कॉपर (Cu) रसायन विज्ञान: अभ्यास प्रश्न

बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

कॉपर के बारे में निम्नलिखित में से कौन सा कथन गलत है? a) Cu$^+$ प्रतिचुंबकीय (diamagnetic) है। b) Cu$^\{2+\}$ यौगिक आमतौर पर रंगीन होते हैं। c) कॉपर तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया करके हाइड्रोजन गैस उत्पन्न करता है। d) Cu$^+$ जलीय विलयन में असमानुपातन (disproportionates) करता है।

हल

सही उत्तर c) है।

• स्पष्टीकरण:
  • a) Cu$^+$ का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Ar]3d$^\{10\}$ है। सभी इलेक्ट्रॉन युग्मित होते हैं, जो इसे प्रतिचुंबकीय (diamagnetic) बनाता है। यह कथन सही है।
  • b) Cu$^\{2+\}$ का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Ar]3d$^9$ है। इसमें एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होता है, जिसके कारण d-d संक्रमण होते हैं जो प्रकाश की कुछ तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करते हैं और दूसरों को संचारित करते हैं, जिससे रंग उत्पन्न होता है (आमतौर पर जलीय विलयन में नीला या हरा)। यह कथन सही है।
  • c) कॉपर हाइड्रोजन से कम अभिक्रियाशील है और तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल या तनु सल्फ्यूरिक अम्ल जैसे अन-ऑक्सीकृत अम्लों के साथ अभिक्रिया करके हाइड्रोजन गैस उत्पन्न नहीं करता है। यह ऑक्सीकारक अम्लों (जैसे HNO$_3$, सांद्र H$_2$SO$_4$) के साथ अभिक्रिया करता है। यह कथन गलत है।
  • d) Cu$^+$ जलीय विलयन में अस्थिर होता है और Cu$^\{2+\}$ तथा Cu(s) में असमानुपातन (disproportionation) करता है। 2Cu$^+$ (aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s) के लिए मानक इलेक्ट्रोड विभव धनात्मक (+0.37 V) है, जो स्वतःप्रवर्तितता (spontaneity) को दर्शाता है। यह कथन सही है।

प्रश्न 2

कॉपर छिलन (turnings) को सांद्र नाइट्रिक अम्ल में मिलाया जाता है। निकलने वाली गैस है: a) NO b) NO$_2$ c) N$_2$O d) NH$_3$

हल

सही उत्तर b) है।

• स्पष्टीकरण:
  • कॉपर सांद्र नाइट्रिक अम्ल के साथ अभिक्रिया करके नाइट्रोजन डाइऑक्साइड (NO$_2$), एक लाल-भूरे रंग की गैस, साथ में कॉपर नाइट्रेट और पानी उत्पन्न करता है।
  • अभिक्रिया है: Cu(s) + 4HNO$_3$(conc) → Cu(NO$_3$)$_2$(aq) + 2NO$_2$(g) + 2H$_2$O(l)
  • तनु नाइट्रिक अम्ल के साथ, कॉपर नाइट्रिक ऑक्साइड (NO) उत्पन्न करता है, जो रंगहीन होता है लेकिन हवा के संपर्क में आने पर लाल-भूरे रंग का हो जाता है (NO$_2$ में ऑक्सीकरण के कारण)।
  • तनु HNO$_3$ के साथ अभिक्रिया है: 3Cu(s) + 8HNO$_3$(dil) → 3Cu(NO$_3$)$_2$(aq) + 2NO(g) + 4H$_2$O(l)

प्रश्न 3

कॉपर सल्फेट के जलीय विलयन को अतिरिक्त जलीय अमोनिया के साथ उपचारित किया जाता है। परिणामी विलयन का रंग होगा: a) नीला b) गहरा नीला c) हरा d) रंगहीन

हल

सही उत्तर b) है।

• स्पष्टीकरण:
  • जब कॉपर सल्फेट विलयन में जलीय अमोनिया मिलाया जाता है, तो शुरुआत में कॉपर(II) हाइड्रॉक्साइड, Cu(OH)$_2$, का हल्का नीला अवक्षेप बनता है: CuSO$_4$(aq) + 2NH$_4$OH(aq) → Cu(OH)$_2$(s) + (NH$_4$)$_2$SO$_4$(aq)
  • अतिरिक्त जलीय अमोनिया मिलाने पर, अवक्षेप घुल जाता है और एक गहरा नीला घुलनशील संकुल, टेट्राएमाइनकॉपर(II) आयन, [Cu(NH$_3$)$_4$]$^\{2+\}$ बनाता है: Cu(OH)$_2$(s) + 4NH$_3$(aq) → [Cu(NH$_3$)$_4$]$^\{2+\}$(aq) + 2OH$^-$(aq)
  • यह गहरा नीला रंग विशिष्ट होता है और अक्सर Cu$^\{2+\}$ आयनों के परीक्षण के रूप में उपयोग किया जाता है।

अभिकथन-कारण प्रश्न

निम्नलिखित प्रश्नों में दो कथन शामिल हैं, एक को अभिकथन (A) और दूसरे को कारण (R) के रूप में लेबल किया गया है। दोनों कथनों की सावधानीपूर्वक जाँच करें और निम्नलिखित में से सही विकल्प चुनें: a) A और R दोनों सत्य हैं, और R, A का सही स्पष्टीकरण है। b) A और R दोनों सत्य हैं, लेकिन R, A का सही स्पष्टीकरण नहीं है। c) A सत्य है, लेकिन R असत्य है। d) A असत्य है, लेकिन R सत्य है।

प्रश्न 1

अभिकथन (A): Cu$^+$ आयन प्रतिचुंबकीय (diamagnetic) होता है। कारण (R): Cu$^+$ आयन में पूरी तरह से भरा हुआ d-कक्षक (3d$^\{10\}$) होता है।

हल

सही उत्तर a) है।

• स्पष्टीकरण:
  • अभिकथन (A) कहता है कि Cu$^+$ प्रतिचुंबकीय होता है। यह सत्य है। प्रतिचुंबकत्व अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की अनुपस्थिति से उत्पन्न होता है।
  • कारण (R) कहता है कि Cu$^+$ में पूरी तरह से भरा हुआ d-कक्षक (3d$^\{10\}$) होता है। यह भी सत्य है। Cu का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Ar]3d$^\{10\}$4s$^1$ है। जब यह एक इलेक्ट्रॉन खोकर Cu$^+$ बनाता है, तो इसका विन्यास [Ar]3d$^\{10\}$ हो जाता है, जिसका अर्थ है कि इसके सभी 3d इलेक्ट्रॉन युग्मित होते हैं।
  • चूंकि एक पूरी तरह से भरा हुआ d-कक्षक (3d$^\{10\}$) का अर्थ है कि सभी इलेक्ट्रॉन युग्मित हैं, यह सीधे तौर पर बताता है कि Cu$^+$ प्रतिचुंबकीय क्यों है। अतः, R, A का सही स्पष्टीकरण है।

प्रश्न 2

अभिकथन (A): कॉपर विद्युत का उत्कृष्ट चालक है। कारण (R): कॉपर में कम प्रथम आयनीकरण एन्थैल्पी (first ionization enthalpy) होती है।

हल

सही उत्तर b) है।

• स्पष्टीकरण:
  • अभिकथन (A) कहता है कि कॉपर विद्युत का उत्कृष्ट चालक है। यह सत्य है। कॉपर अपनी धात्विक संरचना के कारण सर्वश्रेष्ठ विद्युत चालकों में से एक है।
  • कारण (R) कहता है कि कॉपर में कम प्रथम आयनीकरण एन्थैल्पी होती है। कई अधातुओं की तुलना में यह भी सत्य है, जिससे यह अपने संयोजी इलेक्ट्रॉन को आसानी से खो देता है।
  • हालांकि, कॉपर की उच्च विद्युत चालकता का सीधा कारण इसके विस्थानीकृत संयोजी इलेक्ट्रॉनों (जिन्हें अक्सर “इलेक्ट्रॉनों का समुद्र” कहा जाता है) की उपस्थिति है, जो धात्विक जालक (metallic lattice) में स्वतंत्र रूप से घूमने के लिए उपलब्ध होते हैं, न कि विशेष रूप से इसकी कम आयनीकरण एन्थैल्पी। जबकि कम आयनीकरण एन्थैल्पी धात्विक बंध और इन गतिशील इलेक्ट्रॉनों की उपलब्धता में योगदान करती है, यह इलेक्ट्रॉन समुद्र मॉडल के संदर्भ में चालकता का प्रत्यक्ष और एकमात्र स्पष्टीकरण नहीं है। इसलिए, A और R दोनों सत्य हैं, लेकिन R, A का सही स्पष्टीकरण नहीं है।

लघु उत्तरीय प्रश्न

प्रश्न 1

समझाइए कि Cu$^+$ आयन जलीय विलयन में अस्थिर क्यों होता है जबकि Cu$^\{2+\}$ स्थिर होता है।

मॉडल उत्तर

Cu$^+$ आयन (इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Ar]3d$^\{10\}$) जलीय विलयन में अस्थिर होता है और असमानुपातन (disproportionation) से गुजरता है, जिससे अधिक स्थिर Cu$^\{2+\}$ आयन और ठोस कॉपर बनता है: 2Cu$^+$(aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s)

यह असमानुपातन जलीय माध्यम में स्वतःप्रवर्तित होता है क्योंकि:

1. जलयोजन एन्थैल्पी (Hydration Enthalpy): Cu$^\{2+\}$ में Cu$^+$ की तुलना में बहुत अधिक (अधिक ऋणात्मक) जलयोजन एन्थैल्पी होती है। ऐसा Cu$^\{2+\}$ के छोटे आकार और उच्च आवेश घनत्व के कारण होता है, जो पानी के अणुओं के साथ अधिक मजबूत अंतःक्रिया की अनुमति देता है। यह बड़ी जलयोजन ऊर्जा Cu$^+$ से Cu$^\{2+\}$ बनाने के लिए आवश्यक उच्च दूसरी आयनीकरण एन्थैल्पी की क्षतिपूर्ति करती है।
2. जालक एन्थैल्पी (Lattice Enthalpy): ठोस यौगिकों के लिए, Cu$^\{2+\}$ यौगिकों की स्थिरता आमतौर पर Cu$^+$ यौगिकों की तुलना में अधिक होती है, जो Cu$^\{2+\}$ के उच्च आवेश से उत्पन्न मजबूत आयनिक बंधन के कारण होता है।
3. मानक इलेक्ट्रोड विभव (Standard Electrode Potentials): असमानुपातन अभिक्रिया (E°cell = +0.37 V) के लिए मानक इलेक्ट्रोड विभव (E°) धनात्मक होता है, जो दर्शाता है कि अभिक्रिया ऊष्मागतिक रूप से अनुकूल है।
   • Cu$^+$(aq) + e$^-$ → Cu(s) ; E° = +0.52 V
   • Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ → Cu$^+$(aq) ; E° = +0.15 V
   • इस अभिक्रिया की स्वतःप्रवर्तित प्रकृति पानी में Cu$^+$ की अस्थिरता को दर्शाती है।

इसके विपरीत, Cu$^\{2+\}$ आयन (इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Ar]3d$^9$) जलीय विलयनों में अपनी उच्च जलयोजन एन्थैल्पी के कारण स्थिर होता है, जो इसके निर्माण के लिए आवश्यक ऊर्जा को काफी हद तक ऑफसेट करता है।

प्रश्न 2

कॉपर के साथ सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल की ऑक्सीकारक प्रकृति को दर्शाने वाली दो अभिक्रियाएँ दीजिए।

मॉडल उत्तर

सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल (H$_2$SO$_4$) एक प्रबल ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है, खासकर जब इसे गर्म किया जाता है, तो यह स्वयं अपचयित (reduced) होकर कॉपर जैसे कम अभिक्रियाशील धातुओं को ऑक्सीकृत (oxidized) करता है। यहाँ दो अभिक्रियाएँ दी गई हैं:

1. कॉपर के साथ अभिक्रिया (सल्फर डाइऑक्साइड का उत्पादन): जब कॉपर को सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ गर्म किया जाता है, तो कॉपर, कॉपर(II) सल्फेट में ऑक्सीकृत होता है, और सल्फ्यूरिक अम्ल सल्फर डाइऑक्साइड गैस में अपचयित होता है। Cu(s) + 2H$_2$SO$_4$(conc) $\xrightarrow\{\text\{heat\}\}$ CuSO$_4$(aq) + SO$_2$(g) + 2H$_2$O(l) इस अभिक्रिया में, H$_2$SO$_4$ में सल्फर की ऑक्सीकरण अवस्था +6 से SO$_2$ में +4 हो जाती है, जो अपचयन (reduction) को दर्शाती है। कॉपर की ऑक्सीकरण अवस्था 0 से +2 हो जाती है, जो ऑक्सीकरण (oxidation) को दर्शाती है।

2. रेडॉक्स परिवर्तनों पर केंद्रित एक और निरूपण: यह अनिवार्य रूप से वही अभिक्रिया है लेकिन रेडॉक्स अर्ध-अभिक्रियाओं को अधिक स्पष्ट रूप से उजागर करती है: ऑक्सीकरण अर्ध-अभिक्रिया: Cu(s) → Cu$^\{2+\}$(aq) + 2e$^-$ अपचयन अर्ध-अभिक्रिया: SO$_4^\{2-\}$(aq) + 4H$^+$(aq) + 2e$^-$ → SO$_2$(g) + 2H$_2$O(l) इनको मिलाकर ऊपर दर्शाई गई समग्र अभिक्रिया मिलती है। यह स्पष्ट रूप से H$_2$SO$_4$ को ऑक्सीकारक के रूप में प्रदर्शित करता है।

उच्च-स्तरीय चिंतन कौशल (HOTS) प्रश्न

कॉपर +1 और +2 ऑक्सीकरण अवस्थाएँ प्रदर्शित करता है। इनमें से कौन सी जलीय विलयन में अधिक स्थिर है और क्यों? प्रासंगिक ऊष्मागतिक मापदंडों का उपयोग करके समझाइए।

विस्तृत रासायनिक स्पष्टीकरण

जलीय विलयनों में, कॉपर की +2 ऑक्सीकरण अवस्था (Cu$^\{2+\}$), +1 ऑक्सीकरण अवस्था (Cu$^+$) की तुलना में काफी अधिक स्थिर होती है। इस स्थिरता अंतर को आयनीकरण एन्थैल्पी (ionization enthalpies) और जलयोजन एन्थैल्पी (hydration enthalpies) के अंतर्संबंध पर विचार करके समझाया जा सकता है।

1. इलेक्ट्रॉनिक विन्यास:

   • Cu: [Ar]3d$^\{10\}$4s$^1$
   • Cu$^+$: [Ar]3d$^\{10\}$ (स्थिर, पूरी तरह से भरा हुआ d-उपकोश)
   • Cu$^\{2+\}$: [Ar]3d$^9$ (अस्थिर, अपूर्ण d-उपकोश, लेकिन विलयन में आवश्यक रूप से अस्थिर नहीं)

2. आयनीकरण एन्थैल्पी (Ionization Enthalpies):

   • Cu$^+$ के निर्माण के लिए प्रथम आयनीकरण एन्थैल्पी ($\Delta_i$H$_1$) की आवश्यकता होती है।
   • Cu$^\{2+\}$ के निर्माण के लिए प्रथम और द्वितीय आयनीकरण एन्थैल्पी ($\Delta_i$H$_1$ + $\Delta_i$H$_2$) के योग की आवश्यकता होती है।
   • चूंकि द्वितीय आयनीकरण एन्थैल्पी ($\Delta_i$H$_2$) हमेशा प्रथम ($\Delta_i$H$_1$) से अधिक होती है, Cu$^\{2+\}$ बनाने के लिए Cu$^+$ बनाने की तुलना में काफी अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। केवल आयनीकरण ऊर्जा के दृष्टिकोण से, Cu$^+$ अधिक अनुकूल प्रतीत होता है।

3. जलयोजन एन्थैल्पी (Hydration Enthalpies):

   • जब एक आयन को पानी में रखा जाता है, तो वह जलयोजित हो जाता है, जिससे ऊर्जा निकलती है जिसे जलयोजन एन्थैल्पी ($\Delta_\{hyd\}$H) के रूप में जाना जाता है। यह ऊर्जा आयन को स्थिर करती है।
   • Cu$^\{2+\}$ में Cu$^+$ की तुलना में बहुत अधिक (अधिक ऋणात्मक, यानी, अधिक ऊर्जा मुक्त होती है) जलयोजन एन्थैल्पी होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि:
     • उच्च आवेश: Cu$^\{2+\}$ में Cu$^+$ का दोगुना आवेश होता है।
     • छोटा आयनिक त्रिज्या: Cu$^\{2+\}$ की आयनिक त्रिज्या Cu$^+$ की तुलना में छोटी होती है (उच्च प्रभावी नाभिकीय आवेश के कारण)।
   • ये कारक Cu$^\{2+\}$ आयनों और ध्रुवीय पानी के अणुओं के बीच एक मजबूत स्थिरवैद्युत आकर्षण (electrostatic attraction) की ओर ले जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप काफी अधिक जलयोजन ऊर्जा होती है।

4. समग्र स्थिरता और असमानुपातन (Overall Stability and Disproportionation): Cu$^\{2+\}$ की बड़ी जलयोजन एन्थैल्पी Cu$^+$ से दूसरे इलेक्ट्रॉन को हटाने के लिए आवश्यक उच्च द्वितीय आयनीकरण एन्थैल्पी की प्रभावी ढंग से क्षतिपूर्ति करती है। जलीय विलयन में Cu$^+$ की अस्थिरता इसके असमानुपातन से गुजरने की प्रवृत्ति से स्पष्ट होती है: 2Cu$^+$(aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s)

   इस अभिक्रिया की स्वतःप्रवर्तितता (spontaneity) का मूल्यांकन करने के लिए, हम मानक इलेक्ट्रोड विभव (standard electrode potentials) को देखते हैं:

   • Cu$^+$ का अपचयन: Cu$^+$(aq) + e$^-$ → Cu(s); E° = +0.52 V
   • Cu$^\{2+\}$ का अपचयन: Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ → Cu$^+$(aq); E° = +0.15 V

   असमानुपातन अभिक्रिया 2Cu$^+$(aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s) के लिए, हम इसे इस प्रकार मान सकते हैं:

   • Cu$^+$(aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ (ऑक्सीकरण)
   • Cu$^+$(aq) + e$^-$ → Cu(s) (अपचयन)

   इस असमानुपातन के लिए मानक सेल विभव (E°cell) है: E°cell = E°(Cu$^+$ का अपचयन) - E°(Cu$^\{2+\}$ का Cu$^+$ में अपचयन) E°cell = (+0.52 V) - (+0.15 V) = +0.37 V

   चूंकि E°cell धनात्मक (+0.37 V) है, जलीय विलयन में Cu$^+$ का असमानुपातन एक स्वतःप्रवर्तित प्रक्रिया है ($\Delta$G° = -nFE°cell, इसलिए $\Delta$G° ऋणात्मक होगा)। इसका मतलब है कि Cu$^+$ पानी में ऊष्मागतिक रूप से अस्थिर है और आसानी से अधिक स्थिर Cu$^\{2+\}$ और मौलिक कॉपर में परिवर्तित हो जाएगा।

निष्कर्ष: Cu$^+$ में स्थिर 3d$^\{10\}$ विन्यास होने और इसके निर्माण के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होने के बावजूद, Cu$^\{2+\}$ आयन की काफी बड़ी जलयोजन एन्थैल्पी, Cu$^+$ के असमानुपातन के लिए धनात्मक मानक इलेक्ट्रोड विभव के साथ मिलकर, Cu$^\{2+\}$ ऑक्सीकरण अवस्था को जलीय विलयनों में अधिक स्थिर बनाती है।