హీలియం (He) రసాయనశాస్త్రం - అభ్యాస ప్రశ్నలు

బహుళైచ్ఛిక ప్రశ్నలు (MCQs)

1. కింది ఉత్కృష్ట వాయువులలో అత్యల్ప మరిగే స్థానం కలిగింది ఏది?

A) Neon B) Argon C) Helium D) Krypton

పరిష్కారం: C) హీలియం

వివరణ: అన్ని ఉత్కృష్ట వాయువులలో హీలియం అతి చిన్న పరమాణు పరిమాణాన్ని మరియు అతి తక్కువ పరమాణు ద్రవ్యరాశిని కలిగి ఉంటుంది. దీని ఫలితంగా, హీలియం పరమాణువుల మధ్య లండన్ డిస్పర్షన్ బలాలు (ఒక రకమైన వాన్ డెర్ వాల్స్ బలం) చాలా బలహీనంగా ఉంటాయి. ఈ చాలా బలహీనమైన అంతర-అణు బలాలను అధిగమించడానికి తక్కువ శక్తి అవసరం, దీనివల్ల తెలిసిన ఏ పదార్థానికైనా హీలియం అత్యల్ప మరిగే స్థానాన్ని (సుమారు 4.2 K లేదా -269 °C) కలిగి ఉంటుంది.

2. బెలూన్‌లను నింపడానికి హైడ్రోజన్ కంటే హీలియంకు ప్రాధాన్యత ఇవ్వబడుతుంది ఎందుకంటే:

A) Helium is lighter than hydrogen. B) Helium has a higher lifting power. C) Helium is non-combustible. D) Helium is cheaper than hydrogen.

పరిష్కారం: C) హీలియం దహనకారి కానిది.

వివరణ: హైడ్రోజన్ (H₂) హీలియం (He) కంటే తేలికైనది మరియు కొద్దిగా ఎక్కువ ఎత్తే శక్తిని అందిస్తుంది, అయితే దాని అత్యంత దహనశీలత, లీకేజీ సంభవించే బెలూన్‌లు, ఎయిర్‌షిప్‌లు మరియు ఇతర అనువర్తనాలలో దీనిని ఉపయోగించడం చాలా ప్రమాదకరంగా చేస్తుంది. హీలియం, ఒక జడ ఉత్కృష్ట వాయువు కావడంతో, మండదు మరియు రసాయనికంగా నిష్క్రియంగా ఉంటుంది, ఇది కొద్దిగా బరువుగా మరియు సాధారణంగా ఖరీదైనది అయినప్పటికీ, చాలా సురక్షితమైన ప్రత్యామ్నాయాన్ని అందిస్తుంది.

3. హీలియం యొక్క అసాధారణ జడత్వం ప్రధానంగా దీనికి ఆపాదించబడింది:

A) Small atomic size. B) High ionization enthalpy. C) Completely filled valence shell. D) All of the above.

పరిష్కారం: D) పైవన్నీ.

వివరణ: హీలియం యొక్క జడత్వం అనేక కారకాల సంచిత ప్రభావం:

• పూర్తిగా నిండిన వేలెన్సీ షెల్ (1s²): ఈ స్థిరమైన డూప్లెట్ కాన్ఫిగరేషన్ దీనిని ఎలక్ట్రానిక్‌గా సంతృప్తిపరుస్తుంది, ఎలక్ట్రాన్‌లను పొందడం, కోల్పోవడం లేదా పంచుకోవడం వంటి ధోరణి అవసరం లేదు.
• అధిక అయనీకరణ ఎంతల్పీ: దాని చిన్న పరిమాణం మరియు స్థిరమైన ఎలక్ట్రాన్ కాన్ఫిగరేషన్ కారణంగా, హీలియం పరమాణువు నుండి ఎలక్ట్రాన్‌ను తొలగించడానికి గణనీయమైన మొత్తంలో శక్తి అవసరం.
• ఆచరణాత్మకంగా సున్నా ఎలక్ట్రాన్ గ్రహణ ఎంతల్పీ: హీలియం అదనపు ఎలక్ట్రాన్‌ను అంగీకరించే ధోరణిని కలిగి ఉండదు.
• చిన్న పరమాణు పరిమాణం: ఇది దాని అధిక అయనీకరణ ఎంతల్పీకి మరియు దాని ఎలక్ట్రాన్ మేఘం యొక్క కాంపాక్ట్, స్థిరమైన స్వభావానికి దోహదపడుతుంది.

నిరూపణ-కారణ ప్రశ్నలు

1.

నిరూపణ (A): హీలియం ఒక ఏక పరమాణు వాయువు. కారణం (R): హీలియం పూర్తిగా నిండిన వేలెన్సీ ఎలక్ట్రాన్ షెల్‌ను కలిగి ఉంది, ఇది రసాయనికంగా నిష్క్రియంగా చేస్తుంది. A) A మరియు R రెండూ నిజం, మరియు R అనేది Aకి సరైన వివరణ. B) A మరియు R రెండూ నిజం, కానీ R అనేది Aకి సరైన వివరణ కాదు. C) A నిజం, కానీ R తప్పు. D) A తప్పు, కానీ R నిజం. E) A మరియు R రెండూ తప్పు.

పరిష్కారం: A) A మరియు R రెండూ నిజం, మరియు R అనేది Aకి సరైన వివరణ.

వివరణ: హీలియం వ్యక్తిగత పరమాణువులుగా (ఏక పరమాణు) ఉంటుంది ఎందుకంటే దాని పూర్తిగా నిండిన 1s² వేలెన్సీ ఎలక్ట్రాన్ షెల్ అసాధారణమైన ఎలక్ట్రానిక్ స్థిరత్వాన్ని అందిస్తుంది. ఈ స్థిరత్వం అంటే హీలియం పరమాణువులు స్థిరమైన కాన్ఫిగరేషన్‌ను సాధించడానికి ఇతర పరమాణువులతో సంయోజక బంధాలను ఏర్పరచుకునే ధోరణిని కలిగి ఉండవు. కారణంలో పేర్కొన్న రసాయనిక నిష్క్రియత్వం ఖచ్చితంగా అది ఏక పరమాణువుగా ఉండటానికి కారణం.

2.

నిరూపణ (A): హీలియం మరియు ఆక్సిజన్ మిశ్రమాన్ని లోతైన సముద్రపు డైవర్లు ఉపయోగిస్తారు. కారణం (R): హీలియం నైట్రోజన్ కంటే రక్తంలో ఎక్కువగా కరుగుతుంది. A) A మరియు R రెండూ నిజం, మరియు R అనేది Aకి సరైన వివరణ. B) A మరియు R రెండూ నిజం, కానీ R అనేది Aకి సరైన వివరణ కాదు. C) A నిజం, కానీ R తప్పు. D) A తప్పు, కానీ R నిజం. E) A మరియు R రెండూ తప్పు.

పరిష్కారం: C) A నిజం, కానీ R తప్పు.

వివరణ: లోతైన సముద్రపు డైవర్లు “బెండ్స్” (డీకంప్రెషన్ సిక్‌నెస్) ని నివారించడానికి హీలియం మరియు ఆక్సిజన్ మిశ్రమాన్ని (తరచుగా తక్కువ మొత్తంలో నైట్రోజన్‌తో) ఉపయోగిస్తారు. నీటి అడుగున అధిక పీడనాల వద్ద, సాధారణ గాలి నుండి నైట్రోజన్ రక్తం మరియు శరీర కణజాలాలలో గణనీయంగా కరుగుతుంది. వేగంగా పైకి వచ్చినప్పుడు, పీడనం తగ్గడం వల్ల కరిగిన నైట్రోజన్ బుడగలుగా ద్రావణం నుండి బయటకు వస్తుంది, ఇది నొప్పి, కణజాల నష్టం మరియు ప్రాణాంతక పరిస్థితులకు దారితీస్తుంది. హీలియం నైట్రోజన్ కంటే రక్తంలో గణనీయంగా తక్కువ కరుగుతుంది కాబట్టి, డీకంప్రెషన్ సమయంలో బుడగలు ఏర్పడటాన్ని తగ్గిస్తుంది. కాబట్టి, నిరూపణ (A) నిజం, కానీ కారణం (R) తప్పు.

చిన్న జవాబు ప్రశ్నలు

1. హీలియం రసాయన బంధాలను ఏర్పరచుకోవడానికి చాలా తక్కువ ధోరణిని కలిగి ఉంటుంది అని వివరించండి.

మాదిరి జవాబు: హీలియం 1s² అనే ఎలక్ట్రానిక్ కాన్ఫిగరేషన్‌ను కలిగి ఉంటుంది. ఇది పూర్తిగా నిండిన వేలెన్సీ ఎలక్ట్రాన్ షెల్ (స్థిరమైన డూప్లెట్) ను సూచిస్తుంది. అష్టక నియమం (లేదా మొదటి పీరియడ్ కోసం డూప్లెట్ నియమం) ప్రకారం, పరమాణువులు అటువంటి స్థిరమైన కాన్ఫిగరేషన్‌ను సాధించడానికి ప్రయత్నిస్తాయి. హీలియం ఇప్పటికే ఈ అసాధారణంగా స్థిరమైన ఎలక్ట్రాన్ అమరికను కలిగి ఉన్నందున, ఇది:

1. చాలా అధిక అయనీకరణ ఎంతల్పీని: ఎలక్ట్రాన్‌ను తొలగించడానికి పెద్ద మొత్తంలో శక్తి అవసరం.
2. ఆచరణాత్మకంగా సున్నా ఎలక్ట్రాన్ గ్రహణ ఎంతల్పీని: అదనపు ఎలక్ట్రాన్‌ను అంగీకరించే ధోరణి ఉండదు.
3. ఎలక్ట్రాన్‌లను చేర్చుకోవడానికి లేదా బంధంలో పాల్గొనడానికి తగిన శక్తి కలిగిన ఖాళీ ఆర్బిటాళ్లు లేవు. దీని ఫలితంగా, హీలియం పరమాణువులకు ఎలక్ట్రాన్‌లను పొందడం, కోల్పోవడం లేదా పంచుకోవడం వంటి అవసరం లేదు, ఇవి రసాయన బంధం ఏర్పడటానికి ప్రాథమిక విధానాలు. ఈ అంతర్గత ఎలక్ట్రానిక్ స్థిరత్వం హీలియంను రసాయనికంగా నిష్క్రియంగా చేస్తుంది మరియు సాధారణ పరిస్థితులలో రసాయన బంధాలను ఏర్పరచడానికి చాలా తక్కువ ధోరణిని ఇస్తుంది.

2. హీలియం యొక్క రెండు ముఖ్యమైన ఉపయోగాలు మరియు వాటికి శాస్త్రీయ కారణాన్ని పేర్కొనండి.

మాదిరి జవాబు:

1. క్రయోజెనిక్ ఏజెంట్: ద్రవ హీలియం ఏ మూలకానికైనా అత్యల్ప మరిగే స్థానాన్ని (4.2 K లేదా -269 °C) కలిగి ఉంటుంది. ఈ ధర్మం, ఇది అత్యంత తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలను సాధించడానికి మరియు నిర్వహించడానికి ఒక అనివార్యమైన క్రయోజెనిక్ ఏజెంట్‌గా చేస్తుంది.
   • కారణం: దాని అసాధారణంగా తక్కువ మరిగే స్థానం, మాగ్నెటిక్ రెసొనెన్స్ ఇమేజింగ్ (MRI) స్కానర్‌లు, న్యూక్లియర్ మాగ్నెటిక్ రెసొనెన్స్ (NMR) స్పెక్ట్రోమీటర్లు మరియు పార్టికల్ యాక్సిలరేటర్‌లలో ఉపయోగించే సూపర్ కండక్టింగ్ అయస్కాంతాలను చల్లబరచడానికి ఇది ఆదర్శంగా ఉంటుంది, ఇక్కడ సూపర్ కండక్టివిటీని సాధించడానికి సంపూర్ణ సున్నాకి దగ్గరగా ఉష్ణోగ్రతలు అవసరం.
2. బెలూన్‌లు మరియు ఎయిర్‌షిప్‌లను నింపడం: హీలియం హైడ్రోజన్ తర్వాత రెండవ అతి తేలికైన వాయువు మరియు మండనిది.
   • కారణం: దాని జడత్వం (దహనకారి కానిది) వాతావరణ బెలూన్‌లు, వాతావరణ శాస్త్ర బెలూన్‌లు మరియు ఎయిర్‌షిప్‌ల వంటి ఎత్తే అనువర్తనాల కోసం హైడ్రోజన్ కంటే చాలా సురక్షితమైనదిగా చేస్తుంది. హైడ్రోజన్ తేలికైనది అయినప్పటికీ, దాని తీవ్రమైన దహనశీలత తీవ్రమైన భద్రతా ప్రమాదాలను కలిగిస్తుంది (హిండెన్‌బర్గ్ విపత్తు విషాదకరంగా చూపినట్లు), దీనివల్ల అధిక ధర మరియు కొద్దిగా ఎక్కువ సాంద్రత ఉన్నప్పటికీ, నిష్క్రియ హీలియంకు ప్రాధాన్యత ఇవ్వబడుతుంది.

ఉన్నత స్థాయి ఆలోచనా నైపుణ్యాల (HOTS) ప్రశ్న

గణనీయంగా తేలికైనది మరియు ఉత్పత్తి చేయడానికి చౌకైనది అయినప్పటికీ, హైడ్రోజన్ వాయువు ఈ రోజుల్లో వాతావరణ బెలూన్‌లు లేదా ఎయిర్‌షిప్‌లను నింపడానికి చాలా అరుదుగా ఉపయోగించబడుతుంది, అయితే హీలియం ప్రధానంగా ఉపయోగించబడుతుంది. ఈ ప్రాధాన్యతకు వివరణాత్మక రసాయన వివరణను అందించండి.

వివరణాత్మక రసాయన వివరణ:

వాతావరణ బెలూన్‌లు మరియు ఎయిర్‌షిప్‌ల వంటి ఎత్తే అనువర్తనాలలో హైడ్రోజన్ కంటే హీలియంకు అధిక ప్రాధాన్యత ఇవ్వడానికి ప్రధాన కారణం, హైడ్రోజన్ తక్కువ ద్రవ్యరాశి మరియు తక్కువ ఉత్పత్తి వ్యయం ఉన్నప్పటికీ, వాటి ప్రాథమిక రసాయన ధర్మాలు, ప్రత్యేకంగా వాటి చర్యశీలత మరియు దహనశీలత.

1. దహనశీలత మరియు చర్యశీలత:

   • హైడ్రోజన్ (H₂): హైడ్రోజన్ అత్యంత దహనశీల వాయువు. ఇది గాలిలో ఆక్సిజన్‌తో మంట అంటుకున్నప్పుడు తీవ్రంగా మరియు ఉష్ణమోచకంగా చర్య జరుపుతుంది, నీటి ఆవిరిని ఏర్పరుస్తుంది: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) + Energy (Heat and Light) ఈ చర్య పేలుడు అగ్నిప్రమాదాలకు దారితీస్తుంది, ఇది తీవ్రమైన భద్రతా ప్రమాదాన్ని కలిగిస్తుంది. 1937లో జరిగిన అప్రసిద్ధ హిండెన్‌బర్గ్ ఎయిర్‌షిప్ విపత్తు, దాని ఖచ్చితమైన కారణం చర్చనీయాంశమైనప్పటికీ, పెద్ద-పరిమాణ వైమానిక వాహనాలలో దహనశీల హైడ్రోజన్‌ను ఉపయోగించడం వల్ల కలిగే వినాశకరమైన పరిణామాలను నాటకీయంగా వివరించింది.
   • హీలియం (He): హీలియం ఒక ఉత్కృష్ట వాయువు, ఆవర్తన పట్టికలోని 18వ గ్రూపుకు చెందినది. దాని ఎలక్ట్రానిక్ కాన్ఫిగరేషన్ (1s²) పూర్తిగా నిండిన వేలెన్సీ షెల్ (డూప్లెట్), ఇది దీనిని అసాధారణంగా స్థిరంగా మరియు రసాయనికంగా జడంగా చేస్తుంది. హీలియం సాధారణ పరిస్థితులలో ఆక్సిజన్, నైట్రోజన్ లేదా మరే ఇతర వాతావరణ భాగంతో చర్య జరపదు. ఇది దహనకారి కానిది మరియు మండనిది.

2. భద్రతా పరిశీలనలు:

   • పెద్ద మొత్తంలో వాయువు నిల్వ చేయబడిన మరియు లీకేజీ లేదా చీలిక ప్రమాదం ఉన్న అనువర్తనాలలో (ఉదాహరణకు, మెరుపు తాకిన బెలూన్, ల్యాండింగ్ సమయంలో దెబ్బతిన్నది లేదా కాలక్రమేణా లీక్ అవుతుంది), హైడ్రోజన్ దహనశీలత ప్రాణాలకు మరియు ఆస్తికి ఆమోదయోగ్యం కాని ప్రమాదాన్ని కలిగిస్తుంది. ఏదైనా స్పార్క్ లేదా స్థిర విద్యుత్ ఉత్సర్గ హైడ్రోజన్‌ను మండించి, వేగవంతమైన మరియు వినాశకరమైన అగ్నిప్రమాదం లేదా పేలుడుకు దారితీయవచ్చు.
   • హీలియం యొక్క జడత్వం, మరోవైపు, భద్రతకు హామీ ఇస్తుంది. హీలియం నింపిన బెలూన్ చీలిపోయినా లేదా లీక్ అయినా, దహనం లేదా పేలుడు ప్రమాదం ఉండదు, ఇది మానవ పరస్పర చర్య లేదా జనాభా ఉన్న ప్రాంతాలకు దగ్గరగా ఉన్న కార్యకలాపాలకు చాలా సురక్షితమైన ఎంపికగా చేస్తుంది.

3. ఎత్తే శక్తి వర్సెస్ ప్రమాదం:

   • హైడ్రోజన్ (మోలార్ ద్రవ్యరాశి ≈ 2 g/mol) హీలియం (మోలార్ ద్రవ్యరాశి ≈ 4 g/mol) కంటే తేలికైనది మరియు అందువల్ల ప్రతి యూనిట్ పరిమాణానికి సుమారు 8% ఎక్కువ ఎత్తే శక్తిని అందిస్తుంది, అయితే ఎత్తడంలో ఈ స్వల్ప పెరుగుదల దాని దహనశీలతతో ముడిపడి ఉన్న తీవ్రమైన భద్రతా ప్రమాదాల ద్వారా పూర్తిగా కప్పబడి ఉంటుంది. హీలియం యొక్క రసాయన స్థిరత్వం మరియు మండని స్వభావం చాలా ముఖ్యమైన భద్రతా ప్రయోజనాలు, ఇది అధిక ఖర్చు మరియు హైడ్రోజన్‌తో పోలిస్తే కొద్దిగా తగ్గిన ఎత్తే సామర్థ్యం ఉన్నప్పటికీ, దీనిని ప్రాధాన్య ఎంపికగా చేస్తుంది.

సారాంశంలో, హీలియం యొక్క రసాయన జడత్వం, దాని స్థిరమైన ఎలక్ట్రానిక్ కాన్ఫిగరేషన్ నుండి ఉత్పన్నమవుతుంది, ఇది హైడ్రోజన్ యొక్క ఆర్థిక మరియు సాంద్రత ప్రయోజనాలను అధిగమించే నిర్ణయాత్మక అంశం, ఇది సురక్షితమైన ఏరోస్టాటిక్ అనువర్తనాలకు హీలియంను ప్రామాణికంగా చేస్తుంది.