चांदीचे (Ag) रसायनशास्त्र - सोडवलेले सराव प्रश्न

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

हे प्रश्न चांदी (Ag) शी संबंधित प्रमुख संकल्पनांची तुमची समज तपासण्यासाठी तयार केले आहेत. दिलेल्या पर्यायांमधून सर्वात योग्य उत्तर निवडा.

प्रश्न 1

खालीलपैकी कोणती प्रक्रिया चांदीच्या सल्फाइड धातूपासून (sulphide ore) चांदी काढण्यासाठी प्रामुख्याने वापरली जाते? (A) Bayer’s process (B) Hall-Heroult process (C) MacArthur-Forrest cyanide process (D) Froth flotation process

उत्तर: (C) स्पष्टीकरण: MacArthur-Forrest cyanide प्रक्रिया ही एक जल-धातुविज्ञान (hydrometallurgical) पद्धत आहे, जी चांदी आणि सोन्यासारख्या मौल्यवान धातूंना त्यांच्या कमी-श्रेणीच्या धातूपासून (low-grade ores) काढण्यासाठी वापरली जाते. या प्रक्रियेमध्ये, चांदीची बारीक पूड केलेली सल्फाइड धातू (उदा. अर्जेंटाइट, Ag_2S) सोडियम सायनाइड (NaCN) किंवा पोटॅशियम सायनाइड (KCN) च्या सौम्य द्रावणासह हवेच्या (ऑक्सिजनच्या) उपस्थितीत निथरली (leached) जाते. यामुळे एक विद्रव्य डायसायनोअर्जेंटेट(I) संकुल (soluble dicyanoargentate(I) complex) तयार होते, ज्यामधून नंतर जस्त (zinc) पावडर वापरून चांदी अवक्षेपित (precipitated) केली जाते.

यामध्ये समाविष्ट असलेल्या अभिक्रिया:

1. Leaching: Ag_2S(s) + 4NaCN(aq) + \frac{1}{2}O_2(g) + H_2O(l) \rightarrow 2NaAg(CN)_2 + 2NaOH(aq) + S(s)
2. Reduction (by displacement): 2NaAg(CN)_2 + Zn(s) \rightarrow Na_2Zn(CN)_4 + 2Ag(s)

बेयरची प्रक्रिया (Bayer’s process) ॲल्युमिनियमसाठी आहे, हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रिया (Hall-Heroult process) ॲल्युमिनियमच्या विद्युत अपघटनसाठी (electrolysis) आहे आणि फेन प्लवन (Froth flotation) प्रक्रिया सल्फाइड धातूंच्या संकेंद्रणासाठी (concentration) आहे, धातूच्या निष्कर्षणसाठी (extraction) नाही.

प्रश्न 2

जेव्हा चांदी सौम्य नायट्रिक आम्लासोबत अभिक्रिया करते, तेव्हा तयार होणारा प्रमुख वायू उत्पादन (gaseous product) कोणता असतो? (A) NO₂ (B) N₂O (C) NO (D) NH₄NO₃

उत्तर: (C) स्पष्टीकरण: चांदीची नायट्रिक आम्लासोबतची अभिक्रिया आम्लाच्या सांद्रतेवर (concentration) अवलंबून असते.

• सौम्य नायट्रिक आम्लासोबत, चांदीचे सिल्व्हर नायट्रेटमध्ये ऑक्सिडीकरण होते आणि नायट्रिक ऑक्साईड (NO) वायू तयार होतो. 3Ag(s) + 4HNO₃(dilute) \rightarrow 3AgNO₃(aq) + NO(g) + 2H₂O(l)
• संहत नायट्रिक आम्लासोबत, चांदी सिल्व्हर नायट्रेटच तयार करते, परंतु नायट्रोजन डायऑक्साइड (NO₂) वायू तयार होतो. Ag(s) + 2HNO₃(conc.) \rightarrow AgNO₃(aq) + NO₂(g) + H₂O(l)

म्हणून, सौम्य नायट्रिक आम्लासाठी, प्रमुख वायू उत्पादन NO आहे.

प्रश्न 3

चांदीच्या हॅलाइड्सपैकी (AgF, AgCl, AgBr, AgI), पाण्यात सर्वात जास्त विद्रव्य (soluble) कोणते आहे? (A) AgF (B) AgCl (C) AgBr (D) AgI

उत्तर: (A) स्पष्टीकरण: सिल्व्हर फ्लोराइड (AgF) पाण्यात लक्षणीयरीत्या विद्रव्य आहे, तर AgCl, AgBr आणि AgI अल्प प्रमाणात विद्रव्य (sparingly soluble) आहेत. आयनिक संयुगांची (ionic compounds) पाण्यातील विद्रव्यता जालक ऊर्जा (lattice energy) आणि जलयोजन ऊर्जा (hydration energy) यांच्यातील संतुलनावर अवलंबून असते.

• AgF: फ्लोराइड आयन (F⁻) इतर हॅलाइड आयनांपेक्षा (Cl⁻, Br⁻, I⁻) खूप लहान असतो. यामुळे F⁻ वर उच्च चार्ज घनता (charge density) निर्माण होते आणि त्यामुळे AgF साठी खूप मजबूत जलयोजन ऊर्जा (hydration energy) असते. AgF मध्ये F⁻ च्या लहान आकारामुळे उच्च जालक ऊर्जा असली तरी, तिची जलयोजन ऊर्जा जालक ऊर्जावर मात करण्यासाठी पुरेशी असते, ज्यामुळे ते विद्रव्य होते.
• AgCl, AgBr, AgI: हॅलाइड आयनाचा आकार Cl⁻ पासून I⁻ पर्यंत वाढत जातो तसतसे सिल्व्हर हॅलाइडची जालक ऊर्जा कमी होते, परंतु जलयोजन ऊर्जा देखील अधिक लक्षणीयरीत्या कमी होते (कारण मोठे आयन कमी जलयोजित होतात). याव्यतिरिक्त, AgCl ते AgI पर्यंत वाढणारे सहसंयोजक गुणधर्म (covalent character) (फजनच्या नियमांनुसार - मोठे ॲनायन, लहान कॅटायन) ध्रुवीय द्रावकांमध्ये (polar solvents) जसे की पाण्यात त्यांची विद्रव्यता आणखी कमी करतात.

विधान-कारण प्रश्न

या प्रश्नांमध्ये, एक विधान (Assertion (A)) दिले आहे आणि त्यानंतर एक कारण (Reason (R)) दिले 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 पण R असत्य आहे. (D) A असत्य आहे पण R सत्य आहे. (E) A आणि R दोन्ही असत्य आहेत.

प्रश्न 1

विधान (A): चांदीला खरा संक्रमण धातू (true transition element) मानले जात नाही. कारण (R): चांदीमध्ये तिच्या मूल स्थितीमध्ये (ground state) तसेच तिच्या सामान्य +1 ऑक्सिडीकरण अवस्थेत (oxidation state) पूर्णपणे भरलेला d-उपशेल (d-subshell) असतो.

उत्तर: (A) स्पष्टीकरण: विधान (A): चांदीचे (Ag) इलेक्ट्रॉन संरूपण (electronic configuration) [Kr] 4d^\{10\} 5s^1 आहे. तिच्या सर्वात सामान्य आणि स्थिर ऑक्सिडीकरण अवस्थेत, Ag⁺ मध्ये, संरूपण [Kr] 4d^\{10\} असते. IUPAC व्याख्येनुसार, संक्रमण धातू (transition element) म्हणजे असा घटक ज्याच्या मूल स्थितीमध्ये (ground state) किंवा त्याच्या कोणत्याही सामान्य ऑक्सिडीकरण अवस्थेत अपूर्ण भरलेले d-कक्षक (d-orbitals) असतात. Ag⁺ मध्ये पूर्णपणे भरलेला 4d उपशेल असल्यामुळे, ते या व्याख्येशी तंतोतंत जुळत नाही. म्हणून, हे विधान सत्य आहे. कारण (R): सांगितल्याप्रमाणे, Ag ची मूल स्थितीतील (ground state) संरूपण 4d^\{10\} 5s^1 आहे आणि सामान्य +1 ऑक्सिडीकरण अवस्था (Ag⁺) 4d^\{10\} आहे. दोघांमध्येही पूर्णपणे भरलेले d-उपशेल (d-subshells) आहेत. म्हणून, हे कारण सत्य आहे. कारण स्पष्टपणे स्पष्ट करते की कठोर व्याख्येनुसार चांदीला खरा संक्रमण धातू का मानले जात नाही. म्हणून, (A) हे योग्य उत्तर आहे.

प्रश्न 2

विधान (A): सिल्व्हर ब्रोमाइड (Silver bromide) कृष्णधवल छायाचित्रणामध्ये (black and white photography) मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते. कारण (R): सिल्व्हर ब्रोमाइड प्रकाशाच्या संपर्कात आल्यावर प्रकाशरासायनिक विघटन (photochemical decomposition) होते.

उत्तर: (A) स्पष्टीकरण: विधान (A): सिल्व्हर ब्रोमाइड (AgBr) त्याच्या उच्च प्रकाशसंवेदनक्षमतेमुळे (photosensitivity) कृष्णधवल छायाचित्रणामध्ये वापरल्या जाणाऱ्या फोटोग्राफिक इमल्शनचा (photographic emulsions) एक महत्त्वाचा घटक आहे. म्हणून, हे विधान सत्य आहे. कारण (R): जिलेटिनमध्ये (gelatin) असलेले AgBr स्फटिक (crystals) प्रकाशास संवेदनशील असतात. जेव्हा ते प्रकाशाच्या संपर्कात येतात, तेव्हा AgBr प्रकाशरासायनिक अभिक्रिया (photochemical reaction) करते, आणि धातू चांदीचे (metallic silver (Ag)) आणि ब्रोमिनचे (Br_2) सूक्ष्म कण (fine particles) तयार होतात. ही अभिक्रिया अशी आहे: 2AgBr(s) \rightarrow 2Ag(s) + Br₂(g) धातू चांदीचे कण “अदृश्य प्रतिमा” (latent image) तयार करतात, जे नंतर रासायनिक प्रक्रिया करून दृश्यमान प्रतिमेमध्ये विकसित (developed) केले जाते. हा गुणधर्म छायाचित्रणामध्ये त्याच्या वापरासाठी महत्त्वपूर्ण आहे. म्हणून, हे कारण सत्य आहे. हे कारण छायाचित्रणामध्ये AgBr च्या उपयुक्ततेचे थेट स्पष्टीकरण देते. म्हणून, (A) हे योग्य उत्तर आहे.

लघुत्तरी प्रश्न

खालील प्रश्नांची उत्तरे संक्षिप्त आणि अचूकपणे द्या.

प्रश्न 1

सिल्व्हर क्लोराइड (AgCl) पाण्यात अल्प प्रमाणात विद्रव्य (sparingly soluble) का आहे पण जलीय अमोनियामध्ये (aqueous ammonia) सहज विद्रव्य (readily soluble) का आहे, हे स्पष्ट करा. संबंधित रासायनिक समीकरणे लिहा.

आदर्श उत्तर: सिल्व्हर क्लोराइड (AgCl) पाण्यात अल्प प्रमाणात विद्रव्य असण्याचे मुख्य कारण त्याची उच्च जालक ऊर्जा (lattice energy) आहे, जी आयनिक जालक (ionic lattice) तोडण्यासाठी आवश्यक असलेली ऊर्जा आहे. Ag⁺ आणि Cl⁻ आयन पाण्याच्या रेणूंशी (molecules) अभिक्रिया करतात तेव्हा उत्सर्जित होणारी जलयोजन ऊर्जा (hydration energy) या जालक ऊर्जावर पूर्णपणे मात करू शकत नाही.

तथापि, AgCl जलीय अमोनियामध्ये (NH_3(aq)) सहज विद्रव्य होते कारण एक स्थिर, विद्रव्य संकुल आयन (complex ion), डायअमाइन सिल्व्हर(I) आयन, [Ag(NH\_3)\_2]⁺ तयार होते. अमोनियाचे रेणू (molecules) लिगंड (ligands) म्हणून कार्य करतात, Ag⁺ आयनशी समन्वय साधून हे संकुल तयार करतात. या अत्यंत स्थिर संकुलाच्या निर्मितीमुळे द्रावणातील मुक्त Ag⁺ आयनांची सांद्रता (concentration) लक्षणीयरीत्या कमी होते, ज्यामुळे ले चॅटेलियरच्या तत्त्वानुसार (Le Chatelier’s principle) AgCl च्या विद्राव्यतेचे संतुलन (dissolution equilibrium) उजवीकडे सरकते. यामुळे Ag⁺ आयनांची भरपाई करण्यासाठी अधिक AgCl विद्रव्य होते, जोपर्यंत जवळजवळ सर्व AgCl विरघळत नाही.

रासायनिक समीकरणे:

1. पाण्यात अल्प विद्रव्य: AgCl(s) \rightleftharpoons Ag⁺(aq) + Cl⁻(aq) (Ksp is very low, ~1.8 \times 10⁻¹⁰)

2. जलीय अमोनियामध्ये सहज विद्रव्य: AgCl(s) + 2NH₃(aq) \rightarrow [Ag(NH₃)₂]⁺(aq) + Cl⁻(aq)

प्रश्न 2

चांदीच्या वस्तूंचे काळवंडणे (tarnishing) या घटनेचे वर्णन करा आणि या प्रक्रियेसाठी संतुलित रासायनिक समीकरण लिहा.

आदर्श उत्तर: Tarnishing of silver ही एक सामान्य घटना आहे जिथे चांदीच्या वस्तूंची, जसे की दागिने, कटलरी (cutlery) किंवा नाणी यांची पृष्ठभाग आपली वैशिष्ट्यपूर्ण चमक गमावते आणि निस्तेज होते, अनेकदा गडद राखाडी किंवा काळ्या रंगाची होते. हे तेव्हा घडते जेव्हा चांदीचा धातू वातावरणातील विशिष्ट पदार्थांशी अभिक्रिया करतो.

चांदीच्या काळवंडण्या (tarnishing) चे मुख्य कारण म्हणजे हायड्रोजन सल्फाइड (H_2S) वायूच्या अल्प प्रमाणाशी तिची अभिक्रिया, जो वायू प्रदूषणाचा एक घटक आहे आणि काही जैविक प्रक्रियेतून नैसर्गिकरित्या बाहेर पडतो. सल्फरयुक्त संयुगे देखील यात योगदान देऊ शकतात. चांदी हायड्रोजन सल्फाइडशी अभिक्रिया करून तिच्या पृष्ठभागावर सिल्व्हर सल्फाइड (Ag_2S) चा पातळ थर तयार करते. सिल्व्हर सल्फाइड एक काळे संयुग आहे, जे काळवंडलेल्या चांदीला तिचा वैशिष्ट्यपूर्ण गडद रंग देते. लोहावरील गंज (rust) जो निघून जातो त्याऐवजी, सिल्व्हर सल्फाइडचा थर चांदीच्या पृष्ठभागावर चिकटून राहतो.

संतुलित रासायनिक समीकरण: 2Ag(s) + H₂S(g) \rightarrow Ag₂S(s) + H₂(g)

उच्च-स्तरीय विचार कौशल्य (HOTS) प्रश्न

प्रश्न 1

चांदी (Ag) प्रामुख्याने +1 ऑक्सिडीकरण अवस्था दर्शवते, तर तिचे गट शेजारी, तांबे (Cu) आणि सोने (Au), सामान्यतः उच्च ऑक्सिडीकरण अवस्था देखील दर्शवतात (Cu साठी +2, Au साठी +3). याव्यतिरिक्त, d-खंडातील घटक असूनही चांदीची उत्प्रेरक क्रियाशीलता (catalytic activity) तुलनेने मर्यादित आहे. या निरीक्षणांमागील अंतर्निहित इलेक्ट्रॉन संरचनेची (electronic structure) कारणे चर्चा करा.

सविस्तर रासायनिक स्पष्टीकरण:

1. चांदीची प्रमुख +1 ऑक्सिडीकरण अवस्था:

• इलेक्ट्रॉन संरूपण: चांदीचे इलेक्ट्रॉन संरूपण [Kr] 4d^\{10\} 5s^1 आहे. +1 ऑक्सिडीकरण अवस्था एकच 5s इलेक्ट्रॉन गमावून प्राप्त होते.
• Ag⁺ ची स्थिरता: परिणामी Ag⁺ आयनमध्ये एक स्थिर, पूर्णपणे भरलेले 4d^\{10\} इलेक्ट्रॉन संरूपण असते. हे भरलेले d-उपशेल ऊर्जादृष्ट्या खूप स्थिर असते, ज्यामुळे 4d कक्षकांमधून (orbitals) पुढील इलेक्ट्रॉन काढणे कठीण होते. Ag⁺ मधून 4d इलेक्ट्रॉन काढण्यासाठी आवश्यक असलेली ऊर्जा Cu सारख्या घटकांपेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त असते.
• Cu आणि Au शी तुलना:
  • तांबे (Cu): [Ar] 3d^\{10\} 4s^1. ते सामान्यतः +1 (Cu⁺, 3d^\{10\}) आणि +2 (Cu²⁺, 3d^9) ऑक्सिडीकरण अवस्था दर्शवते. Ag मधील 4d आणि 5s कक्षकांमधील ऊर्जा फरकापेक्षा 3d आणि 4s कक्षकांमधील ऊर्जा फरक कमी असतो, ज्यामुळे Cu²⁺ तयार करण्यासाठी अतिरिक्त 3d इलेक्ट्रॉन काढणे अधिक शक्य होते. d-कक्षक देखील तितके खोलवर प्रवेश करणारे (deeply penetrating) नसतात, ज्यामुळे ते अधिक सुलभ होते.
  • सोने (Au): [Xe] 4f^\{14\} 5d^\{10\} 6s^1. सोने +1 आणि +3 च्या सामान्य ऑक्सिडीकरण अवस्था दर्शवते. +3 अवस्थेचे प्राबल्य मुख्यतः सापेक्षतावादी प्रभावांना (relativistic effects) दिले जाते. हे प्रभाव 6s कक्षकाला आकुंचन (contract) पावून स्थिर करतात, तर 5d कक्षक विस्तारतात (expand) आणि अस्थिर होतात, ज्यामुळे 5d इलेक्ट्रॉन बंधनासाठी (bonding) अधिक सुलभ होतात आणि उच्च ऑक्सिडीकरण अवस्थांना प्रोत्साहन देतात. याव्यतिरिक्त, लँथेनाइड आकुंचन (lanthanide contraction) ऊर्जा स्तरांवर (energy levels) प्रभाव टाकते.

2. चांदीची मर्यादित उत्प्रेरक क्रियाशीलता:

• संक्रमण धातूंच्या उत्प्रेरणाची यंत्रणा: संक्रमण धातू उत्कृष्ट उत्प्रेरक (catalysts) असतात कारण त्यांच्यामध्ये सामान्यतः खालील गुणधर्म असतात:
  • परिवर्तनशील ऑक्सिडीकरण अवस्था: अभिक्रिया यंत्रणांमध्ये इलेक्ट्रॉन हस्तांतरणास (electron transfer) सुलभ करण्यासाठी.
  • अंशतः भरलेले d-कक्षक: रिक्त d-कक्षकांमधून (vacant d-orbitals) अभिकारकांसोबत तात्पुरते बंधन (temporary bonding) करण्यास अनुमती देण्यासाठी, मध्यवर्ती संकुल (intermediate complexes) तयार करण्यासाठी.
  • मोठा पृष्ठभाग: विषम-उत्प्रेरणासाठी (heterogeneous catalysis).
• चांदीची मर्यादा: तिच्या सर्वात सामान्य आणि स्थिर +1 ऑक्सिडीकरण अवस्थेत, चांदीमध्ये पूर्णपणे भरलेले 4d^\{10\} संरूपण असते. याचा अर्थ:
  • रिक्त d-कक्षकांची कमतरता: अभिकारकांच्या रेणूंशी मजबूत मध्यवर्ती बंध (intermediate bonds) तयार करण्यासाठी किंवा d-इलेक्ट्रॉन संख्येत बदल समाविष्ट असलेल्या इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण यंत्रणांमध्ये प्रभावीपणे भाग घेण्यासाठी सहज उपलब्ध असे रिक्त d-कक्षक नसतात.
  • मर्यादित परिवर्तनशील ऑक्सिडीकरण अवस्था: Ag उच्च ऑक्सिडीकरण अवस्था (+2, +3) प्राप्त करू शकते, परंतु त्या इतर अनेक संक्रमण धातूंच्या तुलनेत कमी स्थिर असतात आणि त्यांना अधिक कठोर परिस्थिती किंवा विशिष्ट स्थिर करणारे लिगंड (stabilizing ligands) लागतात. d-कक्षक सहभागाद्वारे अनेक स्थिर ऑक्सिडीकरण अवस्थांमध्ये सहजपणे रूपांतरित होण्याची अक्षमता अनेक उत्प्रेरक चक्रांमध्ये (catalytic cycles) तिची भूमिका मर्यादित करते.
• फरक: Fe, Pt, Pd आणि V सारख्या घटकांमध्ये त्यांच्या सामान्य ऑक्सिडीकरण अवस्थांमध्ये अपूर्ण भरलेले d-कक्षक (उदा. Fe²⁺/Fe³⁺, V²⁺/V³⁺/V⁴⁺/V⁵⁺) असतात. यामुळे ते सहजपणे स्थिर मध्यवर्ती संकुल तयार करू शकतात आणि सुलभ इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण करू शकतात, जे अनेक उत्प्रेरक प्रक्रियांमधील महत्त्वपूर्ण टप्पे आहेत.
• विशिष्ट उत्प्रेरण: चांदी काही प्रमाणात उत्प्रेरक क्रियाशीलता दर्शवत असली तरी (उदा. इथिलीनचे इथिलीन ऑक्साईडमध्ये ऑक्सिडीकरण), उत्प्रेरक प्रक्रियांमध्ये तिची एकूण श्रेणी आणि कार्यक्षमता अंशतः भरलेले d-कक्षक असलेल्या इतर संक्रमण धातूंच्या तुलनेत सामान्यतः अधिक मर्यादित असते. चांदीच्या या वर्तनाला या संदर्भात अनेकदा “स्यूडो-संक्रमण” (pseudo-transition) असे संबोधले जाते.