आयर्न (Fe) रसायनशास्त्र - सराव प्रश्न

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

आयर्न आयनांबद्दल खालीलपैकी कोणते विधान अचूक आहे? (A) Fe3+ (aq) मध्ये d5 इलेक्ट्रॉनिक संरूपण असते. (B) Fe2+ (aq) हे एक क्षपणकारक (reducing agent) म्हणून कार्य करते. (C) Fe3+ (aq) हे सामान्यतः Fe2+ (aq) पेक्षा आम्लधर्मीय जलीय द्रावणात अधिक स्थिर असते, कारण त्यात अर्ध-भरलेले d-कक्षक संरूपण असते. (D) Fe3+ (aq) हे तीव्र ऑक्सिडीकरणकारकांच्या (oxidizing agents) उपस्थितीत Fe2+ (aq) मध्ये सहजपणे क्षपित होते.

उत्तर: योग्य उत्तर आहे (D).

स्पष्टीकरण:

• (A) Fe चे इलेक्ट्रॉनिक संरूपण [Ar] 3d6 4s2 आहे. Fe3+ तीन इलेक्ट्रॉन गमावते (दोन 4s मधून आणि एक 3d मधून), परिणामी [Ar] 3d5 होते. हे विधान योग्य आहे.
• (B) Fe2+ (d6) अधिक स्थिर Fe3+ (d5) संरूपण तयार करण्यासाठी सहजपणे एक इलेक्ट्रॉन गमावते. म्हणूनच, Fe2+ हे क्षपणकारक म्हणून कार्य करते. हे विधान योग्य आहे.
• (C) Fe3+ चे d5 संरूपण हे अर्ध-भरलेल्या d-कक्षकाचे प्रतिनिधित्व करते, जे अतिरिक्त स्थिरता प्रदान करते. अशा प्रकारे, Fe3+ हे आम्लधर्मीय जलीय द्रावणात Fe2+ पेक्षा सामान्यतः अधिक स्थिर असते. हे विधान योग्य आहे.
• (D) Fe3+ स्वतःच एक ऑक्सिडीकरणकारक आहे (ते क्षपित होते). म्हणूनच, ते क्षपणकारकांच्या उपस्थितीत Fe2+ मध्ये क्षपित होईल, ऑक्सिडीकरणकारकांच्या उपस्थितीत नाही. तीव्र ऑक्सिडीकरणकारक आयर्नला त्याच्या उच्च ऑक्सिडीकरण स्थितीत (Fe3+) ठेवण्याचा किंवा Fe2+ ला Fe3+ मध्ये ऑक्सिडीकरण करण्याचा प्रयत्न करतील. हे विधान अचूक आहे.

प्रश्न 2

आयर्नच्या निष्कर्षणामध्ये, ब्लास्ट फर्नेसच्या ‘दहन क्षेत्रात’ (बॉश) खालीलपैकी कोणती अभिक्रिया प्रामुख्याने घडते? (A) CaCO3 → CaO + CO2 (B) Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 (C) C + O2 → CO2 (D) CaO + SiO2 → CaSiO3

उत्तर: योग्य उत्तर आहे (C).

स्पष्टीकरण: ब्लास्ट फर्नेस विशिष्ट तापमान क्षेत्रांमध्ये कार्य करते:

• (A) CaCO3 → CaO + CO2: ही चुनखडीची कॅल्सीनेशन प्रक्रिया आहे, जी वरच्या, थंड क्षेत्रांमध्ये (सुमारे 800-900 °C) होते.
• (B) Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2: ही कार्बन मोनॉक्साईडद्वारे आयर्न ऑक्साईडची मुख्य क्षपण अभिक्रिया आहे, जी मध्य आणि खालच्या क्षेत्रांमध्ये (400-700 °C, आणि 1200 °C पर्यंत) घडते.
• (C) C + O2 → CO2: कोकला गरम हवेसह जाळण्याची ही अभिक्रिया अत्यंत उष्णतादायी (exothermic) आहे आणि फर्नेसच्या कार्यासाठी आवश्यक असलेले उच्च तापमान प्रदान करते. ही अभिक्रिया ‘बॉश’ किंवा दहन क्षेत्रात (1500-1900 °C) होते, जिथे गरम हवा फुंकली जाते त्या ट्युयेर्सच्या (tuyeres) अगदी वर. तयार झालेला CO2 पुढील गरम कोकलासह अभिक्रिया करून CO तयार करतो, जो प्राथमिक क्षपणकारक म्हणून कार्य करतो.
• (D) CaO + SiO2 → CaSiO3: ही स्लैग निर्मितीची अभिक्रिया आहे, जिथे आम्लधर्मीय अशुद्धी (उदा. SiO2) मूलभूत फ्लक्स (CaO) सह अभिक्रिया करून वितळलेला स्लैग तयार करते. हे स्लैग निर्मिती क्षेत्रात (सुमारे 1000-1200 °C) घडते.

प्रश्न 3

जेव्हा फेरिक क्लोराईड (FeCl3) च्या द्रावणावर पोटॅशियम फेरोसायनाईड [K4Fe(CN)6] ची प्रक्रिया केली जाते, तेव्हा एक गडद निळा अवक्षेप (precipitate) तयार होतो. हा अवक्षेप या नावाने ओळखला जातो: (A) प्रशियन ब्लू (B) टर्नबल्स ब्लू (C) मोहर्स सॉल्ट (D) ब्लू विट्रिओल

उत्तर: योग्य उत्तर आहे (A).

स्पष्टीकरण:

• (A) फेरिक लवणे (Fe3+) आणि पोटॅशियम फेरोसायनाईड (K4[Fe(CN)6]) यांच्यातील अभिक्रियामुळे प्रशियन ब्लू नावाचा एक गडद निळा अवक्षेप तयार होतो, ज्याचे सामान्य सूत्र KFe[Fe(CN)6] किंवा Fe4[Fe(CN)6]3 आहे. 4FeCl3 + 3K4[Fe(CN)6] → Fe4[Fe(CN)6]3(s) + 12KCl ही अभिक्रिया Fe3+ आयनांच्या चाचणीसाठी वापरली जाते.
• (B) टर्नबल्स ब्लू हे फेरस लवणे (Fe2+) आणि पोटॅशियम फेरिसायनाईड (K3[Fe(CN)6]) यांच्या अभिक्रियेने तयार होते. त्याची नेमकी रचना गुंतागुंतीची आहे, परंतु ती अनेकदा प्रशियन ब्लू सारखीच, कधीकधी तर हुबेहूब (Fe3[Fe(CN)6]2) मानली जाते.
• (C) मोहर्स सॉल्ट हे अमोनियम फेरस सल्फेट हेक्साहायड्रेट, (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O आहे, जे फेरस आयर्नचे एक स्थिर दुहेरी लवण (double salt) आहे.
• (D) ब्लू विट्रिओल हे कॉपर(II) सल्फेट पेंटाहायड्रेट, CuSO4·5H2O चे सामान्य नाव आहे.

---

अभिकथन-कारण प्रश्न

सूचना: खालील प्रश्नांमध्ये, एक अभिकथन (A) दिले आहे आणि त्यानंतर त्याचे कारण (R) दिले आहे. योग्य पर्याय निवडा: (A) जर A आणि R दोन्ही सत्य असतील आणि R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण असेल. (B) जर A आणि R दोन्ही सत्य असतील परंतु R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण नसेल. (C) जर A सत्य असेल पण R असत्य असेल. (D) जर A असत्य असेल पण R सत्य असेल. (E) जर A आणि R दोन्ही असत्य असतील.

प्रश्न 1

अभिकथन (A): फेरस लवणे हवेच्या संपर्कात आल्यावर सहजपणे फेरिक लवणांमध्ये ऑक्सिडीकृत होतात. कारण (R): फेरिक आयन (Fe3+) हे फेरस आयनांपेक्षा (Fe2+) अधिक स्थिर असतात, कारण त्यामध्ये अर्ध-भरलेले d5 इलेक्ट्रॉनिक संरूपण असते.

उत्तर: योग्य उत्तर आहे (A).

स्पष्टीकरण:

• अभिकथन (A) सत्य आहे. फेरस लवणे (ज्यामध्ये Fe2+ असते) हे तीव्र क्षपणकारक आहेत आणि वातावरणातील ऑक्सिजनद्वारे सहजपणे फेरिक लवणांमध्ये (ज्यामध्ये Fe3+ असते) ऑक्सिडीकृत होतात, विशेषतः आर्द्रता किंवा द्रावणात असताना. उदाहरणार्थ, FeSO4 चे स्वच्छ द्रावण हवेत ठेवल्यावर Fe2(SO4)3 किंवा Fe(OH)SO4 तयार झाल्यामुळे हळूहळू पिवळसर-तपकिरी होते.
• कारण (R) सत्य आहे. Fe2+ चे इलेक्ट्रॉनिक संरूपण [Ar] 3d6 आहे, आणि Fe3+ चे [Ar] 3d5 आहे. d5 संरूपण हे अर्ध-भरलेले d-उपशेल आहे, ज्यामध्ये समरूपता (symmetry) आणि विनिमय ऊर्जा (exchange energy) मुळे अतिरिक्त स्थिरता असते. ही आंतरिक स्थिरता Fe2+ चे Fe3+ मध्ये ऑक्सिडीकरण घडवून आणते.
• R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे. Fe3+ (d5) ची अधिक स्थिरता हे Fe2+ (d6) इलेक्ट्रॉन गमावून Fe3+ मध्ये ऑक्सिडीकृत होण्याचे मूळ कारण आहे.

प्रश्न 2

अभिकथन (A): तीव्र नायट्रिक आम्लासह प्रक्रिया केल्यावर आयर्न निष्क्रिय (passive) होते. कारण (R): तीव्र नायट्रिक आम्ल आयर्नच्या पृष्ठभागावर आयर्न ऑक्साईडचा संरक्षक, छिद्रहीन थर तयार करते.

उत्तर: योग्य उत्तर आहे (A).

स्पष्टीकरण:

• अभिकथन (A) सत्य आहे. जेव्हा आयर्नला तीव्र नायट्रिक आम्लासह प्रक्रिया केली जाते, तेव्हा ते निष्क्रिय होते, म्हणजेच ते आपली वैशिष्ट्यपूर्ण रासायनिक अभिक्रियाशीलता गमावते (उदा. ते आता विरल आम्लांसह अभिक्रिया करत नाही किंवा कॉपर सल्फेट द्रावणातून कॉपरला विस्थापित करत नाही).
• कारण (R) सत्य आहे. तीव्र नायट्रिक आम्ल हे एक तीव्र ऑक्सिडीकरणकारक आहे. ते आयर्नच्या पृष्ठभागाचे ऑक्सिडीकरण करून आयर्न ऑक्साईडचा (जसे की Fe3O4 किंवा Fe2O3) एक पातळ, चिकट, छिद्रहीन आणि अभेद्य थर तयार करते. हा ऑक्साईड थर एक संरक्षक अडथळा म्हणून कार्य करतो, ज्यामुळे खालील धातूची आम्ल किंवा इतर अभिकारकांसोबत पुढील अभिक्रिया थांबते.
• R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे. या संरक्षक ऑक्साईड थराची निर्मिती हेच नेमके कारण आहे की आयर्न तीव्र नायट्रिक आम्लाबाबत निष्क्रियता (passivation) दर्शवते.

---

लघुत्तरी प्रश्न

प्रश्न 1

आयर्नच्या दुहेरी लवणाचे रासायनिक सूत्र आणि नाव द्या. ते आयर्न सल्फेटपेक्षा आयतनमितीय विश्लेषणासाठी (volumetric analysis) का पसंत केले जाते?

आदर्श उत्तर:

• रासायनिक सूत्र: (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O
• नाव: अमोनियम फेरस सल्फेट हेक्साहायड्रेट, सामान्यतः मोहर्स सॉल्ट म्हणून ओळखले जाते.

पसंतीचे कारण: मोहर्स सॉल्ट हे साध्या फेरस सल्फेट (FeSO4·7H2O) पेक्षा आयतनमितीय विश्लेषणासाठी (उदा. KMnO4 सोबतच्या रेडॉक्स टायट्रेशनमध्ये) पसंत केले जाते, कारण ते ऑक्सिडीकरणास अधिक स्थिर असते.

1. ऑक्सिडीकरणास प्रतिकार: फेरस सल्फेट हवेच्या संपर्कात आल्यावर, विशेषतः जलीय द्रावणात, वातावरणातील ऑक्सिजनद्वारे फेरिक सल्फेट (Fe2(SO4)3) मध्ये सहजपणे ऑक्सिडीकृत होते. यामुळे कालांतराने त्याची एकाग्रता बदलते, ज्यामुळे ते अचूक आयतनमितीय मोजमापांसाठी अयोग्य ठरते.
2. मोहर्स सॉल्टची स्थिरता: मोहर्स सॉल्ट हे एक स्थिर दुहेरी लवण आहे. मोहर्स सॉल्टमधील अमोनियम आयन (NH4+) Fe2+ आयनाला स्थिर करण्यास मदत करते. जलीय द्रावणात, अमोनियम आयन जलविघटनामुळे (hydrolysis) किंचित आम्लीकरण करते, ज्यामुळे स्थानिक पातळीवर आम्लधर्मीय वातावरण तयार होते. ही आम्लधर्मीय स्थिती वातावरणातील ऑक्सिजनद्वारे Fe2+ चे Fe3+ मध्ये ऑक्सिडीकरण लक्षणीयरीत्या कमी करते, ज्यामुळे त्याची एकाग्रता दीर्घकाळापर्यंत टिकून राहते.

प्रश्न 2

आयर्नच्या ऑक्साईड धातूपासून निष्कर्षण करताना ब्लास्ट फर्नेसच्या वेगवेगळ्या तापमान क्षेत्रांमध्ये घडणाऱ्या मुख्य रासायनिक अभिक्रियां वर्णन करा.

आदर्श उत्तर: ब्लास्ट फर्नेस हे एक काउंटर-करंट (counter-current) रिअॅक्टर आहे, जिथे विशिष्ट रासायनिक अभिक्रिया वेगवेगळ्या तापमान क्षेत्रांमध्ये घडतात:

1. दहन क्षेत्र (बॉश, 1500-1900 °C): तळाशी असलेले हे सर्वात उष्ण क्षेत्र आहे. ट्युयेर्समधून गरम हवा आत फुंकली जाते, जी कोक (कार्बन) सह अभिक्रिया करून उष्णता आणि कार्बन डायऑक्साइड निर्माण करते.

   • C(s) + O2(g) → CO2(g) (अत्यंत उष्णतादायी, प्राथमिक उष्णता प्रदान करते)
   • तयार झालेला CO2 नंतर तळपणाऱ्या कोकलासह अभिक्रिया करून कार्बन मोनॉक्साईड तयार करतो, जो मुख्य क्षपणकारक आहे: CO2(g) + C(s) → 2CO(g) (उष्णताशोषक)

2. स्लैग निर्मिती क्षेत्र (मध्य, 1000-1200 °C): या क्षेत्रात, चुनखडी (फ्लक्स) विघटित होते, आणि परिणामी कॅल्शियम ऑक्साईड धातूमध्ये असलेल्या सिलिका (वाळू) सारख्या आम्लधर्मीय अशुद्धींसह अभिक्रिया करते.

   • CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) (फ्लक्सचे कॅल्सीनेशन)
   • CaO(s) + SiO2(s) → CaSiO3(l) (स्लैगची निर्मिती, जे वितळलेल्या आयर्नपेक्षा हलके असते आणि वर तरंगते)

3. क्षपण क्षेत्र (वरच्या ते मध्य, 400-900 °C): वरच्या थंड प्रदेशात, कार्बन मोनॉक्साईडद्वारे आयर्न ऑक्साईडचे क्रमाक्रमाने क्षपण होते.

   • वरचे क्षेत्र (400-600 °C): उच्च ऑक्साईडचे अप्रत्यक्ष क्षपण. 3Fe2O3(s) + CO(g) → 2Fe3O4(s) + CO2(g)
   • मध्य क्षेत्र (600-700 °C): पुढील क्षपण. Fe3O4(s) + CO(g) → 3FeO(s) + CO2(g) Fe3O4(s) + 4CO(g) → 3Fe(s) + 4CO2(g) (उच्च तापमानावर)
   • खालचे क्षेत्र (800-900 °C): फेरस ऑक्साईड (FeO) चे आयर्नमध्ये क्षपण होते. FeO(s) + CO(g) → Fe(s) + CO2(g)
   • प्रत्यक्ष क्षपण (उच्च तापमानावर, >900 °C): कार्बनद्वारे काही प्रत्यक्ष क्षपण देखील होते. FeO(s) + C(s) → Fe(s) + CO(g)

वितळलेले आयर्न, ज्याला पिग आयर्न म्हणतात, फर्नेसच्या तळाशी जमा होते, तर वितळलेला स्लैग त्याच्यावर तरंगतो आणि स्वतंत्रपणे काढला जातो.

---

उच्च विचार कौशल्य (HOTS) प्रश्न

प्रश्न 1

Fe2+ जलीय द्रावणात एक तीव्र क्षपणकारक का आहे, तर Fe3+ ऑक्सिडीकरणकारक म्हणून कसे कार्य करते हे स्पष्ट करा. pH सह या आयनांची स्थिरता कशी बदलते, विशेषतः आम्लधर्मीय माध्यमात Fe2+ च्या स्थिरतेची मूलभूत माध्यमाशी तुलना करून चर्चा करा.

सविस्तर रासायनिक स्पष्टीकरण:

1. Fe2+ आणि Fe3+ चे रेडॉक्स वर्तन:

   • इलेक्ट्रॉनिक संरूपण: आयर्न (Fe) चे इलेक्ट्रॉनिक संरूपण [Ar] 3d6 4s2 आहे.
     • Fe2+ (फेरस आयन): [Ar] 3d6. यात चार अयुग्मित इलेक्ट्रॉन (unpaired electrons) आहेत.
     • Fe3+ (फेरिक आयन): [Ar] 3d5. हे अर्ध-भरलेले d-उपशेल आहे, जे उच्च विनिमय ऊर्जा (exchange energy) आणि सममितीय वितरणामुळे (symmetrical distribution) अतिरिक्त स्थिरता प्रदान करते.
   • Fe2+ एक क्षपणकारक म्हणून: d5 संरूपणाच्या वाढीव स्थिरतेमुळे, Fe2+ सहजपणे एक इलेक्ट्रॉन गमावून Fe3+ तयार करते. Fe2+(aq) → Fe3+(aq) + e- Fe3+/Fe2+ कपलसाठी मानक इलेक्ट्रोड संभाव्यता (E°) +0.77 V आहे. तथापि, जेव्हा ऑक्सिडीकरण म्हणून लिहिले जाते, Fe2+ → Fe3+ + e-, तेव्हा संभाव्यता -0.77 V असते. नकारात्मक ऑक्सिडीकरण संभाव्यता ऑक्सिडीकरणाची तीव्र प्रवृत्ती दर्शवते. अशा प्रकारे, Fe2+ एक तीव्र क्षपणकारक म्हणून कार्य करते, याचा अर्थ ते इतर प्रजातींना क्षपित करताना स्वतः ऑक्सिडीकृत होते (उदा. KMnO4 ला Mn2+ मध्ये किंवा K2Cr2O7 ला Cr3+ मध्ये क्षपित करणे).
   • Fe3+ एक ऑक्सिडीकरणकारक म्हणून: याउलट, Fe3+ (d5) Fe2+ चे d6 संरूपण प्राप्त करण्यासाठी एक इलेक्ट्रॉन मिळवू शकते. Fe3+(aq) + e- → Fe2+(aq) 0.77 V ची मानक क्षपण संभाव्यता दर्शवते की Fe3+ ला क्षपित होण्याची लक्षणीय प्रवृत्ती आहे. अशा प्रकारे, Fe3+ एक ऑक्सिडीकरणकारक म्हणून कार्य करते, याचा अर्थ ते इतर प्रजातींना ऑक्सिडीकृत करताना स्वतः क्षपित होते (उदा. I- ला I2 मध्ये ऑक्सिडीकृत करणे).

2. pH सह Fe(II) आणि Fe(III) ची स्थिरता: आयर्नच्या ऑक्सिडीकरण स्थितींची स्थिरता माध्यमाच्या pH द्वारे लक्षणीयरीत्या प्रभावित होते, मुख्यतः अविद्राव्य हायड्रॉक्साईड्सच्या निर्मितीमुळे.

   • आम्लधर्मीय माध्यमात Fe2+: आम्लधर्मीय द्रावणात, Fe2+ आयन प्रामुख्याने हायड्रेटेड आयन, [Fe(H2O)6]2+ म्हणून अस्तित्वात असतात. जरी ते क्षपणकारक असले तरी, तीव्र ऑक्सिडीकरणकारक किंवा उत्प्रेरकांच्या अनुपस्थितीत Fe3+ मध्ये त्यांचे ऑक्सिडीकरण तुलनेने मंद असते. H+ आयनांची उच्च एकाग्रता Fe(OH)2 च्या निर्मितीस प्रतिबंध करते, जे अन्यथा सहजपणे ऑक्सिडीकृत होईल. Fe3+/Fe2+ कपलसाठी मानक संभाव्यता (+0.77 V) आम्लधर्मीय स्थितींचा संदर्भ देते.

   • मूलभूत माध्यमात Fe2+: मूलभूत (अल्कधर्मीय) द्रावणात, Fe2+ आयन फेरस हायड्रॉक्साईड, Fe(OH)2(s) म्हणून वेगाने अवक्षेपित होतात, जो एक पांढरा अवक्षेप आहे. Fe2+(aq) + 2OH-(aq) → Fe(OH)2(s) Fe(OH)2 हे Fe2+(aq) आयनपेक्षा ऑक्सिडीकरणास खूप कमी स्थिर आहे. वातावरणातील ऑक्सिजनद्वारे देखील ते ऑक्सिडीकरणास अत्यंत संवेदनशील आहे. Fe(OH)3/Fe(OH)2 कपलसाठी मानक इलेक्ट्रोड संभाव्यता अंदाजे -0.56 V आहे. ही लक्षणीयरीत्या कमी संभाव्यता (अधिक नकारात्मक) याचा अर्थ असा की Fe(OH)2 हे Fe2+(aq) पेक्षा खूप तीव्र क्षपणकारक आहे आणि फेरिक हायड्रॉक्साईड, Fe(OH)3, (गंजेसारखा लालसर-तपकिरी अवक्षेप) मध्ये खूप सहजपणे ऑक्सिडीकृत होते. 4Fe(OH)2(s) + O2(g) + 2H2O(l) → 4Fe(OH)3(s) Fe(OH)2 च्या अवक्षेपणामुळे द्रावणातून Fe2+ आयन प्रभावीपणे काढून टाकले जातात, ज्यामुळे उर्वरित Fe2+ च्या पुढील ऑक्सिडीकरणाकडे संतुलन सरकते. अवक्षेप म्हणून Fe2+ काढून टाकणे आणि OH- आयनांची उच्च एकाग्रता ऑक्सिडीकरणास सुलभ करते, ज्यामुळे Fe(II) संयुगे मूलभूत माध्यमात अत्यंत अस्थिर होतात.

निष्कर्ष: Fe2+ हे सर्वसाधारणपणे क्षपणकारक आणि Fe3+ हे ऑक्सिडीकरणकारक असले तरी, त्यांची सापेक्ष स्थिरता आणि अभिक्रियाशीलता pH द्वारे मोठ्या प्रमाणात प्रभावित होते. Fe3+ (d5) हे Fe2+ (d6) पेक्षा स्वाभाविकपणे अधिक स्थिर आहे. या स्थिरतेतील फरकाचा आम्लधर्मीय परिस्थितीत फायदा होतो. तथापि, मूलभूत परिस्थितीत, अविद्राव्य हायड्रॉक्साईड्सच्या निर्मितीमुळे Fe(II) प्रजातींची क्षपण शक्ती (reducing power) नाटकीयरित्या वाढते, ज्यामुळे Fe(OH)2 आम्लधर्मीय द्रावणातील Fe2+ च्या तुलनेत ऑक्सिडीकरणास खूप जास्त प्रवण होते.