हाइड्रोजन का रसायन विज्ञान: अभ्यास प्रश्न

बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

हाइड्रोजन के समस्थानिकों के संबंध में निम्नलिखित में से कौन सा कथन गलत है?

A) प्रोटियम हाइड्रोजन का सबसे प्रचुर समस्थानिक है। B) ड्यूटेरियम को भारी हाइड्रोजन भी कहा जाता है। C) ट्राइटियम रेडियोधर्मी है और बीटा कण उत्सर्जित करता है। D) हाइड्रोजन के सभी समस्थानिकों में न्यूट्रॉन की संख्या समान होती है।

समाधान:

सही उत्तर D) है।

व्याख्या:

• प्रोटियम ($\text\{^1H\}$ या $\text\{H\}$): इसमें 1 प्रोटॉन और 0 न्यूट्रॉन होते हैं। यह सबसे प्रचुर समस्थानिक है (लगभग 99.98%)।
• ड्यूटेरियम ($\text\{^2H\}$ या $\text\{D\}$): इसमें 1 प्रोटॉन और 1 न्यूट्रॉन होता है। इसे भारी हाइड्रोजन के रूप में जाना जाता है।
• ट्राइटियम ($\text\{^3H\}$ या $\text\{T\}$): इसमें 1 प्रोटॉन और 2 न्यूट्रॉन होते हैं। यह 12.33 वर्ष की अर्ध-आयु के साथ रेडियोधर्मी है और कम ऊर्जा वाले बीटा कण उत्सर्जित करता है।

चूँकि प्रोटियम में 0 न्यूट्रॉन, ड्यूटेरियम में 1 न्यूट्रॉन और ट्राइटियम में 2 न्यूट्रॉन होते हैं, इसलिए उनमें न्यूट्रॉन की संख्या समान नहीं होती है।

प्रश्न 2

निम्नलिखित में से कौन सा यौगिक एक अंतराकाशी हाइड्राइड है?

A) $\text\{NaH\}$ B) $\text\{CH\}_4$ C) $\text\{TiH\}_\{1.7\}$ D) $\text\{HCl\}$

समाधान:

सही उत्तर C) है।

व्याख्या:

• अंतराकाशी हाइड्राइड (जिन्हें धात्विक हाइड्राइड भी कहा जाता है) कई d-ब्लॉक और f-ब्लॉक तत्वों द्वारा बनाए जाते हैं। इन हाइड्राइडों में, हाइड्रोजन धातु जालक में अंतराकाशी स्थलों पर कब्जा करता है। वे आमतौर पर गैर-रससमीकरणमितीय होते हैं (उदाहरण के लिए, $\text\{TiH\}_\{1.5-1.8\}$, $\text\{LaH\}_\{2.87\}$)। $\text\{TiH\}_\{1.7\}$ एक अंतराकाशी हाइड्राइड का एक उदाहरण है।
• $\text\{NaH\}$ एक लवणीय (आयनिक) हाइड्राइड का एक उदाहरण है, जो अत्यधिक विद्युत् धनात्मक s-ब्लॉक तत्वों द्वारा बनता है।
• $\text\{CH\}_4$ एक सहसंयोजक (आणविक) हाइड्राइड का एक उदाहरण है, जो p-ब्लॉक तत्वों द्वारा बनता है।
• $\text\{HCl\}$ भी एक सहसंयोजक (आणविक) हाइड्राइड है।

प्रश्न 3

डाईहाइड्रोजन के औद्योगिक उत्पादन में, जल-गैस शिफ्ट अभिक्रिया का अक्सर उपयोग किया जाता है। निम्नलिखित में से कौन सा कथन इस अभिक्रिया में भाप की भूमिका का सही वर्णन करता है?

$\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \xrightarrow\{\text\{Catalyst, High temp.\}\} \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

A) भाप एक अपचायक के रूप में कार्य करती है, $\text\{CO\}$ को $\text\{CO\}_2$ में परिवर्तित करती है। B) भाप एक ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करती है, $\text\{CO\}$ को $\text\{CO\}_2$ में परिवर्तित करती है। C) भाप एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करती है, अभिक्रिया को तेज करती है। D) भाप $\text\{H\}_2$ के निर्माण के लिए हाइड्रोजन परमाणु प्रदान करती है।

समाधान:

सही उत्तर B) है।

व्याख्या:

जल-गैस शिफ्ट अभिक्रिया में: $\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \rightarrow \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

• $\text\{CO\}$ में कार्बन की ऑक्सीकरण अवस्था +2 है, और $\text\{CO\}_2$ में यह +4 है। कार्बन का ऑक्सीकरण होता है।
• $\text\{H\}_2\text\{O\}$ में हाइड्रोजन की ऑक्सीकरण अवस्था +1 है, और $\text\{H\}_2$ में यह 0 है। हाइड्रोजन का अपचयन होता है।
• इसलिए, $\text\{CO\}$ एक अपचायक के रूप में कार्य करता है, और $\text\{H\}_2\text\{O\}$ (भाप) इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करके एक ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करती है (इसके हाइड्रोजन परमाणु +1 से 0 तक अपचयित हो जाते हैं)।

अभिकथन-कारण प्रश्न

प्रश्न 1

अभिकथन (A): हाइड्रोजन क्षार धातुओं और हैलोजनों दोनों के समान गुण प्रदर्शित करता है। कारण (R): हाइड्रोजन की सबसे बाहरी कक्षा में केवल एक इलेक्ट्रॉन होता है और यह या तो एक इलेक्ट्रॉन खोकर $\text\{H\}^+$ बना सकता है या एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करके $\text\{H\}^-$ बना सकता 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:

सही उत्तर A) है।

व्याख्या:

• अभिकथन (A) सत्य है। हाइड्रोजन का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास $1s^1$ है।
  • क्षार धातुओं (समूह 1, $ns^1$) की तरह, यह अपना संयोजकता इलेक्ट्रॉन खोकर एक एकधनात्मक आयन ($\text\{H\}^+$) बना सकता है, हालाँकि संघनित प्रावस्थाओं में यह दुर्लभ है।
  • हैलोजनों (समूह 17, $ns^2np^5$) की तरह, यह एक स्थिर द्विक विन्यास ($1s^2$) प्राप्त करने और एक एकऋणात्मक आयन ($\text\{H\}^-$) बनाने के लिए एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त कर सकता है।
• कारण (R) सत्य है और अभिकथन की सही व्याख्या करता है। अपने $1s^1$ विन्यास के कारण एक इलेक्ट्रॉन खोने और प्राप्त करने दोनों की क्षमता ही हाइड्रोजन को क्षार धातुओं और हैलोजनों दोनों के साथ दोहरा सादृश्य दिखाने का सटीक कारण है।

प्रश्न 2

अभिकथन (A): डाईहाइड्रोजन कमरे के तापमान पर कम अभिक्रियाशील होता है। कारण (R): $\text\{H\}-\text\{H\}$ बंध वियोजन एन्थैल्पी बहुत अधिक होती 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:

सही उत्तर A) है।

व्याख्या:

• अभिकथन (A) सत्य है। डाईहाइड्रोजन ($\text\{H\}_2$) कमरे के तापमान पर अपेक्षाकृत निष्क्रिय होता है। यह आमतौर पर उच्च तापमान पर या उत्प्रेरकों की उपस्थिति में अभिक्रिया करता है।
• कारण (R) सत्य है। $\text\{H\}_2$ अणु में $\text\{H\}-\text\{H\}$ बंध बहुत मजबूत होता है, जिसकी बंध वियोजन एन्थैल्पी 435.88 kJ/mol है। इस उच्च बंध वियोजन एन्थैल्पी का मतलब है कि $\text\{H\}-\text\{H\}$ बंध को तोड़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जो डाईहाइड्रोजन की अधिकांश अभिक्रियाओं के लिए प्रारंभिक चरण है।
• उच्च बंध वियोजन एन्थैल्पी सीधे बताती है कि डाईहाइड्रोजन कमरे के तापमान पर कम अभिक्रियाशील क्यों होता है, क्योंकि मजबूत बंध को तोड़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा उपलब्ध नहीं होती है। इस प्रकार, कारण (R) अभिकथन (A) की सही व्याख्या है।

लघु उत्तरीय प्रश्न

प्रश्न 1

‘ऑर्थो’ और ‘पैरा’ हाइड्रोजन शब्दों की व्याख्या करें। वे गुणों में कैसे भिन्न होते हैं?

आदर्श उत्तर:

डाईहाइड्रोजन ($\text\{H\}_2$) दो हाइड्रोजन परमाणुओं के नाभिक के सापेक्ष स्पिन के आधार पर दो रूपों में मौजूद होता है:

1. ऑर्थो हाइड्रोजन: इस रूप में, दो हाइड्रोजन नाभिकों (प्रोटॉनों) के स्पिन एक ही दिशा में (समांतर स्पिन) होते हैं।
2. पैरा हाइड्रोजन: इस रूप में, दो हाइड्रोजन नाभिकों (प्रोटॉनों) के स्पिन विपरीत दिशा में (प्रतिसमांतर स्पिन) होते हैं।

गुणों में अंतर:

• ऊर्जा: पैरा हाइड्रोजन में ऑर्थो हाइड्रोजन की तुलना में कम ऊर्जा होती है और यह अधिक स्थिर होता है।
• विशिष्ट ऊष्मा: ऑर्थो हाइड्रोजन में पैरा हाइड्रोजन की तुलना में अधिक विशिष्ट ऊष्मा क्षमता होती है।
• ऊष्मीय चालकता: ऑर्थो हाइड्रोजन में पैरा हाइड्रोजन की तुलना में अधिक ऊष्मीय चालकता होती है।
• चुंबकीय गुण: ऑर्थो हाइड्रोजन में शुद्ध नाभिकीय चुंबकीय आघूर्ण होता है, जबकि पैरा हाइड्रोजन में शुद्ध नाभिकीय चुंबकीय आघूर्ण शून्य होता है।
• साम्यावस्था: कमरे के तापमान (25°C) पर, साम्यावस्था मिश्रण में लगभग 75% ऑर्थो हाइड्रोजन और 25% पैरा हाइड्रोजन होता है। जैसे-जैसे तापमान घटता है, पैरा हाइड्रोजन का प्रतिशत बढ़ता जाता है, जो पूर्ण शून्य पर लगभग 100% तक पहुँच जाता है। दोनों रूपों के बीच रूपांतरण धीमा होता है लेकिन इसे सक्रिय चारकोल, परमाणु हाइड्रोजन, या अनुचुंबकीय पदार्थों द्वारा उत्प्रेरित किया जा सकता है।

प्रश्न 2

जल-गैस शिफ्ट अभिक्रिया का वर्णन करें, जिसमें प्रयुक्त उत्प्रेरक और हाइड्रोजन उत्पादन में इसके महत्व को शामिल किया गया हो।

आदर्श उत्तर:

जल-गैस शिफ्ट अभिक्रिया एक रासायनिक अभिक्रिया है जिसका उपयोग कार्बन मोनोऑक्साइड ($\text\{CO\}$) और भाप ($\text\{H\}_2\text\{O\}$) से अतिरिक्त डाईहाइड्रोजन ($\text\{H\}_2$) का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। इसे निम्नलिखित साम्यावस्था द्वारा दर्शाया जाता है:

$\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \rightleftharpoons \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

प्रक्रिया और उत्प्रेरक: यह अभिक्रिया कार्बन मोनोऑक्साइड (जो हाइड्रोकार्बन के भाप सुधार या कोयले के गैसीकरण से प्राप्त होता है, जिससे “जल-गैस” बनता है जो CO और H2 का मिश्रण है) को एक गर्म उत्प्रेरक पर प्रवाहित करके की जाती है।

• उत्प्रेरक: आमतौर पर, उच्च तापमान ($\sim 400-500^\circ\text\{C\}$) पर आयरन क्रोमेट ($\text\{FeCr\}_2\text\{O\}_4$) या आयरन ऑक्साइड और क्रोमियम ऑक्साइड ($\text\{Fe\}_2\text\{O\}_3/\text\{Cr\}_2\text\{O\}_3$) का मिश्रण उपयोग किया जाता है। निम्न-तापमान शिफ्ट के लिए, एक कॉपर-जिंक ऑक्साइड उत्प्रेरक का उपयोग किया जाता है।
• स्थितियाँ: उचित अभिक्रिया दर प्राप्त करने के लिए उच्च तापमान की आवश्यकता होती है।

हाइड्रोजन उत्पादन में महत्व:

1. $\text\{H\}_2$ की उपज बढ़ाता है: यह जल-गैस ($\text\{CO\}$ और $\text\{H\}_2$ का मिश्रण) के $\text\{CO\}$ घटक को अधिक $\text\{H\}_2$ में परिवर्तित करने की अनुमति देता है, जिससे कोयला गैसीकरण या प्राकृतिक गैस के भाप सुधार जैसी प्रक्रियाओं से डाईहाइड्रोजन की कुल उपज बढ़ जाती है।
2. $\text\{CO\}$ हटाता है: यह अभिक्रिया $\text\{CO\}$ को $\text\{CO\}_2$ में परिवर्तित करती है। $\text\{CO\}$ कई उत्प्रेरकों के लिए एक विष है, खासकर अमोनिया संश्लेषण (हैबर प्रक्रिया) या ईंधन सेल में उपयोग किए जाने वाले उत्प्रेरकों के लिए। $\text\{CO\}$ को हटाने से इन अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक हाइड्रोजन की शुद्धता सुनिश्चित होती है। उत्पादित $\text\{CO\}_2$ को तब पोटेशियम कार्बोनेट के घोल या अन्य अवशोषकों में अवशोषण द्वारा आसानी से हटाया जा सकता है।

उच्च-स्तरीय चिंतन कौशल (HOTS) प्रश्न

क्षार धातुओं ($1s^1$) के समान इलेक्ट्रॉनिक विन्यास होने के बावजूद, हाइड्रोजन आमतौर पर जलीय घोल में $\text\{H\}^+$ आयन नहीं बनाता है और इसका रसायन विज्ञान विशिष्ट है। समझाएँ कि हाइड्रोजन का व्यवहार अद्वितीय क्यों है और क्षार धातुओं या हैलोजनों के पूरी तरह से समान क्यों नहीं है।

विस्तृत रासायनिक व्याख्या:

आवर्त सारणी में हाइड्रोजन की अद्वितीय स्थिति और इसका विशिष्ट रासायनिक व्यवहार मुख्य रूप से इसके अत्यधिक छोटे आकार, उच्च आयनीकरण एन्थैल्पी और हैलोजनों की तुलना में अपेक्षाकृत कम इलेक्ट्रॉन लब्धि एन्थैल्पी से उत्पन्न होता है।

1. उच्च आयनीकरण एन्थैल्पी:

   • हाइड्रोजन के लिए, $1s$ कक्षक में एकल इलेक्ट्रॉन नाभिक के बहुत करीब होता है, जिसके परिणामस्वरूप मजबूत नाभिकीय आकर्षण होता है। इसकी आयनीकरण एन्थैल्पी (1312 kJ/mol) क्षार धातुओं (जैसे, Li: 520 kJ/mol, Na: 496 kJ/mol) की तुलना में बहुत अधिक है।
   • इस उच्च आयनीकरण एन्थैल्पी का अर्थ है कि एक इलेक्ट्रॉन खोकर एक शुद्ध $\text\{H\}^+$ आयन (एक प्रोटॉन) बनाना ऊर्जावान रूप से बहुत प्रतिकूल है। एक शुद्ध प्रोटॉन में अत्यधिक उच्च आवेश घनत्व होता है और यह जलीय घोल में कभी मुक्त नहीं पाया जाता है। इसके बजाय, यह आसानी से अन्य अणुओं, विशेष रूप से पानी के साथ जुड़कर हाइड्रोनियम आयन ($\text\{H\}_3\text\{O\}^+$) या अन्य प्रोटोनेटेड प्रजातियाँ बनाता है। यह इसे क्षार धातुओं से महत्वपूर्ण रूप से अलग करता है, जो आसानी से स्थिर, हाइड्रेटेड $\text\{M\}^+$ आयन बनाते हैं।

2. इलेक्ट्रॉन लब्धि एन्थैल्पी:

   • हाइड्रोजन की इलेक्ट्रॉन लब्धि एन्थैल्पी थोड़ी ऋणात्मक (-73 kJ/mol) है, जो हैलोजनों (जैसे, F: -328 kJ/mol, Cl: -349 kJ/mol) की तुलना में बहुत कम ऋणात्मक (कम ऊष्माक्षेपी) है।
   • जबकि हाइड्रोजन एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करके हाइड्राइड आयन ($\text\{H\}^-$) बना सकता है, $\text\{H\}^-$ की स्थिरता आमतौर पर हैलाइड आयनों ($\text\{X\}^-$) की तुलना में कम होती है। $\text\{H\}^-$ के निर्माण के लिए कम विद्युत् धनात्मक तत्वों के साथ अभिक्रिया करते समय महत्वपूर्ण ऊर्जा निवेश की आवश्यकता होती है। यह व्यवहार मुख्य रूप से क्षार और क्षारीय मृदा धातुओं जैसे अत्यधिक विद्युत् धनात्मक तत्वों के साथ देखा जाता है, जो आयनिक हाइड्राइड बनाते हैं।

3. सहसंयोजक बंध निर्माण:

   • अपनी मध्यवर्ती विद्युत् ऋणात्मकता (पॉलिंग पैमाने पर 2.20) को देखते हुए, हाइड्रोजन मुख्य रूप से अपने इलेक्ट्रॉन को साझा करके स्थिर सहसंयोजक बंध बनाता है। यह क्षार धातुओं के बिल्कुल विपरीत है, जो मुख्य रूप से आयनिक यौगिक बनाते हैं, और हैलोजनों के विपरीत भी, जो महत्वपूर्ण सहसंयोजक बंध भी बना सकते हैं लेकिन आमतौर पर अष्टक का लक्ष्य रखते हैं।
   • एकल सहसंयोजक बंध का निर्माण हाइड्रोजन को स्थिर द्विक विन्यास (हीलियम की तरह) प्राप्त करने की अनुमति देता है, जो इसकी पसंदीदा अवस्था है। सहसंयोजक बंध बनाने की यह प्रवृत्ति बड़ी संख्या में कार्बनिक यौगिकों और कई अकार्बनिक हाइड्राइडों का आधार है।

4. d-कक्षकों की अनुपस्थिति:

   • कई p-ब्लॉक तत्वों के विपरीत जो खाली d-कक्षकों की उपलब्धता के कारण अपने अष्टक का विस्तार कर सकते हैं, हाइड्रोजन में कोई d-कक्षक नहीं होता है। यह केवल एक बंध बना सकता है, चाहे वह सहसंयोजक हो या आयनिक। यह अपनी समन्वय संख्या और समग्र रासायनिक बहुमुखी प्रतिभा को उन तत्वों की तुलना में सीमित करता है जो इसके संभावित समूहों में आगे हैं।

संक्षेप में, हाइड्रोजन का अद्वितीय आकार, आयनीकरण ऊर्जा और इलेक्ट्रॉन बंधुता इसे अपनी स्वयं की एक रासायनिक श्रेणी में रखती है। यह एक सेतु तत्व है जो समूह 1 और समूह 17 दोनों के कुछ पहलुओं की नकल कर सकता है, लेकिन मौलिक रूप से, इसका छोटा आकार और सहसंयोजक बंध द्वारा एक स्थिर द्विक प्राप्त करने की प्रवृत्ति इसके विशिष्ट और समृद्ध रसायन विज्ञान को निर्धारित करती है।