ऑक्सीजन (O) का रसायन विज्ञान - अभ्यास प्रश्न
बहुविकल्पीय प्रश्न (MCQs)
प्रश्न 1
ऑक्सीजन और ओजोन के बारे में निम्नलिखित में से कौन सा कथन गलत है?
A. ओजोन प्रतिचुंबकीय है, जबकि ऑक्सीजन अनुचुंबकीय है। B. ओजोन में O-O बंध की लंबाई ऑक्सीजन अणु की तुलना में कम होती है। C. ओजोन ऑक्सीजन की तुलना में अधिक शक्तिशाली ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है। D. पोटेशियम क्लोरेट को मैंगनीज डाइऑक्साइड की उपस्थिति में गर्म करके ऑक्सीजन प्राप्त की जा सकती है।
समाधान:
सही उत्तर B है।
व्याख्या:
- A. ओजोन प्रतिचुंबकीय है, जबकि ऑक्सीजन अनुचुंबकीय है।
- ऑक्सीजन (O₂) के \pi* एंटीबॉन्डिंग आणविक ऑर्बिटलों में दो अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिससे यह अनुचुंबकीय बन जाता है।
- ओजोन (O₃) में कोई अयुग्मित इलेक्ट्रॉन नहीं होता है, जिससे यह प्रतिचुंबकीय बन जाता है। यह कथन सही है।
- B. ओजोन में O-O बंध की लंबाई ऑक्सीजन अणु की तुलना में कम होती है।
- ऑक्सीजन (O₂) में, O=O बंध एक दोहरा बंध है, जिसकी बंध लंबाई लगभग 121 pm होती है।
- ओजोन (O₃) में, अनुनाद होता है, जिससे विस्थानिकृत बंध बनता है, और O-O बंध की लंबाई लगभग 128 pm होती है। यह बंध लंबाई एकल बंध और दोहरे बंध के बीच की होती है, लेकिन यह O₂ में O=O दोहरे बंध की तुलना में अधिक होती है। इसलिए, यह कथन गलत है।
- C. ओजोन ऑक्सीजन की तुलना में अधिक शक्तिशाली ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है।
- ओजोन आसानी से अपघटित होकर डाइऑक्साइड और नवजात ऑक्सीजन () बनाती है, जो एक बहुत मजबूत ऑक्सीकारक है। ऑक्सीजन तुलनात्मक रूप से कमजोर ऑक्सीकारक है। यह कथन सही है।
- D. पोटेशियम क्लोरेट को मैंगनीज डाइऑक्साइड की उपस्थिति में गर्म करके ऑक्सीजन प्राप्त की जा सकती है।
- यह ऑक्सीजन बनाने की एक मानक प्रयोगशाला विधि है: । मैंगनीज डाइऑक्साइड () एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है। यह कथन सही है।
प्रश्न 2
ओजोन आर्द्र पोटेशियम आयोडाइड विलयन के साथ अभिक्रिया करके क्या उत्पन्न करती है:
A. B. C. D.
समाधान:
सही उत्तर B है।
व्याख्या: ओजोन एक शक्तिशाली ऑक्सीकारक है। यह जल की उपस्थिति में आयोडाइड आयनों () को आयोडीन () में ऑक्सीकृत करता है। अभिक्रिया है: मुक्त हुए आयोडीन को फिर ओजोन का मात्रात्मक अनुमान लगाने के लिए एक मानक सोडियम थायोसल्फेट विलयन (हाइपो) के विरुद्ध अनुमापित किया जा सकता है।
प्रश्न 3
निम्नलिखित में से किस स्पीशीज़ का बंध क्रम (bond order) सबसे अधिक है?
A. B. C. D.
समाधान:
सही उत्तर A है।
व्याख्या: बंध क्रम निर्धारित करने के लिए, हम आणविक कक्षक सिद्धांत (Molecular Orbital Theory - MOT) का उपयोग कर सकते हैं। बंध क्रम = (बॉन्डिंग MOs में इलेक्ट्रॉनों की संख्या - एंटीबॉन्डिंग MOs में इलेक्ट्रॉनों की संख्या)
-
: कुल इलेक्ट्रॉन = 16 इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: बॉन्डिंग इलेक्ट्रॉन () = 10 ( से 2, से 2, से 4) एंटीबॉन्डिंग इलेक्ट्रॉन () = 6 ( से 2, से 2, से 2) बंध क्रम =
-
: कुल इलेक्ट्रॉन = 15 ( से एक इलेक्ट्रॉन निकाला गया, आमतौर पर उच्चतम ऊर्जा एंटीबॉन्डिंग कक्षक से) इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: बॉन्डिंग इलेक्ट्रॉन () = 10 एंटीबॉन्डिंग इलेक्ट्रॉन () = 5 बंध क्रम =
-
: कुल इलेक्ट्रॉन = 17 ( में एक इलेक्ट्रॉन जोड़ा गया, उच्चतम ऊर्जा एंटीबॉन्डिंग कक्षक में) इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: बॉन्डिंग इलेक्ट्रॉन () = 10 एंटीबॉन्डिंग इलेक्ट्रॉन () = 7 बंध क्रम =
-
: कुल इलेक्ट्रॉन = 18 ( में दो इलेक्ट्रॉन जोड़े गए, उच्चतम ऊर्जा एंटीबॉन्डिंग ऑर्बिटलों को भरते हुए) इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: बॉन्डिंग इलेक्ट्रॉन () = 10 एंटीबॉन्डिंग इलेक्ट्रॉन () = 8 बंध क्रम =
बंध क्रमों की तुलना करने पर: (2.5) > (2) > (1.5) > (1)। इसलिए, का बंध क्रम सबसे अधिक होता है।
अभिकथन-कारण प्रश्न
प्रश्न 1
अभिकथन (A): ओजोन एक शक्तिशाली ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है। कारण (R): ओजोन आसानी से अपघटित होकर डाइऑक्साइड और नवजात ऑक्सीजन बनाती 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। ओजोन वास्तव में एक बहुत मजबूत ऑक्सीकारक है, ऑक्सीजन से भी अधिक मजबूत।
- कारण (R) भी सत्य है। ओजोन आसानी से, विशेष रूप से उच्च तापमान पर या कुछ उत्प्रेरकों की उपस्थिति में, डाइऑक्साइड () के एक अणु और नवजात ऑक्सीजन () के एक परमाणु में अपघटित हो जाती है:
- नवजात ऑक्सीजन अत्यधिक क्रियाशील होती है और ओजोन की मजबूत ऑक्सीकारक शक्ति के लिए जिम्मेदार होती है। यह आसानी से इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करती है या अन्य पदार्थों से परमाणुओं को हटाती है, जिससे उन्हें ऑक्सीकृत करती है। इस प्रकार, कारण सही ढंग से बताता है कि ओजोन एक शक्तिशाली ऑक्सीकारक के रूप में क्यों कार्य करती है।
प्रश्न 2
अभिकथन (A): डाइऑक्साइड एक गैस है जबकि सल्फर कमरे के तापमान पर एक ठोस है। कारण (R): ऑक्सीजन pπ-pπ बहु बंध बनाती है, जबकि सल्फर S-S एकल बंध बनाना पसंद करता 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। डाइऑक्साइड () कमरे के तापमान पर एक द्विपरमाणुक गैस के रूप में मौजूद है, जबकि सल्फर आमतौर पर कमरे के तापमान पर ठोस रूप में मुड़ी हुई वलय (जैसे, रोम्बिक या मोनोक्लिनिक सल्फर) के रूप में मौजूद होता है।
- कारण (R) भी सत्य है और अभिकथन (A) की सही व्याख्या है।
- ऑक्सीजन का परमाणु आकार छोटा और उच्च विद्युत्ऋणात्मकता होती है। ये गुण इसके p-ऑर्बिटलों के प्रभावी पार्श्व अतिव्यापन को मजबूत pπ-pπ बहु बंध बनाने के लिए अनुकूल बनाते हैं। इस प्रकार, ऑक्सीजन एक दोहरे बंध वाले असतत अणुओं के रूप में मौजूद होती है। ये अणु कमजोर वैन डेर वाल्स बलों द्वारा एक साथ बंधे होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कम क्वथनांक और गैसीय अवस्था होती है।
- सल्फर, बड़ा होने के कारण, कम प्रभावी कक्षीय अतिव्यापन के कारण pπ-pπ बंध बनाने की प्रवृत्ति कम होती है। इसके बजाय, सल्फर मजबूत S-S एकल बंध बनाना पसंद करता है। ये एकल बंध सल्फर परमाणुओं को एक साथ जुड़कर बड़ी बहुलक संरचनाएँ बनाने की अनुमति देते हैं, जैसे वलय या लंबी श्रृंखलाएँ। इन बड़े अणुओं के भीतर मजबूत सहसंयोजक S-S बंध, और की तुलना में उनके बीच मजबूत अंतर-आणविक बल, सल्फर को कमरे के तापमान पर ठोस बनाते हैं।
लघु उत्तरीय प्रश्न
प्रश्न 1
ओजोन का मात्रात्मक अनुमान कैसे लगाया जाता है? इसमें शामिल रासायनिक सिद्धांत की व्याख्या करें।
आदर्श उत्तर:
ओजोन का मात्रात्मक अनुमान पोटेशियम आयोडाइड (KI) के एक उदासीन विलयन में ओजोनित ऑक्सीजन की ज्ञात मात्रा को प्रवाहित करके किया जाता है।
रासायनिक सिद्धांत और अभिक्रिया: ओजोन एक शक्तिशाली ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है और जल (या उदासीन/अम्लीय माध्यम) की उपस्थिति में आयोडाइड आयनों () को आयोडीन () में ऑक्सीकृत करता है। इस प्रक्रिया में ऑक्सीजन गैस भी बनती है। अभिक्रिया है:
मुक्त हुए आयोडीन () को फिर सोडियम थायोसल्फेट () के एक मानक विलयन, जिसे आमतौर पर “हाइपो” विलयन के रूप में जाना जाता है, के विरुद्ध स्टार्च को संकेतक के रूप में उपयोग करके अनुमापित किया जाता है। स्टार्च आयोडीन के साथ एक नीला संकुल बनाता है, जो अनुमापन के अंतिम बिंदु पर गायब हो जाता है।
अनुमापन अभिक्रिया है: (टेट्राथायोनेट)
अभिक्रियाओं के स्टॉइकियोमेट्री और उपयोग किए गए सोडियम थायोसल्फेट की मात्रा से, मुक्त हुए आयोडीन की मात्रा की गणना की जा सकती है, जो बदले में ओजोन के मात्रात्मक अनुमान की अनुमति देता है। इस विधि को आयोडोमेट्रिक अनुमापन कहा जाता है।
प्रश्न 2
समझाइए कि डाइऑक्साइड () में इलेक्ट्रॉनों की सम संख्या होने के बावजूद यह अनुचुंबकीय क्यों होता है।
आदर्श उत्तर:
डाइऑक्साइड () अनुचुंबकीय होता है क्योंकि इसकी आणविक कक्षक विन्यास में अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं, जैसा कि आणविक कक्षक सिद्धांत (Molecular Orbital Theory - MOT) द्वारा अनुमान लगाया गया है।
- कुल इलेक्ट्रॉन: एक ऑक्सीजन परमाणु में 8 इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए डाइऑक्साइड अणु () में कुल 16 इलेक्ट्रॉन होते हैं।
- संयोजकता बंध सिद्धांत द्वारा अपेक्षित व्यवहार: सरल संयोजकता बंध सिद्धांत (Valence Bond Theory - VBT) के अनुसार, को एक दोहरे बंध () के साथ दर्शाया जाएगा, जिसका अर्थ है कि सभी इलेक्ट्रॉन युग्मित हैं। यह प्रतिचुंबकत्व की भविष्यवाणी करेगा। हालांकि, प्रायोगिक साक्ष्य से पता चलता है कि अनुचुंबकीय है।
- आणविक कक्षक सिद्धांत (MOT) की व्याख्या:
- MOT, परमाणविक कक्षकों (AOs) के संयोजन से आणविक कक्षकों (MOs) के निर्माण का वर्णन करता है।
- MOT के अनुसार का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास है:
- इस विन्यास में, समभ्रंश और एंटीबॉन्डिंग आणविक ऑर्बिटलों में प्रवेश करने वाले दो इलेक्ट्रॉन हुंड के अधिकतम बहुलता के नियम के अनुसार इन ऑर्बिटलों को समानांतर चक्रण (spins) के साथ व्यक्तिगत रूप से अधिग्रहित करते हैं।
- एंटीबॉन्डिंग ऑर्बिटलों में ये दो अयुग्मित इलेक्ट्रॉन डाइऑक्साइड की अनुचुंबकीय प्रकृति के लिए जिम्मेदार होते हैं।
- निष्कर्ष: दो अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति अणु को एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की ओर आकर्षित करती है, इस प्रकार इसकी अनुचुंबकीय संपत्ति की पुष्टि होती है।
उच्च-स्तरीय चिंतन कौशल (HOTS) प्रश्न
समतापमंडल में क्लोरोफ्लोरोकार्बन (CFCs) द्वारा ओजोन परत के क्षरण की क्रियाविधि की व्याख्या करें, प्रक्रिया की उत्प्रेरकीय प्रकृति पर प्रकाश डालते हुए।
विस्तृत रासायनिक व्याख्या:
क्लोरोफ्लोरोकार्बन (CFCs) द्वारा ओजोन परत का क्षरण एक गंभीर पर्यावरणीय मुद्दा है। CFCs अत्यधिक स्थिर यौगिक हैं जो, जब वायुमंडल में छोड़े जाते हैं, तो कई दशकों तक बने रह सकते हैं, अंततः समतापमंडल तक पहुँचते हैं जहाँ वे ओजोन परत को भारी नुकसान पहुँचाते हैं। यह प्रक्रिया मूलक स्पीशीज़, मुख्य रूप से क्लोरीन परमाणुओं को शामिल करने वाली एक श्रृंखला अभिक्रिया है, और प्रकृति में उत्प्रेरकीय है।
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CFCs का प्रकाश-अपघटनीय अपघटन: निचले वायुमंडल (क्षोभमंडल) में, CFCs (जैसे, , ) निष्क्रिय होते हैं। हालांकि, जब वे समतापमंडल में फैलते हैं, तो वे उच्च-ऊर्जा पराबैंगनी (UV) विकिरण (विशेष रूप से UV-C, ) के संपर्क में आते हैं। यह UV विकिरण CFC अणुओं में सबसे कमजोर कार्बन-क्लोरीन बंधों को तोड़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्रदान करता है, जिससे C-Cl बंध का समविखंडन होता है और अत्यधिक प्रतिक्रियाशील क्लोरीन मुक्त मूलक () उत्पन्न होते हैं। उदाहरण:
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क्लोरीन मूलकों द्वारा ओजोन का विनाश (उत्प्रेरकीय चक्र): मुक्त हुए क्लोरीन मूलक ओजोन () के प्रति अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होते हैं। वे एक उत्प्रेरकीय चक्र शुरू करते हैं जो ओजोन अणुओं को कुशलतापूर्वक नष्ट करता है।
- चरण 1: क्लोरीन मूलक के साथ ओजोन की अभिक्रिया एक क्लोरीन मूलक एक ओजोन अणु के साथ अभिक्रिया करता है, एक ऑक्सीजन परमाणु को हटाकर क्लोरीन मोनोऑक्साइड मूलक () और डाइऑक्साइड () का एक अणु बनाता है।
- चरण 2: क्लोरीन मूलक का पुनर्जनन क्लोरीन मोनोऑक्साइड मूलक फिर एक परमाणविक ऑक्सीजन () के साथ अभिक्रिया करता है (जो के UV प्रकाश द्वारा प्रकाश-अपघटन के कारण समतापमंडल में स्वाभाविक रूप से मौजूद होता है: )। यह अभिक्रिया क्लोरीन मूलक को पुनर्जीवित करती है और डाइऑक्साइड का एक और अणु उत्पन्न करती है।
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कुल अभिक्रिया और उत्प्रेरकीय प्रकृति: दोनों चरणों को जोड़ने पर, ओजोन विनाश चक्र के लिए शुद्ध अभिक्रिया है: ध्यान दें कि पहले चरण में उपभोग किया गया क्लोरीन मूलक () दूसरे चरण में पुनर्जीवित हो जाता है। इसका मतलब है कि एक अकेला क्लोरीन मूलक हजारों ओजोन अणुओं को नष्ट करने में भाग ले सकता है इससे पहले कि उसे अंततः अन्य समापन अभिक्रियाओं (जैसे, HCl या बनाना) द्वारा समतापमंडल से हटा दिया जाए। यह प्रक्रिया को अत्यधिक उत्प्रेरकीय और समतापमंडलीय ओजोन को कम करने में अत्यंत कुशल बनाता है।
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विषमांगी उत्प्रेरण की भूमिका (ध्रुवीय समतापमंडलीय बादल - PSCs): जबकि ऊपर वर्णित गैसीय-चरण अभिक्रियाएँ महत्वपूर्ण हैं, ध्रुवीय समतापमंडलीय बादलों (PSCs) के निर्माण के कारण ध्रुवीय सर्दियों के दौरान क्षरण नाटकीय रूप से बढ़ जाता है।
- ध्रुवीय क्षेत्रों में बहुत कम तापमान ( -78°C से नीचे) पर, नाइट्रिक अम्ल और पानी संघनित होकर PSCs बनाते हैं।
- ये बर्फ क्रिस्टल सतहें विषमांगी अभिक्रियाओं के लिए स्थल प्रदान करती हैं जो अपेक्षाकृत स्थिर क्लोरीन जलाशय यौगिकों, जैसे क्लोरीन नाइट्रेट () और हाइड्रोजन क्लोराइड () को और जैसी अधिक प्रतिक्रियाशील स्पीशीज़ में परिवर्तित करती हैं।
- जब ध्रुवीय वसंत में सूर्य का प्रकाश लौटता है, तो ये और अणु तेजी से प्रकाश-अपघटित होकर सक्रिय क्लोरीन मूलकों () का एक बड़ा विस्फोट उत्पन्न करते हैं, जिससे बड़े पैमाने पर ओजोन का क्षरण होता है, जिसे आमतौर पर “ओजोन छिद्र” के रूप में जाना जाता है।
संक्षेप में, CFCs प्रकाश-अपघटन पर समतापमंडल में क्लोरीन मूलकों को मुक्त करते हैं। ये मूलक फिर उत्प्रेरकीय रूप से ओजोन को नष्ट करते हैं, इस प्रक्रिया को ध्रुवीय समतापमंडलीय बादलों पर विषमांगी अभिक्रियाओं द्वारा काफी हद तक बढ़ा दिया जाता है।