पर्यावरण रसायन: मूल सिद्धांत, जल रसायन, मृदा रसायन व वायुमंडलीय रसायन
1. मूल सिद्धांत: बंधन, सांद्रता व सक्रियता, कार्बनिक संरचना, साम्य, ऊष्मागतिकी व बलगतिकी
आयनिक बंध अत्यंत भिन्न विद्युत-ऋणात्मकता वाले परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण से बनते हैं (Na⁺Cl⁻) और ऐसे लवण देते हैं जो जल में वियोजित होते हैं; सहसंयोजक बंध इलेक्ट्रॉन युग्म साझा करते हैं, और विद्युत-ऋणात्मकताएँ भिन्न होने पर बंध ध्रुवीय होता है। जल एक मुड़ा हुआ, ध्रुवीय अणु है (H–O–H कोण लगभग 104.5°) जो पड़ोसियों से हाइड्रोजन-बंध बनाता है, इसीलिए उसका क्वथनांक, विशिष्ट ऊष्मा व परावैद्युतांक असामान्य रूप से ऊँचे हैं और वह आयनिक ठोसों को इतनी सहजता से घोलता है। हाइड्रोकार्बन जैसे अध्रुवीय कार्बनिक इसमें कम घुलते हैं और इसके बजाय वसा, मृदा कार्बनिक पदार्थ व वायु में विभाजित होते हैं — ऑक्टेनॉल–जल विभाजन गुणांक K_ow का आधार, जिससे अनुमान लगता है कि कोई कार्बनिक प्रदूषक कहाँ पहुँचेगा।
सांद्रता मोलरता (mol/L), नॉर्मलता (तुल्यांक/L, जहाँ तुल्यांकी भार मोलर द्रव्यमान को आवेश या स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों से भाग देकर मिलता है), mg/L (तनु जल में द्रव्यमान से ppm के बराबर), और कठोरता व क्षारीयता हेतु mg/L (CaCO₃ के रूप में) में व्यक्त होती है: किसी स्पीशीज़ की सांद्रता को 50/(उसका तुल्यांकी भार) से गुणा करें, क्योंकि CaCO₃ का तुल्यांकी भार 100/2 = 50 है। जो विलयन बहुत तनु नहीं होते उनमें आयन ऐसा व्यवहार करते हैं मानो वास्तविक से कम सांद्र हों; प्रभावी सांद्रता सक्रियता {i} = γᵢ[i] है। सक्रियता गुणांक आयनिक सामर्थ्य I = ½Σcᵢzᵢ² पर डेबाय–हकल सीमांत नियम log γᵢ = −0.51zᵢ²√I (जल, 25 °C, लगभग 0.005 M से कम I हेतु वैध, उससे आगे विस्तारित रूप) द्वारा निर्भर है। z² के कारण द्विसंयोजी आयन एकसंयोजी से चार गुना प्रबल प्रभावित होते हैं।
कार्बनिक अणु अपने कार्बन कंकाल से — ऐलिफ़ैटिक (ऐल्केन, ऐल्कीन, ऐल्काइन) या ऐरोमैटिक (बेंज़ीन वलय) — और अपने क्रियात्मक समूहों से वर्गीकृत होते हैं: ऐल्कोहॉल (–OH), ऐल्डिहाइड (–CHO), कीटोन (C=O), कार्बोक्सिलिक अम्ल (–COOH), ऐमीन (–NH₂), फ़िनॉल (वलय पर –OH) व हैलाइड (–Cl, –Br)। क्रियात्मक समूह ध्रुवता व अभिक्रियाशीलता तय करता है: कार्बोक्सिलिक अम्ल आयनित होकर घुलते हैं, क्लोरीनीकृत ऐरोमैटिक जैव-निम्नीकरण का प्रतिरोध करते हैं व जैव-संचित होते हैं, और बहुचक्रीय ऐरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (अपूर्ण दहन से बने संगलित वलय) में ज्ञात कैंसरजन शामिल हैं। समावयव सूत्र साझा करते हैं परंतु संरचना नहीं, और विषाक्तता में तीव्र रूप से भिन्न हो सकते हैं।
| संबंध | कथन | यह क्या बताता है |
|---|---|---|
| साम्य स्थिरांक | aA + bB ⇌ cC + dD: K = {C}ᶜ{D}ᵈ/({A}ᵃ{B}ᵇ) | अभिक्रिया भागफल Q की K से तुलना: Q < K अग्र दिशा, Q > K पश्च (ला-शातेलिए) |
| गिब्स ऊर्जा | ΔG = ΔH − TΔS; ΔG = ΔG° + RT ln Q; ΔG° = −RT ln K | ΔG < 0 अर्थात् लिखे अनुसार स्वतः; बड़ा K अर्थात् प्रबल ऋणात्मक ΔG° |
| वान्ट हॉफ़ | ln(K₂/K₁) = −(ΔH°/R)(1/T₂ − 1/T₁) | ताप के साथ साम्य कैसे खिसकता है |
| दर नियम | शून्य कोटि C = C₀ − kt; प्रथम कोटि C = C₀e^(−kt), t½ = 0.693/k; द्वितीय कोटि 1/C = 1/C₀ + kt | पहचानें कि कौन-सा आलेख सीधा है: t के विरुद्ध C, ln C या 1/C |
| आरेनियस | k = A e^(−Ea/RT); संकीर्ण परिसर में k_T = k₂₀θ^(T − 20) | गर्म जल में अभिक्रिया तेज़; θ, Ea का अभियंता वाला संक्षिप्त रूप है |
2. जल गुणता प्राचल, अम्ल–क्षार साम्य, बफ़र व कार्बोनेट तंत्र
| प्राचल | विधि | इकाई |
|---|---|---|
| pH | संदर्भ के सापेक्ष काँच इलेक्ट्रोड, दो बफ़रों से अंशांकित | pH इकाई |
| आविलता | नेफ़ेलोमीटर — 90° पर प्रकीर्णित प्रकाश | NTU |
| चालकता व TDS | चालकता सेल; TDS ≈ (0.55 से 0.7) × EC, या छने नमूने को 180 °C पर वाष्पित करके | μS/cm; mg/L |
| क्षारीयता | मानक अम्ल से pH 8.3 (फ़िनॉल्फ़्थेलिन, P) व लगभग 4.5 (कुल, T) तक अनुमापन | mg/L (CaCO₃ के रूप में) |
| कठोरता | pH 10 पर एरियोक्रोम ब्लैक T के साथ EDTA अनुमापन | mg/L (CaCO₃ के रूप में) |
| घुलित ऑक्सीजन | विंकलर (आयोडोमितीय) अनुमापन, या झिल्ली व प्रकाशिक प्रोब | mg/L |
| BOD, COD, TOC | 20 °C पर 5-दिवसीय ऊष्मायन; डाइक्रोमेट पश्चवाह; CO₂ तक दहन | mg/L |
| क्लोराइड, नाइट्रोजन, फ़ॉस्फ़ेट | मोर (अर्जेंटोमितीय) अनुमापन; कार्बनिक व अमोनिया N हेतु केल्डाल पाचन; फ़ॉस्फ़ेट हेतु ऐस्कॉर्बिक-अम्ल वर्णमिति | mg/L (Cl, N या P के रूप में) |
जल स्व-आयनित होता है, H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻, 25 °C पर K_w = [H⁺][OH⁻] = 10⁻¹⁴, अतः pH + pOH = 14। दुर्बल अम्ल HA ⇌ H⁺ + A⁻ का K_a = [H⁺][A⁻]/[HA]; लघुगणक लेने पर हेंडरसन–हैसलबाख समीकरण pH = pK_a + log([A⁻]/[HA]) मिलता है। बफ़र एक दुर्बल अम्ल व उसका संयुग्मी क्षारक (या दुर्बल क्षारक व उसका संयुग्मी अम्ल) है और pH परिवर्तन का प्रतिरोध करता है क्योंकि जोड़ा गया H⁺, A⁻ द्वारा और जोड़ा गया OH⁻, HA द्वारा ग्रहण होता है। इसकी बफ़र क्षमता तब अधिकतम है जब [A⁻] = [HA], अर्थात pH = pK_a पर, और बफ़र अपने pK_a के लगभग एक इकाई के भीतर उपयोगी है। pH = pK_a पर अम्ल ठीक आधा वियोजित है; एक इकाई ऊपर अनुपात [A⁻]/[HA] = 10 है।
प्राकृतिक जल कार्बोनेट तंत्र से बफ़रित होता है। घुलित CO₂ कार्बोनिक अम्ल बनाता है, जिसे साथ मिलाकर H₂CO₃* लिखते हैं, और वह दो चरणों में वियोजित होता है: H₂CO₃* ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ (25 °C पर pK₁ ≈ 6.35) व HCO₃⁻ ⇌ H⁺ + CO₃²⁻ (pK₂ ≈ 10.33)। अतः pH 6.35 से नीचे H₂CO₃* प्रधान है, 6.35 व 10.33 के बीच बाइकार्बोनेट प्रधान है — इसीलिए pH 6.5 से 8.5 वाले अधिकांश प्राकृतिक जल अपनी क्षारीयता HCO₃⁻ के रूप में रखते हैं — और 10.33 से ऊपर कार्बोनेट प्रधान है। क्षारीयता, अम्ल-उदासीनीकरण क्षमता, तुल्यांकों में [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻] − [H⁺] है। दो अनुमापन अंत्य-बिंदुओं से तीनों रूप नीचे के मानक नियमों से बाँटे जाते हैं, जो मानते हैं कि हाइड्रॉक्साइड व बाइकार्बोनेट उल्लेखनीय मात्रा में सहअस्तित्व नहीं रख सकते।
| अनुमापन परिणाम | OH⁻ | CO₃²⁻ | HCO₃⁻ |
|---|---|---|---|
| P = 0 | 0 | 0 | T |
| P < T/2 | 0 | 2P | T − 2P |
| P = T/2 | 0 | 2P = T | 0 |
| P > T/2 | 2P − T | 2(T − P) | 0 |
| P = T | T | 0 | 0 |
3. जल में गैसें, संकुलन, अवक्षेपण, रेडॉक्स व संदूषक
गैस की विलेयता हेनरी नियम C = K_H × p_gas का पालन करती है, K_H mol/(L·atm) में: घुलित सांद्रता जल के ऊपर गैस के आंशिक दाब के समानुपाती है। ऑक्सीजन हेतु 25 °C पर K_H लगभग 1.3 × 10⁻³ mol/(L·atm) है, अतः वायु (p_O₂ = 0.21 atm) जल को लगभग 8.7 mg/L पर संतृप्त करती है; संतृप्ति मान ठंडे जल में अधिक और गर्म व लवणीय जल में कम होता है — मीठे जल में 20 °C पर लगभग 9.1 mg/L — इसीलिए गर्म, प्रदूषित नदियाँ सर्वाधिक कष्ट पाती हैं। ताप के साथ गैस विलेयता का घटना ही कारण है कि तापीय निस्सरण बिना कोई कार्बनिक भार जोड़े भी ऑक्सीजन घटाते हैं।
संकुलन धातु आयन को लिगैंडों — OH⁻, Cl⁻, CO₃²⁻, प्राकृतिक कार्बनिक पदार्थ, या EDTA व NTA जैसे संश्लेषित कीलेटकों — से बाँधता है और उसकी विलेयता, गतिशीलता व विषाक्तता बदलता है: मुक्त Cu²⁺ संकुलित ताँबे से मछलियों हेतु कहीं अधिक विषैला है, और अपमार्जकों के कीलेटक अवसादों से धातुओं को पुनः गतिशील कर सकते हैं। अवक्षेपण विलेयता गुणनफल से नियंत्रित है: MₐXᵦ हेतु K_sp = [M]ᵃ[X]ᵇ, और आयन गुणनफल K_sp से अधिक होने पर ठोस बनता है। CaF₂ जैसे 1:2 लवण हेतु K_sp = s(2s)² = 4s³। सम-आयन प्रभाव विलेयता घटाता है, जिसका उपयोग चूना मृदुकरण (CaCO₃ व Mg(OH)₂ अवक्षेपण), रासायनिक फ़ॉस्फ़ोरस निष्कासन (Al³⁺, Fe³⁺ या Ca²⁺ से), व भारी धातुओं को हाइड्रॉक्साइड के रूप में हटाने में होता है — प्रत्येक धातु का न्यूनतम विलेयता वाला एक pH होता है, जिसके आगे उभयधर्मी हाइड्रॉक्साइड पुनः घुल जाते हैं।
रेडॉक्स अभिक्रियाएँ इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित करती हैं: ऑक्सीकारक उन्हें ग्रहण कर अपचयित होता है, अपचायक उन्हें खोकर ऑक्सीकृत होता है। यह प्रवृत्ति इलेक्ट्रोड विभव से मापी जाती है, और 25 °C पर नेर्न्स्ट समीकरण E = E° − (0.0592/n) log Q मानक मान को सांद्रताओं हेतु संशोधित करता है। जल व अवसादों में सूक्ष्मजीव इलेक्ट्रॉन ग्राहियों का प्रयोग घटती ऊर्जा-प्राप्ति के निश्चित क्रम में करते हैं — रेडॉक्स सीढ़ी: O₂, फिर NO₃⁻ (विनाइट्रीकरण), फिर Mn(IV), फिर Fe(III), फिर SO₄²⁻ (H₂S देते हुए), और अंत में CO₂ (मीथेनजनन)। यह क्रम बताता है कि ऑक्सीजन-रहित अधोजलसीमा घुलित लोहा व मैंगनीज़ क्यों छोड़ती है, सल्फ़ाइड की दुर्गंध नाइट्रेट समाप्त होने के बाद ही क्यों आती है, और भराव-स्थल मीथेन सबसे अंत में क्यों बनाता है।
| संदूषक | विशिष्ट स्रोत | क्यों महत्वपूर्ण |
|---|---|---|
| आर्सेनिक | भूजनित भूजल (अपचायी जलभृत लौह ऑक्साइडों पर अधिशोषित As छोड़ते हैं) | दीर्घकालिक सेवन से त्वचा विक्षति व कैंसर; As(III), As(V) से अधिक गतिशील व विषैला |
| फ़्लोराइड | फ़्लोराइड-युक्त शैलों का अपक्षय | अल्प मात्रा में लाभकारी, अधिकता में दंत व अस्थि फ़्लोरोसिस |
| नाइट्रेट | उर्वरक, सेप्टिक तंत्र, खाद | शिशुओं में मेथीमोग्लोबिनीमिया (नीला-शिशु लक्षण) |
| सीसा, पारा, कैडमियम, क्रोमियम(VI) | बैटरियाँ, क्लोर-क्षार व खनन अपशिष्ट, विद्युत्-लेपन, चर्मशोधन | तंत्रिका-विषाक्तता (Pb, Hg — मिथाइलमर्करी जैव-आवर्धित), वृक्क क्षति (Cd), कैंसरजन Cr(VI) |
| कीटनाशी, PCB, PAH, VOC | कृषि, ट्रांसफ़ॉर्मर, दहन, विलायक व ईंधन | स्थायी, वसारागी (उच्च K_ow), जैव-संचयी; कई कैंसरजन |
| उभरते संदूषक | औषधियाँ, व्यक्तिगत-देखभाल उत्पाद, सूक्ष्म-प्लास्टिक, PFAS | परंपरागत उपचार से अपूर्ण निष्कासन; अंतःस्रावी विघटन |
4. मृदा रसायन: कार्बनिक पदार्थ, N, P, K, धनायन विनिमय क्षमता, क्षारक संतृप्ति व SAR
मृदा कार्बनिक पदार्थ अपघटन की हर अवस्था में पौधों व सूक्ष्मजीवों का अवशेष है; इसका स्थायी, गहरा, कोलॉइडी अंतिम उत्पाद ह्यूमस है, जो ह्यूमिक व फ़ुल्विक अम्लों व ह्यूमिन से बना है। यद्यपि प्रायः मृदा द्रव्यमान का केवल कुछ प्रतिशत, यह जल रखता है, पुंजों को बाँधता है, खनिजीकरण के साथ पोषक देता है, और बड़ा, pH-निर्भर ऋणात्मक आवेश वहन करता है। इसका C:N अनुपात तय करता है कि अपघटन नाइट्रोजन छोड़ेगा या बाँध लेगा: लगभग 25–30:1 से चौड़े अवशेष (पुआल, बुरादा) सूक्ष्मजीवों से मृदा नाइट्रोजन का स्थिरीकरण करवाते हैं, जबकि संकरे अवशेष (दलहन, खाद) उसे मुक्त करते हैं।
नाइट्रोजन मृदा में अधिकांशतः कार्बनिक है; खनिजीकरण NH₄⁺ छोड़ता है, जिसे नाइट्रीकारी जीवाणु NO₃⁻ में ऑक्सीकृत करते हैं। अमोनियम विनिमय स्थलों पर रुका रहता है, परंतु नाइट्रेट ऋणायन है और सहजता से भूजल तक निक्षालित होता है, या जलभराव वाली मृदा में विनाइट्रीकरण से N₂ व N₂O के रूप में, या क्षारीय मृदा से वाष्पीकरण द्वारा NH₃ के रूप में खो जाता है। फ़ॉस्फ़ोरस इसका उलटा है: यह बहुत कम चलता है, क्योंकि फ़ॉस्फ़ेट स्थिरीकृत हो जाता है — अम्लीय मृदा में Fe व Al ऑक्साइडों द्वारा और क्षारीय मृदा में कैल्शियम फ़ॉस्फ़ेट के रूप में कैल्शियम द्वारा — अतः पौधों हेतु उपलब्ध P लगभग pH 6–7 पर अधिकतम है, और P जल तक मुख्यतः अपरदित मृदा से चिपककर पहुँचता है। पोटैशियम खनिज जालकों में (अनुपलब्ध), मृत्तिका परतों के बीच स्थिर K के रूप में (धीरे उपलब्ध), विनिमेय K⁺ के रूप में, और विलयन में रहता है।
मृत्तिकाएँ व ह्यूमस ऋणात्मक आवेश वहन करते हैं जो विनिमेय धनायनों को थामता है। धनायन विनिमय क्षमता (CEC), cmol(+)/kg में (संख्यात्मक रूप से meq/100 g के बराबर), इन स्थलों का योग है: केओलिनाइट हेतु कम, 2:1 फूलने वाली मृत्तिका मॉन्टमोरिलोनाइट हेतु कहीं अधिक, और प्रति इकाई द्रव्यमान ह्यूमस हेतु सर्वाधिक। क्षारक संतृप्ति CEC का वह अंश है जो क्षारक धनायन घेरते हैं: BS = (Ca²⁺ + Mg²⁺ + K⁺ + Na⁺)/CEC × 100; शेष H⁺ व Al³⁺ थामते हैं, अतः कम क्षारक संतृप्ति अम्लीय मृदा का चिह्न है। सिंचाई जल व सोडियमी मृदा हेतु सोडियम अधिशोषण अनुपात, SAR = Na⁺/√[(Ca²⁺ + Mg²⁺)/2], सभी सांद्रताएँ meq/L में, बताता है कि सोडियम विनिमय स्थलों पर कैल्शियम व मैग्नीशियम को कितना विस्थापित करेगा; उच्च विनिमेय सोडियम मृत्तिका को परिक्षेपित करता है, सतह को बंद करता है और पारगम्यता नष्ट करता है। मृदा-पक्ष का माप विनिमेय सोडियम प्रतिशत ESP = विनिमेय Na/CEC × 100 है।
5. वायुमंडलीय रसायन: संघटन, सूक्ष्म गैसों की अभिक्रियाशीलता व ओज़ोन निर्माण
शुष्क वायु आयतन से लगभग 78.08% N₂, 20.95% O₂ व 0.93% Ar है; शेष सब सूक्ष्म गैसें हैं — 2020 के दशक में लगभग 420 ppm CO₂, लगभग 2 ppm CH₄, लगभग एक-तिहाई ppm N₂O, और ppb स्तर या उससे नीचे ओज़ोन, CO, SO₂, NOₓ व वाष्पशील कार्बनिक — साथ ही परिवर्ती जलवाष्प। सूक्ष्म गैसें अपनी मात्रा से कहीं अधिक महत्व रखती हैं क्योंकि वे अवरक्त विकिरण अवशोषित करती हैं, अभिक्रिया करती हैं, और कण बनाती हैं। कोई गैस कितनी देर टिकती है वह उसका निवास काल τ = वायुमंडलीय भार/निष्कासन दर है: अल्पजीवी स्पीशीज़ (घंटों से दिनों तक, जैसे SO₂ व NOₓ) अपने स्रोतों के पास सांद्रित क्षेत्रीय समस्याएँ हैं, जबकि दीर्घजीवी (वर्षों से सदियों तक, जैसे CO₂, N₂O व CFC) वैश्विक रूप से मिश्रित होती हैं।
क्षोभमंडल स्वयं को मुख्यतः हाइड्रॉक्सिल मूलक OH से स्वच्छ करता है, जो तब बनता है जब ओज़ोन पराबैंगनी प्रकाश से उत्तेजित ऑक्सीजन परमाणु में प्रकाश-अपघटित होती है जो जलवाष्प से अभिक्रिया करता है। OH, CO को CO₂ में, CH₄ को अंततः CO₂ में, SO₂ को सल्फ़्यूरिक अम्ल की ओर व NO₂ को नाइट्रिक अम्ल में ऑक्सीकृत करता है, अतः यह अधिकांश अभिक्रियाशील गैसों का जीवनकाल तय करता है — और जिन गैसों पर OH आक्रमण नहीं कर सकता, जैसे CFC व N₂O, वे समतापमंडल तक पहुँचने जितनी देर बची रहती हैं।
- प्रकाश-अपघटन: NO₂ + hν (λ < लगभग 420 nm) → NO + O।
- ओज़ोन निर्माण: O + O₂ + M → O₃ + M, जहाँ M कोई भी तीसरा अणु है जो ऊर्जा ले जाता है।
- अनुमापन: NO + O₃ → NO₂ + O₂। ये तीन अभिक्रियाएँ अकेले एक प्रकाश-स्थिर अवस्था [O₃] = J[NO₂]/(k[NO]) पर पहुँचती हैं, बिना शुद्ध ओज़ोन लाभ के।
- VOC लघुपथ: OH से ऑक्सीकृत हाइड्रोकार्बन परॉक्सी मूलक (RO₂, HO₂) बनाते हैं जो NO को NO₂ में ओज़ोन खपाए बिना बदलते हैं — RO₂ + NO → RO + NO₂ — अतः NO₂/NO अनुपात बढ़ता है और ओज़ोन संचित होती है। परॉक्सीऐसिटिल नाइट्रेट (PAN) एक सह-उत्पाद व नेत्र-क्षोभक है।
मुख्य बिंदु
- सक्रियता γ × सांद्रता है; आयनिक सामर्थ्य I = ½Σcz², और log γ = −0.51z²√I दिखाता है कि द्विसंयोजी आयन एकसंयोजी से चार गुना प्रभावित होते हैं।
- ΔG° = −RT ln K दिशा तय करता है, दर नहीं; C, ln C या 1/C में से कौन समय के साथ रैखिक है उससे अभिक्रिया कोटि पहचानें, और दरें θ^(T − 20) से संशोधित करें।
- pH = pK_a + log([A⁻]/[HA]); बफ़र pH = pK_a पर सर्वोत्तम। कार्बोनेट तंत्र (pK₁ 6.35, pK₂ 10.33) में प्राकृतिक जल में बाइकार्बोनेट प्रधान है; क्षारीयता P व T नियमों से बाँटें।
- हेनरी नियम C = K_H p; विलेयता गुणनफल अवक्षेपण तय करते हैं (1:2 लवण हेतु 4s³); सूक्ष्मजीव रेडॉक्स सीढ़ी O₂, NO₃⁻, Mn(IV), Fe(III), SO₄²⁻, CO₂ पर नीचे उतरते हैं।
- क्षारक संतृप्ति = क्षारक धनायन/CEC; SAR = Na/√[(Ca + Mg)/2], meq/L में। क्षोभमंडलीय ओज़ोन द्वितीयक है: NO₂ प्रकाश-अपघटन उसे बनाता है, NO उसका अनुमापन करता है, और VOC परॉक्सी मूलक संतुलन झुकाते हैं।
अभ्यास प्रश्न (17)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
पूर्ण वियोजन मानते हुए CaCl₂ के 0.01 M विलयन की आयनिक सामर्थ्य, mol/L में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 0.03
CaCl₂ से 0.01 M Ca²⁺ व 0.02 M Cl⁻ मिलते हैं। I = ½(0.01 × 2² + 0.02 × 1²) = ½(0.04 + 0.02) = 0.03 M। Ca²⁺ के आवेश का वर्ग भूलने पर 0.02; दो क्लोराइड भूलने पर 0.025 आता है।डेबाय–हकल सीमांत नियम log γ = −0.51z²√I से 0.01 M आयनिक सामर्थ्य पर द्विसंयोजी आयन का सक्रियता गुणांक क्या है? उत्तर दो दशमलव स्थानों तक दें।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 0.63
log γ = −0.51 × 2² × √0.01 = −0.51 × 4 × 0.1 = −0.204, अतः γ = 10^(−0.204) = 0.625, अर्थात 0.63। उसी I पर एकसंयोजी आयन का log γ = −0.051 व γ = 0.89 है: z² द्विसंयोजी आयन को कहीं कम "सक्रिय" बनाता है।एक अभिक्रिया का साम्य स्थिरांक 298 K पर 1000 है। उसका मानक गिब्स ऊर्जा परिवर्तन, kJ/mol में, एक दशमलव स्थान तक क्या है? (R = 8.314 J/(mol·K))
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: -17.1
ΔG° = −RT ln K = −8.314 × 298 × ln 1000 = −8.314 × 298 × 6.908 = −17115 J/mol, अर्थात -17.1 kJ/mol। ऋणात्मक चिह्न K > 1 से आता है; ln के स्थान पर log₁₀ लेने पर −7.4 आता है, 2.303 गुना छोटा।एक कीटनाशी मृदा में प्रथम-कोटि बलगतिकी से k = 0.1 प्रति दिन के साथ निम्नीकृत होता है। उसकी अर्ध-आयु, दिनों में, दो दशमलव स्थानों तक क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 6.93
t½ = ln 2/k = 0.693/0.1 = 6.93 दिन, प्रारंभिक सांद्रता से स्वतंत्र, जो प्रथम कोटि की पहचान है। 1/k = 10 दिन लेना माध्य जीवनकाल है, अर्ध-आयु नहीं।एक बफ़र में 0.1 M ऐसीटिक अम्ल व 0.2 M सोडियम ऐसीटेट है। यदि ऐसीटिक अम्ल का pKa 4.76 है, तो pH क्या है? उत्तर दो दशमलव स्थानों तक दें।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 5.06
pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) = 4.76 + log(0.2/0.1) = 4.76 + 0.301 = 5.06। अनुपात उलटने पर 4.46 आता है, जो क्षारक से अधिक अम्ल वाले बफ़र का वर्णन होता।एक जल में 60 mg/L कैल्शियम आयन है और मैग्नीशियम नहीं। उसकी कठोरता mg/L (CaCO₃ के रूप में) में क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 150
Ca²⁺ का तुल्यांकी भार = 40/2 = 20 व CaCO₃ का = 50, अतः कठोरता = 60 × 50/20 = 150 mg/L (CaCO₃ के रूप में)। मोलर द्रव्यमान लेने पर, 60 × 100/40, वही 150 आता है क्योंकि दोनों द्विसंयोजी हैं; उन्हें मिलाने पर, 60 × 100/20, 300 आता है।एक जल नमूने का अनुमापन 20 mg/L फ़िनॉल्फ़्थेलिन क्षारीयता व 100 mg/L कुल क्षारीयता देता है, दोनों CaCO₃ के रूप में। बाइकार्बोनेट क्षारीयता, mg/L (CaCO₃ के रूप में) में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 60
P = 20, T/2 = 50 से कम है, अतः हाइड्रॉक्साइड अनुपस्थित, कार्बोनेट = 2P = 40 व बाइकार्बोनेट = T − 2P = 100 − 40 = 60 mg/L (CaCO₃ के रूप में)। बाइकार्बोनेट को T − P = 80 लेना भूल जाता है कि फ़िनॉल्फ़्थेलिन अंत्य-बिंदु कार्बोनेट को केवल आधा, बाइकार्बोनेट तक, बदलता है।कार्बोनिक अम्ल का प्रथम वियोजन स्थिरांक pK₁ = 6.35 लेकर, pH 7.35 वाले जल में अनुपात [HCO₃⁻]/[H₂CO₃*] क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 10
K₁ = [H⁺][HCO₃⁻]/[H₂CO₃] से अनुपात 10^(pH − pK₁) = 10^(7.35 − 6.35) = 10¹ = 10 है: pK₁ से एक pH इकाई ऊपर बाइकार्बोनेट कार्बोनिक अम्ल से दस गुना भारी है। तब अकार्बनिक कार्बन का केवल लगभग 9% H₂CO₃ है।ऑक्सीजन हेतु हेनरी स्थिरांक 1.3 × 10⁻³ mol/(L·atm) है। 0.21 atm ऑक्सीजन आंशिक दाब वाली वायु के संपर्क में जल में घुलित ऑक्सीजन की संतृप्ति सांद्रता, mg/L में, दो दशमलव स्थानों तक क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 8.74
C = K_H × p = 1.3 × 10⁻³ × 0.21 = 2.73 × 10⁻⁴ mol/L; × 32 000 mg/mol = 8.74 mg/L। आंशिक दाब के स्थान पर 1 atm लेने पर 41.6 mg/L आता है, जो शुद्ध ऑक्सीजन के सापेक्ष संतृप्ति है।CaF₂ का विलेयता गुणनफल 3.9 × 10⁻¹¹ है। शुद्ध जल में ठोस CaF₂ के साथ साम्य में जल की फ़्लोराइड सांद्रता, mg/L में, दो दशमलव स्थानों तक क्या है? (F = 19)
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 8.12
CaF₂ ⇌ Ca²⁺ + 2F⁻: K_sp = s(2s)² = 4s³, अतः s = (3.9 × 10⁻¹¹/4)^(1/3) = 2.136 × 10⁻⁴ M। [F⁻] = 2s = 4.27 × 10⁻⁴ M × 19 000 mg/mol = 8.12 mg/L। K_sp = s² (1:1 लवण की भाँति) लेने पर s = 6.2 × 10⁻⁶ M और बहुत कम फ़्लोराइड आता है।किसी सुपोषी झील के अवसाद में, घुलित ऑक्सीजन व नाइट्रेट समाप्त होने के बाद, क्रम से अगले कौन-से इलेक्ट्रॉन ग्राही प्रयुक्त होते हैं?
उत्तर देखें
उत्तर: B — मैंगनीज़(IV), फिर लोहा(III), फिर सल्फ़ेट, फिर CO₂
सूक्ष्मजीव ग्राहियों का प्रयोग घटती ऊर्जा-प्राप्ति के क्रम में करते हैं: O₂, NO₃⁻, Mn(IV), Fe(III), SO₄²⁻ और अंत में CO₂ (मीथेनजनन)। इसीलिए ऑक्सीजन-रहित झील-तल H₂S की गंध से पहले Mn व Fe छोड़ता है, और मीथेन सबसे अंत में आती है। विकल्प A सीढ़ी के मध्य को उलट देता है।जल-गुणता मापन के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
उत्तर देखें
उत्तर: A — अधिकांश अपशिष्ट जलों हेतु COD, BOD₅ से अधिक होता है; B — विंकलर विधि आयोडोमितीय अनुमापन से घुलित ऑक्सीजन निर्धारित करती है; C — कठोरता एरियोक्रोम ब्लैक T के साथ EDTA अनुमापन से निर्धारित होती है
(a) COD लगभग सभी कार्बनिक पदार्थ रासायनिक रूप से ऑक्सीकृत करता है, वह भी जिसे सूक्ष्मजीव पाँच दिन में नहीं तोड़ सकते, अतः COD > BOD₅। (b) व (c) मानक विधियाँ हैं। (d) असत्य है: आविलता एक प्रकाशिक गुण है जो नेफ़ेलोमीटर से NTU में बताया जाता है; mg/L (CaCO₃ के रूप में) कठोरता व क्षारीयता की इकाई है।एक सिंचाई जल में 230 mg/L Na⁺, 40 mg/L Ca²⁺ व 24 mg/L Mg²⁺ हैं। उसका सोडियम अधिशोषण अनुपात, दो दशमलव स्थानों तक, क्या है? (Na = 23, Ca = 40, Mg = 24)
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 7.07
meq/L में बदलें: Na⁺ = 230/23 = 10, Ca²⁺ = 40/20 = 2, Mg²⁺ = 24/12 = 2। SAR = 10/√[(2 + 2)/2] = 10/√2 = 7.07। Ca व Mg हेतु mmol/L (1 व 1) लेने पर 10/1 = 10, और mg/L लेने पर 40.7 आता है।एक मृदा की धनायन विनिमय क्षमता 20 cmol(+)/kg है और विनिमेय Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ व Na⁺ क्रमशः 10, 3, 1 व 1 cmol(+)/kg हैं। उसकी क्षारक संतृप्ति, प्रतिशत में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 75
BS = (10 + 3 + 1 + 1)/20 × 100 = 15/20 × 100 = 75%। शेष 5 cmol(+)/kg, H⁺ व Al³⁺ अर्थात अम्लीय धनायनों द्वारा थामा गया है। Na⁺ छोड़ने पर 70% आता है, परंतु सोडियम क्षारक धनायन है।प्रति इकाई द्रव्यमान, किस मृदा घटक की धनायन विनिमय क्षमता सामान्यतः सर्वाधिक होती है?
उत्तर देखें
उत्तर: D — ह्यूमस
ह्यूमस में प्रचुर कार्बोक्सिलिक व फ़िनॉलिक समूह हैं जिनका ऋणात्मक आवेश उसे किसी भी मृत्तिका से अधिक प्रति किलोग्राम CEC देता है। फूलने वाली 2:1 मृत्तिका मॉन्टमोरिलोनाइट अगली है और न फूलने वाली 1:1 मृत्तिका केओलिनाइट से बहुत ऊपर है; क्वार्ट्ज़ बालू में लगभग कुछ नहीं।धूप वाले नगरीय वायु-पुंज में NO₂ की प्रकाश-अपघटन दर 0.5 min⁻¹, NO + O₃ → NO₂ + O₂ का दर स्थिरांक 25 ppm⁻¹ min⁻¹, और [NO₂]/[NO] = 2 है। प्रकाश-स्थिर अवस्था मानकर ओज़ोन सांद्रता, ppm में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 0.04
स्थिर अवस्था में ओज़ोन निर्माण उसके अनुमापन के बराबर है: J[NO₂] = k[NO][O₃], अतः [O₃] = (J/k)([NO₂]/[NO]) = (0.5/25) × 2 = 0.04 ppm। NO₂/NO अनुपात दोगुना करना — जो VOC परॉक्सी मूलक करते हैं — ओज़ोन दोगुनी करता है।वायुमंडलीय रसायन के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
उत्तर देखें
उत्तर: A — हाइड्रॉक्सिल मूलक क्षोभमंडल का प्रमुख दिवाकालीन ऑक्सीकारक है; B — क्लोरीन द्वारा समतापमंडलीय ओज़ोन विनाश उत्प्रेरकीय है; D — नाइट्रस ऑक्साइड क्षोभमंडल में दीर्घजीवी है और मुख्यतः समतापमंडल में नष्ट होता है
(a) OH, CO, CH₄, SO₂ व NO₂ को ऑक्सीकृत करता है और अधिकांश क्षोभमंडलीय जीवनकाल तय करता है। (b) Cl + O₃ → ClO + O₂ व ClO + O → Cl + O₂ क्लोरीन को पुनर्जीवित करते हैं, अतः एक परमाणु अनेक ओज़ोन अणु नष्ट करता है। (d) N₂O, OH से अभिक्रिया नहीं करता और समतापमंडल में प्रकाश-अपघटन से हटता है। (c) असत्य है: ओज़ोन उत्सर्जित नहीं होती बल्कि धूप में NOₓ व VOC से बनती है, अतः द्वितीयक है।