हेलियमचे (He) रसायनशास्त्र - सराव प्रश्न

एकाधिक निवड प्रश्न (MCQs)

1. खालीलपैकी कोणत्या उत्कृष्ट वायूचा उत्कलन बिंदू (boiling point) सर्वात कमी आहे?

A) निऑन B) आर्गॉन C) हेलियम D) क्रिप्टॉन

उत्तर: C) हेलियम

स्पष्टीकरण: सर्व उत्कृष्ट वायूंपैकी हेलियमचा अणु आकार (atomic size) सर्वात लहान आणि अणु वस्तुमान (atomic mass) सर्वात कमी आहे. परिणामी, हेलियमच्या अणूंमधील लंडन डिस्पर्शन बल (London dispersion forces) (व्हॅन डर वाल्स बलाचा एक प्रकार) सर्वात कमकुवत असते. या अत्यंत कमकुवत आंतर-आण्विक बलांवर मात करण्यासाठी खूप कमी ऊर्जा लागते, ज्यामुळे हेलियमचा उत्कलन बिंदू (सुमारे 4.2 K किंवा -269 °C) ज्ञात पदार्थांमध्ये सर्वात कमी आहे.

2. फुगे भरण्यासाठी हेलियमला हायड्रोजनपेक्षा प्राधान्य दिले जाते कारण:

A) हेलियम हायड्रोजनपेक्षा हलका आहे. B) हेलियमची उचलण्याची शक्ती (lifting power) जास्त आहे. C) हेलियम ज्वलनशील नाही. D) हेलियम हायड्रोजनपेक्षा स्वस्त आहे.

उत्तर: C) हेलियम ज्वलनशील नाही.

स्पष्टीकरण: हायड्रोजन (H₂) हेलियमपेक्षा (He) हलका असून त्याची उचलण्याची शक्ती (lifting power) थोडी जास्त असली तरी, त्याचा अत्यंत ज्वलनशील स्वभाव फुगे, हवाई जहाजे आणि गळती होण्याची शक्यता असलेल्या इतर उपयोगांसाठी अत्यंत धोकादायक बनवतो. हेलियम हा निष्क्रिय उत्कृष्ट वायू असल्याने, तो अज्वलनशील आणि रासायनिकदृष्ट्या अप्रतिक्रियाशील आहे, ज्यामुळे तो किंचित जड आणि सामान्यतः अधिक महाग असूनही अधिक सुरक्षित पर्याय ठरतो.

3. हेलियमची विलक्षण निष्क्रियता मुख्यत्वे कशामुळे आहे?

A) लहान अणु आकार. B) उच्च आयनीकरण एन्थाल्पी (ionization enthalpy). C) पूर्णपणे भरलेला संयुजा कवच (valence shell). D) वरील सर्व.

उत्तर: D) वरील सर्व.

स्पष्टीकरण: हेलियमची निष्क्रियता अनेक घटकांचा एकत्रित परिणाम आहे:

• पूर्णपणे भरलेला संयुजा कवच (1s²): ही स्थिर ड्युप्लेट रचना त्याला इलेक्ट्रॉनिकदृष्ट्या समाधानी बनवते, ज्यामुळे त्याला इलेक्ट्रॉन मिळवण्याची, गमावण्याची किंवा सामायिक करण्याची प्रवृत्ती नसते.
• उच्च आयनीकरण एन्थाल्पी (ionization enthalpy): त्याच्या लहान आकारामुळे आणि स्थिर इलेक्ट्रॉन रचनेमुळे, हेलियम अणूमधून इलेक्ट्रॉन काढण्यासाठी लक्षणीय ऊर्जा लागते.
• जवळजवळ शून्य इलेक्ट्रॉन लाभ एन्थाल्पी (electron gain enthalpy): हेलियममध्ये अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन स्वीकारण्याची प्रवृत्ती नसते.
• लहान अणु आकार: हे त्याच्या उच्च आयनीकरण एन्थाल्पी आणि त्याच्या इलेक्ट्रॉन ढगाच्या (electron cloud) संक्षिप्त, स्थिर स्वरूपास हातभार लावते.

विधान-कारण प्रश्न

1.

विधान (A): हेलियम एक अणुयुक्त वायू आहे. कारण (R): हेलियममध्ये पूर्णपणे भरलेला संयुजा इलेक्ट्रॉन कवच असतो, ज्यामुळे तो रासायनिकदृष्ट्या अप्रतिक्रियाशील बनतो. 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. E) A आणि R दोन्ही असत्य आहेत.

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

स्पष्टीकरण: हेलियम स्वतंत्र अणूंच्या रूपात (एक अणुयुक्त) अस्तित्वात असतो कारण त्याचा पूर्णपणे भरलेला 1s² संयुजा इलेक्ट्रॉन कवच विलक्षण इलेक्ट्रॉनिक स्थिरता प्रदान करतो. या स्थिरतेमुळे हेलियम अणूंची स्थिर रचना प्राप्त करण्यासाठी इतर अणूंशी सहसंयोजक बंध (covalent bonds) तयार करण्याची कोणतीही प्रवृत्ती नसते. कारणात नमूद केलेली रासायनिक अप्रतिक्रियाशीलता हेच हेलियम एक अणुयुक्त राहण्याचे नेमके कारण आहे.

2.

विधान (A): हेलियम आणि ऑक्सिजनचे मिश्रण खोल समुद्रातील पाणबुड्यांद्वारे वापरले जाते. कारण (R): हेलियम नायट्रोजनपेक्षा रक्तामध्ये जास्त विद्राव्य (soluble) आहे. 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. E) A आणि R दोन्ही असत्य आहेत.

उत्तर: C) A सत्य आहे, परंतु R असत्य आहे.

स्पष्टीकरण: खोल समुद्रातील पाणबुड्या ‘द बेंड्स’ (decompression sickness) टाळण्यासाठी हेलियम आणि ऑक्सिजनचे (बऱ्याचदा थोड्या प्रमाणात नायट्रोजनसह) मिश्रण वापरतात. पाण्याखालील उच्च दाबावर, सामान्य हवेतील नायट्रोजन रक्त आणि शरीरातील ऊतकांमध्ये लक्षणीयरीत्या विरघळतो. वेगाने वर आल्यावर, दाब कमी झाल्यामुळे विरघळलेला नायट्रोजन बुडबुड्यांच्या रूपात बाहेर येतो, ज्यामुळे वेदना, ऊतक नुकसान आणि संभाव्यतः प्राणघातक स्थिती निर्माण होते. हेलियमची निवड केली जाते कारण तो नायट्रोजनपेक्षा रक्तामध्ये लक्षणीयरीत्या कमी विद्राव्य असतो, ज्यामुळे decompression दरम्यान बुडबुड्यांची निर्मिती कमी होते. म्हणून, विधान (A) सत्य आहे, परंतु कारण (R) असत्य आहे.

लघुत्तरी प्रश्न

1. हेलियमची रासायनिक बंध (chemical bonds) तयार करण्याची प्रवृत्ती खूप कमी का असते, स्पष्ट करा.

आदर्श उत्तर: हेलियममध्ये 1s² ही इलेक्ट्रॉन रचना आहे. हे पूर्णपणे भरलेल्या संयुजा इलेक्ट्रॉन कवचाचे (एक स्थिर ड्युप्लेट) प्रतिनिधित्व करते. अष्टक नियमानुसार (किंवा पहिल्या आवर्तासाठी ड्युप्लेट नियमानुसार), अणू अशी स्थिर रचना प्राप्त करण्याचा प्रयत्न करतात. कारण हेलियमकडे आधीच ही अपवादात्मक स्थिर इलेक्ट्रॉन रचना आहे, त्याला हे आहे:

1. अत्यंत उच्च आयनीकरण एन्थाल्पी: इलेक्ट्रॉन काढण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा लागते.
2. जवळजवळ शून्य इलेक्ट्रॉन लाभ एन्थाल्पी: त्याला अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन स्वीकारण्याची प्रवृत्ती नसते.
3. इलेक्ट्रॉन सामावून घेण्यासाठी किंवा बंधात (bonding) सहभागी होण्यासाठी योग्य ऊर्जेची कोणतीही रिक्त कक्षा (vacant orbitals) नसतात. परिणामी, हेलियम अणूंना इलेक्ट्रॉन मिळवण्याची, गमावण्याची किंवा सामायिक करण्याची गरज नसते, जे रासायनिक बंध निर्मितीचे मूलभूत यंत्रणा (mechanisms) आहेत. ही आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक स्थिरता हेलियमला रासायनिकदृष्ट्या अप्रतिक्रियाशील बनवते आणि सामान्य परिस्थितीत रासायनिक बंध तयार करण्याची त्याची प्रवृत्ती खूप कमी असते.

2. हेलियमचे दोन महत्त्वाचे उपयोग सांगा आणि प्रत्येकासाठी वैज्ञानिक कारण द्या.

आदर्श उत्तर:

1. क्रायोजेनिक घटक (Cryogenic Agent): द्रवरूप हेलियमचा उत्कलन बिंदू कोणत्याही मूलद्रव्यापेक्षा (4.2 K किंवा -269 °C) सर्वात कमी आहे. हा गुणधर्म त्याला अत्यंत कमी तापमान प्राप्त करण्यासाठी आणि राखण्यासाठी एक अपरिहार्य क्रायोजेनिक घटक बनवतो.
   • कारण: त्याचा अपवादात्मकरित्या कमी उत्कलन बिंदू त्याला चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI) स्कॅनर, न्यूक्लियर मॅग्नेटिक रेझोनन्स (NMR) स्पेक्ट्रोमीटर आणि कण त्वरक (particle accelerators) मध्ये वापरल्या जाणाऱ्या सुपरकंडक्टिंग चुंबकांना थंड करण्यासाठी आदर्श बनवतो, जिथे सुपरकंडक्टिव्हिटी प्राप्त करण्यासाठी निरपेक्ष शून्याच्या जवळचे तापमान आवश्यक असते.
2. फुगे आणि हवाई जहाजे भरणे: हेलियम हा हायड्रोजननंतर दुसरा सर्वात हलका वायू आहे आणि तो अज्वलनशील आहे.
   • कारण: त्याची निष्क्रियता (अज्वलनशीलता) हवामान फुगे (weather balloons), हवामानशास्त्र फुगे (meteorological balloons) आणि हवाई जहाजे यांसारख्या उचलण्याच्या उपयोगांसाठी हायड्रोजनपेक्षा खूप सुरक्षित बनवते. हायड्रोजन हलका असला तरी, त्याची अत्यंत ज्वलनशीलता गंभीर सुरक्षा धोके निर्माण करते (जसे की हिंडेनबर्ग दुर्घटनेने दुर्दैवीपणे दाखवून दिले), ज्यामुळे जास्त खर्च आणि किंचित जास्त घनता असूनही अप्रतिक्रियाशील हेलियमला प्राधान्य दिले जाते.

उच्च-स्तर विचार कौशल्य (HOTS) प्रश्न

लक्षणीयरीत्या हलका आणि उत्पादन करण्यास स्वस्त असूनही, हायड्रोजन वायूचा वापर आज हवामान फुगे किंवा हवाई जहाजे भरण्यासाठी क्वचितच केला जातो, तर हेलियमचा वापर प्रामुख्याने केला जातो. या प्राधान्यासाठी तपशीलवार रासायनिक स्पष्टीकरण द्या.

तपशीलवार रासायनिक स्पष्टीकरण:

हवामान फुगे आणि हवाई जहाजे यांसारख्या उचलण्याच्या उपयोगांमध्ये हायड्रोजनच्या हलक्या वस्तुमानावर आणि कमी उत्पादन खर्चावर मात करून हेलियमला प्रचंड प्राधान्य देण्याचे मुख्य कारण त्यांच्या मूलभूत रासायनिक गुणधर्मांमध्ये, विशेषतः त्यांच्या प्रतिक्रियाशीलता आणि ज्वलनशीलतेमध्ये आहे.

1. ज्वलनशीलता आणि प्रतिक्रियाशीलता:

   • हायड्रोजन (H₂): हायड्रोजन अत्यंत ज्वलनशील वायू आहे. तो प्रज्वलित झाल्यावर हवेतील ऑक्सिजनशी जोरदारपणे आणि उष्णतादायी (exothermically) प्रतिक्रिया देतो, ज्यामुळे पाण्याची वाफ तयार होते: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) + Energy (Heat and Light) ही प्रतिक्रिया स्फोटक आगीला कारणीभूत ठरू शकते, ज्यामुळे अत्यंत गंभीर सुरक्षा धोका निर्माण होतो. 1937 मधील कुप्रसिद्ध हिंडेनबर्ग हवाई जहाज दुर्घटना, जरी तिच्या नेमक्या कारणांवर वादविवाद असले तरी, मोठ्या आकाराच्या हवाई वाहनांमध्ये ज्वलनशील हायड्रोजन वापरण्याचे विनाशकारी परिणाम नाट्यमयरित्या दर्शविले.
   • हेलियम (He): हेलियम हा आवर्त सारणीतील गट 18 मधील एक उत्कृष्ट वायू आहे. त्याची इलेक्ट्रॉन रचना (1s²) ही पूर्णपणे भरलेली संयुजा कवच (duplet) आहे, ज्यामुळे तो अपवादात्मकरित्या स्थिर आणि रासायनिकदृष्ट्या निष्क्रिय बनतो. हेलियम सामान्य परिस्थितीत ऑक्सिजन, नायट्रोजन किंवा इतर कोणत्याही वातावरणीय घटकाशी प्रतिक्रिया देत नाही. तो अज्वलनशील (non-combustible) आणि गैर-ज्वलनशील (non-flammable) आहे.

2. सुरक्षिततेचे विचार:

   • ज्या उपयोगांमध्ये मोठ्या प्रमाणात वायू साठवला जातो आणि गळती किंवा फुटण्याचा धोका असतो (उदा. विजेमुळे फुग्याला धक्का लागणे, उतरताना नुकसान होणे किंवा कालांतराने गळती होणे), तिथे हायड्रोजनची ज्वलनशीलता जीव आणि मालमत्तेसाठी अस्वीकार्य धोका निर्माण करते. कोणतीही ठिणगी किंवा स्थैतिक डिस्चार्ज (static discharge) हायड्रोजनला प्रज्वलित करू शकतो, ज्यामुळे वेगाने आणि विनाशकारी आग किंवा स्फोट होऊ शकतो.
   • दुसरीकडे, हेलियमची निष्क्रियता सुरक्षिततेची हमी देते. हेलियमने भरलेला फुगा फुटला किंवा गळती झाली तरी, ज्वलन किंवा स्फोटाचा कोणताही धोका नसतो, ज्यामुळे मानवी संवाद किंवा लोकवस्तीच्या क्षेत्रांच्या जवळच्या कामांसाठी तो अधिक सुरक्षित पर्याय ठरतो.

3. उचलण्याची शक्ती वि. धोका:

   • हायड्रोजन (मोलर वस्तुमान ≈ 2 g/mol) हेलियमपेक्षा (मोलर वस्तुमान ≈ 4 g/mol) हलका असला आणि त्यामुळे प्रति एकक घनफळात सुमारे 8% अधिक उचलण्याची शक्ती प्रदान करत असला तरी, उचलण्याच्या शक्तीतील ही किरकोळ वाढ त्याच्या ज्वलनशीलतेमुळे निर्माण होणाऱ्या गंभीर सुरक्षा धोक्यांमुळे पूर्णपणे झाकली जाते. हेलियमची रासायनिक स्थिरता आणि अज्वलनशील स्वरूप हे महत्त्वाचे सुरक्षा फायदे आहेत जे त्याला प्राधान्य देतात, जरी त्याची किंमत जास्त असली आणि हायड्रोजनच्या तुलनेत उचलण्याची कार्यक्षमता किंचित कमी असली तरी.

थोडक्यात, हेलियमची रासायनिक निष्क्रियता, जी त्याच्या स्थिर इलेक्ट्रॉनिक रचनेमुळे येते, हा निर्णायक घटक आहे जो हायड्रोजनच्या आर्थिक आणि घनतेच्या फायद्यांपेक्षा अधिक महत्त्वाचा ठरतो, ज्यामुळे हेलियम सुरक्षित वायवीय उपयोगांसाठी मानक बनतो.