हायड्रोजनची महत्त्वाची रासायनिक संयुगे

हायड्रोजनच्या प्रमुख संयुगांची ओळख

हायड्रोजन हे विश्वातील सर्वात हलके आणि सर्वाधिक प्रमाणात आढळणारे मूलद्रव्य असल्यामुळे ते अनेक प्रकारची संयुगे तयार करते. उच्च माध्यमिक रसायनशास्त्रासाठी, सर्वाधिक अभ्यासली जाणारी संयुगे म्हणजे त्याची ऑक्साईड्स (पाणी आणि हायड्रोजन पेरॉक्साइड) आणि हायड्रोजन क्लोराईडसारखी काही महत्त्वाची हायड्राईड्स. हे मार्गदर्शक त्यांच्या निर्मिती, गुणधर्म आणि महत्त्वपूर्ण रासायनिक अभिक्रियांवर लक्ष केंद्रित करते.

---

1. पाणी (H₂O)

रासायनिक सूत्र आणि सामान्य नाव

• रासायनिक सूत्र: H₂O
• सामान्य नाव: पाणी

प्रयोगशाळेतील निर्मिती (संश्लेषण)

नैसर्गिक स्त्रोतांपासून पाणी सामान्यतः शुद्ध स्वरूपात मिळते. मूलद्रव्यांपासून त्याचे संश्लेषण त्याची निर्मिती दर्शवते.

• समीकरण: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l)

गुणधर्म

• भौतिक गुणधर्म:
  • रंगहीन, गंधहीन, चवहीन द्रव.
  • वितळण्याचा बिंदू: 0 °C (273.15 K)
  • उत्कलन बिंदू: 100 °C (373.15 K)
  • कमाल घनता: 4 °C वर 1 g/cm³.
  • हायड्रोजन बंधामुळे उच्च विशिष्ट उष्णता आणि बाष्पीभवनाची सुप्त उष्णता.
• रासायनिक गुणधर्म:
  • उभयधर्मी (Amphoteric) स्वरूप: आम्ल आणि आम्लारी (अल्कली) या दोन्हीप्रमाणे कार्य करते.
    • आम्ल म्हणून: H₂O + NH₃ ⇌ OH⁻ + NH₄⁺
    • आम्लारी म्हणून: H₂O + H₂S ⇌ H₃O⁺ + HS⁻
  • रेडॉक्स अभिक्रिया: ऑक्सिडीकरण आणि क्षपणक या दोन्हीप्रमाणे कार्य करू शकते.
    • ऑक्सिडीकरण (विद्युतधनात्मक धातूंशी): 2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g)
    • क्षपणक (उच्च तापमानावर अत्यंत विद्युतऋणात्मक अधातूंशी): C(s) + H₂O(g) → CO(g) + H₂(g) (वॉटर गॅस शिफ्ट)
  • जलीय अपघटन (Hydrolysis): अनेक आयनिक आणि सहसंयुज संयुगांशी अभिक्रिया.
    • सहसंयुज: P₄O₁₀(s) + 6H₂O(l) → 4H₃PO₄(aq)
    • आयनिक: Na₂CO₃(s) + 2H₂O(l) → H₂CO₃(aq) + 2NaOH(aq) (आंशिक जलीय अपघटन ज्यामुळे आम्लारीयुक्त द्रावण तयार होते)

परीक्षेशी संबंधित अभिक्रिया

1. सक्रिय धातूंशी अभिक्रिया:
   • 2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g)
   • Ca(s) + 2H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g)
2. हॅलोजन्सशी अभिक्रिया (गरम पाणी):
   • 2F₂(g) + 2H₂O(l) → 4HF(aq) + O₂(g)
3. कार्बाईड्सचे जलीय अपघटन (उदा. कॅल्शियम कार्बाईड):
   • CaC₂(s) + 2H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + C₂H₂(g) (इथाईनची निर्मिती)
4. पाण्याची कठोरता:
   • अस्थायी कठोरता (Ca आणि Mg च्या बायकार्बोनेट्समुळे):
     • उकळून दूर करणे: Ca(HCO₃)₂(aq) → CaCO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(g)
     • क्लार्कच्या प्रक्रियेद्वारे दूर करणे: Ca(HCO₃)₂(aq) + Ca(OH)₂(aq) → 2CaCO₃(s) + 2H₂O(l)
   • कायमस्वरूपी कठोरता (Ca आणि Mg च्या क्लोराईड्स आणि सल्फेट्समुळे):
     • वॉशिंग सोडा वापरून दूर करणे: CaCl₂(aq) + Na₂CO₃(s) → CaCO₃(s) + 2NaCl(aq)
     • आयन-विनिमय (परम्यूटिट/झिओलाईट प्रक्रिया) द्वारे दूर करणे: Na₂Z(s) + Ca²⁺(aq) → CaZ(s) + 2Na⁺(aq) (येथे Z म्हणजे झिओलाईट)

---

2. हायड्रोजन पेरॉक्साइड (H₂O₂)

रासायनिक सूत्र आणि सामान्य नाव

• रासायनिक सूत्र: H₂O₂
• सामान्य नाव: हायड्रोजन पेरॉक्साइड

निर्मिती प्रक्रिया

1. बेरियम पेरॉक्साइडपासून (जुनी पद्धत):
   • समीकरण: BaO₂(s) + H₂SO₄(aq) → BaSO₄(s) + H₂O₂(aq)
   • BaSO₄ अविद्राव्य असल्यामुळे ते गाळून वेगळे करता येते. विघटन टाळण्यासाठी ‘जलयुक्त’ बेरियम पेरॉक्साइड BaO₂·8H₂O आणि थंड विरल सल्फ्यूरिक आम्ल आवश्यक आहे.
2. विद्युत अपघटनी प्रक्रिया (पेरॉक्सोडिसल्फेट प्रक्रिया):
   • 50% H₂SO₄ किंवा (NH₄)₂SO₄ चे H₂SO₄ मध्ये विद्युत अपघटन.
   • समीकरणे:
     • 2H₂SO₄(l) → H₂S₂O₈(l) + H₂(g) (ॲनोडवर)
     • H₂S₂O₈(l) + 2H₂O(l) → 2H₂SO₄(l) + H₂O₂(l) (पेरॉक्सोडिसल्फ्यूरिक आम्लाचे जलीय अपघटन)
3. 2-एथिलॲन्थ्राक्विनॉलचे स्वयंप्रकाशीकरण (औद्योगिक पद्धत):
   • ही सर्वात महत्त्वाची औद्योगिक पद्धत आहे. 2-एथिलॲन्थ्राक्विनॉलचे हवेमार्फत 2-एथिलॲन्थ्राक्विनोन आणि H₂O₂ मध्ये ऑक्सिडीकरण केले जाते. त्यानंतर क्विनोनचे उत्प्रेरकीय हायड्रोजनीकरण करून ते क्विनॉलमध्ये परत रूपांतरित केले जाते.

गुणधर्म

• भौतिक गुणधर्म:
  • शुद्ध H₂O₂ हे फिकट निळे, घट्ट द्रव आहे.
  • पाण्यात सर्व प्रमाणात मिसळणारे (miscible).
  • घनता: 20 °C वर 1.44 g/cm³ (पाण्यापेक्षा जास्त).
• रासायनिक गुणधर्म:
  • विघटन: अस्थिर असून प्रकाश, उष्णता किंवा उत्प्रेरकांच्या (धातू, धातू ऑक्साईड्स) उपस्थितीत पाणी आणि ऑक्सिजनमध्ये विघटित होते.
    • समीकरण: 2H₂O₂(l) → 2H₂O(l) + O₂(g)
  • ऑक्सिडीकरण कारक (Oxidising Agent): आम्ल आणि आम्लारी (अल्कली) या दोन्ही माध्यमांमध्ये.
    • आम्लीय: PbS(s) + 4H₂O₂(aq) → PbSO₄(s) + 4H₂O(l) (काळ्या PbS ला पांढरे करते)
    • आम्लारीय: 2Fe²⁺(aq) + H₂O₂(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2OH⁻(aq)
  • क्षपणक (Reducing Agent): आम्ल आणि आम्लारी या दोन्ही माध्यमांमध्ये. (कमी सामान्य, सहसा तीव्र ऑक्सिडीकरण कारकांसह).
    • आम्लीय: 2KMnO₄(aq) + 3H₂SO₄(aq) + 5H₂O₂(aq) → K₂SO₄(aq) + 2MnSO₄(aq) + 8H₂O(l) + 5O₂(g)
    • आम्लारीय: 2K₃[Fe(CN)₆](aq) + 2KOH(aq) + H₂O₂(aq) → 2K₄[Fe(CN)₆](aq) + 2H₂O(l) + O₂(g)

परीक्षेशी संबंधित अभिक्रिया

1. विरंजन क्रिया (Bleaching Action) (ऑक्सिडीकरण गुणधर्म): नवजात ऑक्सिजनच्या मुक्ततेमुळे.
   • H₂O₂(aq) → H₂O(l) + [O]
   • रंगीत पदार्थ + [O] → रंगहीन पदार्थ
2. H₂O₂ चे निदान (टायटॅनियम सल्फेट चाचणी):
   • Ti(SO₄)₂(aq) + H₂O₂(aq) + 2H₂O(l) → TiO₂(SO₄)₂(aq) + 2H₂SO₄(aq)
   • पिवळा/केशरी संकुल (पेरॉक्सोटायटॅनिक आम्ल), H₂TiO₄, तयार होते.

---

3. हायड्रोजन क्लोराईड (HCl)

रासायनिक सूत्र आणि सामान्य नाव

• रासायनिक सूत्र: HCl
• सामान्य नाव: हायड्रोजन क्लोराईड (वायू), हायड्रोक्लोरिक आम्ल (जलीय द्रावण)

प्रयोगशाळेतील निर्मिती

हायड्रोजन क्लोराईड वायू सामान्यतः सामान्य मिठावर तीव्र सल्फ्यूरिक आम्लाची अभिक्रिया करून तयार केला जातो.

• समीकरण: NaCl(s) + H₂SO₄(conc)(l) → NaHSO₄(s) + HCl(g) (200°C पेक्षा कमी तापमानावर)
  • उच्च तापमानावर (200°C च्या वर), अभिक्रिया अशी होते: 2NaCl(s) + H₂SO₄(conc)(l) → Na₂SO₄(s) + 2HCl(g)

गुणधर्म

• भौतिक गुणधर्म:
  • तीव्र वासाचा रंगहीन वायू.
  • पाण्यात अत्यंत विद्राव्य, हायड्रोक्लोरिक आम्ल तयार करतो.
  • अज्वलनशील.
• रासायनिक गुणधर्म:
  • आम्लीय स्वरूप: पाण्यात विरघळल्यावर तीव्र आम्ल तयार करतो.
    • HCl(g) + H₂O(l) → H₃O⁺(aq) + Cl⁻(aq)
  • धातूंबरोबर अभिक्रिया: सक्रियता श्रेणीत हायड्रोजनच्या वरील सक्रिय धातूंशी अभिक्रिया करून हायड्रोजन वायू तयार करतो.
    • Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl₂(aq) + H₂(g)
  • धातू ऑक्साईड्स/हायड्रॉक्साईड्स (आम्लारी) बरोबर अभिक्रिया: क्षार आणि पाणी तयार करतो.
    • MgO(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂O(l)
    • NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l)
  • कार्बोनेट्स/बायकार्बोनेट्स बरोबर अभिक्रिया: कार्बन डायऑक्साइड वायू मुक्त करतो.
    • Na₂CO₃(s) + 2HCl(aq) → 2NaCl(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)
  • नायट्रेट्स बरोबर अभिक्रिया (उदा. सिल्व्हर नायट्रेट): सिल्व्हर क्लोराईडचा पांढरा अवक्षेप तयार होतो.
    • AgNO₃(aq) + HCl(aq) → AgCl(s) + HNO₃(aq) (क्लोराईड आयन्सच्या चाचणीसाठी वापरले जाते)
  • ॲक्वा रेजियाची निर्मिती: तीव्र HCl तीव्र HNO₃ शी 3:1 मोलर प्रमाणात अभिक्रिया करून ॲक्वा रेजिया तयार करतो, जो सोने आणि प्लॅटिनम सारख्या उदात्त धातूंना विरघळवू शकतो.
    • समीकरण: HNO₃(conc) + 3HCl(conc) → NOCl(g) + 2H₂O(l) + 2[Cl] (नवजात क्लोरीन)

परीक्षेशी संबंधित अभिक्रिया

1. HCl वायूची चाचणी (अमोनिया चाचणी):
   • NH₃(g) + HCl(g) → NH₄Cl(s) (अमोनियम क्लोराईडचे पांढरे, दाट धुर)
2. प्रयोगशाळा निर्मिती समीकरण (वरीलप्रमाणे).
3. आम्लीय गुणधर्म दर्शवणाऱ्या अभिक्रिया (धातू, आम्लारी, कार्बोनेटसह).
4. ॲक्वा रेजिया तयार करण्यासाठी अभिक्रिया.

---

तुलनात्मक गुणधर्मांचा सारांश

गुणधर्म	पाणी (H₂O)	हायड्रोजन पेरॉक्साइड (H₂O₂)	हायड्रोजन क्लोराईड (HCl)
अवस्था (शुद्ध)	द्रव	द्रव	वायू
स्वरूप	उभयधर्मी (आम्ल आणि आम्लारी)	ऑक्सिडीकरण आणि क्षपणक	तीव्र आम्ल (जलीय द्रावणात)
विघटन	स्थिर	अस्थिर, H₂O + O₂ मध्ये विघटित होते	स्थिर वायू, पाण्यात विरघळते
विद्राव्यता	उत्तम द्रावक	पाण्यात मिसळणारे	पाण्यात अत्यंत विद्राव्य (HCl आम्ल तयार करते)
H ची ऑक्सिडीकरण अवस्था	+1	+1	+1
प्रमुख उपयोग	सार्वत्रिक द्रावक, जलीयकरण	विरंजन कारक, जंतुनाशक, ऑक्सिडायझर/रिड्युसर	तीव्र आम्ल, स्टीलचे पिकलिंग, क्लोराईड्सचे उत्पादन
हायड्रोजन बंध	मजबूत आंतररेण्वीय H-बंध	पाण्यापेक्षा मजबूत H-बंध	द्रव अवस्थेत कमकुवत H-बंध, वायू म्हणून नाही