नायट्रोजन (N) रसायनावर आधारित सराव प्रश्न

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

1. नायट्रोजनच्या (N$_2$) सामान्य तापमानातील निष्क्रियतेचे खालीलपैकी कोणते विधान सर्वोत्तम स्पष्टीकरण देते?

A) नायट्रोजनचा अणु आकार लहान असतो. B) नायट्रोजनची उच्च ऋणविद्युत्ता (electronegativity) असते. C) N$_2$ मधील N≡N बंधाची बंध-विघटन ऊर्जा (bond dissociation enthalpy) खूप जास्त असते. D) नायट्रोजन अधातू आहे.

Solution: C Explanation: डायनायट्रोजन (N$_2$) मध्ये तिहेरी बंध (N≡N) असतो, जो खूप मजबूत असतो. N≡N बंधासाठीची बंध-विघटन ऊर्जा (bond dissociation enthalpy) अंदाजे 946 kJ/mol असते, जी द्विअण्विक रेणूंमध्ये ज्ञात असलेल्यांपैकी सर्वात जास्त आहे. बंध तोडण्यासाठी आवश्यक असलेल्या या उच्च ऊर्जेमुळे N$_2$ सामान्य तापमानावर रासायनिकदृष्ट्या निष्क्रिय आणि अविनाशी (unreactive) असतो.

2. अमोनियम नायट्रेट (NH$_4$NO$_3$) मध्ये नायट्रोजनची ऑक्सिडेशन अवस्था काय आहे?

A) +5 आणि -3 B) +3 आणि -5 C) +1 आणि -1 D) +4 आणि -4

Solution: A Explanation: अमोनियम नायट्रेट हे अमोनियम आयन (NH_4$$^+) आणि नायट्रेट आयन (NO_3$$^-) यांनी बनलेले एक आयनिक संयुग आहे. NH_4$$^+ मध्ये: N ची ऑक्सिडेशन अवस्था ‘x’ मानू. x + 4(+1) = +1 => x + 4 = +1 => x = -3. NO_3$$^- मध्ये: N ची ऑक्सिडेशन अवस्था ‘y’ मानू. y + 3(-2) = -1 => y - 6 = -1 => y = +5. म्हणून, नायट्रोजन NH$_4$NO$_3$ मध्ये दोन वेगवेगळ्या ऑक्सिडेशन अवस्था दाखवतो: अमोनियम आयनमध्ये -3 आणि नायट्रेट आयनमध्ये +5.

3. अमोनियाच्या निर्मितीसाठी हॅबर प्रक्रियेसाठी (Haber’s process) योग्य परिस्थितींचा संच खालीलपैकी कोणता आहे?

A) उच्च तापमान, कमी दाब, उत्प्रेरकाची उपस्थिती. B) कमी तापमान, उच्च दाब, उत्प्रेरकाची अनुपस्थिती. C) उच्च तापमान, उच्च दाब, उत्प्रेरकाची उपस्थिती. D) कमी तापमान, कमी दाब, उत्प्रेरकाची उपस्थिती.

Solution: C Explanation: हॅबर प्रक्रिया (N$_2$(g) + 3H$_2$(g) ⇌ 2NH$_3$(g), ΔH = -92.4 kJ/mol) ही एक उष्मादायी (exothermic) अभिक्रिया आहे, ज्यात मोल्सची संख्या कमी होते. ‘ल शॅटेलियरच्या तत्त्वानुसार’ (Le Chatelier’s principle):

• तापमान: ही अभिक्रिया उष्मादायी असल्यामुळे, कमी तापमान अमोनियाच्या निर्मितीस अनुकूल असते. तथापि, आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्य अभिक्रियेचा वेग (reaction rate) साध्य करण्यासाठी, 673-773 K (400-500 °C) या तापमानाचा वापर केला जातो.
• दाब: या अभिक्रियेत मोल्सच्या संख्येत घट होते (अभिक्रियाकारकांचे 4 मोल्स ते उत्पादनाचे 2 मोल्स). म्हणून, उच्च दाब अमोनियाच्या निर्मितीस अनुकूल असतो. सामान्यतः, 200-300 atm दाब वापरला जातो.
• उत्प्रेरक (Catalyst): अभिक्रियेचा वेग वाढवण्यासाठी लोह उत्प्रेरक (बऱ्याचदा मोलिब्डेनम (molybdenum) प्रवर्तक (promoter) म्हणून) वापरला जातो, ज्यामुळे समतोल (equilibrium) जलद साधला जातो, पण समतोलाची स्थिती बदलत नाही.

अशाप्रकारे, योग्य परिस्थितींचा संच म्हणजे उच्च तापमान (अभिक्रियेच्या वेगाच्या दृष्टीने), उच्च दाब आणि उत्प्रेरकाची उपस्थिती.

प्रतिपादन-कारण प्रश्न (Assertion-Reason Questions)

निर्देश: खालील प्रश्नांमध्ये, प्रतिपादन (Assertion) (A) विधानानंतर कारण (Reason) (R) विधान दिलेले 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, परंतु R असत्य आहे. D) A असत्य आहे, परंतु R सत्य आहे.

1. प्रतिपादन (A): डायनायट्रोजन (N$_2$) हा पांढऱ्या फॉस्फरस (P$_4$) पेक्षा कमी अभिक्रियाशील असतो.

कारण (R): नायट्रोजनमध्ये मजबूत N≡N बंध असतो आणि फॉस्फरसच्या विपरीत, बंध विस्तारणासाठी (bond expansion) त्यात d-कक्षक (d-orbitals) नसतात.

Solution: A Explanation:

• प्रतिपादन (A): डायनायट्रोजन खरोखरच पांढऱ्या फॉस्फरसपेक्षा कमी अभिक्रियाशील असतो. N$_2$ सामान्य तापमानावर खूप निष्क्रिय असतो, तर पांढरा फॉस्फरस अत्यंत अभिक्रियाशील असतो आणि हवेत आपोआप पेट घेतो.
• कारण (R): डायनायट्रोजनमधील N≡N तिहेरी बंधाची बंध-विघटन ऊर्जा (bond dissociation enthalpy) (946 kJ/mol) अपवादात्मकरित्या उच्च असते, ज्यामुळे तो तोडणे कठीण होते. हे त्याच्या निष्क्रियतेचे मुख्य कारण आहे. याव्यतिरिक्त, नायट्रोजनमध्ये त्याच्या संयोजी कवचात (valence shell) प्रवेशयोग्य d-कक्षक (d-orbitals) नसतात, ज्यामुळे तो त्याचा अष्टक (octet) विस्तारू शकत नाही आणि चारपेक्षा जास्त बंध बनवू शकत नाही. याउलट, फॉस्फरसमध्ये रिक्त d-कक्षक असतात, ज्यामुळे तो चारपेक्षा जास्त बंध (उदा. PCl$_5$) बनवू शकतो आणि विस्तृत श्रेणीच्या अभिक्रियांमध्ये भाग घेऊ शकतो. P$_4$ मधील P-P एकेरी बंध N≡N तिहेरी बंधापेक्षा कमकुवत असतो. A आणि R दोन्ही सत्य आहेत आणि R हे N$_2$ कमी अभिक्रियाशील का आहे याचे योग्य स्पष्टीकरण देते.

2. प्रतिपादन (A): सांद्र नायट्रिक आम्ल (concentrated nitric acid) एक मजबूत ऑक्सिडीकरण कारक (oxidizing agent) म्हणून कार्य करते.

कारण (R): सांद्र नायट्रिक आम्लामध्ये, नायट्रोजन त्याच्या सर्वोच्च शक्य +5 ऑक्सिडेशन अवस्थेत असतो.

Solution: A Explanation:

• प्रतिपादन (A): सांद्र नायट्रिक आम्ल (HNO$_3$) एक शक्तिशाली ऑक्सिडीकरण कारक आहे, जे अनेक धातूंना (Au, Pt सारखे राजधातू वगळता) आणि अधातूंना ऑक्सिडीकृत (oxidize) करू शकते.
• कारण (R): HNO$_3$ मध्ये, नायट्रोजनची ऑक्सिडेशन अवस्था अशी काढली जाते: x + 1(+1) + 3(-2) = 0 => x - 5 = 0 => x = +5. नायट्रोजनसाठी ही सर्वोच्च शक्य ऑक्सिडेशन अवस्था आहे. नायट्रोजन आधीच त्याच्या सर्वोच्च ऑक्सिडेशन अवस्थेत असल्यामुळे, तो केवळ त्याची ऑक्सिडेशन अवस्था कमी करू शकतो, म्हणजेच त्याचे फक्त क्षपण (reduction) होऊ शकते. जे पदार्थ स्वतःचे क्षपण करतात ते ऑक्सिडीकरण कारक म्हणून कार्य करतात. A आणि R दोन्ही सत्य आहेत आणि R हे A साठी योग्य स्पष्टीकरण प्रदान करते.

लहान उत्तरे द्या (Short Answer Questions)

1. अमोनिया (NH$_3$) लुईस आम्लारी (Lewis base) म्हणून का कार्य करतो, हे स्पष्ट करा.

नमुना उत्तर: अमोनिया (NH$_3$) नायट्रोजन अणूवर एकाकी इलेक्ट्रॉन जोडी (lone pair of electrons) असल्यामुळे लुईस आम्लारी (Lewis base) म्हणून कार्य करतो. लुईस सिद्धांतानुसार, लुईस आम्लारी (Lewis base) हे असे पदार्थ आहेत जे इलेक्ट्रॉनची जोडी दान करू शकतात. अमोनियामधील नायट्रोजन अणूमध्ये पाच संयोजी इलेक्ट्रॉन असतात; त्यापैकी तीन हायड्रोजन अणूंसोबत सहसंयुज बंध (covalent bonds) बनवण्यासाठी सामायिक केले जातात, ज्यामुळे एक एकाकी इलेक्ट्रॉन जोडी शिल्लक राहते. ही सहज उपलब्ध असलेली एकाकी जोडी इलेक्ट्रॉन-कमतरता असलेल्या पदार्थाला (लुईस आम्ल) दान केली जाऊ शकते, ज्यामुळे सहसंयुज बंध (coordinate covalent bond) तयार होतो. उदाहरणार्थ: NH$_3$ + H$^+$ → NH_4$$^+ (अमोनिया त्याची एकाकी जोडी H$^+$ ला दान करतो) NH$_3$ + BF$_3$ → H$_3$N → BF$_3$ (अमोनिया त्याची एकाकी जोडी इलेक्ट्रॉन-कमतरता असलेल्या BF$_3$ ला दान करतो)

2. नायट्रिक आम्लाच्या निर्मितीसाठी ऑस्टवाल्ड प्रक्रियेतील मुख्य पायऱ्यांचे वर्णन करा.

नमुना उत्तर: ऑस्टवाल्ड प्रक्रिया ही अमोनिया (NH$_3$) पासून नायट्रिक आम्ल (HNO$_3$) तयार करण्याची एक औद्योगिक पद्धत आहे. यात तीन मुख्य पायऱ्या आहेत:

1. अमोनियाचे उत्प्रेरकीय ऑक्सिडीकरण (Catalytic Oxidation of Ammonia): अमोनिया वायू, हवा (किंवा ऑक्सिजन) सह मिसळून, सुमारे 800-950 °C तापमानावर आणि 9 बार दाबावर गरम केलेल्या प्लॅटिनम-ऱ्होडियम गॉज उत्प्रेरकावरून (catalyst) प्रवाहित केला जातो. अमोनियाचे नायट्रिक ऑक्साईड (NO) आणि पाण्यात ऑक्सिडीकरण होते. 4NH$_3$(g) + 5O$_2$(g) $\xrightarrow\{\text\{Pt/Rh gauze, 800-950°C\}\}$ 4NO(g) + 6H$_2$O(g)

2. नायट्रिक ऑक्साईडचे ऑक्सिडीकरण (Oxidation of Nitric Oxide): तयार झालेले नायट्रिक ऑक्साईड (NO) थंड केले जाते आणि नंतर अतिरिक्त हवा (किंवा ऑक्सिजन) सह अभिक्रिया करून नायट्रोजन डायऑक्साइड (NO$_2$) तयार करण्यासाठी त्याचे ऑक्सिडीकरण केले जाते. ही अभिक्रिया उष्मादायी असते आणि आपोआप होते. 2NO(g) + O$_2$(g) $\rightarrow$ 2NO$_2$(g)

3. नायट्रोजन डायऑक्साइडचे पाण्यात शोषण (Absorption of Nitrogen Dioxide in Water): नायट्रोजन डायऑक्साइड (NO$_2$) नंतर शोषण टॉवरमध्ये पाण्यात शोषला जातो, सहसा पाण्याच्या प्रवाहाच्या विरुद्ध दिशेने. या अभिक्रियेतून नायट्रिक आम्ल तयार होते आणि काही नायट्रिक ऑक्साईड पुनरुत्पादित होते. नायट्रिक ऑक्साईड नंतर पायरी 2 मध्ये पुनर्चक्रित केले जाते. 3NO$_2$(g) + H$_2$O(l) $\rightarrow$ 2HNO$_3$(aq) + NO(g) प्राप्त झालेले जलीय नायट्रिक आम्ल सामान्यतः वस्तुमानानुसार सुमारे 68% असते.

उच्च-विचार कौशल्य (High-Order Thinking Skills (HOTS)) प्रश्न

गट 15 च्या हायड्राइड्समध्ये (NH$_3$, PH$_3$, AsH$_3$, SbH$_3$, BiH$_3$) BiH$_3$ सर्वात मजबूत क्षपणकारक (reducing agent) का आहे, तर NH$_3$ सर्वात कमकुवत का आहे, हे स्पष्ट करा.

नमुना उत्तर: गट 15 च्या हायड्राइड्सचे (MH$_3$) क्षपण वैशिष्ट्य (reducing character) NH$_3$ पासून BiH$_3$ पर्यंत गटात खाली जाताना वाढते. हा कल (trend) M-H बंधाची मजबुती आणि मध्यवर्ती अणूचा आकार विचारात घेऊन स्पष्ट केला जातो.

1. बंध-विघटन ऊर्जा (Bond Dissociation Enthalpy) (M-H बंधाची मजबुती): आपण गट 15 मध्ये नायट्रोजनपासून बिस्मथकडे खाली जाताना, मध्यवर्ती अणूचा (M) अणु आकार लक्षणीयरीत्या वाढतो. परिणामी, M-H बंधाची लांबी वाढते (उदा. N-H बंध Bi-H बंधापेक्षा लहान असतो). एक लांब बंध सामान्यतः कमकुवत बंध दर्शवतो, कारण मध्यवर्ती अणू आणि हायड्रोजनच्या संयोजी कक्षांमधील (valence orbitals) आच्छादन (overlap) कमी प्रभावी होते. म्हणून, NH$_3$ पासून BiH$_3$ पर्यंत M-H बंधाची बंध-विघटन ऊर्जा (bond dissociation enthalpy) हळूहळू कमी होते.

2. हायड्रोजन सोडण्याची सुलभता (Ease of Hydrogen Release): क्षपणकारक (Reducing agents) हे असे पदार्थ आहेत जे इलेक्ट्रॉन दान करतात किंवा क्षपण क्रियेसाठी हायड्रोजन अणू प्रदान करतात (ते स्वतः ऑक्सिडीकृत होतात). हायड्राइड्सच्या बाबतीत, त्यांची क्षपणशक्ती (reducing strength) हायड्रोजन अणू सोडण्याच्या त्यांच्या सुलभतेशी संबंधित आहे. गटात खाली जाताना M-H बंधाची मजबुती कमी होत असल्यामुळे, M-H बंध तोडणे आणि हायड्रोजन सोडणे हळूहळू सोपे होते.

3. हायड्राइड्सची स्थिरता (Stability of Hydrides): या हायड्राइड्सची औष्णिक स्थिरता (thermal stability) देखील याच कलानुसार असते, ती NH$_3$ पासून BiH$_3$ पर्यंत कमी होते. NH$_3$ खूप स्थिर आहे, तर BiH$_3$ अत्यंत अस्थिर आहे आणि उष्णता दिल्यावर बिस्मथ आणि हायड्रोजनमध्ये सहजपणे विघटित होतो.

निष्कर्ष:

• NH$_3$ (अमोनिया): नायट्रोजनचा लहान आकार आणि प्रभावी कक्षक आच्छादनामुळे यात सर्वात मजबूत N-H बंध असतो. यामुळे हायड्रोजन सोडणे कठीण होते, म्हणूनच तो सर्वात कमकुवत क्षपणकारक (किंवा सर्वात स्थिर) आहे.
• BiH$_3$ (बिस्मथीन): बिस्मथच्या मोठ्या आकारामुळे आणि कमकुवत कक्षक आच्छादनामुळे यात सर्वात कमकुवत Bi-H बंध असतो. यामुळे हायड्रोजन सोडणे खूप सोपे होते, त्यामुळे तो सर्वात मजबूत क्षपणकारक (किंवा सर्वात कमी स्थिर) आहे.

क्षपणशक्तीचा क्रम असा आहे: NH$_3$ < PH$_3$ < AsH$_3$ < SbH$_3$ < BiH$_3$.