HSC रसायन विज्ञान के लिए आवर्ती गुण और धातु अभिक्रियाशीलता
जानें कि परमाणु त्रिज्या, परिरक्षण, आयनीकरण ऊर्जा और विद्युतऋणात्मकता धातु अभिक्रियाशीलता की आवर्ती प्रवृत्तियों को कैसे समझाते हैं, जिसमें महत्वपूर्ण अपवाद और सतही प्रभाव भी शामिल हैं।
मैग्नीशियम की एक पट्टी तनु अम्ल के साथ अभिक्रिया करती है। सोडियम कहीं अधिक तीव्रता से अभिक्रिया करता है। पीरियड 3 में मैग्नीशियम के दाईं ओर होने के बावजूद, एल्युमिनियम अपनी ऑक्साइड परत के कारण कभी-कभी आश्चर्यजनक रूप से कम अभिक्रियाशील दिखाई दे सकता है।
तो आवर्त सारणी से आपको वास्तव में क्या भविष्यवाणी करनी चाहिए?
आगे पढ़ने से पहले एक भविष्यवाणी करें: यदि किसी धातु का परमाणु अपने बाहरी इलेक्ट्रॉनों को कम मजबूती से पकड़े रखता है, तो क्या धातु अधिक अभिक्रियाशील होनी चाहिए या कम अभिक्रियाशील?
अधिक अभिक्रियाशील। धातुओं की अधिकांश अभिक्रियाओं में धातु इलेक्ट्रॉन खोती है। इन इलेक्ट्रॉनों को हटाना जितना आसान होगा, ऑक्सीकरण होना उतना ही आसान होगा।
उपयोगी विचार यह है:
\[
\ce{M -> M^{n+} + ne^-}
\]
यहाँ, \(\ce{M}\) एक धातु परमाणु है, \(n\) बने हुए आयन पर धन आवेश है, और \(e^-\) खोए गए इलेक्ट्रॉनों को दर्शाता है।
आयनीकरण ऊर्जा, परमाणु त्रिज्या, परिरक्षण और विद्युतऋणात्मकता-ये सभी यह समझाने में मदद करते हैं कि वे बाहरी इलेक्ट्रॉन कितनी मजबूती से बंधे हुए हैं। इसलिए ये धातुओं की अभिक्रियाशीलता में आवर्ती पैटर्न को भी समझाने में मदद करते हैं।
01उस इलेक्ट्रॉन से शुरू करें जिसे धातु को खोना है
दो धातु परमाणुओं, A और B, की कल्पना करें।
परमाणु A में बाहरी इलेक्ट्रॉन नाभिक के पास है और उसकी ओर प्रबल आकर्षण महसूस करता है। परमाणु B में बाहरी इलेक्ट्रॉन अधिक दूर है और कई आंतरिक इलेक्ट्रॉन कोशों के कारण नाभिक के आकर्षण से आंशिक रूप से परिरक्षित है।
कौन-सा इलेक्ट्रॉन हटाना आसान होना चाहिए?
B का इलेक्ट्रॉन।
इससे हमें हमारा पहला मॉडल मिलता है:
- नाभिक से अधिक दूरी सामान्यतः बाहरी इलेक्ट्रॉन को हटाना आसान बनाती है
- अधिक परिरक्षण बाहरी इलेक्ट्रॉन द्वारा अनुभव किए जाने वाले आकर्षण को कमजोर करता है
- कमजोर आकर्षण का अर्थ सामान्यतः कम आयनीकरण ऊर्जा होता है
- कम आयनीकरण ऊर्जा सामान्यतः इलेक्ट्रॉन खोना आसान बनाती है
- क्योंकि धातुएँ इलेक्ट्रॉन खोकर अभिक्रिया करती हैं, इसलिए इलेक्ट्रॉन का आसान नुकसान सामान्यतः अधिक धात्विक अभिक्रियाशीलता का अर्थ है
यह मॉडल उपयोगी है, लेकिन इसमें कुछ सटीकता आवश्यक है। आवर्ती गुण आपस में संबंधित हैं; वे अलग-अलग नियम नहीं हैं जो स्वतंत्र रूप से एक-दूसरे से प्रतिस्पर्धा करते हों।
02परमाणु त्रिज्या: बाहरी इलेक्ट्रॉन नाभिक से कितनी दूर हैं?
परमाणु त्रिज्या किसी परमाणु के आकार का माप है।
हमारे उद्देश्य के लिए महत्वपूर्ण प्रश्न यह है कि संयोजक इलेक्ट्रॉन धनावेशित नाभिक से कितनी दूर हैं।
धनात्मक नाभिक और ऋणात्मक इलेक्ट्रॉन के बीच वैद्युतस्थैतिक आकर्षण उनकी दूरी बढ़ने पर कमजोर होता जाता है। इसलिए, जब किसी धातु की परमाणु त्रिज्या बड़ी होती है, तो उसके बाहरी इलेक्ट्रॉन सामान्यतः कम मजबूती से बंधे होते हैं।
इससे उन्हें हटाना अक्सर आसान हो जाता है।
किसी समूह में नीचे की ओर
किसी समूह में नीचे जाने पर परमाणु त्रिज्या बढ़ती है।
उदाहरण के लिए:
\[
\ce{Li < Na < K}
\]
परमाणु त्रिज्या के संदर्भ में।
समूह में हर अगला कदम नीचे जाने पर एक और भरा हुआ इलेक्ट्रॉन कोश जुड़ता है। इसलिए पोटैशियम का बाहरी इलेक्ट्रॉन लिथियम के बाहरी इलेक्ट्रॉन की तुलना में नाभिक से बहुत अधिक दूर होता है।
यह उन कारणों में से एक है जिनकी वजह से समूह 1 की धातुएँ समूह में नीचे जाने पर अधिक अभिक्रियाशील होती जाती हैं:
\[
\ce{Li < Na < K}
\]
धात्विक अभिक्रियाशीलता के संदर्भ में।
यदि आप इस प्रवृत्ति को वास्तविक अभिक्रियाओं से जोड़ना चाहते हैं, तो पानी के साथ धातु की अभिक्रियाशीलता: HSC Chemistry Guide में वर्णित व्यवहार की तुलना करें।
किसी आवर्त में
किसी आवर्त में बाएँ से दाएँ जाने पर परमाणु त्रिज्या सामान्यतः घटती है।
यह पहली नज़र में अजीब लग सकता है क्योंकि इलेक्ट्रॉन जोड़े जा रहे होते हैं। क्या अधिक इलेक्ट्रॉन जोड़ने से परमाणु बड़ा नहीं होना चाहिए?
आवश्यक नहीं। नए इलेक्ट्रॉन उसी मुख्य इलेक्ट्रॉन कोश में जुड़ते हैं, जबकि नाभिक में प्रोटॉनों की संख्या बढ़ती है।
अधिक प्रबल नाभिकीय आकर्षण उस कोश को नाभिक के अधिक पास खींचता है।
इसलिए, उदाहरण के लिए पीरियड 3 में, सोडियम की परमाणु त्रिज्या मैग्नीशियम से बड़ी होती है, और मैग्नीशियम की त्रिज्या एल्युमिनियम से बड़ी होती है।
03परिरक्षण: आंतरिक इलेक्ट्रॉन बीच में आ जाते हैं
नाभिक किसी संयोजक इलेक्ट्रॉन को ऐसे आकर्षित नहीं करता मानो अन्य सभी इलेक्ट्रॉन मौजूद ही न हों।
आंतरिक कोशों के इलेक्ट्रॉन बाहरी इलेक्ट्रॉनों को प्रतिकर्षित करते हैं और उनके द्वारा अनुभव किए जाने वाले नाभिकीय आकर्षण को आंशिक रूप से कम करते हैं। इसे परिरक्षण कहा जाता है।
कल्पना करें कि नाभिक भीड़भरे कमरे के दूसरी ओर खड़े किसी व्यक्ति का ध्यान आकर्षित करने की कोशिश कर रहा है। संयोजक इलेक्ट्रॉन दूसरी ओर खड़ा व्यक्ति है, जबकि आंतरिक कोशों के इलेक्ट्रॉन उनके बीच खड़े सभी लोग हैं। रास्ते में अधिक लोग होने से परस्पर क्रिया कम प्रत्यक्ष हो जाती है।
इस उपमा की सीमाएँ हैं। इलेक्ट्रॉन छोटी-छोटी स्थिर आकृतियाँ नहीं हैं जो परतों में खड़ी रहती हों, और परिरक्षण इलेक्ट्रॉन वितरण से उत्पन्न एक वैद्युतस्थैतिक प्रभाव है। फिर भी, यह चित्र महत्वपूर्ण बात को सही ढंग से दर्शाता है: आंतरिक इलेक्ट्रॉन बाहरी इलेक्ट्रॉनों द्वारा अनुभव किए जाने वाले आकर्षण को कम करते हैं।
समूह में नीचे जाने पर परिरक्षण बढ़ता है
किसी समूह में नीचे जाने पर अतिरिक्त भरे हुए इलेक्ट्रॉन कोश जुड़ते हैं।
लिथियम और पोटैशियम की तुलना करें:
- लिथियम में आंतरिक इलेक्ट्रॉन कोश कम हैं
- पोटैशियम में आंतरिक इलेक्ट्रॉन कोश अधिक हैं
- पोटैशियम का बाहरी इलेक्ट्रॉन अधिक परिरक्षण अनुभव करता है
अधिक दूरी और अधिक परिरक्षण, दोनों ही पोटैशियम के संयोजक इलेक्ट्रॉन को हटाना आसान बनाते हैं।
किसी आवर्त में परिरक्षण बहुत कम बदलता है
एक ही आवर्त में जोड़े गए इलेक्ट्रॉन मुख्यतः उसी बाहरी कोश में प्रवेश करते हैं।
आंतरिक भरे हुए कोशों की संख्या समान रहती है।
इसलिए, यद्यपि इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षण बदलता है, आंतरिक कोशों से मिलने वाला मुख्य परिरक्षण लगभग समान रहता है। इसी दौरान प्रोटॉन संख्या बढ़ती है।
परिणामस्वरूप, किसी आवर्त में आगे बढ़ने पर नाभिक और संयोजक इलेक्ट्रॉनों के बीच आकर्षण अधिक प्रबल हो जाता है।
इस विचार को अक्सर प्रभावी नाभिकीय आवेश के माध्यम से समझाया जाता है: परिरक्षण को ध्यान में रखने के बाद इलेक्ट्रॉन द्वारा अनुभव किए जाने वाले कुल धनात्मक आकर्षण पर विचार किया जाता है।
आपको यह कल्पना करने की आवश्यकता नहीं है कि परिरक्षण प्रोटॉनों की किसी निश्चित संख्या के प्रभाव को बिल्कुल सटीक रूप से निरस्त कर देता है। महत्वपूर्ण प्रवृत्ति यह है कि किसी आवर्त में नाभिकीय आवेश बढ़ता है, जबकि आंतरिक-कोश परिरक्षण अपेक्षाकृत कम बदलता है।
04आयनीकरण ऊर्जा इन विचारों को एक साथ जोड़ती है
प्रथम आयनीकरण ऊर्जा वह ऊर्जा है जो गैसीय अवस्था में एक मोल परमाणुओं में से प्रत्येक परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन हटाने के लिए आवश्यक होती है।
किसी धातु \(\ce{M}\) के लिए:
\[
\ce{M(g) -> M+(g) + e^-}
\]
कम प्रथम आयनीकरण ऊर्जा का अर्थ है कि पहला इलेक्ट्रॉन हटाने के लिए अपेक्षाकृत कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
उच्च प्रथम आयनीकरण ऊर्जा का अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन अधिक मजबूती से बंधा हुआ है।
इसलिए आगे बढ़ने से पहले भविष्यवाणी करें: समूह 1 में नीचे जाने पर प्रथम आयनीकरण ऊर्जा का क्या होना चाहिए?
इसे घटनी चाहिए।
समूह में नीचे जाने पर:
- परमाणु त्रिज्या बढ़ती है
- परिरक्षण बढ़ता है
- बाहरी इलेक्ट्रॉन नाभिक का कमजोर आकर्षण अनुभव करता है
- उसे हटाने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है
इसलिए प्रथम आयनीकरण ऊर्जा घटती है, जबकि धात्विक अभिक्रियाशीलता बढ़ती है।
हल किया हुआ उदाहरण: समूह 1 की कौन-सी धातु अधिक आसानी से अभिक्रिया करेगी?
लिथियम और पोटैशियम दोनों समूह 1 की धातुएँ हैं। भविष्यवाणी करें कि कौन-सी धातु अपना संयोजक इलेक्ट्रॉन अधिक आसानी से खोएगी और इसलिए अधिक धात्विक अभिक्रियाशीलता दिखाएगी।
चरण 1
दोनों धातुएँ एक इलेक्ट्रॉन खोकर \(+1\) आयन बनाती हैं:
\[
\ce{Li -> Li+ + e^-}
\]
\[
\ce{K -> K+ + e^-}
\]
चरण 2
पोटैशियम समूह 1 में लिथियम के नीचे है। इसमें अधिक भरे हुए इलेक्ट्रॉन कोश हैं, इसलिए इसकी परमाणु त्रिज्या बड़ी है और इसका संयोजक इलेक्ट्रॉन अधिक परिरक्षण अनुभव करता है।
चरण 3
पोटैशियम का संयोजक इलेक्ट्रॉन नाभिक का कमजोर आकर्षण अनुभव करता है। इसलिए पोटैशियम की प्रथम आयनीकरण ऊर्जा लिथियम से कम होती है।
चरण 4
पोटैशियम अपना संयोजक इलेक्ट्रॉन अधिक आसानी से खोता है, इसलिए सामान्यतः यह धातु के रूप में लिथियम से अधिक अभिक्रियाशील होता है।
अतः आवर्ती प्रवृत्ति है:
\[
\ce{Li < Na < K}
\]
धात्विक अभिक्रियाशीलता के लिए।
यह आपको हर संभावित अभिक्रिया की हर परिस्थिति में सटीक दर नहीं बताता। यह उस मूल प्रवृत्ति की भविष्यवाणी करता है कि ये धातुएँ कितनी आसानी से ऑक्सीकरण से गुजरती हैं।
05किसी आवर्त में धातुएँ सामान्यतः कम अभिक्रियाशील क्यों होती जाती हैं
अब सोडियम और मैग्नीशियम की तुलना करें।
दोनों पीरियड 3 की धातुएँ हैं, लेकिन सोडियम अधिक बाईं ओर है।
सोडियम \(\mathrm{Na}^{+}\) बनाता है:
\[
\ce{Na -> Na+ + e^-}
\]
मैग्नीशियम सामान्यतः \(\mathrm{Mg}^{2+}\) बनाता है:
\[
\ce{Mg -> Mg^2+ + 2e^-}
\]
जैसे-जैसे आप सोडियम से मैग्नीशियम की ओर बढ़ते हैं:
- प्रोटॉन संख्या बढ़ती है
- संयोजक इलेक्ट्रॉन उसी मुख्य कोश में रहते हैं
- आंतरिक-कोश परिरक्षण अपेक्षाकृत कम बदलता है
- परमाणु त्रिज्या घटती है
- संयोजक इलेक्ट्रॉनों पर आकर्षण अधिक प्रबल हो जाता है
- आयनीकरण ऊर्जा सामान्यतः बढ़ती है
इसलिए इलेक्ट्रॉन हटाना अधिक कठिन हो जाता है।
यह किसी आवर्त के धात्विक भाग में बाएँ से दाएँ जाने पर धात्विक अभिक्रियाशीलता में सामान्य कमी में योगदान देता है।
यह व्यापक पैटर्न है, इस बात की गारंटी नहीं कि हर देखी गई अभिक्रिया की दर बिल्कुल समान रूप से क्रमिक बदलाव दिखाएगी।
06विद्युतऋणात्मकता यही कहानी दूसरे दृष्टिकोण से बताती है
विद्युतऋणात्मकता बताती है कि कोई परमाणु रासायनिक बंध में साझा इलेक्ट्रॉनों को अपनी ओर कितनी मजबूती से आकर्षित करता है।
धातुओं के लिए कम विद्युतऋणात्मकता सामान्यतः इलेक्ट्रॉनों को मजबूती से आकर्षित करने के बजाय उन्हें खोने की प्रवृत्ति के साथ जुड़ी होती है।
इसलिए अभिक्रियाशील धातुओं में सामान्यतः ये विशेषताएँ होती हैं:
| गुण | अधिक अभिक्रियाशील धातुओं में सामान्यतः |
|---|---|
| परमाणु त्रिज्या | बड़ी |
| परिरक्षण | अधिक, विशेषकर समूह में नीचे की ओर |
| आयनीकरण ऊर्जा | कम |
| विद्युतऋणात्मकता | कम |
| इलेक्ट्रॉन खोने की प्रवृत्ति | अधिक |
ये पाँच स्वतंत्र कारण नहीं हैं।
परमाणु त्रिज्या और परिरक्षण यह प्रभावित करते हैं कि संयोजक इलेक्ट्रॉन कितनी मजबूती से बंधे हैं। आयनीकरण ऊर्जा इलेक्ट्रॉन हटाने के लिए आवश्यक ऊर्जा को मापती है। विद्युतऋणात्मकता बंधन में इलेक्ट्रॉनों के प्रति परमाणु के आकर्षण को दर्शाती है।
ये परमाणु संरचना के परस्पर संबंधित परिणामों को वर्णित करने के अलग-अलग तरीके हैं।
07समूह में नीचे बनाम आवर्त में आगे
इन दोनों दिशाओं को अलग-अलग समझना उपयोगी है।
किसी धात्विक समूह में नीचे की ओर बढ़ना
सामान्यतः:
\[
\text{त्रिज्या} \uparrow
\]
\[
\text{परिरक्षण} \uparrow
\]
\[
\text{आयनीकरण ऊर्जा} \downarrow
\]
\[
\text{विद्युतऋणात्मकता} \downarrow
\]
इसलिए इलेक्ट्रॉन खोने की प्रवृत्ति बढ़ती है।
अतः समूह 1 और समूह 2 जैसे समूहों में नीचे जाने पर धात्विक अभिक्रियाशीलता सामान्यतः बढ़ती है।
किसी आवर्त के धात्विक भाग में बाएँ से दाएँ बढ़ना
सामान्यतः:
\[
\text{प्रभावी नाभिकीय आकर्षण} \uparrow
\]
\[
\text{त्रिज्या} \downarrow
\]
\[
\text{आयनीकरण ऊर्जा} \uparrow
\]
\[
\text{विद्युतऋणात्मकता} \uparrow
\]
इसलिए इलेक्ट्रॉन खोना कम अनुकूल हो जाता है।
अतः धात्विक अभिक्रियाशीलता सामान्यतः घटती है।
08आकर्षक लेकिन गलत तरीका: किसी एक आवर्ती गुण को ही पूरी व्याख्या मान लेना
मान लीजिए कोई छात्र कहता है:
एल्युमिनियम की प्रथम आयनीकरण ऊर्जा मैग्नीशियम से कम है, इसलिए एल्युमिनियम हमेशा मैग्नीशियम से अधिक अभिक्रियाशील होना चाहिए।
यहाँ दो समस्याएँ हैं।
पहली, धातुओं की अभिक्रियाओं में आवश्यक नहीं कि केवल एक इलेक्ट्रॉन ही हटाया जाए।
मैग्नीशियम सामान्यतः \(\mathrm{Mg}^{2+}\) बनाता है, जबकि एल्युमिनियम सामान्यतः \(\mathrm{Al}^{3+}\) बनाता है। कुल ऊर्जा-परिवर्तन में केवल प्रथम आयनीकरण चरण ही शामिल नहीं होता।
दूसरी, देखी गई अभिक्रियाशीलता केवल इस बात से निर्धारित नहीं होती कि इलेक्ट्रॉन खोना कितना अनुकूल है।
एल्युमिनियम अपनी सतह पर तेजी से एल्युमिनियम ऑक्साइड की एक पतली, मजबूती से चिपकी हुई परत बना लेता है। यह परत अभिकारकों को नीचे मौजूद एल्युमिनियम धातु तक पहुँचने से रोक सकती है। इसलिए एल्युमिनियम अपनी मूल रासायनिक प्रवृत्ति से अपेक्षित स्तर की तुलना में बहुत कम अभिक्रियाशील दिखाई दे सकता है।
इसे निष्क्रियकरण कहा जाता है।
इसलिए आपको इनके बीच अंतर करना चाहिए:
- वे परमाण्विक कारक जो किसी धातु की इलेक्ट्रॉन खोने की प्रवृत्ति को प्रभावित करते हैं
- किसी विशेष अभिक्रिया की वास्तव में देखी गई दर
दूसरा परिणाम सतही परतों, सांद्रता, तापमान, भौतिक रूप और शामिल दूसरे अभिकारक पर भी निर्भर कर सकता है।
इसीलिए आवर्त सारणी शक्तिशाली प्रवृत्तियाँ देती है, लेकिन प्रयोगात्मक प्रमाण का पूर्ण विकल्प नहीं है।
हल किया हुआ उदाहरण: मैग्नीशियम या एल्युमिनियम?
एक छात्र को निम्नलिखित सरल प्रथम-आयनीकरण-ऊर्जा डेटा दिया जाता है:
| धातु | प्रथम आयनीकरण ऊर्जा |
|---|---|
| \(\ce{Mg}\) | \(738\ \text{kJ mol}^{-1}\) |
| \(\ce{Al}\) | \(578\ \text{kJ mol}^{-1}\) |
छात्र निष्कर्ष निकालता है कि एल्युमिनियम को तनु अम्ल में मैग्नीशियम से तेज अभिक्रिया करनी चाहिए क्योंकि एल्युमिनियम की प्रथम आयनीकरण ऊर्जा कम है। समझाएँ कि यह निष्कर्ष उचित क्यों नहीं है।
चरण 1
एल्युमिनियम की कम प्रथम आयनीकरण ऊर्जा का अर्थ है कि इस प्रक्रिया के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है
\[
\ce{Al(g) -> Al+(g) + e^-}
\]
की तुलना में
\[
\ce{Mg(g) -> Mg+(g) + e^-}
\]
इकाइयाँ \(\text{kJ mol}^{-1}\) गैसीय परमाणुओं के प्रति मोल ऊर्जा के किलो-जूल को दर्शाती हैं।
चरण 2
मैग्नीशियम सामान्यतः \(\mathrm{Mg}^{2+}\) बनाता है, जबकि एल्युमिनियम सामान्यतः \(\mathrm{Al}^{3+}\) बनाता है।
इसलिए वास्तविक तुलना केवल प्रथम आयनीकरण ऊर्जा के आधार पर नहीं की जा सकती। आगे के इलेक्ट्रॉन हटाने और शेष अभिक्रिया की ऊर्जा भी महत्वपूर्ण होती है।
चरण 3
एल्युमिनियम की सतह पर सामान्यतः एक ऑक्साइड परत होती है। यह निष्क्रियकारी परत अम्ल को तुरंत नीचे की धातु तक पहुँचने से रोक सकती है।
इसलिए कुछ प्रयोगात्मक परिस्थितियों में मैग्नीशियम अधिक आसानी से अभिक्रिया करता हुआ दिखाई दे सकता है, भले ही प्रथम आयनीकरण ऊर्जा का एक अकेला मान इसके विपरीत संकेत देता हुआ लगे।
चरण 4
प्रथम आयनीकरण ऊर्जा इलेक्ट्रॉन खोने के बारे में उपयोगी प्रमाण देती है, लेकिन यह अकेले अम्ल में मैग्नीशियम और एल्युमिनियम की देखी गई अभिक्रिया दर निर्धारित नहीं करती।
जब ऑक्साइड परत और प्रयोगात्मक परिस्थितियाँ महत्वपूर्ण हों, तो उन्हें भी ध्यान में रखना आवश्यक है।
इस प्रकार के प्रयोग में वास्तव में क्या देखा जाता है, इसे अधिक विस्तार से समझने के लिए तनु अम्लों के साथ धातु की अभिक्रियाशीलता: HSC Chemistry Guide देखें।
09ऐसा निर्णय नियम जो तीरों को रटने से बेहतर काम करता है
जब आपसे धात्विक अभिक्रियाशीलता में किसी आवर्ती प्रवृत्ति की व्याख्या करने के लिए कहा जाए, तो उत्तर में केवल चार प्रवृत्तियों के शब्द लिख देने के बजाय कारणों की श्रृंखला पर काम करें।
पूछें:
- क्या तुलना की जा रही धातुएँ किसी समूह में नीचे की ओर हैं या किसी आवर्त में?
- भरे हुए इलेक्ट्रॉन कोशों की संख्या कैसे बदलती है?
- परिरक्षण का क्या होता है?
- नाभिक और संयोजक इलेक्ट्रॉनों के बीच दूरी का क्या होता है?
- संयोजक इलेक्ट्रॉनों पर आकर्षण अधिक प्रबल होता है या कमजोर?
- आयनीकरण ऊर्जा और ऑक्सीकरण की आसानी का क्या होता है?
- क्या कोई सतही प्रभाव या अभिक्रिया की ऐसी परिस्थिति है जो प्रयोग में देखे जाने वाले परिणाम को बदल सकती है?
इससे ऐसी व्याख्याएँ बनती हैं:
कैल्शियम मैग्नीशियम से अधिक अभिक्रियाशील है क्योंकि कैल्शियम में एक अतिरिक्त भरा हुआ इलेक्ट्रॉन कोश होता है। उसके संयोजक इलेक्ट्रॉन नाभिक से अधिक दूर होते हैं और अधिक परिरक्षण अनुभव करते हैं, इसलिए वे नाभिक की ओर कम मजबूती से आकर्षित होते हैं। इसलिए कैल्शियम की प्रथम आयनीकरण ऊर्जा कम होती है और वह इलेक्ट्रॉन अधिक आसानी से खोता है।
यह केवल इतना कहने से कहीं अधिक मजबूत उत्तर है कि “समूह में नीचे जाने पर अभिक्रियाशीलता बढ़ती है”।
10प्रश्न और समाधान
प्रश्न 1
मैग्नीशियम और कैल्शियम दोनों समूह 2 की धातुएँ हैं।
भविष्यवाणी करें कि कौन अधिक अभिक्रियाशील है और परमाणु त्रिज्या, परिरक्षण तथा आयनीकरण ऊर्जा का उपयोग करके अपना उत्तर समझाएँ।
समाधान 1
कैल्शियम मैग्नीशियम से अधिक अभिक्रियाशील है।
कैल्शियम समूह 2 में मैग्नीशियम के नीचे है और उसमें एक अतिरिक्त भरा हुआ इलेक्ट्रॉन कोश होता है। इसलिए उसके संयोजक इलेक्ट्रॉन नाभिक से अधिक दूर होते हैं और आंतरिक इलेक्ट्रॉनों से अधिक परिरक्षण अनुभव करते हैं।
फलस्वरूप कैल्शियम के बाहरी इलेक्ट्रॉनों पर कार्य करने वाला नाभिकीय आकर्षण कमजोर होता है। कैल्शियम की प्रथम आयनीकरण ऊर्जा कम होती है और वह अपने संयोजक इलेक्ट्रॉन अधिक आसानी से खो सकता है:
\[
\ce{Ca -> Ca^2+ + 2e^-}
\]
आकर्षक शॉर्टकट केवल इतना कहना है कि कैल्शियम “समूह में नीचे” है। यह प्रवृत्ति की पहचान तो करता है, लेकिन उसकी व्याख्या नहीं करता। कारण-श्रृंखला है: बड़ी त्रिज्या और अधिक परिरक्षण \(\rightarrow\) कमजोर आकर्षण \(\rightarrow\) इलेक्ट्रॉन का आसान नुकसान \(\rightarrow\) अधिक धात्विक अभिक्रियाशीलता।
प्रश्न 2
दो काल्पनिक समूह 1 धातुओं, X और Y, के निम्नलिखित गुण हैं:
| गुण | X | Y |
|---|---|---|
| परमाणु त्रिज्या | \(190\ \text{pm}\) | \(240\ \text{pm}\) |
| प्रथम आयनीकरण ऊर्जा | \(500\ \text{kJ mol}^{-1}\) | \(420\ \text{kJ mol}^{-1}\) |
यहाँ, \(\text{pm}\) का अर्थ पिकोमीटर है।
एक छात्र तर्क देता है कि यह भविष्यवाणी करने के लिए पर्याप्त जानकारी नहीं है कि कौन-सी धातु अधिक अभिक्रियाशील है, क्योंकि विद्युतऋणात्मकता के मान नहीं दिए गए हैं।
छात्र के तर्क का मूल्यांकन करें और भविष्यवाणी करें कि कौन-सी धातु अधिक अभिक्रियाशील होनी चाहिए।
समाधान 2
Y अधिक अभिक्रियाशील होनी चाहिए, और यह भविष्यवाणी करने के लिए विद्युतऋणात्मकता का अनुपलब्ध डेटा आवश्यक नहीं है।
Y की परमाणु त्रिज्या बड़ी है, \(240\ \text{pm}\), जबकि X की \(190\ \text{pm}\) है। इसकी प्रथम आयनीकरण ऊर्जा भी कम है:
\[
420\ \text{kJ mol}^{-1} < 500\ \text{kJ mol}^{-1}
\]
इसका अर्थ है कि Y के बाहरी इलेक्ट्रॉन को हटाने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। दोनों प्रमाण आसान ऑक्सीकरण की ओर संकेत करते हैं:
\[
\ce{Y -> Y+ + e^-}
\]
आकर्षक तर्क यह है कि कोई निष्कर्ष निकालने से पहले सभी चार आवर्ती गुण दिए जाने चाहिए। ऐसा नहीं है। ये गुण आपस में संबंधित प्रमाण हैं, अलग-अलग खाने नहीं जिन्हें प्रत्येक बार अलग से पूरा करना आवश्यक हो।
दी गई त्रिज्या और आयनीकरण-ऊर्जा का डेटा पहले ही यह भविष्यवाणी करने के लिए पर्याप्त है कि Y अपना बाहरी इलेक्ट्रॉन अधिक आसानी से खोता है और इसलिए उसे समूह 1 की अधिक अभिक्रियाशील धातु होना चाहिए।
प्रश्न 3
पीरियड 3 की तीन धातुओं, \(\ce{Na}\), \(\ce{Mg}\), और \(\ce{Al}\), की तुलना की जाती है।
एक छात्र निम्नलिखित व्याख्या प्रस्तुत करता है:
“हर तत्व में पिछले तत्व की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए सोडियम से एल्युमिनियम तक परिरक्षण लगातार बढ़ता है। बढ़ते परिरक्षण के कारण एल्युमिनियम सबसे अधिक अभिक्रियाशील होना चाहिए।”
तर्क में त्रुटि पहचानें और धात्विक अभिक्रियाशीलता की अपेक्षित व्यापक आवर्ती प्रवृत्ति बताएँ।
समाधान 3
व्यापक प्रवृत्ति सोडियम से मैग्नीशियम और एल्युमिनियम की ओर धात्विक अभिक्रियाशीलता में कमी की है, और छात्र की मुख्य गलती हर जोड़े गए इलेक्ट्रॉन को ऐसा मानना है मानो वह एक नई आंतरिक-कोश परिरक्षण परत बना देता हो।
सोडियम, मैग्नीशियम और एल्युमिनियम-तीनों के संयोजक इलेक्ट्रॉन तीसरे मुख्य इलेक्ट्रॉन कोश में होते हैं। \(\ce{Na}\) से \(\ce{Mg}\) और फिर \(\ce{Al}\) की ओर बढ़ने पर इलेक्ट्रॉन तो जुड़ते हैं, लेकिन हर चरण में नाभिक में एक प्रोटॉन भी जुड़ता है।
आंतरिक \(n=1\) और \(n=2\) कोशों से मिलने वाला मुख्य परिरक्षण व्यापक रूप से समान रहता है क्योंकि पीरियड 3 में आगे बढ़ने पर कोई नया आंतरिक इलेक्ट्रॉन कोश नहीं जुड़ता।
इसलिए बढ़ते नाभिकीय आवेश का महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। कुल मिलाकर संयोजक इलेक्ट्रॉन अधिक मजबूती से आकर्षित होते हैं, और पूरे आवर्त में परमाणु त्रिज्या सामान्यतः घटती है।
इससे इलेक्ट्रॉन हटाना सामान्यतः कठिन हो जाता है और आवर्त के धात्विक भाग में आयनीकरण ऊर्जा बढ़ने में योगदान मिलता है।
इसलिए अपेक्षित व्यापक प्रवृत्ति है:
\[
\ce{Na -> Mg -> Al}
\]
जिसमें धात्विक गुण और इलेक्ट्रॉन खोने की आसानी सामान्यतः बाएँ से दाएँ घटती है।
एक महत्वपूर्ण जटिलता है। प्रथम आयनीकरण ऊर्जा हर एक चरण में पूर्ण रूप से नहीं बढ़ती: एल्युमिनियम की प्रथम आयनीकरण ऊर्जा मैग्नीशियम से कम होती है क्योंकि एल्युमिनियम का पहला इलेक्ट्रॉन उच्च-ऊर्जा वाले \(3p\) उपकोश से हटाया जाता है। यह अपवाद आवर्ती धात्विक व्यवहार की पूरी व्यापक व्याख्या को उलट नहीं देता, और न ही प्रथम आयनीकरण ऊर्जा का एक अकेला मान देखी गई अभिक्रिया दर को निर्धारित करता है।
आकर्षक लेकिन गलत तरीका “अधिक इलेक्ट्रॉन” को “बहुत अधिक परिरक्षण” के बराबर मान लेना था। सटीक शर्त यह है कि वे इलेक्ट्रॉन कहाँ जोड़े जा रहे हैं।
प्रश्न 4
धातुएँ A और B एक ही समूह में हैं, और B, A के नीचे है।
धातु B की प्रथम आयनीकरण ऊर्जा कम है और परमाणु त्रिज्या A से बड़ी है। फिर भी एक प्रयोग में B और A के समान आकार के नमूने एक ही तनु अम्ल में रखे जाते हैं और प्रारंभ में A अधिक तेजी से हाइड्रोजन गैस उत्पन्न करता है।
मान लें कि माप विश्वसनीय हैं।
एक छात्र निष्कर्ष निकालता है कि इसलिए आवर्ती प्रवृत्ति गलत होनी चाहिए।
क्या यह निष्कर्ष मान्य है? ऐसी रासायनिक व्याख्या दें जो सभी प्रेक्षणों के अनुरूप हो।
समाधान 4
नहीं। परिणाम आवर्ती प्रवृत्ति को गलत सिद्ध नहीं करता; यह दिखाता है कि देखी गई अभिक्रिया दर केवल पृथक गैसीय परमाणुओं से इलेक्ट्रॉन हटाने की आसानी पर निर्भर नहीं करती।
आवर्ती प्रमाण अब भी संकेत देते हैं कि B में इलेक्ट्रॉन खोने की मूल प्रवृत्ति अधिक होनी चाहिए:
- B की परमाणु त्रिज्या बड़ी है
- उसके संयोजक इलेक्ट्रॉन नाभिक से अधिक दूर हैं
- उससे अधिक परिरक्षण अनुभव करने की अपेक्षा है
- उसकी प्रथम आयनीकरण ऊर्जा कम है
ये कारक B के ऑक्सीकरण के पक्ष में हैं।
हालाँकि, प्रयोग उस दर को मापता है जिस पर ठोस धातु अम्ल के साथ अभिक्रिया करती है। इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण होने के लिए अम्ल को धातु की सतह तक पहुँचना आवश्यक है।
एक संगत व्याख्या यह है कि B पर कोई सुरक्षात्मक सतही परत, जैसे ऑक्साइड परत, मौजूद है, जो शुरुआत में अम्ल और नीचे मौजूद धातु के बीच संपर्क कम करती है। इसलिए A शुरुआत में अधिक तेजी से हाइड्रोजन उत्पन्न कर सकता है, भले ही B के परमाणुओं में, एक बार सतह खुल जाने और अभिक्रिया में भाग लेने पर, इलेक्ट्रॉन खोने की प्रवृत्ति अधिक हो।
उदाहरण के लिए, सामान्य अम्ल अभिक्रिया को धातु के ऑक्सीकरण और हाइड्रोजन आयनों के अपचयन के संयोजन के रूप में दर्शाया जा सकता है। किसी \(2+\) धातु के लिए:
\[
\ce{M -> M^2+ + 2e^-}
\]
और
\[
\ce{2H+ + 2e^- -> H2}
\]
आकर्षक निष्कर्ष यह है कि “अधिक अभिक्रियाशील धातु” को “हर प्रयोग में अधिक तेज प्रारंभिक बुलबुले” के समान मान लिया जाए। यह अभिक्रिया गतिकी और सतह तक पहुँच को नजरअंदाज करता है।
मुख्य शर्त यह है कि आवर्ती गुण परमाण्विक प्रवृत्तियों का वर्णन करते हैं, जबकि प्रयोग में देखी गई दर अभिक्रियाशील सतह पर भौतिक और रासायनिक परिस्थितियों पर भी निर्भर करती है।
प्रश्न 5
दो अज्ञात धातुएँ, P और Q, एक ही आवर्त में हैं।
P, Q के बाईं ओर है।
निम्नलिखित प्रेक्षण किए जाते हैं:
- P की परमाणु त्रिज्या Q से बड़ी है।
- P की विद्युतऋणात्मकता Q से कम है।
- P पानी के साथ तेजी से अभिक्रिया करता है।
- Q का एक स्वच्छ नमूना भी ऑक्सीकरण की प्रबल प्रवृत्ति रखता है, लेकिन Q का एक अनुपचारित टुकड़ा पानी में लगभग अपरिवर्तित दिखाई देता है क्योंकि उस पर एक स्थिर ऑक्साइड परत मौजूद है।
- Q की प्रथम आयनीकरण ऊर्जा आवर्त सारणी में उसके ठीक बाईं ओर स्थित तत्व से थोड़ी कम है।
एक छात्र कहता है कि अंतिम प्रेक्षण यह सिद्ध करता है कि किसी आवर्त में होने वाली सामान्य व्याख्या विफल हो गई है और इसलिए Q को अपने तुरंत बाईं ओर की हर धातु से अधिक धात्विक और अधिक अभिक्रियाशील होना चाहिए।
इस दावे का मूल्यांकन करें। आपके उत्तर में समझाया जाना चाहिए कि सभी पाँच प्रेक्षण आवर्ती संरचना के अनुरूप कैसे हो सकते हैं।
समाधान 5
यह दावा उचित नहीं है। प्रथम आयनीकरण ऊर्जा में स्थानीय कमी व्यापक आवर्ती प्रवृत्तियों को समाप्त नहीं करती, और देखी गई अभिक्रिया को निष्क्रियकरण भी बदल सकता है।
P का Q के बाईं ओर होना, P की बड़ी परमाणु त्रिज्या और कम विद्युतऋणात्मकता के अनुरूप है। किसी आवर्त में प्रोटॉन संख्या बढ़ती है, जबकि मुख्य आंतरिक-कोश परिरक्षण अपेक्षाकृत कम बदलता है। अधिक प्रबल प्रभावी नाभिकीय आकर्षण सामान्यतः संयोजक इलेक्ट्रॉनों को अधिक पास खींचता है और इलेक्ट्रॉनों के प्रति परमाणु का आकर्षण बढ़ाता है।
इसलिए प्रेक्षण
\[
r_{\mathrm{P}} > r_{\mathrm{Q}}
\]
और
\[
\text{P की विद्युतऋणात्मकता} < \text{Q की विद्युतऋणात्मकता}
\]
सामान्य आवर्ती पैटर्न के अनुरूप हैं, जहाँ \(r\) परमाणु त्रिज्या को दर्शाता है।
पानी के साथ P की तीव्र अभिक्रिया भी प्रबल धात्विक व्यवहार और इलेक्ट्रॉनों को आसानी से खोने के अनुरूप है।
जो प्रेक्षण समस्या जैसा दिखाई देता है वह यह है कि Q की प्रथम आयनीकरण ऊर्जा उसके ठीक बाईं ओर के तत्व से थोड़ी कम है। लेकिन किसी आवर्त में आयनीकरण ऊर्जा में छोटे-छोटे अनियमित बदलाव होते हैं क्योंकि इलेक्ट्रॉन विन्यास महत्वपूर्ण होता है।
उदाहरण के लिए, किसी उच्च-ऊर्जा उपकोश का भरना शुरू होने पर एक विशेष इलेक्ट्रॉन को हटाना आसान हो सकता है, भले ही पूरे आवर्त की व्यापक प्रवृत्ति छोटी त्रिज्या, अधिक विद्युतऋणात्मकता और कम धात्विक गुण की ओर हो।
ठीक इसी कारण प्रथम आयनीकरण ऊर्जा को एक ही संख्या के आधार पर अभिक्रियाशीलता की क्रम-सूची नहीं मानना चाहिए।
एक दूसरी समस्या भी है। अनुपचारित Q नमूना ऑक्साइड परत द्वारा सुरक्षित है। इसलिए पानी के साथ उसकी कमजोर दिखाई देने वाली अभिक्रिया उसकी परमाण्विक विशेषताओं के साथ-साथ उसकी सतह के बारे में भी जानकारी देती है। यह तथ्य कि स्वच्छ नमूना आसानी से ऑक्सीकरण करता है, दिखाता है कि सतह की स्थिति क्यों महत्वपूर्ण है।
आकर्षक लेकिन गलत तरीका है:
\[
\text{कम प्रथम आयनीकरण ऊर्जा} \Rightarrow \text{हर अर्थ में अधिक अभिक्रियाशील}
\]
लेकिन दो सीमाएँ इस तर्क को तोड़ देती हैं।
पहली, धातु के ऑक्सीकरण में एक से अधिक इलेक्ट्रॉन खोने की आवश्यकता हो सकती है, इसलिए प्रथम आयनीकरण ऊर्जा प्रक्रिया के केवल एक चरण का वर्णन करती है। दूसरी, देखी गई अभिक्रिया दर धातु की सतह तक पहुँच से नियंत्रित हो सकती है।
इसलिए सभी पाँच प्रेक्षण एक साथ सही हो सकते हैं। आवर्ती संरचना अब भी त्रिज्या, विद्युतऋणात्मकता और इलेक्ट्रॉन खोने की आसानी में व्यापक बदलावों की व्याख्या करती है, जबकि इलेक्ट्रॉन विन्यास आयनीकरण ऊर्जा में स्थानीय अपवाद पैदा कर सकता है और निष्क्रियकरण प्रयोग में दिखाई देने वाले परिणाम को बदल सकता है।
यही आवर्ती प्रवृत्तियों का उपयोगी अंतिम उद्देश्य है: केवल यह रटना नहीं कि आवर्त सारणी में अभिक्रियाशीलता नीचे-बाईं ओर बढ़ती है, बल्कि यह समझा पाना कि यह प्रवृत्ति क्यों मौजूद है, यह पहचानना कि कब कोई एक गुण पर्याप्त नहीं है, और फिर परमाणु संरचना को वास्तविक प्रेक्षणों से जोड़ना, जैसे ऑक्सीजन और अन्य ऑक्सीकारक अभिकर्मकों के साथ होने वाली अभिक्रियाएँ।