హైడ్రోజన్ రసాయన శాస్త్రం: అభ్యాస ప్రశ్నలు

బహుళైచ్ఛిక ప్రశ్నలు (MCQs)

ప్రశ్న 1

హైడ్రోజన్ ఐసోటోప్‌లకు సంబంధించి కింది ప్రకటనలలో ఏది తప్పు?

A) ప్రోటియం హైడ్రోజన్ యొక్క అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే ఐసోటోప్. B) డ్యూటెరియంను భారీ హైడ్రోజన్ అని కూడా అంటారు. C) ట్రిటియం రేడియోధార్మికతను కలిగి ఉంటుంది మరియు బీటా కణాలను విడుదల చేస్తుంది. D) హైడ్రోజన్ యొక్క అన్ని ఐసోటోప్‌లు ఒకే సంఖ్యలో న్యూట్రాన్‌లను కలిగి ఉంటాయి.

పరిష్కారం:

సరైన సమాధానం D).

వివరణ:

• ప్రోటియం ($\text\{^1H\}$ లేదా $\text\{H\}$): 1 ప్రోటాన్ మరియు 0 న్యూట్రాన్‌లను కలిగి ఉంటుంది. ఇది అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే ఐసోటోప్ (సుమారు 99.98%).
• డ్యూటెరియం ($\text\{^2H\}$ లేదా $\text\{D\}$): 1 ప్రోటాన్ మరియు 1 న్యూట్రాన్‌ను కలిగి ఉంటుంది. దీనిని భారీ హైడ్రోజన్ అని పిలుస్తారు.
• ట్రిటియం ($\text\{^3H\}$ లేదా $\text\{T\}$): 1 ప్రోటాన్ మరియు 2 న్యూట్రాన్‌లను కలిగి ఉంటుంది. ఇది 12.33 సంవత్సరాల అర్ధ-జీవితంతో రేడియోధార్మికతను కలిగి ఉంటుంది మరియు తక్కువ శక్తి గల బీటా కణాలను విడుదల చేస్తుంది.

ప్రోటియంలో 0 న్యూట్రాన్‌లు, డ్యూటెరియంలో 1 న్యూట్రాన్ మరియు ట్రిటియంలో 2 న్యూట్రాన్‌లు ఉన్నందున, అవి ఒకే సంఖ్యలో న్యూట్రాన్‌లను కలిగి ఉండవు.

ప్రశ్న 2

కింది సమ్మేళనాలలో ఏది అంతరాల హైడ్రైడ్ (interstitial hydride)?

A) $\text\{NaH\}$ B) $\text\{CH\}_4$ C) $\text\{TiH\}_\{1.7\}$ D) $\text\{HCl\}$

పరిష్కారం:

సరైన సమాధానం C).

వివరణ:

• అంతరాల హైడ్రైడ్‌లు (మెటాలిక్ హైడ్రైడ్‌లు అని కూడా అంటారు) అనేక d-బ్లాక్ మరియు f-బ్లాక్ మూలకాల ద్వారా ఏర్పడతాయి. ఈ హైడ్రైడ్‌లలో, హైడ్రోజన్ లోహ జాలకంలో అంతరాల స్థానాలను ఆక్రమిస్తుంది. అవి సాధారణంగా నాన్-స్టాయికియోమెట్రిక్ (ఉదా., $\text\{TiH\}_\{1.5-1.8\}$, $\text\{LaH\}_\{2.87\}$). $\text\{TiH\}_\{1.7\}$ ఒక అంతరాల హైడ్రైడ్‌కు ఉదాహరణ.
• $\text\{NaH\}$ అత్యంత ఎలక్ట్రోపోజిటివ్ s-బ్లాక్ మూలకాలచే ఏర్పడిన సెలైన్ (అయానిక) హైడ్రైడ్‌కు ఒక ఉదాహరణ.
• $\text\{CH\}_4$ p-బ్లాక్ మూలకాలచే ఏర్పడిన సమయోజనీయ (మాలిక్యులర్) హైడ్రైడ్‌కు ఒక ఉదాహరణ.
• $\text\{HCl\}$ కూడా ఒక సమయోజనీయ (మాలిక్యులర్) హైడ్రైడ్.

ప్రశ్న 3

డైహైడ్రోజన్ పారిశ్రామిక తయారీలో, వాటర్-గ్యాస్ షిఫ్ట్ ప్రతిచర్య తరచుగా ఉపయోగించబడుతుంది. ఈ ప్రతిచర్యలో ఆవిరి పాత్రను కింది ప్రకటనలలో ఏది సరిగ్గా వివరిస్తుంది?

$\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \xrightarrow\{\text\{Catalyst, High temp.\}\} \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

A) ఆవిరి రెడ్యూసింగ్ ఏజెంట్‌గా పనిచేస్తుంది, $\text\{CO\}$ను $\text\{CO\}_2$గా మారుస్తుంది. B) ఆవిరి ఆక్సీకరణ ఏజెంట్‌గా పనిచేస్తుంది, $\text\{CO\}$ను $\text\{CO\}_2$గా మారుస్తుంది. C) ఆవిరి ఉత్ప్రేరకంగా పనిచేస్తుంది, ప్రతిచర్యను వేగవంతం చేస్తుంది. D) ఆవిరి $\text\{H\}_2$ ఏర్పడటానికి హైడ్రోజన్ అణువులను అందిస్తుంది.

పరిష్కారం:

సరైన సమాధానం B).

వివరణ:

వాటర్-గ్యాస్ షిఫ్ట్ ప్రతిచర్యలో: $\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \rightarrow \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

• $\text\{CO\}$లో కార్బన్ ఆక్సీకరణ స్థితి +2, మరియు $\text\{CO\}_2$లో అది +4. కార్బన్ ఆక్సీకరణం చెందింది.
• $\text\{H\}_2\text\{O\}$లో హైడ్రోజన్ ఆక్సీకరణ స్థితి +1, మరియు $\text\{H\}_2$లో అది 0. హైడ్రోజన్ క్షయకరణం చెందింది.
• అందువల్ల, $\text\{CO\}$ రెడ్యూసింగ్ ఏజెంట్‌గా పనిచేస్తుంది, మరియు $\text\{H\}_2\text\{O\}$ (ఆవిరి) ఎలక్ట్రాన్‌లను స్వీకరించడం ద్వారా ఆక్సీకరణ ఏజెంట్‌గా పనిచేస్తుంది (దాని హైడ్రోజన్ అణువులు +1 నుండి 0కి క్షయకరణం చెందుతాయి).

వాదన-కారణం ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 1

వాదన (A): హైడ్రోజన్ ఆల్కలీ లోహాలు మరియు హాలోజెన్‌లు రెండింటికీ సారూప్య లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తుంది. కారణం (R): హైడ్రోజన్ దాని బాహ్య కర్పరంలో ఒకే ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ను కలిగి ఉంటుంది మరియు ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ను కోల్పోయి $\text\{H\}^+$ను ఏర్పరచవచ్చు లేదా ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ను పొంది $\text\{H\}^-$ను ఏర్పరచవచ్చు.

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:

సరైన సమాధానం A).

వివరణ:

• వాదన (A) నిజం. హైడ్రోజన్ $1s^1$ ఎలక్ట్రానిక్ కాన్ఫిగరేషన్‌ను కలిగి ఉంటుంది.
  • ఆల్కలీ లోహాల వలె (గ్రూప్ 1, $ns^1$), అది దాని వేలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్‌ను కోల్పోయి యూనిపాజిటివ్ అయాన్‌ను ($\text\{H\}^+$) ఏర్పరచగలదు, అయినప్పటికీ ఇది ఘనీభవించిన దశలలో చాలా అరుదు.
  • హాలోజెన్‌ల వలె (గ్రూప్ 17, $ns^2np^5$), అది ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ను పొంది స్థిరమైన డూప్లెట్ కాన్ఫిగరేషన్‌ను ($1s^2$) సాధించి యూనినెగటివ్ అయాన్‌ను ($\text\{H\}^-$) ఏర్పరచగలదు.
• కారణం (R) నిజం మరియు వాదనను సరిగ్గా వివరిస్తుంది. దాని $1s^1$ కాన్ఫిగరేషన్ కారణంగా ఎలక్ట్రాన్‌ను కోల్పోయే మరియు పొందే సామర్థ్యం హైడ్రోజన్ ఆల్కలీ లోహాలు మరియు హాలోజెన్‌లు రెండింటికీ ద్వంద్వ పోలికను చూపడానికి ఖచ్చితమైన కారణం.

ప్రశ్న 2

వాదన (A): డైహైడ్రోజన్ గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద తక్కువ చురుకుగా ఉంటుంది. కారణం (R): $\text\{H\}-\text\{H\}$ బంధ విచ్ఛేదన ఎన్థాల్పీ చాలా ఎక్కువ.

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:

సరైన సమాధానం A).

వివరణ:

• వాదన (A) నిజం. డైహైడ్రోజన్ ($\text\{H\}_2$) గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద సాపేక్షంగా జడంగా ఉంటుంది. ఇది సాధారణంగా అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద లేదా ఉత్ప్రేరకాల సమక్షంలో ప్రతిచర్య చేస్తుంది.
• కారణం (R) నిజం. $\text\{H\}_2$ అణువులోని $\text\{H\}-\text\{H\}$ బంధం చాలా బలంగా ఉంటుంది, దీని బంధ విచ్ఛేదన ఎన్థాల్పీ 435.88 kJ/mol. ఈ అధిక బంధ విచ్ఛేదన ఎన్థాల్పీ అంటే $\text\{H\}-\text\{H\}$ బంధాన్ని విచ్ఛిన్నం చేయడానికి గణనీయమైన మొత్తంలో శక్తి అవసరం, ఇది డైహైడ్రోజన్ యొక్క చాలా ప్రతిచర్యలకు ప్రారంభ దశ.
• అధిక బంధ విచ్ఛేదన ఎన్థాల్పీ గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద డైహైడ్రోజన్ తక్కువ చురుకుగా ఉండటానికి కారణాన్ని నేరుగా వివరిస్తుంది, ఎందుకంటే బలమైన బంధాన్ని విచ్ఛిన్నం చేయడానికి తగినంత శక్తి అందుబాటులో ఉండదు. అందువల్ల, కారణం (R) అనేది వాదన (A)కి సరైన వివరణ.

చిన్న సమాధాన ప్రశ్నలు

ప్రశ్న 1

‘ఆర్థో’ మరియు ‘పారా’ హైడ్రోజన్ పదాలను వివరించండి. అవి లక్షణాలలో ఎలా విభిన్నంగా ఉంటాయి?

ఆదర్శ సమాధానం:

డైహైడ్రోజన్ ($\text\{H\}_2$) రెండు హైడ్రోజన్ అణువుల కేంద్రకాల సాపేక్ష స్పిన్ ఆధారంగా రెండు రూపాలలో ఉంటుంది:

1. ఆర్థో హైడ్రోజన్: ఈ రూపంలో, రెండు హైడ్రోజన్ కేంద్రకాల (ప్రోటాన్‌లు) స్పిన్‌లు ఒకే దిశలో (సమాంతర స్పిన్‌లు) ఉంటాయి.
2. పారా హైడ్రోజన్: ఈ రూపంలో, రెండు హైడ్రోజన్ కేంద్రకాల (ప్రోటాన్‌లు) స్పిన్‌లు వ్యతిరేక దిశలో (వ్యతిరేక-సమాంతర స్పిన్‌లు) ఉంటాయి.

లక్షణాలలో తేడాలు:

• శక్తి: పారా హైడ్రోజన్ తక్కువ శక్తిని కలిగి ఉంటుంది మరియు ఆర్థో హైడ్రోజన్ కంటే స్థిరంగా ఉంటుంది.
• నిర్దిష్ట ఉష్ణం: ఆర్థో హైడ్రోజన్ పారా హైడ్రోజన్ కంటే అధిక నిర్దిష్ట ఉష్ణ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది.
• ఉష్ణ వాహకత: ఆర్థో హైడ్రోజన్ పారా హైడ్రోజన్ కంటే అధిక ఉష్ణ వాహకతను కలిగి ఉంటుంది.
• అయస్కాంత లక్షణాలు: ఆర్థో హైడ్రోజన్ నికర అణు అయస్కాంత క్షణాన్ని కలిగి ఉంటుంది, అయితే పారా హైడ్రోజన్ సున్నా నికర అణు అయస్కాంత క్షణాన్ని కలిగి ఉంటుంది.
• సమతౌల్యం: గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద (25°C), సమతౌల్య మిశ్రమం సుమారు 75% ఆర్థో హైడ్రోజన్ మరియు 25% పారా హైడ్రోజన్‌ను కలిగి ఉంటుంది. ఉష్ణోగ్రత తగ్గేకొద్దీ, పారా హైడ్రోజన్ శాతం పెరుగుతుంది, సంపూర్ణ సున్నా వద్ద దాదాపు 100%కి చేరుకుంటుంది. రెండు రూపాల మధ్య మార్పిడి నెమ్మదిగా ఉంటుంది, కానీ యాక్టివేటెడ్ చార్‌కోల్, పరమాణు హైడ్రోజన్ లేదా పారామాగ్నెటిక్ పదార్థాల ద్వారా ఉత్ప్రేరణ చేయబడుతుంది.

ప్రశ్న 2

వాటర్-గ్యాస్ షిఫ్ట్ ప్రతిచర్యను వివరించండి, ఉపయోగించిన ఉత్ప్రేరకం మరియు హైడ్రోజన్ ఉత్పత్తిలో దాని ప్రాముఖ్యతతో సహా.

ఆదర్శ సమాధానం:

వాటర్-గ్యాస్ షిఫ్ట్ ప్రతిచర్య అనేది కార్బన్ మోనాక్సైడ్ ($\text\{CO\}$) మరియు ఆవిరి ($\text\{H\}_2\text\{O\}$) నుండి అదనపు డైహైడ్రోజన్ ($\text\{H\}_2$)ను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగించే రసాయన ప్రతిచర్య. ఇది కింది సమతౌల్యం ద్వారా సూచించబడుతుంది:

$\text\{CO(g)\} + \text\{H\}_2\text\{O(g)\} \rightleftharpoons \text\{CO\}_2\text\{(g)\} + \text\{H\}_2\text\{(g)\}$

ప్రక్రియ మరియు ఉత్ప్రేరకం: హైడ్రోకార్బన్‌ల ఆవిరి సంస్కరణం నుండి లేదా బొగ్గు వాయువికరణం నుండి ($\text\{CO\}$ మరియు $\text\{H\}_2$ మిశ్రమం అయిన