MPSC 2021 पूर्व परीक्षा पेपर-१ · प्रश्न 68 / 100

बरोबर उत्तर पर्याय (3), म्हणजे Mg2+. आयनन ऊर्जा म्हणजे वायुरूप अवस्थेतील अलग अणूतून किंवा आयनातून सर्वात सैलसर पकडलेला इलेक्ट्रॉन बाहेर काढण्यासाठी लागणारी किमान ऊर्जा; आणि हा प्रश्न मॅग्नेशियमचा उदासीन अणू व त्याच्यापासून क्रमाने तयार होणारे दोन आयन यांची तुलना करतो. दोन नियम लावले की उत्तर ठरते. पहिला नियम : एकाच मूलद्रव्याच्या अनुक्रमिक आयनन ऊर्जा नेहमी वाढतच जातात, कारण प्रत्येक इलेक्ट्रॉन निघून गेल्यावर केंद्रकाचा भार तेवढाच राहतो पण त्याने धरून ठेवायचे इलेक्ट्रॉन एकाने कमी होतात; उरलेल्या इलेक्ट्रॉनांवरची ओढ वाढते, कण आक्रसतो, आणि पुढचा इलेक्ट्रॉन काढणे अधिक कठीण होते. एवढ्यानेच Mg2+ हा Mg+ च्या वर आणि Mg+ हा Mg च्या वर जातो. दुसरा नियम इथला फरक हळूहळू वाढणारा न ठेवता एकदम मोठा करून टाकतो. मॅग्नेशियमचा अणुक्रमांक 12 असून त्याची मांडणी 2, 8, 2 अशी आहे. पहिला इलेक्ट्रॉन सर्वात बाहेरच्या कक्षेतून निघतो, जिथले दोन इलेक्ट्रॉन तुलनेने सैलसर धरलेले असतात, आणि त्यासाठी सुमारे 738 किलोज्यूल प्रति मोल एवढी ऊर्जा लागते. दुसरा इलेक्ट्रॉन त्याच कक्षेतून निघतो आणि त्यासाठी सुमारे 1,451 किलोज्यूल प्रति मोल, म्हणजे जवळजवळ दुप्पट ऊर्जा लागते. पण दोन्ही निघून गेल्यावर Mg2+ ची मांडणी 2, 8 अशी होते — म्हणजे निऑनची पूर्ण, स्थिर मांडणी — आणि पुढचा इलेक्ट्रॉन काढायचा तर तो या पूर्ण भरलेल्या आतल्या कक्षेतून, केंद्रकाच्या जवळून आणि घट्ट पकडीतून ओढून काढावा लागेल. ती तिसरी आयनन ऊर्जा सुमारे 7,733 किलोज्यूल प्रति मोल आहे, म्हणजे दुसरीच्या पाचपटींहून अधिक. ही उडी केवळ कुतूहलाची बाब नाही; अणूच्या कक्षा-प्रतिमानाचा तो नेहमीचा पुरावा आहे आणि मॅग्नेशियमची संयुजा एक किंवा तीन नसून दोनच का आहे याचेही कारण तेच आहे. Mg2+ हेच उत्तर ठरते तेही याचमुळे : समोर ठेवलेल्या तीन कणांपैकी ज्याचे उरलेले इलेक्ट्रॉन सर्वात घट्ट धरलेले आहेत तो हाच, आणि म्हणून आणखी एक इलेक्ट्रॉन गमावण्यासाठी सर्वाधिक ऊर्जा त्यालाच लागते. प्रश्नाची मांडणी किती काटेकोर आहे तेही पाहण्यासारखे : तो तीन वेगवेगळ्या मूलद्रव्यांची तुलना करत नाही, तर एकाच मूलद्रव्याच्या तीन क्रमवार अवस्थांची तुलना करतो; त्यामुळे आवर्तसारणीतील कल आठवण्याची गरजच पडत नाही आणि 'अनुक्रमिक आयनन ऊर्जा वाढतच जातात' एवढा एकच नियम पुरतो.

• (1)Mg — समोर ठेवलेल्या तिन्ही कणांपैकी उदासीन मॅग्नेशियम अणूची आयनन ऊर्जा सर्वात कमी आहे — सुमारे 738 किलोज्यूल प्रति मोल — म्हणजे या शिडीवरची सर्वात खालची पायरी, सर्वात वरची नव्हे. मॅग्नेशियमचे दोन इलेक्ट्रॉन सर्वात बाहेरच्या कक्षेत असतात, ते केंद्रकापासून तुलनेने दूर असतात आणि आतल्या कक्षा त्यांना केंद्रकाच्या ओढीपासून बऱ्यापैकी आडोसा देतात; त्यामुळे त्यांपैकी एक तुलनेने सहज सुटतो. मॅग्नेशियम हा क्रियाशील धातू असून तो आपल्या संयुगांत सहजपणे Mg2+ आयन तयार करतो याचे कारणही तेच आहे. 'कोणता कण सर्वात सहज आयनित होतो' असे प्रश्न वाचला, किंवा धातू म्हणजे इलेक्ट्रॉन सहज सोडणारा एवढेच लक्षात ठेवले, तर उमेदवार या पर्यायावर येऊन थांबतो. पण प्रश्न नेमका उलटा आहे : सर्वाधिक ऊर्जा कोणाला लागते असे तो विचारतो.
• (2)Mg+ — Mg+ हा शिडीच्या मधल्या पायरीवर आहे. त्याच्यातून एक इलेक्ट्रॉन काढणे — म्हणजे मॅग्नेशियमचे दुसरे आयनन — यासाठी सुमारे 1,451 किलोज्यूल प्रति मोल एवढी ऊर्जा लागते, म्हणजे पहिल्यापेक्षा जवळजवळ दुप्पट; कारण आता इलेक्ट्रॉन आधीच धन भार असलेल्या आणि केंद्रकाभोवती आक्रसलेल्या कणातून ओढून काढावा लागतो. ही वाढ लक्षणीय आहे, आणि 'अनुक्रमिक आयनन ऊर्जा वाढत जातात' एवढे लक्षात आल्यावर तिथेच थांबणारा उमेदवार याच पर्यायावर स्थिरावतो. पण तोच विचार आणखी एक पाऊल पुढे नेला तर कितीतरी मोठी वाढ दिसते, कारण Mg+ च्या सर्वात बाहेरच्या कक्षेत अजून एक इलेक्ट्रॉन शिल्लक आहे आणि म्हणून त्याची मांडणी अद्याप पूर्ण झालेली नाही. पूर्ण, स्थिर मांडणी Mg2+ लाच मिळते, आणि तीच पुढच्या इलेक्ट्रॉनासाठीचा खर्च पाचपटींनी वाढवते.
• (4)वरीलपैकी सर्व — रसायनशास्त्राचा विचार सुरू करण्याआधीच, केवळ तर्काने हा पर्याय चुकीचा ठरतो. प्रश्न विचारतो की दिलेल्या कणांपैकी कोणाची आयनन ऊर्जा सर्वात जास्त आहे; तीन वेगवेगळ्या कणांच्या तीन वेगवेगळ्या किमती एकाच वेळी सर्वात जास्त असू शकत नाहीत, आणि त्या असू शकतात असे म्हणणारा पर्याय विचारलेल्या प्रश्नाचे उत्तरच देत नाही. रसायनशास्त्रही तेवढेच स्पष्ट आहे : तिन्ही किमती अनुक्रमे सुमारे 738, सुमारे 1,451 आणि सुमारे 7,733 किलोज्यूल प्रति मोल इतक्या असून त्या जवळपासही सारख्या नाहीत. मराठी स्तंभात 'वरीलपैकी सर्व' हा नेमका शब्दप्रयोग या संपूर्ण प्रश्नपत्रिकेत फक्त इथेच छापला आहे; पेपरातील उरलेले दोन्ही सर्वसमावेशक पर्याय 'वरील सर्व' असे छापले आहेत. यातून एक धडा मिळतो : सुटकेचा वाटणारा पर्याय हा सुरक्षित पर्याय नसतो — इतर कोणत्याही पर्यायाप्रमाणे त्यालाही प्रश्नाची अट पूर्ण करावी लागते, आणि एकच कमाल मागणाऱ्या प्रश्नात सर्वसमावेशक पर्यायाला जागाच उरत नाही.

आयनन ऊर्जा म्हणजे वायुरूप अवस्थेतील अलग अणूतून किंवा आयनातून सर्वात सैलसर पकडलेला इलेक्ट्रॉन काढून टाकण्यासाठी लागणारी किमान ऊर्जा; ती सामान्यतः किलोज्यूल प्रति मोल या एककात दिली जाते. एकाच मूलद्रव्याच्या अनुक्रमिक आयनन ऊर्जा नेहमी वाढत जातात, कारण प्रत्येक इलेक्ट्रॉन गेल्यावर केंद्रकाचा भार तोच राहतो पण त्याला धरून ठेवायचे इलेक्ट्रॉन कमी होतात; परिणामी केंद्रकीय ओढ वाढते आणि कण आक्रसतो. या वाढीत जिथे अचानक मोठी उडी दिसते तिथे नुकतीच एक पूर्ण कक्षा भरली गेली आहे असे समजावे — मॅग्नेशियमच्या बाबतीत दुसऱ्या व तिसऱ्या आयनन ऊर्जेतील पाचपटींहून मोठी उडी हीच सांगते की Mg2+ ला निऑनसारखी पूर्ण मांडणी मिळाली आहे, आणि म्हणूनच मॅग्नेशियमची संयुजा दोन आहे. आवर्तसारणीतले कल याच्या जोडीने लक्षात ठेवावेत : आवर्तात डावीकडून उजवीकडे जाताना आयनन ऊर्जा वाढते, कारण केंद्रकीय भार वाढतो व अणुत्रिज्या घटते; गटात वरून खाली जाताना ती घटते, कारण नवीन कक्षा जोडल्या जाऊन बाहेरचा इलेक्ट्रॉन केंद्रकापासून दूर जातो आणि आतल्या कक्षांचा आडोसा वाढतो. म्हणून प्रत्येक आवर्तात सर्वाधिक आयनन ऊर्जा राजवायूची आणि सर्वात कमी अल्कधर्मी धातूची असते. आयनन ऊर्जेच्या नेमकी उलट संकल्पना म्हणजे इलेक्ट्रॉन बंधुता — अणूने इलेक्ट्रॉन स्वीकारल्यावर होणारा ऊर्जाबदल — आणि दोन्हींची सांगड घालणारी संकल्पना म्हणजे विद्युत ऋणता.

आवर्तसारणीतील गुणधर्म व त्यांचे कल हा एमपीएससीच्या रसायनशास्त्र भागातील नियमित विषय आहे, आणि आयनन ऊर्जा हा त्यातला सर्वाधिक विचारला जाणारा एकच गुणधर्म आहे, कारण त्यावर वेगवेगळ्या पातळ्यांचे प्रश्न रचता येतात. या प्रश्नाची पातळी विशेष लक्षात घेण्यासारखी : तो तीन वेगवेगळ्या मूलद्रव्यांची तुलना करत नाही — तसे असते तर आवर्तसारणीतील स्थान आठवावे लागले असते — तर एकाच मूलद्रव्याच्या तीन क्रमवार अवस्थांची तुलना करतो, आणि त्यासाठी 'अनुक्रमिक आयनन ऊर्जा वाढतच जातात' एवढा एकच नियम पुरतो. म्हणजे प्रश्न दिसायला कठीण असला तरी सोडवायला सोपा आहे, आणि नेमके तेच त्याचे वैशिष्ट्य आहे. चौथा पर्याय हा या प्रश्नातला दुसरा शिकवणारा भाग आहे : एकच कमाल मागणाऱ्या प्रश्नात 'वरीलपैकी सर्व' असा पर्याय तर्कानेच बसू शकत नाही, आणि हे रसायनशास्त्र आठवण्याआधीच ओळखता येते. सुटकेचा वाटणारा पर्याय दिसला की तो सुरक्षित मानण्याऐवजी 'हा पर्याय प्रश्नाच्या अटीत बसतो का' एवढा एक प्रश्न स्वतःला विचारावा — तेवढ्यानेच अनेक प्रश्नांत वेळ आणि गुण दोन्ही वाचतात.

• आयनन ऊर्जा म्हणजे वायुरूप अवस्थेतील अलग अणू किंवा आयनातून सर्वात सैलसर पकडलेला इलेक्ट्रॉन काढण्यासाठी लागणारी किमान ऊर्जा; ती किलोज्यूल प्रति मोल या एककात मोजली जाते.
• मॅग्नेशियमच्या पहिल्या तीन आयनन ऊर्जा अनुक्रमे सुमारे 737.7, सुमारे 1,450.7 आणि सुमारे 7,732.7 किलोज्यूल प्रति मोल आहेत; तिसरी दुसरीच्या पाचपटींहून अधिक आहे, कारण तो इलेक्ट्रॉन Mg2+ च्या निऑनसारख्या पूर्ण आतल्या कक्षेतून काढावा लागतो.
• एकाच मूलद्रव्याच्या अनुक्रमिक आयनन ऊर्जा नेहमी वाढत जातात, कारण प्रत्येक इलेक्ट्रॉन गेल्यावर केंद्रकाचा भार तोच राहून धरून ठेवायचे इलेक्ट्रॉन कमी होतात, ओढ वाढते आणि कण आक्रसतो.
• अनुक्रमिक आयनन ऊर्जांतील अचानक मोठी उडी हा पूर्ण भरलेल्या कक्षेचा पुरावा असतो आणि त्यावरूनच मूलद्रव्याची संयुजा ओळखता येते; मॅग्नेशियमची संयुजा दोन आहे ती याच कारणाने.
• आवर्तात डावीकडून उजवीकडे जाताना आयनन ऊर्जा वाढते आणि गटात वरून खाली जाताना ती घटते; म्हणून प्रत्येक आवर्तात ती राजवायूची सर्वाधिक आणि अल्कधर्मी धातूची सर्वात कमी असते.

• प्रश्न 'सर्वात जास्त' विचारतो की 'सर्वात कमी' हे नीट न वाचणे; इथे उदासीन अणूची आयनन ऊर्जा सर्वात कमी आहे आणि तोच पर्याय घाईत निवडला जातो
• धातू म्हणजे इलेक्ट्रॉन सहज सोडणारा एवढ्या समजुतीवरून उदासीन मॅग्नेशियम निवडणे; प्रश्न सहजतेविषयी नसून आवश्यक ऊर्जेविषयी आहे
• अनुक्रमिक आयनन ऊर्जा वाढतात एवढे लक्षात येऊन मधल्याच पायरीवर थांबणे; पूर्ण मांडणी मिळालेल्या Mg2+ नंतरची उडी कितीतरी मोठी असते
• सर्वसमावेशक पर्याय सुरक्षित मानणे; एकच कमाल मागणाऱ्या प्रश्नात तो तर्कानेच बसत नाही आणि रसायनशास्त्र आठवण्याआधीच बाद होतो

आयनन ऊर्जेवर एमपीएससी काही ठरावीक साच्यांचे प्रश्न विचारते : दोन किंवा अधिक मूलद्रव्यांची तुलना करून सर्वाधिक किंवा सर्वात कमी आयनन ऊर्जा कोणाची, आवर्तात व गटात हा गुणधर्म कसा बदलतो, अनुक्रमिक आयनन ऊर्जांच्या यादीवरून मूलद्रव्याची संयुजा ओळखा, आणि इथल्यासारखी एकाच मूलद्रव्याच्या क्रमवार अवस्थांची तुलना. शेवटचा प्रकार तुलनेने कमी येतो पण तो सोडवायला सोपा असतो, कारण त्यात आवर्तसारणीतले स्थान आठवावे लागत नाही. आयनन ऊर्जेच्या जोडीने इलेक्ट्रॉन बंधुता व विद्युत ऋणता यांचीही तुलना विचारली जाते, आणि तिन्ही एकाच कारणसाखळीने जोडलेल्या असल्याने एकत्रच अभ्यासाव्यात. तयारीसाठी उपयुक्त गोष्ट म्हणजे पहिल्या वीस मूलद्रव्यांच्या इलेक्ट्रॉन मांडण्या तोंडपाठ असणे आणि 'पूर्ण भरलेली कक्षा म्हणजे मोठी उडी' हा एकच नियम पक्का करणे; तेवढ्याने या विषयातले बहुतांश प्रश्न आठवणीवर नव्हे तर कारणमीमांसेवर सुटतात.

या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  एका मूलद्रव्याच्या पहिल्या चार आयनन ऊर्जा अनुक्रमे 738, 1451, 7733 आणि 10540 किलोज्यूल प्रति मोल आहेत; या मूलद्रव्याची संयुजा किती असावी ?

  • (a)एक
  • (b)दोन
  • (c)तीन
  • (d)चार

  उत्तर(b) दोन. अनुक्रमिक आयनन ऊर्जांच्या यादीत जिथे अचानक मोठी उडी दिसते तिथेच बाहेरची कक्षा नुकतीच रिकामी होऊन आतली पूर्ण कक्षा उघडी पडली आहे असे समजावे. इथे दुसऱ्या आणि तिसऱ्या किमतीदरम्यान पाचपटींहून मोठी उडी आहे, म्हणजे दोन इलेक्ट्रॉन तुलनेने सहज निघतात आणि तिसरा काढणे फार महाग पडते; म्हणून बाहेरच्या कक्षेत दोनच इलेक्ट्रॉन होते आणि संयुजा दोन. दिलेले आकडे मॅग्नेशियमचे आहेत, ज्याची मांडणी 2, 8, 2 अशी असून तो नेहमी Mg2+ आयन तयार करतो.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  आधुनिक आवर्तसारणीत एका आवर्तात डावीकडून उजवीकडे जाताना मूलद्रव्यांच्या आयनन ऊर्जेत साधारणपणे काय बदल होतो आणि का ?

  • (a)घटते, कारण अणुत्रिज्या वाढते
  • (b)वाढते, कारण केंद्रकीय भार वाढतो व अणुत्रिज्या घटते
  • (c)बदलत नाही, कारण कक्षांची संख्या तीच राहते
  • (d)आधी वाढते व नंतर सतत घटते

  उत्तर(b) वाढते, कारण केंद्रकीय भार वाढतो व अणुत्रिज्या घटते. आवर्तात उजवीकडे जाताना प्रत्येक पावलाला केंद्रकात एक प्रोटॉन वाढतो पण नवीन इलेक्ट्रॉन त्याच बाहेरच्या कक्षेत भरला जातो, त्यामुळे आतल्या कक्षांचा आडोसा जवळजवळ तेवढाच राहतो आणि बाहेरच्या इलेक्ट्रॉनांवरची ओढ वाढते; अणू आक्रसतो आणि इलेक्ट्रॉन काढणे कठीण होते. म्हणूनच प्रत्येक आवर्तात आयनन ऊर्जा राजवायूची सर्वाधिक आणि अल्कधर्मी धातूची सर्वात कमी असते. गटात वरून खाली जाताना मात्र नवीन कक्षा जोडल्या जाऊन ती घटते.