आयरन (Fe) का रसायन विज्ञान - अभ्यास प्रश्न

बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

आयरन आयनों के बारे में निम्नलिखित में से कौन सा कथन गलत है? (A) Fe3+ (aq) का d5 इलेक्ट्रॉनिक विन्यास होता है। (B) Fe2+ (aq) एक अपचायक के रूप में कार्य करता है। (C) Fe3+ (aq) आमतौर पर अम्लीय जलीय विलयन में Fe2+ (aq) से अधिक स्थिर होता है क्योंकि इसके अर्ध-भरे d-कक्षक विन्यास होता है। (D) Fe3+ (aq) प्रबल ऑक्सीकारक एजेंटों की उपस्थिति में आसानी से Fe2+ (aq) में अपचयित हो जाता है।

हल: सही उत्तर (D) है।

स्पष्टीकरण:

• (A) Fe का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Ar] 3d6 4s2 है। Fe3+ तीन इलेक्ट्रॉन (4s से दो और 3d से एक) खो देता है, जिसके परिणामस्वरूप [Ar] 3d5 होता है। यह सही है।
• (B) Fe2+ (d6) अधिक स्थिर Fe3+ (d5) विन्यास बनाने के लिए आसानी से एक इलेक्ट्रॉन खो देता है। इसलिए, Fe2+ एक अपचायक के रूप में कार्य करता है। यह सही है।
• (C) Fe3+ का d5 विन्यास एक अर्ध-भरे d-कक्षक का प्रतिनिधित्व करता है, जो अतिरिक्त स्थिरता प्रदान करता है। इस प्रकार, Fe3+ आमतौर पर अम्लीय जलीय विलयनों में Fe2+ से अधिक स्थिर होता है। यह सही है।
• (D) Fe3+ स्वयं एक ऑक्सीकारक एजेंट है (यह अपचयित हो जाता है)। इसलिए, यह अपचायक एजेंटों की उपस्थिति में Fe2+ में अपचयित होगा, न कि ऑक्सीकारक एजेंटों की उपस्थिति में। प्रबल ऑक्सीकारक एजेंट आयरन को उसकी उच्च ऑक्सीकरण अवस्था (Fe3+) में रखने या Fe2+ को Fe3+ में ऑक्सीकृत करने की प्रवृत्ति रखेंगे। यह कथन गलत है।

प्रश्न 2

आयरन के निष्कर्षण में, वात भट्टी के ‘दहन क्षेत्र’ (बोष) में निम्नलिखित में से कौन सी अभिक्रिया मुख्य रूप से होती है? (A) CaCO3 \rightarrow CaO + CO2 (B) Fe2O3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO2 (C) C + O2 \rightarrow CO2 (D) CaO + SiO2 \rightarrow CaSiO3

हल: सही उत्तर (C) है।

स्पष्टीकरण: वात भट्टी विशिष्ट तापमान क्षेत्रों के साथ संचालित होती है:

• (A) CaCO3 \rightarrow CaO + CO2: यह चूना पत्थर का कैल्सीनीकरण है, जो ऊपरी, ठंडे क्षेत्रों (लगभग 800-900 °C) में होता है।
• (B) Fe2O3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO2: यह कार्बन मोनोऑक्साइड द्वारा आयरन ऑक्साइड की मुख्य अपचयन अभिक्रिया है, जो मध्य और निचले क्षेत्रों (400-700 °C, और 1200 °C तक) में होती है।
• (C) C + O2 \rightarrow CO2: यह अभिक्रिया, गर्म हवा के साथ कोक का दहन, अत्यधिक ऊष्माक्षेपी है और भट्टी के संचालन के लिए आवश्यक उच्च तापमान प्रदान करती है। यह ‘बोष’ या दहन क्षेत्र (1500-1900 °C) में होती है, जो ट्यूयेरेस (जहाँ गर्म हवा फूंकी जाती है) के ठीक ऊपर होता है। उत्पादित CO2 आगे गर्म कोक के साथ अभिक्रिया करके CO बनाता है, जो प्राथमिक अपचायक के रूप में कार्य करता है।
• (D) CaO + SiO2 \rightarrow CaSiO3: यह धातुमल निर्माण अभिक्रिया है, जहाँ अम्लीय अशुद्धियाँ (जैसे SiO2) क्षारीय गालक (CaO) के साथ अभिक्रिया करके पिघला हुआ धातुमल बनाती हैं। यह धातुमल निर्माण क्षेत्र (लगभग 1000-1200 °C) में होता है।

प्रश्न 3

जब फेरिक क्लोराइड (FeCl3) के विलयन को पोटेशियम फेरोसायनाइड [K4Fe(CN)6] के साथ उपचारित किया जाता है, तो एक गहरा नीला अवक्षेप बनता है। यह अवक्षेप किस नाम से जाना जाता है? (A) प्रशियन ब्लू (B) टर्नबुल ब्लू (C) मोहर का लवण (D) ब्लू विट्रिओल

हल: सही उत्तर (A) है।

स्पष्टीकरण:

• (A) फेरिक लवण (Fe3+) और पोटेशियम फेरोसायनाइड (K4[Fe(CN)6]) के बीच की अभिक्रिया से एक गहरा नीला अवक्षेप बनता है जिसे प्रशियन ब्लू के नाम से जाना जाता है, जिसका सामान्य सूत्र KFe[Fe(CN)6] या Fe4[Fe(CN)6]3 है। 4FeCl3 + 3K4[Fe(CN)6] \rightarrow Fe4[Fe(CN)6]3(s) + 12KCl इस अभिक्रिया का उपयोग Fe3+ आयनों के परीक्षण के रूप में किया जाता है।
• (B) टर्नबुल ब्लू फेरस लवण (Fe2+) की पोटेशियम फेरिकायनाइड (K3[Fe(CN)6]) के साथ अभिक्रिया से बनता है। इसकी सटीक संरचना जटिल है लेकिन इसे अक्सर प्रशियन ब्लू के समान माना जाता है, कभी-कभी तो समान भी (Fe3[Fe(CN)6]2)।
• (C) मोहर का लवण अमोनियम फेरस सल्फेट हेक्साहाइड्रेट, (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O है, जो फेरस आयरन का एक स्थिर द्विक लवण है।
• (D) ब्लू विट्रिओल कॉपर(II) सल्फेट पेंटाहाइड्रेट, CuSO4·5H2O का सामान्य नाम है।

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अभिकथन-कारण प्रश्न

निर्देश: निम्नलिखित प्रश्नों में, अभिकथन (A) का एक कथन कारण (R) के कथन के बाद दिया गया है। सही विकल्प चुनें: (A) यदि A और R दोनों सत्य हैं और R, A का सही स्पष्टीकरण है। (B) यदि A और R दोनों सत्य हैं लेकिन R, A का सही स्पष्टीकरण नहीं है। (C) यदि A सत्य है लेकिन R असत्य है। (D) यदि A असत्य है लेकिन R सत्य है। (E) यदि A और R दोनों असत्य हैं।

प्रश्न 1

अभिकथन (A): फेरस लवण हवा के संपर्क में आने पर आसानी से फेरिक लवण में ऑक्सीकृत हो जाते हैं। कारण (R): फेरिक आयन (Fe3+) फेरस आयनों (Fe2+) की तुलना में अर्ध-भरे d5 इलेक्ट्रॉनिक विन्यास के कारण अधिक स्थिर होते हैं।

हल: सही उत्तर (A) है।

स्पष्टीकरण:

• अभिकथन (A) सत्य है। फेरस लवण (जिसमें Fe2+ होता है) प्रबल अपचायक एजेंट होते हैं और वायुमंडलीय ऑक्सीजन द्वारा आसानी से फेरिक लवण (जिसमें Fe3+ होता है) में ऑक्सीकृत हो जाते हैं, विशेष रूप से नमी की उपस्थिति में या विलयन में। उदाहरण के लिए, FeSO4 का एक स्पष्ट विलयन हवा में खड़े रहने पर धीरे-धीरे पीले-भूरे रंग का हो जाता है, जिसका कारण Fe2(SO4)3 या Fe(OH)SO4 का निर्माण है।
• कारण (R) सत्य है। Fe2+ का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Ar] 3d6 है, और Fe3+ का [Ar] 3d5 है। d5 विन्यास एक अर्ध-भरा d-उपकोश है, जो समरूपता और विनिमय ऊर्जा के कारण अतिरिक्त स्थिरता रखता है। यह अंतर्निहित स्थिरता Fe2+ के Fe3+ में ऑक्सीकरण को प्रेरित करती है।
• R, A का सही स्पष्टीकरण है। Fe3+ (d5) की अधिक स्थिरता ही वह मूलभूत कारण है कि Fe2+ (d6) एक इलेक्ट्रॉन खोकर Fe3+ में ऑक्सीकृत होने की प्रवृत्ति रखता है।

प्रश्न 2

अभिकथन (A): सांद्र नाइट्रिक अम्ल के साथ उपचारित करने पर आयरन निष्क्रिय हो जाता है। कारण (R): सांद्र नाइट्रिक अम्ल आयरन की सतह पर आयरन ऑक्साइड की एक सुरक्षात्मक, गैर-छिद्रयुक्त परत बनाता है।

हल: सही उत्तर (A) है।

स्पष्टीकरण:

• अभिकथन (A) सत्य है। जब आयरन को सांद्र नाइट्रिक अम्ल के साथ उपचारित किया जाता है, तो यह निष्क्रिय हो जाता है, जिसका अर्थ है कि यह अपनी विशिष्ट रासायनिक अभिक्रियाशीलता खो देता है (उदाहरण के लिए, यह अब तनु अम्लों के साथ या कॉपर सल्फेट विलयन से कॉपर को विस्थापित नहीं करता है)।
• कारण (R) सत्य है। सांद्र नाइट्रिक अम्ल एक प्रबल ऑक्सीकारक एजेंट है। यह आयरन की सतह को ऑक्सीकृत करके आयरन ऑक्साइड (जैसे Fe3O4 या Fe2O3) की एक पतली, चिपचिपी, गैर-छिद्रयुक्त और अभेद्य परत बनाता है। यह ऑक्साइड परत एक सुरक्षात्मक अवरोधक के रूप में कार्य करती है, जो अंतर्निहित धातु की अम्ल या अन्य अभिकर्मकों के साथ आगे की अभिक्रिया को रोकती है।
• R, A का सही स्पष्टीकरण है। इस सुरक्षात्मक ऑक्साइड परत का निर्माण ही वह सटीक कारण है कि आयरन सांद्र नाइट्रिक अम्ल के प्रति निष्क्रियता प्रदर्शित करता है।

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लघु उत्तरीय प्रश्न

प्रश्न 1

आयरन के एक द्विक लवण का रासायनिक सूत्र और नाम दीजिए। आयतनमितीय विश्लेषण के लिए इसे फेरस सल्फेट की तुलना में क्यों पसंद किया जाता है?

आदर्श उत्तर:

• रासायनिक सूत्र: (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O
• नाम: अमोनियम फेरस सल्फेट हेक्साहाइड्रेट, जिसे सामान्यतः मोहर का लवण के नाम से जाना जाता है।

पसंद का कारण: मोहर के लवण को आयतनमितीय विश्लेषण (जैसे KMnO4 के साथ रेडॉक्स अनुमापन में) के लिए साधारण फेरस सल्फेट (FeSO4·7H2O) की तुलना में मुख्य रूप से ऑक्सीकरण के प्रति इसकी स्थिरता के कारण पसंद किया जाता है।

1. ऑक्सीकरण के प्रति प्रतिरोध: फेरस सल्फेट हवा के संपर्क में आने पर, विशेष रूप से जलीय विलयन में, वायुमंडलीय ऑक्सीजन द्वारा आसानी से फेरिक सल्फेट (Fe2(SO4)3) में ऑक्सीकृत हो जाता है। यह समय के साथ इसकी सांद्रता को बदल देता है, जिससे यह सटीक आयतनमितीय मापों के लिए अनुपयुक्त हो जाता है।
2. मोहर के लवण की स्थिरता: मोहर का लवण एक स्थिर द्विक लवण है। मोहर के लवण में अमोनियम आयन (NH4+) की उपस्थिति Fe2+ आयन को स्थिर करने में मदद करती है। जलीय विलयन में, अमोनियम आयन जल-अपघटन के कारण थोड़ी अम्लता पैदा करता है, जिससे स्थानीय स्तर पर अम्लीय वातावरण बनता है। यह अम्लीय स्थिति वायुमंडलीय ऑक्सीजन द्वारा Fe2+ के Fe3+ में ऑक्सीकरण को महत्वपूर्ण रूप से धीमा कर देती है, जिससे इसकी सांद्रता लंबे समय तक बनी रहती है।

प्रश्न 2

आयरन ऑक्साइड अयस्क से आयरन के निष्कर्षण के दौरान वात भट्टी के विभिन्न तापमान क्षेत्रों में होने वाली मुख्य रासायनिक अभिक्रियाओं का वर्णन करें।

आदर्श उत्तर: वात भट्टी एक प्रति-धारा रिएक्टर है जहाँ विशिष्ट रासायनिक अभिक्रियाएँ विभिन्न तापमान क्षेत्रों में होती हैं:

1. दहन क्षेत्र (बोष, 1500-1900 °C): यह नीचे स्थित सबसे गर्म क्षेत्र है। ट्यूयेरेस के माध्यम से गर्म हवा फूंकी जाती है, जो कोक (कार्बन) के साथ अभिक्रिया करके ऊष्मा और कार्बन डाइऑक्साइड उत्पन्न करती है।

   • C(s) + O2(g) \rightarrow CO2(g) (अत्यधिक ऊष्माक्षेपी, प्राथमिक ऊष्मा प्रदान करती है)
   • उत्पादित CO2 फिर उद्दीप्त कोक के साथ अभिक्रिया करके कार्बन मोनोऑक्साइड बनाती है, जो मुख्य अपचायक है: CO2(g) + C(s) \rightarrow 2CO(g) (ऊष्माशोषी)

2. धातुमल निर्माण क्षेत्र (मध्य, 1000-1200 °C): इस क्षेत्र में, चूना पत्थर (गालक) विघटित होता है, और परिणामी कैल्शियम ऑक्साइड अयस्क में मौजूद सिलिका (रेत) जैसी अम्लीय अशुद्धियों के साथ अभिक्रिया करता है।

   • CaCO3(s) \rightarrow CaO(s) + CO2(g) (गालक का कैल्सीनीकरण)
   • CaO(s) + SiO2(s) \rightarrow CaSiO3(l) (धातुमल का निर्माण, जो पिघले हुए आयरन से हल्का होता है और उसके ऊपर तैरता है)

3. अपचयन क्षेत्र (ऊपर से मध्य, 400-900 °C): ऊपरी ठंडे क्षेत्रों में, आयरन ऑक्साइड कार्बन मोनोऑक्साइड द्वारा उत्तरोत्तर अपचयित होते हैं।

   • ऊपरी क्षेत्र (400-600 °C): उच्च ऑक्साइडों का अप्रत्यक्ष अपचयन। 3Fe2O3(s) + CO(g) \rightarrow 2Fe3O4(s) + CO2(g)
   • मध्य क्षेत्र (600-700 °C): आगे अपचयन। Fe3O4(s) + CO(g) \rightarrow 3FeO(s) + CO2(g) Fe3O4(s) + 4CO(g) \rightarrow 3Fe(s) + 4CO2(g) (उच्च तापमान पर)
   • निचला क्षेत्र (800-900 °C): फेरस ऑक्साइड (FeO) को आयरन में अपचयित किया जाता है। FeO(s) + CO(g) \rightarrow Fe(s) + CO2(g)
   • प्रत्यक्ष अपचयन (उच्च तापमान पर, >900 °C): कार्बन द्वारा कुछ प्रत्यक्ष अपचयन भी होता है। FeO(s) + C(s) \rightarrow Fe(s) + CO(g)

पिघला हुआ आयरन, जिसे पिग आयरन के नाम से जाना जाता है, भट्टी के तल पर जमा हो जाता है, जबकि पिघला हुआ धातुमल इसके ऊपर तैरता है और इसे अलग से निकाला जाता है।

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उच्च-स्तरीय चिंतन कौशल (HOTS) प्रश्न

प्रश्न 1

समझाइए कि Fe2+ जलीय विलयन में एक प्रबल अपचायक एजेंट क्यों है, जबकि Fe3+ ऑक्सीकारक एजेंट के रूप में कार्य करता है। चर्चा करें कि इन आयनों की स्थिरता pH के साथ कैसे बदलती है, विशेष रूप से अम्लीय माध्यम बनाम क्षारीय माध्यम में Fe2+ की स्थिरता की तुलना करें।

विस्तृत रासायनिक स्पष्टीकरण:

1. Fe2+ और Fe3+ का रेडॉक्स व्यवहार:

   • इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: आयरन (Fe) का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Ar] 3d6 4s2 है।
     • Fe2+ (फेरस आयन): [Ar] 3d6। इसमें चार अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं।
     • Fe3+ (फेरिक आयन): [Ar] 3d5। यह एक अर्ध-भरा d-उपकोश है, जो उच्च विनिमय ऊर्जा और सममित वितरण के कारण अतिरिक्त स्थिरता प्रदान करता है।
   • अपचायक एजेंट के रूप में Fe2+: d5 विन्यास की बढ़ी हुई स्थिरता के कारण, Fe2+ आसानी से एक इलेक्ट्रॉन खोकर Fe3+ बनाता है। Fe2+(aq) \rightarrow Fe3+(aq) + e- Fe3+/Fe2+ युग्म के लिए मानक इलेक्ट्रोड विभव (E°) +0.77 V है। हालांकि, जब ऑक्सीकरण के रूप में लिखा जाता है, Fe2+ \rightarrow Fe3+ + e-, तो विभव -0.77 V होता है। एक ऋणात्मक ऑक्सीकरण विभव ऑक्सीकरण की प्रबल प्रवृत्ति को इंगित करता है। इस प्रकार, Fe2+ एक प्रबल अपचायक एजेंट के रूप में कार्य करता है, जिसका अर्थ है कि यह अन्य प्रजातियों को अपचयित करते हुए स्वयं ऑक्सीकृत हो जाता है (उदाहरण के लिए, KMnO4 को Mn2+ में या K2Cr2O7 को Cr3+ में अपचयित करना)।
   • ऑक्सीकारक एजेंट के रूप में Fe3+: इसके विपरीत, Fe3+ (d5) Fe2+ के d6 विन्यास को प्राप्त करने के लिए एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त कर सकता है। Fe3+(aq) + e- \rightarrow Fe2+(aq) +0.77 V का मानक अपचयन विभव इंगित करता है कि Fe3+ में अपचयित होने की महत्वपूर्ण प्रवृत्ति होती है। इस प्रकार, Fe3+ एक ऑक्सीकारक एजेंट के रूप में कार्य करता है, जिसका अर्थ है कि यह अन्य प्रजातियों को ऑक्सीकृत करते हुए स्वयं अपचयित हो जाता है (उदाहरण के लिए, I- को I2 में ऑक्सीकृत करना)।

2. pH के साथ Fe(II) और Fe(III) की स्थिरता: आयरन की ऑक्सीकरण अवस्थाओं की स्थिरता माध्यम के pH से काफी प्रभावित होती है, मुख्य रूप से अघुलनशील हाइड्रॉक्साइड के निर्माण के कारण।

   • अम्लीय माध्यम में Fe2+: अम्लीय विलयनों में, Fe2+ आयन मुख्य रूप से जलयोजित आयनों, [Fe(H2O)6]2+ के रूप में मौजूद होते हैं। जबकि वे अपचायक एजेंट होते हैं, प्रबल ऑक्सीकारक एजेंटों या उत्प्रेरकों की अनुपस्थिति में उनका Fe3+ में ऑक्सीकरण अपेक्षाकृत धीमा होता है। H+ आयनों की उच्च सांद्रता Fe(OH)2 के निर्माण को दबा देती है, जो अन्यथा आसानी से ऑक्सीकृत हो जाएगा। Fe3+/Fe2+ युग्म (+0.77 V) के लिए मानक विभव अम्लीय परिस्थितियों को संदर्भित करता है।

   • क्षारीय माध्यम में Fe2+: क्षारीय (क्षारीय) विलयनों में, Fe2+ आयन फेरस हाइड्रॉक्साइड, Fe(OH)2(s), एक सफेद अवक्षेप के रूप में तेजी से अवक्षेपित हो जाते हैं। Fe2+(aq) + 2OH-(aq) \rightarrow Fe(OH)2(s) Fe(OH)2, Fe2+(aq) आयन की तुलना में ऑक्सीकरण के प्रति बहुत कम स्थिर होता है। यह वायुमंडलीय ऑक्सीजन द्वारा ऑक्सीकरण के लिए अत्यधिक संवेदनशील होता है। Fe(OH)3/Fe(OH)2 युग्म के लिए मानक इलेक्ट्रोड विभव लगभग -0.56 V होता है। यह काफी कम विभव (अधिक ऋणात्मक) का अर्थ है कि Fe(OH)2, Fe2+(aq) की तुलना में एक बहुत प्रबल अपचायक एजेंट है और बहुत आसानी से फेरिक हाइड्रॉक्साइड, Fe(OH)3, एक लाल-भूरे रंग के अवक्षेप (जंग) में ऑक्सीकृत हो जाता है। 4Fe(OH)2(s) + O2(g) + 2H2O(l) \rightarrow 4Fe(OH)3(s) Fe(OH)2 का अवक्षेपण प्रभावी रूप से विलयन से Fe2+ आयनों को हटा देता है, जिससे शेष Fe2+ के आगे ऑक्सीकरण की ओर संतुलन बदल जाता है। अवक्षेप के रूप में Fe2+ को हटाने और OH- आयनों की उच्च सांद्रता ऑक्सीकरण को सुगम बनाती है, जिससे Fe(II) यौगिक क्षारीय माध्यम में अत्यधिक अस्थिर हो जाते हैं।

निष्कर्ष: जबकि Fe2+ एक अपचायक एजेंट है और Fe3+ सामान्य रूप से एक ऑक्सीकारक एजेंट है, उनकी सापेक्ष स्थिरता और अभिक्रियाशीलता pH से गहराई से प्रभावित होती है। Fe3+ (d5) Fe2+ (d6) से स्वाभाविक रूप से अधिक स्थिर होता है। स्थिरता में यह अंतर अम्लीय परिस्थितियों में उपयोग किया जाता है। हालांकि, क्षारीय परिस्थितियों में, अघुलनशील हाइड्रॉक्साइड का निर्माण Fe(II) प्रजातियों की अपचायक शक्ति को नाटकीय रूप से बढ़ाता है, जिससे Fe(OH)2 अम्लीय विलयनों में Fe2+ की तुलना में ऑक्सीकरण के लिए कहीं अधिक प्रवण हो जाता है।