हीलियम (He) का रसायन विज्ञान - अभ्यास प्रश्न

बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQs)

1. निम्नलिखित में से किस उत्कृष्ट गैस का क्वथनांक सबसे कम होता है?

A) नियॉन B) आर्गन C) हीलियम D) क्रिप्टॉन

समाधान: C) हीलियम

व्याख्या: सभी उत्कृष्ट गैसों में हीलियम का परमाणु आकार सबसे छोटा और परमाणु द्रव्यमान सबसे कम होता है। परिणामस्वरूप, हीलियम परमाणुओं के बीच लंदन डिस्पर्शन बल (एक प्रकार का वान डेर वाल्स बल) सबसे कमजोर होते हैं। इन बहुत कमजोर अंतर-आणविक बलों को दूर करने के लिए न्यूनतम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप हीलियम का क्वथनांक (लगभग 4.2 K या -269 °C) किसी भी ज्ञात पदार्थ में सबसे कम होता है।

2. गुब्बारों को भरने के लिए हाइड्रोजन की तुलना में हीलियम को प्राथमिकता दी जाती है क्योंकि:

A) हीलियम हाइड्रोजन से हल्की होती है। B) हीलियम में अधिक उत्थापन शक्ति होती है। C) हीलियम अज्वलनशील होती है। D) हीलियम हाइड्रोजन से सस्ती होती है।

समाधान: C) हीलियम अज्वलनशील होती है।

व्याख्या: हालांकि हाइड्रोजन (H₂) हीलियम (He) से हल्की होती है और थोड़ी अधिक उत्थापन शक्ति प्रदान करती है, लेकिन इसकी अत्यधिक ज्वलनशील प्रकृति इसे गुब्बारों, हवाई जहाजों और अन्य अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए बेहद खतरनाक बनाती है जहां रिसाव हो सकता है। हीलियम, एक अक्रिय उत्कृष्ट गैस होने के कारण, गैर-ज्वलनशील और रासायनिक रूप से अक्रियाशील होती है, जो थोड़ी भारी और आमतौर पर अधिक महंगी होने के बावजूद एक बहुत सुरक्षित विकल्प प्रदान करती है।

3. हीलियम की असाधारण निष्क्रियता मुख्य रूप से इसके कारण होती है:

A) छोटा परमाणु आकार। B) उच्च आयनन एन्थैल्पी। C) पूरी तरह से भरा हुआ संयोजी कोश। D) उपरोक्त सभी।

समाधान: D) उपरोक्त सभी।

व्याख्या: हीलियम की निष्क्रियता कई कारकों का संचयी प्रभाव है:

• पूरी तरह से भरा हुआ संयोजी कोश (1s²): यह स्थिर द्विक विन्यास इसे इलेक्ट्रॉनिक रूप से संतुष्ट बनाता है, जिससे इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने, खोने या साझा करने की कोई प्रवृत्ति नहीं होती है।
• उच्च आयनन एन्थैल्पी: इसके छोटे आकार और स्थिर इलेक्ट्रॉन विन्यास के कारण, हीलियम परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन को निकालने के लिए महत्वपूर्ण मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
• लगभग शून्य इलेक्ट्रॉन लब्धि एन्थैल्पी: हीलियम में एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन को स्वीकार करने की कोई प्रवृत्ति नहीं होती है।
• छोटा परमाणु आकार: यह इसकी उच्च आयनन एन्थैल्पी और इसके इलेक्ट्रॉन बादल की सघन, स्थिर प्रकृति में योगदान देता है।

अभिकथन-कारण प्रश्न

1.

अभिकथन (A): हीलियम एकपरमाणुक गैस है। कारण (R): हीलियम में एक पूरी तरह से भरा हुआ संयोजी इलेक्ट्रॉन कोश होता है, जो इसे रासायनिक रूप से अक्रियाशील 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।

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

व्याख्या: हीलियम व्यक्तिगत परमाणुओं (एकपरमाणुक) के रूप में मौजूद होता है क्योंकि इसका पूरी तरह से भरा हुआ 1s² संयोजी इलेक्ट्रॉन कोश असाधारण इलेक्ट्रॉनिक स्थिरता प्रदान करता है। इस स्थिरता का अर्थ है कि हीलियम परमाणुओं में स्थिर विन्यास प्राप्त करने के लिए अन्य परमाणुओं के साथ सहसंयोजक बंध बनाने की कोई प्रवृत्ति नहीं होती है। कारण में उल्लिखित रासायनिक अक्रियाशीलता ही ठीक वही है जिसके कारण यह एकपरमाणुक रहता है।

2.

अभिकथन (A): गहरे समुद्र में गोताखोरों द्वारा हीलियम और ऑक्सीजन के मिश्रण का उपयोग किया जाता है। कारण (R): हीलियम नाइट्रोजन की तुलना में रक्त में अधिक घुलनशील 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।

समाधान: C) A सत्य है, लेकिन R असत्य है।

व्याख्या: गहरे समुद्र में गोताखोर “द बेंड्स” (डीकंप्रेसन सिकनेस) को रोकने के लिए हीलियम और ऑक्सीजन (अक्सर थोड़ी मात्रा में नाइट्रोजन के साथ) के मिश्रण का उपयोग करते हैं। पानी के नीचे उच्च दबाव में, सामान्य हवा से नाइट्रोजन रक्त और शरीर के ऊतकों में काफी घुल जाती है। तेजी से ऊपर आने पर, दबाव में कमी के कारण घुली हुई नाइट्रोजन बुलबुले के रूप में घोल से बाहर आ जाती है, जिससे दर्द, ऊतक क्षति और संभावित रूप से घातक स्थिति पैदा होती है। हीलियम को इसलिए चुना जाता है क्योंकि यह नाइट्रोजन की तुलना में रक्त में काफी कम घुलनशील होता है, जिससे डीकंप्रेसन के दौरान बुलबुले के निर्माण को कम किया जा सकता है। इसलिए, अभिकथन (A) सत्य है, लेकिन कारण (R) असत्य है।

लघु उत्तरीय प्रश्न

1. समझाइए कि हीलियम में रासायनिक बंध बनाने की प्रवृत्ति बहुत कम क्यों होती है।

आदर्श उत्तर: हीलियम का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 1s² होता है। यह एक पूरी तरह से भरे हुए संयोजी इलेक्ट्रॉन कोश (एक स्थिर द्विक) का प्रतिनिधित्व करता है। अष्टक नियम (या पहली अवधि के लिए द्विक नियम) के अनुसार, परमाणु ऐसी स्थिर विन्यास प्राप्त करने की प्रवृत्ति रखते हैं। क्योंकि हीलियम में पहले से ही यह असाधारण रूप से स्थिर इलेक्ट्रॉन व्यवस्था होती है, इसमें:

1. बहुत उच्च आयनन एन्थैल्पी होती है: एक इलेक्ट्रॉन को निकालने के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
2. लगभग शून्य इलेक्ट्रॉन लब्धि एन्थैल्पी होती है: इसमें एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन को स्वीकार करने की कोई प्रवृत्ति नहीं होती है।
3. उपयुक्त ऊर्जा के कोई रिक्त कक्षक नहीं होते हैं जो इलेक्ट्रॉनों को समायोजित कर सकें या बंधन में भाग ले सकें। परिणामस्वरूप, हीलियम परमाणुओं को इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने, खोने या साझा करने की कोई आवश्यकता नहीं होती है, जो रासायनिक बंध निर्माण के मूलभूत तंत्र हैं। यह आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक स्थिरता हीलियम को रासायनिक रूप से अक्रियाशील बनाती है और सामान्य परिस्थितियों में रासायनिक बंध बनाने की इसकी प्रवृत्ति को बहुत कम कर देती है।

2. हीलियम के दो महत्वपूर्ण उपयोग बताइए और प्रत्येक के लिए एक वैज्ञानिक कारण प्रदान कीजिए।

आदर्श उत्तर:

1. क्रायोजेनिक एजेंट (Cryogenic Agent): द्रव हीलियम का किसी भी तत्व में सबसे कम क्वथनांक (4.2 K या -269 °C) होता है। यह गुण इसे अत्यधिक कम तापमान प्राप्त करने और बनाए रखने के लिए एक अनिवार्य क्रायोजेनिक एजेंट बनाता है।
   • कारण: इसका असाधारण रूप से कम क्वथनांक इसे चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI) स्कैनर, परमाणु चुंबकीय अनुनाद (NMR) स्पेक्ट्रोमीटर और कण त्वरक में उपयोग किए जाने वाले अतिचालक चुम्बकों को ठंडा करने के लिए आदर्श बनाता है, जहां अतिचालकता प्राप्त करने के लिए पूर्ण शून्य के करीब तापमान की आवश्यकता होती है।
2. गुब्बारे और हवाई जहाज भरना: हीलियम हाइड्रोजन के बाद दूसरी सबसे हल्की गैस है और अज्वलनशील होती है।
   • कारण: इसकी निष्क्रियता (अज्वलनशीलता) इसे मौसम गुब्बारों, मौसम विज्ञान गुब्बारों और हवाई जहाजों जैसे उत्थापन अनुप्रयोगों के लिए हाइड्रोजन की तुलना में बहुत सुरक्षित बनाती है। हालांकि हाइड्रोजन हल्की होती है, लेकिन इसकी अत्यधिक ज्वलनशीलता गंभीर सुरक्षा जोखिम पैदा करती है (जैसा कि हिंडनबर्ग आपदा द्वारा दुखद रूप से प्रदर्शित किया गया था), जिससे गैर-अभिक्रियाशील हीलियम को इसकी उच्च लागत और थोड़ी अधिक घनत्व के बावजूद पसंदीदा विकल्प बनाया गया है।

उच्च-स्तरीय चिंतन कौशल (HOTS) प्रश्न

1. काफी हल्का होने और उत्पादन में सस्ता होने के बावजूद, हाइड्रोजन गैस का उपयोग आज मौसम गुब्बारों या हवाई जहाजों को भरने के लिए शायद ही कभी किया जाता है, जबकि हीलियम का प्रमुखता से उपयोग होता है। इस प्राथमिकता के लिए एक विस्तृत रासायनिक स्पष्टीकरण प्रदान कीजिए।

विस्तृत रासायनिक स्पष्टीकरण:

मौसम गुब्बारों और हवाई जहाजों जैसे उत्थापन अनुप्रयोगों में हीलियम पर हाइड्रोजन की भारी प्राथमिकता का प्राथमिक कारण, हाइड्रोजन के हल्के द्रव्यमान और कम उत्पादन लागत के बावजूद, उनके मौलिक रासायनिक गुणों, विशेष रूप से उनकी अभिक्रियाशीलता और ज्वलनशीलता में निहित है।

1. ज्वलनशीलता और अभिक्रियाशीलता:

   • हाइड्रोजन (H₂): हाइड्रोजन एक अत्यधिक ज्वलनशील गैस है। यह प्रज्वलन पर हवा में ऑक्सीजन के साथ तीव्र और ऊष्माक्षेपी रूप से अभिक्रिया करके जल वाष्प बनाती है: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) + Energy (Heat and Light) यह अभिक्रिया विस्फोटक आग का कारण बन सकती है, जिससे सुरक्षा का अत्यधिक खतरा पैदा होता है। 1937 में हुआ कुख्यात हिंडनबर्ग हवाई जहाज आपदा, हालांकि इसके सटीक कारण पर बहस होती है, लेकिन बड़े आयतन वाले हवाई जहाजों में ज्वलनशील हाइड्रोजन का उपयोग करने के विनाशकारी परिणामों को नाटकीय रूप से चित्रित किया।
   • हीलियम (He): हीलियम एक उत्कृष्ट गैस है, जो आवर्त सारणी के समूह 18 से संबंधित है। इसका इलेक्ट्रॉनिक विन्यास (1s²) एक पूरी तरह से भरा हुआ संयोजी कोश (द्विक) है, जो इसे असाधारण रूप से स्थिर और रासायनिक रूप से अक्रिय बनाता है। हीलियम सामान्य परिस्थितियों में ऑक्सीजन, नाइट्रोजन या किसी अन्य वायुमंडलीय घटक के साथ अभिक्रिया नहीं करती है। यह अज्वलनशील और गैर-ज्वलनशील है।

2. सुरक्षा संबंधी विचार:

   • ऐसे अनुप्रयोगों में जहां बड़ी मात्रा में गैस निहित होती है और रिसाव या टूटने का जोखिम होता है (उदाहरण के लिए, एक गुब्बारे पर बिजली गिरना, लैंडिंग के दौरान क्षतिग्रस्त होना, या समय के साथ बस रिसाव होना), हाइड्रोजन की ज्वलनशीलता जीवन और संपत्ति के लिए एक अस्वीकार्य खतरा प्रस्तुत करती है। कोई भी चिंगारी या स्थिर निर्वहन हाइड्रोजन को प्रज्वलित कर सकता है, जिससे एक तीव्र और विनाशकारी आग या विस्फोट हो सकता है।
   • दूसरी ओर, हीलियम की निष्क्रियता, सुरक्षा की गारंटी देती है। भले ही हीलियम से भरा गुब्बारा टूट जाए या लीक हो जाए, दहन या विस्फोट का कोई खतरा नहीं होता है, जिससे यह मानव संपर्क या आबादी वाले क्षेत्रों के पास संचालन के लिए एक बहुत सुरक्षित विकल्प बन जाता है।

3. उत्थापन शक्ति बनाम जोखिम:

   • जबकि हाइड्रोजन (मोलर द्रव्यमान \approx 2 g/mol) वास्तव में हीलियम (मोलर द्रव्यमान \approx 4 g/mol) से हल्की है और इस प्रकार प्रति इकाई आयतन में लगभग 8% अधिक उत्थापन शक्ति प्रदान करती है, लिफ्ट में यह मामूली वृद्धि इसकी ज्वलनशीलता से जुड़े गंभीर सुरक्षा जोखिमों से पूरी तरह से ढकी हुई है। हीलियम की रासायनिक स्थिरता और गैर-ज्वलनशील प्रकृति सर्वोपरि सुरक्षा लाभ हैं जो इसे हाइड्रोजन की तुलना में उच्च लागत और थोड़ी कम उत्थापन दक्षता के बावजूद पसंदीदा विकल्प बनाते हैं।

संक्षेप में, हीलियम की रासायनिक निष्क्रियता, जो इसके स्थिर इलेक्ट्रॉनिक विन्यास से उत्पन्न होती है, निर्णायक कारक है जो हाइड्रोजन के आर्थिक और घनत्व लाभों से अधिक है, जिससे हीलियम सुरक्षित वायुस्थैतिक अनुप्रयोगों के लिए मानक बन गया है।