मैग्नीशियम (Mg) का रसायन विज्ञान - अभ्यास प्रश्न

मैग्नीशियम (Mg) का रसायन विज्ञान - अभ्यास प्रश्न

बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

मैग्नीशियम (Mg) के बारे में निम्नलिखित में से कौन सा कथन गलत है? A) मैग्नीशियम भाप के साथ अभिक्रिया करके मैग्नीशियम ऑक्साइड और हाइड्रोजन गैस बनाता है। B) मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड पानी में अल्प घुलनशील होता है। C) मैग्नीशियम नाइट्रोजन के साथ अभिक्रिया नहीं करता है। D) मैग्नीशियम हवा में चमकदार सफेद लौ के साथ जलता है।

हल: सही विकल्प C है।

स्पष्टीकरण: A) मैग्नीशियम भाप (\text{H}_2\text{O(g)}) के साथ अभिक्रिया करके मैग्नीशियम ऑक्साइड (\text{MgO}) और हाइड्रोजन गैस (\text{H}_2}) बनाता है। \text{Mg(s)} + \text{H}_2\text{O(g)} \rightarrow \text{MgO(s)} + \text{H}_2\text{(g)} B) मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड (\text{Mg(OH)}_2}) पानी में अल्प घुलनशील होता है, जिससे यह एक कमजोर क्षार (जैसे, मिल्क ऑफ मैग्नेशिया) बनता है। इसकी घुलनशीलता अन्य क्षारीय मृदा धातु हाइड्रॉक्साइड जैसे \text{Ca(OH)}_2}, \text{Sr(OH)}_2}, या \text{Ba(OH)}_2} की तुलना में बहुत कम है। C) मैग्नीशियम हवा में (या शुद्ध नाइट्रोजन में) गर्म करने पर नाइट्रोजन (\text{N}_2}) के साथ आसानी से अभिक्रिया करके मैग्नीशियम नाइट्राइड (\text{Mg}_3\text{N}_2}) बनाता है। यह समूह 2 धातुओं, विशेष रूप से \text{Mg} और \text{Li} (विकर्ण संबंध) के लिए एक विशिष्ट अभिक्रिया है। 3\text{Mg(s)} + \text{N}_2\text{(g)} \xrightarrow{\text{heat}} \text{Mg}_3\text{N}_2\text{(s)} D) मैग्नीशियम अत्यधिक ज्वलनशील होता है और हवा में एक शानदार, चमकदार सफेद लौ के साथ जलता है, जिससे मैग्नीशियम ऑक्साइड और कुछ मैग्नीशियम नाइट्राइड दोनों बनते हैं।

प्रश्न 2

मैग्नीशियम के निम्नलिखित यौगिकों में से कौन सा पानी में अत्यधिक घुलनशील है? A) \text{MgCO}_3 B) \text{Mg(OH)}_2 C) \text{MgSO}_4 D) \text{Mg}_3\text{N}_2

हल: सही विकल्प C है।

स्पष्टीकरण: A) मैग्नीशियम कार्बोनेट (\text{MgCO}_3}) पानी में व्यावहारिक रूप से अघुलनशील है। इसका विलेयता गुणनफल स्थिरांक ($K_\{sp\}$) बहुत कम है। B) मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड (\text{Mg(OH)}_2}) पानी में अल्प घुलनशील होता है। C) मैग्नीशियम सल्फेट (\text{MgSO}_4}) पानी में अत्यधिक घुलनशील है। क्षारीय मृदा धातु सल्फेटों में यह एक महत्वपूर्ण अंतर है, जहाँ समूह में नीचे जाने पर घुलनशीलता आमतौर पर घटती है (\text{BeSO}_4 > \text{MgSO}_4 > \text{CaSO}_4 > \text{SrSO}_4 > \text{BaSO}_4})। एप्सम सॉल्ट \text{MgSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O} है। D) मैग्नीशियम नाइट्राइड (\text{Mg}_3\text{N}_2}) पानी के साथ अभिक्रिया करके मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड और अमोनिया उत्पन्न करता है, लेकिन यह स्वयं अत्यधिक घुलनशील नहीं है। \text{Mg}_3\text{N}_2\text{(s)} + 6\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow 3\text{Mg(OH)}_2\text{(s)} + 2\text{NH}_3\text{(g)}

प्रश्न 3

जब मैग्नीशियम धातु को सीमित ऑक्सीजन आपूर्ति में गर्म किया जाता है, तो मुख्य रूप से बनने वाला उत्पाद है: A) \text{MgO} B) \text{Mg}_3\text{N}_2 C) \text{MgO} और \text{Mg}_3\text{N}_2} का मिश्रण D) \text{Mg}(\text{OH})_2

हल: सही विकल्प A है।

स्पष्टीकरण: मैग्नीशियम ऑक्सीजन में तीव्र गति से जलकर मैग्नीशियम ऑक्साइड (\text{MgO}) बनाता है। 2\text{Mg(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{MgO(s)} जब हवा में गर्म किया जाता है (जो लगभग 78% नाइट्रोजन और ~21% ऑक्सीजन है), तो मैग्नीशियम ऑक्सीजन और नाइट्रोजन दोनों के साथ अभिक्रिया करता है। हालांकि, ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया नाइट्रोजन की तुलना में बहुत अधिक तीव्र और ऊष्माक्षेपी होती है। यदि ऑक्सीजन की आपूर्ति सीमित है, तो यह इंगित करता है कि ऑक्सीजन को प्राथमिक अभिकारक माना जा रहा है और मुख्य उत्पाद मैग्नीशियम ऑक्साइड होगा। जबकि हवा में कुछ \text{Mg}_3\text{N}_2} बन सकता है, यदि ऑक्सीजन की आपूर्ति सीमित है (जिसका अर्थ है कि नाइट्रोजन अभी भी मौजूद है), तो ऑक्सीजन की \text{Mg} के साथ नाइट्रोजन की तुलना में अधिक अभिक्रियाशीलता के कारण \text{MgO} प्राथमिक उत्पाद है। प्रश्न “ऑक्सीजन की सीमित आपूर्ति” निर्दिष्ट करता है, जिसका अर्थ है कि ऑक्सीजन सीमित अभिकारक है, जिससे \text{MgO} प्राथमिक उत्पाद के रूप में बनता है। यदि प्रश्न कहता “हवा में गर्म किया गया,” तो C अधिक उपयुक्त होगा। यदि यह निर्दिष्ट करता “नाइट्रोजन वातावरण में गर्म किया गया,” तो B सही होगा।

अभिकथन-कारण प्रश्न

प्रश्न 1

अभिकथन (A): मैग्नीशियम हवा में चमकदार सफेद लौ के साथ जलता है। कारण (R): मैग्नीशियम नाइट्रोजन के साथ अभिक्रिया करके मैग्नीशियम नाइट्राइड (\text{Mg}_3\text{N}_2}) 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।

हल: सही विकल्प B है।

स्पष्टीकरण: अभिकथन (A): मैग्नीशियम वास्तव में हवा में चमकदार सफेद लौ के साथ जलता है, मुख्य रूप से मैग्नीशियम ऑक्साइड (\text{MgO}) बनाता है। यह कथन सत्य है। कारण (R): मैग्नीशियम उच्च तापमान पर नाइट्रोजन के साथ अभिक्रिया करके मैग्नीशियम नाइट्राइड (\text{Mg}_3\text{N}_2}) बनाता है। यह कथन भी सत्य है। हालांकि, चमकदार सफेद लौ का कारण मुख्य रूप से ऑक्सीजन (हवा में मौजूद) के साथ मैग्नीशियम की तीव्र ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया से मैग्नीशियम ऑक्साइड बनता है। जबकि मैग्नीशियम नाइट्राइड भी बनता है, यह “चमकदार सफेद लौ” का एकमात्र या प्राथमिक कारण नहीं है। चमक के लिए जिम्मेदार मुख्य उत्पाद \text{MgO} है। इसलिए, R सत्य है, लेकिन यह A की सही व्याख्या नहीं है।

प्रश्न 2

अभिकथन (A): मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड (\text{Mg(OH)}_2}) पानी में अल्प घुलनशील होता है। कारण (R): मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड की जालक ऊर्जा बहुत अधिक होती है, जिससे जलयोजन ऊर्जा द्वारा इसे पार करना मुश्किल हो जाता 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।

हल: सही विकल्प A है।

स्पष्टीकरण: अभिकथन (A): मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड (\text{Mg(OH)}_2}) पानी में अल्प घुलनशील होता है। यह कथन सत्य है। इसका उपयोग आमतौर पर इसकी कम घुलनशीलता और हल्के क्षारीयता के कारण एंटासिड (मिल्क ऑफ मैग्नेशिया) के रूप में किया जाता है। कारण (R): आयनिक यौगिकों की घुलनशीलता जालक ऊर्जा (जालक को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा) और जलयोजन ऊर्जा (जब आयन पानी के अणुओं द्वारा विलायकित होते हैं तो निकलने वाली ऊर्जा) के बीच संतुलन पर निर्भर करती है। \text{Mg(OH)}_2} के लिए, \text{Mg}^{2+} आयन अपेक्षाकृत छोटा होता है, जिससे उच्च आवेश घनत्व होता है। हाइड्रॉक्साइड आयन (\text{OH}^-}) भी छोटा होता है। इसके परिणामस्वरूप \text{Mg(OH)}_2} के लिए बहुत उच्च जालक ऊर्जा होती है। यद्यपि \text{Mg}^{2+} के लिए जलयोजन ऊर्जा भी इसके छोटे आकार और उच्च आवेश के कारण अधिक होती है, यह असाधारण रूप से उच्च जालक ऊर्जा को दूर करने के लिए पर्याप्त नहीं होती है, खासकर जब इसकी तुलना बड़े \text{Ca}^{2+}, \text{Sr}^{2+}, या \text{Ba}^{2+} आयनों से की जाती है जहाँ जालक ऊर्जा घटती है और जलयोजन ऊर्जा भी घटती है, लेकिन संतुलन बदल जाता है। इसलिए, \text{Mg(OH)}_2} की घुलनशीलता सीमित होती है। यह कथन सत्य है और अभिकथन की सही व्याख्या करता है।

लघु उत्तरीय प्रश्न

प्रश्न 1

कैल्शियम और बेरियम जैसे अन्य क्षारीय मृदा धातुओं के विपरीत, मैग्नीशियम बन्सेन लौ (लौ परीक्षण) को कोई विशिष्ट रंग क्यों नहीं देता है?

मॉडल उत्तर: मैग्नीशियम (Mg) बन्सेन लौ परीक्षण में कोई विशिष्ट रंग नहीं दिखाता है, मुख्य रूप से कैल्शियम (Ca), स्ट्रोंटियम (Sr), और बेरियम (Ba) जैसे अन्य क्षारीय मृदा धातुओं की तुलना में इसके छोटे परमाणु आकार और अपेक्षाकृत उच्च आयनीकरण ऊर्जा के कारण। मैग्नीशियम में संयोजी इलेक्ट्रॉन नाभिक द्वारा अधिक मजबूती से पकड़े होते हैं। एक विशिष्ट बन्सेन लौ द्वारा प्रदान की गई ऊर्जा इन मजबूती से बंधे इलेक्ट्रॉनों को उच्च ऊर्जा स्तरों तक उत्तेजित करने के लिए अपर्याप्त होती है। परिणामस्वरूप, जब ये इलेक्ट्रॉन अव-उत्तेजित होते हैं, तो वे विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के दृश्य क्षेत्र में विकिरण उत्सर्जित नहीं करते हैं, और इस प्रकार कोई विशिष्ट लौ रंग नहीं देखा जाता है। इसके विपरीत, बड़े क्षारीय मृदा धातु आयनों के लिए, संयोजी इलेक्ट्रॉन कम मजबूती से बंधे होते हैं, उत्तेजित होने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, और अव-उत्तेजित होने पर, दृश्य प्रकाश उत्सर्जित करते हैं।

प्रश्न 2

मैग्नीशियम की रासायनिक अभिक्रियाओं की व्याख्या करें: i) तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल (\text{HCl}) के साथ ii) सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल (\text{H}_2\text{SO}_4}) के साथ

मॉडल उत्तर: i) तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल (\text{HCl}) के साथ अभिक्रिया: मैग्नीशियम एक विद्युतधनात्मक धातु है और तनु गैर-ऑक्सीकारक अम्लों जैसे तनु \text{HCl} के साथ आसानी से अभिक्रिया करके हाइड्रोजन गैस और संबंधित मैग्नीशियम लवण बनाता है। अभिक्रिया काफी तीव्र होती है। \text{Mg(s)} + 2\text{HCl(aq)} \rightarrow \text{MgCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} इस अभिक्रिया में, मैग्नीशियम 0 से +2 ऑक्सीकरण अवस्था में ऑक्सीकृत होता है, जबकि \text{HCl} से हाइड्रोजन +1 से 0 में अपचयित होता है।

ii) सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल (\text{H}_2\text{SO}_4}) के साथ अभिक्रिया: मैग्नीशियम सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया करता है। सांद्र \text{H}_2\text{SO}_4} अम्ल होने के अतिरिक्त एक प्रबल ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है। बनने वाले उत्पाद सांद्रता और तापमान पर निर्भर करते हैं। आमतौर पर, यह मैग्नीशियम को मैग्नीशियम सल्फेट (\text{MgSO}_4}) में ऑक्सीकृत करता है और स्वयं सल्फर डाइऑक्साइड (\text{SO}_2}) के साथ पानी में अपचयित हो जाता है। \text{Mg(s)} + 2\text{H}_2\text{SO}_4\text{(conc)} \rightarrow \text{MgSO}_4\text{(aq)} + \text{SO}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} इस अभिक्रिया में, मैग्नीशियम 0 से +2 में ऑक्सीकृत होता है, और \text{H}_2\text{SO}_4} में सल्फर +6 से +4 में अपचयित होता है। सांद्र ऑक्सीकारक अम्लों के साथ हाइड्रोजन गैस आमतौर पर महत्वपूर्ण मात्रा में उत्पन्न नहीं होती है।

उच्च-स्तरीय चिंतन कौशल (HOTS) प्रश्न

प्रश्न 1

मैग्नीशियम धातु को ठंडे पानी के प्रति अपेक्षाकृत निष्क्रिय माना जाता है, जो मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड की एक पतली सुरक्षात्मक परत बनाता है जो आगे की अभिक्रिया को रोकती है। हालांकि, यह भाप के साथ तीव्र गति से अभिक्रिया करता है। ऊष्मागतिक और गतिज विचारों के आधार पर अभिक्रियाशीलता में इस अंतर की व्याख्या करें।

मॉडल उत्तर: ठंडे पानी बनाम भाप के साथ मैग्नीशियम की अभिक्रियाशीलता में अंतर को ऊष्मागतिक अनुकूलता और गतिज बाधाओं दोनों पर विचार करके समझाया जा सकता है।

1. ऊष्मागतिक विचार: मैग्नीशियम की पानी (तरल और गैसीय दोनों) के साथ अभिक्रिया करके मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड (\text{Mg(OH)}_2}) या मैग्नीशियम ऑक्साइड (\text{MgO}) और हाइड्रोजन गैस बनाना ऊष्मागतिक रूप से अनुकूल है। \text{Mg(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2\text{(s)} + \text{H}_2\text{(g)} \text{Mg(s)} + \text{H}_2\text{O(g)} \rightarrow \text{MgO(s)} + \text{H}_2\text{(g)} (उच्च तापमान पर) इन अभिक्रियाओं के लिए मानक गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन (\Delta G^\circ}) ऋणात्मक होता है, जो इंगित करता है कि वे मानक परिस्थितियों में स्वतःप्रवर्तित हैं। इस प्रकार, विशुद्ध रूप से ऊष्मागतिक दृष्टिकोण से, मैग्नीशियम को सभी तापमानों पर पानी के साथ अभिक्रिया करनी चाहिए।

2. गतिज विचार:

   • ठंडे पानी के साथ: कम तापमान पर (ठंडा पानी), पानी के अणुओं और मैग्नीशियम परमाणुओं की गतिज ऊर्जा कम होती है। प्रारंभिक अभिक्रिया मैग्नीशियम धातु की सतह पर मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड (\text{Mg(OH)}_2}) की एक पतली, अघुलनशील और अपेक्षाकृत स्थिर परत बनाती है। यह परत एक सुरक्षात्मक बाधा के रूप में कार्य करती है, जिससे मैग्नीशियम धातु और पानी के अणुओं के बीच आगे सीधा संपर्क रुक जाता है। इस सुरक्षात्मक परत को दूर करने और अभिक्रिया को महत्वपूर्ण रूप से आगे बढ़ाने के लिए आवश्यक सक्रियण ऊर्जा ठंडे तापमान पर उपलब्ध ऊर्जा द्वारा पूरी नहीं होती है। इसलिए, अभिक्रिया गतिज रूप से बहुत धीमी हो जाती है, जिससे मैग्नीशियम ठंडे पानी के प्रति निष्क्रिय प्रतीत होता है।
   • भाप के साथ: जब मैग्नीशियम को भाप (उच्च तापमान पर गैसीय अवस्था में पानी) के संपर्क में लाया जाता है, तो अभिकारक अणुओं की गतिज ऊर्जा काफी अधिक होती है। यह बढ़ी हुई ऊर्जा सक्रियण बाधा को अधिक आसानी से दूर करती है। उच्च तापमान सुरक्षात्मक \text{Mg(OH)}_2} परत को निर्जलित कर देता है और इसे मैग्नीशियम ऑक्साइड (\text{MgO}) में परिवर्तित कर देता है। \text{Mg(OH)}_2\text{(s)} \xrightarrow{\text{heat}} \text{MgO(s)} + \text{H}_2\text{O(g)} मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड के विपरीत, उच्च तापमान पर बनने वाली मैग्नीशियम ऑक्साइड परत छिद्रपूर्ण और कम सुरक्षात्मक होती है, या यह निकल भी सकती है, जिससे अभिक्रिया के लिए ताज़ा मैग्नीशियम सतह उजागर हो जाती है। उच्च तापमान भाप के अणुओं के मैग्नीशियम सतह तक तेजी से प्रसार को भी सुविधाजनक बनाता है। उच्च गतिज ऊर्जा, सुरक्षात्मक परत का टूटना/छिद्रपूर्णता, और तेजी से प्रसार का यह संयोजन भाप के साथ एक तीव्र और तेज़ अभिक्रिया की ओर ले जाता है।

संक्षेप में, जबकि मैग्नीशियम की पानी के साथ अभिक्रिया ऊष्मागतिक रूप से संभव है, ठंडे पानी के साथ इसकी अभिक्रियाशीलता एक सुरक्षात्मक \text{Mg(OH)}_2} परत के निर्माण से गतिज रूप से बाधित होती है। भाप के साथ, उच्च तापीय ऊर्जा इस गतिज बाधा को दूर करती है, जिससे एक तीव्र अभिक्रिया होती है और \text{MgO} का निर्माण होता है।