துத்தநாகத்தின் (Zn) வேதியியல் - பயிற்சி வினாக்கள்

விளக்கம்:

• A) துத்தநாகம் +2 என்ற ஒரு நிலைப்புத்தன்மை கொண்ட ஆக்சிஜனேற்ற நிலையை மட்டுமே காட்டுகிறது. இது சரியானது. அதன் சேர்மங்களில், துத்தநாகம் கிட்டத்தட்ட பிரத்தியேகமாக +2 ஆக்சிஜனேற்ற நிலையைக் காட்டுகிறது, இதில் அதன் எலக்ட்ரான் அமைப்பு [Ar] 3d¹⁰ ஆகிறது.
• B) துத்தநாகம் d-தொகுதி தனிமங்களின் தொகுதி 12-ஐச் சேர்ந்தது. இது சரியானது. துத்தநாகம் (அணு எண் 30) தொகுதி 12-ன் முதல் தனிமம் ஆகும், அதைத் தொடர்ந்து காட்மியம் மற்றும் பாதரசம் உள்ளன.
• C) d-d நிலைமாற்றங்கள் காரணமாக துத்தநாகம் நிறமுள்ள சேர்மங்களை உருவாக்குகிறது. இது தவறானது. +2 ஆக்சிஜனேற்ற நிலையில், துத்தநாகம் முழுமையாக நிரப்பப்பட்ட d-உபகூட்டைக் (3d¹⁰) கொண்டுள்ளது. காலியான d-ஆர்பிட்டால்கள் இல்லாததால், d-d எலக்ட்ரான் நிலைமாற்றங்கள் சாத்தியமில்லை. எனவே, பெரும்பாலான துத்தநாகச் சேர்மங்கள் டயாமக்னடிக் மற்றும் நிறமற்றவை.
• D) துத்தநாக உலோகம் அமிலங்கள் மற்றும் வலிமையான காரங்கள் இரண்டோடும் வினைபுரிகிறது. இது சரியானது. துத்தநாகம் ஒரு ஈரியல்பு உலோகம். இது அமிலங்களுடன் வினைபுரிந்து ஹைட்ரஜன் வாயுவை உருவாக்குகிறது (எ.கா., Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂) மற்றும் வலிமையான காரங்களுடன் வினைபுரிந்து ஜிங்கேட்டுகளை உருவாக்குகிறது (எ.கா., Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂).

விளக்கம்: உலோகங்கள் நைட்ரிக் அமிலத்துடன் வினைபுரிவது சிக்கலானது மற்றும் அமிலத்தின் செறிவு, உலோகத்தின் செயல்பாடு மற்றும் வெப்பநிலை ஆகியவற்றைப் பொறுத்தது.

• மிகவும் நீர்த்த நைட்ரிக் அமிலம் துத்தநாகம் போன்ற தீவிர உலோகங்களுடன் வினைபுரிந்து நைட்ரஸ் ஆக்சைடு (N₂O) ஐ உருவாக்குகிறது. 4Zn + 10HNO₃ (very dilute) → 4Zn(NO₃)₂ + 5H₂O + N₂O
• நீர்த்த நைட்ரிக் அமிலம் பெரும்பாலும் நைட்ரிக் ஆக்சைடை (NO) அல்லது மிகவும் தீவிர உலோகங்களுடன் ஹைட்ரஜன் வாயுவைக்கூட உருவாக்குகிறது. 3Zn + 8HNO₃ (dilute) → 3Zn(NO₃)₂ + 4H₂O + 2NO
• செறிவூட்டப்பட்ட நைட்ரிக் அமிலம் பொதுவாக நைட்ரஜன் டை ஆக்சைடை (NO₂) உருவாக்குகிறது. Zn + 4HNO₃ (conc.) → Zn(NO₃)₂ + 2H₂O + 2NO₂ இருப்பினும், நீர்த்த நைட்ரிக் அமிலம் மற்றும் துத்தநாகத்துடன், N₂O உருவாக்கம் மிதமான நீர்த்தலுக்கு ஒரு பொதுவான நிகழ்வு ஆகும். மிகவும் நீர்த்த நைட்ரிக் அமிலத்திற்கு, H₂ உருவாகலாம், ஆனால் N₂O என்பது துத்தநாகம் போன்ற மிதமாகச் செயல்படும் உலோகங்களுக்கு மிதமான நீர்த்த நிலைகளின் ஒரு முக்கிய பண்பு ஆகும். கொடுக்கப்பட்ட விருப்பங்களில், நீர்த்த நைட்ரிக் அமிலத்துடன் துத்தநாகத்திற்கு N₂O ஒரு முதன்மை உற்பத்திப் பொருள் ஆகும்.

விளக்கம்:

• A) ஜிங்க் பிளெண்ட் (ஸ்பாலரைட்): இது துத்தநாக சல்பைடு (ZnS), இது உலகளவில் துத்தநாகத்தின் மிக முக்கியமான தாது ஆகும்.
• B) கேலமைன்: இது துத்தநாக கார்பனேட் (ZnCO₃) ஐக் குறிக்கிறது, இது ஸ்மித்சோனைட் என்றும் அழைக்கப்படுகிறது. இது துத்தநாகத்தின் ஒரு குறிப்பிடத்தக்க தாது ஆகும். (குறிப்பு: வரலாற்று ரீதியாக, கேலமைன் என்ற சொல் துத்தநாக ஆக்சைடு மற்றும் ஃபெரிக் ஆக்சைடு கலவையையும் குறித்தது, ஆனால் உலோகவியலில், இது பொதுவாக ZnCO₃ ஐக் குறிக்கிறது).
• C) ஜிங்கைட்: இது துத்தநாக ஆக்சைடு (ZnO), இது துத்தநாகத்தின் மற்றொரு முக்கியமான தாது ஆகும்.
• D) பாக்ஸைட்: பாக்ஸைட் என்பது அலுமினியத்தின் தாது ஆகும், இது முதன்மையாக நீர்மயமாக்கப்பட்ட அலுமினிய ஆக்சைடுகளைக் கொண்டுள்ளது, அவை ஜிப்சைட் (Al(OH)₃), போஹிமைட் (γ-AlO(OH)) மற்றும் டயாஸ்போர் (α-AlO(OH)) போன்றவை. இதில் துத்தநாகம் இல்லை.

விளக்கம்:

• கூற்று (A) உண்மை. இடைநிலைத் தனிமங்களுக்கான IUPAC வரையறை என்னவென்றால், அவை அவற்றின் அடிநிலை நிலையிலோ அல்லது அவற்றின் பொதுவான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளிலோ முழுமையற்ற நிரப்பப்பட்ட d-ஆர்பிட்டால்களைக் கொண்ட தனிமங்கள் ஆகும்.
• காரணம் (R) உண்மை மற்றும் A-க்கு சரியான விளக்கம். துத்தநாகத்தின் எலக்ட்ரான் அமைப்பு [Ar] 3d¹⁰ 4s². அதன் மிகவும் பொதுவான மற்றும் நிலைப்புத்தன்மை கொண்ட +2 ஆக்சிஜனேற்ற நிலையில், அது இரண்டு 4s எலக்ட்ரான்களை இழந்து, [Ar] 3d¹⁰ என்ற அமைப்பை அடைகிறது. அடிநிலை நிலையிலும் +2 ஆக்சிஜனேற்ற நிலையிலும் முழுமையற்ற நிரப்பப்பட்ட d-ஆர்பிட்டால் இல்லாததால், துத்தநாகம் ஒரு d-தொகுதி தனிமம் என்றாலும், இடைநிலைத் தனிமத்தின் வரையறைக்குள் பொருந்தாது.

விளக்கம்:

• கூற்று (A) உண்மை. அதன் பொதுவான +2 ஆக்சிஜனேற்ற நிலையில் உள்ள துத்தநாகம் ஒரு 3d¹⁰ அமைப்பைக் கொண்டுள்ளது. d-ஆர்பிட்டால்களில் உள்ள அனைத்து எலக்ட்ரான்களும் இணைக்கப்பட்டுள்ளன, தனித்த எலக்ட்ரான்கள் எதுவும் இல்லை. எனவே, துத்தநாகச் சேர்மங்கள் டயாமக்னடிக் தன்மை கொண்டவை.
• காரணம் (R) உண்மை. துத்தநாகம்(II) ஒரு d¹⁰ அயனியாகும், மேலும் இது வலிமையான புல ஈனிகள் உட்பட பல்வேறு ஈனிகளுடன் டெட்ராஹெட்ரல் அல்லது ஆக்டாஹெட்ரல் அணைவுச் சேர்மங்களை உருவாக்க முடியும் (எ.கா., [Zn(NH₃)₄]²⁺, [Zn(CN)₄]²⁻).
• இருப்பினும், காரணம் (வலிமையான புல ஈனிகளுடன் அணைவுச் சேர்மங்களை உருவாக்குவது) டயாமக்னடிக் தன்மையை விளக்கவில்லை. டயாமக்னடிக் தன்மை என்பது Zn²⁺ அயனியில் உள்ள முழுமையாக நிரப்பப்பட்ட d-உபகூட்டிலிருந்து (3d¹⁰) எழுகிறது, அதாவது ஈனியின் வலிமை எதுவாக இருந்தாலும், தனித்த எலக்ட்ரான்கள் இல்லை. வலிமையான புல ஈனிகள் படிகப் புலப் பிளவுகளை பாதிக்கின்றன, ஆனால் d¹⁰ அயனிகளுக்கு, இந்த பிளவு தனித்த எலக்ட்ரான்கள் அல்லது பாராமக்னடிக் தன்மைக்கு வழிவகுக்காது.

IUPAC வரையறையின்படி, இடைநிலைத் தனிமங்கள் என்பவை அவற்றின் அடிநிலை நிலையிலோ அல்லது அவற்றின் பொதுவான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளிலோ முழுமையற்ற நிரப்பப்பட்ட d-ஆர்பிட்டால்களைக் கொண்ட தனிமங்கள் ஆகும்.

• எலக்ட்ரான் அமைப்பு: அதன் அடிநிலை நிலையில், துத்தநாகம் முழுமையாக நிரப்பப்பட்ட 3d¹⁰ உபகூட்டைக் கொண்டுள்ளது. அதன் ஒரே பொதுவான மற்றும் நிலைப்புத்தன்மை கொண்ட +2 ஆக்சிஜனேற்ற நிலையில், அது இரண்டு 4s எலக்ட்ரான்களை இழந்து Zn²⁺ ஐ உருவாக்குகிறது, இது [Ar] 3d¹⁰ அமைப்பைக் கொண்டுள்ளது. அடிநிலை நிலையிலும் +2 ஆக்சிஜனேற்ற நிலையிலும் முழுமையற்ற நிரப்பப்பட்ட d-ஆர்பிட்டால் இல்லாததால், துத்தநாகம் இடைநிலைத் தனிமத்திற்கான IUPAC வரையறையை பூர்த்தி செய்யவில்லை.
• பண்புகள்: இந்த எலக்ட்ரான் அமைப்பு (3d¹⁰) துத்தநாகத்தை வழக்கமான இடைநிலைத் தனிமங்களிலிருந்து வேறுபடுத்தும் பல பண்புகளுக்கு வழிவகுக்கிறது:
  1. மாறுபடும் ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகள்: d-எலக்ட்ரான்களின் பங்கேற்பு காரணமாக பல ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளைக் காட்டும் பெரும்பாலான இடைநிலைத் தனிமங்களைப் போலன்றி, துத்தநாகம் +2 ஆக்சிஜனேற்ற நிலையை மட்டுமே காட்டுகிறது.
  2. சேர்மங்களின் நிறம்: துத்தநாகச் சேர்மங்கள் பொதுவாக திட நிலையிலோ அல்லது கரைசலிலோ நிறமற்றவை (வெள்ளை) ஆகும், ஏனெனில் d-d எலக்ட்ரான் நிலைமாற்றங்களுக்கு உட்படும் தனித்த d-எலக்ட்ரான்கள் இல்லை, இது பெரும்பாலான இடைநிலை உலோகச் சேர்மங்களில் நிறத்திற்குக் காரணமாகும்.
  3. வினையூக்கிச் செயல்பாடு: வழக்கமான இடைநிலை உலோகங்கள் அவற்றின் மாறுபடும் ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகள் மற்றும் நிலையற்ற இடைநிலைகளை உருவாக்கும் திறன் காரணமாக பெரும்பாலும் வினையூக்கிகளாகச் செயல்படுகின்றன. துத்தநாகம், முதன்மையாக +2 நிலைக்கு மட்டுமே கட்டுப்படுத்தப்பட்டு, உண்மையான இடைநிலை உலோகங்களுடன் ஒப்பிடும்போது குறைந்த வினையூக்கிச் செயல்பாட்டைக் காட்டுகிறது.

b) நீர்த்த ஹைட்ரோகுளோரிக் அமிலத்துடன் துத்தநாக ஆக்சைடு: துத்தநாக ஆக்சைடு ஒரு ஈரியல்பு ஆக்சைடு. இது அமிலங்களுடன் வினைபுரிந்து ஒரு உப்பு மற்றும் நீரை உருவாக்குகிறது. ZnO(s) + 2HCl(aq) → ZnCl₂(aq) + H₂O(l)

1. எலக்ட்ரான் அமைப்பு:

   • துத்தநாகத்தின் அணு எண் 30. அதன் அடிநிலை எலக்ட்ரான் அமைப்பு [Ar] 3d¹⁰ 4s².
   • அதன் பொதுவான மற்றும் நிலைப்புத்தன்மை கொண்ட ஆக்சிஜனேற்ற நிலையில், துத்தநாகம் அதன் இரண்டு 4s எலக்ட்ரான்களை இழந்து Zn²⁺ அயனியை உருவாக்குகிறது. Zn²⁺ அயனியின் எலக்ட்ரான் அமைப்பு [Ar] 3d¹⁰.

2. சேர்மங்களின் நிறம் (வெள்ளை):

   • பெரும்பாலான இடைநிலை உலோகச் சேர்மங்களில் நிறம் d-d எலக்ட்ரான் நிலைமாற்றங்கள் மூலம் எழுகிறது. முழுமையற்ற நிரப்பப்பட்ட d-உபகூட்டைக் கொண்ட ஒரு இடைநிலை உலோக அயனி ஒரு ஈனி புலத்தில் (எ.கா., ஒரு அணைவுச் சேர்மத்தில் அல்லது ஒரு படிக அணிக்கோவையில்) வைக்கப்படும்போது, d-ஆர்பிட்டால்கள் வெவ்வேறு ஆற்றல் நிலைகளாகப் பிளவுபடுகின்றன.
   • எலக்ட்ரான்கள் ஒரு குறிப்பிட்ட அலைநீளமுள்ள கண்ணுக்குப் புலப்படும் ஒளியை உறிஞ்சி குறைந்த ஆற்றல் கொண்ட d-ஆர்பிட்டாலில் இருந்து அதிக ஆற்றல் கொண்ட d-ஆர்பிட்டாலுக்கு (d-d நிலைமாற்றம்) செல்ல முடியும். உறிஞ்சப்பட்ட ஒளியின் நிரப்பு நிறமே கவனிக்கப்படும் நிறமாகும்.
   • Zn²⁺ அயனியில் (3d¹⁰), d-உபகூடு முழுமையாக நிரப்பப்பட்டுள்ளது. எலக்ட்ரான்கள் நிலைமாற்றம் செய்யக்கூடிய காலியான d-ஆர்பிட்டால்கள் இல்லை. எனவே, d-d நிலைமாற்றங்கள் சாத்தியமில்லை.
   • இதன் விளைவாக, Zn²⁺ சேர்மங்கள் d-d நிலைமாற்றங்கள் மூலம் கண்ணுக்குப் புலப்படும் ஒளியை உறிஞ்சுவதில்லை, மேலும் அவை கண்ணுக்குப் புலப்படும் ஒளியின் அனைத்து அலைநீளங்களையும் கடத்துவதாலோ அல்லது பிரதிபலிப்பதாலோ வெள்ளை அல்லது நிறமற்றதாகத் தோன்றும். சில துத்தநாகச் சேர்மங்களில் கவனிக்கப்படும் எந்த நிறமும் ஈனி அல்லது அசுத்தங்கள் சம்பந்தப்பட்ட மின்னூட்ட மாற்ற நிலைமாற்றங்கள் காரணமாக இருக்கலாம், ஆனால் Zn²⁺ காரணமாக அல்ல.

3. காந்தப் பண்புகள் (டயாமக்னடிக்):

   • பாராமக்னடிக் தன்மை என்பது ஒன்று அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட தனித்த எலக்ட்ரான்களைக் கொண்ட பொருட்களில் நிகழ்கிறது. இந்த தனித்த எலக்ட்ரான்கள் ஒரு காந்தத் திருப்புத்திறனைக் கொண்டுள்ளன மற்றும் ஒரு வெளிப்புற காந்தப் புலத்தால் ஈர்க்கப்படுகின்றன.
   • டயாமக்னடிக் தன்மை என்பது அனைத்து எலக்ட்ரான்களும் இணைக்கப்பட்டுள்ள பொருட்களில் நிகழ்கிறது. இணைந்த எலக்ட்ரான்கள் எதிர் சுழற்சிகளைக் கொண்டுள்ளன, அவற்றின் காந்தத் திருப்புத்திறன்களை ரத்து செய்கின்றன. டயாமக்னடிக் பொருட்கள் ஒரு வெளிப்புற காந்தப் புலத்தால் பலவீனமாகத் தள்ளப்படுகின்றன.
   • Zn²⁺ அயனி ஒரு 3d¹⁰ எலக்ட்ரான் அமைப்பைக் கொண்டிருப்பதால், ஐந்து d-ஆர்பிட்டால்களில் உள்ள அனைத்து பத்து d-எலக்ட்ரான்களும் இணைக்கப்பட்டுள்ளன. Zn²⁺ இல் தனித்த எலக்ட்ரான்கள் எதுவும் இல்லை.
   • இதன் விளைவாக, துத்தநாகம்(II) சேர்மங்கள் டயாமக்னடிக் தன்மை கொண்டவை, ஏனெனில் அவற்றுக்கு தனித்த எலக்ட்ரான்கள் இல்லை.

சுருக்கமாக, Zn²⁺ அயனியின் முழுமையாக நிரப்பப்பட்ட 3d¹⁰ எலக்ட்ரான் அமைப்பே துத்தநாகம்(II) சேர்மங்கள் பொதுவாக வெள்ளை நிறமாகவும் (d-d நிலைமாற்றங்கள் இல்லாததால்) மற்றும் டயாமக்னடிக் தன்மையுடனும் (தனித்த எலக்ட்ரான்கள் இல்லாததால்) இருப்பதற்கான அடிப்படைக் காரணம்.