झिंक (Zn) चे रसायनशास्त्र - सराव प्रश्न

स्पष्टीकरण:

• A) झिंक +2 ची एकच स्थिर ऑक्सिडेशन अवस्था दर्शवते. हे बरोबर आहे. त्याच्या संयुगांमध्ये, झिंक जवळजवळ केवळ +2 ऑक्सिडेशन अवस्था दर्शवते, जिथे त्याचे इलेक्ट्रॉन संरूपण [Ar] 3d¹⁰ होते.
• B) झिंक d-ब्लॉक मूलद्रव्यांच्या गट 12 मध्ये येते. हे बरोबर आहे. झिंक (अणुक्रमांक 30) हे गट 12 मधील पहिले मूलद्रव्य आहे, त्यानंतर कॅडमियम आणि मर्क्युरी येतात.
• C) d-d संक्रमणांमुळे झिंक रंगीत संयुगे तयार करते. हे चुकीचे आहे. +2 ऑक्सिडेशन अवस्थेत, झिंकमध्ये पूर्णपणे भरलेले d-उपशेल (3d¹⁰) असते. रिकामे d-ऑर्बिटल्स उपलब्ध नसल्यामुळे, d-d इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण शक्य नाहीत. त्यामुळे, बहुतेक झिंक संयुगे डायमॅग्नेटिक (प्रतिचुंबकीय) आणि रंगहीन असतात.
• D) झिंक धातू आम्ल आणि तीव्र अल्कली (क्षार) या दोन्हीसोबत अभिक्रिया करते. हे बरोबर आहे. झिंक हा उभयधर्मी (amphoteric) धातू आहे. ते आम्लासोबत अभिक्रिया करून हायड्रोजन वायू तयार करते (उदा. Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂) आणि तीव्र अल्कलीसोबत झिंकेट्स तयार करते (उदा. Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂).

स्पष्टीकरण: धातूंची नायट्रिक आम्लासोबतची अभिक्रिया गुंतागुंतीची असते आणि ती आम्लाची सांद्रता, धातूची क्रियाशीलता आणि तापमान यावर अवलंबून असते.

• अतिशय सौम्य नायट्रिक आम्ल झिंकसारख्या क्रियाशील धातूंशी अभिक्रिया करून नायट्रस ऑक्साईड (N₂O) तयार करते. 4Zn + 10HNO₃ (very dilute) → 4Zn(NO₃)₂ + 5H₂O + N₂O
• सौम्य नायट्रिक आम्ल बऱ्याचदा नायट्रिक ऑक्साईड (NO) किंवा अतिशय क्रियाशील धातूंशी अभिक्रिया करून हायड्रोजन वायू देखील तयार करते. 3Zn + 8HNO₃ (dilute) → 3Zn(NO₃)₂ + 4H₂O + 2NO
• केंद्रित नायट्रिक आम्ल साधारणपणे नायट्रोजन डायऑक्साईड (NO₂) तयार करते. Zn + 4HNO₃ (conc.) → Zn(NO₃)₂ + 2H₂O + 2NO₂ तथापि, सौम्य नायट्रिक आम्ल आणि झिंक यांच्या बाबतीत, N₂O ची निर्मिती मध्यम सौम्यतेसाठी एक सामान्य निरीक्षण आहे. अतिशय सौम्य नायट्रिक आम्लासाठी, H₂ तयार होऊ शकते, परंतु N₂O हे झिंकसारख्या मध्यम क्रियाशील धातूंसाठी मध्यम सौम्य परिस्थितीत अधिक वैशिष्ट्यपूर्ण आहे. दिलेल्या पर्यायांमध्ये, N₂O हे सौम्य नायट्रिक आम्लासोबत झिंकच्या अभिक्रियेतील एक प्राथमिक उत्पादन आहे.

स्पष्टीकरण:

• A) झिंक ब्लेंडी (स्फॅलेराईट): हे झिंक सल्फाईड (ZnS) आहे, जे जगभरातील झिंकचे सर्वात महत्त्वाचे धातू (अयस्क) आहे.
• B) कॅलामाईन: हे झिंक कार्बोनेट (ZnCO₃) ला संदर्भित करते, ज्याला स्मिथसोनाईट असेही म्हणतात. हे झिंकचे एक महत्त्वाचे धातू (अयस्क) आहे. (टीप: ऐतिहासिकदृष्ट्या, कॅलामाईन हा शब्द झिंक ऑक्साईड आणि फेरिक ऑक्साईडच्या मिश्रणाला देखील संदर्भित करत होता, परंतु धातूशास्त्रामध्ये, ते सहसा ZnCO₃ ला संदर्भित करते).
• C) झिंंकाईट: हे झिंक ऑक्साईड (ZnO) आहे, जे झिंकचे आणखी एक महत्त्वाचे धातू (अयस्क) आहे.
• D) बॉक्साईट: बॉक्साईट हे ॲल्युमिनियमचे धातू (अयस्क) आहे, ज्यात प्रामुख्याने गिब्सईट (Al(OH)₃), बोहेमाईट (γ-AlO(OH)), आणि डायस्पोर (α-AlO(OH)) सारख्या जलयुक्त ॲल्युमिनियम ऑक्साईड्सचा समावेश असतो. त्यात झिंक नसते.

स्पष्टीकरण:

• विधान (A) सत्य आहे. संक्रमण मूलद्रव्यांसाठी IUPAC व्याख्येनुसार, ती अशी मूलद्रव्ये आहेत ज्यांच्या मूलभूत अवस्थेत किंवा त्यांच्या कोणत्याही सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्थेत अपूर्ण d-ऑर्बिटल्स असतात.
• कारण (R) देखील सत्य आहे आणि A चे योग्य स्पष्टीकरण देते. झिंकचे इलेक्ट्रॉन संरूपण [Ar] 3d¹⁰ 4s² आहे. त्याच्या सर्वात सामान्य आणि स्थिर +2 ऑक्सिडेशन अवस्थेत, ते दोन 4s इलेक्ट्रॉन गमावते, ज्यामुळे [Ar] 3d¹⁰ हे संरूपण होते. मूलभूत अवस्थेत किंवा +2 ऑक्सिडेशन अवस्थेत अपूर्ण d-ऑर्बिटल नसल्यामुळे, झिंक हे d-ब्लॉक मूलद्रव्य असले तरी संक्रमण मूलद्रव्याच्या व्याख्येत बसत नाही.

स्पष्टीकरण:

• विधान (A) सत्य आहे. झिंकच्या सामान्य +2 ऑक्सिडेशन अवस्थेत 3d¹⁰ संरूपण असते. d-ऑर्बिटल्समधील सर्व इलेक्ट्रॉन जोडलेले (paired) असतात, त्यामुळे कोणतेही अयुग्मित इलेक्ट्रॉन शिल्लक राहत नाहीत. म्हणून, झिंक संयुगे प्रतिचुंबकीय (diamagnetic) असतात.
• कारण (R) देखील सत्य आहे. झिंक(II) हा d¹⁰ आयन आहे आणि तो विविध लिगँड्ससोबत, ज्यात तीव्र क्षेत्र लिगँड्स (उदा. [Zn(NH₃)₄]²⁺, [Zn(CN)₄]²⁻) समाविष्ट आहेत, चतुष्फलकीय (tetrahedral) किंवा अष्टफलकीय (octahedral) संकुल तयार करू शकतो.
• तथापि, कारण (तीव्र क्षेत्र लिगँड्ससोबत संकुल तयार करणे) प्रतिचुंबकीय गुणधर्माचे स्पष्टीकरण देत नाही. प्रतिचुंबकत्व हे Zn²⁺ आयनमधील पूर्णपणे भरलेल्या d-उपशेल (3d¹⁰) मुळे उद्भवते, याचा अर्थ लिगँडच्या शक्तीची पर्वा न करता कोणतेही अयुग्मित इलेक्ट्रॉन नसतात. तीव्र क्षेत्र लिगँड्स क्रिस्टल फील्ड स्प्लिटिंगवर परिणाम करतात, परंतु d¹⁰ आयनसाठी, हे स्प्लिटिंग अयुग्मित इलेक्ट्रॉन किंवा पॅरामॅग्नेटिझम (अनुचुंबकत्व) ला कारणीभूत ठरत नाही.

IUPAC व्याख्येनुसार, संक्रमण मूलद्रव्ये अशी आहेत ज्यांच्या मूलभूत अवस्थेत किंवा त्यांच्या कोणत्याही सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्थेत अपूर्ण d-ऑर्बिटल्स असतात.

• इलेक्ट्रॉन संरूपण: त्याच्या मूलभूत अवस्थेत, झिंकमध्ये पूर्णपणे भरलेले 3d¹⁰ उपशेल असते. त्याच्या एकमेव सामान्य आणि स्थिर ऑक्सिडेशन अवस्थेत, +2, ते दोन 4s इलेक्ट्रॉन गमावून Zn²⁺ तयार करते, ज्याचे संरूपण [Ar] 3d¹⁰ आहे. मूलभूत अवस्थेत किंवा +2 ऑक्सिडेशन अवस्थेत अपूर्ण d-ऑर्बिटल नसल्यामुळे, झिंक संक्रमण मूलद्रव्याच्या IUPAC व्याख्येत बसत नाही.
• गुणधर्म: हे इलेक्ट्रॉन संरूपण (3d¹⁰) अनेक गुणधर्मांना कारणीभूत ठरते जे झिंकला सामान्य संक्रमण मूलद्रव्यांपासून वेगळे करतात:
  1. परिवर्तनशील ऑक्सिडेशन अवस्था: d-इलेक्ट्रॉनच्या सहभागामुळे अनेक ऑक्सिडेशन अवस्था दर्शवणाऱ्या बहुतेक संक्रमण मूलद्रव्यांच्या विपरीत, झिंक केवळ +2 ऑक्सिडेशन अवस्था दर्शवते.
  2. संयुगांचा रंग: झिंक संयुगे सामान्यतः घन अवस्थेत किंवा द्रावणात रंगहीन (पांढरी) असतात कारण d-d इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण होण्यासाठी कोणतेही अयुग्मित d-इलेक्ट्रॉन नसतात, जे बहुतेक संक्रमण धातूंच्या संयुगांमध्ये रंगासाठी जबाबदार असतात.
  3. उत्प्रेरक क्रियाशीलता: सामान्य संक्रमण धातू त्यांच्या परिवर्तनशील ऑक्सिडेशन अवस्था आणि अस्थिर मध्यस्थ (intermediates) तयार करण्याच्या क्षमतेमुळे अनेकदा उत्प्रेरक म्हणून कार्य करतात. झिंक, जे प्रामुख्याने +2 अवस्थेपुरते मर्यादित आहे, खरे संक्रमण धातूंच्या तुलनेत मर्यादित उत्प्रेरक क्रियाशीलता दर्शवते.

b) सौम्य हायड्रोक्लोरिक आम्लासोबत झिंक ऑक्साईडची अभिक्रिया: झिंक ऑक्साईड हा उभयधर्मी ऑक्साईड आहे. ते आम्लासोबत अभिक्रिया करून क्षार आणि पाणी तयार करते. ZnO(s) + 2HCl(aq) → ZnCl₂(aq) + H₂O(l)

1. इलेक्ट्रॉन संरूपण:

   • झिंकचा अणुक्रमांक 30 आहे. त्याचे मूलभूत अवस्थेतील इलेक्ट्रॉन संरूपण [Ar] 3d¹⁰ 4s² आहे.
   • त्याच्या सामान्य आणि स्थिर ऑक्सिडेशन अवस्थेत, झिंक आपले दोन 4s इलेक्ट्रॉन गमावून Zn²⁺ आयन तयार करते. Zn²⁺ चे इलेक्ट्रॉन संरूपण [Ar] 3d¹⁰ आहे.

2. संयुगांचा रंग (पांढरा):

   • बहुतेक संक्रमण धातू संयुगांमधील रंग d-d इलेक्ट्रॉनिक संक्रमणांमुळे निर्माण होतो. जेव्हा अपूर्ण भरलेले d-उपशेल असलेले संक्रमण धातू आयन लिगँड क्षेत्रात (उदा. संकुल किंवा क्रिस्टल जाळीमध्ये) ठेवले जाते, तेव्हा d-ऑर्बिटल्स वेगवेगळ्या ऊर्जा स्तरांमध्ये विभागले जातात.
   • इलेक्ट्रॉन दृश्य प्रकाशाच्या विशिष्ट तरंगलांबी शोषून कमी ऊर्जा d-ऑर्बिटलमधून उच्च ऊर्जा d-ऑर्बिटलमध्ये (d-d संक्रमण) जाऊ शकतात. दिसणारा रंग शोषलेल्या प्रकाशाचा पूरक रंग असतो.
   • Zn²⁺ आयनमध्ये (3d¹⁰), d-उपशेल पूर्णपणे भरलेले असते. इलेक्ट्रॉनच्या संक्रमणासाठी कोणतेही रिकामे d-ऑर्बिटल्स उपलब्ध नाहीत. म्हणून, d-d संक्रमण शक्य नाहीत.
   • परिणामी, Zn²⁺ संयुगे d-d संक्रमणांद्वारे दृश्य प्रकाश शोषत नाहीत आणि म्हणूनच पांढरी किंवा रंगहीन दिसतात कारण ते दृश्य प्रकाशाच्या सर्व तरंगलांबी परावर्तित किंवा प्रसारित करतात. काही झिंक संयुगांमध्ये दिसणारा कोणताही रंग लिगँड किंवा अशुद्धतेमुळे होणाऱ्या चार्ज ट्रान्सफर संक्रमणांमुळे असू शकतो, परंतु तो स्वतः Zn²⁺ मुळे नसतो.

3. चुंबकीय गुणधर्म (प्रतिचुंबकीय - Diamagnetic):

   • अनुचुंबकत्व (Paramagnetism) अशा पदार्थांमध्ये होते ज्यात एक किंवा अधिक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन असतात. या अयुग्मित इलेक्ट्रॉनमध्ये चुंबकीय क्षण असतो आणि ते बाह्य चुंबकीय क्षेत्राकडे आकर्षित होतात.
   • प्रतिचुंबकत्व (Diamagnetism) अशा पदार्थांमध्ये होते जिथे सर्व इलेक्ट्रॉन जोडलेले (paired) असतात. जोडलेल्या इलेक्ट्रॉनचे विरुद्ध स्पिन असतात, ज्यामुळे त्यांचे चुंबकीय क्षण रद्द होतात. प्रतिचुंबकीय पदार्थ बाह्य चुंबकीय क्षेत्राद्वारे किंचित दूर ढकलले जातात.
   • Zn²⁺ आयनमध्ये 3d¹⁰ इलेक्ट्रॉन संरूपण असल्यामुळे, सर्व दहा d-इलेक्ट्रॉन पाच d-ऑर्बिटल्समध्ये जोडलेले असतात. Zn²⁺ मध्ये कोणतेही अयुग्मित इलेक्ट्रॉन नसतात.
   • परिणामी, झिंक(II) संयुगे प्रतिचुंबकीय असतात कारण त्यांच्यात अयुग्मित इलेक्ट्रॉन नसतात.

सारांश, Zn²⁺ आयनचे पूर्णपणे भरलेले 3d¹⁰ इलेक्ट्रॉन संरूपण हे मूलभूत कारण आहे की झिंक(II) संयुगे सामान्यतः पांढरी (d-d संक्रमणांच्या अनुपस्थितीमुळे) आणि प्रतिचुंबकीय (अयुग्मित इलेक्ट्रॉनच्या अनुपस्थितीमुळे) असतात.