गंधकाचे (S) रसायनशास्त्र - सराव प्रश्न

बहुपर्यायी प्रश्न (MCQs)

Q1: गंधकाचे अपरूप

गंधकाचे कोणते अपरूप खोलीच्या तापमानावर (25°C) स्थिर असते आणि S₈ वलयांच्या स्वरूपात असते? (A) एकनताक्ष गंधक (B) विषमभुज गंधक (C) प्लास्टिक गंधक (D) कलिली गंधक

योग्य उत्तर: (B)

स्पष्टीकरण: अल्फा-गंधक, ज्याला विषमभुज गंधक असेही म्हणतात, हे गंधकाचे सर्वात स्थिर अपरूप आहे जे 95.6°C (खोलीचे तापमान) पेक्षा कमी तापमानावर आढळते. ते S₈ च्या वक्र वलय संरचनेत असते, जिथे प्रत्येक गंधक अणू इतर दोन गंधक अणूंना जोडलेला असतो.

Q2: SO₂ चे रेडॉक्स गुणधर्म

सल्फर डायऑक्साइड (SO₂) ऑक्सिडायझिंग एजंट आणि रिड्यूसिंग एजंट अशा दोन्ही प्रकारे कार्य करू शकते. खालीलपैकी कोणती अभिक्रिया त्याचा रिड्यूसिंग (क्षपणकारी) गुणधर्म उत्तम प्रकारे दर्शवते? (A) SO₂ + 2H₂S \rightarrow 3S + 2H₂O (B) SO₂ + Cl₂ \rightarrow SO₂Cl₂ (C) SO₂ + 2NaOH \rightarrow Na₂SO₃ + H₂O (D) SO₂ + 2Mg \rightarrow 2MgO + S

योग्य उत्तर: (B)

स्पष्टीकरण: SO₂ ने रिड्यूसिंग एजंट म्हणून कार्य करण्यासाठी, गंधकाची ऑक्सिडेशन अवस्था वाढली पाहिजे.

• अभिक्रिया (A) मध्ये, गंधकाची ऑक्सिडेशन अवस्था +4 (SO₂ मध्ये) पासून 0 (S मध्ये) पर्यंत बदलते. हे क्षपण आहे, त्यामुळे SO₂ ऑक्सिडायझिंग एजंट म्हणून कार्य करते.
• अभिक्रिया (B) मध्ये, गंधकाची ऑक्सिडेशन अवस्था +4 (SO₂ मध्ये) पासून +6 (SO₂Cl₂ मध्ये) पर्यंत बदलते. हे ऑक्सिडीकरण आहे, याचा अर्थ SO₂ हे Cl₂ ला इलेक्ट्रॉन देऊन रिड्यूसिंग एजंट म्हणून कार्य करते.
• अभिक्रिया (C) मध्ये, SO₂ आम्लधर्मी ऑक्साईड म्हणून आम्लारीसोबत अभिक्रिया करते, जी आम्ल-आम्लारी अभिक्रिया आहे, प्रामुख्याने रेडॉक्स अभिक्रिया नाही.
• अभिक्रिया (D) मध्ये, गंधकाची ऑक्सिडेशन अवस्था +4 (SO₂ मध्ये) पासून 0 (S मध्ये) पर्यंत बदलते. हे क्षपण आहे, त्यामुळे SO₂ ऑक्सिडायझिंग एजंट म्हणून कार्य करते.

Q3: संपर्क प्रक्रियेचे तपशील

सल्फ्यूरिक आम्ल तयार करण्याच्या संपर्क प्रक्रियेमध्ये, सल्फर ट्रायऑक्साइड (SO₃) हे थेट पाण्यात शोषून घेण्याऐवजी 98% H₂SO₄ मध्ये शोषले जाते. याचे मुख्य कारण आहे: (A) SO₃ पाण्यात अविद्राव्य आहे. (B) SO₃ ची पाण्याशी थेट अभिक्रिया अत्यंत उष्णतादायी असते, ज्यामुळे H₂SO₄ चा दाट धूर तयार होतो जो संक्षेपण करणे कठीण आहे. (C) 98% H₂SO₄ हे SO₃ च्या जलयोजनासाठी (hydration) उत्तम उत्प्रेरक म्हणून कार्य करते. (D) ही पद्धत आर्थिकदृष्ट्या कमी व्यवहार्य आहे परंतु अति-शुद्ध H₂SO₄ तयार करते.

योग्य उत्तर: (B)

स्पष्टीकरण: SO₃ चे पाण्यात थेट शोषण केल्यास अत्यंत उष्णतादायी अभिक्रिया होते, ज्यामुळे सल्फ्यूरिक आम्लाच्या सूक्ष्म कणांचे (H₂SO₄ धूर) बारीक धुके तयार होते. हे धुके संक्षेपण करणे आणि वेगळे करणे कठीण आहे, ज्यामुळे उत्पादनाचे लक्षणीय नुकसान होते आणि पर्यावरणीय समस्या निर्माण होतात. SO₃ ला संहत H₂SO₄ मध्ये शोषून घेतल्याने, ओलियम (H₂S₂O₇) तयार होते: SO₃(g) + H₂SO₄(conc.) \rightarrow H₂S₂O₇(l) (ओलियम) हे ओलियम नंतर इच्छित एकाग्रतेचे सल्फ्यूरिक आम्ल मिळविण्यासाठी मोजक्या पाण्याने पातळ केले जाऊ शकते: H₂S₂O₇(l) + H₂O(l) \rightarrow 2H₂SO₄(l) ही दोन-टप्प्यांची प्रक्रिया आम्ल धुके तयार होणे टाळते आणि कार्यक्षम उत्पादन सुनिश्चित करते.

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 पण R असत्य आहे. (D) A असत्य आहे पण R सत्य आहे.

Q1

विधान (A): H₂S हे H₂O पेक्षा अधिक शक्तिशाली क्षपणकारी (reducing agent) आहे. कारण (R): H-S बंधाची बंध-विघटन ऊर्जा (bond dissociation enthalpy) H-O बंधाच्या तुलनेत कमी असते.

योग्य उत्तर: (A)

स्पष्टीकरण: ऑक्सिजनपासून गंधकापर्यंत गट 16 मध्ये खाली जाताना, अणुचा आकार वाढतो. परिणामी, H-S बंधाची लांबी H-O बंधाच्या लांबीपेक्षा जास्त असते. या वाढलेल्या बंध लांबीमुळे H-S बंधाची बंध-विघटन ऊर्जा H-O बंधाच्या तुलनेत कमी होते (H-S बंध ऊर्जा अंदाजे 347 kJ/mol, H-O बंध ऊर्जा अंदाजे 463 kJ/mol असते). कमकुवत H-S बंध म्हणजे तो अधिक सहजपणे तुटू शकतो, ज्यामुळे गंधक सहजपणे इलेक्ट्रॉन गमावू शकतो (ऑक्सिडायझ्ड होऊ शकतो) आणि त्यामुळे अधिक शक्तिशाली क्षपणकारी म्हणून कार्य करतो. म्हणूनच, H₂S हे H₂O पेक्षा अधिक शक्तिशाली क्षपणकारी आहे आणि H-S बंधाची कमी बंध-विघटन ऊर्जा याचे योग्य स्पष्टीकरण देते.

Q2

विधान (A): संहत H₂SO₄ हे एक शक्तिशाली निर्जलीकरण करणारे (dehydrating) एजंट आहे. कारण (R): संहत H₂SO₄ ला पाण्याच्या रेणूंसाठी तीव्र आकर्षण असते.

योग्य उत्तर: (A)

स्पष्टीकरण: संहत सल्फ्यूरिक आम्लाला पाण्यासाठी अत्यंत तीव्र आकर्षण असते, प्रामुख्याने जलयोजनाच्या उच्च एन्थाल्पीमुळे (म्हणजे, पाण्यासोबत तीव्र उष्णतादायी अभिक्रिया). हा गुणधर्म त्याला विविध पदार्थांमधून, ज्यात सेंद्रिय संयुगे (उदा. साखरेचे कोळसे होणे, इथेनॉलचे निर्जलीकरण) आणि संयुगांमधून पाण्याचे घटक प्रभावीपणे काढून टाकण्यास अनुमती देतो. पाण्याच्या रेणूंसाठी हे तीव्र आकर्षण हेच ते शक्तिशाली निर्जलीकरण करणारे एजंट म्हणून कार्य करण्याचे नेमके कारण आहे.

लघुत्तरी प्रश्न

Q1: गंधक आणि ऑक्सिजनमधील शृंखलाबद्धता (Catenation)

ऑक्सिजनपेक्षा गंधक अधिक प्रमाणात शृंखलाबद्धता (catenation) का दर्शवते ते स्पष्ट करा.

आदर्श उत्तर: शृंखलाबद्धता (Catenation) म्हणजे एखाद्या मूलद्रव्याची स्वतःच्या अणूंसोबत बंध तयार करण्याची क्षमता, ज्यामुळे साखळ्या किंवा वलये तयार होतात. ऑक्सिजन आणि गंधक दोन्ही गट 16 चे सदस्य आहेत, परंतु त्यांच्या शृंखलाबद्धतेच्या क्षमतांमध्ये लक्षणीय फरक आहे:

1. ऑक्सिजन: ऑक्सिजन अत्यंत मर्यादित शृंखलाबद्धता दर्शवतो, प्रामुख्याने O₂ रेणू आणि काही प्रमाणात ओझोन (O₃) आणि हायड्रोजन पेरॉक्साइड (H₂O₂) तयार करतो. O-O एकल बंध ऊर्जा (अंदाजे 146 kJ/mol) तुलनेने कमी असते. याचे कारण ऑक्सिजन अणूंचा लहान आकार आहे, ज्यामुळे साखळीतील शेजारील ऑक्सिजन अणूंमध्ये तीव्र एकाकी-जोडी-एकाकी-जोडी प्रतिकर्षण (lone pair-lone pair repulsion) होते, ज्यामुळे लांब साखळ्या अस्थिर होतात.

2. गंधक: गंधक विस्तृत शृंखलाबद्धता दर्शवतो, स्थिर S₈ वक्र वलये (विषमभुज आणि एकनताक्ष गंधकात आढळतात) आणि लांब पॉलिमरिक साखळ्या (जसे की प्लास्टिक गंधकात) तयार करतो. S-S एकल बंध ऊर्जा (अंदाजे 213 kJ/mol) ही O-O बंध ऊर्जेपेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त असते. गंधकाच्या मोठ्या अणु आकारामुळे शेजारील गंधक अणूंमधील एकाकी-जोडी-एकाकी-जोडी प्रतिकर्षण कमी होते. यामुळे अधिक मजबूत आणि स्थिर S-S एकल बंध तयार होतात, जे विविध आणि स्थिर बहुअणू संरचनांच्या निर्मितीस सुलभ करते.

Q2: सल्फर डायऑक्साइडचे आम्लधर्मी स्वरूप

सल्फर डायऑक्साइड (SO₂) चे आम्लधर्मी स्वरूप स्पष्ट करा. संबंधित रासायनिक समीकरणे लिहा.

आदर्श उत्तर: सल्फर डायऑक्साइड (SO₂) हे वैशिष्ट्यपूर्ण आम्लधर्मी ऑक्साईड आहे. त्याचे आम्लधर्मी स्वरूप खालील अभिक्रियांमधून स्पष्ट होते:

1. पाण्यासोबतची अभिक्रिया: SO₂ पाण्यात विरघळून सल्फ्यूरस आम्ल (H₂SO₃) तयार करते, जे एक दुर्बळ द्विप्रोटोनी आम्ल आहे. यामुळे SO₂ चे जलीय द्रावण निळे लिटमस लाल करते. SO₂(g) + H₂O(l) \rightleftharpoons H₂SO₃(aq)

2. आम्लारींसोबतची अभिक्रिया: आम्लधर्मी ऑक्साईड असल्याने, SO₂ आम्लारींसोबत सहजपणे अभिक्रिया करून सल्फाईट तयार करते. उदाहरणार्थ, ते सोडियम हायड्रॉक्साईडसोबत अभिक्रिया करून सोडियम सल्फाईट तयार करते: SO₂(g) + 2NaOH(aq) \rightarrow Na₂SO₃(aq) + H₂O(l) जर द्रावणातून जास्त प्रमाणात SO₂ पाठवले तर, सल्फाईट पुढे अभिक्रिया करून बायसल्फाईट तयार करू शकते: Na₂SO₃(aq) + H₂O(l) + SO₂(g) \rightarrow 2NaHSO₃(aq)

3. आम्लारीधर्मी ऑक्साईडसोबतची अभिक्रिया: SO₂ आम्लारीधर्मी ऑक्साईडसोबत देखील अभिक्रिया करून सल्फाईट तयार करते. हा गुणधर्म फ्लू वायूंच्या डीसल्फरायझेशनसारख्या औद्योगिक प्रक्रियेत वापरला जातो, जिथे SO₂ एक्झॉस्ट वायूंतून कॅल्शियम कार्बोनेट (चुना) किंवा कॅल्शियम हायड्रॉक्साईड (विरलेला चुना) सोबत अभिक्रिया करून काढून टाकले जाते: SO₂(g) + CaO(s) \rightarrow CaSO₃(s) SO₂(g) + CaCO₃(s) \rightarrow CaSO₃(s) + CO₂(g)

या अभिक्रिया सल्फर डायऑक्साइडचा आम्लधर्मी वर्ण स्पष्टपणे दर्शवतात.

उच्चस्तरीय विचार कौशल्य (HOTS) प्रश्न

Q: H₂S वायूचे शुष्कन

संहत H₂SO₄ चा वापर सामान्यतः H₂S वायूच्या शुष्कनासाठी केला जात नाही. संबंधित रासायनिक समीकरणांसह कारण स्पष्ट करा. H₂SO₄ नसेल तर, दुसरे कोणते शुष्कन करणारे एजंट वापरले जाऊ शकते?

विस्तृत रासायनिक स्पष्टीकरण: संहत सल्फ्यूरिक आम्ल (H₂SO₄) हे एक शक्तिशाली निर्जलीकरण करणारे एजंट आहे, परंतु ते हायड्रोजन सल्फाईड (H₂S) वायूच्या शुष्कनासाठी योग्य नाही. याचे मुख्य कारण म्हणजे संहत H₂SO₄ हे एक शक्तिशाली ऑक्सिडायझिंग एजंट देखील आहे, तर H₂S हे एक शक्तिशाली रिड्यूसिंग एजंट आहे. जेव्हा हे दोन्ही पदार्थ संपर्कात येतात, तेव्हा साध्या निर्जलीकरणाऐवजी रेडॉक्स अभिक्रिया होते, ज्यामुळे H₂S चा वापर होतो आणि अवांछित उपउत्पादने तयार होतात.

रासायनिक समीकरण: या अभिक्रियेमध्ये H₂S चे ऑक्सिडीकरण (गंधकाची ऑक्सिडेशन अवस्था -2 पासून 0 पर्यंत बदलते) आणि H₂SO₄ चे क्षपण (गंधकाची ऑक्सिडेशन अवस्था +6 पासून +4 पर्यंत बदलते) यांचा समावेश आहे. या अभिक्रियेचे एक सामान्य प्रतिनिधित्व असे आहे: H₂S(g) + H₂SO₄(conc.) \rightarrow S(s) + SO₂(g) + 2H₂O(l) या अभिक्रियेमध्ये, H₂S चे मूलद्रव्यीय गंधक (S) मध्ये ऑक्सिडीकरण होते आणि H₂SO₄ चे सल्फर डायऑक्साइड (SO₂) मध्ये क्षपण होते. यामुळे केवळ H₂S चे शुष्कन होत नाही तर घन गंधक आणि दुसरा वायू (SO₂) देखील तयार होतो, ज्यामुळे प्रक्रिया गुंतागुंतीची होते.

पर्यायी शुष्कन करणारे एजंट: H₂S हे एक क्षपणकारी एजंट आणि एक दुर्बळ आम्ल असल्यामुळे, योग्य शुष्कन करणारे एजंट हे असे असावेत:

1. ऑक्सिडायझिंग नसलेले: रेडॉक्स अभिक्रिया टाळण्यासाठी.
2. आम्लारीधर्मी नसलेले: आम्ल-आम्लारी अभिक्रिया टाळण्यासाठी.

त्यामुळे, उदासीन आणि ऑक्सिडायझिंग नसलेले शुष्कन करणारे एजंट पसंत केले जातात. चांगले पर्याय खालीलप्रमाणे आहेत:

• निर्जल फॉस्फरस पेंटॉक्साइड (P₂O₅): हे एक अत्यंत प्रभावी निर्जलीकरण करणारे एजंट आहे आणि सामान्य परिस्थितीत H₂S सोबत अभिक्रिया करत नाही.
• निर्जल मॅग्नेशियम सल्फेट (MgSO₄): एक उदासीन क्षार जो चांगला शुष्कन करणारा एजंट म्हणून कार्य करतो.
• सिलिका जेल: सिलिकॉन डायऑक्साइडचे एक सच्छिद्र स्वरूप जे प्रभावीपणे आर्द्रता शोषून घेते.

संयुजित निर्जल कॅल्शियम क्लोराईड (CaCl₂) सामान्यतः टाळले जाते कारण ते H₂S सोबत अस्थिर अ‍ॅडक्ट (CaCl₂·xH₂S) तयार करू शकते, जरी त्याची अभिक्रिया H₂SO₄ पेक्षा कमी गंभीर असते. H₂S च्या शुष्कनासाठी सर्वात सामान्यपणे शिफारस केलेले आणि सुरक्षित पर्याय निर्जल P₂O₅ आहे.