सोने (Au) का रसायन विज्ञान - हल किए गए अभ्यास प्रश्न

बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

अपने यौगिकों में सोने (Au) की सबसे आम और स्थिर ऑक्सीकरण अवस्था क्या है?

A) +1 B) +2 C) +3 D) +4

सही उत्तर: C) +3

स्पष्टीकरण: सोना मुख्य रूप से +1 और +3 ऑक्सीकरण अवस्थाएँ प्रदर्शित करता है। जबकि Au(I) यौगिक स्थिर होते हैं (उदाहरण के लिए, AuCN), Au(III) जलीय विलयनों और AuCl₃ तथा H[AuCl₄] जैसे कई ठोस यौगिकों में अक्सर अधिक सामान्य और स्थिर होता है।

प्रश्न 2

सोना अपनी अक्रियाशीलता के लिए जाना जाता है। निम्नलिखित में से कौन सा अभिकर्मक सोने को घोल सकता है?

A) सांद्र HCl B) सांद्र HNO₃ C) एक्वा रेजिया D) तनु H₂SO₄

सही उत्तर: C) एक्वा रेजिया

स्पष्टीकरण: सोना एक उत्कृष्ट धातु है और सांद्र HCl या सांद्र HNO₃ जैसे एकल अम्लों के साथ अभिक्रिया नहीं करता है। एक्वा रेजिया, जो 3 भाग सांद्र HCl और 1 भाग सांद्र HNO₃ का मिश्रण है, एक सहक्रियात्मक क्रिया द्वारा सोने को घोलता है। नाइट्रिक अम्ल एक ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है, जो Au³⁺ आयन बनाता है, और हाइड्रोक्लोरिक अम्ल स्थिर टेट्राक्लोरोऑरेट(III) कॉम्प्लेक्स, [AuCl₄]⁻ बनाता है, जो साम्यावस्था को आगे बढ़ाता है, जिससे घुलनशीलता को बढ़ावा मिलता है।

प्रश्न 3

सायनाइड प्रक्रिया (मैकआर्थर-फॉरेस्ट प्रक्रिया) द्वारा सोने के निष्कर्षण में, सोना निम्नलिखित में से किस कॉम्प्लेक्स में परिवर्तित होता है?

A) [AuCl₄]⁻ B) [Au(CN)₂]⁻ C) [Au(OH)₄]⁻ D) [Au(NH₃)₄]³⁺

सही उत्तर: B) [Au(CN)₂]⁻

स्पष्टीकरण: मैकआर्थर-फॉरेस्ट सायनाइड प्रक्रिया में बारीक कुचले हुए सोने के अयस्क को हवा (ऑक्सीजन) की उपस्थिति में सोडियम या पोटेशियम सायनाइड के तनु विलयन में घोलना शामिल है। यह एक घुलनशील डाइसाइनोऑरेट(I) कॉम्प्लेक्स, [Au(CN)₂]⁻ बनाता है। अभिक्रिया है: 4Au(s) + 8CN⁻(aq) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4[Au(CN)₂]⁻(aq) + 4OH⁻(aq)

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अभिकथन-कारण प्रश्न

निर्देश: निम्नलिखित प्रश्नों में, अभिकथन (A) के कथन के बाद कारण (R) का कथन दिया गया है। सही विकल्प का चयन करें: 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।

प्रश्न 4

अभिकथन (A): सोना एक उत्कृष्ट धातु है और आसानी से संक्षारित नहीं होता है। कारण (R): सोने का मानक इलेक्ट्रोड विभव बहुत अधिक धनात्मक होता है (E°Au³⁺/Au = +1.50 V)।

सही उत्तर: A) A और R दोनों सत्य हैं और R, A की सही व्याख्या है।

स्पष्टीकरण: एक उच्च धनात्मक मानक इलेक्ट्रोड विभव धातु के ऑक्सीकरण का प्रतिरोध करने और अपनी धात्विक अवस्था में बने रहने की प्रबल प्रवृत्ति को इंगित करता है। यह सोने को ऑक्सीकरण, संक्षारण और अधिकांश अम्लों के साथ अभिक्रिया के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी बनाता है, जिससे इसे एक उत्कृष्ट धातु के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। इसलिए, कारण अभिकथन की सही व्याख्या करता है।

प्रश्न 5

अभिकथन (A): चाँदी के सफेद होने के विपरीत, सोना पीला दिखाई देता है। कारण (R): सोने का पीला रंग उसके इलेक्ट्रॉन कक्षकों पर सापेक्षतावादी प्रभावों के कारण होता है, जिससे नीले प्रकाश का अवशोषण होता है।

सही उत्तर: A) A और R दोनों सत्य हैं और R, A की सही व्याख्या है।

स्पष्टीकरण: सोने का अद्वितीय पीला रंग वास्तव में सापेक्षतावादी प्रभावों के कारण होता है। सोने जैसे भारी तत्वों के लिए, सापेक्षतावादी प्रभाव 6s कक्षक को संकुचित करते हैं और ऊर्जा में कमी लाते हैं, जबकि 5d कक्षक स्थिर हो जाते हैं। यह 5d और 6s/6p बैंड के बीच ऊर्जा अंतराल को कम करता है, जिससे दृश्यमान स्पेक्ट्रम से उच्च ऊर्जा वाले फोटॉनों (नीले और बैंगनी प्रकाश) का अवशोषण होता है। पूरक पीला और लाल प्रकाश तब परावर्तित होता है, जिससे सोने को उसका विशिष्ट सुनहरा रंग मिलता है। चाँदी, हल्की होने के कारण, इन प्रभावों को उतनी सीमा तक अनुभव नहीं करती है, जिससे एक बड़ा ऊर्जा अंतराल होता है और केवल यूवी प्रकाश का अवशोषण होता है, जिससे सभी दृश्यमान प्रकाश परावर्तित हो जाते हैं (सफेद दिखाई देते हैं)।

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लघु उत्तरीय प्रश्न

प्रश्न 6

समझाएँ कि सोना एक्वा रेजिया में क्यों घुल जाता है लेकिन अकेले नाइट्रिक अम्ल में नहीं।

आदर्श उत्तर: सोना अकेले नाइट्रिक अम्ल में नहीं घुलता है क्योंकि यह एक उत्कृष्ट धातु है जिसका मानक इलेक्ट्रोड विभव बहुत अधिक धनात्मक होता है (E°Au³⁺/Au = +1.50 V)। यह उच्च विभव H⁺ आयनों या नाइट्रेट्स द्वारा ऑक्सीकरण के प्रति इसकी प्रबल प्रतिरोधक क्षमता को इंगित करता है।

हालाँकि, सोना एक्वा रेजिया (सांद्र HCl और सांद्र HNO₃ का 3:1 मिश्रण) में एक सहक्रियात्मक क्रिया के कारण घुल जाता है:

1. नाइट्रिक अम्ल द्वारा ऑक्सीकरण: नाइट्रिक अम्ल एक शक्तिशाली ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है, जो धात्विक सोने (Au⁰) को गोल्ड(III) आयनों (Au³⁺) में ऑक्सीकृत करता है: Au(s) + 4H⁺(aq) + 3NO₃⁻(aq) → Au³⁺(aq) + 3NO₂(g) + 2H₂O(l) (सरलीकृत अभिक्रिया)
2. हाइड्रोक्लोरिक अम्ल द्वारा कॉम्प्लेक्स निर्माण: साथ ही, हाइड्रोक्लोरिक अम्ल नवजात Au³⁺ आयनों के साथ अभिक्रिया करके अत्यधिक स्थिर टेट्राक्लोरोऑरेट(III) कॉम्प्लेक्स आयन, [AuCl₄]⁻ बनाता है: Au³⁺(aq) + 4Cl⁻(aq) → [AuCl₄]⁻(aq)

स्थिर [AuCl₄]⁻ कॉम्प्लेक्स का निर्माण विलयन में मुक्त Au³⁺ आयनों की सांद्रता को काफी कम कर देता है। ले चैटेलियर के सिद्धांत के अनुसार, Au³⁺ आयनों का यह निष्कासन प्रारंभिक ऑक्सीकरण अभिक्रिया के साम्यावस्था को दाईं ओर स्थानांतरित करता है, जिससे अधिक सोने के निरंतर घुलनशीलता को बढ़ावा मिलता है। समग्र अभिक्रिया को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है: Au(s) + 3HCl(aq) + HNO₃(aq) → HAuCl₄ + NO(g) + 2H₂O(l)

प्रश्न 7

सोने के निष्कर्षण के लिए मैकआर्थर-फॉरेस्ट सायनाइड प्रक्रिया में सायनाइड और ऑक्सीजन की भूमिका का वर्णन करें।

आदर्श उत्तर: सोने के निष्कर्षण के लिए मैकआर्थर-फॉरेस्ट सायनाइड प्रक्रिया में, बारीक कुचले हुए सोने के अयस्क को ऑक्सीजन की उपस्थिति में सोडियम या पोटेशियम सायनाइड के तनु विलयन के साथ निक्षालित किया जाता है। सायनाइड और ऑक्सीजन दोनों महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं:

1. सायनाइड (CN⁻) की भूमिका: सायनाइड एक कॉम्प्लेक्स बनाने वाले अभिकर्मक के रूप में कार्य करता है। यह धात्विक सोने के साथ अभिक्रिया करके एक अत्यधिक स्थिर, घुलनशील डाइसाइनोऑरेट(I) कॉम्प्लेक्स, [Au(CN)₂]⁻ बनाता है। यह कॉम्प्लेक्स निर्माण महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सोने को, जो अन्यथा पानी और अधिकांश अभिकर्मकों में अघुलनशील होता है, को जलीय विलयन में घुलने की अनुमति देता है। कॉम्प्लेक्स की स्थिरता साम्यावस्था को सोने के घुलनशीलता की ओर स्थानांतरित करती है।

2. ऑक्सीजन (O₂) की भूमिका: ऑक्सीजन एक ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है। यह धात्विक सोने (Au⁰) को Au(I) ऑक्सीकरण अवस्था में ऑक्सीकृत करता है, जो सोने के सायनाइड आयनों के साथ अभिक्रिया करके कॉम्प्लेक्स बनाने के लिए आवश्यक है। ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में, ऑक्सीकरण चरण नहीं होगा, और सोना नहीं घुलेगा। ऑक्सीजन अनिवार्य रूप से ठोस सोने को उसके आयनिक रूप में परिवर्तित करने की सुविधा प्रदान करता है।

उनकी संयुक्त भूमिका को दर्शाने वाली समग्र रासायनिक अभिक्रिया है: 4Au(s) + 8CN⁻(aq) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4[Au(CN)₂]⁻(aq) + 4OH⁻(aq) यह प्रक्रिया अयस्क से सोने को प्रभावी ढंग से घुलनशील बनाती है, जिससे (उदाहरण के लिए, जिंक का उपयोग करके) इसके बाद के पुनःप्राप्ति की अनुमति मिलती है।

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उच्च-स्तरीय सोच कौशल (HOTS) प्रश्न

प्रश्न 8

अधिकांश संक्रमण धातुएँ परिवर्तनीय ऑक्सीकरण अवस्थाएँ प्रदर्शित करती हैं और रंगीन यौगिक बनाती हैं। सोना (Au), एक d-ब्लॉक तत्व, मुख्य रूप से +1 और +3 ऑक्सीकरण अवस्थाएँ दिखाता है और स्थिर कॉम्प्लेक्स बनाता है। समझाएँ कि सोना अक्सर लोहे या तांबे जैसी अन्य संक्रमण धातुओं की तुलना में कम अभिक्रियाशील क्यों प्रतीत होता है, और इसकी इलेक्ट्रॉनिक विन्यास इसके गुणों में कैसे योगदान देता है।

आदर्श उत्तर: सोने के अद्वितीय गुण, जिनमें लोहे या तांबे जैसी अन्य संक्रमण धातुओं की तुलना में इसकी सापेक्षिक अक्रियाशीलता, और इसका विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक विन्यास शामिल है, कई कारकों में निहित हैं:

1. इलेक्ट्रॉनिक विन्यास और आयनीकरण ऊर्जा: सोने का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹ है।

   • उच्च प्रथम आयनीकरण ऊर्जा: सोने में बहुत अधिक प्रथम आयनीकरण ऊर्जा होती है। यह इसके सघन नाभिकीय आवेश (Z=79) और इसके 6s कक्षक के सापेक्षतावादी संकुचन के कारण है। सापेक्षतावादी प्रभाव 6s इलेक्ट्रॉनों को नाभिक से अधिक कसकर बांधता है, जिससे उन्हें हटाने के लिए महत्वपूर्ण मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह उच्च आयनीकरण ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों को खोने और ऑक्सीकरण से गुजरने की इसकी अनिच्छा में योगदान करती है।
   • स्थिर d¹⁰ विन्यास: सोने में पूरी तरह से भरा हुआ 5d¹⁰ उपकोश होता है। यह स्थिर विन्यास आंशिक रूप से भरे d-कक्षकों वाली संक्रमण धातुओं की तुलना में इसकी सामान्य रूप से कम अभिक्रियाशीलता में योगदान देता है जो धात्विक बंधन और रासायनिक अभिक्रियाओं में आसानी से भाग लेती हैं।

2. उच्च मानक इलेक्ट्रोड विभव: सोने का मानक इलेक्ट्रोड विभव बहुत अधिक धनात्मक होता है (E°Au³⁺/Au = +1.50 V; E°Au⁺/Au = +1.69 V)। यह इंगित करता है कि सोना आयन बनाने के बजाय अपनी धात्विक, अनऑक्सीकृत अवस्था में रहने की प्रबल प्रवृत्ति रखता है। तुलनात्मक रूप से, लोहा (E°Fe²⁺/Fe = -0.44 V) और तांबा (E°Cu²⁺/Cu = +0.34 V) जैसे तत्वों का इलेक्ट्रोड विभव बहुत कम या ऋणात्मक होता है, जो इलेक्ट्रॉनों को खोने और अभिक्रिया करने की अधिक प्रवृत्ति को इंगित करता है।

3. सापेक्षतावादी प्रभाव: सोने के लिए, एक बहुत भारी तत्व होने के कारण, सापेक्षतावादी प्रभाव महत्वपूर्ण हो जाते हैं:

   • 6s कक्षक का संकुचन: 6s कक्षक में इलेक्ट्रॉन सापेक्षतावादी द्रव्यमान वृद्धि के लिए पर्याप्त उच्च गति पर चलते हैं, जिससे कक्षक संकुचित हो जाता है और ऊर्जा में काफी कम हो जाता है। यह 6s इलेक्ट्रॉनों को हटाना असाधारण रूप से कठिन बना देता है।
   • 5d कक्षक का स्थिरीकरण: संकुचित s-इलेक्ट्रॉनों से बढ़ी हुई परिरक्षण के कारण 5d कक्षक भी कुछ हद तक स्थिर हो जाते हैं। ये सापेक्षतावादी प्रभाव भरे हुए d-कक्षकों और खाली s/p कक्षकों के बीच एक बड़ा ऊर्जा अंतराल उत्पन्न करते हैं, जो इसके रासायनिक व्यवहार को प्रभावित करते हैं और इसकी सापेक्षिक अक्रियाशीलता में योगदान करते हैं।

4. कॉम्प्लेक्स निर्माण की प्रवृत्ति: कई अभिकर्मकों द्वारा सीधे ऑक्सीकरण के प्रति इसकी अक्रियाशीलता के बावजूद, सोना आसानी से स्थिर कॉम्प्लेक्स बनाता है, विशेष रूप से सायनाइड (CN⁻) और हैलाइड्स (Cl⁻) जैसे मृदु लिगेंड के साथ। इन स्थिर कॉम्प्लेक्स (उदाहरण के लिए, [Au(CN)₂]⁻, [AuCl₄]⁻) का निर्माण एक्वा रेजिया या सायनाइड विलयनों जैसे विशिष्ट अभिकर्मकों में इसके घुलने के लिए महत्वपूर्ण है। इन कॉम्प्लेक्स की उच्च स्थिरता अभिक्रिया साम्यावस्था को स्थानांतरित करती है, प्रभावी ढंग से Au आयनों को विलयन में ‘खींचती’ है और इसकी अंतर्निहित अक्रियाशीलता को दूर करती है।

संक्षेप में, सोने की असाधारण अक्रियाशीलता इसकी उच्च आयनीकरण ऊर्जा, स्थिर d¹⁰ इलेक्ट्रॉनिक विन्यास, और महत्वपूर्ण रूप से, महत्वपूर्ण सापेक्षतावादी प्रभावों से उत्पन्न होती है जो इसके संयोजी इलेक्ट्रॉनों को कसकर बांधते हैं, जो एक बहुत ही उच्च धनात्मक मानक इलेक्ट्रोड विभव के रूप में प्रकट होते हैं। कई अभिकर्मकों के प्रति अक्रियाशील होते हुए भी, स्थिर कॉम्प्लेक्स बनाने की इसकी क्षमता इसे विशिष्ट परिस्थितियों में अभिक्रिया करने की अनुमति देती है।