર્જા ધરાવતી d-કક્ષામાંથી ઉચ્ચ ઉર્જા ધરાવતી d-કક્ષામાં (d-d સંક્રમણ) કૂદવા માટે દ્રશ્ય પ્રકાશની ચોક્કસ તરંગલંબાઈને શોષી શકે છે. અવલોકન કરાયેલ રંગ શોષાયેલા પ્રકાશનો પૂરક રંગ હોય છે.
   • Zn²⁺ આયન (3d¹⁰) માં, d-ઉપકક્ષા સંપૂર્ણપણે ભરાયેલી હોય છે. ઇલેક્ટ્રોનને સંક્રમણ કરવા માટે કોઈ ખાલી d-કક્ષકો ઉપલબ્ધ નથી. તેથી, d-d સંક્રમણ શક્ય નથી.
   • પરિણામે, Zn²⁺ સંયોજનો d-d સંક્રમણ દ્વારા દ્રશ્ય પ્રકાશને શોષી શકતા નથી અને તેથી સફેદ અથવા રંગહીન દેખાય છે કારણ કે તેઓ દ્રશ્ય પ્રકાશની તમામ તરંગલંબાઈને પ્રસારિત અથવા પ્રતિબિંબિત કરે છે. કેટલાક ઝીંક સંયોજનોમાં જોવા મળતો કોઈપણ રંગ લિગન્ડ અથવા અશુદ્ધિઓ સાથે સંકળાયેલા ચાર્જ ટ્રાન્સફર સંક્રમણને કારણે હોઈ શકે છે, પરંતુ Zn²⁺ ને કારણે નહીં.

3. ચુંબકીય ગુણધર્મો (પ્રતિચુંબકીય):

   • અનુચુંબકત્વ (Paramagnetism) એવા પદાર્થોમાં થાય છે જેમાં એક અથવા વધુ અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન હોય છે. આ અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન ચુંબકીય ચાકમાત્રા (magnetic moment) ધરાવે છે અને બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્ર તરફ આકર્ષિત થાય છે.
   • પ્રતિચુંબકત્વ (Diamagnetism) એવા પદાર્થોમાં થાય છે જ્યાં બધા ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મિત હોય છે. યુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન વિરુદ્ધ સ્પિન ધરાવે છે, જે તેમની ચુંબકીય ચાકમાત્રાને રદ કરે છે. પ્રતિચુંબકીય પદાર્થો બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્ર દ્વારા નબળા રીતે વિકર્ષિત થાય છે.
   • Zn²⁺ આયન 3d¹⁰ ઇલેક્ટ્રોન રચના ધરાવતું હોવાથી, પાંચ d-કક્ષકોમાં દસેય d-ઇલેક્ટ્રોન યુગ્મિત હોય છે. Zn²⁺ માં કોઈ અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન નથી.
   • પરિણામે, ઝીંક(II) સંયોજનો પ્રતિચુંબકીય હોય છે કારણ કે તેમાં અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોનનો અભાવ હોય છે.

સારાંશમાં, Zn²⁺ આયનની સંપૂર્ણ ભરાયેલી 3d¹⁰ ઇલેક્ટ્રોન રચના એ મુખ્ય કારણ છે કે શા માટે ઝીંક(II) સંયોજનો સામાન્ય રીતે સફેદ (d-d સંક્રમણની ગેરહાજરીને કારણે) અને પ્રતિચુંબકીય (અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોનની ગેરહાજરીને કારણે) હોય છે.