p-தொகுதி தனிமங்கள் – II: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

p-தொகுதி தனிமங்கள் – II பற்றி

கடினம் ~150 நிமிடப் படிப்பு

15, 16, 17, 18 ஆம் தொகுதிகளுடன் இந்தப் பாடம் p-தொகுதியை நிறைவு செய்கிறது. இங்குள்ள பெரும்பாலான தனிமங்கள் அலோகங்கள். நைட்ரஜன், ஆக்சிஜன், கந்தகம், குளோரின் போன்ற பல தனிமங்கள் தொழிற்சாலைகளில் மிகப் பெரிய அளவில் பயன்படுகின்றன. எனவே இந்தப் பாடத்தில் தொகுதிப் பண்புகளும், நன்றாகத் தெரிந்திருக்க வேண்டிய குறிப்பிட்ட சேர்மங்களும் கலந்து வருகின்றன.

நீங்கள் படிப்பவற்றில் பலவற்றை அமைப்பே விளக்குகிறது. நைட்ரஜன் முப்பிணைப்பு கொண்ட, வினைபுரியாத N₂ மூலக்கூறு. வெண் பாஸ்பரஸ் எளிதில் வினைபுரியும் P₄ நான்முகி. கந்தகமும் பாஸ்பரஸும் பல ஆக்சோ அமிலங்களை உருவாக்குகின்றன; அவற்றின் அமைப்புகளிலிருந்தே காரத்துவமும் அமில வலிமையும் தெரிகின்றன. ஹாலஜன்கள் ஒன்றோடொன்று இணைந்து இடை ஹாலஜன் சேர்மங்களை உருவாக்குகின்றன. ஒரு காலத்தில் முழுமையாக வினைபுரியாதது என்று கருதப்பட்ட செனான், புளூரைடுகளையும் ஆக்சைடுகளையும் உருவாக்குகிறது.

தேர்வில் ஹேபர் முறை, தொடு முறை ஆகியவற்றின் நிபந்தனைகளை எழுதவும், ஆக்சோ அமிலங்கள் மற்றும் செனான் புளூரைடுகளின் அமைப்புகளை வரையவும், நைட்ரிக் அமிலம், கந்தக அமிலம் ஆகியவற்றின் ஆக்சிஜனேற்ற ஒடுக்க வினைகளைச் சமன் செய்யவும் தயாராக இருங்கள். இந்தத் தலைப்புகளில் ஒரு மதிப்பெண் வினாக்களும் நீண்ட விடை வினாக்களும் வருகின்றன.

நீங்கள் கற்பவை

• 15 ஆம் தொகுதித் தனிமங்கள் மற்றும் அவற்றின் சேர்மங்களின் இயற்பியல், வேதியியல் பண்புகளை விவரித்தல்.
• அம்மோனியா, நைட்ரிக் அமிலம் தயாரிப்பதற்கான நிபந்தனைகளையும் சமன்பாடுகளையும் எழுதுதல்.
• பாஸ்பரஸ், கந்தகம் ஆகியவற்றின் புறவேற்றுமை வடிவங்களை அவற்றின் மூலக்கூறு அமைப்புகளைக் கொண்டு ஒப்பிடுதல்.
• தொடு முறையையும், கந்தக அமிலம் மற்றும் கந்தகத்தின் பிற ஆக்சோ அமிலங்களின் பண்புகளையும் விளக்குதல்.
• இடை ஹாலஜன் சேர்மங்களின் வடிவங்களையும் வினைத்திறனையும் கணித்தல்.
• செனான் புளூரைடுகளும் ஆக்சைடுகளும் எப்படி உருவாகின்றன என்பதை விவரித்து, அவற்றின் அமைப்புகளைக் கூறுதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• 13, 14 ஆம் தொகுதிகளில் படித்த ஆவர்த்தனப் பண்புகள்.
• ஆக்சிஜனேற்ற எண்களும் எலக்ட்ரான் அமைப்புகளும்.
• வேதிப் பிணைப்பும், மூலக்கூறு வடிவங்களைக் கணிக்க VSEPR கொள்கையும்.

p-தொகுதி தனிமங்கள் – II — விரிவான விளக்கம்

15 முதல் 18 வரையிலான தொகுதிகள்

நைட்ரஜன், பாஸ்பரஸ் மற்றும் அவற்றின் சேர்மங்கள்

15 ஆம் தொகுதி நைட்ரஜனுடன் தொடங்குகிறது. தொழிற்சாலையில் நைட்ரஜன் நீர்மக் காற்றைப் பின்னக் காய்ச்சி வடித்தல் மூலம் பெறப்படுகிறது. அம்மோனியா ஹேபர் முறையில் (Haber process) தயாரிக்கப்படுகிறது: நைட்ரஜனும் ஹைட்ரஜனும் சுமார் 750 K, 200 atm இல் இரும்பு வினைவேக மாற்றியின் மீது செலுத்தப்படுகின்றன. வினைவேக மாற்றி நன்றாகச் செயல்பட ஒரு ஊக்குவிப்பான் (மாலிப்டினம், அல்லது சிறிதளவு K₂O, Al₂O₃) சேர்க்கப்படுகிறது. அம்மோனியாவிலிருந்து ஆஸ்ட்வால்டு முறையில் நைட்ரிக் அமிலம் தயாரிக்கப்படுகிறது; இதில் பிளாட்டினம் வலையின் மீது அம்மோனியா ஆக்சிஜனேற்றம் அடைகிறது. நைட்ரஜன் +1 முதல் +5 வரையிலான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளில் ஆக்சைடுகளை உருவாக்குகிறது. பாஸ்பரஸ் புறவேற்றுமை காட்டுகிறது: வெண் பாஸ்பரஸ் தனித்த \(P_{4}\) நான்முகிகளால் ஆனது, மிக எளிதில் வினைபுரியும்; சிவப்பு பாஸ்பரஸ் பலபடி அமைப்பு கொண்டது, மிக அதிக நிலைப்புத்தன்மை உடையது.

ஆக்சிஜனும் கந்தகமும்

16 ஆம் தொகுதியில் ஆக்சிஜனும் அதன் புறவேற்றுமை வடிவமான ஓசோனும் வருகின்றன. ஓசோன் மேல் வளிமண்டலத்தில் புற ஊதாக் கதிர்களை உறிஞ்சுகிறது; இது ஒரு வலிமையான ஆக்சிஜனேற்றி. கந்தக அமிலம் தொடு முறையில் (Contact process) தயாரிக்கப்படுகிறது. சுமார் 720 K இல் வெனடியம் பென்டாக்சைடின் மீது சல்பர் டைஆக்சைடு சல்பர் டிரைஆக்சைடாக ஆக்சிஜனேற்றம் அடைகிறது. SO₃ அடர் கந்தக அமிலத்தில் உறிஞ்சப்பட்டு ஓலியம் கிடைக்கிறது. ஓலியம் தேவையான செறிவுக்கு நீர்க்கப்படுகிறது. SO₂ ஆக்சிஜனேற்றம் வெப்ப உமிழ் வினை என்பதால் வெப்பநிலையைக் கட்டுப்படுத்த வேண்டும். கந்தகம் சல்பூரஸ் அமிலம், கந்தக அமிலம், பெராக்சோடைசல்பூரிக் அமிலம் போன்ற பல ஆக்சோ அமிலங்களை உருவாக்குகிறது. இவை ஆக்சிஜன் அணுக்களின் எண்ணிக்கையிலும் S–S அல்லது O–O இணைப்புகளிலும் வேறுபடுகின்றன.

ஹாலஜன்களும் இடை ஹாலஜன் சேர்மங்களும்

17 ஆம் தொகுதியில் குளோரின் முதன்மை பெறுகிறது: அதன் தயாரிப்பு, அதன் வெளுக்கும் செயல், ஹைட்ரோகுளோரிக் அமிலத் தயாரிப்பு. ஹாலஜன்களுக்கு எலக்ட்ரான் கவர்தன்மை அதிகம்; எண்ம அமைப்பை நிறைவு செய்ய ஒரு எலக்ட்ரானை ஏற்கும் போக்கு வலுவானது. எனவே அவை மிக எளிதில் வினைபுரிகின்றன. இடை ஹாலஜன் சேர்மங்களில் (Interhalogen compounds) இரண்டு வேறுபட்ட ஹாலஜன்கள் உள்ளன; எ.கா. ClF, BrF₃, IF₇. A–X பிணைப்பு முனைவுத்தன்மை உடையது; மூல ஹாலஜனில் உள்ள X–X பிணைப்பை விட வலிமை குறைந்தது. அதனால் புளூரினைத் தவிர, இடை ஹாலஜன்கள் பொதுவாக அவை உருவான ஹாலஜன்களை விட அதிகமாக வினைபுரிகின்றன.

மந்த வாயுக்களும் செனான் சேர்மங்களும்

18 ஆம் தொகுதி நீண்ட காலம் முழுமையாக வினைபுரியாதது என்று கருதப்பட்டது. 1962 இல் நீல் பார்ட்லெட், வலிமையான ஆக்சிஜனேற்றியான PtF₆ ஐப் பயன்படுத்தி, முதல் மந்த வாயுச் சேர்மமான செனான் ஹெக்சாஃபுளூரோபிளாட்டினேட்டைத் தயாரித்தார். நிக்கல் கலனில் சூடுபடுத்தும்போது செனான் புளூரினுடன் நேரடியாக வினைபுரிகிறது. வாயுக்களின் விகிதத்தைப் பொறுத்து XeF₂, XeF₄ அல்லது XeF₆ உருவாகிறது. புளூரைடுகளை நீராற்பகுத்தால் XeO₃ போன்ற செனான் ஆக்சைடுகள் கிடைக்கின்றன. இந்தச் சேர்மங்களின் வடிவங்கள் VSEPR கொள்கை மூலம் கணிக்கப்படுகின்றன.

ஆக்சோ அமிலங்களும் அமில வலிமையும்

இந்தப் பாடத்தின் ஒவ்வொரு தொகுதியிலும் ஆக்சோ அமிலங்கள் வருகின்றன. ஒரே தனிமத்தின் ஆக்சோ அமிலங்களில், மைய அணு அதிக ஆக்சிஜனேற்ற நிலையில் உள்ள அமிலம், அதாவது ஹைட்ரஜனுடன் பிணையாத ஆக்சிஜன் அணுக்கள் அதிகம் உள்ள அமிலம், பொதுவாக வலிமையான அமிலம். அந்த ஆக்சிஜன் அணுக்கள் O–H பிணைப்பிலிருந்து எலக்ட்ரான் அடர்த்தியை இழுக்கின்றன; H⁺ வெளியேறும்போது உருவாகும் எதிர் அயனியை நிலைப்படுத்துகின்றன. இந்தக் கருத்தைக் கொண்டு HClO, HClO₂, HClO₃, HClO₄ ஆகியவற்றை அமில வலிமை அதிகரிக்கும் வரிசையில் அமைக்கலாம்; H₃PO₃ ஏன் இருகாரத்துவ அமிலம் என்பதையும் விளக்கலாம்.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• நைட்ரஜன் ஆக்சைடுகளில் நைட்ரஜனின் ஆக்சிஜனேற்ற நிலையைத் தவறாகக் கணக்கிடுவது. ஆக்சிஜன் -2, மூலக்கூறு நடுநிலையானது என்ற விதியைப் பயன்படுத்துங்கள்: N2O இல் +1, NO இல் +2, N2O3 இல் +3, NO2 இல் +4, N2O5 இல் +5.
• மந்த வாயுக்கள் எந்தச் சேர்மமும் உருவாக்காது என்று எழுதுவது. புளூரின், ஆக்சிஜன் போன்ற அதிக எலக்ட்ரான் கவர்தன்மை உடைய தனிமங்களுடன் செனான் நிலையான புளூரைடுகளையும் ஆக்சைடுகளையும் உருவாக்குகிறது.
• சிவப்பு பாஸ்பரஸைத் தனித்த P4 நான்முகிகளாக மட்டும் வரைவது. வெண் பாஸ்பரஸில்தான் தனித்த P4 அலகுகள் உள்ளன; சிவப்பு பாஸ்பரஸ் P4 அலகுகள் ஒன்றோடொன்று இணைந்த பலபடிச் சங்கிலி.
• மொத்த ஆக்சிஜன் அணுக்களின் எண்ணிக்கையைக் கொண்டு அமில வலிமையை முடிவு செய்வது. ஹைட்ரஜனுடன் பிணையாத ஆக்சிஜன் அணுக்களை எண்ணுங்கள். H3PO3 இல் ஒரு ஹைட்ரஜன் நேரடியாகப் பாஸ்பரஸுடன் பிணைந்துள்ளது; அது அமிலத்தன்மை உடையதல்ல என்பதை நினைவில் கொள்ளுங்கள்.
• ஹேபர் முறையையும் தொடு முறையையும் குழப்புவது. ஹேபர் முறை இரும்பு வினைவேக மாற்றியைப் பயன்படுத்தி அம்மோனியா தயாரிக்கிறது; தொடு முறை V2O5 ஐப் பயன்படுத்திக் கந்தக அமிலம் தயாரிக்கிறது.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

பாஸ்பரஸை விட நைட்ரஜன் ஏன் குறைவாக வினைபுரிகிறது?

நைட்ரஜன் முப்பிணைப்பு கொண்ட N2 ஆக உள்ளது. இதன் பிணைப்பு என்தால்பி மிக அதிகம், சுமார் 941 kJ mol-1. இதை உடைக்க நிறைய ஆற்றல் தேவை; எனவே சாதாரண வெப்பநிலையில் நைட்ரஜன் வினைபுரிவதில்லை. பாஸ்பரஸ் நிலையான பல்பிணைப்புகளை உருவாக்குவதில்லை. அது வலிமை குறைந்த, இழுவிசை கொண்ட P–P ஒற்றைப் பிணைப்புகளுடன் P4 ஆக உள்ளது. அதனால் மிக எளிதில் வினைபுரிகிறது.

ஹேபர் முறையில் என்ன நிபந்தனைகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன?

நைட்ரஜனும் ஹைட்ரஜனும் சுமார் 750 K, 200 atm இல், வினைவேக மாற்றியைச் சிறப்பாக்கும் ஊக்குவிப்பானுடன், இரும்பு வினைவேக மாற்றியின் மீது செலுத்தப்படுகின்றன. நான்கு மோல் வாயு இரண்டு மோல் அம்மோனியாவைத் தருகிறது. எனவே லீ சாட்லியர் கொள்கைப்படி உயர் அழுத்தம் சமநிலையை அம்மோனியா பக்கம் நகர்த்துகிறது. வினை வெப்ப உமிழ் வினை; எனவே விளைச்சலுக்கும் வினைவேகத்துக்கும் இடையே சமரசமாக மிதமான வெப்பநிலை தேர்வு செய்யப்படுகிறது.

கந்தக அமிலம் ஏன் வேதிப்பொருள்களின் அரசன் என்று அழைக்கப்படுகிறது?

இது உரங்கள், பெட்ரோலியம் தூய்மையாக்கல், சலவைத் தூள்கள், சாயங்கள், சேமிப்பு மின்கலங்கள், பிற வேதிப்பொருள்கள் தயாரிப்பு எனப் பல தொழில்களில் பயன்படுகிறது. இது ஒரு வலிமையான அமிலம், நீர் நீக்கி; சூடான அடர் நிலையில் ஆக்சிஜனேற்றியும் கூட. ஒரு நாடு எவ்வளவு கந்தக அமிலம் பயன்படுத்துகிறது என்பது அதன் தொழில் வளர்ச்சியின் அடையாளமாகப் பெரும்பாலும் கருதப்படுகிறது.

இடை ஹாலஜன் சேர்மங்கள் எப்படி உருவாகின்றன, ஏன் எளிதில் வினைபுரிகின்றன?

இரண்டு வேறுபட்ட ஹாலஜன்கள் நேரடியாக வினைபுரிந்து இவற்றை உருவாக்குகின்றன; எ.கா. குளோரினும் புளூரினும் ClF அல்லது ClF3 தருகின்றன. பெரிய, எலக்ட்ரான் கவர்தன்மை குறைந்த ஹாலஜன் மைய அணுவாக இருக்கும். இரண்டு வேறுபட்ட ஹாலஜன்களுக்கு இடையிலான பிணைப்பு முனைவுத்தன்மை உடையது; மூல ஹாலஜனில் உள்ள X–X பிணைப்பை விடப் பொதுவாக வலிமை குறைந்தது. எனவே இடை ஹாலஜன்கள் அந்த ஹாலஜன்களை விட அதிகமாக வினைபுரிகின்றன. புளூரின் இதற்கு விதிவிலக்கு: F–F பிணைப்பே வலிமை குறைந்தது; புளூரின் அதன் இடை ஹாலஜன்களை விட அதிகமாக வினைபுரிகிறது.

மந்த வாயுக்கள் உண்மையில் சேர்மங்களை உருவாக்குமா?

ஆம். கனமான மந்த வாயுக்களுக்கு, குறிப்பாக செனானுக்கு, அயனியாக்கும் ஆற்றல் குறைவு. மூடிய நிக்கல் கலனில் கலவையைச் சூடுபடுத்தும்போது செனான் புளூரினுடன் வினைபுரிகிறது. வாயுக்களின் விகிதத்தைப் பொறுத்து XeF2, XeF4 அல்லது XeF6 கிடைக்கிறது. XeF6 ஐ நீராற்பகுத்தால் XeO3 கிடைக்கிறது.

குளோரினின் ஆக்சோ அமிலங்களில் அமில வலிமை எப்படி மாறுகிறது?

HClO < HClO2 < HClO3 < HClO4 என்ற வரிசையில் அமில வலிமை அதிகரிக்கிறது. கூடுதலாகச் சேரும் ஒவ்வொரு ஆக்சிஜன் அணுவும் O–H பிணைப்பிலிருந்து எலக்ட்ரான் அடர்த்தியை இழுக்கிறது; எதிர் அயனியின் எதிர் மின்சுமையைப் பரவச் செய்கிறது. அதனால் புரோட்டான் எளிதாக வெளியேறுகிறது. நான்கில் HClO4 மிக வலிமையானது.

கந்தகத்தின் புறவேற்றுமை வடிவங்கள் எப்படி வேறுபடுகின்றன?

இரண்டு முக்கியப் படிக வடிவங்கள் சாய்சதுரக் (α) கந்தகமும் ஒற்றைச்சரிவுக் (β) கந்தகமும். 369 K க்குக் கீழே சாய்சதுரக் கந்தகமும், அதற்கு மேலே ஒற்றைச்சரிவுக் கந்தகமும் நிலையானவை; எனவே 369 K நிலைமாறு வெப்பநிலை. இரண்டும் கிரீட வடிவ S8 மூலக்கூறுகளால் ஆனவை. ஆனால் படிகத்தில் மூலக்கூறுகள் அடுக்கப்படும் விதம் வேறுபடுவதால் அவற்றின் வடிவங்களும் அடர்த்திகளும் வேறுபடுகின்றன.