నైట్రోజన్ (N) రసాయనశాస్త్ర అభ్యాస ప్రశ్నలు

బహుళైచ్ఛిక ప్రశ్నలు (MCQs)

1. కింది వాటిలో ఏ వాక్యం గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద డైనైట్రోజన్ (N$_2$) యొక్క జడత్వాన్ని ఉత్తమంగా వివరిస్తుంది?

A) నైట్రోజన్ చిన్న పరమాణు పరిమాణాన్ని కలిగి ఉంటుంది. B) నైట్రోజన్ అధిక ఎలక్ట్రోనెగటివిటీని కలిగి ఉంటుంది. C) N$_2$ లోని N≡N బంధం చాలా అధిక బంధ విచ్ఛేదక ఎంథాల్పీని కలిగి ఉంటుంది. D) నైట్రోజన్ ఒక అలోహం.

Solution: C Explanation: డైనైట్రోజన్ (N$_2$) ట్రిపుల్ బంధాన్ని (N≡N) కలిగి ఉంటుంది, ఇది చాలా బలమైనది. N≡N బంధం కోసం బంధ విచ్ఛేదక ఎంథాల్పీ సుమారుగా 946 kJ/mol, ఇది ఒక డయాటమిక్ అణువుకు తెలిసిన వాటిలో అత్యధికమైనది. ఈ బంధాన్ని విచ్ఛేదనం చేయడానికి అవసరమైన ఈ అధిక శక్తి, గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద N$_2$ ను రసాయనికంగా జడంగా మరియు నిష్క్రియంగా చేస్తుంది.

2. అమ్మోనియం నైట్రేట్ (NH$_4$NO$_3$) లో నైట్రోజన్ యొక్క ఆక్సీకరణ స్థితి ఎంత?

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

Solution: A Explanation: అమ్మోనియం నైట్రేట్ అనేది అమ్మోనియం అయాన్ (NH_4$$^+) మరియు నైట్రేట్ అయాన్ (NO_3$$^-) తో కూడిన ఒక అయానిక సమ్మేళనం. NH_4$$^+ లో: N యొక్క ఆక్సీకరణ స్థితి ‘x’ అనుకుందాం. x + 4(+1) = +1 => x + 4 = +1 => x = -3. NO_3$$^- లో: N యొక్క ఆక్సీకరణ స్థితి ‘y’ అనుకుందాం. y + 3(-2) = -1 => y - 6 = -1 => y = +5. కాబట్టి, NH$_4$NO$_3$ లో నైట్రోజన్ రెండు వేర్వేరు ఆక్సీకరణ స్థితులను చూపుతుంది: అమ్మోనియం అయాన్‌లో -3 మరియు నైట్రేట్ అయాన్‌లో +5.

3. అమ్మోనియా తయారీకి హేబర్ ప్రక్రియకు సరైన పరిస్థితుల సమితి కింది వాటిలో ఏది?

A) అధిక ఉష్ణోగ్రత, తక్కువ పీడనం, ఉత్ప్రేరకం ఉనికి. B) తక్కువ ఉష్ణోగ్రత, అధిక పీడనం, ఉత్ప్రేరకం లేకపోవడం. C) అధిక ఉష్ణోగ్రత, అధిక పీడనం, ఉత్ప్రేరకం ఉనికి. D) తక్కువ ఉష్ణోగ్రత, తక్కువ పీడనం, ఉత్ప్రేరకం ఉనికి.

Solution: C Explanation: హేబర్ ప్రక్రియ (N$_2$(g) + 3H$_2$(g) ⇌ 2NH$_3$(g), ΔH = -92.4 kJ/mol) అనేది ఎక్సోథర్మిక్ చర్య, ఇది మోల్స్ సంఖ్యలో తగ్గుదలను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. లీ చాటెలియర్ సూత్రం ప్రకారం:

• ఉష్ణోగ్రత: చర్య ఎక్సోథర్మిక్ కాబట్టి, తక్కువ ఉష్ణోగ్రత అమ్మోనియా ఏర్పడటానికి అనుకూలంగా ఉంటుంది. అయితే, ఆర్థికంగా లాభదాయకమైన చర్య రేటును సాధించడానికి, 673-773 K (400-500 °C) ఉష్ణోగ్రత రాజీగా ఉపయోగించబడుతుంది.
• పీడనం: ఈ చర్య మోల్స్ సంఖ్యలో తగ్గుదలను కలిగి ఉంటుంది (4 మోల్స్ రియాక్టెంట్‌ల నుండి 2 మోల్స్ ఉత్పత్తికి). అందువల్ల, అధిక పీడనం అమ్మోనియా ఏర్పడటానికి అనుకూలంగా ఉంటుంది. సాధారణంగా, 200-300 atm పీడనం ఉపయోగించబడుతుంది.
• ఉత్ప్రేరకం: చర్య రేటును పెంచడానికి ఇనుము ఉత్ప్రేరకం (తరచుగా మాలిబ్డినం ప్రమోటర్‌గా) ఉపయోగించబడుతుంది, ఇది సమతౌల్య స్థితిని ప్రభావితం చేయకుండా వేగంగా చేరుకోవడానికి సహాయపడుతుంది. ఈ విధంగా, సరైన పరిస్థితుల సమితి అధిక ఉష్ణోగ్రత (చర్య గతిక అనుకూలతకు సంబంధించి), అధిక పీడనం మరియు ఉత్ప్రేరకం ఉనికి.

వాదన-కారణ ప్రశ్నలు

Directions: కింది ప్రశ్నలలో, ఒక వాదన (A) తర్వాత ఒక కారణం (R) ఇవ్వబడింది. సరైన ఎంపికను ఎంచుకోండి. A) A మరియు R రెండూ నిజం, మరియు R అనేది A కు సరైన వివరణ. B) A మరియు R రెండూ నిజం, కానీ R అనేది A కు సరైన వివరణ కాదు. C) A నిజం, కానీ R తప్పు. D) A తప్పు, కానీ R నిజం.

1. వాదన (A): డైనైట్రోజన్ (N$_2$) శ్వేత భాస్వరం (P$_4$) కంటే తక్కువ క్రియాశీలతను కలిగి ఉంటుంది.

కారణం (R): నైట్రోజన్ బలమైన N≡N బంధాన్ని కలిగి ఉంటుంది మరియు భాస్వరం వలె కాకుండా, బంధ విస్తరణకు d-ఆర్బిటాళ్ళు ఉండవు.

Solution: A Explanation:

• వాదన (A): డైనైట్రోజన్ నిజంగా శ్వేత భాస్వరం కంటే తక్కువ క్రియాశీలతను కలిగి ఉంటుంది. N$_2$ గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద చాలా జడంగా ఉంటుంది, అయితే శ్వేత భాస్వరం అత్యంత క్రియాశీలతను కలిగి ఉంటుంది మరియు గాలిలో అకస్మాత్తుగా మండుతుంది.
• కారణం (R): డైనైట్రోజన్‌లో N≡N ట్రిపుల్ బంధం అసాధారణంగా అధిక బంధ విచ్ఛేదక ఎంథాల్పీని (946 kJ/mol) కలిగి ఉంటుంది, దీనిని విచ్ఛేదనం చేయడం కష్టం. దీని జడత్వానికి ఇది ప్రాథమిక కారణం. ఇంకా, నైట్రోజన్ దాని వేలెన్సీ షెల్‌లో అందుబాటులో ఉన్న d-ఆర్బిటాళ్ళను కలిగి ఉండదు, ఇది దాని ఆక్టెట్‌ను విస్తరించకుండా మరియు నాలుగు బంధాల కంటే ఎక్కువ బంధాలను ఏర్పరచకుండా నిరోధిస్తుంది. మరోవైపు భాస్వరం, ఖాళీ d-ఆర్బిటాళ్ళను కలిగి ఉంటుంది, ఇది నాలుగు కంటే ఎక్కువ బంధాలను (ఉదా., PCl$_5$) ఏర్పరచడానికి మరియు విస్తృత శ్రేణి చర్యలలో పాల్గొనడానికి అనుమతిస్తుంది. P$_4$ లోని P-P సింగిల్ బంధం కూడా N≡N ట్రిపుల్ బంధం కంటే బలహీనంగా ఉంటుంది. A మరియు R రెండూ నిజం, మరియు N$_2$ తక్కువ క్రియాశీలతను కలిగి ఉండటానికి R సరిగ్గా వివరిస్తుంది.

2. వాదన (A): గాఢ నైట్రిక్ ఆమ్లం బలమైన ఆక్సీకరణ కారకంగా పనిచేస్తుంది.

కారణం (R): గాఢ నైట్రిక్ ఆమ్లంలో, నైట్రోజన్ దాని అత్యధిక ఆక్సీకరణ స్థితి +5 లో ఉంటుంది.

Solution: A Explanation:

• వాదన (A): గాఢ నైట్రిక్ ఆమ్లం (HNO$_3$) ఒక శక్తివంతమైన ఆక్సీకరణ కారకం, ఇది అనేక లోహాలను (Au, Pt వంటి ఉత్కృష్ట లోహాలు మినహా) మరియు అలోహాలను ఆక్సీకరణం చేయగలదు.
• కారణం (R): HNO$_3$ లో, నైట్రోజన్ యొక్క ఆక్సీకరణ స్థితి ఇలా లెక్కించబడుతుంది: x + 1(+1) + 3(-2) = 0 => x - 5 = 0 => x = +5. ఇది నైట్రోజన్‌కు సాధ్యమయ్యే అత్యధిక ఆక్సీకరణ స్థితి. నైట్రోజన్ ఇప్పటికే దాని అత్యధిక ఆక్సీకరణ స్థితిలో ఉన్నందున, అది తన ఆక్సీకరణ స్థితిని మాత్రమే తగ్గించగలదు, అంటే అది మాత్రమే క్షయకరణం చెందగలదు. క్షయకరణం చెందే జాతులు ఆక్సీకరణ కారకాలుగా పనిచేస్తాయి. A మరియు R రెండూ నిజం, మరియు A కు R సరైన వివరణను అందిస్తుంది.

లఘు సమాధాన ప్రశ్నలు

1. అమ్మోనియా (NH$_3$) ఎందుకు లూయిస్ క్షారంగా పనిచేస్తుందో వివరించండి.

Model Answer: అమ్మోనియా (NH$_3$) నైట్రోజన్ పరమాణువుపై ఒంటరి ఎలక్ట్రాన్ జంట (lone pair) ఉండటం వల్ల లూయిస్ క్షారంగా పనిచేస్తుంది. లూయిస్ సిద్ధాంతం ప్రకారం, ఒక లూయిస్ క్షారం అనేది ఒక జత ఎలక్ట్రాన్‌లను దానం చేయగల జాతి. అమ్మోనియాలోని నైట్రోజన్ పరమాణువుకు ఐదు వేలెన్సీ ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉంటాయి; మూడు హైడ్రోజన్ పరమాణువులతో పంచుకొని సంయోజనీయ బంధాలను ఏర్పరుస్తాయి, ఒక ఒంటరి ఎలక్ట్రాన్ జంట మిగిలి ఉంటుంది. సులభంగా లభించే ఈ ఒంటరి ఎలక్ట్రాన్ జంటను ఎలక్ట్రాన్-లోపంతో కూడిన జాతికి (లూయిస్ ఆమ్లం) దానం చేయవచ్చు, సమన్వయ సంయోజనీయ బంధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. ఉదాహరణకు: NH$_3$ + H$^+$ → NH_4$$^+ (అమ్మోనియా దాని ఒంటరి ఎలక్ట్రాన్ జంటను H$^+$ కు దానం చేస్తుంది) NH$_3$ + BF$_3$ → H$_3$N → BF$_3$ (అమ్మోనియా దాని ఒంటరి ఎలక్ట్రాన్ జంటను ఎలక్ట్రాన్-లోపంతో కూడిన BF$_3$ కు దానం చేస్తుంది)

2. నైట్రిక్ ఆమ్లం తయారీకి ఆస్త్వాల్డ్ ప్రక్రియలో ఉన్న ప్రధాన దశలను వివరించండి.

Model Answer: ఆస్త్వాల్డ్ ప్రక్రియ అనేది అమ్మోనియా (NH$_3$) నుండి నైట్రిక్ ఆమ్లం (HNO$_3$) తయారీకి ఒక పారిశ్రామిక పద్ధతి. ఇది మూడు ప్రధాన దశలను కలిగి ఉంటుంది:

1. అమ్మోనియా యొక్క ఉత్ప్రేరక ఆక్సీకరణ: అమ్మోనియా వాయువును, గాలి (లేదా ఆక్సిజన్) తో కలిపి, సుమారు 800-950 °C వద్ద మరియు 9 బార్ పీడనం వద్ద వేడిచేసిన ప్లాటినం-రోడియం జాలీ ఉత్ప్రేరకం గుండా పంపబడుతుంది. అమ్మోనియా నైట్రిక్ ఆక్సైడ్ (NO) మరియు నీరుగా ఆక్సీకరణం చెందుతుంది. 4NH$_3$(g) + 5O$_2$(g) $\xrightarrow\{\text\{Pt/Rh gauze, 800-950°C\}\}$ 4NO(g) + 6H$_2$O(g)

2. నైట్రిక్ ఆక్సైడ్ ఆక్సీకరణ: ఉత్పత్తి అయిన నైట్రిక్ ఆక్సైడ్ (NO) ను చల్లబరిచి, ఆపై అధిక గాలి (లేదా ఆక్సిజన్) తో చర్య జరిపి నైట్రోజన్ డయాక్సైడ్ (NO$_2$) గా ఆక్సీకరణం చెందుతుంది. ఈ చర్య ఎక్సోథర్మిక్ మరియు అకస్మాత్తుగా జరుగుతుంది. 2NO(g) + O$_2$(g) $\rightarrow$ 2NO$_2$(g)

3. నీటిలో నైట్రోజన్ డయాక్సైడ్ శోషణ: నైట్రోజన్ డయాక్సైడ్ (NO$_2$) ను అబ్సార్ప్‌షన్ టవర్ (absorption tower) లో నీటిలో శోషించబడుతుంది, సాధారణంగా నీటి ప్రవాహానికి వ్యతిరేక దిశలో. ఈ చర్య నైట్రిక్ ఆమ్లాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది మరియు కొంత నైట్రిక్ ఆక్సైడ్‌ను పునరుత్పత్తి చేస్తుంది. నైట్రిక్ ఆక్సైడ్ అప్పుడు దశ 2 కు తిరిగి రీసైకిల్ చేయబడుతుంది. 3NO$_2$(g) + H$_2$O(l) $\rightarrow$ 2HNO$_3$(aq) + NO(g) పొందబడిన సజల నైట్రిక్ ఆమ్లం సాధారణంగా ద్రవ్యరాశి ప్రకారం సుమారు 68% ఉంటుంది.

ఉన్నత స్థాయి ఆలోచనా నైపుణ్యాల (HOTS) ప్రశ్న

గ్రూప్ 15 హైడ్రైడ్‌లలో (NH$_3$, PH$_3$, AsH$_3$, SbH$_3$, BiH$_3$) BiH$_3$ అత్యంత బలమైన క్షయకరణ కారకం ఎందుకు, NH$_3$ అత్యంత బలహీనమైనది ఎందుకు వివరించండి.

Model Answer: గ్రూప్ 15 హైడ్రైడ్‌ల (MH$_3$) యొక్క క్షయకరణ లక్షణం NH$_3$ నుండి BiH$_3$ వరకు గ్రూప్‌లో క్రిందికి వెళ్ళే కొద్దీ పెరుగుతుంది. M-H బంధం యొక్క బంధ బలం మరియు కేంద్ర పరమాణువు యొక్క పరిమాణాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకోవడం ద్వారా ఈ ధోరణిని వివరించవచ్చు.

1. బంధ విచ్ఛేదక ఎంథాల్పీ (M-H బంధ బలం): నైట్రోజన్ నుండి బిస్మత్ వరకు గ్రూప్ 15 లో క్రిందికి వెళ్ళే కొద్దీ, కేంద్ర పరమాణువు (M) యొక్క పరమాణు పరిమాణం గణనీయంగా పెరుగుతుంది. ఫలితంగా, M-H బంధ పొడవు పెరుగుతుంది (ఉదాహరణకు, N-H బంధం Bi-H బంధం కంటే తక్కువగా ఉంటుంది). ఒక పొడవైన బంధం సాధారణంగా బలహీనమైన బంధాన్ని సూచిస్తుంది, ఎందుకంటే కేంద్ర పరమాణువు మరియు హైడ్రోజన్ యొక్క వేలెన్సీ ఆర్బిటాళ్ళ మధ్య అతివ్యాప్తి తక్కువ ప్రభావవంతంగా మారుతుంది. అందువల్ల, M-H బంధం యొక్క బంధ విచ్ఛేదక ఎంథాల్పీ NH$_3$ నుండి BiH$_3$ వరకు క్రమంగా తగ్గుతుంది.

2. హైడ్రోజన్ విడుదల సులభం: క్షయకరణ కారకాలు అనేవి ఎలక్ట్రాన్‌లను దానం చేసే లేదా క్షయకరణం కోసం హైడ్రోజన్ పరమాణువులను అందించే పదార్థాలు (అవి స్వయంగా ఆక్సీకరణం చెందుతాయి). హైడ్రైడ్‌ల విషయంలో, వాటి క్షయకరణ బలం హైడ్రోజన్ పరమాణువులను విడుదల చేయగల సులభత్వంతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. M-H బంధ బలం గ్రూప్‌లో క్రిందికి తగ్గుతుంది కాబట్టి, M-H బంధాన్ని విచ్ఛేదనం చేయడం మరియు హైడ్రోజన్‌ను విడుదల చేయడం క్రమంగా సులభం అవుతుంది.

3. హైడ్రైడ్‌ల స్థిరత్వం: ఈ హైడ్రైడ్‌ల ఉష్ణ స్థిరత్వం కూడా అదే ధోరణిని అనుసరిస్తుంది, NH$_3$ నుండి BiH$_3$ వరకు తగ్గుతుంది. NH$_3$ చాలా స్థిరంగా ఉంటుంది, అయితే BiH$_3$ అత్యంత అస్థిరంగా ఉంటుంది మరియు వేడిచేసినప్పుడు బిస్మత్ మరియు హైడ్రోజన్‌గా సులభంగా వియోగం చెందుతుంది.

ముగింపు:

• NH$_3$ (అమ్మోనియా): నైట్రోజన్ యొక్క చిన్న పరిమాణం మరియు ప్రభావవంతమైన ఆర్బిటాల్ అతివ్యాప్తి కారణంగా బలమైన N-H బంధాన్ని కలిగి ఉంటుంది. ఇది హైడ్రోజన్‌ను విడుదల చేయడం కష్టతరం చేస్తుంది, అందువల్ల ఇది బలహీనమైన క్షయకరణ కారకం (లేదా అత్యంత స్థిరమైనది).
• BiH$_3$ (బిస్మథైన్): బిస్మత్ యొక్క పెద్ద పరిమాణం మరియు బలహీనమైన ఆర్బిటాల్ అతివ్యాప్తి కారణంగా బలహీనమైన Bi-H బంధాన్ని కలిగి ఉంటుంది. ఇది హైడ్రోజన్‌ను విడుదల చేయడం చాలా సులభం చేస్తుంది, తద్వారా ఇది బలమైన క్షయకరణ కారకంగా (లేదా తక్కువ స్థిరమైనది) మారుతుంది.

క్షయకరణ శక్తి క్రమం: NH$_3$ < PH$_3$ < AsH$_3$ < SbH$_3$ < BiH$_3$.