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IGNOU BCHCT-131 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU BCHCT-131 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU BCHCT-131 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

भाग-क

Q1. (क) बोहर के सिद्धांत की सीमाएँ दीजिए । (ख) द्रव्य तरंगें क्या होती हैं ?

Ans. (क) बोहर के सिद्धांत की सीमाएँ निम्नलिखित हैं:

  • बहु-इलेक्ट्रॉन परमाणुओं पर अप्रयोज्यता: बोहर का मॉडल केवल एक-इलेक्ट्रॉन प्रजातियों (जैसे H, He⁺, Li²⁺) के स्पेक्ट्रम की सफलतापूर्वक व्याख्या कर सका। यह बहु-इलेक्ट्रॉन परमाणुओं के स्पेक्ट्रम की व्याख्या करने में विफल रहा।
  • स्पेक्ट्रमी रेखाओं की सूक्ष्म संरचना: जब उच्च-विभेदन स्पेक्ट्रोस्कोप के माध्यम से देखा जाता है, तो स्पेक्ट्रमी रेखाएँ कई करीबी रेखाओं में विभाजित पाई जाती हैं, जिसे सूक्ष्म संरचना कहा जाता है। बोहर का सिद्धांत इस घटना की व्याख्या नहीं कर सका।
  • ज़ीमान और स्टार्क प्रभाव: बोहर का सिद्धांत चुंबकीय क्षेत्र (ज़ीमान प्रभाव) या विद्युत क्षेत्र (स्टार्क प्रभाव) की उपस्थिति में स्पेक्ट्रमी रेखाओं के विभाजन की व्याख्या करने में असमर्थ था।
  • हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत का उल्लंघन: बोहर के अनुसार, एक इलेक्ट्रॉन एक निश्चित त्रिज्या और निश्चित वेग के साथ एक वृत्ताकार कक्षा में घूमता है। यह हाइजेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत का खंडन करता है, जिसमें कहा गया है कि किसी कण की स्थिति और संवेग दोनों को एक साथ सटीक रूप से निर्धारित करना असंभव है।
  • रासायनिक आबंधन का स्पष्टीकरण: यह सिद्धांत यह समझाने में विफल रहा कि परमाणु अणुओं का निर्माण करने के लिए रासायनिक आबंधों के माध्यम से कैसे जुड़ते हैं।
  • तरंग-कण द्वैतता: बोहर के मॉडल ने इलेक्ट्रॉन को केवल एक कण के रूप में माना और उसकी तरंग प्रकृति को ध्यान में नहीं रखा।

(ख) द्रव्य तरंगें: लुई डी-ब्रॉग्ली ने 1924 में प्रस्तावित किया कि जिस प्रकार प्रकाश में तरंग और कण दोनों गुण (द्वैत प्रकृति) होते हैं, उसी प्रकार इलेक्ट्रॉन जैसे गतिमान पदार्थ कणों में भी तरंग गुण होने चाहिए। किसी गतिमान कण से जुड़ी इन तरंगों को द्रव्य तरंगें या डी-ब्रॉग्ली तरंगें कहा जाता है। डी-ब्रॉग्ली के अनुसार, ‘m’ द्रव्यमान और ‘v’ वेग वाले कण से जुड़ी तरंग की तरंगदैर्ध्य (λ) इस प्रकार दी जाती है:

λ = h / mv = h / p

जहाँ ‘h’ प्लैंक स्थिरांक है और ‘p’ कण का संवेग है। यह परिकल्पना बाद में डेविसन और जर्मर द्वारा प्रायोगिक रूप से सिद्ध की गई थी, जिससे पदार्थ की द्वैत प्रकृति की पुष्टि हुई।

Q2. (क) किसी 2.2×10⁻³ kg द्रव्यमान वाली गोली, जो 30 ms⁻¹ के वेग से चल रही हो, से सम्बन्धित दी-ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य परिकलित कीजिए । (ख) (i) लाप्लासियन संकारक क्या है ? (ii) हैमिल्टोनियन संकारक क्या है ? उनकी सार्थकता भी बताइए।

Ans. (क) दी-ब्रॉग्ली तरंगदैर्ध्य (λ) की गणना सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है:

λ = h / mv

जहाँ:

  • h = प्लैंक स्थिरांक = 6.626 x 10⁻³⁴ J s
  • m = गोली का द्रव्यमान = 2.2 x 10⁻³ kg
  • v = गोली का वेग = 30 ms⁻¹

मानों को सूत्र में रखने पर:

λ = (6.626 x 10⁻³⁴ J s) / (2.2 x 10⁻³ kg * 30 ms⁻¹)

λ = (6.626 x 10⁻³⁴) / (66 x 10⁻³) m

λ = (6.626 / 66) x 10⁻³¹ m

λ = 0.10039 x 10⁻³¹ m

λ = 1.004 x 10⁻³² m

गोली से जुड़ी तरंगदैर्ध्य अत्यंत छोटी है, यही कारण है कि स्थूल वस्तुओं के तरंग गुण ज्ञेय नहीं होते हैं। (ख) (i) लाप्लासियन संकारक (∇²): लाप्लासियन संकारक, जिसे ‘डेल स्क्वेयर्ड’ भी कहा जाता है, एक द्वितीय-कोटि का अवकल संकारक है। त्रि-आयामी कार्टेशियन निर्देशांक में, इसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

∇² = ∂²/∂x² + ∂²/∂y² + ∂²/∂z²

इसकी सार्थकता क्वांटम यांत्रिकी में है जहाँ यह एक कण की गतिज ऊर्जा संकारक का हिस्सा है। श्रोडिंगर समीकरण में, यह तरंग फलन (ψ) पर कार्य करता है। (ii) हैमिल्टोनियन संकारक (Ĥ): हैमिल्टोनियन संकारक एक क्वांटम यांत्रिक प्रणाली की कुल ऊर्जा (गतिज ऊर्जा + स्थितिज ऊर्जा) से मेल खाता है। इसे इस प्रकार दर्शाया जाता है:

Ĥ = T̂ + V̂

जहाँ T̂ गतिज ऊर्जा संकारक है और V̂ स्थितिज ऊर्जा संकारक है।

T̂ = – (ħ² / 2m) ∇² (जहाँ ħ = h/2π)

इसलिए, Ĥ = [- (ħ² / 2m) ∇²] + V̂(x, y, z)

सार्थकता: हैमिल्टोनियन संकारक समय-स्वतंत्र श्रोडिंगर समीकरण (Ĥψ = Eψ) का एक केंद्रीय घटक है। जब हैमिल्टोनियन संकारक किसी प्रणाली के तरंग फलन (ψ) पर कार्य करता है, तो परिणाम वही तरंग फलन होता है जिसे प्रणाली की कुल ऊर्जा (E) के आइगेनमान से गुणा किया जाता है। इस प्रकार, यह हमें एक क्वांटम प्रणाली के अनुमत ऊर्जा स्तरों को निर्धारित करने की अनुमति देता है।

Q3. (क) व्याख्या कीजिए कि O₂ अनुचुम्बकीय है और O₂²⁻ प्रतिचुम्बकीय है, क्यों ? (ख) NH₄⁺ व CO₃²⁻ की लुईस संरचनाएँ लिखिए।

Ans. (क) O₂ के अनुचुम्बकीय और O₂²⁻ के प्रतिचुम्बकीय व्यवहार को आण्विक कक्षक सिद्धांत (MOT) के आधार पर समझाया जा सकता है।

O₂ अणु: एक ऑक्सीजन परमाणु (Z=8) का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 1s²2s²2p⁴ होता है। O₂ अणु में कुल 16 इलेक्ट्रॉन होते हैं। आण्विक कक्षक विन्यास है:

σ1s², σ 1s², σ2s², σ 2s², σ2p₂, π2pₓ², π2pᵧ², π 2pₓ¹, π 2pᵧ¹

इस विन्यास में, दो इलेक्ट्रॉन दो पतित π* (प्रतिआबंधी) आण्विक कक्षकों में अयुग्मित होते हैं। हुंड के नियम के अनुसार, वे अलग-अलग कक्षकों पर कब्जा कर लेते हैं। इन अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति O₂ अणु को अनुचुम्बकीय बनाती है, जिसका अर्थ है कि यह एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा आकर्षित होता है।

O₂²⁻ आयन (परॉक्साइड आयन): O₂²⁻ आयन O₂ अणु में दो अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन जोड़कर बनता है, जिससे कुल 18 इलेक्ट्रॉन हो जाते हैं। ये दो अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन π* प्रतिआबंधी कक्षकों में जाते हैं। आण्विक कक्षक विन्यास है:

σ1s², σ 1s², σ2s², σ 2s², σ2p₂, π2pₓ², π2pᵧ², π 2pₓ², π 2pᵧ²

O₂²⁻ आयन में, सभी आण्विक कक्षक पूरी तरह से भरे हुए हैं, और कोई अयुग्मित इलेक्ट्रॉन नहीं है। सभी इलेक्ट्रॉन युग्मित हैं। इसलिए, O₂²⁻ आयन प्रतिचुम्बकीय है, जिसका अर्थ है कि यह एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा दुर्बल रूप से प्रतिकर्षित होता है। (ख) लुईस संरचनाएँ:

(i) अमोनियम आयन (NH₄⁺):

  1. कुल संयोजी इलेक्ट्रॉन: N (5) + 4xH (4×1) – 1 (धनात्मक आवेश के लिए) = 8 इलेक्ट्रॉन।
  2. केंद्रीय परमाणु नाइट्रोजन (N) है, जो चार हाइड्रोजन (H) परमाणुओं से घिरा है।
  3. प्रत्येक H के साथ एक एकल आबंध बनाने के लिए 4 x 2 = 8 इलेक्ट्रॉनों का उपयोग किया जाता है।
  4. सभी 8 इलेक्ट्रॉन उपयोग हो गए हैं। नाइट्रोजन का अष्टक पूरा हो गया है, और प्रत्येक हाइड्रोजन का द्विक पूरा हो गया है।
  5. समग्र संरचना पर +1 का औपचारिक आवेश होता है।

संरचना: [ H-N(H)-H ]⁺ (N के ऊपर H के साथ)

[Image of NH₄⁺ Lewis structure showing N bonded to 4 H atoms, enclosed in brackets with a +1 charge]

(ii) कार्बोनेट आयन (CO₃²⁻):

  1. कुल संयोजी इलेक्ट्रॉन: C (4) + 3xO (3×6) + 2 (ऋणात्मक आवेश के लिए) = 4 + 18 + 2 = 24 इलेक्ट्रॉन।
  2. केंद्रीय परमाणु कार्बन (C) है, जो तीन ऑक्सीजन (O) परमाणुओं से घिरा है।
  3. C को प्रत्येक O से एक एकल आबंध से जोड़ें (3 x 2 = 6 इलेक्ट्रॉन)।
  4. शेष 24 – 6 = 18 इलेक्ट्रॉनों को बाह्य परमाणुओं (O) पर एकाकी युग्म के रूप में रखें। प्रत्येक O को 6 इलेक्ट्रॉन (3 एकाकी युग्म) मिलते हैं।
  5. अब, केंद्रीय कार्बन परमाणु में केवल 6 इलेक्ट्रॉन हैं (अष्टक पूरा नहीं है)। कार्बन का अष्टक पूरा करने के लिए, किसी एक ऑक्सीजन से एक एकाकी युग्म को C-O द्वि-आबंध बनाने के लिए ले जाएँ।
  6. यह अनुनाद की ओर जाता है। कार्बोनेट आयन तीन अनुनाद संरचनाओं का एक संकर है।

संरचना: [ O=C(O⁻)-O⁻ ] ↔ [ O⁻-C(O⁻)=O ] ↔ [ O⁻-C(=O)-O⁻ ] (सभी संरचनाएं 2- आवेश वाले कोष्ठकों में)

[Image of the three resonance structures of CO₃²⁻, showing the double bond moving between the three C-O bonds, and the overall 2- charge]

Q4. (क) इलेक्ट्रॉन बंधुता को परिभाषित कीजिए । इसे मापने के लिए प्रयुक्त मात्रक लिखिए । (ख) निम्नलिखित को आयनन ऊर्जा के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित कीजिए : Be, B, N, O. अपने उत्तर के लिए कारण भी दीजिए।

Ans. (क) इलेक्ट्रॉन बंधुता (Electron Affinity): एक उदासीन, गैसीय परमाणु के सबसे बाहरी कोश में एक इलेक्ट्रॉन जोड़ने पर निकलने वाली ऊर्जा की मात्रा को इलेक्ट्रॉन बंधुता कहते हैं। यह प्रक्रिया एक ऋणात्मक आयन (ऋणायन) बनाती है। इसे इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:

X(g) + e⁻ → X⁻(g) + ऊर्जा (ΔH = -ve)

एक उच्च इलेक्ट्रॉन बंधुता (अधिक ऋणात्मक मान) इंगित करती है कि परमाणु की एक इलेक्ट्रॉन स्वीकार करने की प्रबल प्रवृत्ति है। हैलोजन जैसे तत्वों में उच्च इलेक्ट्रॉन बंधुता होती है क्योंकि एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करने से उन्हें एक स्थिर, पूर्ण संयोजी कोश प्राप्त होता है।

मात्रक: इलेक्ट्रॉन बंधुता को आमतौर पर निम्नलिखित मात्रकों में मापा जाता है:

  • किलोजूल प्रति मोल (kJ/mol)
  • इलेक्ट्रॉन वोल्ट प्रति परमाणु (eV/atom)

(ख) आयनन ऊर्जा का बढ़ता क्रम:

दिए गए तत्वों (Be, B, N, O) के लिए आयनन ऊर्जा का सही बढ़ता क्रम है:

B < Be < O < N

कारण: आयनन ऊर्जा आम तौर पर एक आवर्त में बाएँ से दाएँ बढ़ती है क्योंकि परमाणु आवेश बढ़ता है और परमाणु आकार घटता है, जिससे सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन को निकालना अधिक कठिन हो जाता है। हालाँकि, इस क्रम में दो अपवाद हैं:

  1. Be की आयनन ऊर्जा B से अधिक क्यों है?
    • बेरिलियम (Be) का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 1s² 2s² है। इसका 2s कक्षक पूरी तरह से भरा हुआ है, जो इसे एक अतिरिक्त स्थिर विन्यास प्रदान करता है।
    • बोरॉन (B) का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 1s² 2s² 2p¹ है। इसका सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन 2p कक्षक में है, जो उच्च ऊर्जा का है और 2s कक्षक द्वारा परिरक्षित है।
    • इसलिए, Be के स्थिर, पूर्ण भरे 2s कक्षक से एक इलेक्ट्रॉन निकालने के लिए B के एकल 2p इलेक्ट्रॉन को निकालने की तुलना में अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
  2. N की आयनन ऊर्जा O से अधिक क्यों है?
    • नाइट्रोजन (N) का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 1s² 2s² 2p³ है। इसका 2p कक्षक ठीक आधा भरा हुआ है, जो एक विशेष रूप से स्थिर विन्यास है।
    • ऑक्सीजन (O) का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास 1s² 2s² 2p⁴ है। 2p कक्षक में एक युग्मित इलेक्ट्रॉन होता है। इस युग्मित इलेक्ट्रॉन को निकालने से एक स्थिर, आधा भरा विन्यास (2p³) प्राप्त होता है। युग्मित इलेक्ट्रॉनों के बीच अंतर-इलेक्ट्रॉनिक प्रतिकर्षण भी इस इलेक्ट्रॉन को निकालना आसान बनाता है।
    • इसलिए, नाइट्रोजन के स्थिर, आधे भरे 2p³ विन्यास से एक इलेक्ट्रॉन निकालने के लिए ऑक्सीजन के 2p⁴ विन्यास से एक इलेक्ट्रॉन निकालने की तुलना में अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

Q5. (क) ऑफबाऊ के सिद्धान्त को उदाहरण सहित लिखिए। (ख) कॉपर का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास लिखिए। (कॉपर की परमाणु संख्या = 29 है।) (ग) निम्नलिखित में प्रत्येक कार्बन परमाणु का संकरण बताइए : H₃C — CH = CH — CH₃

Ans. (क) ऑफबाऊ का सिद्धान्त: ऑफबाऊ सिद्धान्त (जर्मन में ‘Aufbau’ का अर्थ ‘निर्माण’ है) बताता है कि, अपनी निम्नतम अवस्था में, एक परमाणु के इलेक्ट्रॉन सबसे कम उपलब्ध ऊर्जा वाले कक्षकों को पहले भरते हैं, और फिर उत्तरोत्तर उच्च ऊर्जा वाले कक्षकों में प्रवेश करते हैं। कक्षकों को भरने का क्रम उनकी ऊर्जा के बढ़ते क्रम में होता है, जो आम तौर पर (n + l) नियम द्वारा निर्धारित होता है:

  1. जिन कक्षकों के लिए (n + l) का मान कम होता है, वे पहले भरे जाते हैं। (n = मुख्य क्वांटम संख्या, l = दिगंशी क्वांटम संख्या)।
  2. यदि दो कक्षकों के लिए (n + l) का मान समान है, तो कम n मान वाला कक्षक पहले भरा जाता है।

भरने का क्रम है: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, …

उदाहरण: पोटेशियम (K, Z = 19)

पोटेशियम में 19 इलेक्ट्रॉन होते हैं। ऑफबाऊ सिद्धान्त के अनुसार, इलेक्ट्रॉन इस प्रकार भरेंगे:

  • 1s² (2 इलेक्ट्रॉन)
  • 2s² (2 इलेक्ट्रॉन)
  • 2p⁶ (6 इलेक्ट्रॉन)
  • 3s² (2 इलेक्ट्रॉन)
  • 3p⁶ (6 इलेक्ट्रॉन)

अब तक 18 इलेक्ट्रॉन भर चुके हैं। 19वां इलेक्ट्रॉन 3d या 4s में जाएगा।

  • 4s के लिए: n=4, l=0, तो n+l = 4
  • 3d के लिए: n=3, l=2, तो n+l = 5

चूंकि 4s के लिए (n+l) का मान कम है, इसलिए 19वां इलेक्ट्रॉन 4s कक्षक में प्रवेश करेगा। अतः, पोटेशियम का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास है: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ . (ख) कॉपर (Cu) का इलेक्ट्रॉनिक विन्यास (Z = 29): कॉपर ऑफबाऊ सिद्धान्त का एक महत्वपूर्ण अपवाद है। ऑफबाऊ सिद्धान्त के आधार पर अपेक्षित विन्यास होगा: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁹.

हालांकि, पूर्ण रूप से भरे (d¹⁰) और आधे-भरे (d⁵) उपकोशों की अतिरिक्त स्थिरता के कारण, एक इलेक्ट्रॉन 4s कक्षक से 3d कक्षक में चला जाता है ताकि 3d उपकोश पूरी तरह से भर जाए। यह अधिक स्थिर विन्यास की ओर जाता है।

इसलिए, कॉपर का वास्तविक इलेक्ट्रॉनिक विन्यास है:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹ या [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ (ग) H₃C — CH = CH — CH₃ (ब्यूट-2-ईन) में संकरण: दिए गए अणु में कार्बन परमाणुओं को C1 से C4 तक क्रमांकित करें:

H₃ C¹ — C² H = C³ H — C⁴ H₃

  • C¹ और C⁴: ये दोनों कार्बन परमाणु चार एकल आबंधों (तीन C-H और एक C-C) से जुड़े हैं। वे sp³ संकरित हैं। (ज्यामिति: चतुष्फलकीय)।
  • C² और C³: ये दोनों कार्बन परमाणु एक द्वि-आबंध (C=C) और दो एकल आबंधों (एक C-C और एक C-H) से जुड़े हैं। वे sp² संकरित हैं। (ज्यामिति: त्रिकोणीय समतलीय)।

Q6. (क) 2p कक्षक में उपस्थित सभी इलेक्ट्रॉनों के लिए सभी क्वांटम संख्याओं के संभव मान दीजिए। (ख) VSEPR सिद्धान्त के उपयोग द्वारा SF₄ की आकृति का अनुमान लगाइए।

Ans. (क) एक 2p कक्षक के लिए, क्वांटम संख्याएँ इस प्रकार हैं:

  • मुख्य क्वांटम संख्या (n) = 2 (क्योंकि यह दूसरा कोश है)।
  • दिगंशी क्वांटम संख्या (l) = 1 (क्योंकि यह ‘p’ उपकोश है)।

p उपकोश में तीन कक्षक होते हैं, जो चुंबकीय क्वांटम संख्या (mₗ) के विभिन्न मानों के अनुरूप होते हैं।

  • चुंबकीय क्वांटम संख्या (mₗ) के संभव मान -l से +l तक होते हैं, अर्थात -1, 0, +1 ।

प्रत्येक कक्षक (प्रत्येक mₗ मान) में दो इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, जिनमें विपरीत प्रचक्रण क्वांटम संख्या (mₛ) होती है।

  • प्रचक्रण क्वांटम संख्या (mₛ) के संभव मान +1/2 और -1/2 हैं।

चूंकि 2p उपकोश में 3 कक्षक होते हैं, यह कुल 6 इलेक्ट्रॉनों को समायोजित कर सकता है। 2p उपकोश में सभी 6 इलेक्ट्रॉनों के लिए सभी चार क्वांटम संख्याओं के संभव सेट निम्नलिखित हैं:

इलेक्ट्रॉन

n

l

mₗ

mₛ

1

2

1

-1

+1/2

2

2

1

-1

-1/2

3

2

1

0

+1/2

4

2

1

0

-1/2

5

2

1

+1

+1/2

6

2

1

+1

-1/2

(ख) VSEPR सिद्धान्त द्वारा SF₄ की आकृति: संयोजी कोश इलेक्ट्रॉन युग्म प्रतिकर्षण (VSEPR) सिद्धान्त का उपयोग SF₄ की आकृति का अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है।

  1. केंद्रीय परमाणु: सल्फर (S)
  2. केंद्रीय परमाणु के संयोजी इलेक्ट्रॉनों की संख्या: सल्फर समूह 16 में है, इसलिए इसमें 6 संयोजी इलेक्ट्रॉन हैं।
  3. आबंध बनाने में प्रयुक्त इलेक्ट्रॉन: सल्फर चार फ्लोरीन (F) परमाणुओं के साथ चार एकल आबंध बनाता है। प्रत्येक आबंध में 1 इलेक्ट्रॉन का उपयोग होता है। तो, 4 इलेक्ट्रॉन आबंध बनाने में उपयोग होते हैं।
  4. एकाकी युग्म इलेक्ट्रॉनों की संख्या: 6 (कुल) – 4 (आबंध बनाने वाले) = 2 इलेक्ट्रॉन। ये 2 इलेक्ट्रॉन एक एकाकी युग्म बनाते हैं।
  5. कुल इलेक्ट्रॉन युग्म: 4 आबंधी युग्म + 1 एकाकी युग्म = 5 इलेक्ट्रॉन युग्म।
  6. इलेक्ट्रॉन ज्यामिति: 5 इलेक्ट्रॉन युग्मों के लिए, प्रतिकर्षण को कम करने के लिए इलेक्ट्रॉन ज्यामिति त्रिकोणीय द्विपिरामिडी (trigonal bipyramidal) होती है।
  7. आण्विक आकृति: एकाकी युग्म, आबंधी युग्मों की तुलना में अधिक स्थान घेरता है और अधिक प्रतिकर्षण करता है। प्रतिकर्षण को कम करने के लिए, एकाकी युग्म त्रिकोणीय द्विपिरामिडी ज्यामिति के विषुवतीय (equatorial) स्थिति पर कब्जा कर लेता है। शेष चार आबंधी युग्म दो अक्षीय (axial) और दो विषुवतीय स्थितियों पर कब्जा कर लेते हैं। इसके परिणामस्वरूप एक विकृत आकृति बनती है जिसे सी-सॉ (see-saw) या ढेंकुली आकृति कहा जाता है।

इस प्रकार, VSEPR सिद्धान्त के अनुसार, SF₄ की आकृति सी-सॉ है।

Q7. (क) NO₃⁻ आयन की अनुनाद संरचनाएँ लिखिए। (ख) s-s परमाणु कक्षकों के संयोजन से बने अणु कक्षकों को आरेखित कीजिए। इन कक्षकों के नाम भी बताइए।

Ans. (क) नाइट्रेट आयन (NO₃⁻) की अनुनाद संरचनाएँ: नाइट्रेट आयन में एक केंद्रीय नाइट्रोजन परमाणु होता है जो तीन ऑक्सीजन परमाणुओं से जुड़ा होता है, और कुल -1 का आवेश होता है। इसकी लुईस संरचना में एक N=O द्वि-आबंध और दो N-O एकल आबंध होते हैं। द्वि-आबंध किसी भी तीन ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ बन सकता है, जिससे तीन समकक्ष अनुनाद संरचनाएँ बनती हैं।

  1. कुल संयोजी इलेक्ट्रॉन: N(5) + 3xO(6) + 1(आवेश) = 5 + 18 + 1 = 24 इलेक्ट्रॉन।
  2. वास्तविक संरचना इन तीन अनुनाद रूपों का एक अनुनाद संकर है।
  3. अनुनाद संकर में, सभी तीन N-O आबंधों की लंबाई और शक्ति समान होती है, जो एक एकल और एक द्वि-आबंध के बीच मध्यवर्ती होती है। -1 का ऋणात्मक आवेश तीनों ऑक्सीजन परमाणुओं पर समान रूप से विस्थापित होता है।

तीन अनुनाद संरचनाएँ इस प्रकार हैं:

[Image showing the three resonance structures of the nitrate ion, NO₃⁻. Structure 1: N double-bonded to the top O, single-bonded to the left and right O. The single-bonded Os each have a -1 formal charge. Structure 2: N double-bonded to the left O, single-bonded to the top and right O. The single-bonded Os each have a -1 formal charge. Structure 3: N double-bonded to the right O, single-bonded to the top and left O. The single-bonded Os each have a -1 formal charge. Double-headed arrows (↔) are drawn between the structures.] (ख) s-s परमाणु कक्षकों के संयोजन से आण्विक कक्षक: जब दो s-परमाणु कक्षक (AO) एक दूसरे के पास आते हैं, तो वे रैखिक रूप से संयोजित होकर दो आण्विक कक्षक (MO) बनाते हैं। यह संयोजन दो तरीकों से हो सकता है:

  1. आबंधी आण्विक कक्षक (Bonding Molecular Orbital): यह तब बनता है जब दो s-कक्षकों का योगात्मक अतिव्यापन (additive overlap) या रचनात्मक व्यतिकरण होता है। परिणामस्वरूप MO में दोनों नाभिकों के बीच इलेक्ट्रॉन घनत्व बढ़ जाता है। यह बढ़ा हुआ घनत्व नाभिकों को एक साथ बांधता है, जिससे प्रणाली स्थिर हो जाती है। इस आण्विक कक्षक की ऊर्जा मूल परमाणु कक्षकों से कम होती है। इसे सिग्मा (σₛ) आण्विक कक्षक कहा जाता है क्योंकि यह अंतरनाभिकीय अक्ष के परितः सममित होता है। ψ(σₛ) = ψ(s₁) + ψ(s₂) [Image showing two s-orbitals approaching, overlapping in-phase (same shading) to form a larger, lower-energy sigma (σₛ) bonding molecular orbital with high electron density between the nuclei.]
  2. प्रतिआबंधी आण्विक कक्षक (Antibonding Molecular Orbital): यह तब बनता है जब दो s-कक्षकों का व्यकलनात्मक अतिव्यापन (subtractive overlap) या विनाशकारी व्यतिकरण होता है। परिणामस्वरूप MO में दोनों नाभिकों के बीच एक नोडल तल होता है, जहाँ इलेक्ट्रॉन घनत्व शून्य होता है। नाभिकों के बीच इलेक्ट्रॉन घनत्व की कमी से नाभिकीय प्रतिकर्षण होता है, जिससे प्रणाली अस्थिर हो जाती है। इस आण्विक कक्षक की ऊर्जा मूल परमाणु कक्षकों से अधिक होती है। इसे सिग्मा-स्टार (σ*ₛ) आण्विक कक्षक कहा जाता है। ψ(σ*ₛ) = ψ(s₁) – ψ(s₂) [Image showing two s-orbitals approaching, overlapping out-of-phase (different shading) to form a higher-energy sigma-star (σ*ₛ) antibonding molecular orbital with a nodal plane between the nuclei.]

नाम:

  • निचली ऊर्जा वाला कक्षक: सिग्मा (σₛ) आबंधी आण्विक कक्षक ।
  • उच्च ऊर्जा वाला कक्षक: सिग्मा-स्टार (σ*ₛ) प्रतिआबंधी आण्विक कक्षक ।

भाग-ख

Q8. (क) लुईस अम्लों की परिभाषा दीजिए। निम्नलिखित में से कौन-से लुईस अम्ल हैं ? CH₃⁺, CH₃OCH₃, CH₃CH=CH₂, BF₃ (ख) (i) Z/E विन्यास निर्धारण में निम्नलिखित समूहों को अग्रता के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित कीजिए : –CH(CH₃)₂, –C(CH₃)₃, –CH₂–CH₂CH₃ (ii) CH₃FC=CFCH₃ के उस समावयव की संरचना आरेखित कीजिए, जिसका उच्चतर द्विध्रुव आघूर्ण होता है।

Ans. (क) लुईस अम्ल: जी.एन. लुईस के अनुसार, एक लुईस अम्ल कोई भी प्रजाति (अणु या आयन) है जो एक सहसंयोजक आबंध बनाने के लिए इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी को स्वीकार कर सकती है। लुईस अम्ल इलेक्ट्रॉन-न्यून होते हैं। वे आम तौर पर निम्नलिखित में से एक होते हैं:

  • अपूर्ण अष्टक वाले अणु (जैसे, BF₃, AlCl₃)।
  • धनायन (जैसे, H⁺, CH₃⁺)।
  • वे अणु जिनमें केंद्रीय परमाणु खाली d-कक्षकों का उपयोग करके अपने अष्टक का विस्तार कर सकता है (जैसे, SiF₄, SnCl₄)।

दिए गए यौगिकों में से लुईस अम्ल:

  • CH₃⁺ (मिथाइल कार्बधनायन): यह एक धनायन है जिसमें कार्बन पर केवल 6 इलेक्ट्रॉन होते हैं। इसका p-कक्षक खाली है और यह इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी को आसानी से स्वीकार कर सकता है। इसलिए, यह एक लुईस अम्ल है।
  • CH₃OCH₃ (डाइमिथाइल ईथर): ऑक्सीजन परमाणु पर दो एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म होते हैं, जिन्हें यह दान कर सकता है। इसलिए, यह एक लुईस क्षार है, न कि लुईस अम्ल।
  • CH₃CH=CH₂ (प्रोपीन): पाई (π) आबंध में इलेक्ट्रॉन घनत्व होता है जिसे यह एक इलेक्ट्रॉनस्नेही को दान कर सकता है। यह आमतौर पर एक लुईस क्षार के रूप में कार्य करता है।
  • BF₃ (बोरॉन ट्राइफ्लोराइड): केंद्रीय बोरॉन परमाणु के चारों ओर केवल 6 संयोजी इलेक्ट्रॉन होते हैं, जिससे इसका अष्टक अपूर्ण होता है। यह एक इलेक्ट्रॉन युग्म को स्वीकार करके अपना अष्टक पूरा कर सकता है। इसलिए, यह एक प्रबल लुईस अम्ल है।

अतः, CH₃⁺ और BF₃ लुईस अम्ल हैं। (ख) (i) अग्रता का बढ़ता क्रम: Z/E विन्यास के लिए अग्रता कान-इनगोल्ड-प्रेलॉग (CIP) नियमों द्वारा निर्धारित की जाती है। अग्रता सीधे जुड़े परमाणु की परमाणु संख्या पर आधारित होती है। यदि वे समान हैं, तो हम श्रृंखला में तब तक आगे बढ़ते हैं जब तक कि अंतर का पहला बिंदु नहीं मिल जाता।

  1. –CH₂–CH₂CH₃ (n-प्रोपिल): पहला कार्बन H, H, C से जुड़ा है।
  2. –CH(CH₃)₂ (आइसोप्रोपिल): पहला कार्बन H, C, C से जुड़ा है।
  3. –C(CH₃)₃ (t-ब्यूटिल): पहला कार्बन C, C, C से जुड़ा है।

तुलना करने पर:

  • t-ब्यूटिल में पहला कार्बन तीन अन्य कार्बनों से जुड़ा है, जो इसे उच्चतम अग्रता देता है।
  • आइसोप्रोपिल में पहला कार्बन दो कार्बनों और एक हाइड्रोजन से जुड़ा है, जो इसे मध्यवर्ती अग्रता देता है।
  • n-प्रोपिल में पहला कार्बन केवल एक कार्बन और दो हाइड्रोजन से जुड़ा है, जो इसे सबसे कम अग्रता देता है।

अग्रता का बढ़ता क्रम है:

–CH₂–CH₂CH₃ < –CH(CH₃)₂ < –C(CH₃)₃ (ii) उच्चतर द्विध्रुव आघूर्ण वाला समावयव: अणु CH₃FC=CFCH₃ (1,2-डाइफ्लोरो-ब्यूट-2-ईन) ज्यामितीय समावयवता (Z/E) प्रदर्शित करता है।

  • E-समावयव (ट्रान्स): इसमें, दो ध्रुवीय C-F आबंध द्वि-आबंध के विपरीत दिशा में होते हैं। व्यक्तिगत आबंध द्विध्रुव एक दूसरे को लगभग पूरी तरह से रद्द कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक बहुत छोटा या शून्य कुल द्विध्रुव आघूर्ण होता है।
  • Z-समावयव (सिस): इसमें, दो ध्रुवीय C-F आबंध द्वि-आबंध के एक ही तरफ होते हैं। व्यक्तिगत आबंध द्विध्रुव जुड़ जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक महत्वपूर्ण, गैर-शून्य कुल द्विध्रुव आघूर्ण होता है।

इसलिए, Z-समावयव का द्विध्रुव आघूर्ण उच्चतर होता है।

Z-समावयव की संरचना:

[Image of the Z-isomer of 1,2-difluoro-but-2-ene. It shows a C=C double bond. On the left carbon, there’s an upward CH₃ and a downward F. On the right carbon, there’s an upward F and a downward CH₃. The two F atoms are on the same side of the double bond’s axis.]

Q9. (क) उचित संरचनाओं के साथ व्याख्या कीजिए कि एलिल कार्ब-धनायन बेन्जिल कार्ब-धनायन से कम स्थायी क्यों होता है ? (ख) प्रति-मार्कोनीकॉफ संकलन से आप क्या समझते हैं ? ऐसी अभिक्रिया का एक उदाहरण दीजिए।

Ans. (क) कार्ब-धनायन का स्थायित्व धनात्मक आवेश के विस्थापन की मात्रा पर निर्भर करता है। जितना अधिक विस्थापन होता है, आवेश उतना ही अधिक फैलता है, और धनायन उतना ही अधिक स्थायी होता है। एलिल और बेन्जिल दोनों कार्ब-धनायन अनुनाद द्वारा स्थायी होते हैं, लेकिन उनके स्थायित्व में अंतर विस्थापन की मात्रा के कारण होता है।

एलिल कार्ब-धनायन (CH₂=CH-CH₂⁺): एलिल कार्ब-धनायन में, धनात्मक आवेश दो कार्बन परमाणुओं पर विस्थापित होता है, जिससे दो अनुनाद संरचनाएँ बनती हैं:

CH₂=CH—CH₂⁺ ↔ ⁺CH₂—CH=CH₂

[Image showing the two resonance structures of the allyl carbocation.]

धनात्मक आवेश केवल दो आसन्न कार्बन परमाणुओं के बीच साझा किया जाता है।

बेन्जिल कार्ब-धनायन (C₆H₅CH₂⁺): बेन्जिल कार्ब-धनायन में, धनात्मक आवेश को बेंजीन वलय में विस्थापित किया जाता है। धनात्मक आवेश को वलय के ऑर्थो और पैरा स्थितियों पर फैलाया जा सकता है, जिससे कुल पाँच अनुनाद संरचनाएँ बनती हैं (एक संरचना बिना वलय विस्थापन के और चार संरचनाएं वलय के भीतर विस्थापन के साथ)।

[Image showing the five resonance structures of the benzyl carbocation, with the positive charge delocalized from the benzylic carbon to the ortho, para, and then the other ortho position of the benzene ring.]

CH₂⁺ समूह से शुरू होकर, आवेश ऑर्थो, फिर पैरा, और फिर दूसरे ऑर्थो कार्बन पर जाता है।

निष्कर्ष: चूंकि बेन्जिल कार्ब-धनायन में पाँच अनुनाद संरचनाएँ होती हैं जबकि एलिल कार्ब-धनायन में केवल दो होती हैं, बेन्जिल कार्ब-धनायन में धनात्मक आवेश का विस्थापन बहुत अधिक होता है। आवेश का यह अधिक फैलाव बेन्जिल कार्ब-धनायन को एलिल कार्ब-धनायन की तुलना में काफी अधिक स्थायी बनाता है। (ख) प्रति-मार्कोनीकॉफ संकलन (Anti-Markovnikov Addition): प्रति-मार्कोनीकॉफ संकलन, जिसे ‘पेरोक्साइड प्रभाव’ या ‘खराश प्रभाव’ भी कहा जाता है, एक असममित एल्कीन पर हाइड्रोजन ब्रोमाइड (HBr) के संकलन की एक अभिक्रिया है जो पेरोक्साइड (जैसे, R-O-O-R) की उपस्थिति में होती है।

यह मार्कोनीकॉफ के नियम के विपरीत है। प्रति-मार्कोनीकॉफ नियम के अनुसार, HBr का ऋणात्मक भाग (Br) द्वि-आबंध के उस कार्बन परमाणु से जुड़ता है जिस पर अधिक संख्या में हाइड्रोजन परमाणु होते हैं, और धनात्मक भाग (H) कम हाइड्रोजन परमाणुओं वाले कार्बन से जुड़ता है।

यह अभिक्रिया एक मुक्त मूलक श्रृंखला क्रियाविधि के माध्यम से होती है, न कि इलेक्ट्रोफिलिक संकलन क्रियाविधि के माध्यम से। यह प्रभाव केवल HBr के साथ देखा जाता है, HCl या HI के साथ नहीं।

उदाहरण: प्रोपीन के साथ HBr का संकलन

पेरोक्साइड की उपस्थिति में, प्रोपीन (CH₃-CH=CH₂) पर HBr का संकलन 1-ब्रोमोप्रोपेन देता है।

CH₃—CH=CH₂ + HBr –(पेरोक्साइड)–> CH₃—CH₂—CH₂Br

(प्रोपीन) (1-ब्रोमोप्रोपेन – मुख्य उत्पाद)

इस अभिक्रिया में, ब्रोमीन (Br) टर्मिनल कार्बन (CH₂) से जुड़ता है, जिस पर अधिक हाइड्रोजन होते हैं, और हाइड्रोजन (H) केंद्रीय कार्बन (CH) से जुड़ता है।

Q10. (क) निम्नलिखित को पूर्ण कीजिए : CH₃COO⁻Na⁺ –(विद्युत अपघटन)–> A –(द्वितयन)–> B (एल्केन) + C (गैस) (ख) निम्नलिखित अभिक्रियाओं के उत्पाद लिखिए : (i) CH₃CH₂C(=O)Cl + H₂/Pd-BaSO₄ → ? (ii) CH₃CH₂C≡CH + NaNH₂ → ? –(CH₃CH₂I)–> ?

Ans. (क) यह अभिक्रिया कोल्बे की विद्युत अपघटनी अभिक्रिया है।

सोडियम एसीटेट (CH₃COO⁻Na⁺) के जलीय विलयन का विद्युत अपघटन करने पर:

ऐनोड पर (ऑक्सीकरण): एसिटेट आयन (CH₃COO⁻) एक इलेक्ट्रॉन खोकर एसिटेट मुक्त मूलक बनाता है, जो तुरंत विघटित होकर मिथाइल मुक्त मूलक और कार्बन डाइऑक्साइड गैस देता है।

CH₃COO⁻ → CH₃COO• + e⁻

CH₃COO• → CH₃• (A) + CO₂ (C)

तो, A = CH₃• (मिथाइल मुक्त मूलक) और C = CO₂ (कार्बन डाइऑक्साइड) ।

द्वितयन (Dimerisation): ऐनोड पर बने दो मिथाइल मुक्त मूलक (A) मिलकर ईथेन (एक एल्केन) बनाते हैं।

CH₃• + •CH₃ → CH₃—CH₃ (B)

तो, B = CH₃—CH₃ (ईथेन) ।

अभिक्रिया का सारांश:

A = CH₃• (मिथाइल मुक्त मूलक)

B = CH₃—CH₃ (ईथेन)

C = CO₂ (कार्बन डाइऑक्साइड) (ख) अभिक्रियाओं के उत्पाद:

(i) CH₃CH₂C(=O)Cl + H₂/Pd-BaSO₄ → ?

यह रोज़ेनमुंड अपचयन है। यह एसिल क्लोराइड का एल्डिहाइड में चयनात्मक उत्प्रेरकीय हाइड्रोजनीकरण है। उत्प्रेरक पैलेडियम (Pd) होता है जिसे बेरियम सल्फेट (BaSO₄) पर आधारित किया जाता है और सल्फर या क्विनोलिन जैसी किसी चीज से आंशिक रूप से निष्क्रिय (poisoned) किया जाता है। निष्क्रियक एल्डिहाइड को आगे अल्कोहल में अपचयित होने से रोकता है।

प्रोपेनॉयल क्लोराइड का अपचयन प्रोपेनल देगा।

CH₃CH₂C(=O)Cl + H₂ –(Pd/BaSO₄)–> CH₃CH₂CHO + HCl

उत्पाद: प्रोपेनल

(ii) CH₃CH₂C≡CH + NaNH₂ → ? –(CH₃CH₂I)–> ?

यह अभिक्रिया दो चरणों में होती है:

चरण 1: टर्मिनल एल्काइन का विप्रोटोनीकरण ब्यूट-1-आइन (CH₃CH₂C≡CH) में एक अम्लीय टर्मिनल हाइड्रोजन होता है। सोडियम एमाइड (NaNH₂) एक प्रबल क्षार है जो इस प्रोटॉन को हटाकर एक एल्काइनाइड आयन (एक न्यूक्लियोफाइल) बनाता है।

CH₃CH₂C≡CH + NaNH₂ → CH₃CH₂C≡C⁻Na⁺ + NH₃

पहला उत्पाद सोडियम ब्यूट-1-आइनाइड है।

चरण 2: न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन (एल्किलीकरण) बना हुआ एल्काइनाइड आयन अब एक एल्किल हैलाइड, जैसे आयोडोईथेन (CH₃CH₂I), के साथ SN2 अभिक्रिया करता है। एल्काइनाइड न्यूक्लियोफाइल के रूप में कार्य करता है और आयोडाइड आयन को प्रतिस्थापित करता है, जिससे एक लंबा आंतरिक एल्काइन बनता है।

CH₃CH₂C≡C⁻Na⁺ + CH₃CH₂I → CH₃CH₂C≡CCH₂CH₃ + NaI

अंतिम उत्पाद: हेक्स-3-आइन

Q11. (क) निम्नलिखित प्रत्येक के लिए उसकी संरचना के साथ एक उदाहरण दीजिए : (i) एक द्विचक्रीय ऐरोमैटिक यौगिक (ii) एक विषमचक्रीय ऐरोमैटिक यौगिक (iii) 14π इलेक्ट्रॉनों वाला एक ऐरोमैटिक यौगिक (ख) साबात्ये-सेण्डेरन्स अभिक्रिया क्या होती है ? एक उदाहरण दीजिए।

Ans. (क) उदाहरण और संरचनाएँ:

(i) एक द्विचक्रीय ऐरोमैटिक यौगिक (A bicyclic aromatic compound): यह एक ऐरोमैटिक यौगिक है जिसमें दो जुड़े हुए वलय होते हैं। सबसे आम उदाहरण नैफ्थलीन है।

उदाहरण: नैफ्थलीन (C₁₀H₈)

संरचना:

[Image of the structure of Naphthalene, showing two fused benzene rings.]

यह हकल के नियम (4n+2)π का पालन करता है, जिसमें 10π इलेक्ट्रॉन (n=2) होते हैं।

(ii) एक विषमचक्रीय ऐरोमैटिक यौगिक (A heterocyclic aromatic compound): यह एक चक्रीय यौगिक है जो ऐरोमैटिक है और वलय में कार्बन के अलावा कम से कम एक अन्य तत्व (विषमपरमाणु), जैसे नाइट्रोजन, ऑक्सीजन या सल्फर, होता है।

उदाहरण: पिरिडीन (C₅H₅N)

संरचना:

[Image of the structure of Pyridine, showing a six-membered ring with five carbons, one nitrogen, and alternating double bonds. The nitrogen has a lone pair.]

पिरिडीन में 6π इलेक्ट्रॉन होते हैं और यह ऐरोमैटिक है। नाइट्रोजन का एकाकी युग्म π प्रणाली का हिस्सा नहीं है।

(iii) 14π इलेक्ट्रॉनों वाला एक ऐरोमैटिक यौगिक (An aromatic compound containing 14π electrons): यह हकल के नियम (4n+2)π का पालन करता है, जहाँ 4n+2 = 14, तो n=3। इसका मतलब है कि यह एक ऐरोमैटिक यौगिक है।

उदाहरण: एन्थ्रेसीन (C₁₄H₁₀)

संरचना:

[Image of the structure of Anthracene, showing three benzene rings fused in a linear fashion.]

एन्थ्रेसीन में तीन बेंजीन वलय रैखिक रूप से जुड़े होते हैं और इसमें कुल 14π इलेक्ट्रॉन होते हैं। (ख) साबात्ये-सेण्डेरन्स अभिक्रिया (Sabatier-Sabatier Reaction): साबात्ये-सेण्डेरन्स अभिक्रिया असंतृप्त हाइड्रोकार्बन (एल्कीन या एल्काइन) का संतृप्त हाइड्रोकार्बन (एल्केन) में हाइड्रोजनीकरण है। यह अभिक्रिया उच्च तापमान (लगभग 200-300 °C) और दबाव पर, सूक्ष्म विभाजित निकल (Ni) उत्प्रेरक की उपस्थिति में हाइड्रोजन गैस (H₂) का उपयोग करके की जाती है। पैलेडियम (Pd) या प्लैटिनम (Pt) जैसे अन्य उत्प्रेरकों का भी उपयोग किया जा सकता है।

यह एक अत्यधिक ऊष्माक्षेपी संकलन अभिक्रिया है।

सामान्य अभिक्रिया:

R-CH=CH-R’ + H₂ –(Ni, Δ)–> R-CH₂-CH₂-R’ (एल्कीन से एल्केन)

R-C≡C-R’ + 2H₂ –(Ni, Δ)–> R-CH₂-CH₂-R’ (एल्काइन से एल्केन)

उदाहरण: एथीन का हाइड्रोजनीकरण

जब एथीन गैस को हाइड्रोजन के साथ मिलाया जाता है और गर्म निकल उत्प्रेरक पर से गुजारा जाता है, तो यह ईथेन बनाने के लिए अपचयित हो जाती है।

CH₂=CH₂ + H₂ –(Ni, 250°C)–> CH₃—CH₃

(एथीन) (ईथेन)

Q12. (क) निम्नलिखित से आप क्या समझते हैं ? (i) वियोजन (ii) वाम ध्रुवण घूर्णक यौगिक (iii) रेसमिक मिश्रण (ख) निम्नलिखित के लिए अभिक्रियाएँ लिखिए : (i) 2-ब्यूटाइन के ओज़ोनोलिसिस के उत्पाद (ii) 2-ब्यूटीन के ओज़ोनोलिसिस के उत्पाद

Ans. (क)

(i) वियोजन (Resolution): वियोजन एक ऐसी प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक रेसमिक मिश्रण (दो एनैन्शिओमर का 50:50 मिश्रण) को उसके अलग-अलग, शुद्ध एनैन्शिओमर (+)-रूप और (-)-रूप में अलग किया जाता है। चूंकि एनैन्शिओमर के भौतिक गुण (क्वथनांक, गलनांक, विलेयता) समान होते हैं, इसलिए उन्हें साधारण भौतिक तरीकों जैसे कि प्रभाजी आसवन या क्रिस्टलीकरण द्वारा अलग नहीं किया जा सकता है। वियोजन में आमतौर पर एक शुद्ध काइरल अभिकर्मक (जिसे वियोजन कर्मक कहा जाता है) के साथ अभिक्रिया करके एनैन्शिओमर को डायस्टेरोमर की एक जोड़ी में परिवर्तित करना शामिल है। डायस्टेरोमर के भौतिक गुण भिन्न होते हैं, इसलिए उन्हें प्रभाजी क्रिस्टलीकरण या क्रोमैटोग्राफी द्वारा अलग किया जा सकता है। अलग होने के बाद, मूल एनैन्शिओमर को पुन: उत्पन्न करने के लिए डायस्टेरोमर से वियोजन कर्मक को हटा दिया जाता है।

(ii) वाम ध्रुवण घूर्णक यौगिक (Laevorotatory compound): यह एक ऑप्टिकली सक्रिय (प्रकाशिकतः सक्रिय) यौगिक है जो समतल-ध्रुवित प्रकाश के तल को बाईं ओर (वामावर्त दिशा में) घुमाता है। इस गुण को वाम ध्रुवण घूर्णन कहा जाता है। इसे एक छोटे अक्षर ‘l’ या एक ऋण चिह्न (-) द्वारा दर्शाया जाता है, जिसे यौगिक के नाम के आगे कोष्ठक में लिखा जाता है, जैसे, (-)-लैक्टिक एसिड। घूर्णन के कोण को पोलारीमीटर नामक उपकरण से मापा जाता है। एक वाम ध्रुवण घूर्णक यौगिक का एनैन्शिओमर हमेशा दक्षिण ध्रुवण घूर्णक (dextrorotatory) होता है, जो प्रकाश के तल को समान मात्रा में दाईं ओर घुमाता है।

(iii) रेसमिक मिश्रण (Racemic mixture): एक रेसमिक मिश्रण एक काइरल यौगिक के दो एनैन्शिओमर का समआण्विक (equimolar) मिश्रण (50:50 मिश्रण) होता है। चूंकि मिश्रण में दक्षिण ध्रुवण घूर्णक (+) एनैन्शिओमर और वाम ध्रुवण घूर्णक (-) एनैन्शिओमर की समान मात्रा होती है, इसलिए एक एनैन्शिओमर द्वारा उत्पन्न घूर्णन दूसरे द्वारा उत्पन्न घूर्णन से पूरी तरह से रद्द हो जाता है। नतीजतन, एक रेसमिक मिश्रण ऑप्टिकली निष्क्रिय (प्रकाशिकतः निष्क्रिय) होता है। इसे अक्सर (±)-उपसर्ग द्वारा दर्शाया जाता है, जैसे, (±)-लैक्टिक एसिड। (ख)

(i) 2-ब्यूटाइन के ओज़ोनोलिसिस के उत्पाद: एल्काइन का ओज़ोनोलिसिस (O₃ के साथ अभिक्रिया) और उसके बाद जलीय कार्यविधि (H₂O) त्रि-आबंध को तोड़ देता है और दो कार्बोक्सिलिक एसिड बनाता है। 2-ब्यूटाइन (CH₃-C≡C-CH₃) एक सममित एल्काइन है।

CH₃—C≡C—CH₃ + O₃ → [ओजोनाइड मध्यवर्ती] –(H₂O)–> 2 CH₃COOH

उत्पाद एसिटिक एसिड (एथेनोइक एसिड) के दो अणु हैं।

अभिक्रिया:

CH₃—C≡C—CH₃ –(1. O₃)–> –(2. H₂O)–> 2 CH₃COOH

(ii) 2-ब्यूटीन के ओज़ोनोलिसिस के उत्पाद: एल्कीन का ओज़ोनोलिसिस द्वि-आबंध को तोड़ता है। उत्पाद कार्यविधि की प्रकृति पर निर्भर करते हैं (अपचायक या ऑक्सीकारक)। यदि प्रश्न में निर्दिष्ट नहीं है, तो आमतौर पर अपचायक कार्यविधि (जैसे, Zn/H₂O) मानी जाती है, जो एल्डिहाइड या कीटोन देती है। 2-ब्यूटीन (CH₃-CH=CH-CH₃) एक सममित एल्कीन है।

CH₃—CH=CH—CH₃ + O₃ → [ओजोनाइड मध्यवर्ती] –(Zn/H₂O)–> 2 CH₃CHO

अपचायक कार्यविधि के साथ, उत्पाद एसिटैल्डिहाइड (एथेनल) के दो अणु हैं।

अभिक्रिया:

CH₃—CH=CH—CH₃ –(1. O₃)–> –(2. Zn/H₂O)–> 2 CH₃CHO

Q13. (क) ब्यूटेन के सबसे अधिक स्थायी और सबसे कम स्थायी कॉन्फॉर्मेशनों को आरेखित कीजिए और उनके नाम दीजिए। (ख) निम्नलिखित को परिभाषित कीजिए और एक-एक उदाहरण दीजिए : (i) एक इलेक्ट्रॉनस्नेही (ii) एक नाभिकस्नेही (iii) एक मुक्त मूलक

Ans. (क) ब्यूटेन (CH₃-CH₂-CH₂-CH₃) के कॉन्फॉर्मेशन C2-C3 आबंध के परितः घूर्णन के कारण उत्पन्न होते हैं। इन्हें न्यूमैन प्रक्षेपण का उपयोग करके दर्शाया जाता है।

सबसे अधिक स्थायी कॉन्फॉर्मेशन: एंटी-पेरिप्लेनर (Anti-periplanar) या पूर्ण सांतरित (Anti-staggered) यह ब्यूटेन का सबसे कम ऊर्जा वाला और इसलिए सबसे अधिक स्थायी कॉन्फॉर्मेशन है। इसमें, दो बड़े मिथाइल (CH₃) समूह एक दूसरे से 180° के द्वितल कोण पर होते हैं। यह व्यवस्था त्रिविम बाधा (steric hindrance) को कम करती है।

नाम: एंटी-पेरिप्लेनर या एंटी कॉन्फॉर्मेशन

संरचना (न्यूमैन प्रक्षेपण):

[Image of the anti-conformation of butane as a Newman projection. The front carbon has a methyl group pointing down, and two hydrogens pointing up-left and up-right. The back carbon has a methyl group pointing up, and two hydrogens pointing down-left and down-right. The two methyl groups are 180° apart.]

सबसे कम स्थायी कॉन्फॉर्मेशन: सिन-पेरिप्लेनर (Syn-periplanar) या पूर्ण ग्रस्त (Fully eclipsed) यह ब्यूटेन का उच्चतम ऊर्जा वाला और इसलिए सबसे कम स्थायी कॉन्फॉर्मेशन है। इसमें, दो बड़े मिथाइल (CH₃) समूह एक दूसरे को ग्रहण करते हैं (द्वितल कोण 0°)। यह व्यवस्था दो बड़े समूहों के बीच अधिकतम त्रिविम बाधा और मरोड़ी तनाव (torsional strain) का कारण बनती है।

नाम: सिन-पेरिप्लेनर या पूर्ण ग्रस्त कॉन्फॉर्मेशन

संरचना (न्यूमैन प्रक्षेपण):

[Image of the syn-periplanar conformation of butane. The front carbon has a methyl group pointing down. The back carbon’s methyl group is directly behind it, also pointing down. The hydrogens on both carbons are also eclipsing each other.] (ख)

(i) एक इलेक्ट्रॉनस्नेही (An electrophile):

परिभाषा: एक इलेक्ट्रॉनस्नेही (‘इलेक्ट्रॉन-प्रेमी’) एक अभिकर्मक है जो इलेक्ट्रॉन-न्यून होता है और एक रासायनिक अभिक्रिया के दौरान इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी को स्वीकार करके एक नया सहसंयोजक आबंध बनाता है। इलेक्ट्रॉनस्नेही या तो धनावेशित होते हैं या उदासीन अणु होते हैं जिनमें एक इलेक्ट्रॉन-न्यून केंद्र होता है (जैसे, अपूर्ण अष्टक)। वे लुईस अम्ल के रूप में कार्य करते हैं।

उदाहरण:

  • धनावेशित: H⁺ (प्रोटॉन), NO₂⁺ (नाइट्रोनियम आयन), CH₃⁺ (कार्बधनायन)
  • उदासीन: BF₃ , SO₃ , AlCl₃

(ii) एक नाभिकस्नेही (A nucleophile):

परिभाषा: एक नाभिकस्नेही (‘नाभिक-प्रेमी’) एक अभिकर्मक है जो इलेक्ट्रॉन-समृद्ध होता है और एक रासायनिक अभिक्रिया के दौरान इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी दान करके एक नया सहसंयोजक आबंध बनाता है। नाभिकस्नेही या तो ऋणावेशित होते हैं या उदासीन अणु होते हैं जिनमें कम से कम एक एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म होता है। वे लुईस क्षार के रूप में कार्य करते हैं।

उदाहरण:

  • ऋणावेशित: OH⁻ (हाइड्रॉक्साइड आयन), CN⁻ (साइनाइड आयन), Cl⁻ (क्लोराइड आयन)
  • उदासीन: H₂O (जल), NH₃ (अमोनिया), R-OH (अल्कोहल)

(iii) एक मुक्त मूलक (A free radical):

परिभाषा: एक मुक्त मूलक एक परमाणु, अणु या आयन है जिसमें एक या एक से अधिक अयुग्मित संयोजी इलेक्ट्रॉन होते हैं। अयुग्मित इलेक्ट्रॉन मुक्त मूलकों को अत्यधिक प्रतिक्रियाशील और अस्थिर बनाते हैं। वे आमतौर पर सहसंयोजक आबंधों के समांशि विखंडन (homolytic cleavage) द्वारा बनते हैं, जहाँ आबंध के दो इलेक्ट्रॉन अलग होने वाली प्रजातियों के बीच समान रूप से विभाजित हो जाते हैं। मुक्त मूलकों को एक बिंदु (•) द्वारा दर्शाया जाता है।

उदाहरण:

  • Cl• (क्लोरीन मुक्त मूलक): Cl₂ → 2Cl• (UV प्रकाश की उपस्थिति में)
  • CH₃• (मिथाइल मुक्त मूलक)
  • Br• (ब्रोमीन मुक्त मूलक)

Q14. (क) निम्नलिखित में से कौन-सा सबसे अधिक प्रबल अम्ल होगा और क्यों ? CCl₃COOH, CH₃CH₂COOH, CH₂ClCOOH (ख) निम्नलिखित अभिक्रिया को पूर्ण कीजिए : Ph₃P + CH₃CH(X)CH₃ → A –(C₄H₉Li)–> B (Ylide) + R₂C=O → C (Alkene)

Ans. (क) प्रबलतम अम्ल और कारण: दिए गए कार्बोक्सिलिक अम्लों में से, CCl₃COOH (ट्राइक्लोरोएसिटिक एसिड) सबसे प्रबल अम्ल होगा।

कारण: एक अम्ल की प्रबलता उसके संयुग्मी क्षार (कार्बोक्सिलेट आयन, RCOO⁻) के स्थायित्व पर निर्भर करती है। संयुग्मी क्षार जितना अधिक स्थायी होगा, अम्ल उतना ही प्रबल होगा। कार्बोक्सिलेट आयन का स्थायित्व उस पर निर्भर करता है कि ऋणात्मक आवेश कितना प्रभावी ढंग से विस्थापित या स्थिर होता है।

  1. प्रेरणिक प्रभाव (-I प्रभाव): क्लोरीन जैसे इलेक्ट्रॉन-आकर्षी समूह एक प्रबल ऋणात्मक प्रेरणिक प्रभाव (-I प्रभाव) डालते हैं। जब एक -I समूह कार्बोक्सिलेट समूह के पास मौजूद होता है, तो यह इलेक्ट्रॉन घनत्व को अपनी ओर खींचता है, जिससे ऑक्सीजन परमाणुओं पर ऋणात्मक आवेश फैल जाता है (विस्थापित हो जाता है)। यह आवेश का फैलाव संयुग्मी क्षार को स्थिर करता है।
  2. समूहों की तुलना:
    • CCl₃COOH: इसमें तीन क्लोरीन परमाणु होते हैं। तीन -Cl परमाणुओं का संयुक्त -I प्रभाव बहुत प्रबल होता है, जो संयुग्मी क्षार (CCl₃COO⁻) को अत्यधिक स्थिर बनाता है।
    • CH₂ClCOOH: इसमें केवल एक क्लोरीन परमाणु होता है। इसका -I प्रभाव मौजूद है, लेकिन CCl₃COOH की तुलना में बहुत कमजोर है। यह CH₂ClCOO⁻ को स्थिर करता है, लेकिन CCl₃COO⁻ से कम।
    • CH₃CH₂COOH: इसमें एक एथिल समूह (CH₃CH₂) होता है, जो एक इलेक्ट्रॉन-दाता समूह है। यह एक धनात्मक प्रेरणिक प्रभाव (+I प्रभाव) डालता है, जो ऑक्सीजन पर इलेक्ट्रॉन घनत्व को बढ़ाकर ऋणात्मक आवेश को और तीव्र करता है। यह संयुग्मी क्षार (CH₃CH₂COO⁻) को अस्थिर करता है, जिससे यह सबसे कमजोर अम्ल बन जाता है।

अम्लीयता का क्रम:

CCl₃COOH > CH₂ClCOOH > CH₃CH₂COOH

इसलिए, CCl₃COOH सबसे प्रबल अम्ल है। (ख) यह अभिक्रिया विटिग अभिक्रिया (Wittig Reaction) का एक सामान्य schéma है, जो एल्डिहाइड या कीटोन को एल्कीन में परिवर्तित करती है।

हम मान लेंगे कि X = Br (ब्रोमीन), R₂C=O = एसीटोन ((CH₃)₂C=O) एक उदाहरण के रूप में।

चरण 1: फॉस्फोनियम लवण (A) का निर्माण ट्राइफेनिलफॉस्फीन (Ph₃P) एक न्यूक्लियोफाइल के रूप में कार्य करता है और 2-ब्रोमोप्रोपेन (CH₃CH(Br)CH₃) पर SN2 अभिक्रिया करता है, जिससे एक फॉस्फोनियम लवण (A) बनता है।

Ph₃P + CH₃CH(Br)CH₃ → [Ph₃P⁺—CH(CH₃)₂]Br⁻ (A)

A = आइसोप्रोपिलट्राइफेनिलफॉस्फोनियम ब्रोमाइड

चरण 2: इलाइड (B) का निर्माण एक प्रबल क्षार, जैसे ब्यूटिललिथियम (C₄H₉Li), फॉस्फोनियम लवण से एक प्रोटॉन को हटाता है। यह प्रोटॉन फॉस्फोरस से सटे कार्बन से हटा दिया जाता है, जिससे एक फॉस्फोरस इलाइड (B) बनता है।

[Ph₃P⁺—CH(CH₃)₂]Br⁻ + C₄H₉Li → Ph₃P=C(CH₃)₂ (B) + LiBr + C₄H₁₀

B = आइसोप्रोपिलिडीनट्राइफेनिलफॉस्फोरेन (एक इलाइड)

चरण 3: विटिग अभिक्रिया और एल्कीन (C) का निर्माण इलाइड (B) एक कार्बोनिल यौगिक, जैसे एसीटोन ((CH₃)₂C=O), के साथ अभिक्रिया करता है। यह एक चक्रीय मध्यवर्ती (ऑक्साफॉस्फेटेन) के माध्यम से होता है जो विघटित होकर एक एल्कीन (C) और ट्राइफेनिलफॉस्फीन ऑक्साइड देता है।

Ph₃P=C(CH₃)₂ (B) + (CH₃)₂C=O → (CH₃)₂C=C(CH₃)₂ (C) + Ph₃P=O

C = 2,3-डाइमिथाइलब्यूट-2-ईन (एक एल्कीन)

पूर्ण अभिक्रिया:

A = [Ph₃P⁺—CH(CH₃)₂]X⁻

B = Ph₃P=C(CH₃)₂

C = R₂C=C(CH₃)₂

IGNOU BCHCT-131 Previous Year Solved Question Paper in English

Part—A

Q1. (a) State the limitations of Bohr’s theory. (b) What are matter waves?

Ans. (a) The limitations of Bohr’s theory are as follows:

  • Inapplicability to Multi-electron Atoms: Bohr’s model could only successfully explain the spectrum of single-electron species (e.g., H, He⁺, Li²⁺). It failed to account for the spectra of multi-electron atoms.
  • Fine Structure of Spectral Lines: When viewed through a high-resolution spectroscope, spectral lines are found to be split into several closely spaced lines, known as the fine structure. Bohr’s theory could not explain this phenomenon.
  • Zeeman and Stark Effects: Bohr’s theory was unable to explain the splitting of spectral lines in the presence of a magnetic field (Zeeman effect) or an electric field (Stark effect).
  • Violation of Heisenberg’s Uncertainty Principle: According to Bohr, an electron revolves in a circular orbit with a fixed radius and a definite velocity. This contradicts Heisenberg’s Uncertainty Principle, which states that it is impossible to determine simultaneously and precisely both the position and momentum of a particle.
  • Explanation of Chemical Bonding: The theory failed to explain how atoms combine via chemical bonds to form molecules.
  • Wave-Particle Duality: Bohr’s model treated the electron only as a particle and did not take into account its wave nature.

(b)

Matter Waves:

In 1924, Louis de Broglie proposed that just as light possesses both wave and particle properties (dual nature), moving particles of matter, such as electrons, should also exhibit wave properties. These waves associated with a moving particle are called

matter waves

or

de Broglie waves

.

According to de Broglie, the wavelength (λ) of the wave associated with a particle of mass ‘m’ moving with a velocity ‘v’ is given by:

λ = h / mv = h / p

where ‘h’ is Planck’s constant and ‘p’ is the momentum of the particle. This hypothesis was later experimentally verified by Davisson and Germer, confirming the dual nature of matter.

Q2. (a) Calculate the de-Broglie’s wavelength associated with a bullet having mass 2.2×10⁻³ kg moving with a velocity of 30 ms⁻¹. (b) (i) What is Laplacian operator? (ii) What is Hamiltonian operator? Also give their significance.

Ans. (a) The de-Broglie wavelength (λ) can be calculated using the formula: λ = h / mv Where:

  • h = Planck’s constant = 6.626 x 10⁻³⁴ J s
  • m = mass of the bullet = 2.2 x 10⁻³ kg
  • v = velocity of the bullet = 30 ms⁻¹

Substituting the values into the formula:

λ = (6.626 x 10⁻³⁴ J s) / (2.2 x 10⁻³ kg * 30 ms⁻¹)

λ = (6.626 x 10⁻³⁴) / (66 x 10⁻³) m

λ = (6.626 / 66) x 10⁻³¹ m

λ = 0.10039 x 10⁻³¹ m


λ = 1.004 x 10⁻³² m

The wavelength associated with the bullet is extremely small, which is why the wave properties of macroscopic objects are not observable.

(b) (i) Laplacian Operator (∇²): The Laplacian operator, also called ‘del squared’, is a second-order differential operator. In three-dimensional Cartesian coordinates, it is defined as: ∇² = ∂²/∂x² + ∂²/∂y² + ∂²/∂z² Its significance lies in quantum mechanics where it is a part of the kinetic energy operator of a particle. In the Schrödinger equation, it acts on the wave function (ψ).

(ii) Hamiltonian Operator (Ĥ): The Hamiltonian operator corresponds to the total energy (kinetic energy + potential energy) of a quantum mechanical system. It is represented as: Ĥ = T̂ + V̂ Where T̂ is the kinetic energy operator and V̂ is the potential energy operator. T̂ = – (ħ² / 2m) ∇² (where ħ = h/2π) Therefore, Ĥ = [- (ħ² / 2m) ∇²] + V̂(x, y, z) Significance: The Hamiltonian operator is the central component of the time-independent Schrödinger equation (Ĥψ = Eψ). When the Hamiltonian operator acts on the wave function (ψ) of a system, the result is the same wave function multiplied by the eigenvalue of the total energy (E) of the system. Thus, it allows us to determine the allowed energy levels of a quantum system.

Q3. (a) Explain why O₂ is paramagnetic and O₂²⁻ is diamagnetic. (b) Write Lewis structures of NH₄⁺ and CO₃²⁻.

Ans. (a) The paramagnetic behaviour of O₂ and diamagnetic behaviour of O₂²⁻ can be explained on the basis of Molecular Orbital Theory (MOT) . O₂ molecule: An oxygen atom (Z=8) has the electronic configuration 1s²2s²2p⁴. The O₂ molecule has a total of 16 electrons. The molecular orbital configuration is: σ1s², σ 1s², σ2s², σ 2s², σ2p₂, π2pₓ², π2pᵧ², π 2pₓ¹, π 2pᵧ¹ In this configuration, there are two electrons that are unpaired in the two degenerate π* (antibonding) molecular orbitals. According to Hund’s rule, they occupy separate orbitals. The presence of these unpaired electrons makes the O₂ molecule paramagnetic , meaning it is attracted by an external magnetic field.

O₂²⁻ ion (Peroxide ion): The O₂²⁻ ion is formed by adding two extra electrons to the O₂ molecule, making a total of 18 electrons. These two additional electrons go into the π* antibonding orbitals. The molecular orbital configuration is: σ1s², σ 1s², σ2s², σ 2s², σ2p₂, π2pₓ², π2pᵧ², π 2pₓ², π 2pᵧ² In the O₂²⁻ ion, all molecular orbitals are completely filled, and there are no unpaired electrons . All electrons are paired. Therefore, the O₂²⁻ ion is diamagnetic , meaning it is weakly repelled by an external magnetic field.

(b) Lewis Structures: (i) Ammonium ion (NH₄⁺):

  1. Total valence electrons: N (5) + 4xH (4×1) – 1 (for the positive charge) = 8 electrons.
  2. The central atom is Nitrogen (N), surrounded by four Hydrogen (H) atoms.
  3. 4 x 2 = 8 electrons are used to form a single bond with each H.
  4. All 8 electrons are used. Nitrogen has a full octet, and each hydrogen has a full duet.
  5. The overall structure has a formal charge of +1.

Structure: [ H-N(H)-H ]⁺ (with an H above the N)

[Image of NH₄⁺ Lewis structure showing N bonded to 4 H atoms, enclosed in brackets with a +1 charge]

(ii) Carbonate ion (CO₃²⁻):

  1. Total valence electrons: C (4) + 3xO (3×6) + 2 (for the negative charge) = 4 + 18 + 2 = 24 electrons.
  2. The central atom is Carbon (C), surrounded by three Oxygen (O) atoms.
  3. Connect C to each O with a single bond (3 x 2 = 6 electrons).
  4. Place the remaining 24 – 6 = 18 electrons as lone pairs on the outer atoms (O). Each O gets 6 electrons (3 lone pairs).
  5. Now, the central carbon atom has only 6 electrons (incomplete octet). To complete carbon’s octet, move a lone pair from one of the oxygens to form a C-O double bond.
  6. This leads to resonance. The carbonate ion is a hybrid of three resonance structures.

Structure: [ O=C(O⁻)-O⁻ ] ↔ [ O⁻-C(O⁻)=O ] ↔ [ O⁻-C(=O)-O⁻ ] (All structures in brackets with a 2- charge)

[Image of the three resonance structures of CO₃²⁻, showing the double bond moving between the three C-O bonds, and the overall 2- charge]

Q4. (a) Define electron affinity. Write units used to measure it. (b) Arrange the following in the increasing order of ionisation energy: Be, B, N, O. Also give reasons for your answer.

Ans. (a) Electron Affinity: Electron affinity is defined as the amount of energy released when an electron is added to the outermost shell of a neutral, gaseous atom. This process forms a negative ion (anion). It can be represented as: X(g) + e⁻ → X⁻(g) + Energy (ΔH = -ve) A high electron affinity (more negative value) indicates that the atom has a strong tendency to accept an electron. Elements like halogens have high electron affinities because gaining one electron gives them a stable, filled valence shell. Units: Electron affinity is typically measured in the following units:

  • Kilojoules per mole (kJ/mol)
  • Electron volts per atom (eV/atom)

(b) Increasing Order of Ionisation Energy: The correct increasing order of ionisation energy for the given elements (Be, B, N, O) is: B < Be < O < N

Reasons: Ionisation energy generally increases from left to right across a period because the nuclear charge increases and atomic size decreases, making it more difficult to remove the outermost electron. However, there are two exceptions in this series:

  1. Why is the ionisation energy of Be greater than B?
    • Beryllium (Be) has the electronic configuration 1s² 2s² . Its 2s orbital is completely filled, which gives it an extra stable configuration.
    • Boron (B) has the electronic configuration 1s² 2s² 2p¹ . Its outermost electron is in the 2p orbital, which is of higher energy and is shielded by the 2s orbital.
    • Therefore, more energy is required to remove an electron from the stable, fully-filled 2s orbital of Be than to remove the single 2p electron of B.
  2. Why is the ionisation energy of N greater than O?
    • Nitrogen (N) has the electronic configuration 1s² 2s² 2p³ . Its 2p orbital is exactly half-filled, which is a particularly stable configuration.
    • Oxygen (O) has the electronic configuration 1s² 2s² 2p⁴ . The 2p orbital contains one paired electron. Removing this paired electron results in a stable, half-filled configuration (2p³). The inter-electronic repulsion between the paired electrons also makes this electron easier to remove.
    • Therefore, more energy is required to remove an electron from the stable, half-filled 2p³ configuration of Nitrogen than to remove one from the 2p⁴ configuration of Oxygen.

Q5. (a) State Aufbau’s principle with example. (b) Write the electronic configuration of Copper (At. no. of Cu = 29). (c) Write the hybridisation of each carbon atom in the following: H₃C — CH = CH — CH₃

Ans. (a) Aufbau’s Principle: The Aufbau principle (from German ‘Aufbau’ meaning ‘building up’) states that, in its ground state, the electrons of an atom first occupy the orbitals with the lowest available energy, and then progressively enter orbitals of higher energy. The order in which orbitals are filled is in the increasing order of their energy, which is generally determined by the (n + l) rule :

  1. Orbitals with a lower value of (n + l) are filled first. (n = principal quantum number, l = azimuthal quantum number).
  2. If two orbitals have the same value of (n + l), the orbital with the lower value of n is filled first.

The order of filling is: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, …


Example: Potassium (K, Z = 19)

Potassium has 19 electrons. According to the Aufbau principle, the electrons will fill as follows:

  • 1s² (2 electrons)
  • 2s² (2 electrons)
  • 2p⁶ (6 electrons)
  • 3s² (2 electrons)
  • 3p⁶ (6 electrons)

So far, 18 electrons are filled. The 19th electron will go into either 3d or 4s.

  • For 4s: n=4, l=0, so n+l = 4
  • For 3d: n=3, l=2, so n+l = 5

Since the (n+l) value is lower for 4s, the 19th electron will enter the 4s orbital.

Thus, the electronic configuration of Potassium is:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

.

(b) Electronic Configuration of Copper (Cu) (Z = 29): Copper is a notable exception to the Aufbau principle. The expected configuration based on the Aufbau principle would be: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁹. However, due to the extra stability of completely filled (d¹⁰) and half-filled (d⁵) subshells, one electron moves from the 4s orbital to the 3d orbital to make the 3d subshell completely filled. This leads to a more stable configuration. Therefore, the actual electronic configuration of Copper is: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹ or [Ar] 3d¹⁰ 4s¹

(c) Hybridisation in H₃C — CH = CH — CH₃ (But-2-ene): Let’s number the carbon atoms from C1 to C4 in the given molecule: H₃ C¹ — C² H = C³ H — C⁴ H₃

  • C¹ and C⁴: Both of these carbon atoms are attached to four other atoms via single bonds (three C-H and one C-C). They are sp³ hybridised . (Geometry: tetrahedral).
  • C² and C³: Both of these carbon atoms are part of a double bond (C=C) and are also attached to two other atoms via single bonds (one C-C and one C-H). They are sp² hybridised . (Geometry: trigonal planar).

Q6. (a) Write the possible values of all the quantum numbers for all the electrons present in a 2p orbital. (b) Using VSEPR theory, predict the shape of SF₄.

Ans. (a) For a 2p orbital , the quantum numbers are as follows:

  • The principal quantum number (n) = 2 (because it’s the second shell).
  • The azimuthal quantum number (l) = 1 (because it’s a ‘p’ subshell).

The p subshell contains three orbitals, corresponding to the different values of the magnetic quantum number (mₗ).

  • Possible values for the magnetic quantum number (mₗ) are from -l to +l, i.e., -1, 0, +1 .

Each orbital (each mₗ value) can hold two electrons, which have opposite spin quantum numbers (mₛ).

  • Possible values for the spin quantum number (mₛ) are +1/2 and -1/2 .

Since the 2p subshell has 3 orbitals, it can accommodate a total of 6 electrons. The possible sets of all four quantum numbers for all 6 electrons in a 2p subshell are:

Electron n l mₗ mₛ
1 2 1 -1 +1/2
2 2 1 -1 -1/2
3 2 1 0 +1/2
4 2 1 0 -1/2
5 2 1 +1 +1/2
6 2 1 +1 -1/2

(b) Shape of SF₄ using VSEPR Theory: The shape of SF₄ can be predicted using the Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) theory.

  1. Central Atom: Sulfur (S)
  2. Number of valence electrons of the central atom: Sulfur is in Group 16, so it has 6 valence electrons.
  3. Electrons used in bonding: Sulfur forms four single bonds with four Fluorine (F) atoms. Each bond uses 1 electron. So, 4 electrons are used in bonding.
  4. Number of lone pair electrons: 6 (total) – 4 (bonding) = 2 electrons. These 2 electrons form one lone pair .
  5. Total Electron Pairs: 4 bonding pairs + 1 lone pair = 5 electron pairs.
  6. Electron Geometry: For 5 electron pairs, the electron geometry that minimizes repulsion is trigonal bipyramidal .
  7. Molecular Shape: The lone pair occupies more space and causes more repulsion than bonding pairs. To minimize repulsion, the lone pair occupies an equatorial position in the trigonal bipyramidal geometry. The remaining four bonding pairs occupy the two axial and two equatorial positions. This results in a distorted shape called a see-saw .

Thus, according to VSEPR theory, the shape of SF₄ is a

see-saw

.

Q7. (a) Write the resonance structures of NO₃⁻ ion. (b) Draw the molecular orbitals formed by the combination of s-s atomic orbitals. Also name these orbitals.

Ans. (a) Resonance Structures of the Nitrate Ion (NO₃⁻): The nitrate ion consists of a central nitrogen atom bonded to three oxygen atoms, with an overall charge of -1. Its Lewis structure involves one N=O double bond and two N-O single bonds. The double bond can be formed with any of the three oxygen atoms, leading to three equivalent resonance structures.

  1. Total valence electrons: N(5) + 3xO(6) + 1(charge) = 5 + 18 + 1 = 24 electrons.
  2. The actual structure is a resonance hybrid of these three resonance forms.
  3. In the resonance hybrid, all three N-O bonds are identical in length and strength, intermediate between a single and a double bond. The negative charge of -1 is delocalized equally over the three oxygen atoms.


The three resonance structures are as follows:

[Image showing the three resonance structures of the nitrate ion, NO₃⁻.

Structure 1: N double-bonded to the top O, single-bonded to the left and right O. The single-bonded Os each have a -1 formal charge.

Structure 2: N double-bonded to the left O, single-bonded to the top and right O. The single-bonded Os each have a -1 formal charge.

Structure 3: N double-bonded to the right O, single-bonded to the top and left O. The single-bonded Os each have a -1 formal charge.

Double-headed arrows (↔) are drawn between the structures.]

(b) Molecular Orbitals from s-s Atomic Orbital Combination: When two s-atomic orbitals (AOs) approach each other, they combine linearly to form two molecular orbitals (MOs). This combination can happen in two ways:

  1. Bonding Molecular Orbital: This is formed when the two s-orbitals undergo additive overlap or constructive interference. The resulting MO has increased electron density between the two nuclei. This increased density holds the nuclei together, stabilizing the system. This molecular orbital is lower in energy than the original atomic orbitals. It is called a sigma (σₛ) molecular orbital because it is symmetrical about the internuclear axis. ψ(σₛ) = ψ(s₁) + ψ(s₂) [Image showing two s-orbitals approaching, overlapping in-phase (same shading) to form a larger, lower-energy sigma (σₛ) bonding molecular orbital with high electron density between the nuclei.]
  2. Antibonding Molecular Orbital: This is formed when the two s-orbitals undergo subtractive overlap or destructive interference. The resulting MO has a nodal plane between the two nuclei, where the electron density is zero. The lack of electron density between the nuclei leads to nuclear repulsion, destabilizing the system. This molecular orbital is higher in energy than the original atomic orbitals. It is called a sigma-star (σ*ₛ) molecular orbital. ψ(σ*ₛ) = ψ(s₁) – ψ(s₂) [Image showing two s-orbitals approaching, overlapping out-of-phase (different shading) to form a higher-energy sigma-star (σ*ₛ) antibonding molecular orbital with a nodal plane between the nuclei.]


Names:

  • The lower energy orbital: Sigma (σₛ) bonding molecular orbital .
  • The higher energy orbital: Sigma-star (σ*ₛ) antibonding molecular orbital .

Part—B

Q8. (a) Define Lewis acids. Which of the following are Lewis acids? CH₃⁺, CH₃OCH₃, CH₃CH=CH₂, BF₃ (b) (i) Arrange the following groups in an ascending order of priority in assigning Z/E configuration: –CH(CH₃)₂, –C(CH₃)₃, –CH₂–CH₂CH₃ (ii) Draw the structure of isomer of CH₃FC=CFCH₃ which has a higher dipole moment.

Ans. (a) Lewis Acids: According to G.N. Lewis, a Lewis acid is any species (molecule or ion) that can accept a pair of electrons to form a covalent bond. Lewis acids are electron-deficient. They are typically one of the following:

  • Molecules with an incomplete octet (e.g., BF₃, AlCl₃).
  • Cations (e.g., H⁺, CH₃⁺).
  • Molecules where the central atom can expand its octet using vacant d-orbitals (e.g., SiF₄, SnCl₄).


Lewis acids from the given compounds:

  • CH₃⁺ (Methyl carbocation): This is a cation with only 6 electrons on the carbon. It has a vacant p-orbital and can readily accept a pair of electrons. Therefore, it is a Lewis acid .
  • CH₃OCH₃ (Dimethyl ether): The oxygen atom has two lone pairs of electrons, which it can donate. Therefore, it is a Lewis base, not a Lewis acid.
  • CH₃CH=CH₂ (Propene): The pi (π) bond has electron density which it can donate to an electrophile. It typically acts as a Lewis base.
  • BF₃ (Boron trifluoride): The central boron atom has only 6 valence electrons around it, giving it an incomplete octet. It can complete its octet by accepting an electron pair. Therefore, it is a strong Lewis acid .

Thus,

CH₃⁺

and

BF₃

are Lewis acids.

(b) (i) Ascending Order of Priority: Priority for Z/E configuration is determined by the Cahn-Ingold-Prelog (CIP) rules. Priority is based on the atomic number of the atom directly attached. If they are the same, we proceed along the chain until the first point of difference.

  1. –CH₂–CH₂CH₃ (n-propyl): The first carbon is attached to H, H, C.
  2. –CH(CH₃)₂ (isopropyl): The first carbon is attached to H, C, C.
  3. –C(CH₃)₃ (t-butyl): The first carbon is attached to C, C, C.

Comparing them:

  • The t-butyl group has its first carbon attached to three other carbons, giving it the highest priority.
  • The isopropyl group has its first carbon attached to two carbons and one hydrogen, giving it intermediate priority.
  • The n-propyl group has its first carbon attached to only one carbon and two hydrogens, giving it the lowest priority.

The ascending order of priority is:


–CH₂–CH₂CH₃ < –CH(CH₃)₂ < –C(CH₃)₃

(ii) Isomer with Higher Dipole Moment: The molecule CH₃FC=CFCH₃ (1,2-difluoro-but-2-ene) exhibits geometric isomerism (Z/E).

  • E-isomer (trans): In this, the two polar C-F bonds are on opposite sides of the double bond. The individual bond dipoles cancel each other out almost completely, resulting in a very small or zero net dipole moment.
  • Z-isomer (cis): In this, the two polar C-F bonds are on the same side of the double bond. The individual bond dipoles add up, resulting in a significant, non-zero net dipole moment .

Therefore, the

Z-isomer

has the higher dipole moment.


Structure of the Z-isomer:

[Image of the Z-isomer of 1,2-difluoro-but-2-ene. It shows a C=C double bond. The two F atoms are on the same side of the double bond’s axis, and the two CH₃ groups are also on the same side.]

Q9. (a) Explain with suitable structures as to why is allyl carbocation less stable than benzyl cation. (b) What do you understand by Anti-Markownikoff’s addition? Give one example of such a reaction.

Ans. (a) The stability of a carbocation depends on the extent of delocalization of the positive charge. The greater the delocalization, the more the charge is spread out, and the more stable the cation. Both allyl and benzyl carbocations are stabilized by resonance, but the difference in their stability arises from the extent of delocalization.

Allyl Carbocation (CH₂=CH-CH₂⁺): In the allyl carbocation, the positive charge is delocalized over two carbon atoms, giving rise to two resonance structures: CH₂=CH—CH₂⁺ ↔ ⁺CH₂—CH=CH₂ [Image showing the two resonance structures of the allyl carbocation.] The positive charge is shared between only two adjacent carbon atoms.

Benzyl Carbocation (C₆H₅CH₂⁺): In the benzyl carbocation, the positive charge is delocalized into the benzene ring. The positive charge can be spread over the ortho and para positions of the ring, resulting in a total of five resonance structures (one structure with no ring delocalization and four with delocalization into the ring). [Image showing the five resonance structures of the benzyl carbocation, with the positive charge delocalized from the benzylic carbon to the ortho, para, and then the other ortho position of the benzene ring.] Starting from the CH₂⁺ group, the charge moves to the ortho, then para, then the other ortho carbon.

Conclusion: Since the benzyl carbocation has five resonance structures while the allyl carbocation has only two , the delocalization of positive charge is much greater in the benzyl carbocation. This greater dispersal of charge makes the benzyl carbocation significantly more stable than the allyl carbocation.

(b) Anti-Markovnikov Addition: Anti-Markovnikov addition, also known as the ‘peroxide effect’ or ‘Kharasch effect’, is an addition reaction of hydrogen bromide (HBr) to an unsymmetrical alkene that takes place in the presence of a peroxide (e.g., R-O-O-R) . It is the opposite of Markovnikov’s rule. The anti-Markovnikov rule states that the negative part of HBr (Br) adds to the carbon atom of the double bond that has the greater number of hydrogen atoms , and the positive part (H) adds to the carbon with fewer hydrogen atoms. This reaction proceeds via a free-radical chain mechanism , not an electrophilic addition mechanism. This effect is observed only with HBr, not with HCl or HI.

Example: Addition of HBr to Propene In the presence of peroxide, the addition of HBr to propene (CH₃-CH=CH₂) gives 1-bromopropane. CH₃—CH=CH₂ + HBr –(Peroxide)–> CH₃—CH₂—CH₂Br (Propene) (1-Bromopropane – Major product) In this reaction, the bromine (Br) attaches to the terminal carbon (CH₂), which has more hydrogens, and the hydrogen (H) attaches to the central carbon (CH).

Q10. (a) Complete the following: CH₃COO⁻Na⁺ –(Electrolysis)–> A –(Dimerisation)–> B (Alkene) + C (Gas) (b) Write the products of the following reactions: (i) CH₃CH₂C(=O)Cl + H₂/Pd-BaSO₄ → ? (ii) CH₃CH₂C≡CH + NaNH₂ → ? –(CH₃CH₂I)–> ?

Ans. (a) This reaction is the Kolbe’s electrolytic reaction . When an aqueous solution of sodium acetate (CH₃COO⁻Na⁺) is electrolyzed:

At the Anode (Oxidation): The acetate ion (CH₃COO⁻) loses an electron to form an acetate free radical, which immediately decomposes to give a methyl free radical and carbon dioxide gas. CH₃COO⁻ → CH₃COO• + e⁻ CH₃COO• → CH₃• (A) + CO₂ (C) So, A = CH₃• (Methyl radical) and C = CO₂ (Carbon dioxide) .

Dimerisation: Two methyl radicals (A) formed at the anode combine to form ethane (an alkane). (Note: the question says B is an Alkane, not Alkene) . CH₃• + •CH₃ → CH₃—CH₃ (B) So, B = CH₃—CH₃ (Ethane) .

Summary of the reaction: A = CH₃• (Methyl radical) B = CH₃—CH₃ (Ethane) C = CO₂ (Carbon dioxide)

(b) Products of the reactions:

(i) CH₃CH₂C(=O)Cl + H₂/Pd-BaSO₄ → ? This is the Rosenmund reduction . It is a selective catalytic hydrogenation of an acyl chloride to an aldehyde. The catalyst is palladium (Pd) supported on barium sulfate (BaSO₄) and partially deactivated (poisoned) with something like sulfur or quinoline. The poison prevents the aldehyde from being further reduced to an alcohol. The reduction of propanoyl chloride will yield propanal. CH₃CH₂C(=O)Cl + H₂ –(Pd/BaSO₄)–> CH₃CH₂CHO + HCl Product: Propanal

(ii) CH₃CH₂C≡CH + NaNH₂ → ? –(CH₃CH₂I)–> ? This reaction occurs in two steps: Step 1: Deprotonation of the terminal alkyne But-1-yne (CH₃CH₂C≡CH) has an acidic terminal hydrogen. Sodium amide (NaNH₂) is a strong base that removes this proton to form an alkynide ion (a nucleophile). CH₃CH₂C≡CH + NaNH₂ → CH₃CH₂C≡C⁻Na⁺ + NH₃ The first product is sodium but-1-ynide.

Step 2: Nucleophilic substitution (Alkylation) The resulting alkynide ion then undergoes an Sₙ2 reaction with an alkyl halide, such as iodoethane (CH₃CH₂I). The alkynide acts as the nucleophile and displaces the iodide ion, forming a longer internal alkyne. CH₃CH₂C≡C⁻Na⁺ + CH₃CH₂I → CH₃CH₂C≡CCH₂CH₃ + NaI Final product: Hex-3-yne

Q11. (a) Give one example each of the following with its structure: (i) A bicyclic aromatic compound (ii) A heterocyclic aromatic compound (iii) An aromatic compound containing 14π electrons (b) What is Sabatier-Sabatier reaction? Give one example.

Ans. (a) Examples and Structures: (i) A bicyclic aromatic compound: This is an aromatic compound containing two fused rings. The most common example is naphthalene . Example: Naphthalene (C₁₀H₈) Structure: [Image of the structure of Naphthalene, showing two fused benzene rings.] It obeys Hückel’s rule (4n+2)π, with 10π electrons (n=2).

(ii) A heterocyclic aromatic compound: This is a cyclic compound that is aromatic and contains at least one other element (a heteroatom), such as nitrogen, oxygen, or sulfur, in the ring besides carbon. Example: Pyridine (C₅H₅N) Structure: [Image of the structure of Pyridine, showing a six-membered ring with five carbons, one nitrogen, and alternating double bonds. The nitrogen has a lone pair.] Pyridine has 6π electrons and is aromatic. The lone pair on nitrogen is not part of the π system.

(iii) An aromatic compound containing 14π electrons: This obeys Hückel’s rule (4n+2)π, where 4n+2 = 14, so n=3. This means it is an aromatic compound. Example: Anthracene (C₁₄H₁₀) Structure: [Image of the structure of Anthracene, showing three benzene rings fused in a linear fashion.] Anthracene consists of three benzene rings fused linearly and has a total of 14π electrons.

(b) Sabatier-Sabatier Reaction: The Sabatier-Sabatier reaction is the hydrogenation of unsaturated hydrocarbons (alkenes or alkynes) to saturated hydrocarbons (alkanes) . The reaction uses hydrogen gas (H₂) in the presence of a finely divided Nickel (Ni) catalyst at high temperatures (around 200-300 °C) and pressure. Other catalysts like Palladium (Pd) or Platinum (Pt) can also be used. It is a highly exothermic addition reaction. General Reaction: R-CH=CH-R’ + H₂ –(Ni, Δ)–> R-CH₂-CH₂-R’ (Alkene to Alkane) R-C≡C-R’ + 2H₂ –(Ni, Δ)–> R-CH₂-CH₂-R’ (Alkyne to Alkane)

Example: Hydrogenation of Ethene When ethene gas is mixed with hydrogen and passed over a heated nickel catalyst, it is reduced to form ethane. CH₂=CH₂ + H₂ –(Ni, 250°C)–> CH₃—CH₃ (Ethene) (Ethane)

Q12. (a) What do you understand by the following? (i) Resolution (ii) Laevorotatory compound (iii) Racemic mixture (b) Write the reactions for the following: (i) Products of ozonolysis of butyne-2 (ii) Products of ozonolysis of butene-2

Ans. (a) (i) Resolution: Resolution is the process by which a racemic mixture (a 50:50 mixture of two enantiomers) is separated into its individual, pure enantiomers, the (+)-form and the (-)-form. Since enantiomers have identical physical properties (boiling point, melting point, solubility), they cannot be separated by simple physical methods like fractional distillation or crystallization. Resolution typically involves converting the enantiomers into a pair of diastereomers by reacting them with a pure chiral agent (called a resolving agent). Diastereomers have different physical properties, so they can be separated by fractional crystallization or chromatography. After separation, the resolving agent is removed from the diastereomers to regenerate the original enantiomers.

(ii) Laevorotatory compound: This is an optically active compound that rotates the plane of plane-polarized light to the left (in a counter-clockwise direction) . This property is called laevorotation. It is designated by a small letter ‘l’ or a minus sign (-) , written in parentheses before the name of the compound, e.g., (-)-lactic acid. The angle of rotation is measured with an instrument called a polarimeter. The enantiomer of a laevorotatory compound is always dextrorotatory, rotating the plane of light by an equal amount to the right.

(iii) Racemic mixture: A racemic mixture is an equimolar (50:50) mixture of the two enantiomers of a chiral compound. Since the mixture contains equal amounts of the dextrorotatory (+) enantiomer and the laevorotatory (-) enantiomer, the rotation caused by one enantiomer is exactly cancelled by the rotation caused by the other. As a result, a racemic mixture is optically inactive . It is often designated by the prefix (±)-, e.g., (±)-lactic acid.

(b) (i) Products of ozonolysis of but-2-yne: Ozonolysis of an alkyne (reaction with O₃) followed by aqueous workup (H₂O) cleaves the triple bond and forms two carboxylic acids. But-2-yne (CH₃-C≡C-CH₃) is a symmetrical alkyne. CH₃—C≡C—CH₃ + O₃ → [Ozonide intermediate] –(H₂O)–> 2 CH₃COOH The products are two molecules of acetic acid (ethanoic acid) . Reaction: CH₃—C≡C—CH₃ –(1. O₃)–> –(2. H₂O)–> 2 CH₃COOH

(ii) Products of ozonolysis of but-2-ene: Ozonolysis of an alkene cleaves the double bond. The products depend on the nature of the workup (reductive or oxidative). If not specified in the question, a reductive workup (e.g., with Zn/H₂O) is usually assumed, which gives aldehydes or ketones. But-2-ene (CH₃-CH=CH-CH₃) is a symmetrical alkene. CH₃—CH=CH—CH₃ + O₃ → [Ozonide intermediate] –(Zn/H₂O)–> 2 CH₃CHO With a reductive workup, the products are two molecules of acetaldehyde (ethanal) . Reaction: CH₃—CH=CH—CH₃ –(1. O₃)–> –(2. Zn/H₂O)–> 2 CH₃CHO

Q13. (a) Draw and name the most stable and the least stable conformations of butane. (b) Define and give one example each of the following: (i) An electrophile (ii) A nucleophile (iii) A free radical

Ans. (a) The conformations of butane (CH₃-CH₂-CH₂-CH₃) arise from rotation about the C2-C3 bond. They are represented using Newman projections.

Most Stable Conformation: Anti-periplanar or Anti-staggered This is the lowest-energy, and therefore most stable, conformation of butane. In it, the two large methyl (CH₃) groups are at a dihedral angle of 180° to each other. This arrangement minimizes steric hindrance. Name: Anti-periplanar or Anti conformation Structure (Newman Projection): [Image of the anti-conformation of butane as a Newman projection. The front carbon has a methyl group pointing down, and two hydrogens pointing up-left and up-right. The back carbon has a methyl group pointing up, and two hydrogens pointing down-left and down-right. The two methyl groups are 180° apart.]

Least Stable Conformation: Syn-periplanar or Fully eclipsed This is the highest-energy, and therefore least stable, conformation of butane. In it, the two large methyl (CH₃) groups are eclipsing each other (dihedral angle 0°). This arrangement causes maximum steric hindrance and torsional strain between the two bulky groups. Name: Syn-periplanar or Fully eclipsed conformation Structure (Newman Projection): [Image of the syn-periplanar conformation of butane. The front carbon has a methyl group pointing down. The back carbon’s methyl group is directly behind it, also pointing down. The hydrogens on both carbons are also eclipsing each other.]

(b) (i) An electrophile: Definition: An electrophile (‘electron-loving’) is a reagent that is electron-deficient and forms a new covalent bond by accepting a pair of electrons during a chemical reaction. Electrophiles are either positively charged or are neutral molecules with an electron-deficient center (e.g., incomplete octet). They act as Lewis acids. Examples:

  • Positively charged: H⁺ (proton), NO₂⁺ (nitronium ion), CH₃⁺ (carbocation)
  • Neutral: BF₃ , SO₃ , AlCl₃

(ii) A nucleophile: Definition: A nucleophile (‘nucleus-loving’) is a reagent that is electron-rich and forms a new covalent bond by donating a pair of electrons during a chemical reaction. Nucleophiles are either negatively charged or are neutral molecules containing at least one lone pair of electrons. They act as Lewis bases. Examples:

  • Negatively charged: OH⁻ (hydroxide ion), CN⁻ (cyanide ion), Cl⁻ (chloride ion)
  • Neutral: H₂O (water), NH₃ (ammonia), R-OH (alcohols)

(iii) A free radical: Definition: A free radical is an atom, molecule, or ion that has one or more unpaired valence electrons . The unpaired electron makes free radicals highly reactive and unstable. They are typically formed by the homolytic cleavage of covalent bonds, where the two electrons of the bond are split equally between the separating species. Free radicals are denoted by a dot (•). Examples:

  • Cl• (Chlorine free radical): Cl₂ → 2Cl• (in the presence of UV light)
  • CH₃• (Methyl radical)
  • Br• (Bromine radical)

Q14. (a) Which of the following will be the strongest acid and why? CCl₃COOH, CH₃CH₂COOH, CH₂ClCOOH (b) Complete the following reaction: Ph₃P + CH₃CH(X)CH₃ → A –(C₄H₉Li)–> B (Ylide) + R₂C=O → C (Alkene)

Ans. (a) Strongest Acid and Reason: Of the given carboxylic acids, CCl₃COOH (Trichloroacetic acid) will be the strongest acid.

Reason: The strength of an acid depends on the stability of its conjugate base (the carboxylate ion, RCOO⁻). The more stable the conjugate base, the stronger the acid. The stability of the carboxylate ion depends on how effectively the negative charge is delocalized or stabilized.

  1. Inductive Effect (-I effect): Electron-withdrawing groups, like chlorine, exert a strong negative inductive effect (-I effect). When a -I group is present near the carboxylate group, it pulls electron density towards itself, thereby dispersing the negative charge on the oxygen atoms. This dispersal of charge stabilizes the conjugate base.
  2. Comparison of Groups:
    • CCl₃COOH: This has three chlorine atoms. The combined -I effect of the three -Cl atoms is very strong, making the conjugate base (CCl₃COO⁻) highly stable.
    • CH₂ClCOOH: This has only one chlorine atom. Its -I effect is present, but much weaker than in CCl₃COOH. It stabilizes CH₂ClCOO⁻, but less so than CCl₃COO⁻.
    • CH₃CH₂COOH: This has an ethyl group (CH₃CH₂), which is an electron-donating group. It exerts a positive inductive effect (+I effect), which intensifies the negative charge by pushing electron density onto the oxygens. This destabilizes the conjugate base (CH₃CH₂COO⁻), making it the weakest acid.


Order of Acidity:

CCl₃COOH > CH₂ClCOOH > CH₃CH₂COOH

Therefore, CCl₃COOH is the strongest acid.

(b) This is a general scheme for the Wittig Reaction , which converts an aldehyde or ketone into an alkene. Let’s assume X = Br (Bromine) and for the last step, let’s use a generic carbonyl compound R₂C=O as shown.

Step 1: Formation of Phosphonium Salt (A) Triphenylphosphine (Ph₃P) acts as a nucleophile and performs an Sₙ2 reaction on 2-bromopropane (CH₃CH(Br)CH₃) to form a phosphonium salt (A). Ph₃P + CH₃CH(Br)CH₃ → [Ph₃P⁺—CH(CH₃)₂]Br⁻ (A) A = Isopropyltriphenylphosphonium bromide

Step 2: Formation of Ylide (B) A strong base, such as butyllithium (C₄H₉Li), removes a proton from the phosphonium salt. This proton is removed from the carbon adjacent to the phosphorus, creating a phosphorus ylide (B). [Ph₃P⁺—CH(CH₃)₂]Br⁻ + C₄H₉Li → Ph₃P=C(CH₃)₂ (B) + LiBr + C₄H₁₀ B = Isopropylidenetriphenylphosphorane (an ylide)

Step 3: Wittig Reaction and Alkene Formation (C) The ylide (B) reacts with a carbonyl compound, R₂C=O. This proceeds via a cyclic intermediate (an oxaphosphetane) which decomposes to give an alkene (C) and triphenylphosphine oxide. Ph₃P=C(CH₃)₂ (B) + R₂C=O → R₂C=C(CH₃)₂ (C) + Ph₃P=O C = The corresponding alkene (e.g., if R₂C=O was acetone, C would be 2,3-dimethylbut-2-ene).

Completed Reaction: A = [Ph₃P⁺—CH(CH₃)₂]X⁻ B = Ph₃P=C(CH₃)₂ C = R₂C=C(CH₃)₂


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