MPSC 2025 पूर्व परीक्षा पेपर-१ · प्रश्न 70 / 100

बरोबर उत्तर पर्याय (4) — प्रोटियम, ड्युटेरियम, ट्रिटियम; 1 : 2 : 3. हायड्रोजनचे तीन नैसर्गिकरीत्या आढळणारे समस्थानिक आहेत, आणि तिन्हींमध्ये एकच प्रोटॉन व एकच इलेक्ट्रॉन असतो (यामुळेच प्रत्येक हायड्रोजन ठरतो), पण त्यांच्या केंद्रकातील न्यूट्रॉनांची संख्या — व म्हणून वस्तुमानांक — वेगळे असतात. प्रोटियम, हायड्रोजनचे सर्वसामान्य व सर्वाधिक विपुल प्रमाणात आढळणारे रूप, यात एकही न्यूट्रॉन नसतो आणि वस्तुमानांक 1 असतो. ड्युटेरियममध्ये प्रोटॉनशिवाय आणखी एक न्यूट्रॉन असतो, त्यामुळे वस्तुमानांक 2 होतो — हेच समस्थानिक 'भारी पाण्यात' (D2O) आढळते. ट्रिटियममध्ये प्रोटॉनशिवाय आणखी दोन न्यूट्रॉन असतात, त्यामुळे वस्तुमानांक 3 होतो; इतर दोहोंहून वेगळे, ट्रिटियम किरणोत्सारी आहे, सुमारे 12.3 वर्षांच्या अर्धायुष्याने बीटा-उत्सर्जनाने क्षय पावते. या क्रमाने — प्रोटियम, ड्युटेरियम, ट्रिटियम — त्यांचे वस्तुमानांक 1, 2, 3 असे येतात, जे पर्याय (4) मध्ये दिलेल्या 1:2:3 गुणोत्तराशी अगदी जुळतात. नावांचा क्रम व संख्यात्मक गुणोत्तर दोन्ही एकाच वेळी बरोबर असावे लागतात, म्हणूनच केवळ हाच पर्याय दोन्ही बरोबर देतो.

• (1)ड्युटेरियम, प्रोटियम, ट्रिटियम; 1 : 2 : 3 — हा पर्याय 1:2:3 हे बरोबर गुणोत्तर राखतो, पण ते चुकीच्या नाव-क्रमाला जोडतो. ड्युटेरियम, प्रोटियम, ट्रिटियम असा क्रम देऊन 1:2:3 गुणोत्तर लावल्यास त्याचा अर्थ ड्युटेरियमचे वस्तुमान 1 (प्रत्यक्षात ते एक प्रोटॉन व एक न्यूट्रॉनमुळे 2 आहे) व प्रोटियमचे वस्तुमान 2 (प्रत्यक्षात ते केवळ एकट्या प्रोटॉनमुळे 1 आहे) असा चुकीचा निष्कर्ष निघतो. गुणोत्तर बरोबर ठेवूनही सर्वांत हलक्या दोन समस्थानिकांची नावे अदलाबदल केल्याने विधान चुकीचेच ठरते, कारण जुळणीसाठी नावे व संख्या दोन्ही योग्य क्रमाने जुळावी लागतात.
• (2)ट्रिटियम, ड्युटेरियम, प्रोटियम; 2 : 3 : 1 — हा पर्याय समस्थानिकांचा नैसर्गिक क्रम (जड ते हलके) उलटा करतो आणि त्याला असे गुणोत्तर जोडतो जे बरोबर जुळतही नाही: दिलेल्या क्रमानुसार याचा अर्थ ट्रिटियमचे वस्तुमान 2 (प्रत्यक्षात ट्रिटियमचे वस्तुमान एक प्रोटॉन व दोन न्यूट्रॉनमुळे 3 आहे), ड्युटेरियमचे वस्तुमान 3 (प्रत्यक्षात ते 2 आहे), आणि प्रोटियमचे वस्तुमान 1 (हा भाग बरोबर आहे, पण एकटाच). तीनपैकी दोन नाव-संख्या जुळण्या चुकीच्या असल्याने हा पर्याय अपयशी ठरतो.
• (3)ट्रिटियम, प्रोटियम, ड्युटेरियम; 2 : 3 : 1 — हा पर्याय नावे व गुणोत्तर दोन्ही विस्कळीत करतो: यात ट्रिटियमचे वस्तुमान 2 (प्रत्यक्षात ते 3 आहे), प्रोटियमचे वस्तुमान 3 (प्रत्यक्षात ते तिघांतील सर्वांत हलके, 1 आहे), आणि ड्युटेरियमचे वस्तुमान 1 (प्रत्यक्षात ते 2 आहे) असे सुचवले आहे. या मांडणीत तिन्ही समस्थानिकांपैकी एकही त्याच्या प्रत्यक्ष वस्तुमानांकाशी बरोबर जुळलेला नाही.

समस्थानिके म्हणजे एकाच मूलद्रव्याचे अणू, ज्यांच्यात प्रोटॉनांची संख्या (व म्हणून अणुक्रमांक व रासायनिक ओळख) समान असते, पण न्यूट्रॉनांची संख्या वेगळी असते, ज्यामुळे त्यांचे वस्तुमानांक वेगळे असतात. हायड्रोजन हे या संकल्पनेची ओळख करून देण्यासाठीचे पाठ्यपुस्तकीय उदाहरण आहे, कारण त्याच्या तीन समस्थानिकांना — बहुतांश इतर मूलद्रव्यांच्या समस्थानिकांप्रमाणे केवळ वस्तुमानांकाने ओळखले जाण्याऐवजी — वेगळी, सर्रास वापरली जाणारी नावे आहेत. प्रोटियम (1H), ज्यात न्यूट्रॉन नाही, ते नैसर्गिक हायड्रोजनच्या 99.98% हून अधिक भाग व्यापते. ड्युटेरियम (2H, किंवा D), ज्यात एक न्यूट्रॉन आहे, ते नैसर्गिकरीत्या अल्प प्रमाणात आढळते व भारी पाणी (D2O) यासाठी वापरले जाते, ज्याचे उपयोग अणुभट्टीतील मंदक (मॉडरेटर) व रसायनशास्त्र/जीवशास्त्रातील अनुरेखक (ट्रेसर) म्हणून होतात. ट्रिटियम (3H, किंवा T), ज्यात दोन न्यूट्रॉन आहेत, ते किरणोत्सारी आहे (सुमारे 12.3 वर्षांच्या अर्धायुष्याने बीटा-उत्सर्जक) व केवळ अल्प नैसर्गिक प्रमाणात आढळते, मुख्यतः वरच्या वातावरणातील वैश्विक-किरण अभिक्रियांतून किंवा कृत्रिमरीत्या अणुभट्ट्यांत तयार होते; त्याचे उपयोग स्वयं-प्रकाशी निर्गम-चिन्हे व केंद्रकीय संलयन संशोधनातील इंधन-घटक यांत होतात.

एमपीएससीचे मूलभूत रसायनशास्त्र/भौतिकशास्त्र प्रश्न हायड्रोजनच्या तीन समस्थानिकांचा वापर करून उमेदवाराने केवळ त्यांची नावेच नव्हे तर त्यांचा बरोबर वस्तुमानांक-क्रमही पाठ केला आहे का हे वारंवार तपासतात, कारण 'प्रोटियम, ड्युटेरियम, ट्रिटियम ही नावे जणू 1, 2, 3 प्रमाणे चालतात' हे सहज आठवते, पण नेमके कोणते नाव कोणत्या संख्येला जोडलेले आहे याची खात्री नसते. इथला प्रश्न-प्रकार, नाव-क्रम व गुणोत्तर दोन्ही एकत्र विचारणारा, विशेषतः अशा उमेदवारांना पकडतो ज्यांना 1:2:3 ही संख्या तत्त्वतः बरोबर आहे हे माहीत आहे, पण कोणते समस्थानिक-नाव कोणत्या संख्येशी जुळते हे निश्चित नाही.

• प्रोटियम (1H) मध्ये 1 प्रोटॉन, 0 न्यूट्रॉन, वस्तुमानांक 1 असतो, आणि नैसर्गिक हायड्रोजनच्या 99.98% हून अधिक भाग तेच व्यापते.
• ड्युटेरियम (2H किंवा D) मध्ये 1 प्रोटॉन, 1 न्यूट्रॉन, वस्तुमानांक 2 असतो, आणि भारी पाण्यात (D2O) तेच आढळते.
• ट्रिटियम (3H किंवा T) मध्ये 1 प्रोटॉन, 2 न्यूट्रॉन, वस्तुमानांक 3 असतो, आणि ते सुमारे 12.3 वर्षांच्या अर्धायुष्यासह किरणोत्सारी आहे.
• तिन्ही समस्थानिकांचा अणुक्रमांक (1 प्रोटॉन) समान असतो व ते रासायनिकदृष्ट्या हायड्रोजनच असतात, फक्त न्यूट्रॉन-संख्या व वस्तुमानात फरक असतो.
• वाढत्या वस्तुमान-क्रमाने मांडल्यास — प्रोटियम, ड्युटेरियम, ट्रिटियम — त्यांचे वस्तुमानांक-गुणोत्तर 1 : 2 : 3 असे येते.

• 1:2:3 हे गुणोत्तर बरोबर आहे हे माहीत असूनही ते चुकीच्या नाव-क्रमाला जोडणे
• ड्युटेरियम व ट्रिटियमचे वस्तुमानांक गल्लत करणे, कारण दोन्ही नावे सारखीच 'जड' वाटतात व त्यांच्या प्रत्यक्ष न्यूट्रॉन-संख्येशी कायमचा दुवा नसतो
• हायड्रोजनची समस्थानिके रासायनिकदृष्ट्याही वेगळी आहेत असे गृहीत धरणे, जेव्हा ती केवळ भौतिक (वस्तुमान) दृष्ट्या वेगळी असतात, रासायनिकदृष्ट्या समानच असतात
• प्रोटियम व ड्युटेरियमहून वेगळे ट्रिटियम किरणोत्सारी आहे हे विसरणे

एमपीएससीचे समस्थानिकांवरील विज्ञान प्रश्न सामान्यतः हायड्रोजनची तीन नामांकित समस्थानिके त्यांच्या वस्तुमानांक किंवा वस्तुमान-गुणोत्तरासह एकत्र तपासतात, अनेकदा नाव-क्रम किंवा गुणोत्तर (किंवा दोन्ही) पर्यायांमध्ये विस्कळीत करून, जेणेकरून उमेदवाराने केवळ 1, 2, 3 या संख्या कुठेतरी गुंतलेल्या आहेत एवढेच लक्षात ठेवले आहे की नाव-ते-वस्तुमानांक ही नेमकी जुळणी निश्चित केली आहे, हे तपासले जाते.

या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  हायड्रोजनचे कोणते समस्थानिक किरणोत्सारी असून सुमारे 12.3 वर्षांच्या अर्धायुष्याने बीटा-उत्सर्जनाने क्षय पावते ?

  • (a)प्रोटियम
  • (b)ड्युटेरियम
  • (c)ट्रिटियम
  • (d)हायड्रोजनचे कोणतेही समस्थानिक किरणोत्सारी नाही

  उत्तर(3) ट्रिटियम — आपल्या एका प्रोटॉनशिवाय आणखी दोन न्यूट्रॉन असल्यामुळे, ट्रिटियम हे हायड्रोजनचे किरणोत्सारी समस्थानिक आहे, जे सुमारे 12.3 वर्षांच्या अर्धायुष्याने बीटा-उत्सर्जनाने क्षय पावते.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  काही अणुभट्ट्यांमध्ये न्यूट्रॉन-मंदक म्हणून वापरले जाणारे भारी पाणी, हायड्रोजनच्या कोणत्या समस्थानिकाने सामान्य हायड्रोजनची जागा घेऊन बनते ?

  • (a)प्रोटियम
  • (b)ड्युटेरियम
  • (c)ट्रिटियम
  • (d)हायड्रोजन-4

  उत्तर(2) ड्युटेरियम — भारी पाणी (D2O) म्हणजे असे पाणी ज्यातील हायड्रोजन अणू ड्युटेरियम असतात, म्हणजे एक न्यूट्रॉन व एक प्रोटॉन असलेले, वस्तुमानांक 2 चे समस्थानिक.