धातु एवं अधातु: पाठ, हल किए गए प्रश्न और अभ्यास

धातु एवं अधातु: अपने आसपास से शुरुआत

गाँव के चापाकल का लोहे वाला हत्था बरसात के बाद भूरा पड़ने लगता है। घर में पीतल और ताँबे के लोटे-थाली को इमली या नींबू से रगड़कर चमकाया जाता है। रसोई में ऐलुमिनियम की देगची और लोहे की कड़ाही है, और दीवार के अंदर बिजली के ताँबे के तार चलते हैं। ये सब धातुएँ हैं।

दूसरी ओर चूल्हे का कोयला (कार्बन), पटाखों में पड़ने वाला गंधक (सल्फ़र), घाव पर लगने वाले टिंचर का आयोडीन और साँस के साथ जाने वाली ऑक्सीजन अधातुएँ हैं।

कक्षा 9 में आपने तत्वों को धातु और अधातु में बाँटना सीखा था। अब तीन बातों पर सोचिए:

• अपने रोज़ के जीवन में धातुओं और अधातुओं का उपयोग कहाँ-कहाँ होता है?
• किन गुणधर्मों के आधार पर किसी तत्व को धातु या अधातु कहा जाता है?
• किसी धातु का उपयोग उसके गुणधर्म से कैसे जुड़ा है? कड़ाही लोहे की और बिजली का तार ताँबे का ही क्यों बनता है?

अध्याय इन सवालों का जवाब भौतिक गुणधर्मों से शुरू करता है, फिर रासायनिक गुणधर्मों, अयस्क से धातु निकालने और संक्षारण तक जाता है।

धातुओं के भौतिक गुणधर्म: चमक, कठोरता और आकार बदलना

इन क्रियाकलापों के लिए आयरन, कॉपर, ऐलुमिनियम, मैग्नीशियम, सोडियम, लेड और जिंक जैसी धातुओं के नमूने चाहिए।

धात्विक चमक: आयरन, कॉपर, ऐलुमिनियम और मैग्नीशियम के नमूने पहले जैसे हैं वैसे देखिए, फिर रेगमाल से रगड़कर। रगड़ने के बाद सतह चमकने लगती है। अपने शुद्ध रूप में धातु की सतह चमकदार होती है। धातु के इस गुणधर्म को धात्विक चमक कहते हैं।

कठोरता: आयरन, कॉपर, ऐलुमिनियम और मैग्नीशियम के टुकड़ों को तेज़ धार वाले चाकू से काटने की कोशिश कीजिए। ये आसानी से नहीं कटते। धातुएँ सामान्यतः कठोर होती हैं, पर हर धातु की कठोरता अलग-अलग होती है। सोडियम को चिमटे से पकड़कर फ़िल्टर पेपर के बीच दबाकर सुखाइए, फिर वाच-ग्लास पर रखकर काटिए। यह चाकू से आसानी से कट जाता है। सोडियम को कभी हाथ से मत छूइए।

आघातवर्ध्यता: आयरन, जिंक, लेड या कॉपर के टुकड़े को लोहे के ब्लॉक पर रखकर चार-पाँच बार हथौड़े से पीटिए। टुकड़ा चपटा होकर पतली चादर जैसा हो जाता है। पीटकर पतली चादर बनाए जा सकने के गुणधर्म को आघातवर्ध्यता कहते हैं। सोना और चाँदी सबसे अधिक आघातवर्ध्य धातुएँ हैं।

तन्यता: आयरन, कॉपर और ऐलुमिनियम जैसी धातुएँ तार के रूप में भी मिलती हैं। धातु को खींचकर पतला तार बनाने की क्षमता को तन्यता कहते हैं। सोना सबसे अधिक तन्य धातु है: एक ग्राम सोने से लगभग 2 km लंबा तार बनाया जा सकता है।

आघातवर्ध्यता और तन्यता के कारण ही धातुओं को आवश्यकता के अनुसार चादर, तार, बर्तन या गहनों का आकार दिया जा सकता है।

ऊष्मा, विद्युत और आवाज़

ऊष्मा का चालन: ऐलुमिनियम या कॉपर के तार को क्लैंप की मदद से स्टैंड में बाँधिए। तार के खुले सिरे पर मोम से एक पिन चिपका दीजिए और क्लैंप के पास स्पिरिट लैंप, मोमबत्ती या बर्नर से तार को गर्म कीजिए। थोड़ी देर में मोम पिघलता है और पिन गिर जाती है, पर तार नहीं पिघलता।

चित्र के नामांकन: 1. स्टैंड, 2. क्लैंप, 3. धातु का तार (ऐलुमिनियम या कॉपर), 4. मोम, 5. पिन, 6. स्पिरिट लैंप

इससे दो बातें पता चलती हैं: धातुएँ ऊष्मा की सुचालक हैं, और उनका गलनांक बहुत अधिक होता है। सिल्वर और कॉपर ऊष्मा के सबसे अच्छे चालक हैं। इनकी तुलना में लेड और मर्करी ऊष्मा के कुचालक हैं। खाना पकाने के बर्तन इसी कारण ऐलुमिनियम, लोहे या ताँबे के बनते हैं।

विद्युत का चालन: बैटरी, बल्ब और स्विच से एक परिपथ बनाइए और जाँच वाली धातु को दो टर्मिनलों A और B के बीच लगाइए। बल्ब जल उठता है, जिससे पता चलता है कि धातुएँ विद्युत की सुचालक हैं। घर तक बिजली लाने वाले तारों पर पॉलिविनाइल क्लोराइड (PVC) या रबड़ की परत चढ़ी होती है। ये पदार्थ विद्युत के कुचालक हैं, इसलिए तार छूने पर झटका नहीं लगता।

चित्र के नामांकन: 1. बैटरी, 2. स्विच, 3. बल्ब, 4. टर्मिनल A, 5. टर्मिनल B, 6. जाँच वाली धातु, 7. संयोजक तार

ध्वानिकता: धातु किसी कठोर सतह से टकराती है तो बजने की आवाज़ आती है। ऐसी धातुओं को ध्वानिक (सोनोरस) कहते हैं। स्कूल की घंटी धातु की इसी कारण बनाई जाती है।

अधातुएँ और भौतिक गुणधर्मों के अपवाद

धातुओं की तुलना में अधातुओं की संख्या कम है। कार्बन, सल्फ़र, आयोडीन, ऑक्सीजन और हाइड्रोजन अधातुओं के उदाहरण हैं। अधातुएँ ठोस या गैस होती हैं। ब्रोमीन अकेली ऐसी अधातु है जो कमरे के ताप पर द्रव है।

कार्बन (कोयला या ग्रैफ़ाइट), सल्फ़र और आयोडीन के साथ यही सारे परीक्षण दोहराकर प्रेक्षण एक सारणी में लिखिए। तुलना ऐसी बनती है:

फिर भी सिर्फ़ भौतिक गुणधर्मों से हर तत्व को सही समूह में नहीं रखा जा सकता, क्योंकि इनमें कई अपवाद हैं:

1. मर्करी को छोड़कर सारी धातुएँ कमरे के ताप पर ठोस हैं। धातुओं का गलनांक प्रायः अधिक होता है, पर गैलियम और सीज़ियम का गलनांक इतना कम है कि हथेली पर रखते ही ये पिघलने लगती हैं।
2. आयोडीन अधातु होते हुए भी चमकीला है।
3. कार्बन कई रूपों में मिलता है, और हर रूप को अपररूप कहते हैं। हीरा कार्बन का एक अपररूप है। यह सबसे कठोर प्राकृतिक पदार्थ है और इसका गलनांक तथा क्वथनांक बहुत अधिक है। कार्बन का दूसरा अपररूप ग्रैफ़ाइट विद्युत का सुचालक है।
4. क्षारीय धातुएँ (लीथियम, सोडियम, पोटैशियम) इतनी मुलायम हैं कि चाकू से कट जाती हैं। इनका घनत्व और गलनांक भी कम है।

इसलिए धातु और अधातु की साफ़ पहचान उनके रासायनिक गुणधर्मों से होती है।

ऑक्साइड बताते हैं: धातु या अधातु

एक सरल क्रियाकलाप में मैग्नीशियम की पट्टी और थोड़ा सल्फ़र चूर्ण जलाकर उनके ऑक्साइडों की प्रकृति जाँची जाती है।

1. मैग्नीशियम की पट्टी जलाइए, उसकी राख पानी में घोलिए और विलयन को लाल तथा नीले लिटमस पेपर से जाँचिए। लाल लिटमस नीला हो जाता है, तो मैग्नीशियम का ऑक्साइड क्षारकीय है।
2. अब सल्फ़र चूर्ण जलाइए और उठते धुएँ को ऊपर रखी परखनली में इकट्ठा कीजिए। परखनली में पानी डालकर हिलाइए और लिटमस से जाँचिए। नीला लिटमस लाल हो जाता है, तो सल्फ़र का ऑक्साइड अम्लीय है।

इन अभिक्रियाओं के समीकरण:

2Mg + O₂ → 2MgO

MgO + H₂O → Mg(OH)₂ (मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड, क्षारक)

S + O₂ → SO₂

SO₂ + H₂O → H₂SO₃ (सल्फ़्यूरस अम्ल)

इससे नियम निकलता है: अधिकतर धातुएँ क्षारकीय ऑक्साइड बनाती हैं, जबकि अधिकांश अधातुओं के ऑक्साइड जल में घुलकर अम्ल बनाते हैं। कुछ अधातुओं के ऑक्साइड उदासीन भी होते हैं, जैसे कार्बन मोनोऑक्साइड (CO)।

धातुएँ वायु में जलें तो

धातुओं के दहन वाले क्रियाकलाप में हर धातु को चिमटे से पकड़कर ज्वाला में जलाया जाता है। इसमें शिक्षक की मदद लीजिए और हो सके तो आँखों पर चश्मा लगाइए। लगभग सभी धातुएँ ऑक्सीजन से मिलकर अपने ऑक्साइड बनाती हैं:

धातु + ऑक्सीजन → धातु ऑक्साइड

कॉपर को हवा में गर्म करने पर काले रंग का कॉपर (II) ऑक्साइड बनता है। ऐलुमिनियम इसी तरह ऐलुमिनियम ऑक्साइड बनाता है:

2Cu + O₂ → 2CuO

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃

उभयधर्मी ऑक्साइड: धातु ऑक्साइड की प्रकृति सामान्यतः क्षारकीय होती है। पर ऐलुमिनियम ऑक्साइड और जिंक ऑक्साइड जैसे कुछ धातु ऑक्साइड अम्ल और क्षारक, दोनों से अभिक्रिया करके लवण तथा जल बनाते हैं। ऐसे ऑक्साइड उभयधर्मी ऑक्साइड कहलाते हैं:

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O (सोडियम ऐलुमिनेट)

ज़्यादातर धातु ऑक्साइड जल में अघुलनशील हैं, पर कुछ जल में घुलकर क्षार बनाते हैं:

Na₂O(s) + H₂O(l) → 2NaOH(aq)

K₂O(s) + H₂O(l) → 2KOH(aq)

सब धातुएँ एक जैसी तेज़ी से अभिक्रिया नहीं करतीं:

सोडियम सबसे अधिक अभिक्रियाशील निकलता है, मैग्नीशियम उससे कम। जिंक, आयरन, कॉपर और लेड का क्रम जानने के लिए जल और अम्ल वाली अभिक्रियाएँ देखनी पड़ती हैं।

क्या आप जानते हैं? ऐनोडीकरण: ऐलुमिनियम पर बनी ऑक्साइड की पतली परत को मोटा करने की प्रक्रिया ऐनोडीकरण है, जिससे वह संक्षारण से और सुरक्षित हो जाता है। ऐलुमिनियम की साफ़ वस्तु को ऐनोड बनाकर तनु सल्फ़्यूरिक अम्ल के साथ विद्युत अपघटन किया जाता है। ऐनोड पर निकली ऑक्सीजन ऐलुमिनियम से मिलकर ऑक्साइड की मोटी परत बनाती है। इस परत को आसानी से रँगकर ऐलुमिनियम की आकर्षक वस्तुएँ बनाई जाती हैं।

धातुएँ और जल

जल वाले क्रियाकलाप में धातुओं के छोटे टुकड़े पहले ठंडे जल से आधे भरे बीकरों में डाले जाते हैं। जो धातु ठंडे जल से अभिक्रिया न करे, उसे गर्म जल में डालते हैं, और जो गर्म जल से भी न करे, उस पर भाप प्रवाहित करते हैं। इसमें भी शिक्षक का साथ आवश्यक है। सामान्य नियम है:

धातु + जल → धातु ऑक्साइड + हाइड्रोजन

धातु ऑक्साइड + जल → धातु हाइड्रॉक्साइड (जब ऑक्साइड जल में घुलनशील हो)

ठंडे जल से तेज़ अभिक्रिया: पोटैशियम और सोडियम की अभिक्रिया इतनी तेज़ और ऊष्माक्षेपी होती है कि निकली हाइड्रोजन तुरंत जल उठती है:

2K(s) + 2H₂O(l) → 2KOH(aq) + H₂(g) + ऊष्मीय ऊर्जा

2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g) + ऊष्मीय ऊर्जा

कैल्सियम: अभिक्रिया थोड़ी धीमी है, और निकली ऊष्मा हाइड्रोजन को जलाने के लिए काफ़ी नहीं होती। हाइड्रोजन के बुलबुले धातु की सतह पर चिपक जाते हैं, इसलिए कैल्सियम तैरने लगता है:

Ca(s) + 2H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g)

मैग्नीशियम: ठंडे जल से अभिक्रिया नहीं करता, पर गर्म जल से मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड और हाइड्रोजन बनाता है। बुलबुले चिपकने से यह भी तैरने लगता है:

Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂ (गर्म जल के साथ)

सिर्फ़ भाप से: ऐलुमिनियम, आयरन और जिंक न ठंडे जल से अभिक्रिया करते हैं, न गर्म जल से। भाप के साथ ये धातु ऑक्साइड और हाइड्रोजन देते हैं:

2Al(s) + 3H₂O(g) → Al₂O₃(s) + 3H₂(g)

3Fe(s) + 4H₂O(g) → Fe₃O₄(s) + 4H₂(g)

चित्र के नामांकन: 1. जल में भीगी ग्लास वूल, 2. धातु का नमूना, 3. क्वथन नली, 4. बर्नर, 5. स्टैंड और क्लैंप, 6. निकास नली, 7. हाइड्रोजन गैस, 8. जल से भरी द्रोणी

बिलकुल नहीं: लेड, कॉपर, सिल्वर और गोल्ड जल से कोई अभिक्रिया नहीं करते।

धातुएँ और तनु अम्ल

धातुएँ अम्ल से अभिक्रिया करके संगत लवण और हाइड्रोजन गैस देती हैं:

धातु + तनु अम्ल → लवण + हाइड्रोजन

अम्ल वाले क्रियाकलाप में धातुओं के साफ़ नमूने तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल वाली अलग-अलग परखनलियों में डालकर हर एक में थर्मामीटर लटकाया जाता है। सोडियम और पोटैशियम नहीं लिए जाते, क्योंकि वे ठंडे जल से भी बहुत तेज़ अभिक्रिया करते हैं।

• मैग्नीशियम के साथ बुलबुले सबसे तेज़ बनते हैं और तापमान भी सबसे अधिक बढ़ता है, क्योंकि यह अभिक्रिया सबसे अधिक ऊष्माक्षेपी है।
• अभिक्रियाशीलता इस क्रम में घटती है: Mg > Al > Zn > Fe
• कॉपर के साथ न बुलबुले बनते हैं, न ताप बदलता है। कॉपर तनु HCl से अभिक्रिया नहीं करता।

इनके समीकरण:

Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂

2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

तनु सल्फ़्यूरिक अम्ल के साथ भी यही होता है, जैसे आयरन के साथ:

Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂ (तनु अम्ल)

नाइट्रिक अम्ल का अपवाद: जब धातुएँ नाइट्रिक अम्ल से अभिक्रिया करती हैं, तब हाइड्रोजन गैस नहीं निकलती। HNO₃ प्रबल ऑक्सीकारक है। यह बनी हुई H₂ का उपचयन करके उसे जल बना देता है और ख़ुद नाइट्रोजन के किसी ऑक्साइड (N₂O, NO या NO₂) में अपचयित हो जाता है। मैग्नीशियम और मैंगनीज़, अति तनु HNO₃ के साथ हाइड्रोजन गैस देते हैं।

ऐक्वा रेजिया (अम्लराज): सांद्र हाइड्रोक्लोरिक अम्ल और सांद्र नाइट्रिक अम्ल का 3 : 1 के अनुपात में ताज़ा मिश्रण ऐक्वा रेजिया कहलाता है। लैटिन में इसका अर्थ "रॉयल जल" है। यह गोल्ड और प्लैटिनम को भी गला देता है, जबकि दोनों में से कोई अम्ल अकेले ऐसा नहीं कर पाता। यह भभकता हुआ और प्रबल संक्षारक द्रव है।

एक धातु दूसरी को हटाए: सक्रियता श्रेणी

लवण विलयन वाले क्रियाकलाप में कॉपर का साफ़ तार आयरन सल्फ़ेट के विलयन में और लोहे की कील कॉपर सल्फ़ेट के विलयन में डालकर 20 मिनट छोड़ दी जाती है। कॉपर वाली परखनली में कोई बदलाव नहीं होता। लोहे की कील पर भूरी परत चढ़ जाती है और विलयन का नीला रंग फीका पड़कर हल्का हरा होने लगता है:

Fe(s) + CuSO₄(aq) → FeSO₄(aq) + Cu(s)

यह विस्थापन अभिक्रिया है, और इससे साफ़ है कि आयरन, कॉपर से अधिक अभिक्रियाशील है। सामान्य नियम यह है: अभिक्रियाशील धातु अपने से कम अभिक्रियाशील धातु को उसके यौगिक के विलयन या गलित अवस्था से विस्थापित कर देती है।

धातु A + B का लवण विलयन → A का लवण विलयन + धातु B (जब A, B से अधिक अभिक्रियाशील हो)

ऑक्सीजन, जल और अम्ल वाले प्रयोगों से सारी धातुएँ एक क्रम में नहीं आ पाई थीं, क्योंकि कुछ धातुएँ इनसे अभिक्रिया ही नहीं करतीं। विस्थापन के प्रयोग अभिक्रियाशीलता का सबसे अच्छा प्रमाण देते हैं। धातुओं को अभिक्रियाशीलता के अवरोही (घटते) क्रम में रखने वाली सूची सक्रियता श्रेणी कहलाती है:

इसी नियम से जिंक को आयरन (II) सल्फ़ेट के विलयन में डालने पर हल्का हरा रंग उड़ जाता है और जिंक पर आयरन जमता है: Zn + FeSO₄ → ZnSO₄ + Fe

हाइड्रोजन धातु नहीं है, पर तुलना के लिए श्रेणी में रखा गया है। हाइड्रोजन से ऊपर की धातुएँ तनु अम्ल से हाइड्रोजन को विस्थापित कर सकती हैं, उसके नीचे वाली (कॉपर, मर्करी, सिल्वर, गोल्ड) नहीं कर सकतीं।

धातुएँ इलेक्ट्रॉन देती हैं, अधातुएँ लेती हैं

धातुएँ ऐसी अभिक्रियाएँ क्यों करती हैं? उत्कृष्ट गैसों का संयोजकता कोश पूरा भरा होता है, इसलिए उनकी रासायनिक अभिक्रियाएँ बहुत कम होती हैं। दूसरे तत्व अपना संयोजकता कोश पूरा करने की प्रवृत्ति के कारण अभिक्रिया करते हैं:

धातुओं के बाहरी कोश में 1, 2 या 3 इलेक्ट्रॉन हैं, जबकि अधातुओं के बाहरी कोश में 5, 6 या 7।

सोडियम क्लोराइड का बनना: सोडियम (2, 8, 1) अपने M कोश का एक इलेक्ट्रॉन त्याग दे, तो L कोश उसका बाहरी कोश बन जाता है, जिसमें स्थायी अष्टक है। नाभिक में 11 प्रोटॉन रहते हैं पर इलेक्ट्रॉन 10 रह जाते हैं, इसलिए एक इकाई धन आवेश आ जाता है और सोडियम धनायन Na⁺ बनता है। क्लोरीन (2, 8, 7) को अष्टक के लिए एक इलेक्ट्रॉन चाहिए। वह सोडियम का छोड़ा हुआ इलेक्ट्रॉन ग्रहण कर लेता है। अब नाभिक में 17 प्रोटॉन और कोशों में 18 इलेक्ट्रॉन हैं, तो क्लोराइड ऋणायन Cl⁻ बनता है।

Na → Na⁺ + e⁻ (2, 8, 1 से 2, 8)

Cl + e⁻ → Cl⁻ (2, 8, 7 से 2, 8, 8)

विपरीत आवेश वाले ये आयन मज़बूत स्थिरवैद्युत बल से बँधकर सोडियम क्लोराइड बनाते हैं। सोडियम क्लोराइड अणु के रूप में नहीं पाया जाता, यह विपरीत आयनों का समुच्चय है।

इलेक्ट्रॉन-बिंदु रूप में इसे ऐसे दिखाते हैं: Na के पास बाहरी कोश का एक इलेक्ट्रॉन बिंदु से, और Cl के चारों ओर सात इलेक्ट्रॉन क्रॉस से दिखाए जाते हैं। तीर दिखाता है कि Na का इलेक्ट्रॉन Cl पर गया। उत्पाद में (Na⁺) और बड़े कोष्ठक में आठ इलेक्ट्रॉनों वाला [Cl]⁻ लिखा जाता है।

मैग्नीशियम क्लोराइड: मैग्नीशियम (2, 8, 2) दो इलेक्ट्रॉन त्यागकर Mg²⁺ बनता है। ये दोनों इलेक्ट्रॉन क्लोरीन के दो परमाणु एक-एक करके ले लेते हैं:

Mg → Mg²⁺ + 2e⁻ (2, 8, 2 से 2, 8)

Cl + e⁻ → Cl⁻ (ऐसे दो क्लोराइड आयन बनते हैं)

तो MgCl₂ में धनायन Mg²⁺ और ऋणायन Cl⁻ हैं।

धातु से अधातु में इलेक्ट्रॉन के स्थानांतरण से बने यौगिक आयनिक यौगिक या वैद्युत संयोजक यौगिक कहलाते हैं। इलेक्ट्रॉन देकर धनायन बनाने के कारण धातुएँ विद्युत धनात्मक और इलेक्ट्रॉन लेकर ऋणायन बनाने के कारण अधातुएँ विद्युत ऋणात्मक तत्व कहलाती हैं।

आयनिक यौगिकों के गुणधर्म

लवणों वाले क्रियाकलाप में सोडियम क्लोराइड, पोटैशियम आयोडाइड या बेरियम क्लोराइड जैसे ठोस लवण लिए जाते हैं। स्पैचुला पर ज्वाला में गर्म करने पर ये मुश्किल से पिघलते हैं। ये जल में घुलते हैं, पेट्रोल और किरोसिन में नहीं। लवण के विलयन में ग्रैफ़ाइट की दो छड़ें डालकर बैटरी और बल्ब वाला परिपथ पूरा करने पर बल्ब जल उठता है।

चित्र के नामांकन: 1. बैटरी, 2. बल्ब (जलता हुआ), 3. संयोजक तार, 4. ग्रैफ़ाइट की छड़ें, 5. बीकर, 6. लवण का विलयन

इनसे आयनिक यौगिकों के चार सामान्य गुणधर्म निकलते हैं:

1. भौतिक प्रकृति: धन और ऋण आयनों के बीच मज़बूत आकर्षण बल के कारण आयनिक यौगिक ठोस और थोड़े कठोर होते हैं। ये प्रायः भंगुर होते हैं और दाब डालने पर टुकड़ों में टूट जाते हैं।
2. गलनांक और क्वथनांक: बहुत अधिक होते हैं, क्योंकि मज़बूत अंतर-आयनिक आकर्षण को तोड़ने के लिए काफ़ी ऊर्जा चाहिए।
3. घुलनशीलता: वैद्युत संयोजक यौगिक सामान्यतः जल में घुलनशील और किरोसिन, पेट्रोल जैसे विलायकों में अविलेय होते हैं।
4. विद्युत चालकता: विद्युत के चालन के लिए आवेशित कणों का चल पाना आवश्यक है। जलीय विलयन में आयन होते हैं, जो धारा प्रवाहित करने पर विपरीत इलेक्ट्रोडों की ओर चलते हैं, इसलिए विलयन चालन करता है। ठोस अवस्था में दृढ़ संरचना के कारण आयन हिल नहीं पाते, तो ठोस आयनिक यौगिक चालन नहीं करते। गलित अवस्था में ऊष्मा से आयनों के बीच का आकर्षण बल कमज़ोर पड़ जाता है, आयन स्वतंत्र होकर चलते हैं, और चालन होता है।

कुछ आयनिक यौगिकों के गलनांक और क्वथनांक

इस सारणी में सबसे ऊँचा गलनांक कैल्सियम ऑक्साइड का है।

धातुएँ कहाँ से मिलती हैं: खनिज और अयस्क

पृथ्वी की भूपर्पटी धातुओं का मुख्य स्रोत है। समुद्री जल में भी सोडियम क्लोराइड, मैग्नीशियम क्लोराइड जैसे विलेय लवण रहते हैं।

• भूपर्पटी में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले तत्वों या यौगिकों को खनिज कहते हैं।
• जिन खनिजों में कोई धातु इतनी मात्रा में हो कि उसे निकालना लाभकारी हो, उन्हें अयस्क कहते हैं।
• खनन से निकले अयस्क में मिली मिट्टी, रेत जैसी अशुद्धियों को गैंग (gangue) कहते हैं।

अभिक्रियाशीलता के आधार पर धातुएँ तीन वर्गों में बँटती हैं, और हर वर्ग के लिए अलग तकनीक लगती है:

कॉपर इन दोनों वर्गों की सीमा पर है: वह स्वतंत्र अवस्था में भी मिलता है और सल्फ़ाइड अयस्क से भी निकाला जाता है। कई धातुओं के अयस्क ऑक्साइड होते हैं, क्योंकि ऑक्सीजन बहुत अभिक्रियाशील है और पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में है।

कुछ अयस्क, जिनके नाम परीक्षा में पूछे जाते हैं:

अयस्क से शुद्ध धातु तक के चरण:

1. अयस्क का सांद्रण।
2. उच्च अभिक्रियाशील धातुएँ: गलित यौगिक का विद्युत अपघटन, जिससे शुद्ध धातु।
3. मध्यम अभिक्रियाशील धातुएँ: कार्बोनेट अयस्क का निस्तापन या सल्फ़ाइड अयस्क का भर्जन, फिर बने धातु ऑक्साइड का धातु में अपचयन, और अंत में धातु का शोधन।
4. निम्न अभिक्रियाशील धातुएँ: सल्फ़ाइड अयस्क का भर्जन, जिससे सीधे धातु, फिर परिष्करण।

अयस्कों का समृद्धीकरण: धातु निकालने से पहले अयस्क से गैंग हटाना आवश्यक है। इसके लिए जो प्रक्रियाएँ अपनाई जाती हैं, वे अयस्क और गैंग के भौतिक या रासायनिक गुणधर्मों के अंतर पर आधारित होती हैं।

अयस्क से धातु का निष्कर्षण और परिष्करण करके उसे उपयोगी बनाने का पूरा प्रक्रम धातुकर्म कहलाता है।

नीचे और बीच की धातुओं का निष्कर्षण

सक्रियता श्रेणी में नीचे की धातुएँ: ये काफ़ी अनभिक्रिय होती हैं, इसलिए इनके यौगिकों को सिर्फ़ गर्म करके धातु मिल जाती है। सिनाबार (HgS) मर्करी (पारद) का अयस्क है। वायु में गर्म करने पर यह पहले मर्क्यूरिक ऑक्साइड बनता है, और अधिक गर्म करने पर मर्क्यूरिक ऑक्साइड मर्करी में अपचयित हो जाता है:

2HgS(s) + 3O₂(g) → 2HgO(s) + 2SO₂(g) (तापन)

2HgO(s) → 2Hg(l) + O₂(g) (तापन)

प्रकृति में Cu₂S के रूप में मिलने वाले कॉपर को भी सिर्फ़ वायु में गर्म करके प्राप्त किया जा सकता है:

2Cu₂S + 3O₂(g) → 2Cu₂O(s) + 2SO₂(g) (तापन)

2Cu₂O + Cu₂S → 6Cu(s) + SO₂(g) (तापन)

सक्रियता श्रेणी के बीच की धातुएँ: आयरन, जिंक, लेड, कॉपर जैसी धातुएँ प्रकृति में प्रायः सल्फ़ाइड या कार्बोनेट के रूप में मिलती हैं। सल्फ़ाइड या कार्बोनेट की तुलना में ऑक्साइड से धातु निकालना आसान है, इसलिए अपचयन से पहले इन्हें ऑक्साइड में बदला जाता है:

इसके बाद कार्बन जैसे उपयुक्त अपचायक से धातु ऑक्साइड को धातु में बदला जाता है। जिंक ऑक्साइड को कार्बन के साथ गर्म करने पर जिंक मिलता है:

ZnO(s) + C(s) → Zn(s) + CO(g) (तापन)

धातुओं को उनके यौगिकों से प्राप्त करना भी अपचयन ही है।

धातु भी अपचायक बन सकती है: सोडियम, कैल्सियम, ऐलुमिनियम जैसी अत्यधिक अभिक्रियाशील धातुएँ कम अभिक्रियाशील धातुओं को उनके यौगिकों से विस्थापित कर देती हैं। मैंगनीज़ डाइऑक्साइड को ऐलुमिनियम चूर्ण के साथ गर्म करने पर:

3MnO₂(s) + 4Al(s) → 3Mn(l) + 2Al₂O₃(s) + ऊष्मा

यहाँ MnO₂ का अपचयन और ऐलुमिनियम का उपचयन होता है।

थर्मिट अभिक्रिया: ऐसी विस्थापन अभिक्रियाएँ इतनी ऊष्माक्षेपी होती हैं कि धातु गलित अवस्था में मिलती है। आयरन (III) ऑक्साइड और ऐलुमिनियम की यह अभिक्रिया रेल की पटरियों और मशीनी पुर्ज़ों की दरारें जोड़ने में काम आती है:

Fe₂O₃(s) + 2Al(s) → 2Fe(l) + Al₂O₃(s) + ऊष्मा

ऊपर की धातुओं का निष्कर्षण और धातुओं का परिष्करण

सक्रियता श्रेणी में सबसे ऊपर की धातुएँ: सोडियम, मैग्नीशियम, कैल्सियम, ऐलुमिनियम जैसी धातुओं के ऑक्साइड को कार्बन से अपचयित नहीं किया जा सकता, क्योंकि इन धातुओं की बंधुता कार्बन की अपेक्षा ऑक्सीजन के प्रति अधिक है। इन्हें विद्युत अपघटनी अपचयन से प्राप्त किया जाता है। सोडियम, मैग्नीशियम और कैल्सियम उनके गलित क्लोराइडों के विद्युत अपघटन से मिलते हैं। कैथोड (ऋण आवेशित इलेक्ट्रोड) पर धातु जमा होती है और ऐनोड (धन आवेशित इलेक्ट्रोड) पर क्लोरीन मुक्त होती है:

कैथोड पर: Na⁺ + e⁻ → Na

ऐनोड पर: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻

इसी तरह ऐलुमिनियम, ऐलुमिनियम ऑक्साइड के विद्युत अपघटनी अपचयन से प्राप्त किया जाता है।

धातुओं का परिष्करण: अपचयन से मिली धातुएँ पूरी तरह शुद्ध नहीं होतीं। उनमें मिली अशुद्धियों को अपद्रव्य कहते हैं। इन्हें हटाने की सबसे प्रचलित विधि विद्युत अपघटनी परिष्करण है। कॉपर, जिंक, टिन, निकैल, सिल्वर, गोल्ड जैसी अनेक धातुओं का परिष्करण इसी से होता है।

• ऐनोड: अशुद्ध धातु का मोटा टुकड़ा।
• कैथोड: शुद्ध धातु की पतली पट्टी।
• विद्युत अपघट्य: उसी धातु के लवण का विलयन। कॉपर के लिए अम्लीकृत कॉपर सल्फ़ेट का विलयन।

धारा प्रवाहित करने पर ऐनोड की अशुद्ध धातु विद्युत अपघट्य में घुलती है, और उतनी ही मात्रा में शुद्ध धातु विद्युत अपघट्य से निकलकर कैथोड पर जमा हो जाती है। विलेय अशुद्धियाँ विलयन में चली जाती हैं, और अविलेय अशुद्धियाँ ऐनोड के नीचे तली में बैठ जाती हैं। इसे ऐनोड पंक कहते हैं।

चित्र के नामांकन: 1. बैटरी, 2. कुंजी, 3. कैथोड (शुद्ध ताँबे की पतली पट्टी), 4. ऐनोड (अशुद्ध ताँबे का मोटा टुकड़ा), 5. टैंक, 6. अम्लीकृत कॉपर सल्फ़ेट का विलयन, 7. Cu²⁺ आयनों की कैथोड की ओर गति, 8. ऐनोड पंक (अपद्रव्य)

संक्षारण और जंग लगने की शर्तें

रासायनिक अभिक्रियाएँ वाले अध्याय में आपने संक्षारण के ये उदाहरण पढ़े थे:

• खुली हवा में कुछ दिन रखने पर सिल्वर की वस्तुएँ काली पड़ जाती हैं। हवा में मौजूद सल्फ़र से अभिक्रिया करके सिल्वर सल्फ़ाइड की परत बनती है।
• कॉपर हवा की नम कार्बन डाइऑक्साइड से अभिक्रिया करता है। उसकी भूरी चमक धीरे-धीरे चली जाती है और हरी परत चढ़ जाती है। यह हरा पदार्थ कॉपर कार्बोनेट (क्षारकीय कॉपर कार्बोनेट) है।
• लंबे समय तक नम हवा में रहने पर लोहे पर भूरे रंग की परतदार पपड़ी चढ़ जाती है, जिसे जंग कहते हैं।

जंग किन हालात में लगती है: तीन परखनलियों A, B और C में साफ़ लोहे की कीलें डालिए।

चित्र के नामांकन: 1. परखनली A (वायु और जल), 2. परखनली B (सिर्फ़ जल), 3. परखनली C (सिर्फ़ शुष्क वायु), 4. कॉर्क, 5. लोहे की कील, 6. साधारण जल, 7. तेल की परत, 8. उबला हुआ आसवित जल, 9. निर्जल कैल्सियम क्लोराइड, 10. कील पर भूरी जंग

B में उबालने से घुली वायु निकल जाती है और तेल नई वायु को घुलने नहीं देता। C का निर्जल कैल्सियम क्लोराइड (शुष्कन कर्मक) नमी सोख लेता है।

निष्कर्ष: लोहे पर जंग लगने के लिए वायु (ऑक्सीजन) और जल (नमी), दोनों आवश्यक हैं। इनमें से एक भी हटा दिया जाए, तो जंग नहीं लगती।

संक्षारण से सुरक्षा और मिश्रातु

लोहे को जंग से बचाने के तरीके: पेंट करना, तेल या ग्रीज़ लगाना, यशदलेपन, क्रोमियम लेपन, ऐनोडीकरण और मिश्रातु बनाना। पेंट, तेल और ग्रीज़ लोहे और नम हवा के बीच परदा बना देते हैं।

यशदलेपन: लोहे और इस्पात पर जस्ते (जिंक) की पतली परत चढ़ाने की विधि को यशदलेपन (गैल्वनीकरण) कहते हैं। जस्ते की परत कहीं से टूट जाए, तब भी यशदलेपित वस्तु जंग से बची रहती है। कारण यह है कि जिंक, लोहे से अधिक अभिक्रियाशील है, इसलिए हवा और नमी से पहले जिंक ही अभिक्रिया करता है और लोहा बचा रहता है।

मिश्रातु: धातु के गुणधर्म बेहतर बनाने की अच्छी विधि मिश्रातु बनाना है। शुद्ध लोहा बहुत नरम होता है और गर्म करने पर आसानी से खिंच जाता है, इसलिए इसे शुद्ध रूप में काम में नहीं लेते। इसमें थोड़ा कार्बन (लगभग 0.05 प्रतिशत) मिलाने पर यह कठोर और प्रबल हो जाता है। लोहे में निकैल और क्रोमियम मिलाने पर स्टेनलेस इस्पात बनता है, जो कठोर होता है और जिसमें जंग नहीं लगती।

दो या दो से अधिक धातुओं के, या एक धातु और एक अधातु के, समांगी मिश्रण को मिश्रातु कहते हैं। इसे बनाने के लिए पहले मूल धातु को पिघलाया जाता है, फिर दूसरे तत्वों को निश्चित अनुपात में उसमें घोला जाता है, और अंत में कमरे के ताप तक ठंडा किया जाता है।

शुद्ध धातु की तुलना में मिश्रातु की विद्युत चालकता और गलनांक कम होते हैं। परीक्षा में पीतल और काँसे को विद्युत का "कुचालक" कहा जा सकता है। इसका अर्थ इतना ही है कि वे शुद्ध ताँबे जितने अच्छे चालक नहीं, इसलिए परिपथ में शुद्ध ताँबा लगता है।

क्या आप जानते हैं? सोने का कैरट: शुद्ध सोना 24 कैरट कहलाता है और काफ़ी नरम होता है, इसलिए गहनों के लिए ठीक नहीं। इसे कठोर बनाने के लिए इसमें चाँदी या ताँबा मिलाया जाता है। भारत में गहने ज़्यादातर 22 कैरट सोने के बनते हैं, जिसका अर्थ है 22 भाग शुद्ध सोने में 2 भाग ताँबा या चाँदी।

प्राचीन भारतीय धातुकर्म का चमत्कार: दिल्ली में कुतुबमीनार के पास खड़ा लौह स्तंभ भारत के लौह कर्मियों ने बनाया था। इस पिटवाँ लोहे पर जंग नहीं लगती, संभवतः सतह पर मैग्नेटिक ऑक्साइड (Fe₃O₄) की पतली परत के कारण। यह स्तंभ 8 m ऊँचा है और इसका भार 6 टन (6000 kg) है। यह स्तंभ लगभग 400 ईस्वी (गुप्त काल) का, यानी लगभग 1600 वर्ष पुराना है। कहीं-कहीं "400 ईसा पूर्व" छपा मिलता है, जो सही नहीं है।

धातुओं के उदाहरण पहचानिए

प्रश्न 1. ऐसी धातु का एक-एक उदाहरण दीजिए जो (2 अंक)

(i) कमरे के ताप पर द्रव होती है। (ii) चाकू से आसानी से काटी जा सकती है। (iii) ऊष्मा की सबसे अच्छी चालक होती है। (iv) ऊष्मा की कुचालक होती है।

उत्तर:

(i) मर्करी (पारद) (ii) सोडियम (लीथियम और पोटैशियम भी) (iii) सिल्वर (चाँदी), इसके ठीक बाद कॉपर (iv) लेड (सीसा), मर्करी भी ऊष्मा का कुचालक है

उभयधर्मी ऑक्साइड

प्रश्न 2. उभयधर्मी ऑक्साइड क्या होते हैं? दो उभयधर्मी ऑक्साइडों के उदाहरण दीजिए। (3 अंक)

उत्तर:

जो धातु ऑक्साइड अम्ल और क्षारक, दोनों से अभिक्रिया करके लवण तथा जल बनाते हैं, उन्हें उभयधर्मी ऑक्साइड कहते हैं। ये अम्लीय और क्षारकीय, दोनों तरह का व्यवहार दिखाते हैं।

उदाहरण: ऐलुमिनियम ऑक्साइड (Al₂O₃) और जिंक ऑक्साइड (ZnO)

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O (यहाँ क्षारक की तरह)

Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O (यहाँ अम्ल की तरह, सोडियम ऐलुमिनेट बना)

जिंक ऑक्साइड भी ऐसा ही करता है:

ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O

ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂O (सोडियम ज़िंकेट)

भाप और जल के साथ अभिक्रियाएँ

प्रश्न 3. इन अभिक्रियाओं के लिए समीकरण लिखिए: (3 अंक)

(i) भाप के साथ आयरन (ii) जल के साथ कैल्सियम तथा पोटैशियम

उत्तर:

(i) गर्म आयरन भाप से अभिक्रिया करके आयरन का ऑक्साइड और हाइड्रोजन देता है:

3Fe(s) + 4H₂O(g) → Fe₃O₄(s) + 4H₂(g)

(ii) कैल्सियम ठंडे जल से धीरे अभिक्रिया करता है और हाइड्रोजन के बुलबुले चिपकने से तैरने लगता है:

Ca(s) + 2H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g)

पोटैशियम ठंडे जल से बहुत तेज़ अभिक्रिया करता है, और निकली हाइड्रोजन तुरंत जल उठती है:

2K(s) + 2H₂O(l) → 2KOH(aq) + H₂(g) + ऊष्मीय ऊर्जा

चार धातुएँ, चार विलयन

प्रश्न 4. चार धातुओं A, B, C और D के नमूनों को एक-एक करके नीचे के विलयनों में डाला गया। परिणाम इस प्रकार रहे: (3 अंक)

(i) सबसे अधिक अभिक्रियाशील धातु कौन-सी है? (ii) धातु B को कॉपर (II) सल्फ़ेट के विलयन में डाला जाए तो क्या होगा? (iii) धातुओं A, B, C और D को अभिक्रियाशीलता के घटते क्रम में लिखिए।

उत्तर:

पहले हर धातु की जगह तय कीजिए:

• B आयरन को हटाता है, पर जिंक को नहीं: B, आयरन से ऊपर और जिंक से नीचे है।
• A कॉपर को हटाता है, पर आयरन को नहीं: A, आयरन और कॉपर के बीच है।
• C सिर्फ़ सिल्वर को हटाता है: C, कॉपर और सिल्वर के बीच है।
• D किसी को नहीं हटाता: D, सिल्वर से भी नीचे है।

(i) सबसे अधिक अभिक्रियाशील धातु B है।

(ii) B, आयरन से अधिक अभिक्रियाशील है और आयरन, कॉपर से। इसलिए B कॉपर को विस्थापित कर देगा: विलयन का नीला रंग फीका पड़ेगा और B पर भूरे रंग का कॉपर जमा होगा।

(iii) B > A > C > D

धातु ऑक्साइड को दूसरी धातु के साथ गर्म करना

प्रश्न 5. जिंक ऑक्साइड, मैग्नीशियम ऑक्साइड और कॉपर ऑक्साइड को बारी-बारी से जिंक, मैग्नीशियम और कॉपर धातु के साथ गर्म किया गया। किन स्थितियों में विस्थापन अभिक्रिया होगी? (2 अंक)

उत्तर:

कोई धातु किसी ऑक्साइड से तभी ऑक्सीजन छीन सकती है जब वह उस ऑक्साइड वाली धातु से अधिक अभिक्रियाशील हो। सक्रियता श्रेणी में क्रम Mg > Zn > Cu है।

Mg + ZnO → MgO + Zn

Zn + CuO → ZnO + Cu

Mg + CuO → MgO + Cu

Na₂O और MgO का बनना

प्रश्न 6. (i) सोडियम, ऑक्सीजन एवं मैग्नीशियम के लिए इलेक्ट्रॉन-बिंदु संरचना लिखिए। (ii) इलेक्ट्रॉन के स्थानांतरण के द्वारा Na₂O एवं MgO का निर्माण दर्शाइए। (iii) इन यौगिकों में कौन-से आयन उपस्थित हैं? (5 अंक)

उत्तर:

(i) इलेक्ट्रॉन-बिंदु संरचना में तत्व के संकेत के चारों ओर सिर्फ़ बाहरी कोश के इलेक्ट्रॉन बिंदुओं से दिखाते हैं:

• सोडियम (2, 8, 1): Na के पास 1 बिंदु
• ऑक्सीजन (2, 6): O के चारों ओर 6 बिंदु
• मैग्नीशियम (2, 8, 2): Mg के पास 2 बिंदु

(ii) Na₂O का बनना (अंतर दिखाने के लिए यहाँ O के इलेक्ट्रॉन क्रॉस से दिखाए हैं): सोडियम का हर परमाणु एक इलेक्ट्रॉन देता है, जबकि ऑक्सीजन को अष्टक के लिए दो इलेक्ट्रॉन चाहिए। इसलिए सोडियम के दो परमाणु एक ऑक्सीजन परमाणु को इलेक्ट्रॉन देते हैं:

2Na → 2Na⁺ + 2e⁻ (हर Na: 2, 8, 1 से 2, 8)

O + 2e⁻ → O²⁻ (2, 6 से 2, 8)

2Na⁺ + O²⁻ → Na₂O

चित्र में: एक-एक बिंदु वाले दो Na से छह क्रॉस वाले O की ओर दो तीर, और उत्पाद में 2(Na⁺) तथा कोष्ठक में आठ इलेक्ट्रॉनों वाला [O]²⁻।

MgO का बनना: मैग्नीशियम अपने दोनों बाहरी इलेक्ट्रॉन एक ही ऑक्सीजन परमाणु को दे देता है:

Mg → Mg²⁺ + 2e⁻ (2, 8, 2 से 2, 8)

O + 2e⁻ → O²⁻ (2, 6 से 2, 8)

Mg²⁺ + O²⁻ → MgO

चित्र में Mg के दो बिंदुओं से O की ओर दो तीर, और उत्पाद में (Mg²⁺) तथा कोष्ठक में [O]²⁻।

(iii) Na₂O में सोडियम आयन Na⁺ और ऑक्साइड आयन O²⁻ हैं (संख्या में 2 : 1)। MgO में मैग्नीशियम आयन Mg²⁺ और ऑक्साइड आयन O²⁻ हैं।

कारण बताइए: चार बातें

प्रश्न 7. कारण बताइए: (5 अंक)

(a) प्लैटिनम, सोना एवं चाँदी का उपयोग आभूषण बनाने के लिए किया जाता है। (b) सोडियम, पोटैशियम एवं लीथियम को तेल के अंदर संग्रहीत किया जाता है। (c) ऐलुमिनियम अत्यंत अभिक्रियाशील धातु है, फिर भी इसका उपयोग खाना बनाने वाले बर्तन बनाने के लिए किया जाता है। (d) निष्कर्षण प्रक्रम में कार्बोनेट एवं सल्फ़ाइड अयस्क को ऑक्साइड में परिवर्तित किया जाता है।

उत्तर:

(a) ये धातुएँ सक्रियता श्रेणी में सबसे नीचे हैं, इसलिए हवा और नमी से लगभग अभिक्रिया नहीं करतीं और लंबे समय तक चमकती रहती हैं। इनमें धात्विक चमक है, और ये आघातवर्ध्य और तन्य हैं, इसलिए इन्हें पीटकर या खींचकर बारीक गहनों का आकार दिया जा सकता है।

(b) ये धातुएँ खुली हवा में ऑक्सीजन और नमी से तेज़ी से अभिक्रिया करती हैं, सोडियम और पोटैशियम तो आग भी पकड़ लेते हैं। तेल (जैसे किरोसिन) से ये अभिक्रिया नहीं करतीं, इसलिए तेल में डुबोकर रखने से हवा और नमी इन तक नहीं पहुँच पातीं।

(c) हवा के संपर्क में ऐलुमिनियम पर ऐलुमिनियम ऑक्साइड की पतली परत बन जाती है, जो अंदर की धातु को आगे की अभिक्रिया से बचाती है। यह ऊष्मा का सुचालक और हल्का भी है।

(d) सल्फ़ाइड या कार्बोनेट की तुलना में धातु ऑक्साइड से धातु निकालना अधिक आसान है। ऑक्साइड को कार्बन से आसानी से अपचयित किया जा सकता है, इसलिए पहले भर्जन (सल्फ़ाइड) या निस्तापन (कार्बोनेट) से ऑक्साइड बनाया जाता है।

सल्फ़र जलाकर गैस इकट्ठा करना

प्रश्न 8. एक विद्यार्थी ने सल्फ़र चूर्ण को स्पैचुला में लेकर बर्नर पर गर्म किया और ऊपर एक परखनली उलटी रखकर निकली गैस इकट्ठा की। (3 अंक)

(a) इस गैस का क्या प्रभाव होगा (i) सूखे लिटमस पत्र पर? (ii) आर्द्र लिटमस पत्र पर? (b) इन अभिक्रियाओं के संतुलित रासायनिक समीकरण लिखिए।

उत्तर:

(a) (i) सूखे लिटमस पत्र पर कोई प्रभाव नहीं पड़ेगा, क्योंकि सूखी गैस जल के बिना अम्ल नहीं बनाती। (ii) आर्द्र नीला लिटमस पत्र लाल हो जाएगा, क्योंकि सल्फ़र डाइऑक्साइड नमी में घुलकर सल्फ़्यूरस अम्ल बनाती है। यह अधातु के ऑक्साइड के अम्लीय होने का प्रमाण है।

(b) S(s) + O₂(g) → SO₂(g)

SO₂(g) + H₂O(l) → H₂SO₃(aq) (सल्फ़्यूरस अम्ल)

विद्युत अपघटनी परिष्करण: पूरा उत्तर

प्रश्न 9. किसी धातु M के विद्युत अपघटनी परिष्करण में आप ऐनोड, कैथोड एवं विद्युत अपघट्य किसे बनाएँगे? कॉपर के उदाहरण से यह प्रक्रम समझाइए और नामांकित चित्र का वर्णन कीजिए। (5 अंक)

उत्तर:

धातु M के परिष्करण में:

• ऐनोड: अशुद्ध धातु M का मोटा टुकड़ा
• कैथोड: शुद्ध धातु M की पतली पट्टी
• विद्युत अपघट्य: धातु M के किसी विलेय लवण का विलयन

कॉपर का परिष्करण: अशुद्ध ताँबे को ऐनोड (बैटरी के धन सिरे से) और शुद्ध ताँबे की पतली पट्टी को कैथोड (ऋण सिरे से) बनाते हैं। विद्युत अपघट्य अम्लीकृत कॉपर सल्फ़ेट का विलयन है। धारा प्रवाहित करने पर:

• ऐनोड का ताँबा घुलकर Cu²⁺ आयन बनाता है: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻
• उतने ही Cu²⁺ आयन कैथोड पर जाकर शुद्ध ताँबे के रूप में जमा होते हैं: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
• विलेय अशुद्धियाँ विलयन में चली जाती हैं।
• अविलेय अशुद्धियाँ ऐनोड के नीचे तली में बैठ जाती हैं, जिसे ऐनोड पंक कहते हैं।

चित्र में ये नाम लिखिए: बैटरी और कुंजी, कैथोड (शुद्ध ताँबे की पट्टी), ऐनोड (अशुद्ध ताँबा), टैंक, अम्लीकृत कॉपर सल्फ़ेट का विलयन, Cu²⁺ आयनों की कैथोड की ओर गति का तीर, और ऐनोड के नीचे ऐनोड पंक (अपद्रव्य)।

चित्र के नामांकन: 1. बैटरी, 2. कुंजी, 3. कैथोड (शुद्ध ताँबे की पतली पट्टी), 4. ऐनोड (अशुद्ध ताँबे का मोटा टुकड़ा), 5. टैंक, 6. अम्लीकृत कॉपर सल्फ़ेट का विलयन, 7. Cu²⁺ आयनों की कैथोड की ओर गति, 8. ऐनोड पंक (अपद्रव्य)

इमली से ताँबे के बर्तन की सफ़ाई

प्रश्न 10. ताँबे के मलीन बर्तन को नींबू या इमली के रस से साफ़ किया जाता है। ये खट्टे पदार्थ बर्तन साफ़ करने में क्यों प्रभावी हैं? (2 अंक)

उत्तर:

हवा की नम कार्बन डाइऑक्साइड से अभिक्रिया करके ताँबे पर हरे रंग की कॉपर कार्बोनेट (क्षारकीय कॉपर कार्बोनेट) की परत चढ़ जाती है, जिससे बर्तन मलीन दिखता है। यह परत क्षारकीय है। नींबू और इमली में अम्ल होते हैं, जो इस परत से अभिक्रिया करके उसे घोल देते हैं। परत हटते ही नीचे का ताँबा फिर चमकने लगता है।

गर्म पानी की टंकी ताँबे की क्यों

प्रश्न 11. गर्म जल का टैंक बनाने में ताँबे का उपयोग होता है परंतु इस्पात (लोहे की मिश्रातु) का नहीं। इसका कारण बताइए। (2 अंक)

उत्तर:

गर्म जल की टंकी में लोहा लगातार जल और उसमें घुली वायु के संपर्क में रहता है, इसलिए उस पर जल्दी जंग लगती है। भाप मिलने पर वह अभिक्रिया करके Fe₃O₄ भी बनाता है (3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂)। इससे इस्पात की टंकी धीरे-धीरे कमज़ोर हो जाएगी। ताँबा ठंडे, गर्म जल या भाप, किसी से अभिक्रिया नहीं करता और ऊष्मा का बहुत अच्छा चालक भी है। इसलिए गर्म जल की टंकी ताँबे की बनाई जाती है।

थर्मिट अभिक्रिया

प्रश्न 12. थर्मिट अभिक्रिया क्या है? इसका संतुलित समीकरण लिखिए, इसमें उपचयित और अपचयित होने वाले पदार्थ पहचानिए और इसका उपयोग लिखिए। (5 अंक)

उत्तर:

आयरन (III) ऑक्साइड को ऐलुमिनियम चूर्ण के साथ गर्म करने पर ऐलुमिनियम, आयरन को उसके ऑक्साइड से विस्थापित कर देता है। यह अभिक्रिया इतनी ऊष्माक्षेपी है कि बना हुआ लोहा पिघली (गलित) अवस्था में मिलता है। इसे थर्मिट अभिक्रिया कहते हैं।

Fe₂O₃(s) + 2Al(s) → 2Fe(l) + Al₂O₃(s) + ऊष्मा

जाँच: दोनों ओर Fe 2, O 3 और Al 2 हैं।

उपचयन-अपचयन:

• ऐलुमिनियम को ऑक्सीजन मिली और Al₂O₃ बना, इसलिए ऐलुमिनियम उपचयित हुआ।
• Fe₂O₃ की ऑक्सीजन निकल गई, इसलिए आयरन (III) ऑक्साइड अपचयित हुआ। ऐलुमिनियम यहाँ अपचायक है।

क्यों होती है: ऐलुमिनियम सक्रियता श्रेणी में आयरन से ऊपर है, इसलिए वह आयरन को उसके यौगिक से हटा सकता है।

उपयोग: गलित लोहे से रेल की पटरियों को जोड़ा जाता है और मशीनी पुर्ज़ों की दरारें भरी जाती हैं।

इसी तरह मैंगनीज़ डाइऑक्साइड को ऐलुमिनियम से अपचयित करके मैंगनीज़ प्राप्त किया जाता है: 3MnO₂ + 4Al → 3Mn + 2Al₂O₃ + ऊष्मा

जंग लगने की शर्तें: प्रयोग

प्रश्न 13. एक प्रयोग का वर्णन कीजिए जिससे यह सिद्ध हो कि लोहे पर जंग लगने के लिए वायु और जल, दोनों आवश्यक हैं। (5 अंक)

उत्तर:

सामग्री: तीन परखनलियाँ (A, B, C), साफ़ लोहे की कीलें, जल, उबला हुआ आसवित जल, थोड़ा तेल, निर्जल कैल्सियम क्लोराइड, कॉर्क।

विधि:

1. तीनों परखनलियों में साफ़ लोहे की कीलें डालिए।
2. परखनली A में थोड़ा साधारण जल डालकर कॉर्क लगाइए। यहाँ कील वायु और जल, दोनों के संपर्क में है।
3. परखनली B में उबला हुआ आसवित जल डालिए और ऊपर लगभग 1 mL तेल डालकर कॉर्क लगाइए। उबालने से जल में घुली वायु निकल जाती है, और तेल की परत नई वायु को जल में घुलने नहीं देती। यहाँ कील सिर्फ़ जल के संपर्क में है।
4. परखनली C में निर्जल कैल्सियम क्लोराइड डालकर कॉर्क लगाइए। यह वायु की नमी सोख लेता है, इसलिए कील सिर्फ़ शुष्क वायु के संपर्क में है।
5. परखनलियों को कुछ दिन छोड़ दीजिए।

चित्र के नामांकन: 1. परखनली A (वायु और जल), 2. परखनली B (सिर्फ़ जल), 3. परखनली C (सिर्फ़ शुष्क वायु), 4. कॉर्क, 5. लोहे की कील, 6. साधारण जल, 7. तेल की परत, 8. उबला हुआ आसवित जल, 9. निर्जल कैल्सियम क्लोराइड, 10. कील पर भूरी जंग

प्रेक्षण: परखनली A की कील पर भूरी जंग लग जाती है। B और C की कीलों पर जंग नहीं लगती।

निष्कर्ष: जंग सिर्फ़ वहाँ लगी जहाँ वायु और जल, दोनों थे। इसलिए लोहे पर जंग लगने के लिए वायु (ऑक्सीजन) और जल, दोनों आवश्यक हैं।

हथौड़ा, बैटरी और बल्ब से पहचान

प्रश्न 14. आपको एक हथौड़ा, बैटरी, बल्ब, तार एवं स्विच दिया गया है। (a) इनका उपयोग कर धातुओं एवं अधातुओं के नमूनों के बीच आप विभेद कैसे कर सकते हैं? (b) धातुओं एवं अधातुओं में विभेदन के लिए इन परीक्षणों की उपयोगिता का आकलन कीजिए। (3 अंक)

उत्तर:

(a) हथौड़े से: नमूने को लोहे के ब्लॉक पर रखकर पीटिए। धातु चपटी होकर पतली चादर बन जाती है (आघातवर्ध्यता), जबकि ठोस अधातु जैसे सल्फ़र या कोयला टूटकर चूर हो जाती है (भंगुरता)।

बैटरी, बल्ब, तार और स्विच से: इनसे परिपथ बनाकर नमूने को दो सिरों के बीच लगाइए और स्विच दबाइए। बल्ब जल उठे तो नमूना विद्युत का सुचालक है और प्रायः धातु है। बल्ब न जले तो नमूना कुचालक है और प्रायः अधातु है।

(b) दोनों परीक्षण आसान हैं और ज़्यादातर नमूनों को सही समूह में रख देते हैं। पर ये पूरी तरह पक्के नहीं हैं: ग्रैफ़ाइट अधातु होकर भी बल्ब जला देता है, सोडियम जैसी धातुएँ इतनी नरम हैं कि पीटने पर अलग तरह से व्यवहार करती हैं, और आयोडीन अधातु होकर भी चमकीला है। इसलिए अंतिम पहचान रासायनिक गुणधर्मों से, जैसे ऑक्साइड अम्लीय है या क्षारकीय, करनी चाहिए।

सुनार का विशेष विलयन

प्रश्न 15. एक व्यक्ति सुनार बनकर घर-घर जाता है और पुराने, मलीन सोने के गहनों को चमकाने का दावा करता है। एक महिला ने अपने सोने के कंगन दिए। उसने उन्हें एक विशेष विलयन में डाला। कंगन नए जैसे चमकने लगे, पर उनका वज़न काफ़ी कम हो गया। वह विलयन क्या हो सकता है? (2 अंक)

उत्तर:

वह विलयन ऐक्वा रेजिया (अम्लराज) था। यह सांद्र हाइड्रोक्लोरिक अम्ल और सांद्र नाइट्रिक अम्ल का 3 : 1 के अनुपात में ताज़ा मिश्रण है, जो सोने को भी घोल देता है। कंगनों को इसमें डुबोने से सोने की ऊपरी मलीन परत घुल गई और नीचे की चमकदार सतह दिखने लगी। घुला हुआ सोना विलयन में रह गया, इसीलिए कंगनों का वज़न घट गया।

क्विज़ से पहले एक बार

सक्रियता श्रेणी (K से Au तक) एक बार बिना देखे कॉपी में लिखिए और हाइड्रोजन की जगह पर रेखा खींचिए। इस अध्याय के आधे से ज़्यादा प्रश्न इसी क्रम से हल होते हैं: कौन किसे हटाएगा, कौन अम्ल से हाइड्रोजन देगा, और किस धातु को कैसे निकाला जाएगा।

अब आगे 20 प्रश्नों की क्विज़ है। जो प्रश्न गलत हो, उसके कारण वाला अनुच्छेद पाठ में खोजकर फिर पढ़िए।