ॲल्युमिनियमचे (Al) रसायनशास्त्र: सराव प्रश्न

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

ॲल्युमिनियमबद्दल खालीलपैकी कोणते विधान अचूक आहे? अ) ॲल्युमिनियम एक उभयधर्मी धातू आहे. ब) ॲल्युमिनियम विरल HCl सोबत अभिक्रिया करून हायड्रोजन वायू तयार करतो. क) ॲल्युमिनियम ऑक्साईड (Al₂O₃) मूलभूत (आम्लारीधर्मी) स्वभावाचे आहे. ड) ॲल्युमिनियम त्याच्या पृष्ठभागावर ऑक्साईडचा निष्क्रिय थर (passive layer) तयार करतो.

उत्तर: योग्य उत्तर आहे क) ॲल्युमिनियम ऑक्साईड (Al₂O₃) मूलभूत (आम्लारीधर्मी) स्वभावाचे आहे.

स्पष्टीकरण: अ) ॲल्युमिनियम खरोखरच एक उभयधर्मी धातू आहे, याचा अर्थ तो आम्ल आणि आम्लारी (बेस) या दोन्हीशी अभिक्रिया करतो. ब) ॲल्युमिनियम विरल HCl सोबत अभिक्रिया करतो: 2Al(s) + 6HCl(aq) → 2AlCl₃(aq) + 3H₂(g). क) ॲल्युमिनियम ऑक्साईड (Al₂O₃) उभयधर्मी आहे, आम्लारीधर्मी नाही. ते आम्लांशी अभिक्रिया करून क्षार (salts) तयार करते आणि आम्लारी (bases) सोबत अभिक्रिया करून ॲल्युमिनेट्स तयार करते. उदाहरणार्थ, Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O आणि Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O. ड) ॲल्युमिनियम त्याच्या पृष्ठभागावर ॲल्युमिनियम ऑक्साईडचा (Al₂O₃) एक पातळ, मजबूत आणि अभेद्य थर सहजपणे तयार करतो, जो धातूचे पुढील गंजण्यापासून संरक्षण करतो. याला निष्क्रियीकरण (passivation) असे म्हणतात.

प्रश्न 2

हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रियेचा (Hall-Héroult process) वापर करून ॲल्युमिनियमच्या इलेक्ट्रोलाइटिक निष्कर्षणामध्ये, क्रायोलाइटची (Na₃AlF₆) प्राथमिक भूमिका काय आहे? अ) ऑक्सिडीकारक (oxidizing agent) म्हणून कार्य करणे. ब) ॲल्युमिनाची (Al₂O₃) गलनांक (melting point) कमी करणे. क) ॲल्युमिनाची (Al₂O₃) गलनांक वाढवणे. ड) ॲल्युमिनियमचा मुख्य स्रोत म्हणून काम करणे.

उत्तर: योग्य उत्तर आहे ब) ॲल्युमिनाची (Al₂O₃) गलनांक कमी करणे.

स्पष्टीकरण: ॲल्युमिना (Al₂O₃) चा गलनांक (melting point) खूप जास्त असतो (2000 °C पेक्षा जास्त). हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रियेमध्ये, वितळलेल्या ॲल्युमिनामध्ये क्रायोलाइट (Na₃AlF₆) प्रामुख्याने खालील कारणांसाठी मिसळले जाते:

1. गलनांक कमी करणे इलेक्ट्रोलाइट मिश्रणाचा गलनांक सुमारे 950-1000 °C पर्यंत कमी करणे, ज्यामुळे प्रक्रिया आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्य होते.
2. इलेक्ट्रोलाइटची विद्युत चालकता वाढवणे.
3. ॲल्युमिना प्रभावीपणे विरघळवणे. क्रायोलाइट स्वतः ॲल्युमिनियमचा मुख्य स्रोत म्हणून कार्य करत नाही; ॲल्युमिना ही प्राथमिक धातू आहे. ते ऑक्सिडीकारक (oxidizing agent) म्हणून कार्य करत नाही.

प्रश्न 3

ॲल्युमिनियम कोणत्या मूलद्रव्यासोबत विकर्ण संबंध (diagonal relationship) दर्शवतो, काही समान गुणधर्म प्रदर्शित करतो? अ) बोरॉन ब) गॅलियम क) मॅग्नेशियम ड) बेरिलियम

उत्तर: योग्य उत्तर आहे ड) बेरिलियम.

स्पष्टीकरण: आवर्त 2 आणि आवर्त 3 च्या मूलद्रव्यांमध्ये, जे विकर्णतः विरुद्ध गटांचे आहेत, त्यांच्यात विकर्ण संबंध (diagonal relationship) दिसून येतो. ॲल्युमिनियम (गट 13, आवर्त 3) बेरिलियमसोबत (गट 2, आवर्त 2) विकर्ण संबंध दर्शवतो. समानतांमध्ये हे समाविष्ट आहे:

• दोघेही सहसंयोजक संयुगे (covalent compounds) तयार करतात.
• त्यांचे ऑक्साईड (Al₂O₃ आणि BeO) आणि हायड्रॉक्साईड (Al(OH)₃ आणि Be(OH)₂) उभयधर्मी असतात.
• ते संमिश्र फ्लोराईड्स (complex fluorides) तयार करतात, उदा. [AlF₆]³⁻ आणि [BeF₄]²⁻.
• दोन्ही धातू नायट्रिक आम्लाबाबत निष्क्रिय (passive) असतात.
• दोघेही तीव्र आम्लारी (strong bases) सोबत अभिक्रिया करून जटिल आयन (complex anions) (ॲल्युमिनेट्स आणि बेरिलिएट्स) तयार करतात.

विधान-कारण प्रश्न

प्रश्न 1

विधान (A): ॲल्युमिनियमची भांडी धुण्यासाठी वॉशिंग सोडा (सोडियम कार्बोनेट) वापरू नये. कारण (R): वॉशिंग सोडा आम्लारीधर्मी (alkaline) असतो आणि ॲल्युमिनियमसोबत अभिक्रिया करून सोडियम ॲल्युमिनेट (sodium aluminate) आणि हायड्रोजन वायू तयार करतो.

अ) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत आणि R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे. ब) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत पण R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण नाही. क) A सत्य आहे पण R असत्य आहे. ड) A असत्य आहे पण R सत्य आहे. इ) A आणि R दोन्ही असत्य आहेत.

उत्तर: योग्य उत्तर आहे अ) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत आणि R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे.

स्पष्टीकरण: ॲल्युमिनियम एक उभयधर्मी धातू आहे. वॉशिंग सोडा (Na₂CO₃) पाण्यात जलविघटन होऊन एक तीव्र आम्लारी (NaOH) आणि एक दुर्बळ आम्ल (H₂CO₃) तयार करतो, ज्यामुळे त्याचे द्रावण आम्लारीधर्मी बनते. Na₂CO₃ + 2H₂O ⇌ 2NaOH + H₂CO₃ ॲल्युमिनियम तीव्र आम्लारी (NaOH) सोबत खालीलप्रमाणे अभिक्रिया करतो: 2Al(s) + 2NaOH(aq) + 6H₂O(l) → 2Na[Al(OH)₄](aq) + 3H₂(g) (सोडियम टेट्राहायड्रॉक्सोॲल्युमिनेट(III)) ही अभिक्रिया ॲल्युमिनियमच्या भांड्याला गंजवते, ज्यामुळे त्यावर खड्डे पडतात आणि नुकसान होते. म्हणून, विधान आणि कारण दोन्ही सत्य आहेत आणि कारण हे विधानाचे योग्य स्पष्टीकरण आहे.

प्रश्न 2

विधान (A): निर्जल AlCl₃ हे लुईस आम्ल (Lewis acid) आहे. कारण (R): निर्जल AlCl₃ हा इलेक्ट्रॉन-कमतरता असलेला रेणू (electron-deficient molecule) आहे.

अ) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत आणि R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे. ब) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत पण R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण नाही. क) A सत्य आहे पण R असत्य आहे. ड) A असत्य आहे पण R सत्य आहे. इ) A आणि R दोन्ही असत्य आहेत.

उत्तर: योग्य उत्तर आहे अ) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत आणि R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे.

स्पष्टीकरण: निर्जल ॲल्युमिनियम क्लोराईडमध्ये (AlCl₃), केंद्रीय ॲल्युमिनियम अणू तीन क्लोरीन अणूंना जोडलेला असतो. ॲल्युमिनियम गट 13 मध्ये आहे आणि त्याच्याकडे तीन संयुजा इलेक्ट्रॉन (valence electrons) आहेत. तीन सहसंयोजक बंध (covalent bonds) तयार केल्यानंतर, ॲल्युमिनियम अणूच्या संयुजा कवचात (valence shell) फक्त सहा इलेक्ट्रॉन (3 इलेक्ट्रॉन जोड्या) असतात. त्याला आपले अष्टक पूर्ण करण्यासाठी आणखी दोन इलेक्ट्रॉनची आवश्यकता असते. लुईस सिद्धांतानुसार, लुईस आम्ल हे इलेक्ट्रॉन जोडी स्वीकारणारे असते. AlCl₃ इलेक्ट्रॉन-कमतरता असलेला असल्यामुळे, ते स्थिर अष्टक प्राप्त करण्यासाठी इलेक्ट्रॉन जोडी सहजपणे स्वीकारते, त्यामुळे लुईस आम्ल म्हणून कार्य करते. उदाहरणार्थ, AlCl₃ + Cl⁻ → [AlCl₄]⁻. म्हणून, विधान आणि कारण दोन्ही सत्य आहेत आणि कारण हे विधानाचे योग्य स्पष्टीकरण आहे.

लघुत्तरी प्रश्न

प्रश्न 1

ॲल्युमिनियम तीव्र आम्लारींसोबत अभिक्रिया केल्यावर [Al(OH)₄]⁻ का तयार करतो, परंतु गट 13 मध्ये असलेला बोरॉन, अशाच परिस्थितीत सामान्यतः [B(OH)₄]⁻ का तयार करत नाही, हे स्पष्ट करा.

नमुना उत्तर: ॲल्युमिनियम त्याच्या उभयधर्मी स्वभाव आणि त्याच्या समन्वय संख्या (coordination number) वाढवण्याच्या क्षमतेमुळे टेट्राहायड्रॉक्सोॲल्युमिनेट(III) संमिश्र, [Al(OH)₄]⁻, तयार करतो. बोरॉनपेक्षा मोठा अणू असल्यामुळे, ॲल्युमिनियमच्या संयुजा कवचात (valence shell) रिकामे d-कक्षक (d-orbitals) असतात, ज्यांचा वापर हायड्रॉक्साईड लिगंड्सकडून अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन जोड्या सामावून घेण्यासाठी केला जाऊ शकतो. यामुळे ॲल्युमिनियम 4 ची समन्वय संख्या प्राप्त करतो आणि स्थिर [Al(OH)₄]⁻ संमिश्र तयार करतो. याउलट, बोरॉन हा खूप लहान अणू आहे आणि त्याच्या संयुजा कवचात प्रवेशयोग्य d-कक्षक नसतात. d-कक्षक अनुपस्थित असल्यामुळे त्याची कमाल सहसंयोजकता (maximum covalency) चारपर्यंत मर्यादित असते. जरी ते काही विशिष्ट परिस्थितीत [B(OH)₄]⁻ (टेट्राहायड्रॉक्सोबोरट) तयार करू शकते, तरी ते सामान्यतः बोरिक आम्ल, B(OH)₃, म्हणून अस्तित्वात असते, जे एक दुर्बळ लुईस आम्ल आहे. बोरॉनची sp² संकरितकरण (hybridization) साध्य करण्याची आणि सपाट रचना (planar structures) तयार करण्याची तीव्र प्रवृत्ती, तसेच त्रिमितीय अडथळा (steric hindrance) आणि इलेक्ट्रॉनची कमतरता, यामुळे ॲल्युमिनियमसाठी [Al(OH)₄]⁻ च्या तुलनेत [B(OH)₄]⁻ ची निर्मिती कमी अनुकूल आणि कमी सामान्य आहे. बोरिक आम्ल B(OH)₃ म्हणून अस्तित्वात असते जे OH⁻ आयन स्वीकारून लुईस आम्ल म्हणून कार्य करते, H⁺ दान करण्याऐवजी.

प्रश्न 2

ॲल्युमिनियमच्या इलेक्ट्रोलाइटिक निष्कर्षणामध्ये (हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया) क्रायोलाइटची (Na₃AlF₆) भूमिका स्पष्ट करा.

नमुना उत्तर: ॲल्युमिना (Al₂O₃) पासून ॲल्युमिनियमच्या इलेक्ट्रोलाइटिक निष्कर्षण (Hall-Héroult process) प्रक्रियेमध्ये क्रायोलाइट (Na₃AlF₆) अनेक महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतो:

1. गलनांक कमी करणे: शुद्ध ॲल्युमिनामध्ये खूप जास्त गलनांक (2000 °C पेक्षा जास्त) असतो. वितळलेल्या क्रायोलाइटमध्ये ॲल्युमिना विरघळवून, मिश्रणाचा गलनांक लक्षणीयरीत्या 950-1000 °C पर्यंत कमी होतो. तापमानातील ही घट औद्योगिक प्रक्रिया आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्य बनवते, कारण वितळलेल्या अवस्थेत राखण्यासाठी कमी ऊर्जा लागते.

2. विद्युत चालकता वाढवणे: वितळलेले ॲल्युमिना स्वतः विजेचा दुर्बळ वाहक आहे. क्रायोलाइट, वितळल्यावर, आयनांमध्ये (Na⁺, AlF₆³⁻, AlOF₂⁻) विघटित होतो, ज्यामुळे इलेक्ट्रोलाइटची विद्युत चालकता लक्षणीयरीत्या वाढते. हे विद्युत अपघटनासाठी आवश्यक असलेल्या प्रवाहाच्या कार्यक्षम प्रवाहात मदत करते.

3. ॲल्युमिनासाठी द्रावक: क्रायोलाइट ॲल्युमिनासाठी एक उत्कृष्ट द्रावक (solvent) म्हणून कार्य करतो. ॲल्युमिना वितळलेल्या क्रायोलाइटमध्ये विरघळून AlF₆³⁻ आणि AlOF₂⁻ सारखे जटिल आयन तयार करतो, जे नंतर कॅथोडवर कमी होतात. हे इलेक्ट्रोकेमिकल रिडक्शन प्रक्रियेसाठी ॲल्युमिनियम आयनांचा सतत पुरवठा सुनिश्चित करते.

थोडक्यात, क्रायोलाइट कार्य तापमान कमी करण्यासाठी, विद्युत चालकता वाढवण्यासाठी आणि ॲल्युमिना विरघळवण्यासाठी आवश्यक आहे, ज्यामुळे ॲल्युमिनियम धातूचे व्यावहारिक आणि कार्यक्षम उत्पादन शक्य होते.

उच्च विचारसरणीचे प्रश्न (HOTS)

ॲल्युमिनियम त्याच्या अभिक्रियाशीलता मालिकेतील (reactivity series) स्थानानुसार एक अत्यंत क्रियाशील धातू आहे. तथापि, ॲल्युमिनियमच्या वस्तू हवा आणि आर्द्रतेच्या संपर्कात आल्यावरही सहजपणे गंजत नाहीत. या घटनेचे स्पष्टीकरण द्या आणि ॲल्युमिनियमच्या उभयधर्मी स्वभावाचे प्रदर्शन करण्यासाठी संबंधित रासायनिक समीकरणे द्या.

सविस्तर रासायनिक स्पष्टीकरण:

ॲल्युमिनियम खरोखरच E° = -1.66 V च्या मानक इलेक्ट्रोड संभाव्यतेसह (standard electrode potential) एक अत्यंत क्रियाशील धातू आहे, जे इलेक्ट्रॉन गमावण्याची तीव्र प्रवृत्ती दर्शवते. तथापि, हवा आणि आर्द्रतेच्या संपर्कात आल्यावरही गंजण्याला त्याचे उत्कृष्ट प्रतिरोध, निष्क्रियीकरण (passivation) या घटनेमुळे आहे.

1. संरक्षक ऑक्साईड थर तयार होणे: जेव्हा ॲल्युमिनियम हवेच्या संपर्कात येतो, तेव्हा तो त्वरित वातावरणातील ऑक्सिजनशी अभिक्रिया करून त्याच्या पृष्ठभागावर ॲल्युमिनियम ऑक्साईडचा (Al₂O₃) एक पातळ, मजबूत, सच्छिद्र नसलेला (non-porous) आणि घट्ट चिकटून राहणारा थर तयार करतो. 4Al(s) + 3O₂(g) → 2Al₂O₃(s) हा ऑक्साईड थर एक संरक्षक अडथळा म्हणून कार्य करतो, ज्यामुळे खालील ॲल्युमिनियम धातूची ऑक्सिजन, आर्द्रता आणि इतर गंजकारक घटकांशी पुढील अभिक्रिया थांबते. हा निष्क्रिय थर खूप स्थिर असतो आणि यांत्रिकरित्या काढणे कठीण असते.

2. ॲल्युमिनियम ऑक्साईडचा उभयधर्मी स्वभाव: संरक्षक Al₂O₃ थर उभयधर्मी असतो, म्हणजे तो तीव्र आम्ल आणि तीव्र आम्लारी (bases) या दोन्हीशी अभिक्रिया करू शकतो. हा गुणधर्म विशिष्ट वातावरणात नियंत्रित विद्राव्यतेला (dissolution) परवानगी देतो परंतु सामान्यतः तटस्थ परिस्थितीत त्याच्या स्थिरतेस योगदान देतो.

   • आम्लांसोबत अभिक्रिया: Al₂O₃(s) + 6HCl(aq) → 2AlCl₃(aq) + 3H₂O(l) किंवा, सल्फ्यूरिक आम्लासारख्या तीव्र आम्लांसोबत: Al₂O₃(s) + 3H₂SO₄(aq) → Al₂(SO₄)₃(aq) + 3H₂O(l)

   • आम्लारींसोबत अभिक्रिया: Al₂O₃(s) + 2NaOH(aq) + 3H₂O(l) → 2Na[Al(OH)₄](aq) (सोडियम टेट्राहायड्रॉक्सोॲल्युमिनेट(III)) ही अभिक्रिया दर्शवते की जरी ऑक्साईड थर संरक्षण देत असला तरी, तीव्र आम्लारींच्या दीर्घकाळ संपर्कामुळे तो विरघळतो, ज्यामुळे खालील धातू गंजायला लागतो. त्याचप्रमाणे, खूप तीव्र आम्ल देखील हा थर विरघळवू शकतात.

थोडक्यात, ॲल्युमिनियमची उच्च अभिक्रियाशीलता स्थिर, अभेद्य आणि स्व-उपचार (self-healing) निष्क्रिय ऑक्साईड थर (Al₂O₃) च्या जलद निर्मितीमुळे झाकली जाते. हा थर पुढील रासायनिक हल्ल्यास प्रतिबंध करतो, ज्यामुळे ॲल्युमिनियम बहुतेक पर्यावरणीय परिस्थितीत गंजण्यापासून अत्यंत प्रतिरोधक बनतो. या ऑक्साईड थराचा उभयधर्मी स्वभाव आम्लारीधर्मी आणि आम्लाच्या माध्यमातील त्याचे वर्तन निर्धारित करतो.