फॉस्फरस: सराव प्रश्न (JEE/NEET आणि CBSE)

फॉस्फरस: सराव प्रश्नसंच

हा विभाग फॉस्फरस (P) च्या रसायनशास्त्रावरील सराव प्रश्नांचा एक संरचित संच प्रदान करतो, जो JEE/NEET आणि CBSE विद्यार्थ्यांसाठी महत्त्वाच्या संकल्पनांना बळकटी देण्यासाठी तयार करण्यात आला आहे.

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

Q1. खालीलपैकी कोणते विधान पांढऱ्या फॉस्फरससंबंधी चुकीचे आहे? A. तो एक मऊ, मेणासारखा स्थायू आहे. B. तो कार्बन डायसल्फाईड (CS₂) मध्ये विद्राव्य आहे. C. तो अंधारात चमकतो (केमिल्युमिनेसन्स). D. तो लाल फॉस्फरसपेक्षा कमी अभिक्रियाशील आहे.

उत्तर: योग्य उत्तर: D स्पष्टीकरण: पांढरा फॉस्फरस गतिकदृष्ट्या सर्वात जास्त अभिक्रियाशील अपरूप आहे कारण त्याच्या उच्च ताण असलेल्या चतुःपृष्ठीय P₄ रेणूमध्ये (बंध कोन 60°) सहज वलय उघडते आणि उच्च अभिक्रियाशीलता असते. लाल फॉस्फरस बहुवारिक असतो आणि खूप कमी अभिक्रियाशील असतो.

Q2. ऑर्थोफॉस्फोरस आम्ल (H₃PO₃) ची आम्लारी धर्मिता (basicity) आहे: A. 1 B. 2 C. 3 D. 4

उत्तर: योग्य उत्तर: B स्पष्टीकरण: ऑक्सिअम्लाची आम्लारी धर्मिता आयनीकारक P-OH बंधांच्या संख्येनुसार निश्चित केली जाते. ऑर्थोफॉस्फोरस आम्ल (H₃PO₃) मध्ये दोन P-OH बंध आणि एक P-H बंध असतात. फक्त ऑक्सिजनला जोडलेले हायड्रोजन अणू आयनीकारक असतात. म्हणून, H₃PO₃ एक द्वि-आम्लारी आम्ल आहे. त्याची रचना O=P(OH)₂H आहे.

Q3. जेव्हा P₄O₁₀ थंड पाण्यात विरघळवला जातो, तेव्हा तयार होणारे मुख्य उत्पादन आहे: A. फॉस्फिनिक आम्ल (H₃PO₂) B. फॉस्फोनिक आम्ल (H₃PO₃) C. पायरोफॉस्फोरिक आम्ल (H₄P₂O₇) D. ऑर्थोफॉस्फोरिक आम्ल (H₃PO₄)

उत्तर: योग्य उत्तर: D स्पष्टीकरण: फॉस्फरस पेंटॉक्साईड (P₄O₁₀) हे ऑर्थोफॉस्फोरिक आम्ल (H₃PO₄) चे अनहायड्राइड आहे. जेव्हा P₄O₁₀ थंड पाण्याशी अभिक्रिया करतो, तेव्हा ते ऑर्थोफॉस्फोरिक आम्ल तयार करते. P₄O₁₀ + 6H₂O \rightarrow 4H₃PO₄ P₄O₁₀ एक तीव्र निर्जलीकारक (dehydrating agent) देखील आहे.

विधान-कारण प्रश्न

सूचना: खालील प्रश्नांमध्ये, विधान (A) नंतर कारण (R) दिलेले आहे. खाली दिलेल्या पर्यायांमधून 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.

Q4. विधान (A): फॉस्फिन (PH₃) हे अमोनिया (NH₃) पेक्षा कमकुवत आम्लारी आहे. कारण (R): P च्या N च्या तुलनेत मोठ्या अणु आकारामुळे आणि कमी ऋणविद्युततेमुळे PH₃ मधील फॉस्फरसवरील इलेक्ट्रॉनची एकटी जोडी NH₃ मधील नायट्रोजनवरील जोडीपेक्षा दानासाठी कमी उपलब्ध असते.

उत्तर: योग्य उत्तर: A स्पष्टीकरण:

विधान A सत्य आहे: PH₃ हे NH₃ पेक्षा निश्चितपणे कमकुवत आम्लारी आहे.
कारण R सत्य आहे: नायट्रोजन फॉस्फरसपेक्षा लहान आणि जास्त ऋणविद्युत आहे. याचा अर्थ नायट्रोजनवरील एकटी जोडी लहान, अधिक एकाग्र ऑर्बिटलमध्ये असते, ज्यामुळे ती दानासाठी आणि प्रोटॉनसह मजबूत बंधासाठी अधिक सहज उपलब्ध होते. फॉस्फरसमध्ये, एकटी जोडी मोठ्या, अधिक विखुरलेल्या ऑर्बिटलमध्ये असते, ज्यामुळे ती दानासाठी कमी उपलब्ध होते आणि परिणामी एक कमकुवत आम्लारी निर्माण होते.
R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे: कारणांमध्ये नमूद केलेले घटक PH₃ कमकुवत आम्लारी का आहे हे थेट स्पष्ट करतात.

Q5. विधान (A): लाल फॉस्फरस स्वरूपामध्ये बहुवारिक (polymeric) आहे. कारण (R): लाल फॉस्फरस पांढऱ्या फॉस्फरसमधील P-P बंध तोडून आणि एक बहुवारिक रचना तयार करण्यासाठी नवीन P-P बंध बनवून तयार होतो.

उत्तर: योग्य उत्तर: A स्पष्टीकरण:

विधान A सत्य आहे: लाल फॉस्फरस एक बहुवारिक जाळीदार संरचनेत अस्तित्वात असतो, ज्यामध्ये P₄ चतुःपृष्ठीय एककांच्या साखळ्या किंवा जाळ्या एकत्र जोडलेल्या असतात.
कारण R सत्य आहे: पांढऱ्या फॉस्फरसला निष्क्रिय वातावरणात 573 K तापमानावर गरम करून किंवा सूर्यप्रकाशाच्या संपर्कात आणून लाल फॉस्फरस मिळवला जातो. या प्रक्रियेमध्ये पांढऱ्या फॉस्फरसमधील वैयक्तिक P₄ चतुःपृष्ठांमधील काही P-P बंधांचे तुटणे आणि नवीन P-P बंधांची निर्मिती होते, ज्यामुळे हे एकक एका बहुवारिक संरचनेत जोडले जातात.
R हे A चे योग्य स्पष्टीकरण आहे: कारणात वर्णन केलेली यंत्रणा थेट लाल फॉस्फरसच्या बहुवारिक स्वरूपाला कारणीभूत ठरते.

लघुत्तरी प्रश्न

Q6. वायू अवस्थेतील PCl₃ आणि PCl₅ च्या रचना काढा आणि त्यांच्या संकर (hybridization) आणि भूमितीबद्दल (geometry) टिप्पणी करा.

आदर्श उत्तर:

फॉस्फरस ट्रायक्लोराईड (PCl₃):

रचना: पिरॅमिडल
संकरण: sp³
भूमिती: फॉस्फरसभोवती चतुःपृष्ठीय इलेक्ट्रॉन जोडी भूमिती, परंतु इलेक्ट्रॉनच्या एका एकट्या जोडीमुळे त्रिकोणीय पिरॅमिडल रेणू भूमिती.
बंध कोन: अंदाजे 100° (एकटी जोडी-बंध जोडी प्रतिकर्षणामुळे 109.5° पेक्षा कमी).

graph TD
    P -- Cl
    P -- Cl
    P -- Cl
    style P fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style Cl fill:#c3f,stroke:#333,stroke-width:2px
    subgraph PCl3
        direction LR
        P --- Cl1
        P --- Cl2
        P --- Cl3
        P -- L(Lone Pair)
    end

(मध्यभागी P, तीन Cl अणू आणि P वर एक एकटी जोडी असलेली पिरॅमिडल रचना दर्शवते)

फॉस्फरस पेंटाक्लोराईड (PCl₅):

रचना (वायू अवस्था): त्रिकोणीय द्वि-पिरॅमिडल
संकरण: sp³d
भूमिती: त्रिकोणीय द्वि-पिरॅमिडल. तीन क्लोरीन अणू विषुववृत्तीय स्थिती व्यापतात आणि दोन क्लोरीन अणू अक्षीय स्थिती व्यापतात.
बंध कोन: 120° (विषुववृत्तीय-विषुववृत्तीय) आणि 90° (अक्षीय-विषुववृत्तीय). अक्षीय बंध विषुववृत्तीय बंधांपेक्षा थोडे लांब आणि कमकुवत असतात कारण जास्त प्रतिकर्षी परस्परक्रिया (repulsive interactions) होतात.

graph TD
    P -- Cl(axial)
    P -- Cl(axial)
    P -- Cl(equatorial)
    P -- Cl(equatorial)
    P -- Cl(equatorial)
    style P fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style Cl fill:#c3f,stroke:#333,stroke-width:2px
    subgraph PCl5
        direction LR
        Cl_ax1 --- P --- Cl_ax2
        P --- Cl_eq1
        P --- Cl_eq2
        P --- Cl_eq3
    end

(मध्यभागी P, दोन अक्षीय Cl आणि तीन विषुववृत्तीय Cl अणू असलेली त्रिकोणीय द्वि-पिरॅमिडल रचना दर्शवते)

Q7. फॉस्फिनिक आम्ल (H₃PO₂) एक क्षपणक (reducing agent) म्हणून कार्य करते, तर फॉस्फोरिक आम्ल (H₃PO₄) करत नाही. त्यांच्या संरचनेच्या आधारे हा फरक स्पष्ट करा.

आदर्श उत्तर:

फॉस्फरस ऑक्सिअम्लांचे क्षपणक स्वरूप P-H बंधांच्या उपस्थितीमुळे आहे. हे P-H बंध आम्लीय नसतात परंतु क्षपणक गुणधर्मांसाठी जबाबदार असतात कारण फॉस्फरसला थेट जोडलेला हायड्रोजन अणू ऑक्सिडाइज होऊ शकतो.

फॉस्फिनिक आम्ल (H₃PO₂):
- रचना: O=P(OH)H₂
- यात दोन P-H बंध आणि एक P-OH बंध असतात.
- दोन P-H बंधांच्या उपस्थितीमुळे ते एक तीव्र क्षपणक बनते. H₃PO₂ मध्ये फॉस्फरसची ऑक्सिडीकरण अवस्था +1 असते, जी उच्च ऑक्सिडीकरण अवस्थेत (उदा., H₃PO₃ मध्ये +3 किंवा H₃PO₄ मध्ये +5) सहज ऑक्सिडाइज होऊ शकते.
- उदाहरण अभिक्रिया: 4AgNO₃ + H₃PO₂ + 2H₂O \rightarrow 4Ag + H₃PO₄ + 4HNO₃
फॉस्फोरिक आम्ल (H₃PO₄):
- रचना: O=P(OH)₃
- यात तीन P-OH बंध असतात, परंतु P-H बंध नसतात.
- P-H बंध नसल्यामुळे, ते क्षपणक गुणधर्म दर्शवत नाही. H₃PO₄ मध्ये फॉस्फरसची ऑक्सिडीकरण अवस्था +5 असते, जी त्याची कमाल ऑक्सिडीकरण अवस्था आहे, याचा अर्थ ते पुढील ऑक्सिडाइज होऊ शकत नाही.

उच्च विचार कौशल्य (HOTS) प्रश्न

Q8. जेव्हा PCl₅ गरम केले जाते, तेव्हा ते कमी तापमानावर संप्लवन (sublimes) होते, परंतु जास्त गरम केल्यावर ते PCl₃ आणि Cl₂ मध्ये विघटित (dissociates) होते. स्थायू PCl₅ आणि वायू PCl₅ मधील बंध स्पष्ट करा आणि हे त्याच्या विघटन वर्तनाशी कसे संबंधित आहे ते सांगा.

सविस्तर रासायनिक स्पष्टीकरण:

1. वायू PCl₅:

वायू अवस्थेत, PCl₅ स्वतंत्र त्रिकोणीय द्वि-पिरॅमिडल रेणू म्हणून अस्तित्वात असते.
संकरण: केंद्रीय फॉस्फरस अणू sp³d संकरित असतो.
भूमिती: यात पाच P-Cl बंधांसह त्रिकोणीय द्वि-पिरॅमिडल भूमिती असते.
बंध लांबी: सर्व P-Cl बंध समान नसतात. तीन विषुववृत्तीय P-Cl बंध (120° अंतरावर, लहान आणि मजबूत) आणि दोन अक्षीय P-Cl बंध (विषुववृत्तीयला 90°, लांब आणि कमकुवत) असतात. हा फरक जास्त एकटी जोडी-बंध जोडी प्रतिकर्षणामुळे (किंवा आदर्श sp³d संकरण व्याख्येनुसार बंध जोडी-बंध जोडी प्रतिकर्षणामुळे) आणि विषुववृत्तीय बंधांमध्ये उच्च ‘s’ गुणधर्मामुळे (bent rule) उद्भवतो.
स्थिरता: अक्षीय बंध कमकुवत असतात आणि बंध तुटण्यास अधिक संवेदनशील असतात.

2. स्थायू PCl₅:

स्थायू अवस्थेत, PCl₅ तटस्थ PCl₅ रेणू म्हणून अस्तित्वात नसते. त्याऐवजी, ते चतुःपृष्ठीय [PCl₄]⁺ धन आयन आणि अष्टपृष्ठीय [PCl₆]⁻ ऋण आयन यांनी बनलेले एक आयनिक स्थायू म्हणून अस्तित्वात असते.
[PCl₄]⁺ धन आयन: केंद्रीय फॉस्फरस अणू sp³ संकरित असतो आणि आयनची भूमिती चतुःपृष्ठीय असते.
[PCl₆]⁻ ऋण आयन: केंद्रीय फॉस्फरस अणू sp³d² संकरित असतो आणि आयनची भूमिती अष्टपृष्ठीय असते.
आयनिक जाळी: हे आयन क्रिस्टल जाळीमध्ये मजबूत स्थिरविद्युत बलांद्वारे एकत्र धरलेले असतात.

3. विघटन वर्तन:

संप्लवन (कमी तापमान): तुलनेने कमी तापमानावर, वायू अवस्थेतील स्वतंत्र PCl₅ रेणूंमधील आंतररेण्वीय बलांवर (व्हॅन डर वाल्स बले) मात केली जाते, ज्यामुळे PCl₅ ला संप्लवन (sublime) होऊ देते. तथापि, स्थायू अवस्थेतील आयनिक जाळीमध्ये मजबूत स्थिरविद्युत बलांमुळे उच्च संप्लवन बिंदू असतो. जेव्हा PCl₅ संप्लवन होते, तेव्हा ते वायू अवस्थेत रेण्वीय PCl₅ तयार करते.
विघटन (जास्त गरम केल्यावर): जास्त गरम केल्यावर (उच्च तापमानावर), प्रदान केलेली औष्णिक ऊर्जा त्रिकोणीय द्वि-पिरॅमिडल PCl₅ रेणूंमधील कमकुवत अक्षीय P-Cl बंधांवर मात करण्यासाठी पुरेशी असते. यामुळे या बंधांचे समविभाजी विखंडन (homolytic cleavage) होते, परिणामी PCl₅ चे PCl₃ आणि Cl₂ मध्ये विघटन होते. PCl₅(g) \rightleftharpoons PCl₃(g) + Cl₂(g) PCl₃ मध्ये, फॉस्फरस sp³ संकरित (पिरॅमिडल भूमिती) असतो आणि Cl₂ मध्ये सहसंयोजक बंध अस्तित्वात असतो. एन्ट्रॉपीमध्ये वाढ झाल्यामुळे हे विघटन उच्च तापमानावर अनुकूल असते.

म्हणून, वायू आणि स्थायू PCl₅ मधील भिन्न बंध रचना, विशेषतः वायू रेण्वीय स्वरूपामध्ये कमकुवत अक्षीय बंधांची उपस्थिती, गरम केल्यावर त्याच्या विघटन होण्याची प्रवृत्ती स्पष्ट करते.