అల్యూమినియం (Al) రసాయనశాస్త్రం అభ్యాస ప్రశ్నలు
బహుళైచ్ఛిక ప్రశ్నలు (MCQs)
ప్రశ్న 1
అల్యూమినియం గురించి కింది ప్రకటనలలో ఏది తప్పు? A) అల్యూమినియం ఒక ఉభయధర్మి లోహం. B) అల్యూమినియం పలుచని HCl తో చర్య జరిపి హైడ్రోజన్ వాయువును ఉత్పత్తి చేస్తుంది. C) అల్యూమినియం ఆక్సైడ్ (Al₂O₃) క్షార స్వభావం కలది. D) అల్యూమినియం తన ఉపరితలంపై ఒక నిష్క్రియ ఆక్సైడ్ పొరను ఏర్పరుస్తుంది.
పరిష్కారం: సరైన సమాధానం C) అల్యూమినియం ఆక్సైడ్ (Al₂O₃) క్షార స్వభావం కలది.
వివరణ:
A) అల్యూమినియం నిజానికి ఒక ఉభయధర్మి లోహం, అంటే ఇది ఆమ్లాలు మరియు క్షారాలు రెండింటితోనూ చర్య జరుపుతుంది.
B) అల్యూమినియం పలుచని HCl తో చర్య జరుపుతుంది: 2Al(s) + 6HCl(aq) \rightarrow 2AlCl₃(aq) + 3H₂(g).
C) అల్యూమినియం ఆక్సైడ్ (Al₂O₃) ఉభయధర్మి, క్షార స్వభావం కలది కాదు. ఇది ఆమ్లాలతో చర్య జరిపి లవణాలను, క్షారాలతో చర్య జరిపి అల్యూమినేట్లను ఏర్పరుస్తుంది. ఉదాహరణకు, Al₂O₃ + 6HCl \rightarrow 2AlCl₃ + 3H₂O మరియు Al₂O₃ + 2NaOH \rightarrow 2NaAlO₂ + H₂O.
D) అల్యూమినియం తన ఉపరితలంపై అల్యూమినియం ఆక్సైడ్ (Al₂O₃) యొక్క సన్నని, గట్టి మరియు అభేద్యమైన పొరను సులభంగా ఏర్పరుస్తుంది, ఇది లోపలి లోహాన్ని మరింత తుప్పు పట్టకుండా రక్షిస్తుంది. దీనిని నిష్క్రియం (passivation) అంటారు.
ప్రశ్న 2
హాల్-హెరూల్ట్ ప్రక్రియను ఉపయోగించి అల్యూమినియం విద్యుద్విశ్లేషణ వెలికితీతలో, క్రయోలైట్ (Na₃AlF₆) యొక్క ప్రాథమిక పాత్ర ఏమిటి? A) ఆక్సీకరణ కారకంగా పనిచేయడానికి. B) అల్యూమినా (Al₂O₃) ద్రవీభవన స్థానాన్ని తగ్గించడానికి. C) అల్యూమినా (Al₂O₃) ద్రవీభవన స్థానాన్ని పెంచడానికి. D) అల్యూమినియం యొక్క ప్రధాన వనరుగా పనిచేయడానికి.
పరిష్కారం: సరైన సమాధానం B) అల్యూమినా (Al₂O₃) ద్రవీభవన స్థానాన్ని తగ్గించడానికి.
వివరణ: అల్యూమినా (Al₂O₃) చాలా అధిక ద్రవీభవన స్థానాన్ని కలిగి ఉంటుంది (2000 °C కంటే ఎక్కువ). హాల్-హెరూల్ట్ ప్రక్రియలో, క్రయోలైట్ (Na₃AlF₆) ద్రవ అల్యూమినాకు ప్రధానంగా వీటి కోసం కలుపబడుతుంది:
- ఎలక్ట్రోలైట్ మిశ్రమం యొక్క ద్రవీభవన స్థానాన్ని తగ్గించి సుమారు 950-1000 °Cకి తీసుకురావడం, తద్వారా ఈ ప్రక్రియ ఆర్థికంగా ఆచరణీయంగా మారుతుంది.
- ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క విద్యుత్ వాహకతను పెంచడం.
- అల్యూమినాను సమర్థవంతంగా కరిగించడం. క్రయోలైట్ స్వయంగా అల్యూమినియం యొక్క ప్రధాన వనరుగా పనిచేయదు; అల్యూమినా ప్రాథమిక ధాతువు. ఇది ఆక్సీకరణ కారకంగా పనిచేయదు.
ప్రశ్న 3
అల్యూమినియం ఏ మూలకంతో వికర్ణ సంబంధాన్ని చూపుతుంది, కొన్ని సారూప్య లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తుంది? A) బోరాన్ B) గాలియం C) మెగ్నీషియం D) బెరీలియం
పరిష్కారం: సరైన సమాధానం D) బెరీలియం.
వివరణ: వికర్ణ సంబంధం పీరియడ్ 2 మరియు పీరియడ్ 3 మూలకాల మధ్య, వికర్ణంగా వ్యతిరేక సమూహాలకు చెందిన మూలకాల మధ్య గమనించబడుతుంది. అల్యూమినియం (సమూహం 13, పీరియడ్ 3) బెరీలియం (సమూహం 2, పీరియడ్ 2) తో వికర్ణ సంబంధాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది. సారూప్యతలు:
- రెండూ సమయోజనీయ సమ్మేళనాలను ఏర్పరుస్తాయి.
- వాటి ఆక్సైడ్లు (Al₂O₃ మరియు BeO) మరియు హైడ్రాక్సైడ్లు (Al(OH)₃ మరియు Be(OH)₂) ఉభయధర్మి.
- అవి సంక్లిష్ట ఫ్లోరైడ్లను ఏర్పరుస్తాయి, ఉదా., [AlF₆]³⁻ మరియు [BeF₄]²⁻.
- రెండు లోహాలు నైట్రిక్ ఆమ్లం పట్ల నిష్క్రియంగా ఉంటాయి.
- రెండూ బలమైన క్షారాలతో చర్య జరిపి సంక్లిష్ట అనయాన్లను (అల్యూమినేట్లు మరియు బెరిల్లేట్లు) ఏర్పరుస్తాయి.
అసర్షన్-రీజన్ ప్రశ్నలు
ప్రశ్న 1
అసర్షన్ (A): అల్యూమినియం పాత్రలను వాషింగ్ సోడా (సోడియం కార్బోనేట్) తో కడగకూడదు. కారణం (R): వాషింగ్ సోడా క్షార స్వభావం కలది మరియు అల్యూమినియంతో చర్య జరిపి సోడియం అల్యూమినేట్ మరియు హైడ్రోజన్ వాయువును ఏర్పరుస్తుంది.
A) A మరియు R రెండూ నిజం మరియు R, A కు సరైన వివరణ. B) A మరియు R రెండూ నిజం కానీ R, A కు సరైన వివరణ కాదు. C) A నిజం కానీ R తప్పు. D) A తప్పు కానీ R నిజం. E) A మరియు R రెండూ తప్పు.
పరిష్కారం: సరైన సమాధానం A) A మరియు R రెండూ నిజం మరియు R, A కు సరైన వివరణ.
వివరణ:
అల్యూమినియం ఒక ఉభయధర్మి లోహం. వాషింగ్ సోడా (Na₂CO₃) నీటిలో జల విశ్లేషణ చెంది బలమైన క్షారం (NaOH) మరియు బలహీన ఆమ్లం (H₂CO₃) ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది, దాని ద్రావణాన్ని క్షారంగా చేస్తుంది.
Na₂CO₃ + 2H₂O \rightleftharpoons 2NaOH + H₂CO₃
అల్యూమినియం బలమైన క్షారం (NaOH) తో ఈ క్రింది విధంగా చర్య జరుపుతుంది:
2Al(s) + 2NaOH(aq) + 6H₂O(l) \rightarrow 2Na[Al(OH)₄](aq) + 3H₂(g) (సోడియం టెట్రాహైడ్రాక్సోఅల్యూమినేట్(III))
ఈ చర్య అల్యూమినియం పాత్రను తుప్పు పట్టించి, గోతులను మరియు నష్టాన్ని కలిగిస్తుంది. కాబట్టి, అసర్షన్ మరియు కారణం రెండూ నిజం, మరియు కారణం అసర్షన్ను సరిగ్గా వివరిస్తుంది.
ప్రశ్న 2
అసర్షన్ (A): నిర్జల AlCl₃ ఒక లూయిస్ ఆమ్లం. కారణం (R): నిర్జల AlCl₃ ఒక ఎలక్ట్రాన్-లోప అణువు.
A) A మరియు R రెండూ నిజం మరియు R, A కు సరైన వివరణ. B) A మరియు R రెండూ నిజం కానీ R, A కు సరైన వివరణ కాదు. C) A నిజం కానీ R తప్పు. D) A తప్పు కానీ R నిజం. E) A మరియు R రెండూ తప్పు.
పరిష్కారం: సరైన సమాధానం A) A మరియు R రెండూ నిజం మరియు R, A కు సరైన వివరణ.
వివరణ:
నిర్జల అల్యూమినియం క్లోరైడ్ (AlCl₃) లో, మధ్యస్థ అల్యూమినియం పరమాణువు మూడు క్లోరిన్ పరమాణువులతో బంధించబడి ఉంటుంది. అల్యూమినియం గ్రూప్ 13 లో ఉంటుంది మరియు మూడు వేలెన్సీ ఎలక్ట్రాన్లను కలిగి ఉంటుంది. మూడు సమయోజనీయ బంధాలను ఏర్పరచిన తర్వాత, అల్యూమినియం పరమాణువు తన వేలెన్సీ షెల్లో ఆరు ఎలక్ట్రాన్లను మాత్రమే కలిగి ఉంటుంది (3 ఎలక్ట్రాన్ జతలు). దాని అష్టకాన్ని పూర్తి చేయడానికి దీనికి మరో రెండు ఎలక్ట్రాన్లు అవసరం.
లూయిస్ సిద్ధాంతం ప్రకారం, లూయిస్ ఆమ్లం అనేది ఎలక్ట్రాన్ జత స్వీకర్త. AlCl₃ ఎలక్ట్రాన్-లోపంతో ఉన్నందున, స్థిరమైన అష్టకాన్ని సాధించడానికి ఇది సులభంగా ఎలక్ట్రాన్ జతను అంగీకరిస్తుంది, తద్వారా లూయిస్ ఆమ్లంగా పనిచేస్తుంది. ఉదాహరణకు, AlCl₃ + Cl⁻ \rightarrow [AlCl₄]⁻. అందువల్ల, అసర్షన్ మరియు కారణం రెండూ నిజం, మరియు కారణం అసర్షన్ను సరిగ్గా వివరిస్తుంది.
చిన్న జవాబు ప్రశ్నలు
ప్రశ్న 1
అల్యూమినియం బలమైన క్షారాలతో చర్య జరిపినప్పుడు [Al(OH)₄]⁻ ను ఎందుకు ఏర్పరుస్తుంది, కానీ గ్రూప్ 13 లోని బోరాన్, సారూప్య పరిస్థితులలో సాధారణంగా [B(OH)₄]⁻ ను ఎందుకు ఏర్పరచదు వివరించండి.
నమూనా జవాబు:
అల్యూమినియం తన ఉభయధర్మి స్వభావం మరియు తన సమన్వయ సంఖ్యను పెంచే సామర్థ్యం కారణంగా టెట్రాహైడ్రాక్సోఅల్యూమినేట్(III) సముదాయాన్ని, [Al(OH)₄]⁻ ను ఏర్పరుస్తుంది. అల్యూమినియం, బోరాన్ కంటే పెద్ద పరమాణువు కావడం వలన, దాని వేలెన్సీ షెల్లో ఖాళీ d-ఆర్బిటాల్లను కలిగి ఉంటుంది, ఇవి హైడ్రాక్సైడ్ లిగాండ్ల నుండి అదనపు ఎలక్ట్రాన్ జతలను స్వీకరించడానికి ఉపయోగపడతాయి. ఇది అల్యూమినియం సమన్వయ సంఖ్య 4 ను సాధించడానికి మరియు స్థిరమైన [Al(OH)₄]⁻ సముదాయాన్ని ఏర్పరచడానికి అనుమతిస్తుంది.
మరోవైపు, బోరాన్ చాలా చిన్న పరమాణువు మరియు దాని వేలెన్సీ షెల్లో అందుబాటులో ఉన్న d-ఆర్బిటాల్లను కలిగి ఉండదు. d-ఆర్బిటాల్లు లేకపోవడం వల్ల దీని గరిష్ట సమయోజనీయత నాలుగుకు పరిమితం చేయబడింది. కొన్ని నిర్దిష్ట పరిస్థితులలో ఇది [B(OH)₄]⁻ (టెట్రాహైడ్రాక్సోబోరేట్) ను ఏర్పరచగలిగినప్పటికీ, ఇది సాధారణంగా బోరిక్ ఆమ్లం, B(OH)₃ వలె ఉంటుంది, ఇది బలహీనమైన లూయిస్ ఆమ్లం. sp² హైబ్రిడైజేషన్ను సాధించడానికి మరియు సమతల నిర్మాణాలను ఏర్పరచడానికి బోరాన్ యొక్క బలమైన ధోరణి, స్టెరిక్ హిండ్రెన్స్ మరియు ఎలక్ట్రాన్ లోపం కలసి, అల్యూమినియం కోసం [Al(OH)₄]⁻ ఏర్పడటం కంటే [B(OH)₄]⁻ ఏర్పడటం తక్కువ అనుకూలంగా మరియు తక్కువ సాధారణంగా మారుస్తుంది. బోరిక్ ఆమ్లం B(OH)₃ వలె ఉంటుంది, ఇది H⁺ ను దానం చేయడానికి బదులుగా OH⁻ అయాన్ను అంగీకరించడం ద్వారా లూయిస్ ఆమ్లంగా పనిచేస్తుంది.
ప్రశ్న 2
అల్యూమినియం (హాల్-హెరూల్ట్ ప్రక్రియ) విద్యుద్విశ్లేషణ వెలికితీతలో క్రయోలైట్ (Na₃AlF₆) పాత్రను వివరించండి.
నమూనా జవాబు: అల్యూమినా (Al₂O₃) నుండి అల్యూమినియం యొక్క విద్యుద్విశ్లేషణ వెలికితీత కోసం హాల్-హెరూల్ట్ ప్రక్రియలో, క్రయోలైట్ (Na₃AlF₆) అనేక కీలక పాత్రలను పోషిస్తుంది:
-
ద్రవీభవన స్థానాన్ని తగ్గించడం: స్వచ్ఛమైన అల్యూమినా చాలా అధిక ద్రవీభవన స్థానాన్ని (2000 °C కంటే ఎక్కువ) కలిగి ఉంటుంది. ద్రవ క్రయోలైట్లో అల్యూమినాను కరిగించడం ద్వారా, మిశ్రమం యొక్క ద్రవీభవన స్థానం సుమారు 950-1000 °C కి గణనీయంగా తగ్గుతుంది. ఉష్ణోగ్రతలో ఈ తగ్గింపు పారిశ్రామిక ప్రక్రియను ఆర్థికంగా ఆచరణీయంగా చేస్తుంది, ఎందుకంటే ద్రవ స్థితిని నిర్వహించడానికి తక్కువ శక్తి అవసరం.
-
విద్యుత్ వాహకతను పెంచడం: ద్రవ అల్యూమినా స్వయంగా విద్యుత్తుకు తక్కువ వాహకం. క్రయోలైట్, ద్రవ రూపంలో ఉన్నప్పుడు, అయాన్లుగా విచ్ఛిన్నమవుతుంది (
Na⁺,AlF₆³⁻,AlF₄⁻), ఇది ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క విద్యుత్ వాహకతను గణనీయంగా పెంచుతుంది. ఇది విద్యుద్విశ్లేషణకు అవసరమైన విద్యుత్ యొక్క సమర్థవంతమైన ప్రవాహాన్ని సులభతరం చేస్తుంది. -
అల్యూమినాకు ద్రావకం: క్రయోలైట్ అల్యూమినాకు అద్భుతమైన ద్రావకం వలె పనిచేస్తుంది. అల్యూమినా ద్రవ క్రయోలైట్లో కరిగి
AlF₆³⁻మరియుAlOF₂⁻వంటి సంక్లిష్ట అయాన్లను ఏర్పరుస్తుంది, ఇవి తరువాత కాథోడ్ వద్ద క్షయకరణం చెందుతాయి. ఇది విద్యుత్ రసాయన క్షయకరణ ప్రక్రియకు అల్యూమినియం అయాన్ల నిరంతర సరఫరాను నిర్ధారిస్తుంది.
సంక్షిప్తంగా, క్రయోలైట్ కార్యాచరణ ఉష్ణోగ్రతను తగ్గించడానికి, విద్యుత్ వాహకతను పెంచడానికి మరియు అల్యూమినాను కరిగించడానికి అవసరం, తద్వారా అల్యూమినియం లోహం యొక్క ఆచరణాత్మక మరియు సమర్థవంతమైన ఉత్పత్తిని సాధ్యం చేస్తుంది.
ఉన్నత-స్థాయి ఆలోచనా నైపుణ్యాల (HOTS) ప్రశ్న
అల్యూమినియం చర్యాశీలత శ్రేణిలో దాని స్థానం ప్రకారం అత్యంత చర్యాశీలత గల లోహం. అయితే, అల్యూమినియం వస్తువులు గాలి మరియు తేమకు గురైనప్పటికీ సులభంగా తుప్పు పట్టవు. ఈ దృగ్విషయాన్ని వివరించండి మరియు అల్యూమినియం యొక్క ఉభయధర్మి స్వభావాన్ని ప్రదర్శించడానికి సంబంధిత రసాయన సమీకరణాలను అందించండి.
వివరణాత్మక రసాయన వివరణ:
అల్యూమినియం నిజానికి E° = -1.66 V యొక్క ప్రామాణిక ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్తో అత్యంత చర్యాశీల లోహం, ఇది ఎలక్ట్రాన్లను కోల్పోవడానికి బలమైన ధోరణిని సూచిస్తుంది. అయితే, గాలి మరియు తేమకు గురైనప్పటికీ తుప్పుకు దాని అద్భుతమైన నిరోధకత నిష్క్రియం (passivation) అనే దృగ్విషయానికి కారణమని చెప్పవచ్చు.
-
రక్షిత ఆక్సైడ్ పొర ఏర్పడటం: అల్యూమినియం గాలికి గురైనప్పుడు, అది వాతావరణంలోని ఆక్సిజన్తో తక్షణమే చర్య జరిపి దాని ఉపరితలంపై అల్యూమినియం ఆక్సైడ్ (Al₂O₃) యొక్క సన్నని, గట్టి, రంధ్రాలు లేని మరియు గట్టిగా అంటుకునే పొరను ఏర్పరుస్తుంది.
4Al(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2Al₂O₃(s)ఈ ఆక్సైడ్ పొర రక్షిత అవరోధంగా పనిచేస్తుంది, లోపలి అల్యూమినియం లోహం ఆక్సిజన్, తేమ మరియు ఇతర తుప్పు కారకాలతో మరింత చర్య జరపకుండా నిరోధిస్తుంది. ఈ నిష్క్రియ పొర చాలా స్థిరంగా ఉంటుంది మరియు యాంత్రికంగా తొలగించడం కష్టం. -
అల్యూమినియం ఆక్సైడ్ యొక్క ఉభయధర్మి స్వభావం: రక్షిత Al₂O₃ పొర ఉభయధర్మి, అంటే ఇది బలమైన ఆమ్లాలు మరియు బలమైన క్షారాలు రెండింటితోనూ చర్య జరపగలదు. ఈ లక్షణం నిర్దిష్ట వాతావరణాలలో నియంత్రిత ద్రావణాన్ని అనుమతిస్తుంది, కానీ సాధారణంగా తటస్థ పరిస్థితులలో దాని స్థిరత్వానికి దోహదపడుతుంది.
-
ఆమ్లాలతో చర్య:
Al₂O₃(s) + 6HCl(aq) \rightarrow 2AlCl₃(aq) + 3H₂O(l)లేదా, సల్ఫ్యూరిక్ ఆమ్లం వంటి బలమైన ఆమ్లాలతో:Al₂O₃(s) + 3H₂SO₄(aq) \rightarrow Al₂(SO₄)₃(aq) + 3H₂O(l) -
క్షారాలతో చర్య:
Al₂O₃(s) + 2NaOH(aq) + 3H₂O(l) \rightarrow 2Na[Al(OH)₄](aq)(సోడియం టెట్రాహైడ్రాక్సోఅల్యూమినేట్(III)) ఆక్సైడ్ పొర రక్షణను అందిస్తున్నప్పటికీ, బలమైన క్షారాలకు దీర్ఘకాలం గురవడం వలన అది కరిగిపోతుందని, లోపలి లోహాన్ని తుప్పుకు గురిచేస్తుందని ఈ చర్య ప్రదర్శిస్తుంది. అదేవిధంగా, చాలా బలమైన ఆమ్లాలు కూడా పొరను కరిగించగలవు.
-
సంక్షిప్తంగా, అల్యూమినియం యొక్క అధిక చర్యాశీలత స్థిరమైన, అభేద్యమైన మరియు స్వయం-గుణమయ్యే నిష్క్రియ ఆక్సైడ్ పొర (Al₂O₃) యొక్క వేగవంతమైన నిర్మాణం ద్వారా కప్పబడి ఉంటుంది. ఈ పొర మరింత రసాయన దాడిని నిరోధిస్తుంది, చాలా పర్యావరణ పరిస్థితులలో అల్యూమినియం తుప్పుకు అత్యంత నిరోధకతను కలిగి ఉంటుంది. ఈ ఆక్సైడ్ పొర యొక్క ఉభయధర్మి స్వభావం ఆమ్ల మరియు క్షార మాధ్యమాలలో దాని ప్రవర్తనను నిర్దేశిస్తుంది.