सिलिकॉनचे रसायनशास्त्र (Si) - सराव प्रश्न

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1

सिलिकॉनबद्दल खालीलपैकी कोणते विधान चुकीचे आहे?

A) ते R₂SiO पुनरावृत्ती एकके असलेले पॉलिमर आहेत. B) ते सामान्यतः जल-प्रतिरोधक (hydrophobic) असतात. C) ते उष्णता-स्थिर (thermally stable) आणि रासायनिक हल्ल्यास प्रतिरोधक असतात. D) त्यांच्या मुख्य साखळीत मजबूत Si=Si दुहेरी बंध असतात.

उत्तर:

बरोबर उत्तर: D)

स्पष्टीकरण: सिलिकॉन हे (R₂SiO)n या सामान्य सूत्र असलेले ऑरगॅनोसिलिकॉन पॉलिमर आहेत, जिथे R एक अल्काइल किंवा अराइल गट आहे. त्यांची मुख्य साखळी Si-O-Si बंधांची बनलेली असते, Si=Si दुहेरी बंधांची नाही. Si-O बंध खूप मजबूत असतो, ज्यामुळे त्यांना उष्णता-स्थिरता आणि रासायनिक निष्क्रियता मिळते. अध्रुवीय अल्काइल किंवा अराइल गटांच्या उपस्थितीमुळे ते जल-प्रतिरोधक (hydrophobic) बनतात.

प्रश्न 2

जेव्हा सिलिका (SiO₂) हायड्रोजन फ्लोराईड (HF) सोबत अभिक्रिया करते, तेव्हा तयार होणारे उत्पादन हे आहे:

A) SiF₄ B) H₂SiF₆ C) SiF₄ आणि H₂O D) SiF₄ आणि H₂SiF₆

उत्तर:

बरोबर उत्तर: C)

स्पष्टीकरण: सिलिका (SiO₂) हे एक अत्यंत स्थिर संयुग आहे. ते हायड्रोजन फ्लोराईडसोबत अभिक्रिया करून सिलिकॉन टेट्राफ्लोराईड आणि पाणी तयार करते. SiO₂(s) + 4HF(aq) \rightarrow SiF₄(g) + 2H₂O(l) SiF₄ हे पाण्यासोबत HF च्या उपस्थितीत फ्लोरोसिलिसिक आम्ल (H₂SiF₆) तयार करण्यासाठी पुढील अभिक्रिया करू शकते, परंतु SiO₂ आणि HF च्या अभिक्रियेतून प्राथमिक आणि सुरुवातीचे उत्पादन SiF₄ आणि पाणी आहे. प्रश्न “तयार होणारे उत्पादन” विचारतो, याचा अर्थ थेट अभिक्रिया आहे.

प्रश्न 3

दिलेल्या संयुगांपैकी, कारबोरंडम म्हणून कोणते ओळखले जाते?

A) SiC B) SiO₂ C) SiH₄ D) SiF₄

उत्तर:

बरोबर उत्तर: A)

स्पष्टीकरण: कारबोरंडम हे सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) चे सामान्य नाव आहे. हे एक अत्यंत कठीण पदार्थ आहे, जे त्याच्या उच्च उष्णता-स्थिरतेमुळे अपघर्षक (abrasive) आणि दुर्दम्य (refractory) पदार्थांमध्ये वापरले जाते. SiO₂ हे सिलिका आहे, SiH₄ हे सिलन आहे आणि SiF₄ हे सिलिकॉन टेट्राफ्लोराईड आहे.

विधान-कारण प्रश्न

प्रश्न 4

विधान (A): सिलिकॉन सहजपणे स्थिर p\pi-p\pi बहुबंध तयार करत नाही. कारण (R): सिलिकॉनचे अणु कक्षा कार्बनपेक्षा खूप मोठे आणि अधिक विखुरलेले असतात, ज्यामुळे p\pi-p\pi ओव्हरलॅप अप्रभावी ठरते.

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:

बरोबर उत्तर: A)

स्पष्टीकरण: विधान (A) सत्य आहे. कार्बनच्या विपरीत, जो सहजपणे स्थिर C=C आणि C=O p\pi-p\pi बंध तयार करतो, सिलिकॉन सामान्यतः एकेरी बंध तयार करतो. कारण (R) देखील सत्य आहे आणि विधान (A) चे योग्य स्पष्टीकरण आहे. कार्बनच्या तुलनेत (आवर्त 2 मूलद्रव्य) सिलिकॉनच्या मोठ्या अणु आकारामुळे (आवर्त 3 मूलद्रव्य), त्याचे 3p कक्षा अधिक विखुरलेले असतात. यामुळे मजबूत p\pi-p\pi बंधनासाठी आवश्यक असलेला कमकुवत आणि अप्रभावी पार्श्वीय ओव्हरलॅप होतो, ज्यामुळे सिलिकॉनसोबतचे बहुबंध खूप कमी स्थिर होतात. त्याऐवजी, सिलिकॉन मजबूत Si-O एकेरी बंध किंवा विस्तारित Si-Si नेटवर्क तयार करण्यास प्राधान्य देते.

प्रश्न 5

विधान (A): सिलिकॉन हे जल-प्रतिरोधक (hydrophobic) असतात. कारण (R): सिलिकॉनमधील सिलिकॉन अणूंना जोडलेले अल्काइल गट अध्रुवीय असतात आणि बाहेरच्या बाजूने प्रक्षेपित होतात, ज्यामुळे पृष्ठभाग अध्रुवीय बनतो.

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:

बरोबर उत्तर: A)

स्पष्टीकरण: विधान (A) सत्य आहे. सिलिकॉन खरोखरच जल-प्रतिरोधक असतात, म्हणजे ते पाण्याला दूर ठेवतात. हा गुणधर्म त्यांना जल-प्रतिरोधक एजंट (waterproofing agents) आणि सीलंट्ससारख्या विविध अनुप्रयोगांमध्ये उपयुक्त बनवतो. कारण (R) देखील सत्य आहे आणि विधान (A) चे योग्य स्पष्टीकरण देते. सिलिकॉनमध्ये Si-O-Si मुख्य साखळी असते, परंतु सिलिकॉन अणू सेंद्रिय अल्काइल (R) किंवा अराइल गटांना देखील जोडलेले असतात. हे सेंद्रिय गट अध्रुवीय असतात. जेव्हा सिलिकॉनचे मोठ्या प्रमाणात साहित्य तयार केले जाते, तेव्हा हे अध्रुवीय R गट ध्रुवीय Si-O गाभ्याला प्रभावीपणे वेढतात, ज्यामुळे एक अध्रुवीय, पाणी-दूर ठेवणारा पृष्ठभाग तयार होतो.

लघुत्तरी प्रश्न

प्रश्न 6

सिलिकॉनच्या निर्मितीची पद्धत आणि दोन महत्त्वाचे उपयोग स्पष्ट करा.

आदर्श उत्तर:

सिलिकॉनची निर्मिती: सिलिकॉन हे अल्काइल किंवा अराइल प्रतिस्थापित क्लोरोसिलनपासून तयार केलेले ऑरगॅनोसिलिकॉन पॉलिमर आहेत, जसे की RSiCl₃, R₂SiCl₂, R₃SiCl, किंवा त्यांचे मिश्रण.

1. प्रत्यक्ष संश्लेषण: अल्काइल हॅलाइड्स (उदा. CH₃Cl) सिलिकॉनसोबत उच्च तापमानावर (सुमारे 570 K) तांब्याच्या पावडरच्या उपस्थितीत उत्प्रेरक म्हणून विविध मिथाइल-प्रतिस्थापित क्लोरोसिलन तयार करण्यासाठी अभिक्रिया करतात. 2CH₃Cl + Si \xrightarrow\{Cu, 570K\} (CH₃)₂SiCl₂ (डायमिथाइल डायक्लोरोसिलन) CH₃SiCl₃ आणि (CH₃)₃SiCl सारखी इतर उत्पादने देखील तयार होतात.
2. जलविच्छेदन: क्लोरोसिलनचे जलविच्छेदन होऊन सिलॅनॉल तयार होतात, जे अस्थिर असतात आणि सहजपणे संघनन बहुलकीकरण (condensation polymerization) करतात. (CH₃)₂SiCl₂ + 2H₂O \rightarrow (CH₃)₂Si(OH)₂ + 2HCl (डायमिथाइल सिलॅनॉल)
3. बहुलकीकरण: सिलॅनॉल पाण्याचे रेणू काढून टाकून रेखीय (linear), चक्रीय (cyclic), किंवा क्रॉस-लिंक्ड (cross-linked) पॉलिमेरिक सिलिकॉन तयार करण्यासाठी संघनन करतात. n (CH₃)₂Si(OH)₂ \rightarrow [-O-Si(CH₃)₂-]n + nH₂O (रेखीय सिलिकॉन)

सिलिकॉनचे उपयोग:

1. जल-प्रतिरोधक एजंट: त्यांच्या जल-प्रतिरोधक स्वरूपामुळे (hydrophobic nature) आणि कमी पृष्ठताणा (low surface tension) मुळे, सिलिकॉनचा वापर कापड, कागद आणि बांधकाम साहित्याच्या जल-प्रतिबंधनासाठी केला जातो.
2. सीलंट आणि चिकटवणारे पदार्थ (Adhesives): ते उत्कृष्ट सीलंट आहेत, त्यांचा वापर बांधकाम, ऑटोमोटिव्ह आणि इलेक्ट्रॉनिक उद्योगांमध्ये त्यांच्या लवचिकता, उष्णता-स्थिरता आणि चिकटण्याच्या गुणधर्मांमुळे होतो.
3. वंगण (Lubricants): सिलिकॉन तेले उच्च-तापमान वंगण म्हणून वापरली जातात कारण त्यांची उष्णता-स्थिरता आणि तापमानानुसार कमी श्यानता (viscosity) बदलतात.
4. सौंदर्यप्रसाधने आणि वैद्यकीय प्रत्यारोपण (Medical Implants): त्यांची जैव-सुसंगतता (biocompatibility) आणि निष्क्रियता त्यांना सौंदर्यप्रसाधने, वैयक्तिक काळजी उत्पादने आणि विविध वैद्यकीय प्रत्यारोपण (उदा. स्तन प्रत्यारोपण, पेसमेकर) मध्ये वापरण्यासाठी योग्य बनवते.

प्रश्न 7

सिलिकॉन डायऑक्साईड (SiO₂) एक सहसंयोजक जाळीदार स्थायू (covalent network solid) आहे, तर कार्बन डायऑक्साईड (CO₂) एक विलग आण्विक स्थायू (discrete molecular solid) आहे. त्यांच्या संरचनेत आणि गुणधर्मांमधील या फरकाचे स्पष्टीकरण द्या.

आदर्श उत्तर:

SiO₂ आणि CO₂ च्या संरचनेतील मूलभूत फरक कार्बन आणि सिलिकॉनशी संबंधित p\pi-p\pi बंधनाच्या भिन्न स्वरूपामुळे उद्भवतो.

1. कार्बन डायऑक्साईड (CO₂):

   • कार्बन हा आवर्त 2 मधील एक लहान अणू आहे. तो ऑक्सिजनसोबत मजबूत आणि स्थिर p\pi-p\pi बंध तयार करू शकतो.
   • CO₂ मध्ये, कार्बन दोन ऑक्सिजन अणूंशी दोन दुहेरी बंध (O=C=O) तयार करतो. यामुळे एक विलग (discrete), रेखीय (linear), ट्रायअटॉमिक (triatomic) रेणू तयार होतो.
   • हे CO₂ रेणू कमकुवत आंतररेणुकीय व्हॅन डेर वाल्स बलांद्वारे (van der Waals forces) एकत्र धरले जातात.
   • परिणामी, CO₂ खोलीच्या तापमानावर वायू आहे आणि कमी तापमानावर एक आण्विक स्थायू आहे, ज्याचा वितळणबिंदू आणि उत्कलनबिंदू खूप कमी असतो.

2. सिलिकॉन डायऑक्साईड (SiO₂):

   • सिलिकॉन हा आवर्त 3 मधील एक मोठा अणू आहे. त्याच्या मोठ्या अणु आकारामुळे आणि अधिक विखुरलेल्या 3p कक्षांमुळे, ऑक्सिजनसोबतचा p\pi-p\pi ओव्हरलॅप कार्बनच्या तुलनेत खूप कमी प्रभावी आणि कमी स्थिर असतो.
   • दुहेरी बंध तयार करण्याऐवजी, सिलिकॉन चार मजबूत Si-O एकेरी बंध तयार करण्यास प्राधान्य देते.
   • SiO₂ मध्ये (उदा. क्वार्ट्ज), प्रत्येक सिलिकॉन अणू चार ऑक्सिजन अणूंशी चतुष्फलीयरित्या (tetrahedrally) जोडलेला असतो आणि प्रत्येक ऑक्सिजन अणू दोन सिलिकॉन अणूंनी सामायिक केलेला असतो. यामुळे एक विशाल, त्रि-आयामी सहसंयोजक जाळीदार रचना (किंवा मॅक्रोमॉलिक्युल) तयार होते.
   • हे नेटवर्क तोडण्यासाठी मजबूत सहसंयोजक बंधांवर मात करण्यासाठी लक्षणीय ऊर्जा लागते.
   • म्हणून, SiO₂ हा एक कठीण, उच्च वितळणबिंदू असलेला स्थायू आहे जो पाण्यात अविद्राव्य आणि सामान्यतः निष्क्रिय असतो.

थोडक्यात, कार्बनची स्थिर p\pi-p\pi बंध तयार करण्याची क्षमता विलग CO₂ रेणू निर्माण करते, तर सिलिकॉनची ही क्षमता प्रभावीपणे नसणे SiO₂ साठी विस्तारित सहसंयोजक जाळीदार रचना तयार करते.

उच्च-स्तरीय विचार कौशल्य (HOTS) प्रश्न

प्रश्न 8

सिलिकॉन एक अर्धसंवाहक आहे आणि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरला जातो. शुद्ध सिलिकॉनची विद्युत वाहकता डोपिंगद्वारे कशी मोठ्या प्रमाणात बदलली जाऊ शकते हे स्पष्ट करा, तसेच n-प्रकार आणि p-प्रकार अर्धसंवाहकांचे वर्णन करा.

सविस्तर रासायनिक स्पष्टीकरण:

शुद्ध सिलिकॉन एक आंतरिक अर्धसंवाहक (intrinsic semiconductor) आहे, याचा अर्थ खोलीच्या तापमानावर त्याची विद्युत वाहकता खूप कमी असते. तापमान वाढल्यास त्याची वाहकता वाढते कारण अधिक इलेक्ट्रॉनना सहसंयोजक बंधातून मुक्त होण्यासाठी आणि वहन पट्ट्यात (conduction band) जाण्यासाठी पुरेशी ऊर्जा मिळते, ज्यामुळे इलेक्ट्रॉन-होल जोड्या तयार होतात. तथापि, व्यावहारिक इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगांसाठी, त्याची वाहकता अचूकपणे नियंत्रित करणे आवश्यक आहे, जे डोपिंग नावाच्या प्रक्रियेद्वारे साध्य केले जाते.

डोपिंगमध्ये शुद्ध सिलिकॉनमध्ये थोड्या प्रमाणात अशुद्ध मूलद्रव्य मिसळले जाते. या अशुद्धीमुळे एकतर अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन किंवा अतिरिक्त “होल्स” (रिक्त इलेक्ट्रॉन जागा) तयार होतात, ज्यामुळे वाहकता वाढते.

1. n-प्रकार अर्धसंवाहक (नकारात्मक-प्रकार):

   • मिश्रित पदार्थ (Dopant): शुद्ध सिलिकॉन (गट 14 मूलद्रव्य, 4 संयुजा इलेक्ट्रॉन) गट 15 मधील पंचसंयुजी अशुद्धीसह (उदा. फॉस्फरस (P), आर्सेनिक (As), किंवा अँटिमनी (Sb)) मिश्रित (doped) केले जाते.
   • कार्यपद्धती: जेव्हा एक पंचसंयुजी अणू (उदा. P) स्फटिकाच्या जाळीत सिलिकॉन अणूची जागा घेतो, तेव्हा त्याचे पाचपैकी चार संयुजा इलेक्ट्रॉन चार आजूबाजूच्या सिलिकॉन अणूंशी सहसंयोजक बंध तयार करतात. पाचवा संयुजा इलेक्ट्रॉन फॉस्फरस अणूने ढिल्यापणे धरलेला असतो.
   • आवेश वाहक (Charge Carriers): हा अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन बंधनात सहभागी नसतो आणि त्याला वहन पट्ट्यात जाण्यासाठी खूप कमी ऊर्जा लागते. तो एक मुक्त इलेक्ट्रॉन बनतो, जो नकारात्मक आवेश वाहक आहे. अशुद्धी अणूंना दाता अशुद्धी (donor impurities) म्हणतात कारण ते इलेक्ट्रॉन “दान” करतात.
   • वाहकता: n-प्रकार अर्धसंवाहकांमध्ये, इलेक्ट्रॉन हे बहुसंख्य आवेश वाहक असतात आणि होल्स अल्पसंख्य आवेश वाहक असतात. वाहकता मुख्यत्वे या अतिरिक्त मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीमुळे होते.

2. p-प्रकार अर्धसंवाहक (सकारात्मक-प्रकार):

   • मिश्रित पदार्थ (Dopant): शुद्ध सिलिकॉन गट 13 मधील त्रिसंयुजी अशुद्धीसह (उदा. बोरॉन (B), अॅल्युमिनियम (Al), किंवा गॅलियम (Ga)) मिश्रित केले जाते.
   • कार्यपद्धती: जेव्हा एक त्रिसंयुजी अणू (उदा. B) स्फटिकाच्या जाळीत सिलिकॉन अणूची जागा घेतो, तेव्हा तो त्याचे तीन संयुजा इलेक्ट्रॉन चार आजूबाजूच्या सिलिकॉन अणूंपैकी तिघांशी सहसंयोजक बंध तयार करण्यासाठी वापरतो. चौथा सहसंयोजक बंध पूर्ण करण्यासाठी, बोरॉन अणू शेजारच्या सिलिकॉन-सिलिकॉन बंधातून एक इलेक्ट्रॉन “स्वीकारतो”.
   • आवेश वाहक (Charge Carriers): इलेक्ट्रॉनच्या या स्वीकृतीमुळे सहसंयोजक बंधाच्या नेटवर्कमध्ये एक होल (धन रिक्तता) तयार होते. हा होल नंतर स्फटिकाच्या जाळीतून फिरू शकतो कारण दुसऱ्या बंधातून एक इलेक्ट्रॉन त्यात उडी मारतो. अशुद्धी अणूंना ग्राही अशुद्धी (acceptor impurities) म्हणतात कारण ते इलेक्ट्रॉन “स्वीकारतात”, ज्यामुळे होल तयार होतो.
   • वाहकता: p-प्रकार अर्धसंवाहकांमध्ये, होल्स हे बहुसंख्य आवेश वाहक असतात आणि इलेक्ट्रॉन अल्पसंख्य आवेश वाहक असतात. वाहकता मुख्यत्वे या होल्सच्या हालचालीमुळे होते.

डोपिंगद्वारे, आवेश वाहकांची (इलेक्ट्रॉन किंवा होल्स) एकाग्रता अनेक पटींनी वाढवता येते, ज्यामुळे सिलिकॉन एक अत्यंत प्रभावी आणि नियंत्रित करण्यायोग्य अर्धसंवाहक बनतो, जो डायोड, ट्रान्झिस्टर, एकात्मिक सर्किट्स आणि इतर इलेक्ट्रॉनिक घटकांसाठी महत्त्वाचा आहे.