सोन्याची (Au) रसायनशास्त्र - सोडवलेली सराव प्रश्न

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

सोन्याच्या (Au) संयुगांमध्ये त्याची सर्वात सामान्य आणि स्थिर ऑक्सिडेशन अवस्था कोणती आहे?

A) +1 B) +2 C) +3 D) +4

योग्य उत्तर: C) +3

स्पष्टीकरण: सोने मुख्यत्वे +1 आणि +3 ऑक्सिडेशन अवस्था दर्शवते. Au(I) संयुगे स्थिर असली तरी (उदा. AuCN), Au(III) हे जलीय द्रावणांमध्ये आणि AuCl₃ आणि H[AuCl₄] सारख्या अनेक घन संयुगांमध्ये अधिक सामान्य आणि स्थिर असते.

प्रश्न 2

सोने त्याच्या निष्क्रियतेसाठी (inertness) ओळखले जाते. खालीलपैकी कोणते अभिकर्मक (reagents) सोन्याला विरघळवू शकते?

A) Concentrated HCl B) Concentrated HNO₃ C) Aqua Regia D) Dilute H₂SO₄

योग्य उत्तर: C) Aqua Regia

स्पष्टीकरण: सोने एक उत्कृष्ट धातू (noble metal) आहे आणि ते तीव्र HCl किंवा तीव्र HNO₃ सारख्या आम्लांशी अभिक्रिया करत नाही. Aqua Regia, जो तीव्र HCl चे 3 भाग आणि तीव्र HNO₃ चा 1 भाग यांचे मिश्रण आहे, सोन्याला सहक्रियात्मक क्रियेने (synergistic action) विरघळवते. नायट्रिक आम्ल ऑक्सिडीकरण करणारे अभिकर्मक म्हणून कार्य करते, Au³⁺ आयन तयार करते आणि हायड्रोक्लोरिक आम्ल स्थिर टेट्राक्लोरोऑरेट(III) संकुल, [AuCl₄]⁻, तयार करते, ज्यामुळे समतोल (equilibrium) पुढे सरकतो आणि विद्राव्यता (dissolution) वाढवते.

प्रश्न 3

सायनाईड प्रक्रियेद्वारे (मॅकआर्थर-फॉरेस्ट प्रक्रिया) सोन्याच्या निष्कर्षणामध्ये, सोने खालीलपैकी कोणत्या संकुलात (complex) रूपांतरित होते?

A) [AuCl₄]⁻ B) [Au(CN)₂]⁻ C) [Au(OH)₄]⁻ D) [Au(NH₃)₄]³⁺

योग्य उत्तर: B) [Au(CN)₂]⁻

स्पष्टीकरण: मॅकआर्थर-फॉरेस्ट सायनाईड प्रक्रियेमध्ये, बारीक दळलेले सोन्याचे धातुक (ore) सोडियम किंवा पोटॅशियम सायनाईडच्या विरल द्रावणात हवेच्या (ऑक्सिजनच्या) उपस्थितीत विरघळवले जाते. यामुळे एक विद्राव्य डायसायनाओऑरेट(I) संकुल, [Au(CN)₂]⁻, तयार होते. अभिक्रिया अशी आहे: 4Au(s) + 8CN⁻(aq) + O₂(g) + 2H₂O(l) \rightarrow 4[Au(CN)₂]⁻(aq) + 4OH⁻(aq)

---

विधान-कारण प्रश्न

सूचना: खालील प्रश्नांमध्ये, विधानानंतर (Assertion (A)) कारणाचा (Reason (R)) उल्लेख केला आहे. 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 पण R असत्य आहे. D) A असत्य आहे पण R सत्य आहे.

प्रश्न 4

विधान (A): सोने एक उत्कृष्ट धातू आहे आणि ते सहज गंजत नाही. कारण (R): सोन्यामध्ये खूप जास्त धन प्रमाण विद्युत अग्र विभव (standard electrode potential) असते (E°Au³⁺/Au = +1.50 V).

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

स्पष्टीकरण: उच्च धन प्रमाण विद्युत अग्र विभव दर्शवते की धातूला ऑक्सिडीकरणास विरोध करण्याची आणि त्याच्या धातूच्या स्थितीत राहण्याची तीव्र प्रवृत्ती आहे. यामुळे सोने ऑक्सिडीकरण, गंजणे आणि बहुतेक आम्लांशी अभिक्रिया करण्यास अत्यंत प्रतिरोधक बनते, ज्यामुळे ते उत्कृष्ट धातू म्हणून वर्गीकृत होते. म्हणून, कारण विधानाचे योग्य स्पष्टीकरण देते.

प्रश्न 5

विधान (A): चांदी पांढरी दिसत असली तरी सोने पिवळे दिसते. कारण (R): सोन्याचा पिवळा रंग त्याच्या इलेक्ट्रॉन कक्षक (electron orbitals) वरील सापेक्षतावादी प्रभावांमुळे (relativistic effects) होतो, ज्यामुळे निळ्या प्रकाशाचे शोषण होते.

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

स्पष्टीकरण: सोन्याचा अद्वितीय पिवळा रंग खरोखरच सापेक्षतावादी प्रभावांमुळे (relativistic effects) असतो. सोन्यासारख्या जड मूलद्रव्यांसाठी, सापेक्षतावादी प्रभावांमुळे 6s कक्षक संकुचित होते आणि तिची ऊर्जा कमी होते, तर 5d कक्षक स्थिर होते. यामुळे 5d आणि 6s/6p बँड्समधील ऊर्जा अंतर कमी होते, ज्यामुळे दृश्यमान स्पेक्ट्रममधून उच्च ऊर्जा फोटॉन (निळा आणि जांभळा प्रकाश) शोषले जातात. पूरक पिवळा आणि लाल प्रकाश नंतर परावर्तित होतो, ज्यामुळे सोन्याला त्याचा वैशिष्ट्यपूर्ण सोनेरी रंग मिळतो. चांदी, हलकी असल्याने, या प्रभावांचा तितका अनुभव घेत नाही, ज्यामुळे मोठे ऊर्जा अंतर निर्माण होते आणि केवळ UV प्रकाश शोषला जातो, ज्यामुळे सर्व दृश्यमान प्रकाश परावर्तित होतो (पांढरा दिसतो).

---

लघुत्तरी प्रश्न

प्रश्न 6

सोने ‘एक्वा रेगिया’ मध्ये का विरघळते पण फक्त नायट्रिक आम्लात का नाही, हे स्पष्ट करा.

आदर्श उत्तर: सोने केवळ नायट्रिक आम्लात विरघळत नाही कारण ते एक उत्कृष्ट धातू आहे ज्यामध्ये खूप जास्त धन प्रमाण विद्युत अग्र विभव (E°Au³⁺/Au = +1.50 V) असते. हे उच्च विभव H⁺ आयन किंवा नायट्रेट्सद्वारे होणाऱ्या ऑक्सिडीकरणास त्याच्या तीव्र प्रतिकारशक्तीचे सूचक आहे.

तथापि, सोने ‘एक्वा रेगिया’ मध्ये (तीव्र HCl आणि तीव्र HNO₃ यांचे 3:1 मिश्रण) सहक्रियात्मक क्रियेमुळे विरघळते:

1. नायट्रिक आम्लाद्वारे ऑक्सिडीकरण: नायट्रिक आम्ल एक शक्तिशाली ऑक्सिडीकरण अभिकर्मक म्हणून कार्य करते, जे धातुरूप सोन्याचे (Au⁰) ऑक्सिडीकरण करून सोन्याचे (III) आयन (Au³⁺) तयार करते: Au(s) + 4H⁺(aq) + 3NO₃⁻(aq) \rightarrow Au³⁺(aq) + 3NO₂(g) + 2H₂O(l) (सरलीकृत अभिक्रिया)
2. हायड्रोक्लोरिक आम्लाद्वारे संकुल निर्मिती: त्याच वेळी, हायड्रोक्लोरिक आम्ल नवजात Au³⁺ आयनांशी अभिक्रिया करून अत्यंत स्थिर टेट्राक्लोरोऑरेट(III) संकुल ॲनायन, [AuCl₄]⁻, तयार करते: Au³⁺(aq) + 4Cl⁻(aq) \rightarrow [AuCl₄]⁻(aq)

स्थिर [AuCl₄]⁻ संकुलाच्या निर्मितीमुळे द्रावणातील मुक्त Au³⁺ आयनांची एकाग्रता लक्षणीयरीत्या कमी होते. ले चॅटेलियरच्या तत्त्वानुसार, Au³⁺ आयन काढून टाकल्याने प्रारंभिक ऑक्सिडीकरण अभिक्रियेचा समतोल उजवीकडे सरकतो, ज्यामुळे अधिक सोन्याचे सतत विद्राव्यीकरण होते. एकूण अभिक्रिया अशी दर्शविली जाऊ शकते: Au(s) + 3HCl(aq) + HNO₃(aq) \rightarrow HAuCl₄ + NO(g) + 2H₂O(l)

प्रश्न 7

सोन्याच्या निष्कर्षणामध्ये मॅकआर्थर-फॉरेस्ट सायनाईड प्रक्रियेत सायनाईड आणि ऑक्सिजनची भूमिका वर्णन करा.

आदर्श उत्तर: सोन्याच्या निष्कर्षणामध्ये मॅकआर्थर-फॉरेस्ट सायनाईड प्रक्रियेत, बारीक दळलेले सोन्याचे धातुक (ore) ऑक्सिजनच्या उपस्थितीत सोडियम किंवा पोटॅशियम सायनाईडच्या विरल द्रावणाने निक्षालित (leached) केले जाते. सायनाईड आणि ऑक्सिजन दोन्ही महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावतात:

1. सायनाईडची (CN⁻) भूमिका: सायनाईड एक संकुलकारक अभिकर्मक (complexing agent) म्हणून कार्य करते. ते धातुरूप सोन्याशी अभिक्रिया करून एक अत्यंत स्थिर, विद्राव्य डायसायनाओऑरेट(I) संकुल, [Au(CN)₂]⁻, तयार करते. ही संकुल निर्मिती महत्त्वाची आहे कारण ती सोन्याला, जे अन्यथा पाणी आणि बहुतेक अभिकर्मकांमध्ये अविद्राव्य असते, जलीय द्रावणात विरघळण्यास परवानगी देते. संकुलाची स्थिरता सोन्याच्या विद्राव्यीकरणाकडे समतोल सरकवते.

2. ऑक्सिजनची (O₂) भूमिका: ऑक्सिजन एक ऑक्सिडीकरण अभिकर्मक (oxidizing agent) म्हणून कार्य करते. ते धातुरूप सोन्याचे (Au⁰) Au(I) ऑक्सिडेशन अवस्थेत ऑक्सिडीकरण करते, जे सोने सायनाईड आयनांशी अभिक्रिया करून संकुल तयार करण्यासाठी आवश्यक आहे. ऑक्सिजनच्या अनुपस्थितीत, ऑक्सिडीकरण चरण घडणार नाही आणि सोने विरघळणार नाही. ऑक्सिजन मूलतः घन सोन्याचे त्याच्या आयनिक स्वरूपात रूपांतर करण्यास मदत करते.

त्यांची एकत्रित भूमिका दर्शविणारी एकूण रासायनिक अभिक्रिया अशी आहे: 4Au(s) + 8CN⁻(aq) + O₂(g) + 2H₂O(l) \rightarrow 4[Au(CN)₂]⁻(aq) + 4OH⁻(aq) ही प्रक्रिया सोन्याला त्याच्या धातुकापासून प्रभावीपणे विद्राव्य करते, ज्यामुळे नंतर अपचयनाने (उदा. जस्त वापरून) ते पुनर्प्राप्त करणे शक्य होते.

---

उच्च विचारसरणी कौशल्य (HOTS) प्रश्न

प्रश्न 8

बहुतेक संक्रमण धातू (transition metals) परिवर्तनशील ऑक्सिडेशन अवस्था दर्शवतात आणि रंगीत संयुगे तयार करतात. सोने (Au), एक d-खंड मूलद्रव्य, मुख्यतः +1 आणि +3 ऑक्सिडेशन अवस्था दर्शवते आणि स्थिर संकुल (complexes) तयार करते. सोने, लोह किंवा तांबे यांसारख्या इतर संक्रमण धातूंपेक्षा कमी अभिक्रियाशील का दिसते आणि त्याची इलेक्ट्रॉनिक संरचाना (electronic configuration) त्याच्या गुणधर्मांना कशी हातभार लावते, हे स्पष्ट करा.

आदर्श उत्तर: सोन्याचे अद्वितीय गुणधर्म, ज्यात लोह किंवा तांबे यांसारख्या इतर संक्रमण धातूंच्या तुलनेत त्याची सापेक्ष निष्क्रियता आणि त्याची वैशिष्ट्यपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक संरचाना यांचा समावेश आहे, ते अनेक घटकांमध्ये मूळ आहेत:

1. इलेक्ट्रॉनिक संरचाना आणि आयनीकरण ऊर्जा (Ionization Energy): सोन्याची इलेक्ट्रॉनिक संरचाना [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹ अशी आहे.

   • उच्च प्रथम आयनीकरण ऊर्जा: सोन्यामध्ये खूप उच्च प्रथम आयनीकरण ऊर्जा असते. हे त्याच्या कॉम्पॅक्ट केंद्रकीय भार (Z=79) आणि त्याच्या 6s कक्षकच्या सापेक्षतावादी संकोचनामुळे (relativistic contraction) होते. सापेक्षतावादी प्रभावामुळे 6s इलेक्ट्रॉन केंद्रकाशी अधिक घट्ट बांधलेले असतात, ज्यामुळे त्यांना काढण्यासाठी लक्षणीय ऊर्जा लागते. ही उच्च आयनीकरण ऊर्जा इलेक्ट्रॉन गमावण्यास आणि ऑक्सिडीकरणास त्याच्या अनिच्छेस हातभार लावते.
   • स्थिर d¹⁰ संरचाना: सोन्यामध्ये पूर्णपणे भरलेला 5d¹⁰ उपकोश (subshell) असतो. ही स्थिर संरचाना अंशतः भरलेल्या d-कक्षक असलेल्या संक्रमण धातूंच्या तुलनेत त्याची सामान्यतः कमी अभिक्रियाशीलता वाढवते, कारण ते धातूबंध आणि रासायनिक अभिक्रियांमध्ये सहज भाग घेतात.

2. उच्च प्रमाण विद्युत अग्र विभव (Standard Electrode Potential): सोन्यामध्ये खूप जास्त धन प्रमाण विद्युत अग्र विभव (E°Au³⁺/Au = +1.50 V; E°Au⁺/Au = +1.69 V) असते. हे दर्शवते की सोन्यामध्ये आयन तयार करण्याऐवजी त्याच्या धातुरूप, अनऑक्सिडायझ्ड स्थितीत राहण्याची तीव्र प्रवृत्ती आहे. या तुलनेत, लोह (E°Fe²⁺/Fe = -0.44 V) आणि तांबे (E°Cu²⁺/Cu = +0.34 V) सारख्या मूलद्रव्यांमध्ये खूप कमी किंवा ऋण विद्युत अग्र विभव असते, जे इलेक्ट्रॉन गमावण्याची आणि अभिक्रिया करण्याची अधिक प्रवृत्ती दर्शवते.

3. सापेक्षतावादी प्रभाव (Relativistic Effects): सोन्यासारख्या खूप जड मूलद्रव्यांसाठी, सापेक्षतावादी प्रभाव महत्त्वपूर्ण बनतात:

   • 6s कक्षकचे संकोचन: 6s कक्षक मधील इलेक्ट्रॉन सापेक्षतावादी वस्तुमान वाढीसाठी पुरेशा वेगाने फिरतात, ज्यामुळे कक्षक संकुचित होते आणि तिची ऊर्जा लक्षणीयरीत्या कमी होते. यामुळे 6s इलेक्ट्रॉन काढणे अत्यंत कठीण होते.
   • 5d कक्षकचे स्थिरीकरण: 5d कक्षक देखील संकुचित s-इलेक्ट्रॉन पासून वाढलेल्या परिरक्षणामुळे (shielding) काही प्रमाणात स्थिर होते. हे सापेक्षतावादी प्रभाव व्याप्त d-कक्षक आणि अव्याप्त s/p कक्षक यांच्यात मोठे ऊर्जा अंतर निर्माण करतात, ज्यामुळे त्याच्या रासायनिक वर्तनावर परिणाम होतो आणि त्याच्या सापेक्ष निष्क्रियतेस हातभार लागतो.

4. संकुल निर्मितीची प्रवृत्ती: अनेक अभिकर्मकांद्वारे थेट ऑक्सिडीकरणास निष्क्रिय असूनही, सोने सहजपणे स्थिर संकुल तयार करते, विशेषतः सायनाईड (CN⁻) आणि हॅलाइड्स (Cl⁻) सारख्या मृदू लिगँड्ससह. या स्थिर संकुलांची निर्मिती (उदा. [Au(CN)₂]⁻, [AuCl₄]⁻) ‘एक्वा रेगिया’ किंवा सायनाईड द्रावण यांसारख्या विशिष्ट अभिकर्मकांमध्ये त्याच्या विद्राव्यीकरणासाठी महत्त्वपूर्ण आहे. या संकुलांची उच्च स्थिरता अभिक्रिया समतोल सरकवते, ज्यामुळे Au आयनांना प्रभावीपणे द्रावणात ‘खीचले’ जाते आणि त्याची मूळ निष्क्रियता दूर होते.

सारांश, सोन्याची अपवादात्मक निष्क्रियता त्याच्या उच्च आयनीकरण ऊर्जा, स्थिर d¹⁰ इलेक्ट्रॉनिक संरचाना आणि महत्त्वाचे म्हणजे, त्याच्या संयुजा इलेक्ट्रॉनला घट्ट बांधणाऱ्या महत्त्वपूर्ण सापेक्षतावादी प्रभावांमुळे उद्भवते, जे खूप उच्च धन प्रमाण विद्युत अग्र विभव म्हणून प्रकट होते. अनेक अभिकर्मकांप्रती निष्क्रिय असले तरी, स्थिर संकुल तयार करण्याची त्याची क्षमता त्याला विशिष्ट परिस्थितीत अभिक्रिया करण्यास अनुमती देते.