एल्युमिनियम (Al) का रसायन विज्ञान: अभ्यास प्रश्न
बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQs)
प्रश्न 1
एल्युमिनियम के बारे में निम्नलिखित में से कौन सा कथन गलत है? A) एल्युमिनियम एक उभयधर्मी धातु है। B) एल्युमिनियम तनु HCl के साथ अभिक्रिया करके हाइड्रोजन गैस उत्पन्न करता है। C) एल्युमिनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) प्रकृति में क्षारीय होता है। D) एल्युमिनियम अपनी सतह पर ऑक्साइड की एक निष्क्रिय परत बनाता है।
हल: सही उत्तर है C) एल्युमिनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) प्रकृति में क्षारीय होता है।
स्पष्टीकरण:
A) एल्युमिनियम वास्तव में एक उभयधर्मी धातु है, जिसका अर्थ है कि यह अम्ल और क्षार दोनों के साथ अभिक्रिया करती है।
B) एल्युमिनियम तनु HCl के साथ अभिक्रिया करता है: 2Al(s) + 6HCl(aq) → 2AlCl₃(aq) + 3H₂(g)।
C) एल्युमिनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) उभयधर्मी होता है, क्षारीय नहीं। यह अम्ल के साथ अभिक्रिया करके लवण बनाता है और क्षार के साथ अभिक्रिया करके एलुमिनेट बनाता है। उदाहरण के लिए, Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O और Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O।
D) एल्युमिनियम अपनी सतह पर एल्युमिनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) की एक पतली, मजबूत और अभेद्य परत आसानी से बनाता है, जो अंतर्निहित धातु को आगे संक्षारण से बचाती है। इसे निष्क्रियता (passivation) के रूप में जाना जाता है।
प्रश्न 2
हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया का उपयोग करके एल्युमिनियम के विद्युत अपघटनी निष्कर्षण में, क्रायोलाइट (Na₃AlF₆) की प्राथमिक भूमिका क्या है? A) ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करना। B) एल्युमिना (Al₂O₃) के गलनांक को कम करना। C) एल्युमिना (Al₂O₃) के गलनांक को बढ़ाना। D) एल्युमिनियम के मुख्य स्रोत के रूप में कार्य करना।
हल: सही उत्तर है B) एल्युमिना (Al₂O₃) के गलनांक को कम करना।
स्पष्टीकरण: एल्युमिना (Al₂O₃) का गलनांक बहुत अधिक (2000 °C से अधिक) होता है। हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया में, पिघले हुए एल्युमिना में क्रायोलाइट (Na₃AlF₆) मुख्य रूप से इसमें मिलाया जाता है:
- विद्युत अपघट्य मिश्रण के गलनांक को लगभग 950-1000 °C तक कम करना, जिससे यह प्रक्रिया आर्थिक रूप से व्यवहार्य हो जाती है।
- विद्युत अपघट्य की विद्युत चालकता बढ़ाना।
- एल्युमिना को प्रभावी ढंग से घोलना। क्रायोलाइट स्वयं एल्युमिनियम के मुख्य स्रोत के रूप में कार्य नहीं करता है; एल्युमिना मुख्य अयस्क है। यह ऑक्सीकारक के रूप में कार्य नहीं करता है।
प्रश्न 3
एल्युमिनियम किस तत्व के साथ विकर्ण संबंध दर्शाता है, जिसमें कुछ समान गुण प्रदर्शित होते हैं? A) बोरोन B) गैलियम C) मैग्नीशियम D) बेरिलियम
हल: सही उत्तर है D) बेरिलियम।
स्पष्टीकरण: विकर्ण संबंध आवर्त 2 और आवर्त 3 के तत्वों के बीच देखा जाता है, जो विकर्णतः विपरीत समूहों से संबंधित होते हैं। एल्युमिनियम (समूह 13, आवर्त 3) बेरिलियम (समूह 2, आवर्त 2) के साथ विकर्ण संबंध दर्शाता है। समानताओं में शामिल हैं:
- दोनों सहसंयोजक यौगिक बनाते हैं।
- उनके ऑक्साइड (Al₂O₃ और BeO) और हाइड्रॉक्साइड (Al(OH)₃ और Be(OH)₂) उभयधर्मी होते हैं।
- वे जटिल फ्लोराइड बनाते हैं, जैसे,
[AlF₆]³⁻और[BeF₄]²⁻। - दोनों धातुएँ नाइट्रिक अम्ल के प्रति निष्क्रिय होती हैं।
- दोनों प्रबल क्षारकों के साथ अभिक्रिया करके जटिल ऋणायन (एलुमिनेट और बेरिलिएट) बनाते हैं।
अभिकथन-कारण प्रश्न
प्रश्न 1
अभिकथन (A): एल्युमिनियम के बर्तनों को वाशिंग सोडा (सोडियम कार्बोनेट) से नहीं धोना चाहिए। कारण (R): वाशिंग सोडा क्षारीय होता है और एल्युमिनियम के साथ अभिक्रिया करके सोडियम एलुमिनेट और हाइड्रोजन गैस बनाता है।
A) A और R दोनों सत्य हैं और R, A की सही व्याख्या है। B) A और R दोनों सत्य हैं लेकिन R, A की सही व्याख्या नहीं है। C) A सत्य है लेकिन R असत्य है। D) A असत्य है लेकिन R सत्य है। E) A और R दोनों असत्य हैं।
हल: सही उत्तर है A) A और R दोनों सत्य हैं और R, A की सही व्याख्या है।
स्पष्टीकरण:
एल्युमिनियम एक उभयधर्मी धातु है। वाशिंग सोडा (Na₂CO₃) पानी में जल-अपघटित होकर एक प्रबल क्षार (NaOH) और एक दुर्बल अम्ल (H₂CO₃) बनाता है, जिससे इसका विलयन क्षारीय हो जाता है।
Na₂CO₃ + 2H₂O ⇌ 2NaOH + H₂CO₃
एल्युमिनियम प्रबल क्षार (NaOH) के साथ इस प्रकार अभिक्रिया करता है:
2Al(s) + 2NaOH(aq) + 6H₂O(l) → 2Na[Al(OH)₄](aq) + 3H₂(g) (सोडियम टेट्राहाइड्रॉक्सोएलुमिनेट(III))
यह अभिक्रिया एल्युमिनियम के बर्तन को संक्षारित करती है, जिससे गड्ढे पड़ जाते हैं और क्षति होती है। इसलिए, अभिकथन और कारण दोनों सत्य हैं, और कारण अभिकथन की सही व्याख्या करता है।
प्रश्न 2
अभिकथन (A): निर्जल AlCl₃ एक लुईस अम्ल है। कारण (R): निर्जल AlCl₃ एक इलेक्ट्रॉन-न्यून अणु है।
A) A और R दोनों सत्य हैं और R, A की सही व्याख्या है। B) A और R दोनों सत्य हैं लेकिन R, A की सही व्याख्या नहीं है। C) A सत्य है लेकिन R असत्य है। D) A असत्य है लेकिन R सत्य है। E) A और R दोनों असत्य हैं।
हल: सही उत्तर है A) A और R दोनों सत्य हैं और R, A की सही व्याख्या है।
स्पष्टीकरण:
निर्जल एल्युमिनियम क्लोराइड (AlCl₃) में, केंद्रीय एल्युमिनियम परमाणु तीन क्लोरीन परमाणुओं से बंधा होता है। एल्युमिनियम समूह 13 में है और इसमें तीन संयोजकता इलेक्ट्रॉन होते हैं। तीन सहसंयोजक बंध बनाने के बाद, एल्युमिनियम परमाणु के संयोजकता कोश में केवल छह इलेक्ट्रॉन (3 इलेक्ट्रॉन युग्म) होते हैं। इसे अपना अष्टक पूरा करने के लिए दो और इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है। लुईस सिद्धांत के अनुसार, एक लुईस अम्ल एक इलेक्ट्रॉन युग्म ग्राही होता है। चूंकि AlCl₃ इलेक्ट्रॉन-न्यून है, यह एक स्थिर अष्टक प्राप्त करने के लिए आसानी से एक इलेक्ट्रॉन युग्म स्वीकार करता है, इस प्रकार एक लुईस अम्ल के रूप में कार्य करता है। उदाहरण के लिए, AlCl₃ + Cl⁻ → [AlCl₄]⁻। इसलिए, अभिकथन और कारण दोनों सत्य हैं, और कारण अभिकथन की सही व्याख्या करता है।
लघु उत्तरीय प्रश्न
प्रश्न 1
समझाइए कि प्रबल क्षारों के साथ उपचारित करने पर एल्युमिनियम [Al(OH)₄]⁻ क्यों बनाता है, लेकिन बोरोन, जो समूह 13 में भी है, समान परिस्थितियों में सामान्यतः [B(OH)₄]⁻ क्यों नहीं बनाता है।
आदर्श उत्तर:
एल्युमिनियम अपनी उभयधर्मी प्रकृति और अपनी समन्वय संख्या का विस्तार करने की क्षमता के कारण टेट्राहाइड्रॉक्सोएलुमिनेट(III) संकुल, [Al(OH)₄]⁻, बनाता है। एल्युमिनियम, बोरोन की तुलना में एक बड़ा परमाणु होने के कारण, इसके संयोजकता कोश में रिक्त d-कक्षक होते हैं, जिनका उपयोग हाइड्रॉक्साइड लिगेंड से अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन युग्मों को समायोजित करने के लिए किया जा सकता है। यह एल्युमिनियम को 4 की समन्वय संख्या प्राप्त करने और स्थिर [Al(OH)₄]⁻ संकुल बनाने की अनुमति देता है।
दूसरी ओर, बोरोन एक बहुत छोटा परमाणु है और इसके संयोजकता कोश में सुलभ d-कक्षकों का अभाव होता है। इसके d-कक्षकों की अनुपस्थिति के कारण इसकी अधिकतम सहसंयोजकता चार तक सीमित होती है। जबकि यह कुछ विशेष परिस्थितियों में [B(OH)₄]⁻ (टेट्राहाइड्रॉक्सोबोरेट) बना सकता है, यह सामान्यतः बोरिक अम्ल, B(OH)₃, के रूप में मौजूद होता है, जो एक दुर्बल लुईस अम्ल है। बोरोन की sp² संकरण प्राप्त करने और समतलीय संरचनाएँ बनाने की प्रबल प्रवृत्ति, त्रिविम बाधा और इलेक्ट्रॉन न्यूनता के साथ मिलकर, एल्युमिनियम के लिए [Al(OH)₄]⁻ के निर्माण की तुलना में [B(OH)₄]⁻ के निर्माण को कम अनुकूल और कम सामान्य बनाती है। बोरिक अम्ल B(OH)₃ के रूप में मौजूद होता है जो H⁺ दान करने के बजाय एक OH⁻ आयन स्वीकार करके एक लुईस अम्ल के रूप में कार्य करता है।
प्रश्न 2
एल्युमिनियम के विद्युत अपघटनी निष्कर्षण (हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया) में क्रायोलाइट (Na₃AlF₆) की भूमिका का वर्णन करें।
आदर्श उत्तर: एल्युमिना (Al₂O₃) से एल्युमिनियम के विद्युत अपघटनी निष्कर्षण की हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया में, क्रायोलाइट (Na₃AlF₆) कई महत्वपूर्ण भूमिकाएँ निभाता है:
-
गलनांक को कम करना: शुद्ध एल्युमिना का गलनांक बहुत अधिक (2000 °C से अधिक) होता है। एल्युमिना को पिघले हुए क्रायोलाइट में घोलने से, मिश्रण का गलनांक काफी कम होकर लगभग 950-1000 °C हो जाता है। तापमान में यह कमी औद्योगिक प्रक्रिया को आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाती है, क्योंकि पिघली हुई अवस्था को बनाए रखने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
-
विद्युत चालकता बढ़ाना: पिघला हुआ एल्युमिना स्वयं विद्युत का एक खराब चालक होता है। क्रायोलाइट, जब पिघला हुआ होता है, आयनों (
Na⁺,AlF₆³⁻,AlF₄⁻) में वियोजित हो जाता है, जिससे विद्युत अपघट्य की विद्युत चालकता में उल्लेखनीय वृद्धि होती है। यह विद्युत अपघटन के लिए आवश्यक धारा के कुशल प्रवाह को सुगम बनाता है। -
एल्युमिना के लिए विलायक: क्रायोलाइट एल्युमिना के लिए एक उत्कृष्ट विलायक के रूप में कार्य करता है। एल्युमिना पिघले हुए क्रायोलाइट में घुलकर
AlF₆³⁻औरAlOF₂⁻जैसे जटिल आयन बनाता है, जो तब कैथोड पर अपचयित होते हैं। यह विद्युत रासायनिक अपचयन प्रक्रिया के लिए एल्युमिनियम आयनों की निरंतर आपूर्ति सुनिश्चित करता है।
संक्षेप में, क्रायोलाइट प्रचालन तापमान को कम करने, विद्युत चालकता बढ़ाने और एल्युमिना को घोलने के लिए आवश्यक है, जिससे एल्युमिनियम धातु का व्यावहारिक और कुशल उत्पादन संभव होता है।
उच्च-क्रम चिंतन कौशल (HOTS) प्रश्न
एल्युमिनियम अपनी अभिक्रियाशीलता श्रृंखला में अपनी स्थिति के अनुसार एक अत्यधिक अभिक्रियाशील धातु है। हालांकि, एल्युमिनियम की वस्तुएं हवा और नमी के संपर्क में आने पर भी आसानी से संक्षारित नहीं होती हैं। इस घटना की व्याख्या करें और एल्युमिनियम की उभयधर्मी प्रकृति को प्रदर्शित करने के लिए प्रासंगिक रासायनिक समीकरण प्रदान करें।
विस्तृत रासायनिक स्पष्टीकरण:
एल्युमिनियम वास्तव में E° = -1.66 V के मानक इलेक्ट्रोड विभव के साथ एक अत्यधिक अभिक्रियाशील धातु है, जो इलेक्ट्रॉनों को खोने की एक प्रबल प्रवृत्ति को इंगित करता है। हालांकि, हवा और नमी के संपर्क में आने के बावजूद संक्षारण के प्रति इसका उत्कृष्ट प्रतिरोध निष्क्रियता (passivation) की घटना के कारण है।
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एक सुरक्षात्मक ऑक्साइड परत का निर्माण: जब एल्युमिनियम हवा के संपर्क में आता है, तो यह तुरंत वायुमंडलीय ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके अपनी सतह पर एल्युमिनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) की एक पतली, मजबूत, गैर-छिद्रपूर्ण और दृढ़ता से चिपकी हुई परत बनाता है।
4Al(s) + 3O₂(g) → 2Al₂O₃(s)यह ऑक्साइड परत एक सुरक्षात्मक अवरोध के रूप में कार्य करती है, जो अंतर्निहित एल्युमिनियम धातु को ऑक्सीजन, नमी और अन्य संक्षारक अभिकर्मकों के साथ आगे की अभिक्रिया से रोकती है। यह निष्क्रिय परत बहुत स्थिर होती है और इसे यांत्रिक रूप से हटाना मुश्किल होता है। -
एल्युमिनियम ऑक्साइड की उभयधर्मी प्रकृति: सुरक्षात्मक Al₂O₃ परत उभयधर्मी होती है, जिसका अर्थ है कि यह प्रबल अम्ल और प्रबल क्षार दोनों के साथ अभिक्रिया कर सकती है। यह गुण विशिष्ट वातावरण में नियंत्रित विघटन की अनुमति देता है लेकिन सामान्यतः तटस्थ परिस्थितियों में इसकी स्थिरता में योगदान देता है।
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अम्लों के साथ अभिक्रिया:
Al₂O₃(s) + 6HCl(aq) → 2AlCl₃(aq) + 3H₂O(l)या, सल्फ्यूरिक अम्ल जैसे प्रबल अम्लों के साथ:Al₂O₃(s) + 3H₂SO₄(aq) → Al₂(SO₄)₃(aq) + 3H₂O(l) -
क्षारों के साथ अभिक्रिया:
Al₂O₃(s) + 2NaOH(aq) + 3H₂O(l) → 2Na[Al(OH)₄](aq)(सोडियम टेट्राहाइड्रॉक्सोएलुमिनेट(III)) यह अभिक्रिया दर्शाती है कि जबकि ऑक्साइड परत सुरक्षा प्रदान करती है, प्रबल क्षारों के लंबे समय तक संपर्क में रहने से यह घुल जाएगी, जिससे अंतर्निहित धातु संक्षारण के संपर्क में आ जाएगी। इसी तरह, बहुत प्रबल अम्ल भी परत को घोल सकते हैं।
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संक्षेप में, एल्युमिनियम की उच्च अभिक्रियाशीलता एक स्थिर, अभेद्य और स्व-उपचारित निष्क्रिय ऑक्साइड परत (Al₂O₃) के तेजी से निर्माण द्वारा ढँक जाती है। यह परत आगे रासायनिक हमले को रोकती है, जिससे एल्युमिनियम अधिकांश पर्यावरणीय परिस्थितियों में संक्षारण के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी बन जाता है। इस ऑक्साइड परत की उभयधर्मी प्रकृति अम्लीय और क्षारीय माध्यमों में इसके व्यवहार को निर्धारित करती है।