हायड्रोजनचे रसायनशास्त्र: सराव प्रश्न

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

हायड्रोजनच्या समस्थानिकांबद्दल (isotopes) खालीलपैकी कोणते विधान चुकीचे आहे?

A) प्रोटियम हे हायड्रोजनचे सर्वात जास्त प्रमाणात आढळणारे समस्थानिक आहे. B) ड्युटेरियमला जड हायड्रोजन असेही म्हणतात. C) ट्रिटियम किरणोत्सर्गी आहे आणि बीटा कण उत्सर्जित करते. D) हायड्रोजनच्या सर्व समस्थानिकांमध्ये न्यूट्रॉनची संख्या समान असते.

उत्तर:

योग्य उत्तर आहे D).

स्पष्टीकरण:

• प्रोटियम ($\text\{^1H\}$ किंवा $\text\{H\}$): यात 1 प्रोटॉन आणि 0 न्यूट्रॉन असतात. हे सर्वात जास्त प्रमाणात आढळणारे समस्थानिक आहे (सुमारे 99.98%).
• ड्युटेरियम ($\text\{^2H\}$ किंवा $\text\{D\}$): यात 1 प्रोटॉन आणि 1 न्यूट्रॉन असतात. याला जड हायड्रोजन असेही म्हणतात.
• ट्रिटियम ($\text\{^3H\}$ किंवा $\text\{T\}$): यात 1 प्रोटॉन आणि 2 न्यूट्रॉन असतात. हे 12.33 वर्षांच्या अर्धायुष्यासह किरणोत्सर्गी आहे आणि कमी ऊर्जा असलेले बीटा कण उत्सर्जित करते.

प्रोटियममध्ये 0 न्यूट्रॉन, ड्युटेरियममध्ये 1 न्यूट्रॉन आणि ट्रिटियममध्ये 2 न्यूट्रॉन असल्यामुळे, त्यांच्यात न्यूट्रॉनची संख्या समान नसते.

प्रश्न 2

खालीलपैकी कोणते संयुग अंतरालीय हायड्राइड आहे?

A) $\text\{NaH\}$ B) $\text\{CH\}_4$ C) $\text\{TiH\}_\{1.7\}$ D) $\text\{HCl\}$

उत्तर:

योग्य उत्तर आहे C).

स्पष्टीकरण:

• अंतरालीय हायड्राइड्स (यांना धातूंचे हायड्राइड्स असेही म्हणतात) अनेक d-खंड आणि f-खंड मूलद्रव्यांद्वारे तयार होतात. या हायड्राइड्समध्ये, हायड्रोजन धातूच्या जालक संरचनेत (metal lattice) अंतरालीय जागा (interstitial sites) व्यापतो. ते सामान्यतः नॉन-स्टॉईकिओमेट्रिक (उदा. $\text\{TiH\}_\{1.5-1.8\}$, $\text\{LaH\}_\{2.87\}$) असतात. $\text\{TiH\}_\{1.7\}$ हे अंतरालीय हायड्राइडचे एक उदाहरण आहे.
• $\text\{NaH\}$ हे सलाईन (आयनिक) हायड्राइडचे उदाहरण आहे, जे अत्यंत धनविद्युत (highly electropositive) s-खंड मूलद्रव्यांद्वारे तयार होते.
• $\text\{CH\}_4$ हे सहसंयुजी (आण्विक) हायड्राइडचे उदाहरण आहे, जे p-खंड मूलद्रव्यांद्वारे तयार होते.
• $\text\{HCl\}$ हे देखील एक सहसंयुजी (आण्विक) हायड्राइड आहे.

प्रश्न 3

डायहायड्रोजनच्या औद्योगिक निर्मितीमध्ये, वॉटर-गॅस शिफ्ट अभिक्रिया (water-gas shift reaction) अनेकदा वापरली जाते. या अभिक्रियेमध्ये वाफेच्या (steam) भूमिकेचे खालीलपैकी कोणते विधान योग्यरित्या वर्णन करते?

$\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \xrightarrow\{\text\{Catalyst, High temp.\}\} \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

A) वाफ (steam) क्षपणक (reducing agent) म्हणून कार्य करते, जे $\text\{CO\}$ ला $\text\{CO\}_2$ मध्ये रूपांतरित करते. B) वाफ (steam) ऑक्सिडीकारक (oxidizing agent) म्हणून कार्य करते, जे $\text\{CO\}$ ला $\text\{CO\}_2$ मध्ये रूपांतरित करते. C) वाफ (steam) उत्प्रेरक (catalyst) म्हणून कार्य करते, जी अभिक्रियेचा वेग वाढवते. D) वाफ (steam) $\text\{H\}_2$ च्या निर्मितीसाठी हायड्रोजन अणू पुरवते.

उत्तर:

योग्य उत्तर आहे B).

स्पष्टीकरण:

वॉटर-गॅस शिफ्ट अभिक्रियेमध्ये: $\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \rightarrow \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

• $\text\{CO\}$ मध्ये कार्बनची ऑक्सिडीकरण अवस्था (oxidation state) +2 आहे आणि $\text\{CO\}_2$ मध्ये +4 आहे. कार्बनचे ऑक्सिडीकरण झाले आहे.
• $\text\{H\}_2\text\{O\}$ मध्ये हायड्रोजनची ऑक्सिडीकरण अवस्था +1 आहे आणि $\text\{H\}_2$ मध्ये 0 आहे. हायड्रोजनचे क्षपण झाले आहे.
• म्हणून, $\text\{CO\}$ क्षपणक म्हणून कार्य करते, आणि $\text\{H\}_2\text\{O\}$ (वाफ) इलेक्ट्रॉन स्वीकारून ऑक्सिडीकारक म्हणून कार्य करते (तिच्या हायड्रोजन अणूंचे +1 वरून 0 मध्ये क्षपण होते).

विधान-कारण प्रश्न

प्रश्न 1

विधान (A): हायड्रोजन अल्कधर्मी धातू (alkali metals) आणि हॅलोजन्स (halogens) या दोघांसारखे गुणधर्म दर्शवतो. कारण (R): हायड्रोजनच्या बाह्यतम कवचात फक्त एक इलेक्ट्रॉन असतो आणि तो एकतर इलेक्ट्रॉन गमावून $\text\{H\}^+$ आयन तयार करू शकतो किंवा इलेक्ट्रॉन मिळवून $\text\{H\}^-$ आयन तयार करू शकतो.

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:

योग्य उत्तर आहे A).

स्पष्टीकरण:

• विधान (A) सत्य आहे. हायड्रोजनचे इलेक्ट्रॉनिक संरूपण (electronic configuration) $1s^1$ आहे.
  • अल्कधर्मी धातूंप्रमाणे (समूह 1, $ns^1$), ते आपला संयुजा इलेक्ट्रॉन गमावून एकधनात्मक आयन (unipositive ion) ($\text\{H\}^+$) तयार करू शकते, जरी संद्रित अवस्थांमध्ये (condensed phases) हे दुर्मिळ आहे.
  • हॅलोजन्सप्रमाणे (समूह 17, $ns^2np^5$), ते स्थिर द्विक संरूपण (stable duplet configuration) ($1s^2$) प्राप्त करण्यासाठी एक इलेक्ट्रॉन मिळवू शकते आणि एकऋणात्मक आयन (uninegative ion) ($\text\{H\}^-$) तयार करू शकते.
• कारण (R) सत्य आहे आणि विधानाचे योग्य स्पष्टीकरण आहे. त्याच्या $1s^1$ संरूपणामुळे इलेक्ट्रॉन गमावण्याची आणि मिळवण्याची दोन्ही क्षमता असल्यामुळेच हायड्रोजन अल्कधर्मी धातू आणि हॅलोजन्स या दोघांशी दुहेरी साम्य दर्शवतो.

प्रश्न 2

विधान (A): डायहायड्रोजन खोलीच्या तापमानाला (room temperature) कमी अभिक्रियाशील असतो. कारण (R): $\text\{H\}-\text\{H\}$ बंध वियोजन एन्थाल्पी (bond dissociation enthalpy) खूप जास्त असते.

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:

योग्य उत्तर आहे A).

स्पष्टीकरण:

• विधान (A) सत्य आहे. डायहायड्रोजन ($\text\{H\}_2$) खोलीच्या तापमानाला तुलनेने निष्क्रिय असतो. तो सामान्यतः उच्च तापमानावर किंवा उत्प्रेरकांच्या उपस्थितीत अभिक्रिया करतो.
• कारण (R) सत्य आहे. $\text\{H\}_2$ रेणूमधील $\text\{H\}-\text\{H\}$ बंध खूप मजबूत असतो, त्याची बंध वियोजन एन्थाल्पी (bond dissociation enthalpy) 435.88 kJ/mol आहे. या उच्च बंध वियोजन एन्थाल्पीचा अर्थ असा आहे की $\text\{H\}-\text\{H\}$ बंध तोडण्यासाठी मोठ्या प्रमाणात ऊर्जेची आवश्यकता असते, जी डायहायड्रोजनच्या बहुतेक अभिक्रियांसाठी प्रारंभिक पायरी आहे.
• उच्च बंध वियोजन एन्थाल्पी थेट स्पष्ट करते की डायहायड्रोजन खोलीच्या तापमानाला कमी अभिक्रियाशील का असतो, कारण मजबूत बंध तोडण्यासाठी पुरेशी ऊर्जा उपलब्ध नसते. अशाप्रकारे, कारण (R) हे विधान (A) चे योग्य स्पष्टीकरण आहे.

लघुत्तरी प्रश्न

प्रश्न 1

‘ऑर्थो’ (ortho) आणि ‘पॅरा’ (para) हायड्रोजन संज्ञा स्पष्ट करा. त्यांच्या गुणधर्मांमध्ये काय फरक आहे?

आदर्श उत्तर:

डायहायड्रोजन ($\text\{H\}_2$) दोन हायड्रोजन अणूंच्या केंद्रकांच्या (nuclei) सापेक्ष चक्राकार गतीनुसार (relative spin) दोन स्वरूपात अस्तित्वात असतो:

1. ऑर्थो हायड्रोजन: या स्वरूपात, दोन हायड्रोजन केंद्रकांचे (प्रोटॉन) चक्राकार गती एकाच दिशेने (समांतर चक्राकार गती) असतात.
2. पॅरा हायड्रोजन: या स्वरूपात, दोन हायड्रोजन केंद्रकांचे (प्रोटॉन) चक्राकार गती विरुद्ध दिशेने (प्रतिसमांतर चक्राकार गती) असतात.

गुणधर्मांमधील फरक:

• ऊर्जा: पॅरा हायड्रोजनमध्ये ऑर्थो हायड्रोजनपेक्षा कमी ऊर्जा असते आणि तो अधिक स्थिर असतो.
• विशिष्ट उष्णता (Specific Heat): ऑर्थो हायड्रोजनची विशिष्ट उष्णता धारकता (specific heat capacity) पॅरा हायड्रोजनपेक्षा जास्त असते.
• औष्णिक चालकता (Thermal Conductivity): ऑर्थो हायड्रोजनची औष्णिक चालकता पॅरा हायड्रोजनपेक्षा जास्त असते.
• चुंबकीय गुणधर्म: ऑर्थो हायड्रोजनमध्ये निव्वळ केंद्रकीय चुंबकीय आघूर्ण (net nuclear magnetic moment) असतो, तर पॅरा हायड्रोजनमध्ये निव्वळ केंद्रकीय चुंबकीय आघूर्ण शून्य असतो.
• संतुलन (Equilibrium): खोलीच्या तापमानाला (25°C), समतोल मिश्रण अंदाजे 75% ऑर्थो हायड्रोजन आणि 25% पॅरा हायड्रोजनचे असते. तापमान कमी झाल्यावर, पॅरा हायड्रोजनची टक्केवारी वाढते आणि निरपेक्ष शून्यावर (absolute zero) जवळजवळ 100% पर्यंत पोहोचते. दोन स्वरूपांमधील रूपांतरण हळू असते परंतु सक्रिय कार्बन (activated charcoal), आण्विक हायड्रोजन (atomic hydrogen) किंवा पॅरामॅग्नेटिक पदार्थांद्वारे उत्प्रेरित केले जाऊ शकते.

प्रश्न 2

वॉटर-गॅस शिफ्ट अभिक्रियेचे वर्णन करा, त्यात वापरलेला उत्प्रेरक आणि हायड्रोजन उत्पादनात त्याचे महत्त्व यांचा समावेश करा.

आदर्श उत्तर:

वॉटर-गॅस शिफ्ट अभिक्रिया ही कार्बन मोनोऑक्साइड ($\text\{CO\}$) आणि वाफ ($\text\{H\}_2\text\{O\}$) पासून अतिरिक्त डायहायड्रोजन ($\text\{H\}_2$) तयार करण्यासाठी वापरली जाणारी रासायनिक अभिक्रिया आहे. ती खालील समतोलने दर्शविली जाते:

$\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \rightleftharpoons \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

प्रक्रिया आणि उत्प्रेरक: कार्बन मोनोऑक्साइड (जो हायड्रोकार्बनच्या वाफ रिफॉर्मिंगमधून किंवा कोळशाच्या गॅसिफिकेशनमधून मिळवला जातो, ज्यामुळे CO आणि H2 चे मिश्रण असलेला “वॉटर गॅस” तयार होतो) गरम उत्प्रेरकावरून (hot catalyst) पास करून ही अभिक्रिया केली जाते.

• उत्प्रेरक: सामान्यतः, उच्च तापमानावर ($\sim 400-500^\circ\text\{C\}$) आयर्न क्रोमेट ($\text\{FeCr\}_2\text\{O\}_4$) किंवा आयर्न ऑक्साईड आणि क्रोमियम ऑक्साईडचे मिश्रण ($\text\{Fe\}_2\text\{O\}_3/\text\{Cr\}_2\text\{O\}_3$) वापरले जाते. कमी-तापमानाच्या शिफ्टसाठी, तांबे-झिंक ऑक्साईड उत्प्रेरक वापरला जातो.
• अवस्था (Conditions): अभिक्रियेचा योग्य वेग प्राप्त करण्यासाठी उच्च तापमान आवश्यक आहे.

हायड्रोजन उत्पादनातील महत्त्व:

1. $\text\{H\}_2$ उत्पादन वाढवते: हे वॉटर गॅसमधील (CO आणि H2 चे मिश्रण) $\text\{CO\}$ घटकाचे अधिक $\text\{H\}_2$ मध्ये रूपांतर करण्यास मदत करते, ज्यामुळे कोळसा गॅसिफिकेशन (coal gasification) किंवा नैसर्गिक वायूच्या वाफ रिफॉर्मिंग (steam reforming of natural gas) सारख्या प्रक्रियेतून डायहायड्रोजनचे एकूण उत्पादन वाढते.
2. $\text\{CO\}$ काढून टाकते: ही अभिक्रिया $\text\{CO\}$ ला $\text\{CO\}_2$ मध्ये रूपांतरित करते. $\text\{CO\}$ अनेक उत्प्रेरकांसाठी विषारी (poison) आहे, विशेषतः अमोनिया संश्लेषण (हैबर प्रक्रिया) किंवा इंधन पेशींमध्ये (fuel cells) वापरल्या जाणाऱ्या उत्प्रेरकांसाठी. $\text\{CO\}$ काढून टाकल्याने या उपयोगांसाठी आवश्यक असलेल्या हायड्रोजनची शुद्धता सुनिश्चित होते. तयार झालेला $\text\{CO\}_2$ नंतर पोटॅशियम कार्बोनेटच्या द्रावणामध्ये किंवा इतर शोषकांद्वारे सहजपणे काढून टाकला जाऊ शकतो.

उच्च-स्तरीय विचार कौशल्ये (HOTS) प्रश्न

अल्कधर्मी धातूंसारखे ($1s^1$) इलेक्ट्रॉनिक संरूपण असूनही, हायड्रोजन सामान्यतः जलीय द्रावणांमध्ये (aqueous solutions) $\text\{H\}^+$ आयन तयार करत नाही आणि त्याचे रसायनशास्त्र वेगळे आहे. हायड्रोजनचे वर्तन अद्वितीय (unique) का आहे आणि ते अल्कधर्मी धातू किंवा हॅलोजन्ससारखे पूर्णपणे सदृश (analogous) का नाही हे स्पष्ट करा.

विस्तृत रासायनिक स्पष्टीकरण:

आवर्त सारणीमधील (periodic table) हायड्रोजनचे अद्वितीय स्थान आणि त्याचे विशिष्ट रासायनिक वर्तन प्रामुख्याने त्याच्या अत्यंत लहान आकारामुळे, उच्च आयनीकरण एन्थाल्पीमुळे (ionization enthalpy) आणि हॅलोजन्सच्या तुलनेत तुलनेने कमी इलेक्ट्रॉन ग्रहण एन्थाल्पीमुळे (electron gain enthalpy) होते.

1. उच्च आयनीकरण एन्थाल्पी:

   • हायड्रोजनसाठी, $1s$ कक्षेतील (orbital) एकमेव इलेक्ट्रॉन केंद्रकाच्या (nucleus) खूप जवळ असतो, ज्यामुळे मजबूत केंद्रकीय आकर्षण (strong nuclear attraction) होते. त्याची आयनीकरण एन्थाल्पी (1312 kJ/mol) अल्कधर्मी धातूंच्या (उदा. Li: 520 kJ/mol, Na: 496 kJ/mol) तुलनेत खूप जास्त आहे.
   • या उच्च आयनीकरण एन्थाल्पीचा अर्थ असा आहे की इलेक्ट्रॉन गमावून एकटा $\text\{H\}^+$ आयन (एक प्रोटॉन) तयार करणे ऊर्जादृष्ट्या अत्यंत प्रतिकूल आहे. एकट्या प्रोटॉनमध्ये अत्यंत उच्च प्रभार घनता (charge density) असते आणि तो जलीय द्रावणांमध्ये कधीही मुक्त अवस्थेत आढळत नाही. त्याऐवजी, तो इतर रेणूंशी, विशेषतः पाण्याशी, सहजपणे जोडला जाऊन हायड्रोनियम आयन ($\text\{H\}_3\text\{O\}^+$) किंवा इतर प्रोटोनिक प्रजाती (protonated species) तयार करतो. हे त्याला अल्कधर्मी धातूंपासून लक्षणीयरीत्या वेगळे करते, जे सहजपणे स्थिर, जलीय $\text\{M\}^+$ आयन तयार करतात.

2. इलेक्ट्रॉन ग्रहण एन्थाल्पी:

   • हायड्रोजनची इलेक्ट्रॉन ग्रहण एन्थाल्पी किंचित नकारात्मक (-73 kJ/mol) आहे, जी हॅलोजन्सच्या (उदा. F: -328 kJ/mol, Cl: -349 kJ/mol) तुलनेत खूप कमी नकारात्मक (कमी उष्णतादायी) आहे.
   • हायड्रोजन इलेक्ट्रॉन मिळवून हायड्राइड आयन ($\text\{H\}^-$) तयार करू शकतो, तरीही $\text\{H\}^-$ ची स्थिरता सामान्यतः हॅलाईड आयनांपेक्षा ($\text\{X\}^-$) कमी असते. कमी धनविद्युत (less electropositive) मूलद्रव्यांशी अभिक्रिया करताना $\text\{H\}^-$ च्या निर्मितीसाठी लक्षणीय ऊर्जा लागते. हे वर्तन प्रामुख्याने अल्कधर्मी आणि अल्कधर्मी मृदा धातूंसारख्या (alkali and alkaline earth metals) अत्यंत धनविद्युत मूलद्रव्यांमध्ये दिसून येते, जे आयनिक हायड्राइड्स तयार करतात.

3. सहसंयुजी बंध निर्मिती:

   • त्याच्या मध्यम विद्युतऋणतेमुळे (electronegativity) (पॉलिंग मापनश्रेणीवर 2.20), हायड्रोजन प्रामुख्याने आपला इलेक्ट्रॉन सामायिक करून स्थिर सहसंयुजी बंध (covalent bonds) तयार करतो. हे अल्कधर्मी धातूंच्या पूर्णपणे विरुद्ध आहे, जे प्रामुख्याने आयनिक संयुगे तयार करतात, आणि हॅलोजन्सच्या देखील विरुद्ध आहे, जे महत्त्वपूर्ण सहसंयुजी बंध देखील तयार करू शकतात परंतु सामान्यतः अष्टक (octet) पूर्ण करण्याचे लक्ष्य ठेवतात.
   • एकच सहसंयुजी बंध तयार केल्याने हायड्रोजनला स्थिर द्विक संरूपण (stable duplet configuration) (हेलियमसारखे) प्राप्त होते, जी त्याची पसंत केलेली अवस्था आहे. सहसंयुजी बंध तयार करण्याची ही प्रवृत्ती मोठ्या संख्येने सेंद्रिय संयुगे (organic compounds) आणि अनेक असेंद्रिय हायड्राइड्सचा (inorganic hydrides) आधार आहे.

4. d-कक्षांची अनुपस्थिती:

   • अनेक p-खंड मूलद्रव्यांप्रमाणे, जे रिक्त d-कक्षांच्या (empty d-orbitals) उपलब्धतेमुळे आपले अष्टक (octet) वाढवू शकतात, हायड्रोजनला d-कक्षा नसतात. तो केवळ एक बंध तयार करू शकतो, मग तो सहसंयुजी असो किंवा आयनिक. हे त्याच्या संभाव्य गटातील पुढील मूलद्रव्यांच्या तुलनेत त्याची समन्वय संख्या (coordination number) आणि एकूण रासायनिक बहुमुखीत्व (chemical versatility) मर्यादित करते.

सारांश, हायड्रोजनचा अद्वितीय आकार, आयनीकरण ऊर्जा आणि इलेक्ट्रॉन बंधुता यामुळे ते स्वतःच्या रासायनिक श्रेणीमध्ये येते. हे एक सेतू मूलद्रव्य (bridge element) आहे जे गट 1 आणि गट 17 या दोन्हीचे काही पैलू दर्शवू शकते, परंतु मूलभूतपणे, त्याचा लहान आकार आणि सहसंयुजी बंधाने स्थिर द्विक पूर्ण करण्याची प्रवृत्ती त्याच्या विशिष्ट आणि समृद्ध रसायनशास्त्राला निर्धारित करते.