நைட்ரஜனின் (N) வேதியியல் பயிற்சி வினாக்கள்

பல தேர்வு வினாக்கள் (MCQs)

1. கீழ்க்கண்ட வாக்கியங்களில், அறை வெப்பநிலையில் டைநைட்ரஜனின் (N$_2$) மந்தத்தன்மையை சிறந்த முறையில் விளக்குவது எது?

A) நைட்ரஜனுக்கு சிறிய அணு அளவு உள்ளது. B) நைட்ரஜனுக்கு அதிக எலக்ட்ரான் கவர் தன்மை உள்ளது. C) N$_2$-ல் உள்ள N≡N பிணைப்பிற்கு மிக அதிக பிணைப்பு பிளவு ஆற்றல் உள்ளது. D) நைட்ரஜன் ஒரு அலோகம்.

Solution: C Explanation: டைநைட்ரஜனில் (N$_2$) ஒரு மும்மைப் பிணைப்பு (N≡N) உள்ளது, இது மிகவும் வலிமையானது. N≡N பிணைப்பிற்கான பிணைப்பு பிளவு ஆற்றல் தோராயமாக 946 kJ/mol ஆகும், இது ஒரு ஈரணு மூலக்கூறுகளுக்குத் தெரிந்த மிக உயர்ந்த அளவுகளில் ஒன்றாகும். பிணைப்பை உடைக்கத் தேவையான இந்த அதிக ஆற்றல் N$_2$-ஐ அறை வெப்பநிலையில் வேதியியல் ரீதியாக மந்தமாகவும் வினைபுரியாததாகவும் ஆக்குகிறது.

2. அம்மோனியம் நைட்ரேட்டில் (NH$_4$NO$_3$) நைட்ரஜனின் ஆக்சிஜனேற்ற நிலை என்ன?

A) +5 மற்றும் -3 B) +3 மற்றும் -5 C) +1 மற்றும் -1 D) +4 மற்றும் -4

Solution: A Explanation: அம்மோனியம் நைட்ரேட் என்பது அம்மோனியம் அயனி (NH_4$$^+) மற்றும் நைட்ரேட் அயனி (NO_3$$^-) ஆகியவற்றால் ஆன ஒரு அயனிச் சேர்மம் ஆகும். NH_4$$^+-ல்: N-ன் ஆக்சிஜனேற்ற நிலை ‘x’ ஆக இருக்கட்டும். x + 4(+1) = +1 => x + 4 = +1 => x = -3. NO_3$$^--ல்: N-ன் ஆக்சிஜனேற்ற நிலை ‘y’ ஆக இருக்கட்டும். y + 3(-2) = -1 => y - 6 = -1 => y = +5. ஆகவே, அம்மோனியம் நைட்ரேட்டில் (NH$_4$NO$_3$) நைட்ரஜன் இரண்டு வெவ்வேறு ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளை வெளிப்படுத்துகிறது: அம்மோனியம் அயனியில் -3 மற்றும் நைட்ரேட் அயனியில் +5.

3. அம்மோனியா தயாரிப்பதற்கான ஹேபர்ஸ் செயல்முறைக்கு சரியான நிபந்தனைகள் தொகுப்பு கீழ்க்கண்டவற்றுள் எது?

A) அதிக வெப்பநிலை, குறைந்த அழுத்தம், வினையூக்கி இருப்பு. B) குறைந்த வெப்பநிலை, அதிக அழுத்தம், வினையூக்கி இல்லாத நிலை. C) அதிக வெப்பநிலை, அதிக அழுத்தம், வினையூக்கி இருப்பு. D) குறைந்த வெப்பநிலை, குறைந்த அழுத்தம், வினையூக்கி இருப்பு.

Solution: C Explanation: ஹேபர்ஸ் செயல்முறை (N$_2$(g) + 3H$_2$(g) (\rightleftharpoons) 2NH$_3$(g), (\Delta)H = -92.4 kJ/mol) என்பது வெப்பம் உமிழ்வினை ஆகும், இது மோல்களின் எண்ணிக்கையில் குறைவை ஏற்படுத்துகிறது. லா சாட்லியர் கொள்கையின்படி:

• வெப்பநிலை: வினை வெப்பம் உமிழ்வினை என்பதால், குறைந்த வெப்பநிலை அம்மோனியா உருவாக்கத்திற்கு சாதகமாக இருக்கும். இருப்பினும், பொருளாதார ரீதியாக சாத்தியமான வினை வேகத்தை அடைய, 673-773 K (400-500 °C) என்ற சமரச வெப்பநிலை பயன்படுத்தப்படுகிறது.
• அழுத்தம்: இந்த வினை மோல்களின் எண்ணிக்கையில் குறைவை உள்ளடக்கியது (வினைபடு பொருட்களின் 4 மோல்கள் முதல் விளைபொருளின் 2 மோல்கள் வரை). எனவே, அதிக அழுத்தம் அம்மோனியா உருவாக்கத்திற்கு சாதகமாக இருக்கும். பொதுவாக, 200-300 atm அழுத்தங்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
• வினையூக்கி: இரும்பு வினையூக்கி (பெரும்பாலும் மொலிப்டினம் ஊக்குவிப்பானாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது) வினை வேகத்தை அதிகரிக்கப் பயன்படுகிறது, இது சமநிலையின் நிலையைப் பாதிக்காமல் சமநிலையை விரைவாக அடைய உதவுகிறது. ஆகவே, சரியான நிபந்தனைகள் அதிக வெப்பநிலை (கெளனிக் (kinetic) விருப்பத்திற்கு ஏற்ப), அதிக அழுத்தம் மற்றும் வினையூக்கியின் இருப்பு ஆகும்.

கூற்று-காரண வினாக்கள்

Directions: பின்வரும் வினாக்களில், ஒரு கூற்று (A) ஒரு காரணம் (R) உடன் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது. சரியான விருப்பத்தைத் தேர்ந்தெடுக்கவும். A) A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, மேலும் R என்பது A-ன் சரியான விளக்கம். B) A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, ஆனால் R என்பது A-ன் சரியான விளக்கம் அல்ல. C) A உண்மை, ஆனால் R தவறு. D) A தவறு, ஆனால் R உண்மை.

1. கூற்று (A): டைநைட்ரஜன் (N$_2$) வெள்ளை பாஸ்பரஸை (P$_4$) விட குறைவான வினைத்திறன் கொண்டது.

காரணம் (R): நைட்ரஜனுக்கு வலிமையான N≡N பிணைப்பு உள்ளது மற்றும் பாஸ்பரஸைப் போலல்லாமல், பிணைப்பு விரிவாக்கத்திற்கு d-ஆர்பிட்டால்கள் இல்லை.

Solution: A Explanation:

• கூற்று (A): டைநைட்ரஜன் உண்மையில் வெள்ளை பாஸ்பரஸை விட குறைவான வினைத்திறன் கொண்டது. N$_2$ அறை வெப்பநிலையில் மிகவும் மந்தமானது, அதேசமயம் வெள்ளை பாஸ்பரஸ் அதிக வினைத்திறன் கொண்டது மற்றும் காற்றில் தானாகவே தீப்பிடிக்கும்.
• காரணம் (R): டைநைட்ரஜனில் உள்ள N≡N மும்மைப் பிணைப்பு விதிவிலக்காக அதிக பிணைப்பு பிளவு ஆற்றலைக் (946 kJ/mol) கொண்டுள்ளது, இதனால் அதை உடைப்பது கடினம். இது அதன் மந்தத்தன்மைக்கு முதன்மைக் காரணம். மேலும், நைட்ரஜனில் அதன் இணைதிறன் கூட்டில் அணுகக்கூடிய d-ஆர்பிட்டால்கள் இல்லாததால், அது அதன் ஆக்டெட்டை விரிவாக்கி நான்கு பிணைப்புகளுக்கு மேல் உருவாக்க முடியாது. மறுபுறம், பாஸ்பரஸில் காலியான d-ஆர்பிட்டால்கள் உள்ளன, இது நான்கு பிணைப்புகளுக்கு மேல் உருவாக்கவும் (எ.கா., PCl$_5$) மற்றும் பரந்த அளவிலான வினைகளில் ஈடுபடவும் அனுமதிக்கிறது. P$_4$-ல் உள்ள P-P ஒற்றை பிணைப்பும் N≡N மும்மைப் பிணைப்பை விட பலவீனமானது. A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, மேலும் R ஆனது N$_2$ ஏன் குறைவான வினைத்திறன் கொண்டது என்பதை சரியாக விளக்குகிறது.

2. கூற்று (A): அடர் நைட்ரிக் அமிலம் ஒரு வலிமையான ஆக்சிஜனேற்றக் காரணியாகச் செயல்படுகிறது.

காரணம் (R): அடர் நைட்ரிக் அமிலத்தில், நைட்ரஜன் அதன் மிக உயர்ந்த ஆக்சிஜனேற்ற நிலை +5-ல் உள்ளது.

Solution: A Explanation:

• கூற்று (A): அடர் நைட்ரிக் அமிலம் (HNO$_3$) ஒரு சக்திவாய்ந்த ஆக்சிஜனேற்றக் காரணியாகும், இது பல உலோகங்கள் (Au, Pt போன்ற உன்னத உலோகங்கள் தவிர) மற்றும் அலோகங்களை ஆக்சிஜனேற்றம் செய்யக்கூடியது.
• காரணம் (R): HNO$_3$-ல், நைட்ரஜனின் ஆக்சிஜனேற்ற நிலை இவ்வாறு கணக்கிடப்படுகிறது: x + 1(+1) + 3(-2) = 0 => x - 5 = 0 => x = +5. இது நைட்ரஜனுக்கு சாத்தியமான மிக உயர்ந்த ஆக்சிஜனேற்ற நிலை ஆகும். நைட்ரஜன் ஏற்கனவே அதன் மிக உயர்ந்த ஆக்சிஜனேற்ற நிலையில் இருப்பதால், அது அதன் ஆக்சிஜனேற்ற நிலையைக் குறைக்க மட்டுமே முடியும், அதாவது அது ஒடுக்கப்பட மட்டுமே முடியும். ஒடுக்கப்படும் இனங்கள் ஆக்சிஜனேற்றக் காரணிகளாகச் செயல்படுகின்றன. A மற்றும் R இரண்டும் உண்மை, மேலும் R ஆனது A-க்கு சரியான விளக்கத்தை அளிக்கிறது.

சுருக்கமான வினாக்கள்

1. அம்மோனியா (NH$_3$) ஏன் லூயிஸ் காரமாகச் செயல்படுகிறது என்பதை விளக்குங்கள்.

மாதிரி பதில்: அம்மோனியா (NH$_3$) ஒரு லூயிஸ் காரமாகச் செயல்படுகிறது, ஏனெனில் நைட்ரஜன் அணுவில் ஒரு தனித்த எலக்ட்ரான் ஜோடி உள்ளது. லூயிஸ் கொள்கையின்படி, ஒரு லூயிஸ் காரம் என்பது ஒரு ஜோடி எலக்ட்ரான்களை வழங்கக்கூடிய ஒரு இனமாகும். அம்மோனியாவில் உள்ள நைட்ரஜன் அணுவில் ஐந்து இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் உள்ளன; மூன்று ஹைட்ரஜன் அணுக்களுடன் சகப்பிணைப்புகளை உருவாக்கப் பகிரப்படுகின்றன, ஒரு தனித்த எலக்ட்ரான் ஜோடி எஞ்சியுள்ளது. இந்த உடனடியாகக் கிடைக்கும் தனித்த எலக்ட்ரான் ஜோடியை எலக்ட்ரான் பற்றாக்குறை உள்ள இனத்திற்கு (ஒரு லூயிஸ் அமிலம்) வழங்க முடியும், இது ஒரு ஈதல் சகப்பிணைப்பை உருவாக்குகிறது. எடுத்துக்காட்டாக: NH$_3$ + H$^+$ (\rightarrow) NH_4$$^+ (அம்மோனியா அதன் தனித்த எலக்ட்ரான் ஜோடியை H$^+$-க்கு வழங்குகிறது) NH$_3$ + BF$_3$ (\rightarrow) H$_3$N (\rightarrow) BF$_3$ (அம்மோனியா அதன் தனித்த எலக்ட்ரான் ஜோடியை எலக்ட்ரான் பற்றாக்குறை உள்ள BF$_3$-க்கு வழங்குகிறது)

2. நைட்ரிக் அமிலம் தயாரிப்பதற்கான ஆஸ்ட்வால்ட் செயல்முறையின் முக்கிய படிகளை விவரிக்கவும்.

மாதிரி பதில்: ஆஸ்ட்வால்ட் செயல்முறை என்பது அம்மோனியாவிலிருந்து (NH$_3$) நைட்ரிக் அமிலம் (HNO$_3$) தயாரிப்பதற்கான ஒரு தொழில்முறை முறையாகும். இது மூன்று முக்கிய படிகளை உள்ளடக்கியது:

1. அம்மோனியாவின் வினையூக்கி ஆக்சிஜனேற்றம்: அம்மோனியா வாயு, காற்றுடன் (அல்லது ஆக்சிஜன்) கலந்து, சுமார் 800-950 °C வெப்பநிலையிலும் 9 பார் அழுத்தத்திலும் சூடான பிளாட்டினம்-ரோடியம் வலை வினையூக்கி மீது செலுத்தப்படுகிறது. அம்மோனியா நைட்ரிக் ஆக்சைடு (NO) மற்றும் நீராக ஆக்சிஜனேற்றம் செய்யப்படுகிறது. 4NH$_3$(g) + 5O$_2$(g) (\xrightarrow{\text{Pt/Rh gauze, 800-950°C}}) 4NO(g) + 6H$_2$O(g)

2. நைட்ரிக் ஆக்சைடின் ஆக்சிஜனேற்றம்: உருவான நைட்ரிக் ஆக்சைடு (NO) குளிர்விக்கப்பட்டு, பின்னர் அதிகப்படியான காற்றுடன் (அல்லது ஆக்சிஜன்) வினைபுரிந்து நைட்ரஜன் டை ஆக்சைடை (NO$_2$) உருவாக்க மேலும் ஆக்சிஜனேற்றம் செய்யப்படுகிறது. இந்த வினை வெப்பம் உமிழ்வினை மற்றும் தானாகவே நிகழ்கிறது. 2NO(g) + O$_2$(g) (\rightarrow) 2NO$_2$(g)

3. நைட்ரஜன் டை ஆக்சைடை நீரில் உறிஞ்சுதல்: நைட்ரஜன் டை ஆக்சைடு (NO$_2$) பின்னர் ஒரு உறிஞ்சுதல் கோபுரத்தில் நீரில் உறிஞ்சப்படுகிறது, பொதுவாக நீர் ஓட்டத்திற்கு எதிர்திசையில். இந்த வினை நைட்ரிக் அமிலத்தை உற்பத்தி செய்கிறது மற்றும் சில நைட்ரிக் ஆக்சைடை மீண்டும் உருவாக்குகிறது. நைட்ரிக் ஆக்சைடு பின்னர் படி 2-க்கு மீண்டும் சுழற்சி செய்யப்படுகிறது. 3NO$_2$(g) + H$_2$O(l) (\rightarrow) 2HNO$_3$(aq) + NO(g) பெறப்படும் நீரிய நைட்ரிக் அமிலம் பொதுவாக நிறை அளவில் சுமார் 68% இருக்கும்.

உயர் சிந்தனை திறன் (HOTS) வினா

தொகுதி 15 ஹைட்ரைடுகளில் (NH$_3$, PH$_3$, AsH$_3$, SbH$_3$, BiH$_3$) NH$_3$ மிக பலவீனமான ஒடுக்கும் காரணியாகவும், BiH$_3$ ஏன் மிக வலிமையான ஒடுக்கும் காரணியாகவும் உள்ளது என்பதை விளக்குங்கள்.

மாதிரி பதில்: தொகுதி 15 ஹைட்ரைடுகளின் (MH$_3$) ஒடுக்கும் தன்மை NH$_3$-லிருந்து BiH$_3$ வரை தொகுதியில் கீழே செல்லும்போது அதிகரிக்கிறது. இந்த போக்கு M-H பிணைப்பின் வலிமை மற்றும் மைய அணுவின் அளவைக் கருத்தில் கொண்டு விளக்கப்படுகிறது.

1. பிணைப்பு பிளவு ஆற்றல் (M-H பிணைப்பு வலிமை): தொகுதி 15-ல் நைட்ரஜனில் இருந்து பிஸ்மத் வரை நாம் கீழே செல்லும்போது, மைய அணுவின் (M) அணு அளவு கணிசமாக அதிகரிக்கிறது. இதன் விளைவாக, M-H பிணைப்பு நீளம் அதிகரிக்கிறது (எ.கா., N-H பிணைப்பு Bi-H பிணைப்பை விட குறைவானது). ஒரு நீண்ட பிணைப்பு பொதுவாக ஒரு பலவீனமான பிணைப்பைக் குறிக்கிறது, ஏனெனில் மைய அணு மற்றும் ஹைட்ரஜனின் இணைதிறன் ஆர்பிட்டால்களுக்கு இடையிலான மேலடுக்கு குறைவான பயனுள்ளதாகிறது. எனவே, NH$_3$-லிருந்து BiH$_3$ வரை M-H பிணைப்பின் பிணைப்பு பிளவு ஆற்றல் படிப்படியாக குறைகிறது.

2. ஹைட்ரஜனை வெளியிடும் எளிமை: ஒடுக்கும் காரணிகள் என்பவை எலக்ட்ரான்களை வழங்கும் அல்லது ஒடுக்கத்திற்காக ஹைட்ரஜன் அணுக்களை வழங்கும் (தங்களை ஆக்சிஜனேற்றம் செய்யும்) பொருட்கள் ஆகும். ஹைட்ரைடுகளின் விஷயத்தில், அவற்றின் ஒடுக்கும் வலிமை ஹைட்ரஜன் அணுக்களை அவை எவ்வளவு எளிதாக வெளியிட முடியும் என்பதோடு தொடர்புடையது. M-H பிணைப்பு வலிமை தொகுதியில் கீழே செல்லும்போது குறைவதால், M-H பிணைப்பை உடைத்து ஹைட்ரஜனை வெளியிடுவது படிப்படியாக எளிதாகிறது.

3. ஹைட்ரைடுகளின் நிலைத்தன்மை: இந்த ஹைட்ரைடுகளின் வெப்ப நிலைத்தன்மையும் அதே போக்கைப் பின்பற்றுகிறது, NH$_3$-லிருந்து BiH$_3$ வரை குறைகிறது. NH$_3$ மிகவும் நிலையானது, அதேசமயம் BiH$_3$ மிகவும் நிலையற்றது மற்றும் வெப்பப்படுத்தும் போது பிஸ்மத் மற்றும் ஹைட்ரஜனாக எளிதில் சிதைகிறது.

முடிவுரை:

• NH$_3$ (அம்மோனியா): நைட்ரஜனின் சிறிய அளவு மற்றும் பயனுள்ள ஆர்பிட்டால் மேலடுக்கு காரணமாக வலிமையான N-H பிணைப்பைக் கொண்டுள்ளது. இது ஹைட்ரஜனை வெளியிடுவதை கடினமாக்குகிறது, எனவே இது மிக பலவீனமான ஒடுக்கும் காரணி (அல்லது மிகவும் நிலையானது).
• BiH$_3$ (பிஸ்முதின்): பிஸ்மத்தின் பெரிய அளவு மற்றும் பலவீனமான ஆர்பிட்டால் மேலடுக்கு காரணமாக மிக பலவீனமான Bi-H பிணைப்பைக் கொண்டுள்ளது. இது ஹைட்ரஜனை வெளியிடுவதை மிகவும் எளிதாக்குகிறது, இதனால் இது மிக வலிமையான ஒடுக்கும் காரணி (அல்லது மிகக் குறைந்த நிலையானது).

ஒடுக்கும் திறனின் வரிசை: NH$_3$ < PH$_3$ < AsH$_3$ < SbH$_3$ < BiH$_3$.