तांबे (Cu) रसायनशास्त्र: सराव प्रश्न

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

तांब्याबद्दल खालीलपैकी कोणते विधान चुकीचे आहे? a) Cu$^+$ हे डायमॅग्नेटिक आहे. b) Cu$^\{2+\}$ संयुगे सामान्यतः रंगीत असतात. c) तांबे विरल हायड्रोक्लोरिक आम्लासोबत अभिक्रिया करून हायड्रोजन वायू तयार करते. d) Cu$^+$ जलीय द्रावणात असमानुपातन (disproportionate) होते.

उत्तर

योग्य उत्तर आहे c).

• स्पष्टीकरण:
  • a) Cu$^+$ ची इलेक्ट्रॉनिक रचना [Ar]3d$^\{10\}$ आहे. सर्व इलेक्ट्रॉन युग्मित (paired) असल्यामुळे ते डायमॅग्नेटिक आहे. हे विधान बरोबर आहे.
  • b) Cu$^\{2+\}$ ची इलेक्ट्रॉनिक रचना [Ar]3d$^9$ आहे. यात एक अयुग्मित (unpaired) इलेक्ट्रॉन असतो, ज्यामुळे d-d संक्रमण होते जे प्रकाशाच्या विशिष्ट तरंगलांबी शोषून घेते आणि इतरांना परावर्तित करते, परिणामी रंग (सामान्यतः जलीय द्रावणात निळा किंवा हिरवा) येतो. हे विधान बरोबर आहे.
  • c) तांबे हायड्रोजनपेक्षा कमी अभिक्रियाशील आहे आणि विरल हायड्रोक्लोरिक आम्ल किंवा विरल सल्फ्यूरिक आम्ल यांसारख्या अन-ऑक्सिडायझिंग आम्लासोबत हायड्रोजन वायू तयार करण्यासाठी अभिक्रिया करत नाही. ते ऑक्सिडायझिंग आम्लासोबत (उदा. HNO$_3$, सहत H$_2$SO$_4$) अभिक्रिया करते. हे विधान चुकीचे आहे.
  • d) Cu$^+$ जलीय द्रावणात अस्थिर असते आणि Cu$^\{2+\}$ आणि Cu(s) मध्ये असमानुपातन (disproportionation) होते. 2Cu$^+$ (aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s) या अभिक्रियेसाठी मानक इलेक्ट्रोड संभाव्यता (standard electrode potential) धन (+0.37 V) असते, जी उत्स्फूर्तता (spontaneity) दर्शवते. हे विधान बरोबर आहे.

प्रश्न 2

तांब्याचे तुकडे सहत नायट्रिक आम्लामध्ये टाकले असता, उत्सर्जित होणारा वायू कोणता आहे? a) NO b) NO$_2$ c) N$_2$O d) NH$_3$

उत्तर

योग्य उत्तर आहे b).

• स्पष्टीकरण:
  • तांबे सहत नायट्रिक आम्लासोबत अभिक्रिया करून नायट्रोजन डायऑक्साइड (NO$_2$), एक लालसर-तपकिरी वायू, तांबे नायट्रेट आणि पाणी तयार करते.
  • अभिक्रिया आहे: Cu(s) + 4HNO$_3$(conc) → Cu(NO$_3$)$_2$(aq) + 2NO$_2$(g) + 2H$_2$O(l)
  • विरल नायट्रिक आम्लासोबत, तांबे नायट्रिक ऑक्साईड (NO) तयार करते, जे रंगहीन असते परंतु हवेच्या संपर्कात आल्यास (NO$_2$ मध्ये ऑक्सिडीकरणामुळे) लालसर-तपकिरी होते.
  • विरल HNO$_3$ सोबतची अभिक्रिया: 3Cu(s) + 8HNO$_3$(dil) → 3Cu(NO$_3$)$_2$(aq) + 2NO(g) + 4H$_2$O(l)

प्रश्न 3

कॉपर सल्फेटच्या जलीय द्रावणावर जास्त प्रमाणात जलीय अमोनिया प्रक्रिया केली असता, तयार होणाऱ्या द्रावणाचा रंग कोणता असेल? a) निळा b) गडद निळा c) हिरवा d) रंगहीन

उत्तर

योग्य उत्तर आहे b).

• स्पष्टीकरण:
  • जेव्हा कॉपर सल्फेटच्या द्रावणात जलीय अमोनिया मिसळला जातो, तेव्हा सुरुवातीला कॉपर(II) हायड्रॉक्साईड, Cu(OH)$_2$, चा फिकट निळा अवक्षेप (precipitate) तयार होतो: CuSO$_4$(aq) + 2NH$_4$OH(aq) → Cu(OH)$_2$(s) + (NH$_4$)$_2$SO$_4$(aq)
  • जास्त प्रमाणात जलीय अमोनिया मिसळल्यावर, अवक्षेप विरघळतो आणि टेट्राअमाइनकॉपर(II) आयन, [Cu(NH$_3$)$_4$]$^\{2+\}$, हा एक गडद निळा विद्राव्य संकुल (soluble complex) तयार होतो: Cu(OH)$_2$(s) + 4NH$_3$(aq) → [Cu(NH$_3$)$_4$]$^\{2+\}$(aq) + 2OH$^-$(aq)
  • हा गडद निळा रंग वैशिष्ट्यपूर्ण असून Cu$^\{2+\}$ आयनांच्या चाचणीसाठी वारंवार वापरला जातो.

विधान-कारण प्रश्न

खालील प्रश्नांमध्ये दोन विधाने आहेत, एक विधान (A) असे लेबल केलेले आहे आणि दुसरे कारण (R) असे लेबल केलेले आहे. दोन्ही विधाने काळजीपूर्वक तपासा आणि खालीलपैकी योग्य पर्याय निवडा: a) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत आणि R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे. b) A आणि R दोन्ही सत्य आहेत, परंतु R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण नाही. c) A सत्य आहे, परंतु R असत्य आहे. d) A असत्य आहे, परंतु R सत्य आहे.

प्रश्न 1

विधान (A): Cu$^+$ आयन डायमॅग्नेटिक आहे. कारण (R): Cu$^+$ आयनमध्ये d-कक्षक (3d$^\{10\}$) पूर्णपणे भरलेले असते.

उत्तर

योग्य उत्तर आहे a).

• स्पष्टीकरण:
  • विधान (A) असे सांगते की Cu$^+$ हे डायमॅग्नेटिक आहे. हे सत्य आहे. डायमॅग्नेटिझम अयुग्मित इलेक्ट्रॉनच्या अनुपस्थितीमुळे उद्भवते.
  • कारण (R) असे सांगते की Cu$^+$ मध्ये d-कक्षक (3d$^\{10\}$) पूर्णपणे भरलेले असते. हे देखील सत्य आहे. Cu ची इलेक्ट्रॉनिक रचना [Ar]3d$^\{10\}$4s$^1$ आहे. जेव्हा ते एक इलेक्ट्रॉन गमावून Cu$^+$ तयार करते, तेव्हा त्याची रचना [Ar]3d$^\{10\}$ होते, म्हणजे त्याचे सर्व 3d इलेक्ट्रॉन युग्मित (paired) असतात.
  • पूर्णपणे भरलेले d-कक्षक (3d$^\{10\}$) म्हणजे सर्व इलेक्ट्रॉन युग्मित आहेत, हे थेट स्पष्ट करते की Cu$^+$ डायमॅग्नेटिक का आहे. म्हणून, R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे.

प्रश्न 2

विधान (A): तांबे विजेचा उत्तम वाहक आहे. कारण (R): तांब्यामध्ये पहिली आयनीकरण ऊर्जा (first ionization enthalpy) कमी असते.

उत्तर

योग्य उत्तर आहे b).

• स्पष्टीकरण:
  • विधान (A) असे सांगते की तांबे विजेचा उत्तम वाहक आहे. हे सत्य आहे. तांबे त्याच्या धातूच्या संरचनेमुळे सर्वोत्तम विद्युत वाहकांपैकी एक आहे.
  • कारण (R) असे सांगते की तांब्यामध्ये पहिली आयनीकरण ऊर्जा कमी असते. हे देखील अनेक अधातूंच्या तुलनेत सत्य आहे, ज्यामुळे ते सहजपणे त्याचे संयुजा इलेक्ट्रॉन गमावते.
  • तथापि, तांब्याच्या उच्च विद्युत चालकतेचे प्रत्यक्ष कारण म्हणजे डिलोकलाइज्ड संयुजा इलेक्ट्रॉनची उपस्थिती (“इलेक्ट्रॉनचा समुद्र” असेही म्हटले जाते) जे धातूच्या जाळीमध्ये (metallic lattice) मुक्तपणे फिरू शकतात, केवळ त्याची कमी आयनीकरण ऊर्जा नाही. कमी आयनीकरण ऊर्जा धातूच्या बंधात आणि या मोबाईल इलेक्ट्रॉनच्या उपलब्धतेमध्ये योगदान देत असली तरी, इलेक्ट्रॉन समुद्राच्या मॉडेलच्या संदर्भात चालकतेचे हे प्रत्यक्ष आणि एकमेव स्पष्टीकरण नाही. म्हणून, A आणि R दोन्ही सत्य आहेत, परंतु R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण नाही.

लघुत्तरी प्रश्न

प्रश्न 1

Cu$^+$ आयन जलीय द्रावणात अस्थिर का असतो तर Cu$^\{2+\}$ स्थिर का असतो, हे स्पष्ट करा.

नमुना उत्तर

Cu$^+$ आयन (इलेक्ट्रॉनिक रचना [Ar]3d$^\{10\}$) जलीय द्रावणात अस्थिर असतो आणि त्याचे असमानुपातन (disproportionation) होऊन अधिक स्थिर Cu$^\{2+\}$ आयन आणि घन तांबे (solid copper) तयार होते: 2Cu$^+$ (aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s)

हे असमानुपातन जलीय माध्यमात उत्स्फूर्त (spontaneous) असते कारण:

1. जलीयकरण ऊर्जा (Hydration Enthalpy): Cu$^+$ च्या तुलनेत Cu$^\{2+\}$ मध्ये खूप जास्त (अधिक ऋण) जलीयकरण ऊर्जा असते. Cu$^\{2+\}$ च्या लहान आकारामुळे आणि उच्च आवेश घनतेमुळे हे घडते, ज्यामुळे पाण्याचा रेणूंसोबत अधिक मजबूत आंतरक्रिया होते. ही मोठी जलीयकरण ऊर्जा Cu$^+$ मधून Cu$^\{2+\}$ तयार करण्यासाठी लागणाऱ्या उच्च दुसऱ्या आयनीकरण ऊर्जेची भरपाई करते.
2. जाळी ऊर्जा (Lattice Enthalpy): घन संयुगांसाठी, Cu$^\{2+\}$ संयुगांची स्थिरता सामान्यतः Cu$^+$ संयुगांपेक्षा जास्त असते, कारण Cu$^\{2+\}$ च्या उच्च आवेशामुळे मजबूत आयनिक बंध तयार होतात.
3. मानक इलेक्ट्रोड संभाव्यता (Standard Electrode Potentials): असमानुपातन अभिक्रियेसाठी मानक इलेक्ट्रोड संभाव्यता (E°cell = +0.37 V) धन असते, ज्यामुळे अभिक्रिया थर्मोडायनॅमिकली अनुकूल (thermodynamically favourable) असल्याचे सूचित होते.
   • Cu$^+$ (aq) + e$^-$ → Cu(s) ; E° = +0.52 V
   • Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ → Cu$^+$ (aq) ; E° = +0.15 V
   • या अभिक्रियेचे उत्स्फूर्त स्वरूप पाण्यात Cu$^+$ च्या अस्थिरतेचे द्योतक आहे.

याउलट, Cu$^\{2+\}$ आयन (इलेक्ट्रॉनिक रचना [Ar]3d$^9$) जलीय द्रावणात स्थिर असतो कारण त्याची उच्च जलीयकरण ऊर्जा त्याच्या निर्मितीसाठी लागणाऱ्या ऊर्जेला लक्षणीयरित्या संतुलित करते.

प्रश्न 2

सहत सल्फ्यूरिक आम्लाच्या तांब्यासोबतच्या ऑक्सिडीकरण प्रवृत्तीचे स्पष्टीकरण देणाऱ्या दोन अभिक्रिया द्या.

नमुना उत्तर

सहत सल्फ्यूरिक आम्ल (H$_2$SO$_4$) एक मजबूत ऑक्सिडीकरण कारक म्हणून कार्य करते, विशेषतः गरम केल्यावर, ते स्वतःचे क्षपण करते तर तांब्यासारख्या कमी अभिक्रियाशील धातूंचे ऑक्सिडीकरण करते. येथे दोन अभिक्रिया आहेत:

1. तांब्यासोबतची अभिक्रिया (सल्फर डायऑक्साइड तयार करणे): जेव्हा तांबे सहत सल्फ्यूरिक आम्लासोबत गरम केले जाते, तेव्हा तांब्याचे कॉपर(II) सल्फेटमध्ये ऑक्सिडीकरण होते आणि सल्फ्यूरिक आम्लाचे सल्फर डायऑक्साइड वायूमध्ये क्षपण होते. Cu(s) + 2H$_2$SO$_4$(conc) $\xrightarrow\{\text\{उष्णता\}\}$ CuSO$_4$(aq) + SO$_2$(g) + 2H$_2$O(l) या अभिक्रियेत, H$_2$SO$_4$ मधील सल्फरची ऑक्सिडीकरण अवस्था +6 वरून SO$_2$ मध्ये +4 पर्यंत बदलते, जे क्षपण दर्शवते. तांब्याची ऑक्सिडीकरण अवस्था 0 वरून +2 पर्यंत बदलते, जे ऑक्सिडीकरण दर्शवते.

2. रेडॉक्स बदलांवर लक्ष केंद्रित करणारी दुसरी मांडणी: ही मूलतः तीच अभिक्रिया आहे परंतु ती रेडॉक्स अर्ध-अभिक्रिया अधिक स्पष्टपणे दर्शवते: ऑक्सिडीकरण अर्ध-अभिक्रिया: Cu(s) → Cu$^\{2+\}$(aq) + 2e$^-$ क्षपण अर्ध-अभिक्रिया: SO$_4^\{2-\}$(aq) + 4H$^+$(aq) + 2e$^-$ → SO$_2$(g) + 2H$_2$O(l) यांचे एकत्रीकरण केल्यास वरीलप्रमाणे एकूण अभिक्रिया मिळते. हे H$_2$SO$_4$ एक ऑक्सिडीकरण कारक असल्याचे स्पष्टपणे दर्शवते.

उच्च विचार कौशल्ये (HOTS) प्रश्न

तांबे +1 आणि +2 ऑक्सिडीकरण अवस्था दर्शवते. यापैकी कोणती जलीय द्रावणात अधिक स्थिर आहे आणि का? संबंधित थर्मोडायनॅमिक पॅरामीटर्स वापरून स्पष्ट करा.

सविस्तर रासायनिक स्पष्टीकरण

जलीय द्रावणात, तांब्याची +2 ऑक्सिडीकरण अवस्था (Cu$^\{2+\}$) +1 ऑक्सिडीकरण अवस्थेपेक्षा (Cu$^+$) लक्षणीयरीत्या अधिक स्थिर असते. आयनीकरण ऊर्जा आणि जलीयकरण ऊर्जा यांच्या आंतरक्रियेचा विचार करून ही स्थिरतेतील भिन्नता स्पष्ट करता येते.

1. इलेक्ट्रॉनिक रचना:

   • Cu: [Ar]3d$^\{10\}$4s$^1$
   • Cu$^+$: [Ar]3d$^\{10\}$ (स्थिर, पूर्णपणे भरलेले d-उपशेल)
   • Cu$^\{2+\}$: [Ar]3d$^9$ (अस्थिर, अपूर्ण d-उपशेल, परंतु द्रावणात आवश्यक नाही की अस्थिरच असेल)

2. आयनीकरण ऊर्जा (Ionization Enthalpies):

   • Cu$^+$ च्या निर्मितीसाठी पहिली आयनीकरण ऊर्जा ($\Delta_i$H$_1$) आवश्यक असते.
   • Cu$^\{2+\}$ च्या निर्मितीसाठी पहिली आणि दुसरी आयनीकरण ऊर्जा ($\Delta_i$H$_1$ + $\Delta_i$H$_2$) यांची बेरीज आवश्यक असते.
   • दुसरी आयनीकरण ऊर्जा ($\Delta_i$H$_2$) नेहमी पहिल्या आयनीकरण ऊर्जेपेक्षा ($\Delta_i$H$_1$) जास्त असल्यामुळे, Cu$^+$ तयार करण्यापेक्षा Cu$^\{2+\}$ तयार करण्यासाठी लक्षणीयरीत्या जास्त ऊर्जा लागते. केवळ आयनीकरण ऊर्जेच्या दृष्टीने पाहिल्यास, Cu$^+$ अधिक अनुकूल दिसते.

3. जलीयकरण ऊर्जा (Hydration Enthalpies):

   • जेव्हा एखादा आयन पाण्यात ठेवला जातो, तेव्हा त्याचे जलीयकरण होते, ज्यामुळे जलीयकरण ऊर्जा ($\Delta_\{hyd\}$H) नावाची ऊर्जा बाहेर पडते. ही ऊर्जा आयनाला स्थिरता प्रदान करते.
   • Cu$^+$ च्या तुलनेत Cu$^\{2+\}$ मध्ये खूप जास्त (अधिक ऋण, म्हणजे अधिक ऊर्जा बाहेर पडते) जलीयकरण ऊर्जा असते. याचे कारण:
     • उच्च आवेश: Cu$^\{2+\}$ मध्ये Cu$^+$ च्या दुप्पट आवेश असतो.
     • लहान आयनिक त्रिज्या: Cu$^\{2+\}$ ची आयनिक त्रिज्या Cu$^+$ पेक्षा लहान असते (उच्च प्रभावी केंद्रकीय आवेशामुळे).
   • हे घटक Cu$^\{2+\}$ आयन आणि ध्रुवीय पाण्याच्या रेणू यांच्यात अधिक मजबूत स्थिरविद्युत आकर्षणास कारणीभूत ठरतात, ज्यामुळे लक्षणीयरीत्या जास्त जलीयकरण ऊर्जा मिळते.

4. एकूण स्थिरता आणि असमानुपातन (Disproportionation): Cu$^\{2+\}$ ची मोठी जलीयकरण ऊर्जा Cu$^+$ मधून दुसरा इलेक्ट्रॉन काढण्यासाठी लागणाऱ्या उच्च दुसऱ्या आयनीकरण ऊर्जेची प्रभावीपणे भरपाई करते. जलीय द्रावणात Cu$^+$ ची अस्थिरता त्याच्या असमानुपातन (disproportionation) होण्याची प्रवृत्तीतून स्पष्ट होते: 2Cu$^+$ (aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s)

   या अभिक्रियेच्या उत्स्फूर्ततेचे (spontaneity) मूल्यांकन करण्यासाठी, आपण मानक इलेक्ट्रोड संभाव्यता (standard electrode potentials) पाहतो:

   • Cu$^+$ चे क्षपण: Cu$^+$ (aq) + e$^-$ → Cu(s); E° = +0.52 V
   • Cu$^\{2+\}$ चे क्षपण: Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ → Cu$^+$ (aq); E° = +0.15 V

   2Cu$^+$ (aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + Cu(s) या असमानुपातन अभिक्रियेसाठी, आपण असे मानू शकतो की:

   • Cu$^+$ (aq) → Cu$^\{2+\}$(aq) + e$^-$ (ऑक्सिडीकरण)
   • Cu$^+$ (aq) + e$^-$ → Cu(s) (क्षपण)

   या असमानुपातनासाठी मानक सेल संभाव्यता (E°cell) आहे: E°cell = E°(Cu$^+$ चे क्षपण) - E°(Cu$^\{2+\}$ चे Cu$^+$ मध्ये क्षपण) E°cell = (+0.52 V) - (+0.15 V) = +0.37 V

   E°cell धन (+0.37 V) असल्यामुळे, जलीय द्रावणात Cu$^+$ चे असमानुपातन ही एक उत्स्फूर्त प्रक्रिया आहे ($\Delta$G° = -nFE°cell, म्हणून $\Delta$G° ऋण असेल). याचा अर्थ Cu$^+$ पाण्यात थर्मोडायनॅमिकली अस्थिर आहे आणि सहजपणे अधिक स्थिर Cu$^\{2+\}$ आणि मूलद्रव्य तांब्यात रूपांतरित होईल.

निष्कर्ष: Cu$^+$ ची स्थिर 3d$^\{10\}$ रचना असूनही आणि त्याच्या निर्मितीसाठी कमी ऊर्जा लागत असली तरी, Cu$^\{2+\}$ आयनाची लक्षणीयरीत्या जास्त जलीयकरण ऊर्जा, तसेच Cu$^+$ च्या असमानुपातनासाठी धन मानक इलेक्ट्रोड संभाव्यता यामुळे Cu$^\{2+\}$ ऑक्सिडीकरण अवस्था जलीय द्रावणात अधिक स्थिर ठरते.