MPSC 2021 पूर्व परीक्षा पेपर-१ · प्रश्न 65 / 100

बरोबर उत्तर पर्याय (1) — कॅल्शियमच्या अणूकडून दोन इलेक्ट्रॉन ऑक्सिजनच्या अणूकडे जातील. कॅल्शियम ऑक्साईड हे आयनिक म्हणजेच विद्युत संयुजी संयुग आहे, आणि प्रश्न एवढेच विचारतो की ते तयार होताना इलेक्ट्रॉन कोणत्या दिशेने आणि किती संख्येने सरकतात. सुरुवात दोन अणूंपासून करा. कॅल्शियमचा अणुक्रमांक 20 असून त्याची इलेक्ट्रॉन मांडणी 2, 8, 8, 2 अशी आहे, म्हणजे त्याच्या सर्वात बाहेरच्या कक्षेत दोन इलेक्ट्रॉन आहेत. ऑक्सिजनचा अणुक्रमांक 8 असून त्याची मांडणी 2, 6 अशी आहे, म्हणजे बाहेरची कक्षा पूर्ण होण्यासाठी त्याला दोन इलेक्ट्रॉन कमी पडतात. एकाच व्यवहारात दोघांनाही राजवायूची मांडणी — प्रश्नात ज्याला 'स्टेबल ऑक्टेट' म्हटले आहे ते स्थिर अष्टक — मिळू शकते : कॅल्शियम आपले दोन्ही संयुजा इलेक्ट्रॉन देऊन टाकतो आणि ऑक्सिजन ते दोन्ही स्वीकारतो. मग कॅल्शियमकडे 2, 8, 8 ही आर्गॉनची मांडणी उरते आणि त्याच्यावर दुहेरी धन भार येऊन तो Ca2+ होतो; ऑक्सिजनकडे 2, 8 ही निऑनची मांडणी येते आणि दुहेरी ऋण भारासह तो ऑक्साईड आयन O2- होतो. विरुद्ध भार असलेले हे दोन आयन नंतर स्थिर विद्युत आकर्षणाने एकत्र धरले जातात — आयनिक बंध म्हणजे तेच — आणि दोघांचे भार समान व विरुद्ध असल्याने सूत्र सरळ एक-एकाचे, म्हणजे CaO असे येते. इलेक्ट्रॉन सरकण्याची दिशा मनमानी नाही, आणि तोच या प्रश्नाचा गाभा आहे. जो अणू इलेक्ट्रॉन सहज सोडतो त्याच्याकडून, जो अणू इलेक्ट्रॉन जोरात ओढतो त्याच्याकडे इलेक्ट्रॉन जातात. कॅल्शियम हा गट 2 मधला धातू असून त्याची आयनन ऊर्जा कमी आहे, त्यामुळे त्याच्या बाहेरच्या कक्षेतले सैलसर पकडलेले दोन इलेक्ट्रॉन काढून घ्यायला तुलनेने थोडीच ऊर्जा लागते; ऑक्सिजन हा उच्च विद्युत ऋणता असलेला अधातू असून त्याची इलेक्ट्रॉनांबद्दलची ओढ मोठी आहे, त्यामुळे दोन इलेक्ट्रॉन स्वीकारणे त्याच्या पथ्यावर पडते. उलट दिशेने होणारे हस्तांतरण दुहेरी हास्यास्पद ठरेल — त्यात इलेक्ट्रॉनांची सर्वाधिक भूक असलेल्या अणूने ते धातूला देऊन टाकावेत अशी अपेक्षा असेल, आणि शेवटी दोघांपैकी एकाचेही अष्टक पूर्ण होणार नाही. संख्याही मनमानी नाही : दोनच इलेक्ट्रॉन सरकतात, कारण कॅल्शियमच्या बाहेरच्या कक्षेत नेमके तेवढेच शिल्लक आहेत आणि ऑक्सिजनला स्वतःचे अष्टक पूर्ण करायला नेमके तेवढेच लागतात; यापेक्षा कमी संख्येने दोन्ही अणू अपुरेच राहतात. घन अवस्थेत तर CaO चे स्वतंत्र रेणू अस्तित्वातच नसतात : आयन एका अवाढव्य स्फटिक जालकात रचले जातात, तेही खडेमिठाच्या प्रकारचे — प्रत्येक कॅल्शियम आयनाभोवती सहा ऑक्साईड आयन आणि प्रत्येक ऑक्साईड आयनाभोवती सहा कॅल्शियम आयन. प्रबळ विद्युत बलांचे हेच त्रिमिती जाळे कॅल्शियम ऑक्साईडला कठीण आणि अतिशय उच्च वितळणबिंदू असलेला घन पदार्थ बनवते.

• (2)कॅल्शियमच्या अणू कडून एक इलेक्ट्रॉन ऑक्सीजनच्या अणुस जातील — दिशा बरोबर आहे पण संख्या चुकीची आहे, आणि प्रश्न नेमका स्थिर अष्टक मिळवण्याविषयीच विचारत असल्याने हे हस्तांतरण दोघांपैकी एकाचेही काम पूर्ण करत नाही. कॅल्शियमने फक्त एकच इलेक्ट्रॉन दिला तर त्याच्याकडे 2, 8, 8, 1 अशी मांडणी उरेल — सर्वात बाहेरच्या कक्षेत एकटा पडलेला एक इलेक्ट्रॉन, आणि ही कोणत्याच राजवायूची मांडणी नाही. दुसरीकडे एकच इलेक्ट्रॉन स्वीकारलेला ऑक्सिजन 2, 7 असा राहील, म्हणजे अष्टक पूर्ण व्हायला अजून एक कमीच. एकाकी इलेक्ट्रॉन बाळगणारे आणि दोघेही असमाधानी असलेले असे दोन कण म्हणजे मुक्त मूलके — नेमकी अशीच अस्थिर अवस्था टाळण्यासाठी हे संयुग तयार होते. शिवाय एक-एक भार गृहीत धरला तर सूत्र CaO येणारच नाही. संयुजा किती आहे हे बाहेरच्या कक्षेतील इलेक्ट्रॉनांच्या संख्येवरून ठरते, अंदाजाने नाही : कॅल्शियमची संयुजा दोन आहे आणि ऑक्सिजनचीही दोन.
• (3)ऑक्सीजनच्या अणू कडून दोन इलेक्ट्रॉन कॅल्शियमच्या अणुस जातील — इथे हस्तांतरणाची दिशाच उलटी केली आहे, आणि या प्रश्नावर करता येण्याजोगी सर्वाधिक शिकवणारी चूक तीच आहे. ऑक्सिजनकडे द्यायला दोन संयुजा इलेक्ट्रॉन नाहीत — त्याच्याकडे सहा आहेत आणि त्याला आणखी दोन हवे आहेत. समजा त्याने कसेबसे दोन देऊन टाकले, तर त्याच्याकडे 2, 4 अशी मांडणी उरेल, म्हणजे सुरुवातीपेक्षाही तो अष्टकापासून दूर जाईल; आणि दोन इलेक्ट्रॉन घेतलेला कॅल्शियम 2, 8, 8, 4 असा होईल, जी मांडणीही कोणत्याच राजवायूची नाही. रसायनशास्त्र हा पर्याय दुसऱ्याही कारणाने नाकारते : ऑक्सिजन हा सर्वाधिक विद्युत ऋणता असलेल्या मूलद्रव्यांपैकी एक असून तो इलेक्ट्रॉन ओढून घेतो, देऊन टाकत नाही; याउलट कॅल्शियम हा कमी आयनन ऊर्जेचा धातू असून तो इलेक्ट्रॉन सोडतो. आयनिक संयुगात इलेक्ट्रॉन नेहमी धातूकडून अधातूकडे जातात, याच्या उलट कधीच नाही.
• (4)ऑक्सीजनच्या अणू कडून एक इलेक्ट्रॉन कॅल्शियमच्या अणुस जातील — हा पर्याय वरच्या दोन्ही चुका एकत्र करतो : तो इलेक्ट्रॉन चुकीच्या दिशेने, म्हणजे अधातूकडून धातूकडे पाठवतो, आणि तोही फक्त एकच पाठवतो. एक इलेक्ट्रॉन गमावलेला ऑक्सिजन 2, 5 असा उरेल आणि एक इलेक्ट्रॉन मिळालेला कॅल्शियम 2, 8, 8, 3 असा होईल; म्हणजे दोघांपैकी कोणीही स्थिर अष्टकाच्या जवळपासही पोहोचत नाही आणि प्रश्नाने स्वतःच ठरवून दिलेल्या कसोटीवर हा पर्याय पडतो. चारही पर्यायांची रचना कशी केली आहे तेही पाहण्यासारखे आहे, कारण हा साचा वारंवार परत येतो : परीक्षकाने दोन चल घेतले आहेत — कोण देतो आणि किती देतो — आणि त्यांच्या चारही जोड्या मांडून टाकल्या आहेत. अशा वेळी उमेदवाराने पर्याय वाचून अंदाज बांधण्याऐवजी दोन्ही अणूंची इलेक्ट्रॉन मांडणी आधी लिहून काढावी; ती लिहिली की दिशा आणि संख्या दोन्ही आपोआप ठरतात आणि उरलेले तीन पर्याय एकाच वेळी गळून पडतात.

आयनिक म्हणजेच विद्युत संयुजी बंध हा इलेक्ट्रॉनांच्या पूर्ण हस्तांतरणातून तयार होतो. कमी आयनन ऊर्जा असलेला धातूचा अणू आपले संयुजा इलेक्ट्रॉन देऊन धनायन बनतो आणि उच्च विद्युत ऋणता असलेला अधातूचा अणू ते स्वीकारून ऋणायन बनतो; दोघांनाही जवळच्या राजवायूची मांडणी मिळते आणि विरुद्ध भारांच्या स्थिर विद्युत आकर्षणाने ते एकत्र राहतात. कॅल्शियम ऑक्साईडचे उदाहरण याचे शुद्ध रूप आहे : कॅल्शियम 2, 8, 8, 2 वरून 2, 8, 8 वर येऊन Ca2+ होतो आणि ऑक्सिजन 2, 6 वरून 2, 8 वर जाऊन O2- होतो; भार समान व विरुद्ध असल्याने सूत्र CaO येते. संयुजा किती हे बाहेरच्या कक्षेतील इलेक्ट्रॉनांवरून ठरते — गट 1 च्या धातूंची संयुजा एक, गट 2 च्या धातूंची दोन, तर गट 16 च्या अधातूंची दोन. आयनिक घन पदार्थात स्वतंत्र रेणू नसतात; आयन त्रिमिती जालकात रचले जातात आणि कॅल्शियम ऑक्साईडमध्ये ते खडेमिठासारख्या रचनेत बसतात, जिथे प्रत्येक आयनाभोवती विरुद्ध भाराचे सहा आयन असतात. या रचनेतूनच आयनिक संयुगांचे नेहमीचे गुणधर्म येतात : ती कठीण व ठिसूळ असतात, त्यांचे वितळणबिंदू व उकळणबिंदू उंच असतात, ती पाण्यासारख्या ध्रुवीय द्रावकांत विरघळतात, आणि घन अवस्थेत वीज वाहत नाहीत — पण वितळल्यावर किंवा पाण्यात विरघळल्यावर वाहतात, कारण तेव्हाच आयन हलू शकतात. याउलट सहसंयुजी बंधात इलेक्ट्रॉन दिले-घेतले जात नाहीत तर वाटून घेतले जातात, आणि तो बंध बहुधा दोन अधातूंमध्ये तयार होतो.

रासायनिक बंध हा एमपीएससीच्या विज्ञान विभागातील पायाभूत विषय आहे आणि तो जवळजवळ प्रत्येक पेपरात कोणत्या ना कोणत्या रूपात येतो. या प्रश्नाची रचना ओळखण्यासारखी आहे : परीक्षकाने दोनच चल घेतले — इलेक्ट्रॉन कोण देतो, आणि किती देतो — आणि त्यांच्या चारही शक्य जोड्या पर्याय म्हणून मांडल्या. अशा प्रश्नात केवळ आठवणीवर विसंबून राहणारा उमेदवार अडखळतो, तर दोन्ही अणूंची इलेक्ट्रॉन मांडणी कागदावर लिहून काढणाऱ्याला उत्तर लगेच दिसते. मराठी व इंग्रजी स्तंभांत इथे दोन फरक नोंदवण्यासारखे आहेत. पहिला, इंग्रजी स्तंभात 'octate' असे छापले आहे — 'octet' चे स्पष्ट मुद्रणदोषी रूप — तर मराठी स्तंभात 'स्टेबल ऑक्टेट' असे नेमके छापले आहे; म्हणजे मराठी वाचकाला हा गोंधळ मुळात दिसतच नाही. दुसरा, इंग्रजी पर्यायांत 'the same oxygen atom' असे आले आहे, तर मराठी पर्यायांत नुसते 'ऑक्सीजनच्या अणुस' एवढेच आहे — 'त्याच' हा शब्द मराठी स्तंभात नाही. दोन्ही स्तंभांतून निघणारे उत्तर अर्थातच एकच आहे, कारण कॅल्शियमची संपूर्ण संयुजा एकाच ऑक्सिजन अणूकडून पूर्ण होते आणि म्हणूनच सूत्र CaO येते. मराठी स्तंभातील शब्दलेखन प्रश्नपत्रिकेप्रमाणेच — 'ऑक्सीजन' असे ई-कारान्त, आणि 'अणू कडून' मध्ये मधे मोकळी जागा — इथे जसेच्या तसे ठेवले आहे.

• कॅल्शियमचा अणुक्रमांक 20 असून त्याची इलेक्ट्रॉन मांडणी 2, 8, 8, 2 अशी आहे, म्हणजे त्याच्याकडे दोन संयुजा इलेक्ट्रॉन आहेत; ऑक्सिजनचा अणुक्रमांक 8 असून त्याची मांडणी 2, 6 अशी आहे, म्हणजे बाहेरची कक्षा पूर्ण करायला त्याला आणखी दोन इलेक्ट्रॉन लागतात.
• कॅल्शियम ऑक्साईड तयार होताना कॅल्शियमचा अणू आपले दोन्ही संयुजा इलेक्ट्रॉन ऑक्सिजनच्या अणूला देतो; कॅल्शियम आर्गॉनची मांडणी घेऊन Ca2+ होतो आणि ऑक्सिजन निऑनची मांडणी घेऊन ऑक्साईड आयन O2- होतो, आणि हे संयुग दोन आयनांमधील स्थिर विद्युत आकर्षणाने एकत्र राहते.
• प्रत्येक आयनिक संयुगात इलेक्ट्रॉन कमी आयनन ऊर्जा असलेल्या धातूकडून उच्च विद्युत ऋणता असलेल्या अधातूकडे जातात — याच्या उलट दिशेने कधीच नाही.
• आयनिक घन पदार्थ रेणूंचा बनलेला नसतो; त्यात आयन अवाढव्य त्रिमिती जालक तयार करतात, आणि कॅल्शियम ऑक्साईड खडेमिठाच्या प्रकारची रचना घेते, जिथे प्रत्येक कॅल्शियम आयनाभोवती सहा ऑक्साईड आयन व प्रत्येक ऑक्साईड आयनाभोवती सहा कॅल्शियम आयन असतात.
• आयनिक संयुगे सामान्यतः कठीण, ठिसूळ आणि उच्च वितळणबिंदू असलेली स्फटिकरूप घन पदार्थ असतात; घन अवस्थेत ती वीज वाहत नाहीत, पण वितळल्यावर किंवा पाण्यात विरघळल्यावर वाहतात, कारण तेव्हाच आयन मुक्तपणे हलू शकतात.

• इलेक्ट्रॉन हस्तांतरणाची दिशा उलटी लावणे; ते नेहमी कमी आयनन ऊर्जेच्या धातूकडून उच्च विद्युत ऋणतेच्या अधातूकडे जातात, इथे कॅल्शियमकडून ऑक्सिजनकडे
• दिशा बरोबर पण संख्या चुकीची घेणे; कॅल्शियमकडे दोन संयुजा इलेक्ट्रॉन आहेत आणि ऑक्सिजनला नेमके दोनच लागतात, त्यामुळे एका इलेक्ट्रॉनाने दोघांपैकी कोणाचेच अष्टक पूर्ण होत नाही
• आयनिक घन पदार्थात CaO चे स्वतंत्र रेणू असतात असे मानणे; प्रत्यक्षात तिथे त्रिमिती जालक असते आणि सूत्र फक्त आयनांचे गुणोत्तर सांगते
• आयनिक संयुग घन अवस्थेतही वीज वाहते असे समजणे; आयन जागचे हलू शकत नसल्याने ते वितळल्यावर किंवा विरघळल्यावरच वाहक होते

रासायनिक बंधावर एमपीएससी काही ठरावीक आकारांचे प्रश्न विचारते : नाव दिलेले संयुग आयनिक की सहसंयुजी, त्यात इलेक्ट्रॉन दिले-घेतले जातात की वाटून घेतले जातात, नाव दिलेल्या अणूची संयुजा किती, आणि इथल्यासारखे हस्तांतरणाची दिशा व संख्या तपासणारे प्रश्न. दुसरा आवडता प्रकार म्हणजे गुणधर्मांवरून पदार्थ ओळखणे — उच्च वितळणबिंदू, पाण्यात विद्राव्यता आणि वितळल्यावरच येणारी विद्युत वाहकता ही तिन्ही लक्षणे एकत्र आली की उत्तर आयनिक संयुगच असते. आवर्तसारणीच्या कलांशी हा विषय जोडूनही विचारला जातो, कारण आयनन ऊर्जा व विद्युत ऋणता या दोनच राशी बंध कोणत्या प्रकारचा असेल हे ठरवतात. तयारीचा नेमका मार्ग म्हणजे पहिल्या वीस मूलद्रव्यांच्या इलेक्ट्रॉन मांडण्या पाठ करणे; त्या तोंडपाठ असल्या की असा कोणताही प्रश्न आठवणीवर नव्हे तर मोजणीवर सुटतो.

या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  मॅग्नेशियम क्लोराईड (MgCl2) या संयुगात इलेक्ट्रॉनांचे हस्तांतरण कसे होते ?

  • (a)मॅग्नेशियमकडून एका क्लोरीन अणूला दोन इलेक्ट्रॉन
  • (b)मॅग्नेशियमकडून दोन क्लोरीन अणूंना प्रत्येकी एक इलेक्ट्रॉन
  • (c)प्रत्येक क्लोरीन अणूकडून मॅग्नेशियमला एक इलेक्ट्रॉन
  • (d)मॅग्नेशियम व क्लोरीन दोन इलेक्ट्रॉन वाटून घेतात

  उत्तर(b) मॅग्नेशियमकडून दोन क्लोरीन अणूंना प्रत्येकी एक इलेक्ट्रॉन. मॅग्नेशियमची मांडणी 2, 8, 2 अशी असून त्याच्याकडे दोन संयुजा इलेक्ट्रॉन आहेत, तर क्लोरीनची मांडणी 2, 8, 7 अशी असून त्याला अष्टक पूर्ण करायला फक्त एकच इलेक्ट्रॉन कमी पडतो. म्हणून एका मॅग्नेशियम अणूला दोन क्लोरीन अणू लागतात आणि सूत्र MgCl2 येते; Mg2+ आणि दोन Cl- असे आयन तयार होतात. कॅल्शियम ऑक्साईडमध्ये ऑक्सिजनला दोन इलेक्ट्रॉन लागत असल्याने एकास एक असे सूत्र येते — फरक अधातूच्या गरजेचा आहे.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  आयनिक संयुग घन अवस्थेत वीज वाहत नाही, पण वितळल्यावर किंवा पाण्यात विरघळल्यावर वाहते; याचे कारण काय ?

  • (a)वितळल्यावर त्यात मुक्त इलेक्ट्रॉन तयार होतात
  • (b)वितळल्यावर किंवा विरघळल्यावरच त्यातील आयन मुक्तपणे हलू शकतात
  • (c)घन अवस्थेत त्यात आयनच नसतात
  • (d)उष्णतेमुळे त्याचे रूपांतर सहसंयुजी संयुगात होते

  उत्तर(b) वितळल्यावर किंवा विरघळल्यावरच त्यातील आयन मुक्तपणे हलू शकतात. आयनिक स्फटिकात आयन आधीपासूनच असतात, पण ते जालकात घट्ट बसलेले असल्याने जागचे हलत नाहीत आणि म्हणून विद्युत भार वाहून नेला जात नाही. वितळवल्यावर किंवा पाण्यात विरघळवल्यावर जालक मोडते, आयन मोकळे होतात आणि तेच विद्युत भाराचे वाहक बनतात. धातूंत वाहक असणारे मुक्त इलेक्ट्रॉन इथे नसतात, आणि उष्णतेने संयुगाचा प्रकार बदलत नाही.