अम्ल-क्षार अनुमापन समस्याएँ: रसायन विज्ञान की मौलिक अभ्यास परीक्षा

यह मूल tutorgum अभ्यास-पत्र, प्रदान किए गए Chemistry 2017 संस्करण के निर्धारित दायरे में अम्ल-क्षार अनुमापन से संबंधित समस्याओं का आकलन करता है। इसमें अज्ञात सांद्रताओं का निर्धारण, अनुमापन वक्र, समतुल्यता बिंदु, सूचक का चयन, चालकता और प्रायोगिक त्रुटियाँ शामिल हैं। यह एक केंद्रित विषय-आकलन है, न कि पूरे पाठ्यक्रम की परीक्षा या NESA द्वारा जारी, अनुमोदित, पूर्व में आयोजित अथवा पूर्वानुमानित कोई आधिकारिक प्रश्नपत्र।

01परीक्षा निर्देश

• कार्य करने का समय: 60 मिनट।
• प्रश्नपत्र पढ़ने का समय: 5 मिनट।
• कुल अंक: 50।
• आवश्यक सामग्री: वैज्ञानिक कैलकुलेटर, पैमाना और लिखने की सामग्री। किसी नोट्स की आवश्यकता नहीं है।
• हल प्रस्तुत करना: अपनी गणनाएँ दिखाएँ, मात्रक लिखें और आँकड़ों के आधार पर उचित परिशुद्धता तक उत्तर दें।

गणनाओं के लिए \(n=cV\) का उपयोग करें, जहाँ \(n\) मोल में पदार्थ की मात्रा, \(c\) \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\) में सांद्रता और \(V\) लीटर में आयतन है। इस समीकरण का उपयोग करने से पहले मिलीलीटर में दिए गए आयतनों को लीटर में बदलें।

जब तक अन्यथा न बताया गया हो, \(25^\circ\mathrm{C}\) पर जलीय विलयनों, विलयनों के आयतनों के योगात्मक होने और प्रबल अम्लों तथा क्षारों के पूर्ण आयनीकरण को मानकर चलें। इस तापमान पर \(pH+pOH=14.00\) का उपयोग करें।

आकलित विषय

• अनुमापन के आँकड़ों और स्टॉइकियोमेट्री का उपयोग करके अज्ञात अम्ल या क्षार की सांद्रता निर्धारित करना।
• प्रबल अम्ल-प्रबल क्षार, दुर्बल अम्ल-प्रबल क्षार और प्रबल अम्ल-दुर्बल क्षार के अनुमापन वक्र।
• समतुल्यता बिंदु पर विलयन का व्यवहार और सूचक का चयन।
• अनुमापन के दौरान चालकता में परिवर्तन और उपस्थित आयन।
• अंतिम बिंदु, स्थानांतरण और विलयन तैयार करने से संबंधित त्रुटियाँ।

पाठ्यक्रम से बाहर के विषय: \(K_a\) और \(K_b\) की मात्रात्मक साम्यावस्था गणनाएँ, विस्तृत बफर गणनाएँ और निर्धारित अम्ल-क्षार अनुमापन के दायरे से बाहर के विषयों का आकलन नहीं किया जाएगा।

02प्रश्न

प्रश्न 1 (8 अंक)

एक विद्यार्थी अज्ञात द्विप्रोटिक अम्ल \(\ce{H2A}\) की सांद्रता निर्धारित कर रहा है।

विद्यार्थी मूल अम्ल विलयन के \(25.00\ \mathrm{mL}\) को \(250.0\ \mathrm{mL}\) की एक आयतनमितीय फ्लास्क में स्थानांतरित करता है और आसुत जल मिलाकर विलयन का आयतन अंशांकन चिह्न तक लाता है।

इसके बाद तनु किए गए अम्ल के \(25.00\ \mathrm{mL}\) के एक ऐलिक्वॉट का \(0.1200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) सोडियम हाइड्रॉक्साइड से अनुमापन किया जाता है। पूर्ण उदासीनीकरण के लिए संतुलित समीकरण है:

\[ \ce{H2A + 2OH^- -> A^2- + 2H2O} \]

विद्यार्थी पहले एक प्रारंभिक टाइटर \(19.10\ \mathrm{mL}\) दर्ज करता है, जिसके बाद तीन संगत टाइटर \(18.55\ \mathrm{mL}\), \(18.60\ \mathrm{mL}\) और \(18.65\ \mathrm{mL}\) प्राप्त होते हैं।

(a) तीन संगत टाइटरों का औसत ज्ञात कीजिए। (1 अंक)

(b) तनु किए गए अम्ल की सांद्रता की गणना कीजिए। अपनी गणना के चरण दिखाएँ। (4 अंक)

(c) मूल अम्ल विलयन की सांद्रता निर्धारित कीजिए। (2 अंक)

(d) समझाइए कि सोडियम हाइड्रॉक्साइड की मात्रा को उदासीन किए गए अम्ल की मात्रा में बदलते समय संतुलित समीकरण का उपयोग करना क्यों आवश्यक है। (1 अंक)

प्रश्न 2 (8 अंक)

\(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के \(50.00\ \mathrm{mL}\) नमूने का अनुमापन \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) सोडियम हाइड्रॉक्साइड से किया जाता है।

निम्नलिखित pH रीडिंग दर्ज की जाती हैं।

• NaOH से HCl का
  अनुमापन

(a) सोडियम हाइड्रॉक्साइड का वह आयतन निर्धारित कीजिए जिस पर समतुल्यता बिंदु प्राप्त होता है। (1 अंक)

(b) समझाइए कि \(25^\circ\mathrm{C}\) पर समतुल्यता बिंदु का pH लगभग 7.00 क्यों होता है। (2 अंक)

(c) तीन सूचक उपलब्ध हैं:

उस सूचक का चयन कीजिए जिसका संक्रमण परास समतुल्यता बिंदु के pH के सबसे निकट केंद्रित है। अपने चयन का औचित्य बताइए। (2 अंक)

(d) \(55.00\ \mathrm{mL}\) सोडियम हाइड्रॉक्साइड मिलाए जाने के बाद pH की गणना कीजिए। (3 अंक)

प्रश्न 3 (9 अंक)

एक अज्ञात दुर्बल एकप्रोटिक अम्ल \(\ce{HA}\) के \(25.00\ \mathrm{mL}\) नमूने का अनुमापन \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) सोडियम हाइड्रॉक्साइड से किया जाता है।

निम्नलिखित pH रीडिंग प्राप्त होती हैं।

• NaOH से दुर्बल अम्ल का
  अनुमापन

(a) आँकड़ों से समतुल्यता बिंदु पर आयतन का अनुमान लगाइए। (1 अंक)

(b) दुर्बल अम्ल की प्रारंभिक सांद्रता की गणना कीजिए। (3 अंक)

(c) समझाइए कि समतुल्यता बिंदु पर pH, 7 से अधिक क्यों होता है। जल के साथ होने वाली संबंधित अभिक्रिया का रासायनिक समीकरण भी लिखिए। (3 अंक)

(d) नीचे दिए गए तीन सूचकों में से सबसे उपयुक्त सूचक चुनिए और उसके संक्रमण परास तथा अनुमापन के आँकड़ों का उपयोग करके अपने चयन का औचित्य बताइए। (2 अंक)

प्रश्न 4 (9 अंक)

अज्ञात सांद्रता वाले जलीय अमोनिया \(\ce{NH3}\) के \(20.00\ \mathrm{mL}\) नमूने का अनुमापन \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) हाइड्रोक्लोरिक अम्ल से किया जाता है।

अम्ल मिलाते समय pH दर्ज किया जाता है।

• HCl से NH₃ का
  अनुमापन

(a) समतुल्यता बिंदु पर आयतन निर्धारित कीजिए। (1 अंक)

(b) अमोनिया विलयन की प्रारंभिक सांद्रता की गणना कीजिए। (3 अंक)

(c) अमोनियम आयनों की जल के साथ अभिक्रिया का समीकरण लिखिए और समझाइए कि समतुल्यता बिंदु पर pH, 7 से कम क्यों होता है। (3 अंक)

(d) नीचे दी गई सारणी से सबसे उपयुक्त सूचक चुनिए और अपने चयन का औचित्य बताइए। (2 अंक)

प्रश्न 5 (8 अंक)

\(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के \(25.00\ \mathrm{mL}\) नमूने का अनुमापन \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) सोडियम हाइड्रॉक्साइड से किया जाता है।

अनुमापन आगे बढ़ने के साथ विद्यार्थी मिश्रण की चालकता मापता है। नीचे दी गई रीडिंग सापेक्ष चालकता के मनमाने मात्रकों में हैं; बड़ा मान अधिक चालकता दर्शाता है।

• NaOH से HCl का
  अनुमापन

(a) आँकड़ों से समतुल्यता बिंदु पर आयतन का अनुमान लगाइए। (1 अंक)

(b) समतुल्यता से ठीक पहले, समतुल्यता पर और समतुल्यता के ठीक बाद उपस्थित प्रमुख घुलित आयनों के नाम लिखिए। (3 अंक)

(c) समझाइए कि समतुल्यता से पहले चालकता क्यों घटती है और समतुल्यता के बाद क्यों बढ़ती है। (2 अंक)

(d) एक विद्यार्थी दावा करता है कि समतुल्यता पर चालकता शून्य होनी चाहिए, क्योंकि अम्ल और क्षार ने एक-दूसरे को उदासीन कर दिया है। उपस्थित आयनों का संदर्भ देते हुए इस दावे का मूल्यांकन कीजिए। (2 अंक)

प्रश्न 6 (8 अंक)

एक विद्यार्थी \(0.1000\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ \(25.00\ \mathrm{mL}\) के ऐलिक्वॉट का अनुमापन करके सोडियम हाइड्रॉक्साइड विलयन की सांद्रता निर्धारित करता है।

अभिक्रिया है:

\[ \ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O} \]

विद्यार्थी निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके सोडियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता की गणना करता है:

\[ c(\ce{NaOH})= \frac{c(\ce{HCl})V(\ce{HCl})} {V(\ce{NaOH})} \]

नीचे दी गई प्रत्येक स्वतंत्र त्रुटि के लिए बताइए कि गणना की गई सोडियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता या रिपोर्ट की गई मूल अम्ल की सांद्रता वास्तविक मान से अधिक होगी, कम होगी या अपरिवर्तित रहेगी। अपने तर्क की व्याख्या कीजिए।

(a) \(25.00\ \mathrm{mL}\) सोडियम हाइड्रॉक्साइड के ऐलिक्वॉट को शंक्वाकार फ्लास्क में डालने के बाद, विद्यार्थी अनुमापन शुरू करने से पहले फ्लास्क को आसुत जल से धोता है। (2 अंक)

(b) पिपेट को आसुत जल से धोया जाता है, लेकिन ऐलिक्वॉट स्थानांतरित करने से पहले उसे सोडियम हाइड्रॉक्साइड विलयन से कंडीशन नहीं किया जाता। (2 अंक)

(c) एक अलग अम्ल-तनुकरण प्रयोग में, स्टॉक अम्ल के \(25.00\ \mathrm{mL}\) को \(250.0\ \mathrm{mL}\) की आयतनमितीय फ्लास्क में तनु किया जाता है। विद्यार्थी मेनिस्कस को अंशांकन चिह्न से ऊपर छोड़ देता है, लेकिन मूल अम्ल की सांद्रता की गणना करने के लिए फिर भी 10.00 के तनुकरण गुणक का उपयोग करता है। (2 अंक)

(d) सोडियम हाइड्रॉक्साइड के अनुमापन के दौरान, विद्यार्थी आवश्यकता से अधिक हाइड्रोक्लोरिक अम्ल डालकर सूचक के अंतिम बिंदु को पार कर जाता है। (2 अंक)

03हल सहित समाधान और अंकन मार्गदर्शिका

निर्दिष्ट चरणों या विचारों के लिए अंक दें। अन्य समतुल्य और सही विधियाँ भी स्वीकार्य हैं। यदि बाद की कोई गणना पहले की संख्यात्मक त्रुटि के आधार पर सही ढंग से आगे बढ़ाई गई है, तो विधि वैध रहने पर उचित अनुवर्ती अंक दें।

समाधान 1

(a) औसत टाइटर (1 अंक)

प्रारंभिक टाइटर को छोड़कर तीन संगत टाइटरों का औसत निकालें।

\[ \begin{aligned} V_{\text{औसत}} &=\frac{18.55+18.60+18.65}{3}\\ &=18.60\ \mathrm{mL} \end{aligned} \]

अंकन:

• \(18.60\ \mathrm{mL}\) का सही औसत देने के लिए 1 अंक।

(b) तनु किए गए अम्ल की सांद्रता (4 अंक)

पहले मिलाए गए हाइड्रॉक्साइड आयनों की मात्रा की गणना करें।

\[ \begin{aligned} n(\mathrm{OH}^{-}) &=cV\\ &=0.1200\times0.01860\\ &=2.232\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

संतुलित समीकरण से पता चलता है कि \(\mathrm{OH}^{-}\) के 2 mol, \(\ce{H2A}\) के 1 mol के साथ अभिक्रिया करते हैं।

\[ \begin{aligned} n(\ce{H2A}) &=\frac{2.232\times10^{-3}}{2}\\ &=1.116\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

ऐलिक्वॉट का आयतन \(25.00\ \mathrm{mL}=0.02500\ \mathrm{L}\) है।

\[ \begin{aligned} c_{\text{तनु}} &=\frac{n(\ce{H2A})}{V}\\ &=\frac{1.116\times10^{-3}}{0.02500}\\ &=0.04464\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]

तनु किए गए अम्ल की सांद्रता \(0.04464\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) है।

अंकन:

• \(\mathrm{OH}^{-}\) की मात्रा की गणना के लिए 1 अंक।
• हाइड्रॉक्साइड और अम्ल के बीच 2:1 मोल अनुपात लागू करने के लिए 1 अंक।
• \(\ce{H2A}\) की मात्रा की गणना के लिए 1 अंक।
• मात्रक सहित तनु किए गए अम्ल की सांद्रता की गणना के लिए 1 अंक।

(c) मूल अम्ल की सांद्रता (2 अंक)

तनुकरण गुणक है:

\[ \frac{250.0}{25.00}=10.00 \]

तनुकरण से सांद्रता बदलती है, लेकिन आयतनमितीय फ्लास्क में स्थानांतरित अम्ल की मात्रा नहीं बदलती।

इसलिए,

\[ \begin{aligned} c_{\text{मूल}} &=10.00\times0.04464\\ &=0.4464\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]

अंकन:

• 10.00 के तनुकरण गुणक की पहचान के लिए 1 अंक।
• मात्रक सहित मूल अम्ल की सही सांद्रता के लिए 1 अंक।

(d) संतुलित समीकरण का महत्त्व (1 अंक)

संतुलित समीकरण मोल अनुपात निर्धारित करता है। पूर्ण उदासीनीकरण के लिए \(\ce{H2A}\) के प्रत्येक मोल को \(\mathrm{OH}^{-}\) के 2 mol की आवश्यकता होती है। इसलिए अम्ल की मात्रा ज्ञात करने के लिए सीधे 1:1 अनुपात मान लेना सही नहीं है।

अंकन:

• अम्ल और हाइड्रॉक्साइड के बीच आवश्यक 1:2 मोल अनुपात की पहचान के लिए 1 अंक।

समाधान 2

(a) समतुल्यता बिंदु पर आयतन (1 अंक)

समतुल्यता बिंदु \(50.00\ \mathrm{mL}\) सोडियम हाइड्रॉक्साइड मिलाए जाने पर प्राप्त होता है।

अंकन:

• \(50.00\ \mathrm{mL}\) के लिए 1 अंक।

(b) समतुल्यता बिंदु का pH (2 अंक)

हाइड्रोक्लोरिक अम्ल और सोडियम हाइड्रॉक्साइड दोनों प्रबल हैं, इसलिए वे जल में लगभग पूर्णतः आयनित होते हैं। समतुल्यता पर हाइड्रोनियम और हाइड्रॉक्साइड आयनों ने आवश्यक स्टॉइकियोमेट्रिक मात्राओं में अभिक्रिया कर ली होती है।

शुद्ध आयनिक समीकरण है:

\[ \ce{H3O+ + OH^- -> 2H2O} \]

विलयन में शेष घुलित आयन मुख्यतः \(\mathrm{Na}^{+}\) और \(\mathrm{Cl}^{-}\) होते हैं। ये आयन जल के साथ इस प्रकार महत्त्वपूर्ण अभिक्रिया नहीं करते कि उसका pH बदल जाए। इसलिए \(25^\circ\mathrm{C}\) पर विलयन लगभग उदासीन होता है।

अतः \(pH\approx7.00\)।

अंकन:

• हाइड्रोनियम और हाइड्रॉक्साइड आयनों के उदासीनीकरण की व्याख्या के लिए 1 अंक।
• यह समझाने के लिए 1 अंक कि शेष लवण आयन pH को महत्त्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं करते।

(c) सूचक का चयन (2 अंक)

दिए गए तीन विकल्पों में ब्रोमोथाइमॉल ब्लू सबसे अच्छा विकल्प है। इसका संक्रमण परास pH 6.0-7.6 है, जिसका केंद्र समतुल्यता बिंदु के pH 7.00 के सबसे निकट है।

वक्र में समतुल्यता के आसपास pH तेजी से बदलता है, इसलिए अनुमापक की थोड़ी-सी अतिरिक्त मात्रा डालने पर भी सूचक के रंग में स्पष्ट परिवर्तन होता है।

अंकन:

• ब्रोमोथाइमॉल ब्लू चुनने के लिए 1 अंक।
• इसके संक्रमण परास को समतुल्यता pH से संबंधित करने के लिए 1 अंक।

(d) \(55.00\ \mathrm{mL}\) सोडियम हाइड्रॉक्साइड मिलाने के बाद pH (3 अंक)

पहले अम्ल और क्षार की मात्राओं की गणना करें।

\[ \begin{aligned} n(\ce{HCl}) &=0.1000\times0.05000\\ &=0.005000\ \mathrm{mol}\\[4pt] n(\ce{NaOH}) &=0.1000\times0.05500\\ &=0.005500\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

सोडियम हाइड्रॉक्साइड आधिक्य में है।

\[ n_{\text{अतिरिक्त }\mathrm{OH}^{-}} =0.005500-0.005000 =0.000500\ \mathrm{mol} \]

कुल आयतन है:

\[ V_{\text{कुल}}=0.05000+0.05500 =0.10500\ \mathrm{L} \]

इसलिए,

\[ \begin{aligned} [\mathrm{OH}^{-}] &=\frac{0.000500}{0.10500}\\ &=0.004762\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]

pOH और फिर pH की गणना करें।

\[ \begin{aligned} pOH&=-\log_{10}(0.004762)\\ &=2.322\\ pH&=14.00-2.322\\ &=11.68 \end{aligned} \]

pH का मान \(11.68\) है।

अंकन:

• अतिरिक्त हाइड्रॉक्साइड आयनों की मात्रा की गणना के लिए 1 अंक।
• कुल आयतन का उपयोग करके हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता की गणना के लिए 1 अंक।
• सही pOH और pH प्राप्त करने के लिए 1 अंक।

समाधान 3

(a) समतुल्यता बिंदु पर आयतन (1 अंक)

pH में तीव्र परिवर्तन लगभग \(24.60\ \mathrm{mL}\) पर होता है।

समतुल्यता बिंदु पर आयतन \(24.60\ \mathrm{mL}\) है।

अंकन:

• सही आयतन के लिए 1 अंक।

(b) अम्ल की प्रारंभिक सांद्रता (3 अंक)

एकप्रोटिक अम्ल के उदासीनीकरण का समीकरण है:

\[ \ce{HA + OH^- -> A^- + H2O} \]

मोल अनुपात 1:1 है। समतुल्यता पर अम्ल की प्रारंभिक मात्रा, मिलाए गए सोडियम हाइड्रॉक्साइड की मात्रा के बराबर होती है।

\[ \begin{aligned} n(\ce{NaOH}) &=cV\\ &=0.1000\times0.02460\\ &=0.002460\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

इसलिए, \(\ce{HA}\) की प्रारंभिक मात्रा भी \(0.002460\ \mathrm{mol}\) थी।

\[ \begin{aligned} c(\ce{HA}) &=\frac{0.002460}{0.02500}\\ &=0.09840\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]

अंकन:

• समतुल्यता पर सोडियम हाइड्रॉक्साइड की मात्रा की गणना के लिए 1 अंक।
• 1:1 मोल अनुपात लागू करने के लिए 1 अंक।
• मात्रक सहित अम्ल की सही सांद्रता के लिए 1 अंक।

(c) समतुल्यता बिंदु का pH, 7 से अधिक क्यों है (3 अंक)

समतुल्यता पर मूल दुर्बल अम्ल उदासीन हो चुका होता है और विलयन में उसका संयुग्मी क्षार \(\mathrm{A}^{-}\) शेष रहता है।

संयुग्मी क्षार जल के साथ अभिक्रिया करता है:

\[ \ce{A^- + H2O <=> HA + OH^-} \]

इस अभिक्रिया से हाइड्रॉक्साइड आयन उत्पन्न होते हैं। इन आयनों की उपस्थिति विलयन को क्षारीय बनाती है, इसलिए समतुल्यता बिंदु का pH, 7 से अधिक होता है।

अंकन:

• समतुल्यता पर अम्ल से प्राप्त प्रमुख कण के रूप में संयुग्मी क्षार की पहचान के लिए 1 अंक।
• सही साम्यावस्था समीकरण के लिए 1 अंक।
• हाइड्रॉक्साइड आयनों के उत्पादन को 7 से अधिक pH से जोड़ने के लिए 1 अंक।

(d) सूचक का चयन (2 अंक)

फिनॉल्फ्थेलीन सबसे उपयुक्त विकल्प है। इसका संक्रमण परास pH 8.2-10.0 है, जो समतुल्यता बिंदु के आसपास pH में होने वाले तीव्र परिवर्तन के क्षेत्र में आता है।

मापा गया pH, \(24.50\ \mathrm{mL}\) पर 7.13 से बढ़कर \(24.70\ \mathrm{mL}\) पर 10.30 हो जाता है। इसलिए सूचक को समतुल्यता के निकट आयतन के एक छोटे अंतराल में रंग बदलना चाहिए।

अंकन:

• फिनॉल्फ्थेलीन चुनने और उसका संक्रमण परास बताने के लिए 1 अंक।
• इस परास को वक्र के तीव्र परिवर्तन वाले भाग से संबंधित करने के लिए 1 अंक।

समाधान 4

(a) समतुल्यता बिंदु पर आयतन (1 अंक)

समतुल्यता बिंदु \(15.00\ \mathrm{mL}\) हाइड्रोक्लोरिक अम्ल मिलाए जाने पर प्राप्त होता है।

अंकन:

• \(15.00\ \mathrm{mL}\) के लिए 1 अंक।

(b) अमोनिया की प्रारंभिक सांद्रता (3 अंक)

अमोनिया और हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के बीच मोल अनुपात 1:1 है:

\[ \ce{NH3 + HCl -> NH4Cl} \]

समतुल्यता पर मिलाए गए हाइड्रोक्लोरिक अम्ल की मात्रा, अमोनिया की प्रारंभिक मात्रा के बराबर होती है।

\[ \begin{aligned} n(\ce{HCl}) &=0.1000\times0.01500\\ &=0.001500\ \mathrm{mol} \end{aligned} \]

इसलिए,

\[ \begin{aligned} c(\ce{NH3}) &=\frac{0.001500}{0.02000}\\ &=0.07500\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \end{aligned} \]

अंकन:

• समतुल्यता पर हाइड्रोक्लोरिक अम्ल की मात्रा की गणना के लिए 1 अंक।
• 1:1 मोल अनुपात लागू करने के लिए 1 अंक।
• मात्रक सहित अमोनिया की सही सांद्रता के लिए 1 अंक।

(c) समतुल्यता बिंदु का pH, 7 से कम क्यों है (3 अंक)

अमोनिया एक दुर्बल क्षार है। समतुल्यता पर यह हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया कर चुका होता है और विलयन में अमोनियम आयन शेष रहते हैं।

अमोनियम आयन जल के साथ निम्नलिखित अभिक्रिया करते हैं:

\[ \ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+} \]

इस अभिक्रिया से हाइड्रोनियम आयन उत्पन्न होते हैं, जिससे विलयन अम्लीय हो जाता है। इसलिए समतुल्यता बिंदु का pH, 7 से कम होता है।

अंकन:

• समतुल्यता पर संबंधित कण के रूप में \(\ce{NH4+}\) की पहचान के लिए 1 अंक।
• सही साम्यावस्था समीकरण के लिए 1 अंक।
• यह समझाने के लिए 1 अंक कि हाइड्रोनियम आयनों के उत्पादन से pH घटकर 7 से कम हो जाता है।

(d) सूचक का चयन (2 अंक)

मिथाइल रेड सबसे उपयुक्त विकल्प है। इसका संक्रमण परास pH 4.4-6.2 है, जिसमें समतुल्यता बिंदु का pH 5.31 शामिल है।

इसका संक्रमण परास समतुल्यता के आसपास pH में होने वाले तीव्र परिवर्तन के क्षेत्र में भी आता है, जिससे अंतिम बिंदु का पता लगाने के लिए यह उपयुक्त है।

अंकन:

• मिथाइल रेड चुनने और उसका संक्रमण परास बताने के लिए 1 अंक।
• इसके संक्रमण परास को समतुल्यता बिंदु के pH और वक्र के तीव्र परिवर्तन वाले भाग से संबंधित करने के लिए 1 अंक।

• प्रबल अम्ल-प्रबल क्षार (pH ≈ 7)
• दुर्बल अम्ल-प्रबल क्षार (pH > 7)
• प्रबल अम्ल-दुर्बल क्षार (pH < 7)

मुख्य तुलना यह है कि समतुल्यता बिंदु का pH संबंधित अम्ल और क्षार पर निर्भर करता है। उदासीनीकरण अभिक्रिया होने का अर्थ यह नहीं है कि प्राप्त विलयन का pH अनिवार्य रूप से 7 होगा।

समाधान 5

(a) समतुल्यता बिंदु पर आयतन (1 अंक)

चालकता लगभग \(25.00\ \mathrm{mL}\) पर न्यूनतम होती है।

समतुल्यता बिंदु पर आयतन \(25.00\ \mathrm{mL}\) है।

अंकन:

• सही आयतन के लिए 1 अंक।

(b) प्रत्येक अवस्था में प्रमुख आयन (3 अंक)

• समतुल्यता से ठीक पहले: \(\ce{H3O+}\), \(\mathrm{Na}^{+}\) और \(\mathrm{Cl}^{-}\)। हाइड्रोक्लोरिक अम्ल आधिक्य में शेष रहता है।
• समतुल्यता पर: \(\mathrm{Na}^{+}\) और \(\mathrm{Cl}^{-}\)। विलयन में घुला हुआ सोडियम क्लोराइड उपस्थित होता है।
• समतुल्यता के ठीक बाद: \(\mathrm{Na}^{+}\), \(\mathrm{Cl}^{-}\) और आधिक्य में \(\mathrm{OH}^{-}\)। अब सोडियम हाइड्रॉक्साइड आधिक्य में होता है।

अंकन:

• समतुल्यता से पहले प्रमुख आयनों के लिए 1 अंक।
• समतुल्यता पर प्रमुख आयनों के लिए 1 अंक।
• समतुल्यता के बाद प्रमुख आयनों के लिए 1 अंक।

(c) चालकता पहले क्यों घटती है और फिर बढ़ती है (2 अंक)

समतुल्यता से पहले, मिलाए गए हाइड्रॉक्साइड आयन अत्यधिक गतिशील हाइड्रोनियम आयनों को उदासीन कर देते हैं। इन हाइड्रोनियम आयनों का स्थान धीरे-धीरे सोडियम आयन लेते हैं, जिनकी आयनिक गतिशीलता कम होती है। इसलिए चालकता घटती है।

समतुल्यता के बाद, अतिरिक्त सोडियम हाइड्रॉक्साइड मिलाने से आधिक्य में हाइड्रॉक्साइड आयन और अधिक सोडियम आयन विलयन में आते हैं। ये गतिशील आयन चालकता बढ़ाते हैं।

अंकन:

• अत्यधिक गतिशील हाइड्रोनियम आयनों के हटने को चालकता में कमी से जोड़ने के लिए 1 अंक।
• आधिक्य में हाइड्रॉक्साइड आयनों और अतिरिक्त सोडियम आयनों की उपस्थिति को चालकता में वृद्धि से जोड़ने के लिए 1 अंक।

(d) समतुल्यता पर चालकता (2 अंक)

यह दावा गलत है। उदासीनीकरण से आधिक्य में उपस्थित हाइड्रोनियम और हाइड्रॉक्साइड आयन हट जाते हैं, लेकिन सोडियम और क्लोराइड आयन विलयन से नहीं हटते।

ये आयन गतिशील रहते हैं और विद्युत आवेश का वहन कर सकते हैं। इसलिए चालकता शून्य होने के बजाय न्यूनतम होती है।

अंकन:

• यह बताने के लिए 1 अंक कि समतुल्यता पर चालकता शून्य नहीं होती।
• शेष गतिशील \(\mathrm{Na}^{+}\) और \(\mathrm{Cl}^{-}\) आयनों की पहचान के लिए 1 अंक।

समाधान 6

(a) शंक्वाकार फ्लास्क में आसुत जल मिलाना (2 अंक)

गणना की गई सोडियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता अपरिवर्तित रहेगी।

मापे गए ऐलिक्वॉट में सोडियम हाइड्रॉक्साइड की मात्रा पहले से ही निश्चित होती है। आसुत जल मिलाने से कुल आयतन बढ़ता है और फ्लास्क में विलयन की सांद्रता घटती है, लेकिन अभिक्रिया करने के लिए आवश्यक सोडियम हाइड्रॉक्साइड के मोलों की संख्या नहीं बदलती।

इसलिए समतुल्यता बिंदु तक पहुँचने के लिए आवश्यक टाइटर अपरिवर्तित रहता है।

अंकन:

• यह बताने के लिए 1 अंक कि गणना की गई सांद्रता अपरिवर्तित रहती है।
• यह समझाने के लिए 1 अंक कि ऐलिक्वॉट में सोडियम हाइड्रॉक्साइड की मात्रा स्थिर रहती है।

(b) पिपेट को सोडियम हाइड्रॉक्साइड से कंडीशन न करना (2 अंक)

गणना की गई सोडियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता वास्तविक मान से कम होगी।

पिपेट में बचा हुआ जल, उसके द्वारा स्थानांतरित किए गए सोडियम हाइड्रॉक्साइड को तनु कर देता है। इसलिए नाममात्र आयतन वाले ऐलिक्वॉट में अपेक्षा से कम मोल सोडियम हाइड्रॉक्साइड होते हैं और समतुल्यता तक पहुँचने के लिए कम हाइड्रोक्लोरिक अम्ल की आवश्यकता होती है।

गणना में इस छोटे टाइटर का उपयोग करने से सोडियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता का अनुमान वास्तविक मान से कम होता है।

अंकन:

• यह बताने के लिए 1 अंक कि गणना की गई सांद्रता वास्तविक मान से कम होगी।
• बचे हुए जल को स्थानांतरित किए गए मोलों की कम संख्या और छोटे टाइटर से जोड़ने के लिए 1 अंक।

(c) आयतनमितीय फ्लास्क को अंशांकन चिह्न से ऊपर तक भरना (2 अंक)

रिपोर्ट की गई मूल स्टॉक अम्ल की सांद्रता वास्तविक मान से कम होगी।

वास्तविक अंतिम आयतन \(250.0\ \mathrm{mL}\) से अधिक होता है, इसलिए तैयार अम्ल अपेक्षित सांद्रता से अधिक तनु होता है। उसकी सांद्रता दस गुना तनुकरण के लिए अपेक्षित मान से कम होती है।

इसलिए मापी गई तनु अम्ल की सांद्रता को 10.00 के नाममात्र तनुकरण गुणक से गुणा करने पर मूल सांद्रता का अनुमान वास्तविक मान से कम प्राप्त होता है।

अंकन:

• यह बताने के लिए 1 अंक कि रिपोर्ट की गई मूल सांद्रता वास्तविक मान से कम होगी।
• अधिक अंतिम आयतन और गलत नाममात्र तनुकरण गुणक की व्याख्या के लिए 1 अंक।

(d) अंतिम बिंदु से आगे निकल जाना (2 अंक)

गणना की गई सोडियम हाइड्रॉक्साइड की सांद्रता वास्तविक मान से अधिक होगी।

अंतिम बिंदु से आगे निकल जाने का अर्थ है कि स्टॉइकियोमेट्रिक समतुल्यता के लिए आवश्यक मात्रा से अधिक हाइड्रोक्लोरिक अम्ल दर्ज किया गया है। गणना में इस अतिरिक्त अम्ल को ऐसे माना जाता है, मानो उसने सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ अभिक्रिया की हो। इससे ऐलिक्वॉट में क्षार की मात्रा का अनुमान वास्तविक मान से अधिक हो जाता है।

चूँकि ऐलिक्वॉट का आयतन निश्चित है, इसलिए गणना की गई सांद्रता वास्तविक मान से अधिक होगी।

अंकन:

• यह बताने के लिए 1 अंक कि गणना की गई सांद्रता वास्तविक मान से अधिक होगी।
• यह समझाने के लिए 1 अंक कि अतिरिक्त टाइटर से सोडियम हाइड्रॉक्साइड की मात्रा का अनुमान अधिक हो जाता है।

प्रश्नपत्र समाप्त

अंकों का सारांश: प्रश्न 1: 8 अंक; प्रश्न 2: 8 अंक; प्रश्न 3: 9 अंक; प्रश्न 4: 9 अंक; प्रश्न 5: 8 अंक; प्रश्न 6: 8 अंक। कुल: 50 अंक।