தங்கத்தின் (Au) வேதியியல் - தீர்க்கப்பட்ட பயிற்சி வினாக்கள்

பல்தேர்வு வினாக்கள் (MCQs)

கேள்வி 1

தங்கத்தின் (Au) சேர்மங்களில் மிகவும் பொதுவான மற்றும் நிலையான ஆக்சிஜனேற்ற நிலை எது?

A) +1 B) +2 C) +3 D) +4

சரியான பதில்: C) +3

விளக்கம்: தங்கம் முதன்மையாக +1 மற்றும் +3 ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளை வெளிப்படுத்துகிறது. Au(I) சேர்மங்கள் நிலையானவை என்றாலும் (எ.கா., AuCN), Au(III) பெரும்பாலும் நீர்ம கரைசல்களிலும், AuCl₃ மற்றும் H[AuCl₄] போன்ற பல திட சேர்மங்களிலும் மிகவும் பொதுவானதாகவும் நிலையானதாகவும் உள்ளது.

கேள்வி 2

தங்கம் மந்தத்தன்மைக்கு பெயர் பெற்றது. பின்வரும் எந்தக் காரணி தங்கத்தைக் கரைக்க முடியும்?

A) அடர் HCl B) அடர் HNO₃ C) அக்வா ரீஜியா D) நீர்த்த H₂SO₄

சரியான பதில்: C) அக்வா ரீஜியா

விளக்கம்: தங்கம் ஒரு உன்னத உலோகம் (noble metal) ஆகும், மேலும் இது அடர் HCl அல்லது அடர் HNO₃ போன்ற ஒற்றை அமிலங்களுடன் வினைபுரிவதில்லை. அக்வா ரீஜியா, 3 பங்கு அடர் HCl மற்றும் 1 பங்கு அடர் HNO₃ கொண்ட ஒரு கலவை, ஒத்திசைவான செயல்பாட்டின் மூலம் தங்கத்தைக் கரைக்கிறது. நைட்ரிக் அமிலம் ஒரு ஆக்சிஜனேற்ற காரணியாக செயல்பட்டு Au³⁺ அயனிகளை உருவாக்குகிறது, மேலும் ஹைட்ரோகுளோரிக் அமிலம் நிலையான டெட்ராகுளோரோஆரேட்(III) அணைவுச் சேர்மமான, [AuCl₄]⁻ ஐ உருவாக்குகிறது, இது சமநிலையை முன்னோக்கி நகர்த்தி கரைத்தலை ஊக்குவிக்கிறது.

கேள்வி 3

சயனைடு செயல்முறை (MacArthur-Forrest செயல்முறை) மூலம் தங்கம் பிரித்தெடுப்பதில், தங்கம் பின்வரும் எந்த அணைவுச் சேர்மமாக மாற்றப்படுகிறது?

A) [AuCl₄]⁻ B) [Au(CN)₂]⁻ C) [Au(OH)₄]⁻ D) [Au(NH₃)₄]³⁺

சரியான பதில்: B) [Au(CN)₂]⁻

விளக்கம்: MacArthur-Forrest சயனைடு செயல்முறை என்பது நன்கு பொடி செய்யப்பட்ட தங்கத் தாதுவை, காற்று (ஆக்ஸிஜன்) முன்னிலையில் சோடியம் அல்லது பொட்டாசியம் சயனைடின் நீர்த்த கரைசலில் கரைப்பதாகும். இது கரையக்கூடிய டைகயனோஆரேட்(I) அணைவுச் சேர்மமான, [Au(CN)₂]⁻ ஐ உருவாக்குகிறது. வினை: 4Au(s) + 8CN⁻(aq) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4[Au(CN)₂]⁻(aq) + 4OH⁻(aq)

---

கூற்று-காரண வினாக்கள்

அறிவுறுத்தல்கள்: பின்வரும் வினாக்களில், ஒரு கூற்று (A) ஒரு காரணம் (R) உடன் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது. சரியான தேர்வை இவ்வாறு குறியிடுக: A) A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, மேலும் R என்பது A இன் சரியான விளக்கம். B) A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, ஆனால் R என்பது A இன் சரியான விளக்கம் அல்ல. C) A உண்மை, ஆனால் R தவறு. D) A தவறு, ஆனால் R உண்மை.

கேள்வி 4

கூற்று (A): தங்கம் ஒரு உன்னத உலோகம் (noble metal) மற்றும் எளிதில் அரிமானம் அடைவதில்லை. காரணம் (R): தங்கத்திற்கு மிக உயர்ந்த நேர்மறை திட்ட மின்முனை அழுத்தம் உள்ளது (E°Au³⁺/Au = +1.50 V).

சரியான பதில்: A) A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, மேலும் R என்பது A இன் சரியான விளக்கம்.

விளக்கம்: ஒரு உயர் நேர்மறை திட்ட மின்முனை அழுத்தம் (standard electrode potential) ஒரு உலோகம் ஆக்சிஜனேற்றத்தை எதிர்க்கவும் அதன் உலோக நிலையில் இருக்கவும் ஒரு வலுவான போக்கைக் குறிக்கிறது. இது தங்கத்தை ஆக்சிஜனேற்றம், அரிமானம் மற்றும் பெரும்பாலான அமிலங்களுடனான வினைக்கு மிகவும் எதிர்ப்புத் தெரிவிக்கும் ஒரு உன்னத உலோகமாக வகைப்படுத்துகிறது. எனவே, காரணம் கூற்றை சரியாக விளக்குகிறது.

கேள்வி 5

கூற்று (A): வெள்ளி வெண்மையாக இருக்கும்போது, தங்கம் மஞ்சள் நிறமாகத் தோன்றுகிறது. காரணம் (R): தங்கத்தின் மஞ்சள் நிறம், அதன் எலக்ட்ரான் சுற்றுப்பாதைகளில் உள்ள சார்பியல் விளைவுகளால் (relativistic effects) ஏற்படுகிறது, இது நீல ஒளியின் உறிஞ்சுதலுக்கு வழிவகுக்கிறது.

சரியான பதில்: A) A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, மேலும் R என்பது A இன் சரியான விளக்கம்.

விளக்கம்: தங்கத்தின் தனித்துவமான மஞ்சள் நிறம் உண்மையில் சார்பியல் விளைவுகளால் (relativistic effects) தான் ஏற்படுகிறது. தங்கம் போன்ற கனமான தனிமங்களுக்கு, சார்பியல் விளைவுகள் 6s சுற்றுப்பாதையை சுருக்கி ஆற்றலைக் குறைக்கின்றன, அதேசமயம் 5d சுற்றுப்பாதைகள் நிலைப்படுத்தப்படுகின்றன. இது 5d மற்றும் 6s/6p பட்டைகளுக்கு இடையேயான ஆற்றல் இடைவெளியைக் குறைக்கிறது, இதனால் புலப்படும் நிறமாலையில் இருந்து அதிக ஆற்றல் கொண்ட ஃபோட்டான்கள் (நீலம் மற்றும் வயலட் ஒளி) உறிஞ்சப்படுகின்றன. அதன் நிரப்பு மஞ்சள் மற்றும் சிவப்பு ஒளி பின்னர் பிரதிபலிக்கப்பட்டு, தங்கத்திற்கு அதன் சிறப்பியல்பு தங்க நிறத்தை அளிக்கிறது. வெள்ளி இலகுவானதாக இருப்பதால், இந்த விளைவுகளை அதே அளவிற்கு அனுபவிப்பதில்லை, இது ஒரு பெரிய ஆற்றல் இடைவெளி மற்றும் புற ஊதா ஒளியை மட்டுமே உறிஞ்சி, அனைத்து புலப்படும் ஒளியையும் பிரதிபலிக்கிறது (வெண்மையாகத் தோன்றும்).

---

சிறு வினாக்கள்

கேள்வி 6

தங்கம் ஏன் அக்வா ரீஜியாவில் கரைகிறது, ஆனால் தனியாக நைட்ரிக் அமிலத்தில் கரைவதில்லை என்பதை விளக்குக.

மாதிரி பதில்: தங்கம் தனியாக நைட்ரிக் அமிலத்தில் கரைவதில்லை, ஏனெனில் இது ஒரு உன்னத உலோகம் (noble metal) மற்றும் மிக உயர்ந்த நேர்மறை திட்ட மின்முனை அழுத்தத்தைக் கொண்டுள்ளது (E°Au³⁺/Au = +1.50 V). இந்த உயர் அழுத்தம் H⁺ அயனிகள் அல்லது நைட்ரேட்டுகளால் ஆக்சிஜனேற்றம் அடைவதற்கு அதன் வலுவான எதிர்ப்பைக் குறிக்கிறது.

இருப்பினும், தங்கம் அக்வா ரீஜியாவில் (3:1 விகிதத்தில் அடர் HCl மற்றும் அடர் HNO₃ கலவை) ஒத்திசைவான செயல்பாட்டின் காரணமாக கரைகிறது:

1. நைட்ரிக் அமிலத்தால் ஆக்சிஜனேற்றம்: நைட்ரிக் அமிலம் ஒரு சக்திவாய்ந்த ஆக்சிஜனேற்ற காரணியாக செயல்பட்டு, உலோகத் தங்கத்தை (Au⁰) தங்கம்(III) அயனிகளாக (Au³⁺) ஆக்சிஜனேற்றம் செய்கிறது: Au(s) + 4H⁺(aq) + 3NO₃⁻(aq) → Au³⁺(aq) + 3NO₂(g) + 2H₂O(l) (சுருக்கப்பட்ட வினை)
2. ஹைட்ரோகுளோரிக் அமிலத்தால் அணைவுச் சேர்ம உருவாக்கம்: ஒரே நேரத்தில், ஹைட்ரோகுளோரிக் அமிலம் உருவாகும் Au³⁺ அயனிகளுடன் வினைபுரிந்து மிகவும் நிலையான டெட்ராகுளோரோஆரேட்(III) அணைவு அயனியை, [AuCl₄]⁻, உருவாக்குகிறது: Au³⁺(aq) + 4Cl⁻(aq) → [AuCl₄]⁻(aq)

நிலையான [AuCl₄]⁻ அணைவுச் சேர்மத்தின் உருவாக்கம் கரைசலில் உள்ள தனிப்பட்ட Au³⁺ அயனிகளின் செறிவை கணிசமாக குறைக்கிறது. லீ சாட்டிலியர் கொள்கையின்படி, Au³⁺ அயனிகளின் இந்த நீக்கம் ஆரம்ப ஆக்சிஜனேற்ற வினையின் சமநிலையை வலதுபுறமாக நகர்த்தி, அதிக தங்கத்தின் தொடர்ச்சியான கரைதலை ஊக்குவிக்கிறது. ஒட்டுமொத்த வினையை இவ்வாறு குறிப்பிடலாம்: Au(s) + 3HCl(aq) + HNO₃(aq) → HAuCl₄ + NO(g) + 2H₂O(l)

கேள்வி 7

தங்கம் பிரித்தெடுப்பதற்கான MacArthur-Forrest சயனைடு செயல்முறையில் சயனைடு மற்றும் ஆக்ஸிஜனின் பங்கை விவரிக்கவும்.

மாதிரி பதில்: தங்கம் பிரித்தெடுப்பதற்கான MacArthur-Forrest சயனைடு செயல்முறையில், நன்கு பொடி செய்யப்பட்ட தங்கத் தாது, ஆக்ஸிஜன் முன்னிலையில் சோடியம் அல்லது பொட்டாசியம் சயனைடின் நீர்த்த கரைசலுடன் கசியவிடப்படுகிறது (leached). சயனைடு மற்றும் ஆக்ஸிஜன் இரண்டும் முக்கியமான பங்கை வகிக்கின்றன:

1. சயனைடின் (CN⁻) பங்கு: சயனைடு ஒரு அணைவுச் சேர்ம உருவாக்கும் காரணியாக (complexing agent) செயல்படுகிறது. இது உலோகத் தங்கத்துடன் வினைபுரிந்து, மிகவும் நிலையான, கரையக்கூடிய டைகயனோஆரேட்(I) அணைவுச் சேர்மமான, [Au(CN)₂]⁻ ஐ உருவாக்குகிறது. இந்த அணைவுச் சேர்ம உருவாக்கம் மிகவும் முக்கியமானது, ஏனெனில் இது தங்கத்தை, பொதுவாக நீர் மற்றும் பெரும்பாலான காரணிகளில் கரையாததாக இருந்தாலும், ஒரு நீர்ம கரைசலில் கரைய அனுமதிக்கிறது. அணைவுச் சேர்மத்தின் நிலைத்தன்மை, தங்கத்தின் கரைதலுக்கான சமநிலையை மாற்றுகிறது.

2. ஆக்ஸிஜனின் (O₂) பங்கு: ஆக்ஸிஜன் ஒரு ஆக்சிஜனேற்ற காரணியாக (oxidizing agent) செயல்படுகிறது. இது உலோகத் தங்கத்தை (Au⁰) Au(I) ஆக்சிஜனேற்ற நிலைக்கு ஆக்சிஜனேற்றம் செய்கிறது, இது தங்கம் சயனைடு அயனிகளுடன் வினைபுரிந்து அணைவுச் சேர்மத்தை உருவாக்க அவசியம். ஆக்ஸிஜன் இல்லாத நிலையில், ஆக்சிஜனேற்ற படிநிலை ஏற்படாது, தங்கம் கரையாது. ஆக்ஸிஜன் அடிப்படையில் திட தங்கத்தை அதன் அயனி வடிவமாக மாற்றுவதை எளிதாக்குகிறது.

அவற்றின் ஒருங்கிணைந்த பங்கை வெளிப்படுத்தும் ஒட்டுமொத்த வேதியியல் வினை: 4Au(s) + 8CN⁻(aq) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4[Au(CN)₂]⁻(aq) + 4OH⁻(aq) இந்த செயல்முறை தங்கத்தை அதன் தாதுவிலிருந்து திறம்பட கரைத்து, பின்னர் குறைத்தல் மூலம் (எ.கா., துத்தநாகத்தைப் பயன்படுத்தி) அதை மீட்டெடுக்க அனுமதிக்கிறது.

---

உயர் சிந்தனை திறன் (HOTS) வினா

கேள்வி 8

பெரும்பாலான இடைநிலை உலோகங்கள் (transition metals) மாறுபட்ட ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளை வெளிப்படுத்துகின்றன மற்றும் வண்ணச் சேர்மங்களை உருவாக்குகின்றன. தங்கம் (Au), ஒரு d-தொகுதி தனிமம், முதன்மையாக +1 மற்றும் +3 ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளைக் காட்டுகிறது மற்றும் நிலையான அணைவுச் சேர்மங்களை உருவாக்குகிறது. இரும்பு அல்லது தாமிரம் போன்ற பிற இடைநிலை உலோகங்களை விட தங்கம் ஏன் பெரும்பாலும் குறைவான வினைத்திறன் கொண்டதாகத் தோன்றுகிறது என்பதையும், அதன் எலக்ட்ரான் அமைப்பு அதன் பண்புகளுக்கு எவ்வாறு பங்களிக்கிறது என்பதையும் விளக்குக.

மாதிரி பதில்: தங்கத்தின் தனித்துவமான பண்புகள், இரும்பு அல்லது தாமிரம் போன்ற பிற இடைநிலை உலோகங்களுடன் ஒப்பிடுகையில் அதன் மந்தத்தன்மை மற்றும் அதன் சிறப்பியல்பு எலக்ட்ரான் அமைப்பு உட்பட பல காரணிகளில் வேரூன்றியுள்ளது:

1. எலக்ட்ரான் அமைப்பு மற்றும் அயனியாக்கும் ஆற்றல் (Ionization Energy): தங்கத்தின் எலக்ட்ரான் அமைப்பு [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹.

   • உயர் முதல் அயனியாக்கும் ஆற்றல்: தங்கத்திற்கு மிக உயர்ந்த முதல் அயனியாக்கும் ஆற்றல் உள்ளது. இது அதன் அடர்த்தியான அணுக்கரு மின்னூட்டம் (Z=79) மற்றும் அதன் 6s சுற்றுப்பாதையின் சார்பியல் சுருக்கம் (relativistic contraction) காரணமாகும். சார்பியல் விளைவு 6s எலக்ட்ரான்களை அணுக்கருவுடன் மிகவும் இறுக்கமாக பிணைக்கிறது, அவற்றை அகற்ற கணிசமான அளவு ஆற்றல் தேவைப்படுகிறது. இந்த உயர் அயனியாக்கும் ஆற்றல் எலக்ட்ரான்களை இழந்து ஆக்சிஜனேற்றம் அடைவதற்கு அதன் தயக்கத்திற்கு பங்களிக்கிறது.
   • நிலையான d¹⁰ அமைப்பு: தங்கத்திற்கு முழுமையாக நிரப்பப்பட்ட 5d¹⁰ துணைக்கூடு உள்ளது. இந்த நிலையான அமைப்பு, உலோகப் பிணைப்பு மற்றும் வேதியியல் வினைகளில் எளிதில் பங்கேற்கும் பகுதியளவு நிரப்பப்பட்ட d-சுற்றுப்பாதைகளைக் கொண்ட இடைநிலை உலோகங்களுடன் ஒப்பிடுகையில் அதன் பொதுவாக குறைந்த வினைத்திறனுக்கு பங்களிக்கிறது.

2. உயர் திட்ட மின்முனை அழுத்தம் (Standard Electrode Potential): தங்கத்திற்கு மிக உயர்ந்த நேர்மறை திட்ட மின்முனை அழுத்தம் உள்ளது (E°Au³⁺/Au = +1.50 V; E°Au⁺/Au = +1.69 V). இது தங்கம் அயனிகளை உருவாக்குவதை விட அதன் உலோக, ஆக்சிஜனேற்றப்படாத நிலையில் இருக்க ஒரு வலுவான போக்கைக் கொண்டுள்ளது என்பதைக் குறிக்கிறது. ஒப்பிடுகையில், இரும்பு (E°Fe²⁺/Fe = -0.44 V) மற்றும் தாமிரம் (E°Cu²⁺/Cu = +0.34 V) போன்ற தனிமங்களுக்கு மிகக் குறைந்த அல்லது எதிர்மறை மின்முனை அழுத்தங்கள் உள்ளன, இது எலக்ட்ரான்களை இழந்து வினைபுரியும் ஒரு பெரிய போக்கைக் குறிக்கிறது.

3. சார்பியல் விளைவுகள் (Relativistic Effects): தங்கம் ஒரு மிகக் கனமான தனிமமாக இருப்பதால், சார்பியல் விளைவுகள் குறிப்பிடத்தக்கதாகின்றன:

   • 6s சுற்றுப்பாதையின் சுருக்கம்: 6s சுற்றுப்பாதையில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள் சார்பியல் நிறை அதிகரிப்பிற்கு போதுமான அளவு அதிக வேகத்தில் நகர்கின்றன, இதனால் சுற்றுப்பாதை சுருங்கி ஆற்றலில் கணிசமாக குறைகிறது. இது 6s எலக்ட்ரான்களை அகற்றுவது மிகவும் கடினமாக்குகிறது.
   • 5d சுற்றுப்பாதையின் நிலைப்படுத்தல்: சுருக்கப்பட்ட s-எலக்ட்ரான்களின் அதிகரித்த மறைப்பினால் (shielding) 5d சுற்றுப்பாதைகளும் ஓரளவுக்கு நிலைப்படுத்தப்படுகின்றன. இந்த சார்பியல் விளைவுகள் ஆக்கிரமிக்கப்பட்ட d-சுற்றுப்பாதைகள் மற்றும் ஆக்கிரமிக்கப்படாத s/p சுற்றுப்பாதைகளுக்கு இடையில் ஒரு பெரிய ஆற்றல் இடைவெளிக்கு வழிவகுக்கிறது, இது அதன் வேதியியல் நடத்தையை பாதித்து அதன் ஒப்பீட்டு மந்தத்தன்மைக்கு பங்களிக்கிறது.

4. அணைவுச் சேர்ம உருவாக்கும் போக்கு (Complex Formation Tendency): பல காரணிகளால் நேரடியாக ஆக்சிஜனேற்றம் அடையாத மந்தத்தன்மை இருந்தபோதிலும், தங்கம் நிலையான அணைவுச் சேர்மங்களை, குறிப்பாக சயனைடு (CN⁻) மற்றும் ஹாலைடுகள் (Cl⁻) போன்ற மென்மையான லிகாண்டுகளுடன் (ligands) எளிதில் உருவாக்குகிறது. இந்த நிலையான அணைவுச் சேர்மங்களின் உருவாக்கம் (எ.கா., [Au(CN)₂]⁻, [AuCl₄]⁻) அக்வா ரீஜியா அல்லது சயனைடு கரைசல்கள் போன்ற குறிப்பிட்ட காரணிகளில் அதன் கரைதலுக்கு மிகவும் முக்கியமானது. இந்த அணைவுச் சேர்மங்களின் உயர் நிலைத்தன்மை வினை சமநிலையை மாற்றி, Au அயனிகளை கரைசலுக்குள் திறம்பட ‘இழுத்து’ அதன் உள்ளார்ந்த மந்தத்தன்மையை கடக்கிறது.

சுருக்கமாக, தங்கத்தின் அசாதாரண மந்தத்தன்மை அதன் உயர் அயனியாக்கும் ஆற்றல், நிலையான d¹⁰ எலக்ட்ரான் அமைப்பு மற்றும் முக்கியமாக, அதன் இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களை இறுக்கமாக பிணைக்கும் குறிப்பிடத்தக்க சார்பியல் விளைவுகளிலிருந்தும் உருவாகிறது, இது மிக உயர்ந்த நேர்மறை திட்ட மின்முனை அழுத்தமாக வெளிப்படுகிறது. பல காரணிகளில் மந்தமாக இருந்தாலும், மிகவும் நிலையான அணைவுச் சேர்மங்களை உருவாக்கும் அதன் திறன் குறிப்பிட்ட சூழ்நிலைகளில் வினைபுரிய அனுமதிக்கிறது.