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IGNOU BCHCT-137 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU BCHCT-137 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU BCHCT-137 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

भाग-क (उपसहसंयोजन रसायन)

Q1. (क) Sc³⁺ आयन के निम्नतम अवस्था इलेक्ट्रॉन विन्यास की व्याख्या कीजिए। (ख) निम्नलिखित अभिक्रियाओं में से किन्हीं दो को पूर्ण कीजिए और सन्तुलित कीजिए : (i) Ti(s) + O₂(g) → (ii) Cr(s) + O₂(g) → (iii) Cu(s) + O₂(g) →

Ans.

(क) स्कैंडियम (Sc) का परमाणु क्रमांक 21 है। इसकी निम्नतम अवस्था में इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s² या [Ar] 3d¹ 4s² है। जब स्कैंडियम Sc³⁺ आयन बनाता है, तो यह तीन इलेक्ट्रॉनों को खो देता है। इलेक्ट्रॉनों को सबसे पहले सबसे बाहरी कोश (n=4) से और फिर उपांतिम कोश (n=3) से हटाया जाता है। इसलिए, दो इलेक्ट्रॉन 4s कक्षक से और एक इलेक्ट्रॉन 3d कक्षक से निकल जाते हैं। Sc ([Ar] 3d¹ 4s²) → Sc³⁺ ([Ar] 3d⁰ 4s⁰) + 3e⁻ अतः, Sc³⁺ आयन का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Ar] 3d⁰ 4s⁰ होता है, जो कि आर्गन (Ar) के इलेक्ट्रॉनिक विन्यास के समान है। चूँकि इसमें कोई d-इलेक्ट्रॉन नहीं है, Sc³⁺ आयन रंगहीन और प्रतिचुंबकीय होता है।

(ख) निम्नलिखित अभिक्रियाएँ पूर्ण और संतुलित इस प्रकार हैं:

  • (i) Ti(s) + O₂(g) → TiO₂(s) यह अभिक्रिया पहले से ही संतुलित है। टाइटेनियम ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके टाइटेनियम (IV) ऑक्साइड बनाता है, जो एक सफेद ठोस है।
  • (ii) 4Cr(s) + 3O₂(g) → 2Cr₂O₃(s) क्रोमियम हवा में गर्म करने पर ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके क्रोमियम (III) ऑक्साइड बनाता है, जो एक हरा ठोस है और बहुत स्थिर होता है।
  • (iii) 2Cu(s) + O₂(g) → 2CuO(s) तांबे को गर्म करने पर वह ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके कॉपर (II) ऑक्साइड बनाता है, जो एक काला ठोस है।

Q2. (क) (i) निम्नलिखित में से कौन-से आयन रंगीन प्रवृत्ति के होते हैं? कारण बताइये : (1) Ti⁴⁺ (2) [Fe(H₂O)₆]²⁺ (ii) चुंबकीय आघूर्ण की इकाई क्या है? (ख) किन्हीं दो संक्रमण तत्वों के नाम लिखिए जो बहुत ही कम मात्रा में पौधों और जन्तुओं में पाये जाते हों और एन्जाइम के कार्य करने की प्रक्रिया के लिए आवश्यक हों।

Ans.

(क) (i) दिए गए आयनों में से, [Fe(H₂O)₆]²⁺ रंगीन है । कारण:

  • Ti⁴⁺ आयन: टाइटेनियम (Z=22) का विन्यास [Ar] 3d² 4s² है। Ti⁴⁺ आयन का विन्यास [Ar] 3d⁰ है। इसमें कोई d-इलेक्ट्रॉन नहीं हैं। रंग के लिए d-d संक्रमण आवश्यक है, जिसमें इलेक्ट्रॉन निम्न ऊर्जा वाले d-कक्षक से उच्च ऊर्जा वाले d-कक्षक में जाता है। d-इलेक्ट्रॉनों की अनुपस्थिति के कारण, Ti⁴⁺ में कोई d-d संक्रमण संभव नहीं है, इसलिए यह रंगहीन है।
  • [Fe(H₂O)₆]²⁺ आयन: आयरन (Z=26) का विन्यास [Ar] 3d⁶ 4s² है। Fe²⁺ आयन का विन्यास [Ar] 3d⁶ है। [Fe(H₂O)₆]²⁺ एक अष्टफलकीय संकुल है जिसमें Fe²⁺ के पास 6 d-इलेक्ट्रॉन हैं। H₂O एक दुर्बल क्षेत्र लिगेंड है, इसलिए यह एक उच्च-चक्रण संकुल बनाता है। क्रिस्टल क्षेत्र सिद्धांत के अनुसार, d-कक्षक t₂g और eg सेट में विभाजित हो जाते हैं। Fe²⁺ (d⁶) का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास t₂g⁴ eg² है। इसमें अयुग्मित इलेक्ट्रॉन और रिक्त d-कक्षक होते हैं। यह दृश्य प्रकाश क्षेत्र से ऊर्जा अवशोषित करके एक इलेक्ट्रॉन को t₂g स्तर से eg स्तर पर बढ़ावा दे सकता है (d-d संक्रमण)। संकुल उस प्रकाश का रंग प्रदर्शित करता है जो अवशोषित प्रकाश का पूरक होता है। इसलिए, [Fe(H₂O)₆]²⁺ हल्का हरा रंग प्रदर्शित करता है।

(ii) चुंबकीय आघूर्ण की इकाई बोर मैग्नेटॉन (Bohr Magneton) है, जिसे B.M. द्वारा दर्शाया जाता है।

(ख) पौधों और जंतुओं में बहुत कम मात्रा में पाए जाने वाले दो आवश्यक संक्रमण तत्व जो एंजाइमों के कार्य के लिए महत्वपूर्ण हैं:

  1. आयरन (Fe): यह हीमोग्लोबिन (ऑक्सीजन परिवहन), मायोग्लोबिन (ऑक्सीजन भंडारण) और साइटोक्रोम (इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला) जैसे कई महत्वपूर्ण प्रोटीनों और एंजाइमों का एक प्रमुख घटक है।
  2. जिंक (Zn): यह कार्बोनिक एनहाइड्रेज, अल्कोहल डिहाइड्रोजनेज और कार्बोक्सीपेप्टिडेस सहित कई एंजाइमों के लिए एक सह-कारक के रूप में कार्य करता है। यह शरीर में कई चयापचय प्रक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण है।

Q3. (क) निम्नलिखित संकुलों में से किसके पास परिपूर्ण अष्टफलकीय ज्यामिति नहीं है? अपने उत्तर की पुष्टि कीजिए : (i) [Cr(H₂O)₆]³⁺ (ii) [VCl₆]²⁻ (iii) [Fe(H₂O)₆]²⁺ (ख) [Mn(H₂O)₆]²⁺ या CuCl₂ के लिए चक्रण-मात्र चुंबकीय आघूर्ण की गणना कीजिए।

Ans.

(क) दिए गए संकुलों में से, [Fe(H₂O)₆]²⁺ में परिपूर्ण अष्टफलकीय ज्यामिति नहीं होती है।

पुष्टि (कारण): एक परिपूर्ण अष्टफलकीय ज्यामिति तब होती है जब केंद्रीय धातु आयन के d-कक्षक (t₂g और eg) सममित रूप से भरे होते हैं (जैसे d³, निम्न-चक्रण d⁶, उच्च-चक्रण d⁵, d⁸, d¹⁰)। जब d-कक्षक असममित रूप से भरे होते हैं, तो जॉन-टेलर प्रभाव के कारण विकृति होती है, जिससे ज्यामिति अपूर्ण हो जाती है।

  • [Cr(H₂O)₆]³⁺: Cr की ऑक्सीकरण अवस्था +3 है (d³ विन्यास)। t₂g कक्षक में तीन इलेक्ट्रॉन (t₂g³) होते हैं, जो एक सममित विन्यास है। इसलिए, इसमें एक परिपूर्ण अष्टफलकीय ज्यामिति होती है।
  • [VCl₆]²⁻: V की ऑक्सीकरण अवस्था +4 है (d¹ विन्यास)। t₂g कक्षक में एक इलेक्ट्रॉन (t₂g¹) होता है, जो एक असममित विन्यास है, लेकिन t₂g कक्षकों में विषमता के कारण विकृति आमतौर पर कमजोर होती है।
  • [Fe(H₂O)₆]²⁺: Fe की ऑक्सीकरण अवस्था +2 है (d⁶ विन्यास)। H₂O एक दुर्बल क्षेत्र लिगेंड है, जिससे एक उच्च-चक्रण संकुल बनता है। इलेक्ट्रॉनिक विन्यास t₂g⁴ eg² है। यहाँ, t₂g कक्षक असममित रूप से भरे हुए हैं (एक कक्षक युग्मित है और दो अयुग्मित हैं)। यह असममित इलेक्ट्रॉनिक विन्यास जॉन-टेलर विकृति का कारण बनता है, जो अष्टफलकीय ज्यामिति को विकृत कर देता है। इसलिए, इसमें एक परिपूर्ण अष्टफलकीय ज्यामिति नहीं होती है।

(ख) चक्रण-मात्र चुंबकीय आघूर्ण (µs) की गणना सूत्र µs = √[n(n+2)] B.M. का उपयोग करके की जाती है, जहाँ ‘n’ अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की संख्या है। हम [Mn(H₂O)₆]²⁺ के लिए गणना करेंगे:

  1. ऑक्सीकरण अवस्था: मैंगनीज (Mn) की ऑक्सीकरण अवस्था +2 है।
  2. इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: Mn (Z=25) का विन्यास [Ar] 3d⁵ 4s² है। Mn²⁺ का विन्यास [Ar] 3d⁵ है।
  3. अयुग्मित इलेक्ट्रॉन (n): H₂O एक दुर्बल क्षेत्र लिगेंड है, इसलिए यह एक उच्च-चक्रण संकुल बनाता है। d⁵ विन्यास में, सभी पाँच d-इलेक्ट्रॉन अयुग्मित रहते हैं। तो, n = 5 ।
  4. चुंबकीय आघूर्ण की गणना: µs = √[5(5+2)] µs = √[5 * 7] µs = √35 µs ≈ 5.92 B.M.

Q4. (क) तीसरी संक्रमण श्रेणी के तत्वों का आकार दूसरी संक्रमण श्रेणी के तत्वों के लगभग बराबर क्यों होता है? (ख) निम्नलिखित के केन्द्रीय धातु आयन की ऑक्सीकरण अवस्था और उपसहसंयोजक संख्या का निर्धारण कीजिए : (i) [Ag(NH₃)₂]⁺ (ii) [Co(H₂O)₆]²⁺

Ans.

(क) तीसरी संक्रमण श्रेणी (5d श्रेणी) के तत्वों का आकार दूसरी संक्रमण श्रेणी (4d श्रेणी) के तत्वों के लगभग बराबर होने का मुख्य कारण लैंथेनाइड संकुचन (Lanthanide Contraction) है। व्याख्या:

  1. तीसरी संक्रमण श्रेणी (जो हेफनियम, Hf से शुरू होती है) से ठीक पहले, लैंथेनाइड श्रेणी आती है, जिसमें इलेक्ट्रॉन आंतरिक 4f-कक्षकों में भरे जाते हैं।
  2. 4f-कक्षकों का आकार बहुत फैला हुआ (diffuse) होता है, जिसके कारण उनका परिरक्षण प्रभाव (shielding effect) बहुत कमजोर होता है।
  3. जैसे-जैसे हम लैंथेनाइड श्रेणी में बाएं से दाएं जाते हैं, प्रत्येक तत्व के साथ नाभिकीय आवेश एक इकाई बढ़ जाता है, लेकिन जोड़ा गया इलेक्ट्रॉन कमजोर परिरक्षण वाले 4f-कक्षक में जाता है।
  4. इस कमजोर परिरक्षण के कारण, सबसे बाहरी कोश के इलेक्ट्रॉन (6s और 5d) एक मजबूत प्रभावी नाभिकीय आवेश का अनुभव करते हैं।
  5. यह बढ़ा हुआ आकर्षण परमाणु के आकार को काफी कम कर देता है। इस संचयी प्रभाव के परिणामस्वरूप, जब हम 5d श्रेणी के पहले तत्व (Hf) तक पहुँचते हैं, तो इसका परमाणु त्रिज्या लगभग 4d श्रेणी में इसके ऊपर के तत्व (Zr) के बराबर हो जाता है। यह समानता आगे के तत्वों (जैसे Nb और Ta, Mo और W) में भी बनी रहती है।

(ख)

(i) [Ag(NH₃)₂]⁺

  • ऑक्सीकरण अवस्था: NH₃ (अमोनिया) एक उदासीन लिगेंड है (आवेश = 0)। मान लीजिए Ag की ऑक्सीकरण अवस्था ‘x’ है। x + 2(0) = +1 x = +1 अतः, Ag की ऑक्सीकरण अवस्था +1 है।
  • उपसहसंयोजक संख्या: यह केंद्रीय धातु आयन से जुड़े दाता परमाणुओं की संख्या है। यहां दो एकदंती (monodentate) NH₃ लिगेंड हैं। अतः, उपसहसंयोजक संख्या 2 है।

(ii) [Co(H₂O)₆]²⁺

  • ऑक्सीकरण अवस्था: H₂O (एक्वा) एक उदासीन लिगेंड है (आवेश = 0)। मान लीजिए Co की ऑक्सीकरण अवस्था ‘x’ है। x + 6(0) = +2 x = +2 अतः, Co की ऑक्सीकरण अवस्था +2 है।
  • उपसहसंयोजक संख्या: यहां छह एकदंती H₂O लिगेंड हैं। अतः, उपसहसंयोजक संख्या 6 है।

Q5. (क) निम्नलिखित में से किसी एक यौगिक के IUPAC नाम का निर्धारण कीजिए : (i) [(NH₃)₅Co-NH₂-Co(NH₃)₅](NO₃)₅ (ii) [(CO)₃Fe(CO)₃Fe(CO)₃] (ख) [Co(NH₃)₅NO₂]Cl₂ के सभी संभावित समावयवों को लिखिए और उनके नाम दीजिए।

Ans.

(क) यौगिक (i) [(NH₃)₅Co-NH₂-Co(NH₃)₅](NO₃)₅ का IUPAC नाम:

यह एक सेतु (bridged) संकुल है जिसमें दो कोबाल्ट केंद्र NH₂ (एमाइडो) समूह द्वारा जुड़े हुए हैं।

  1. संकुल आयन की पहचान: धनायन [(NH₃)₅Co-NH₂-Co(NH₃)₅]⁵⁺ है और ऋणायन NO₃⁻ (नाइट्रेट) है।
  2. लिगेंडों का नामकरण: इसमें दस ‘अम्मीन’ (NH₃) लिगेंड और एक सेतु ‘एमाइडो’ (NH₂) लिगेंड है। सेतु लिगेंड को ‘μ-‘ उपसर्ग से दर्शाया जाता है।
  3. धातु की ऑक्सीकरण अवस्था: मान लीजिए प्रत्येक कोबाल्ट (Co) की ऑक्सीकरण अवस्था ‘x’ है। 2x + (-1) [NH₂⁻ के लिए] = +5 [कुल आवेश] 2x = 6 x = +3. अतः, यह कोबाल्ट (III) है।
  4. पूर्ण नाम: लिगेंडों को वर्णानुक्रम में व्यवस्थित करते हुए, नाम होगा: μ-एमाइडो-बिस(पेंटाअम्मीनकोबाल्ट(III)) नाइट्रेट ।

(ख) [Co(NH₃)₅NO₂]Cl₂ के संभावित समावयव: इस संकुल में बंधन समावयवता (Linkage Isomerism) की संभावना है। ऐसा इसलिए है क्योंकि NO₂⁻ एक उभयदंती (ambidentate) लिगेंड है, जो धातु आयन से नाइट्रोजन (N) परमाणु या ऑक्सीजन (O) परमाणु के माध्यम से जुड़ सकता है। इसके दो संभावित समावयव हैं:

  1. [Co(NH₃)₅(NO₂)]Cl₂
    • विवरण: इस समावयव में, NO₂⁻ लिगेंड नाइट्रोजन परमाणु के माध्यम से कोबाल्ट से जुड़ा होता है। इसे ‘नाइट्रो’ लिगेंड कहा जाता है।
    • IUPAC नाम: पेंटाअम्मीननाइट्रोकोबाल्ट(III) क्लोराइड ।
    • रंग: यह यौगिक पीला-भूरा होता है।
  2. [Co(NH₃)₅(ONO)]Cl₂
    • विवरण: इस समावयव में, NO₂⁻ लिगेंड एक ऑक्सीजन परमाणु के माध्यम से कोबाल्ट से जुड़ा होता है। इसे ‘नाइट्रिटो’ लिगेंड कहा जाता है।
    • IUPAC नाम: पेंटाअम्मीननाइट्रिटोकोबाल्ट(III) क्लोराइड ।
    • रंग: यह यौगिक लाल होता है।

Q6. (क) निम्नलिखित के सूत्र लिखिए : (i) टेट्रापिरीडीनप्लैटिनम(II) टेट्राक्लोरीडोप्लेटिनेट(II) (ii) पेंटाअम्मीनएक्वाकोबाल्ट(III) क्लोराइड (ख) निम्नलिखित संकुलों की संरचना और चुंबकीय आघूर्ण की व्याख्या संयोजकता आबंध सिद्धान्त के आधार पर कीजिए : [MnCl₆]³⁻ और [Mn(CN)₆]³⁻

Ans.

(क) निम्नलिखित के सूत्र:

(i) टेट्रापिरीडीनप्लैटिनम(II) टेट्राक्लोरीडोप्लेटिनेट(II)

  • धनायन: टेट्रापिरीडीनप्लैटिनम(II) → [Pt(py)₄]²⁺ (पिरिडीन, py, एक उदासीन लिगेंड है)।
  • ऋणायन: टेट्राक्लोरीडोप्लेटिनेट(II) → [PtCl₄]²⁻ (क्लोराइडो, Cl⁻, का आवेश -1 है)।
  • धनायन (+2) और ऋणायन (-2) के आवेश बराबर और विपरीत हैं, इसलिए वे 1:1 के अनुपात में जुड़ेंगे।
  • सूत्र: [Pt(py)₄][PtCl₄]

(ii) पेंटाअम्मीनएक्वाकोबाल्ट(III) क्लोराइड

  • धनायन: पेंटाअम्मीनएक्वाकोबाल्ट(III) → [Co(NH₃)₅(H₂O)]³⁺ (अम्मीन, NH₃, और एक्वा, H₂O, दोनों उदासीन लिगेंड हैं)। कोबाल्ट का आवेश +3 है, इसलिए संकुल का कुल आवेश +3 है।
  • ऋणायन: क्लोराइड → Cl⁻
  • +3 आवेश को संतुलित करने के लिए तीन Cl⁻ आयनों की आवश्यकता होगी।
  • सूत्र: [Co(NH₃)₅(H₂O)]Cl₃

(ख) संयोजकता आबंध सिद्धान्त (VBT) के आधार पर व्याख्या: दोनों संकुलों में केंद्रीय आयन Mn³⁺ है, जिसका इलेक्ट्रॉनिक विन्यास [Ar] 3d⁴ है।

1. [MnCl₆]³⁻ (उच्च-चक्रण संकुल)

  • लिगेंड: Cl⁻ एक दुर्बल क्षेत्र लिगेंड है, जो इलेक्ट्रॉनों के युग्मन का कारण नहीं बनता है।
  • संकरण: चूँकि यह एक बाह्य कक्षक (outer orbital) संकुल है, यह आबंधन के लिए बाह्य 4d कक्षकों का उपयोग करेगा। संकरण sp³d² होगा (एक 4s, तीन 4p, और दो 4d कक्षक)।
  • संरचना: sp³d² संकरण के कारण ज्यामिति अष्टफलकीय होगी।
  • चुंबकीय गुण: 3d⁴ के चार इलेक्ट्रॉन अयुग्मित रहेंगे। अतः अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की संख्या, n = 4 ।
  • चुंबकीय आघूर्ण (µ): µ = √[4(4+2)] = √24 ≈ 4.90 B.M.

2. [Mn(CN)₆]³⁻ (निम्न-चक्रण संकुल)

  • लिगेंड: CN⁻ एक प्रबल क्षेत्र लिगेंड है, जो इलेक्ट्रॉनों को युग्मित होने के लिए बाध्य करेगा।
  • संकरण: आबंधन के लिए आंतरिक 3d कक्षकों को उपलब्ध कराने के लिए 3d⁴ इलेक्ट्रॉन पुनर्व्यवस्थित होंगे। विन्यास (↑↓)(↑)(↑)( )( ) हो जाएगा, जिससे दो 3d कक्षक संकरण के लिए उपलब्ध होंगे। संकरण d²sp³ होगा (दो 3d, एक 4s, और तीन 4p कक्षक)।
  • संरचना: d²sp³ संकरण के कारण ज्यामिति अष्टफलकीय होगी।
  • चुंबकीय गुण: पुनर्व्यवस्था के बाद, दो इलेक्ट्रॉन अयुग्मित रहते हैं। अतः अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की संख्या, n = 2 ।
  • चुंबकीय आघूर्ण (µ): µ = √[2(2+2)] = √8 ≈ 2.83 B.M.

Q7. (क) [Fe(CN)₆]⁴⁻ संकुल की क्रिस्टल क्षेत्र स्थायीकरण ऊर्जा की गणना कीजिए। (ख) स्पेक्ट्रमी रासायनिक श्रेणी क्या है?

Ans.

(क) [Fe(CN)₆]⁴⁻ की क्रिस्टल क्षेत्र स्थायीकरण ऊर्जा (CFSE) की गणना:

  1. आयरन (Fe) की ऑक्सीकरण अवस्था: मान लीजिए Fe की ऑक्सीकरण अवस्था ‘x’ है। x + 6(-1) = -4 x = +2 अतः, यह Fe²⁺ है, जिसका इलेक्ट्रॉनिक विन्यास d⁶ है।
  2. लिगेंड का प्रकार और इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: CN⁻ (साइनाइडो) एक प्रबल क्षेत्र लिगेंड है। यह इलेक्ट्रॉनों के युग्मन का कारण बनेगा और एक निम्न-चक्रण (low-spin) अष्टफलकीय संकुल बनाएगा। d⁶ इलेक्ट्रॉनों को पहले निम्न-ऊर्जा वाले t₂g कक्षकों में भरा जाएगा। इलेक्ट्रॉनिक विन्यास होगा: t₂g⁶ eg⁰ ।
  3. CFSE की गणना: अष्टफलकीय संकुलों के लिए CFSE का सूत्र है: CFSE = [-0.4 × (t₂g में इलेक्ट्रॉनों की संख्या) + 0.6 × (eg में इलेक्ट्रॉनों की संख्या)] Δo + P जहाँ Δo क्रिस्टल क्षेत्र विपाटन ऊर्जा है और P युग्मन ऊर्जा है। CFSE = [-0.4 × 6 + 0.6 × 0] Δo CFSE = [-2.4 + 0] Δo CFSE = -2.4 Δo यदि युग्मन ऊर्जा को शामिल किया जाए, तो d⁶ निम्न-चक्रण विन्यास (3 युग्म) में उच्च-चक्रण विन्यास (1 युग्म) की तुलना में 2 अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन युग्म बनते हैं। अतः, पूर्ण व्यंजक CFSE = -2.4 Δo + 2P है।

(ख) स्पेक्ट्रमी रासायनिक श्रेणी (Spectrochemical Series): स्पेक्ट्रमी रासायनिक श्रेणी लिगेंडों की एक ऐसी सूची है जिसमें उन्हें क्रिस्टल क्षेत्र विपाटन (crystal field splitting) उत्पन्न करने की उनकी बढ़ती क्षमता के क्रम में व्यवस्थित किया जाता है। दूसरे शब्दों में, यह लिगेंडों को उनके द्वारा उत्पन्न Δo (अष्टफलकीय विपाटन ऊर्जा) के बढ़ते मान के क्रम में व्यवस्थित करती है।

  • यह श्रेणी प्रयोगात्मक रूप से विभिन्न लिगेंडों वाले संकुलों के अवशोषण स्पेक्ट्रा को मापकर निर्धारित की जाती है।
  • जो लिगेंड बड़े विपाटन का कारण बनते हैं, उन्हें प्रबल-क्षेत्र लिगेंड कहा जाता है (जैसे CN⁻, CO)। ये उच्च ऊर्जा (कम तरंग दैर्ध्य) वाले प्रकाश को अवशोषित करते हैं।
  • जो लिगेंड छोटे विपाटन का कारण बनते हैं, उन्हें दुर्बल-क्षेत्र लिगेंड कहा जाता है (जैसे I⁻, Br⁻)। ये कम ऊर्जा (अधिक तरंग दैर्ध्य) वाले प्रकाश को अवशोषित करते हैं।
  • एक संक्षिप्त स्पेक्ट्रमी रासायनिक श्रेणी इस प्रकार है: I⁻ < Br⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < H₂O < NH₃ < en < CN⁻ < CO

भाग-ख (द्रव्य की अवस्थाएँ और रासायनिक बलगतिकी)

Q8. (क) बॉयल का नियम क्या है? P और 1/V के बीच आदर्श गैस के लिए आलेख बनाइये। (ख) एक गैस का घनत्व 300 K तापमान और 1 atm दाब पर 3.43 g/L पाया गया। इस गैस का आण्विक द्रव्यमान ज्ञात कीजिए।

Ans.

(क) बॉयल का नियम (Boyle’s Law): बॉयल का नियम कहता है कि स्थिर तापमान पर, किसी गैस की एक निश्चित मात्रा (मोल) का दाब (P) उसके आयतन (V) के व्युत्क्रमानुपाती होता है। गणितीय रूप से: P ∝ 1/V (जब T और n स्थिर हों) या PV = k (जहाँ k एक स्थिरांक है)

P और 1/V के बीच आलेख: समीकरण P = k * (1/V) एक सीधी रेखा के समीकरण y = mx के रूप में है। इसलिए, जब हम दाब (P) को y-अक्ष पर और आयतन के व्युत्क्रम (1/V) को x-अक्ष पर लेकर एक आलेख बनाते हैं, तो हमें मूल बिंदु से गुजरने वाली एक सीधी रेखा प्राप्त होती है। इस रेखा का ढलान स्थिरांक k (जो nRT के बराबर है) के मान को दर्शाता है।

(आलेख का विवरण: y-अक्ष पर P, x-अक्ष पर 1/V, और मूल बिंदु से ऊपर की ओर जाती हुई एक सीधी रेखा)।

(ख) आण्विक द्रव्यमान की गणना: हम आदर्श गैस समीकरण के घनत्व रूप का उपयोग कर सकते हैं: PM = dRT जहाँ: P = दाब = 1 atm M = आण्विक द्रव्यमान (g/mol) (ज्ञात करना है) d = घनत्व = 3.43 g/L R = सार्वभौमिक गैस स्थिरांक = 0.0821 L atm K⁻¹ mol⁻¹ T = तापमान = 300 K

आण्विक द्रव्यमान (M) के लिए समीकरण को पुनर्व्यवस्थित करने पर: M = (dRT) / P

मान रखने पर: M = (3.43 g/L × 0.0821 L atm K⁻¹ mol⁻¹ × 300 K) / 1 atm M = 3.43 × 0.0821 × 300 g/mol M = 84.49 g/mol

अतः, गैस का आण्विक द्रव्यमान लगभग 84.5 g/mol है।

Q9. (क) 2 मोल N₂ और 3 मोल He गैस को एक पात्र में रखा गया है। इसका कुल दाब 10 atm है। He और N₂ के आंशिक दाब की गणना कीजिए। (ख) सर्वाधिक सम्भावित वेग (v_mp) क्या है? मैक्सवेल-बोल्ट्जमान वितरण के आलेख की व्याख्या कीजिए।

Ans.

(क) आंशिक दाब की गणना: हम डाल्टन के आंशिक दाब के नियम का उपयोग करेंगे, जिसके अनुसार किसी गैस का आंशिक दाब उसके मोल अंश और कुल दाब के गुणनफल के बराबर होता है। आंशिक दाब (Pᵢ) = मोल अंश (xᵢ) × कुल दाब (P_total)

  1. कुल मोल की गणना: कुल मोल (n_total) = N₂ के मोल + He के मोल = 2 + 3 = 5 मोल
  2. मोल अंश की गणना: N₂ का मोल अंश (x_N₂) = (N₂ के मोल) / (कुल मोल) = 2 / 5 = 0.4 He का मोल अंश (x_He) = (He के मोल) / (कुल मोल) = 3 / 5 = 0.6
  3. आंशिक दाब की गणना: कुल दाब (P_total) = 10 atm N₂ का आंशिक दाब (P_N₂) = x_N₂ × P_total = 0.4 × 10 atm = 4 atm He का आंशिक दाब (P_He) = x_He × P_total = 0.6 × 10 atm = 6 atm

अतः, नाइट्रोजन का आंशिक दाब 4 atm और हीलियम का आंशिक दाब 6 atm है।

(ख) सर्वाधिक सम्भावित वेग (Most Probable Velocity, v_mp): किसी दिए गए तापमान पर गैस के नमूने में, सर्वाधिक सम्भावित वेग वह गति है जो अणुओं की अधिकतम संख्या द्वारा धारण की जाती है।

मैक्सवेल-बोल्ट्जमान वितरण आलेख: यह आलेख अणुओं के अंश (या प्रायिकता घनत्व) को y-अक्ष पर और आण्विक गति को x-अक्ष पर रखकर बनाया जाता है।

  • आलेख मूल बिंदु से शुरू होता है, एक शिखर तक पहुँचता है, और फिर धीरे-धीरे x-अक्ष की ओर घटता है।
  • आलेख का शिखर (peak) उस गति को इंगित करता है जो अणुओं के सबसे बड़े अंश के पास होती है। इसी गति को सर्वाधिक सम्भावित वेग (v_mp) कहा जाता है।
  • आलेख के नीचे का कुल क्षेत्रफल गैस के अणुओं की कुल संख्या का प्रतिनिधित्व करता है और स्थिर रहता है।
  • तापमान बढ़ने पर, आलेख चपटा और चौड़ा हो जाता है, और शिखर दाईं ओर (उच्च गति की ओर) स्थानांतरित हो जाता है, जिसका अर्थ है कि v_mp का मान बढ़ जाता है।

Q10. (क) गैस का बुलबुला गोलाकार प्रकृति का क्यों होता है? (ख) पृष्ठ तनाव पर तापमान का क्या प्रभाव होता है? (ग) एक स्टैग्मोमीटर में एक निश्चित आयतन के लिए जल की बूँदों की संख्या 298 K तापमान पर 300 आँकी गयी जबकि उसी आयतन के एथिल अल्कोहॉल के लिए बूँदों की संख्या 320 है। एथिल अल्कोहॉल के पृष्ठ तनाव की गणना कीजिए। दिया गया है: जल का घनत्व = 0.998 kg dm⁻³, एथिल अल्कोहॉल का घनत्व = 0.964 kg dm⁻³, जल का पृष्ठ तनाव = 0.0727 N m⁻¹

Ans.

(क) गैस के बुलबुले के गोलाकार होने का कारण पृष्ठ तनाव (Surface Tension) है। किसी भी द्रव की सतह में न्यूनतम संभव पृष्ठीय क्षेत्रफल प्राप्त करने की प्रवृत्ति होती है। किसी दिए गए आयतन के लिए, गोला (sphere) वह ज्यामितीय आकृति है जिसका पृष्ठीय क्षेत्रफल सबसे कम होता है। इसलिए, पृष्ठ तनाव के कारण बुलबुला अपनी सतह ऊर्जा को कम करने के लिए एक गोलाकार आकार ले लेता है।

(ख)

तापमान बढ़ाने पर द्रव का पृष्ठ तनाव घटता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि तापमान बढ़ने से अणुओं की गतिज ऊर्जा बढ़ जाती है। यह बढ़ी हुई ऊर्जा अणुओं के बीच के अंतरा-आण्विक आकर्षण बलों को कमजोर कर देती है। चूँकि पृष्ठ तनाव इन्हीं आकर्षण बलों का परिणाम है, इसलिए इन बलों के कमजोर होने से पृष्ठ तनाव कम हो जाता है। क्रांतिक तापमान पर, पृष्ठ तनाव शून्य हो जाता है।

(ग) स्टैग्मोमीटर विधि का उपयोग करके, दो द्रवों के पृष्ठ तनाव की तुलना निम्न सूत्र से की जा सकती है: γ₁ / γ₂ = (n₂ d₁) / (n₁ d₂) जहाँ, γ = पृष्ठ तनाव, n = बूँदों की संख्या, d = घनत्व। मान लीजिए, (1) जल के लिए और (2) एथिल अल्कोहॉल के लिए है। दिया गया है: γ₁ (जल) = 0.0727 N m⁻¹ n₁ (जल) = 300 d₁ (जल) = 0.998 kg dm⁻³ n₂ (एथिल अल्कोहॉल) = 320 d₂ (एथिल अल्कोहॉल) = 0.964 kg dm⁻³ γ₂ (एथिल अल्कोहॉल) = ?

γ₂ के लिए सूत्र को पुनर्व्यवस्थित करने पर: γ₂ = γ₁ × (n₁ d₂) / (n₂ d₁) γ₂ = 0.0727 × (300 × 0.964) / (320 × 0.998) γ₂ = 0.0727 × (289.2) / (319.36) γ₂ = 0.0727 × 0.90556 γ₂ ≈ 0.0658 N m⁻¹

अतः, एथिल अल्कोहॉल का पृष्ठ तनाव 0.0658 N m⁻¹ है।

Q11. (क) चतुष्फलकीय रिक्ति और अष्टफलकीय रिक्ति के गठन को उदाहरण देकर स्पष्ट कीजिए। (ख) NaCl के एक इकाई/एकक सेल में शामिल NaCl के सूत्र इकाइयों की गणना कीजिए।

Ans.

(क) चतुष्फलकीय और अष्टफलकीय रिक्तियों का गठन: ये क्रिस्टल जालक में गोलों (परमाणुओं या आयनों) की निबिड़ संकुलन (close packing) के दौरान बनने वाले खाली स्थान हैं।

चतुष्फलकीय रिक्ति (Tetrahedral Void):

  • इसका निर्माण चार गोलों द्वारा होता है।
  • गठन: जब एक परत में तीन गोले एक-दूसरे को स्पर्श करते हुए रखे जाते हैं, तो उनके बीच में एक त्रिकोणीय खाली स्थान बनता है। जब एक चौथा गोला इस खाली स्थान के ठीक ऊपर (या नीचे) रखा जाता है, तो इन चार गोलों के बीच घिरे खाली स्थान को चतुष्फलकीय रिक्ति कहा जाता है।
  • इन चार गोलों के केंद्रों को मिलाने पर एक चतुष्फलक (tetrahedron) बनता है, इसीलिए इसे यह नाम दिया गया है।

अष्टफलकीय रिक्ति (Octahedral Void):

  • इसका निर्माण छह गोलों द्वारा होता है।
  • गठन: इसका निर्माण दो त्रिकोणीय रिक्तियों के संयोजन से होता है। जब एक परत के तीन गोलों द्वारा बनाई गई त्रिकोणीय रिक्ति के ऊपर दूसरी परत के तीन गोलों की त्रिकोणीय रिक्ति आ जाती है, तो उनके बीच का खाली स्थान अष्टफलकीय रिक्ति कहलाता है।
  • सरल शब्दों में, यह रिक्ति तीन गोलों की एक परत और उसके ऊपर तीन गोलों की दूसरी विपरीत परत के बीच बनती है। इन छह गोलों के केंद्रों को मिलाने पर एक अष्टफलक (octahedron) बनता है।

(ख) NaCl के एकक सेल में सूत्र इकाइयों की संख्या: NaCl की क्रिस्टल संरचना फलक-केंद्रित घनीय (fcc) होती है।

  1. Cl⁻ आयनों की स्थिति और संख्या: Cl⁻ आयन fcc जालक बनाते हैं।
    • 8 Cl⁻ आयन कोनों पर होते हैं: प्रत्येक का योगदान 1/8 होता है → 8 × (1/8) = 1 Cl⁻ आयन।
    • 6 Cl⁻ आयन फलकों के केंद्र पर होते हैं: प्रत्येक का योगदान 1/2 होता है → 6 × (1/2) = 3 Cl⁻ आयन।
    • एकक सेल में कुल Cl⁻ आयनों की संख्या = 1 + 3 = 4 ।
  2. Na⁺ आयनों की स्थिति और संख्या: Na⁺ आयन सभी अष्टफलकीय रिक्तियों में स्थित होते हैं।
    • एक fcc जालक में, 1 अष्टफलकीय रिक्ति काय-केंद्र (body-center) में और 12 किनारों के केंद्र (edge-centers) पर होती हैं।
    • 1 Na⁺ आयन काय-केंद्र में: योगदान 1 → 1 × 1 = 1 Na⁺ आयन।
    • 12 Na⁺ आयन किनारों के केंद्र पर: प्रत्येक का योगदान 1/4 होता है → 12 × (1/4) = 3 Na⁺ आयन।
    • एकक सेल में कुल Na⁺ आयनों की संख्या = 1 + 3 = 4 ।
  3. सूत्र इकाइयों की संख्या: चूँकि एकक सेल में 4 Na⁺ आयन और 4 Cl⁻ आयन होते हैं, Na⁺ और Cl⁻ का अनुपात 4:4 या 1:1 है। अतः, NaCl के एकक सेल में 4 सूत्र इकाइयाँ होती हैं।

Q12. (क) सिल्वर एक fcc क्रिस्टल जालक है। इसके इकाई सेल के कोर की लंबाई 4.077 x 10⁻⁸ cm और इसका घनत्व 10.12 g/cm³ है। सिल्वर के मोलर द्रव्यमान की गणना कीजिए। (ख) शॉट्की दोष और फ्रैंकल दोष के बीच दो अंतर बताइये।

Ans.

(क) सिल्वर के मोलर द्रव्यमान की गणना: क्रिस्टल के घनत्व (d) का सूत्र है: d = (Z × M) / (N_A × a³) जहाँ, d = घनत्व = 10.12 g/cm³ (प्रश्नपत्र के अनुसार, 0.12 g/cm³ एक टंकण त्रुटि प्रतीत होती है) Z = एकक सेल में परमाणुओं की संख्या (fcc के लिए, Z = 4 ) M = मोलर द्रव्यमान (g/mol) (ज्ञात करना है) N_A = आवोगाद्रो संख्या = 6.022 × 10²³ mol⁻¹ a = कोर की लंबाई = 4.077 × 10⁻⁸ cm

M के लिए सूत्र को पुनर्व्यवस्थित करने पर: M = (d × N_A × a³) / Z

पहले, a³ की गणना करें: a³ = (4.077 × 10⁻⁸ cm)³ = 67.78 × 10⁻²⁴ cm³

अब M की गणना करें: M = (10.12 g/cm³ × 6.022 × 10²³ mol⁻¹ × 67.78 × 10⁻²⁴ cm³) / 4 M = (10.12 × 6.022 × 67.78 × 10⁻¹) / 4 M = 4130.3 / 40 M = 103.26 g/mol

अतः, सिल्वर का मोलर द्रव्यमान लगभग 103.26 g/mol है।

(ख) शॉट्की दोष और फ्रैंकल दोष के बीच अंतर:

गुण शॉट्की दोष (Schottky Defect) फ्रैंकल दोष (Frenkel Defect) प्रकृति यह एक रिक्ति दोष है। इसमें समान संख्या में धनायन और ऋणायन अपने जालक स्थलों से लुप्त हो जाते हैं। यह एक अंतराकाशी दोष है। इसमें सामान्यतः छोटा आयन (धनायन) अपना जालक स्थल छोड़कर अंतराकाशी स्थल में चला जाता है। घनत्व पर प्रभाव चूंकि आयन क्रिस्टल से बाहर निकल जाते हैं, क्रिस्टल का घनत्व कम हो जाता है। चूंकि आयन क्रिस्टल के भीतर ही रहते हैं, क्रिस्टल का घनत्व अपरिवर्तित रहता है। उदाहरण NaCl, KCl, CsCl (उन आयनिक यौगिकों में पाया जाता है जिनमें धनायन और ऋणायन का आकार लगभग समान होता है)। AgCl, AgBr, ZnS (उन आयनिक यौगिकों में पाया जाता है जिनमें धनायन और ऋणायन के आकार में बड़ा अंतर होता है)।

Q13. (क) अंतराफलक कोण की स्थिरता के नियम को बताइये। (ख) छद्म प्रथम कोटि की अभिक्रियाएँ क्या हैं? एक उदाहरण दीजिये। (ग) “अभिक्रिया की आण्विकता कदाचित ही 3 के ऊपर होती है।” व्याख्या कीजिए।

Ans.

(क) अंतराफलक कोण की स्थिरता का नियम (Law of Constancy of Interfacial Angles): यह नियम, जिसे स्टेनो का नियम भी कहा जाता है, यह बताता है कि किसी दिए गए क्रिस्टलीय पदार्थ के लिए, संगत क्रिस्टल फलकों के बीच के कोण (अंतराफलक कोण) हमेशा समान होते हैं, चाहे क्रिस्टल का आकार या आकृति कुछ भी हो। यह कोण स्थिर तापमान पर मापा जाता है और उस पदार्थ के लिए अभिलाक्षणिक होता है।

(ख) छद्म प्रथम कोटि की अभिक्रियाएँ (Pseudo First-Order Reactions): वे रासायनिक अभिक्रियाएँ जो वास्तव में द्वि-आण्विक (या उच्च कोटि की) होती हैं, लेकिन विशेष परिस्थितियों में प्रथम कोटि की अभिक्रिया की तरह व्यवहार करती हैं, छद्म प्रथम कोटि की अभिक्रियाएँ कहलाती हैं। यह तब होता है जब अभिक्रिया में भाग लेने वाले अभिकारकों में से एक (आमतौर पर विलायक) दूसरे की तुलना में बहुत अधिक मात्रा में मौजूद होता है। इसकी सांद्रता अभिक्रिया के दौरान लगभग स्थिर रहती है, इसलिए अभिक्रिया की दर केवल दूसरे अभिकारक की सांद्रता पर निर्भर करती है। उदाहरण: एस्टर का अम्ल-उत्प्रेरित जल-अपघटन (Hydrolysis of an ester)। CH₃COOC₂H₅ (एथिल एसीटेट) + H₂O –(H⁺)–> CH₃COOH + C₂H₅OH इस अभिक्रिया में, जल (H₂O) बहुत अधिक मात्रा में होता है, इसलिए इसकी सांद्रता स्थिर रहती है। अभिक्रिया की दर केवल एथिल एसीटेट की सांद्रता पर निर्भर करती है। दर = k'[CH₃COOC₂H₅]

(ग) आण्विकता 3 से अधिक दुर्लभ क्यों है, इसकी व्याख्या: आण्विकता (Molecularity) किसी प्राथमिक अभिक्रिया में एक साथ टकराकर रासायनिक परिवर्तन करने वाले अभिकारक स्पीशीज (अणुओं, आयनों या परमाणुओं) की संख्या है। एक सफल टक्कर के लिए, टकराने वाले अणुओं के पास पर्याप्त ऊर्जा (सक्रियण ऊर्जा) और उचित अभिविन्यास (orientation) होना चाहिए।

  • दो अणुओं का एक साथ टकराना आम बात है।
  • तीन अणुओं का एक ही समय पर, एक ही बिंदु पर, सही अभिविन्यास और पर्याप्त ऊर्जा के साथ टकराने की संभावना बहुत कम होती है।
  • चार या अधिक अणुओं का एक साथ इस तरह से टकराने की प्रायिकता लगभग नगण्य होती है।

इसलिए, 3 से अधिक आण्विकता वाली प्राथमिक अभिक्रियाएँ अत्यंत दुर्लभ होती हैं। जो जटिल अभिक्रियाएँ कई अभिकारकों को शामिल करती हुई प्रतीत होती हैं, वे वास्तव में कई सरल, प्राथमिक चरणों की एक श्रृंखला के माध्यम से आगे बढ़ती हैं, जिनमें से प्रत्येक की आण्विकता 1, 2, या (शायद ही कभी) 3 होती है।

Q14. (क) शून्य कोटि की अभिक्रिया के लिए समाकलित दर नियम का व्यंजक व्युत्पन्न कीजिए। (ख) प्रथम कोटि की अभिक्रिया के लिए निम्नलिखित आलेख खींचिये : (i) ln[R] vs. t (ii) log([R]₀/[R]) vs. t

Ans.

(क) शून्य कोटि की अभिक्रिया के लिए समाकलित दर नियम का व्युत्पन्न: एक शून्य कोटि की अभिक्रिया R → P पर विचार करें। इस अभिक्रिया के लिए, दर नियम है: दर = k[R]⁰ = k जहाँ k दर स्थिरांक है।

अवकल दर समीकरण के रूप में: -d[R] / dt = k

चरों को अलग करने के लिए समीकरण को पुनर्व्यवस्थित करें: d[R] = -k dt

अब, दोनों पक्षों का समाकलन करें। मान लीजिए कि t = 0 पर अभिकारक की सांद्रता [R]₀ है और समय t पर सांद्रता [R] है। ∫_[R]₀^[R] d[R] = ∫_0^t -k dt

समाकलन करने पर: [R] – [R]₀ = -k (t – 0) [R] – [R]₀ = -kt

इसको पुनर्व्यवस्थित करने पर हमें समाकलित दर नियम प्राप्त होता है: [R] = -kt + [R]₀

यह समीकरण एक सीधी रेखा (y = mx + c) के रूप में है। [R] बनाम t का आलेख एक सीधी रेखा होगी जिसका ढलान (slope) -k और y-अवरोधन (y-intercept) [R]₀ होगा।

(ख) प्रथम कोटि की अभिक्रिया के लिए आलेख:

(i) ln[R] vs. t

  • प्रथम कोटि की अभिक्रिया के लिए समाकलित दर नियम है: ln[R] = -kt + ln[R]₀ ।
  • यह समीकरण सीधी रेखा के समीकरण y = mx + c के रूप में है।
  • अतः, ln[R] (y-अक्ष) और t (x-अक्ष) के बीच का आलेख एक नकारात्मक ढलान वाली सीधी रेखा होगी।
  • इस रेखा का ढलान (slope) = -k (दर स्थिरांक) होगा।
  • रेखा का y-अवरोधन (y-intercept) ln[R]₀ होगा।

(ii) log([R]₀/[R]) vs. t

  • प्रथम कोटि के लिए एक और रूप है: kt = 2.303 log([R]₀/[R])।
  • इसे पुनर्व्यवस्थित करने पर: log([R]₀/[R]) = (k / 2.303) t ।
  • यह समीकरण सीधी रेखा के समीकरण y = mx के रूप में है।
  • अतः, log([R]₀/[R]) (y-अक्ष) और t (x-अक्ष) के बीच का आलेख मूल बिंदु से होकर गुजरने वाली एक सीधी रेखा होगी।
  • इस रेखा का ढलान (slope) = k / 2.303 होगा।

IGNOU BCHCT-137 Previous Year Solved Question Paper in English

Part—A (Coordination Chemistry)

Q1. (a) Explain the ground state electronic configuration of Sc³⁺ ion. (b) Complete and balance any two of the following reactions: (i) Ti(s) + O₂(g) → (ii) Cr(s) + O₂(g) → (iii) Cu(s) + O₂(g) →

Ans. (a) The atomic number of Scandium (Sc) is 21. Its ground state electronic configuration is 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹ 4s² or simply [Ar] 3d¹ 4s². To form the Sc³⁺ ion, a scandium atom loses three electrons. Electrons are always removed from the outermost shell first (n=4), followed by the penultimate shell (n=3). Therefore, two electrons are lost from the 4s orbital and one electron is lost from the 3d orbital. Sc ([Ar] 3d¹ 4s²) → Sc³⁺ ([Ar] 3d⁰ 4s⁰) + 3e⁻ Thus, the electronic configuration of the Sc³⁺ ion is [Ar] 3d⁰ 4s⁰ , which is identical to the configuration of the noble gas Argon (Ar). Since there are no d-electrons, the Sc³⁺ ion is colourless and diamagnetic.

(b) The completed and balanced reactions are as follows:

  • (i) Ti(s) + O₂(g) → TiO₂(s) This reaction is already balanced. Titanium reacts with oxygen upon heating to form titanium(IV) oxide, a white solid.
  • (ii) 4Cr(s) + 3O₂(g) → 2Cr₂O₃(s) Chromium reacts with oxygen in the air when heated to form chromium(III) oxide, which is a very stable green solid that forms a passivating layer.
  • (iii) 2Cu(s) + O₂(g) → 2CuO(s) Upon strong heating, copper reacts with oxygen to form copper(II) oxide, which is a black solid.

Q2. (a) (i) Which of the following ions is coloured? Give reasons: (1) Ti⁴⁺ (2) [Fe(H₂O)₆]²⁺ (ii) What is the unit of magnetic moment? (b) Name any two transition elements which are present in very small quantities in plants and animals and are essential for the enzymes to function?

Ans. (a) (i) Among the given ions, [Fe(H₂O)₆]²⁺ is coloured . Reason:

  • Ti⁴⁺ ion: The configuration of Titanium (Z=22) is [Ar] 3d² 4s². The configuration of the Ti⁴⁺ ion is [Ar] 3d⁰. It has no d-electrons. Colour in transition metal ions is typically due to d-d transitions, where an electron is promoted from a lower energy d-orbital to a higher energy d-orbital. In the absence of d-electrons, no d-d transition is possible. Hence, Ti⁴⁺ is colourless .
  • [Fe(H₂O)₆]²⁺ ion: The configuration of Iron (Z=26) is [Ar] 3d⁶ 4s². The Fe²⁺ ion has the configuration [Ar] 3d⁶. In the octahedral complex [Fe(H₂O)₆]²⁺, the d-orbitals are split into a lower energy t₂g set and a higher energy eg set. Since H₂O is a weak field ligand, it forms a high-spin complex. The d⁶ configuration is t₂g⁴ eg². This ion has unpaired electrons and partially filled d-orbitals, allowing for the promotion of an electron from the t₂g level to the eg level by absorbing light from the visible region. This process is called a d-d transition . The complex transmits the complementary colour of the light absorbed, and thus it appears coloured (pale green).

(ii) The unit of magnetic moment is the Bohr Magneton , denoted by B.M.

(b) Two essential transition elements present in trace amounts in living organisms and crucial for enzyme function are:

  1. Iron (Fe): It is a vital component of many proteins and enzymes, including hemoglobin (for oxygen transport), myoglobin (for oxygen storage), and cytochromes (in the electron transport chain for cellular respiration).
  2. Zinc (Zn): It acts as a cofactor for numerous enzymes, such as carbonic anhydrase, alcohol dehydrogenase, and carboxypeptidase. It is essential for many metabolic processes in the body.

Q3. (a) Which one of the following complexes does not have perfect octahedral geometry? Justify your answer: (i) [Cr(H₂O)₆]³⁺ (ii) [VCl₆]²⁻ (iii) [Fe(H₂O)₆]²⁺ (b) Calculate the spin-only magnetic moment for [Mn(H₂O)₆]²⁺ or CuCl₂.

Ans. (a) Among the given complexes, [Fe(H₂O)₆]²⁺ does not have a perfect octahedral geometry. Justification: A perfect octahedral geometry is expected for complexes where the d-orbitals (t₂g and eg) of the central metal ion are symmetrically filled (e.g., d³, low-spin d⁶, high-spin d⁵, d⁸, d¹⁰). Asymmetrical filling of these orbitals leads to a distortion known as the Jahn-Teller effect .

  • [Cr(H₂O)₆]³⁺: Cr is in the +3 oxidation state (d³ configuration). In an octahedral field, the configuration is t₂g³. This is a symmetrically filled configuration (one electron in each of the three t₂g orbitals). Therefore, it has a perfect octahedral geometry.
  • [VCl₆]²⁻: V is in the +4 oxidation state (d¹ configuration). The configuration is t₂g¹. This is asymmetric, but distortions due to t₂g asymmetry are generally weaker.
  • [Fe(H₂O)₆]²⁺: Fe is in the +2 oxidation state (d⁶ configuration). H₂O is a weak field ligand, leading to a high-spin complex. The electronic configuration is t₂g⁴ eg² . In this case, the t₂g orbitals are asymmetrically filled (one orbital has a pair of electrons, while two are singly occupied). This asymmetrical electron distribution causes Jahn-Teller distortion, which elongates or compresses some of the metal-ligand bonds, resulting in a distorted, imperfect octahedral geometry.

(b) The spin-only magnetic moment (µs) is calculated using the formula µs = √[n(n+2)] B.M. , where ‘n’ is the number of unpaired electrons. We will perform the calculation for [Mn(H₂O)₆]²⁺ :

  1. Oxidation State: The oxidation state of Manganese (Mn) is +2.
  2. Electronic Configuration: Mn (Z=25) has the configuration [Ar] 3d⁵ 4s². Therefore, Mn²⁺ has the configuration [Ar] 3d⁵.
  3. Unpaired Electrons (n): H₂O is a weak field ligand, so a high-spin complex is formed. For a d⁵ configuration in a high-spin state, all five d-electrons remain unpaired. Thus, n = 5 .
  4. Calculation of Magnetic Moment: µs = √[5(5+2)] µs = √[5 × 7] µs = √35 µs ≈ 5.92 B.M.

Q4. (a) Why is the size of the elements of the third transition series almost similar to that of the elements of the second transition series? (b) Determine the oxidation state and coordination number of the central metal ion in the following: (i) [Ag(NH₃)₂]⁺ (ii) [Co(H₂O)₆]²⁺

Ans. (a) The similarity in size between the elements of the second (4d) and third (5d) transition series is due to a phenomenon known as the Lanthanide Contraction . Explanation:

  1. Just before the start of the third transition series (beginning with Hafnium, Hf), the lanthanide series of elements occurs, in which the inner 4f-orbitals are progressively filled.
  2. The 4f-orbitals have a very diffuse shape, which results in a very poor shielding effect . This means they are not effective at shielding the outer shell electrons from the pull of the nucleus.
  3. As one moves across the lanthanide series, the nuclear charge increases by one unit with each element, but the additional electron enters a poorly shielding 4f-orbital.
  4. Consequently, the outermost electrons (in the 6s and 5d shells) experience a progressively stronger effective nuclear charge.
  5. This increased pull causes a steady decrease in atomic radii across the lanthanide series. The cumulative effect of this contraction is so significant that by the time the 5d series begins, the atomic radius of Hafnium (Hf) is almost identical to that of Zirconium (Zr), the element directly above it in the 4d series. This trend of similar sizes continues for subsequent pairs of elements (e.g., Nb and Ta, Mo and W).

(b) (i) [Ag(NH₃)₂]⁺

  • Oxidation State: The ligand NH₃ (ammine) is neutral (charge = 0). Let the oxidation state of Ag be ‘x’. x + 2(0) = +1 x = +1 The oxidation state of Ag is +1 .
  • Coordination Number: This is the number of donor atoms attached to the central metal. There are two monodentate NH₃ ligands. The coordination number is 2 .


(ii) [Co(H₂O)₆]²⁺

  • Oxidation State: The ligand H₂O (aqua) is neutral (charge = 0). Let the oxidation state of Co be ‘x’. x + 6(0) = +2 x = +2 The oxidation state of Co is +2 .
  • Coordination Number: There are six monodentate H₂O ligands attached to the cobalt ion. The coordination number is 6 .

Q5. (a) Write the IUPAC name of any one of the following compounds: (i) [(NH₃)₅Co-NH₂-Co(NH₃)₅](NO₃)₅ (ii) [(CO)₃Fe(CO)₃Fe(CO)₃] (b) Write down all possible isomers of [Co(NH₃)₅NO₂]Cl₂ and give their names.

Ans. (a) IUPAC name of compound (i) [(NH₃)₅Co-NH₂-Co(NH₃)₅](NO₃)₅: This is a dinuclear complex with a bridging ligand. The bridging ligand (NH₂) is named ‘amido’.

  1. Identify Cation and Anion: The cation is [(NH₃)₅Co-NH₂-Co(NH₃)₅]⁵⁺ and the anion is NO₃⁻ (nitrate).
  2. Name the Ligands: There are ten ‘ammine’ (NH₃) ligands and one bridging ‘amido’ (NH₂) ligand. The bridging ligand is denoted by the prefix ‘µ-‘.
  3. Determine Oxidation State of Metal: Let the oxidation state of each Co be ‘x’. The charge of the amido bridge is -1. The overall charge of the cation is +5. 2x + (-1) = +5 2x = 6 x = +3. So, the metal is Cobalt(III).
  4. Full Name: The ligands are named alphabetically. The two identical parts of the complex are indicated by ‘bis()’. The full IUPAC name is: µ-amido-bis(pentaamminecobalt(III)) nitrate .

(b) Possible isomers of [Co(NH₃)₅NO₂]Cl₂: This complex exhibits linkage isomerism . This type of isomerism arises when a complex contains an ambidentate ligand , which can bind to the central metal atom through two or more different donor atoms. The ligand NO₂⁻ can coordinate either through the nitrogen atom (as -NO₂, nitro) or through an oxygen atom (as -ONO, nitrito). The two possible isomers are:

  1. [Co(NH₃)₅(NO₂)]Cl₂
    • Description: In this isomer, the nitrite ligand is bonded to the cobalt atom through the nitrogen atom.
    • IUPAC Name: Pentaamminenitrocobalt(III) chloride .
    • Colour: This compound is yellowish-brown.
  2. [Co(NH₃)₅(ONO)]Cl₂
    • Description: In this isomer, the nitrite ligand is bonded to the cobalt atom through one of the oxygen atoms.
    • IUPAC Name: Pentaamminenitritocobalt(III) chloride .
    • Colour: This compound is red.

Q6. (a) Write the formula of the following: (i) Tetrapyridineplatinum(II) tetrachloridoplatinate(II) (ii) Pentaammineaquacobalt(III) chloride (b) Explain the structure and magnetic moments of the following complexes on the basis of valence bond theory: [MnCl₆]³⁻ and [Mn(CN)₆]³⁻

Ans. (a) Formulae of the compounds: (i) Tetrapyridineplatinum(II) tetrachloridoplatinate(II)

  • Cation: Tetrapyridineplatinum(II) → [Pt(py)₄]²⁺ (Pyridine, py, is a neutral ligand).
  • Anion: Tetrachloridoplatinate(II) → [PtCl₄]²⁻ (Chlorido, Cl⁻, has a -1 charge).
  • The charges of the cation (+2) and anion (-2) are equal and opposite, so they combine in a 1:1 ratio.
  • Formula: [Pt(py)₄][PtCl₄]


(ii) Pentaammineaquacobalt(III) chloride

  • Cation: Pentaammineaquacobalt(III) → [Co(NH₃)₅(H₂O)]³⁺ (Ammine, NH₃, and aqua, H₂O, are both neutral ligands). The charge of cobalt is +3, making the complex ion charge +3.
  • Anion: chloride → Cl⁻
  • Three Cl⁻ ions are needed to balance the +3 charge of the cation.
  • Formula: [Co(NH₃)₅(H₂O)]Cl₃

(b) Explanation based on Valence Bond Theory (VBT): In both complexes, the central metal ion is Mn³⁺, which has the electronic configuration [Ar] 3d⁴.

1. [MnCl₆]³⁻ (High-Spin Complex)

  • Ligand: Cl⁻ is a weak-field ligand . It does not cause the pairing of d-electrons.
  • Hybridisation: Since it is a high-spin (outer orbital) complex, the inner 3d orbitals are not used for bonding. The hybridisation will be sp³d² , involving one 4s, three 4p, and two outer 4d orbitals.
  • Structure: The sp³d² hybridisation results in an octahedral geometry.
  • Magnetic Properties: The four 3d electrons remain in the 3d orbitals without pairing. The number of unpaired electrons, n = 4 .
  • Magnetic Moment (µ): µ = √[4(4+2)] = √24 ≈ 4.90 B.M.

2. [Mn(CN)₆]³⁻ (Low-Spin Complex)

  • Ligand: CN⁻ is a strong-field ligand . It forces the d-electrons to pair up.
  • Hybridisation: To make two inner 3d orbitals available for bonding, the 3d⁴ electrons rearrange. The configuration becomes (↑↓)(↑)(↑)( )( ). This leaves two inner 3d orbitals empty for hybridisation. The hybridisation is d²sp³ , involving two inner 3d, one 4s, and three 4p orbitals.
  • Structure: The d²sp³ hybridisation results in an octahedral geometry.
  • Magnetic Properties: After rearrangement, there are two unpaired electrons. The number of unpaired electrons, n = 2 .
  • Magnetic Moment (µ): µ = √[2(2+2)] = √8 ≈ 2.83 B.M.

Q7. (a) Calculate the crystal field stabilization energy of [Fe(CN)₆]⁴⁻ complex. (b) What is spectrochemical series?

Ans. (a) Calculation of Crystal Field Stabilization Energy (CFSE) for [Fe(CN)₆]⁴⁻:

  1. Oxidation State of Iron (Fe): Let the oxidation state of Fe be ‘x’. x + 6(-1) = -4 x = +2 So, the central ion is Fe²⁺, which has a d⁶ electronic configuration.
  2. Ligand Type and Electronic Configuration: The cyanide ligand (CN⁻) is a strong-field ligand . It will cause electron pairing and form a low-spin octahedral complex. The six d-electrons will first fill the lower-energy t₂g orbitals before any occupy the higher-energy eg orbitals. The electronic configuration will be: t₂g⁶ eg⁰ .
  3. CFSE Calculation: The formula for CFSE in an octahedral complex is: CFSE = [-0.4 × (no. of e⁻ in t₂g) + 0.6 × (no. of e⁻ in eg)] Δo + P Where Δo is the crystal field splitting energy and P is the pairing energy. CFSE = [-0.4 × 6 + 0.6 × 0] Δo CFSE = [-2.4 + 0] Δo CFSE = -2.4 Δo If pairing energy is included, the low-spin d⁶ configuration (3 pairs) requires forming 2 additional electron pairs compared to the high-spin case (1 pair). So, the full expression is CFSE = -2.4 Δo + 2P .

(b) Spectrochemical Series: The spectrochemical series is a list of ligands arranged in order of their increasing ability to cause splitting of the d-orbitals of a metal ion. This splitting energy is denoted as Δo for octahedral complexes.

  • The series is determined experimentally by measuring the absorption spectra of complexes.
  • Ligands that cause a large splitting are known as strong-field ligands (e.g., CN⁻, CO). They are at the high end of the series.
  • Ligands that cause a small splitting are known as weak-field ligands (e.g., I⁻, Br⁻). They are at the low end of the series.
  • The series helps in predicting the magnetic properties and colour of coordination compounds. A strong-field ligand is more likely to cause electron pairing (low-spin complex), while a weak-field ligand is more likely to result in an unpaired electron configuration (high-spin complex).
  • An abbreviated version of the series is: I⁻ < Br⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < H₂O < NH₃ < en < CN⁻ < CO

Part—B (States of Matter and Chemical Kinetics)

Q8. (a) State Boyle’s law and draw a graph between P and 1/V for an ideal gas. (b) The density of a gas was found to be 3.43 g/L at 300 K and 1 atm. Calculate the molecular mass.

Ans. (a) Boyle’s Law: Boyle’s law states that at a constant temperature, the pressure (P) of a fixed amount (number of moles, n) of a gas is inversely proportional to its volume (V). Mathematically, this can be expressed as: P ∝ 1/V (at constant T and n) or PV = k (where k is a constant) Graph between P and 1/V: The relationship P = k * (1/V) is analogous to the equation of a straight line, y = mx. If we plot pressure (P) on the y-axis against the reciprocal of volume (1/V) on the x-axis, the result is a straight line passing through the origin . The slope of this line is equal to the constant k (which in turn is equal to nRT). (Graph description: A straight line starting from the origin (0,0) with a positive slope. The y-axis is labelled ‘P’ and the x-axis is labelled ‘1/V’.)

(b) Calculation of Molecular Mass: The ideal gas equation can be related to density (d) and molar mass (M) as follows: PM = dRT Where: P = Pressure = 1 atm M = Molar Mass (g/mol) (to be calculated) d = Density = 3.43 g/L R = Universal Gas Constant = 0.0821 L atm K⁻¹ mol⁻¹ T = Temperature = 300 K Rearranging the formula to solve for M: M = (dRT) / P Substituting the given values: M = (3.43 g/L × 0.0821 L atm K⁻¹ mol⁻¹ × 300 K) / 1 atm M = 3.43 × 0.0821 × 300 g/mol M = 84.49 g/mol Therefore, the molecular mass of the gas is approximately 84.5 g/mol .

Q9. (a) 2 mole of N₂ and 3 mole of He gas are kept in a container. The total pressure is 10 atm. Find out the partial pressure of He and N₂. (b) What is most probable velocity (v_mp)? Explain with graph of Maxwell-Boltzmann’s distribution.

Ans. (a) Calculation of Partial Pressures: According to Dalton’s Law of Partial Pressures, the partial pressure of a gas in a mixture is the product of its mole fraction and the total pressure. Partial Pressure (Pᵢ) = Mole Fraction (xᵢ) × Total Pressure (P_total)

  1. Calculate Total Moles: Total moles (n_total) = moles of N₂ + moles of He = 2 + 3 = 5 mol
  2. Calculate Mole Fractions: Mole fraction of N₂ (x_N₂) = (moles of N₂) / (total moles) = 2 / 5 = 0.4 Mole fraction of He (x_He) = (moles of He) / (total moles) = 3 / 5 = 0.6
  3. Calculate Partial Pressures: Given P_total = 10 atm Partial pressure of N₂ (P_N₂) = x_N₂ × P_total = 0.4 × 10 atm = 4 atm Partial pressure of He (P_He) = x_He × P_total = 0.6 × 10 atm = 6 atm

So, the partial pressure of nitrogen is 4 atm and the partial pressure of helium is 6 atm.

(b) Most Probable Velocity (v_mp): The most probable velocity is the speed possessed by the largest number of molecules in a gas sample at a specific temperature. Maxwell-Boltzmann Distribution Graph: This graph plots the fraction of molecules (or probability density) on the y-axis against the molecular speed on the x-axis.

  • The curve starts at the origin, rises to a maximum value (a peak), and then decreases asymptotically towards the x-axis at higher speeds.
  • The speed corresponding to the peak of the distribution curve is the most probable velocity (v_mp). This peak represents the speed at which the highest fraction of molecules is moving.
  • The area under the entire curve represents the total number of molecules and is constant.
  • As the temperature of the gas increases, the curve flattens and broadens, and the peak (v_mp) shifts to the right, indicating that at higher temperatures, more molecules are moving at higher speeds.

Q10. (a) Why are bubbles of a gas spherical in nature? (b) What is the effect of temperature on surface tension? (c) The number of drops for a certain volume of water counted in a stalagmometer at 298 K is 300, whereas the number of drops for the same volume of ethyl alcohol is 320. Calculate the surface tension of ethyl alcohol. Given that: The density of water = 0.998 kg dm⁻³, Density of ethyl alcohol = 0.964 kg dm⁻³, Surface tension of water = 0.0727 N m⁻¹

Ans. (a) Gas bubbles are spherical due to the property of surface tension . A liquid surface tends to contract to minimize its surface area. For a given volume, a sphere is the geometric shape that has the smallest possible surface area. Therefore, to minimize the surface energy associated with its interface, a gas bubble (or a liquid droplet) naturally assumes a spherical shape.

(b) Surface tension decreases as temperature increases . This is because an increase in temperature leads to an increase in the kinetic energy of the liquid molecules. This increased molecular motion becomes more effective at overcoming the intermolecular attractive forces that are responsible for surface tension. As these forces weaken, the surface tension of the liquid decreases. At the critical temperature, surface tension becomes zero.

(c) Using the stalagmometer (drop count) method, the relationship between surface tension (γ), number of drops (n), and density (d) for two liquids is given by: γ₁ / γ₂ = (n₂ × d₁) / (n₁ × d₂) Let subscript (1) be for water and (2) be for ethyl alcohol. Given: γ₁ (water) = 0.0727 N m⁻¹ n₁ (water) = 300 d₁ (water) = 0.998 kg dm⁻³ n₂ (ethyl alcohol) = 320 d₂ (ethyl alcohol) = 0.964 kg dm⁻³ γ₂ (ethyl alcohol) = ? Rearranging the formula to solve for γ₂: γ₂ = γ₁ × (n₁ × d₂) / (n₂ × d₁) γ₂ = 0.0727 × (300 × 0.964) / (320 × 0.998) γ₂ = 0.0727 × (289.2) / (319.36) γ₂ = 0.0727 × 0.90556 γ₂ ≈ 0.0658 N m⁻¹ Thus, the surface tension of ethyl alcohol is 0.0658 N m⁻¹.

Q11. (a) Illustrate the formation of a tetrahedral void and an octahedral void. (b) Calculate the number of formula units of NaCl present in a unit cell of NaCl.

Ans. (a) Formation of Voids in Crystal Lattices: Voids are the empty spaces left between the constituent particles (atoms or ions) in a close-packed structure.

Tetrahedral Void:

  • A tetrahedral void is formed by four spheres .
  • Formation: Imagine three spheres arranged in a single layer, touching each other. This creates a small triangular gap or void in the center. When a fourth sphere is placed directly on top of this central void, the empty space enclosed by these four spheres is called a tetrahedral void .
  • It is named so because the centers of the four surrounding spheres form a regular tetrahedron.

Octahedral Void:

  • An octahedral void is formed by six spheres .
  • Formation: It is formed by the combination of two triangular voids from adjacent layers. Consider a layer of three spheres forming an upward-pointing triangle. When another layer of three spheres is placed on top in a staggered manner, forming a downward-pointing triangle, the space enclosed between these two sets of three spheres is an octahedral void .
  • It is named so because the centers of the six surrounding spheres form a regular octahedron.

(b) Number of Formula Units in an NaCl Unit Cell: The NaCl crystal has a face-centered cubic (fcc) lattice structure.

  1. Number of Cl⁻ ions: The larger Cl⁻ ions form the fcc lattice.
    • 8 Cl⁻ ions at the 8 corners: each contributes 1/8 to the cell → 8 × (1/8) = 1 Cl⁻ ion.
    • 6 Cl⁻ ions at the 6 face centers: each contributes 1/2 to the cell → 6 × (1/2) = 3 Cl⁻ ions.
    • Total number of Cl⁻ ions per unit cell = 1 + 3 = 4 .
  2. Number of Na⁺ ions: The smaller Na⁺ ions occupy all the octahedral voids.
    • In an fcc lattice, there is 1 octahedral void at the body center and 12 on the edge centers.
    • 1 Na⁺ ion at the body center: contributes 1 to the cell → 1 × 1 = 1 Na⁺ ion.
    • 12 Na⁺ ions at the 12 edge centers: each contributes 1/4 to the cell → 12 × (1/4) = 3 Na⁺ ions.
    • Total number of Na⁺ ions per unit cell = 1 + 3 = 4 .
  3. Number of Formula Units: Since there are 4 Na⁺ ions and 4 Cl⁻ ions in the unit cell, the ratio is 4:4 or 1:1, which corresponds to the formula NaCl. Therefore, there are 4 formula units of NaCl in one unit cell.

Q12. (a) Silver has a fcc lattice. The edge length of its unit cell is 4.077 x 10⁻⁸ cm and its density is 10.12 g/cm³. What is the molar mass of silver? (b) Give two differences between Schottky defect and Frenkel defect.

Ans. (a) Calculation of Molar Mass of Silver: The density (d) of a unit cell is given by the formula: d = (Z × M) / (N_A × a³) Where: d = Density = 10.12 g/cm³ (Using this value as 0.12 g/cm³ is a likely typo) Z = Number of atoms per unit cell (for fcc, Z = 4 ) M = Molar Mass (g/mol) (to be calculated) N_A = Avogadro’s number = 6.022 × 10²³ mol⁻¹ a = Edge length = 4.077 × 10⁻⁸ cm Rearranging the formula to solve for M: M = (d × N_A × a³) / Z First, calculate the volume of the unit cell, a³: a³ = (4.077 × 10⁻⁸ cm)³ = 67.78 × 10⁻²⁴ cm³ Now, calculate M: M = (10.12 g/cm³ × 6.022 × 10²³ mol⁻¹ × 67.78 × 10⁻²⁴ cm³) / 4 M = (10.12 × 6.022 × 67.78 × 10⁻¹) / 4 M = 4130.3 / 40 M = 103.26 g/mol Thus, the molar mass of silver is calculated to be approximately 103.26 g/mol .

(b) Differences between Schottky and Frenkel Defects:

Basis of Difference Schottky Defect Frenkel Defect

Nature of Defect
It is a vacancy defect. An equal number of cations and anions are missing from their regular lattice sites to maintain electrical neutrality. It is an interstitial defect. An ion (usually the smaller cation) leaves its lattice site and occupies an interstitial position.

Effect on Density
Since ions are lost from the crystal lattice, the overall density of the crystal

decreases

.
Since no ions are lost from the crystal (they only change position), the overall density of the crystal

remains unchanged

.

Commonly Found In
Ionic compounds with a small difference in the size of cations and anions (e.g., NaCl, KCl, CsCl). Ionic compounds with a large difference in the size of cations and anions (e.g., AgCl, AgBr, ZnS).

Q13. (a) State law of constancy of interfacial angles. (b) What are pseudo first order reactions? Give an example. (c) “Molecularity of a reaction rarely exceeds 3.” Explain.

Ans. (a) Law of Constancy of Interfacial Angles: Also known as Steno’s Law, this law states that for a given crystalline substance, the angles between corresponding crystal faces (the interfacial angles) are always constant and characteristic of that substance, irrespective of the size or shape of the crystal. The measurement is made at a constant temperature.

(b) Pseudo First-Order Reactions: A pseudo first-order reaction is a reaction that is bimolecular or of a higher order but behaves as if it were a first-order reaction under certain conditions. This situation occurs when one of the reactants is present in a very large excess (e.g., when it is the solvent) compared to the other reactants. The concentration of the reactant in excess remains practically constant throughout the reaction. As a result, the reaction rate appears to depend only on the concentration of the reactant present in a smaller amount. Example: The acid-catalyzed hydrolysis of an ester, like ethyl acetate. CH₃COOC₂H₅ (ethyl acetate) + H₂O –(H⁺)–> CH₃COOH + C₂H₅OH In this reaction, water (H₂O) is the solvent and is present in such a large excess that its concentration change is negligible. Therefore, the rate law, Rate = k[CH₃COOC₂H₅][H₂O], simplifies to Rate = k'[CH₃COOC₂H₅], where k’ = k[H₂O] is the pseudo first-order rate constant.

(c) Explanation for Molecularity Rarely Exceeding 3: Molecularity is defined as the number of reacting species (atoms, ions, or molecules) that must collide simultaneously in an elementary reaction step to bring about a chemical reaction. For a collision to be effective and lead to a product, the colliding particles must possess sufficient energy (activation energy) and have the correct orientation relative to each other. The probability of a simultaneous collision involving three particles is significantly lower than that of a two-particle collision. The probability of four or more particles colliding at the exact same instant, with the required energy and orientation, is extremely low and statistically negligible. Therefore, elementary reactions with a molecularity of four or higher are practically impossible. Reactions that appear to involve many reactants actually proceed through a sequence of simpler, elementary steps, each with a molecularity of one, two, or, in rare cases, three.

Q14. (a) Derive the expression for integrated rate law for a zero-order reaction. (b) Draw the following plots for a first order reaction: (i) ln[R] vs. t (ii) log([R]₀/[R]) vs. t

Ans. (a) Derivation of Integrated Rate Law for a Zero-Order Reaction: Consider a general zero-order reaction: R → P. The rate of the reaction is independent of the concentration of the reactant R. The rate law is: Rate = k[R]⁰ = k The differential rate expression is: -d[R] / dt = k where k is the rate constant. To find the integrated rate law, we rearrange and integrate this equation. Separate the variables: d[R] = -k dt Now, integrate both sides. Let the initial concentration at t = 0 be [R]₀ and the concentration at time t be [R]. ∫_[R]₀^[R] d[R] = ∫_0^t -k dt Performing the integration gives: [R] – [R]₀ = -k(t – 0) [R] – [R]₀ = -kt Rearranging this equation gives the integrated rate law for a zero-order reaction: [R] = -kt + [R]₀ This equation is in the form of a straight line (y = mx + c). A plot of [R] vs. t is a straight line with a slope of -k and a y-intercept of [R]₀.

(b) Plots for a First-Order Reaction:

(i) ln[R] vs. t

  • The integrated rate law for a first-order reaction is: ln[R] = -kt + ln[R]₀ .
  • This equation is of the form of a straight line, y = mx + c .
  • Therefore, a plot of ln[R] (on the y-axis) versus t (on the x-axis) yields a straight line with a negative slope .
  • The slope of this line is equal to -k (the rate constant).
  • The y-intercept of the line is ln[R]₀ (the natural logarithm of the initial concentration).

(ii) log([R]₀/[R]) vs. t

  • Another form of the first-order integrated rate law is: kt = 2.303 log([R]₀/[R]).
  • Rearranging this gives: log([R]₀/[R]) = (k / 2.303) t .
  • This equation is of the form of a straight line, y = mx .
  • Therefore, a plot of log([R]₀/[R]) (on the y-axis) versus t (on the x-axis) yields a straight line that passes through the origin .
  • The slope of this line is equal to k / 2.303 .


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