d- व f-ब्लॉक तत्व
संक्रमण धातुएँ जैसा व्यवहार करती हैं वैसा क्यों
| गुण | कारण |
|---|---|
| परिवर्ती ऑक्सीकरण अवस्थाएँ | ns व (n−1)d इलेक्ट्रॉन ऊर्जा में निकट हैं, अतः दोनों खो सकते हैं |
| रंगीन आयन | दृश्य प्रकाश अवशोषित करते d–d संक्रमण |
| अनुचुंबकत्व | अयुग्मित d इलेक्ट्रॉन |
| उत्प्रेरक सक्रियता | परिवर्ती ऑक्सीकरण अवस्था तथा अभिकारकों का पृष्ठ अधिशोषण |
| संकुल निर्माण | एकाकी युग्म स्वीकारने हेतु रिक्त d कक्षकों सहित छोटे अत्यधिक आवेशित आयन |
| मिश्रातु निर्माण | समान परमाणु त्रिज्याएँ एक धातु को जालक में दूसरी की जगह लेने देती हैं |
सर्वोच्च ऑक्सीकरण अवस्था श्रेणी के मध्य में शिखर पर होती है, क्योंकि वहीं आबंधन हेतु अधिकतम d इलेक्ट्रॉन उपलब्ध हैं जबकि नाभिक उन्हें अभी भी जाने दे सकता है। मैंगनीज़, 3d⁵4s² सहित, MnO₄⁻ में +7 तक पहुँचता है और +2 से +7 तक प्रत्येक अवस्था दर्शाता है; लोहे तक नाभिकीय खिंचाव इतना बढ़ चुका है कि +6 व्यावहारिक सीमा है, और ज़िंक तक केवल +2 शेष रहती है। जलीय विलयन में सर्वाधिक स्थायी अवस्था श्रेणी के अधिकांश हेतु +2 है, और Mn²⁺ (3d⁵) व Fe³⁺ (3d⁵) असामान्य रूप से स्थायी हैं क्योंकि अर्ध-पूरित d कोश अतिरिक्त विनिमय ऊर्जा वहन करता है।
वे यौगिक जो वास्तव में पूछे जाते हैं
| बिंदु | KMnO₄ | K₂Cr₂O₇ |
|---|---|---|
| धातु की ऑक्सीकरण अवस्था | Mn है +7 | Cr है +6 |
| रंग व उसका मूल | गहरा बैंगनी — आवेश स्थानांतरण, d–d नहीं, क्योंकि Mn, d⁰ है | नारंगी — भी आवेश स्थानांतरण |
| क्षार में व्यवहार | केवल हरे मैंगनेट तक अपचयित, n-गुणक 1 | पीले क्रोमेट CrO₄²⁻ में बदलता है |
| अम्ल में व्यवहार | Mn²⁺ तक अपचयित, n-गुणक 5 | Cr³⁺ तक अपचयित, n-गुणक 6 |
| प्राथमिक मानक के रूप में प्रयोग | नहीं — वह यथार्थ तोलने योग्य स्थायी नहीं | हाँ — स्थायी, अनार्द्रताग्राही, तोलने योग्य |
दो और यौगिक-तथ्य आवर्तित होते हैं। Cu⁺ जल में विषमानुपातित होता है — 2Cu⁺ → Cu²⁺ + Cu — क्योंकि द्विआवेशित Cu²⁺ की अत्यधिक बड़ी जलयोजन एन्थैल्पी द्वितीय आयनन की पूर्ति से अधिक करती है, अतः कॉपर(I) लवण केवल तब स्थायी हैं जब अविलेय हों (CuCl, CuI) या संकुलित। और 3d श्रेणी की +2 अवस्था जल में सर्वत्र स्थायीकृत है उसी जलयोजन कारण से, इसीलिए Fe²⁺ विलयन में प्रसन्नता से रहता है जबकि Fe⁴⁺ नहीं।
लैंथेनॉयड व ऐक्टिनॉयड
चौदह लैंथेनॉयड रासायनिक रूप से इतने समान हैं कि उनका पृथक्करण उन्नीसवीं सदी के रसायन की कठिनतम समस्याओं में एक था। कारण यह है कि विभेदक इलेक्ट्रॉन गहराई से दबे 4f कक्षकों में प्रवेश करते हैं, जो आबंधन करते बाह्य 5d/6s कोश को लगभग प्रभावित नहीं करते — अतः वे सभी लगभग समान आकार के +3 आयनों के रूप में व्यवहार करते हैं। श्रेणी में लैंथेनॉयड संकुचन उन 4f इलेक्ट्रॉनों के दुर्बल परिरक्षण से उत्पन्न लगातार सिकुड़न है, और उसके परिणाम f-ब्लॉक से बहुत बाहर तक पहुँचते हैं, Hf को Zr के आकार का व 5d धातुओं को असामान्य रूप से घना बनाते हुए।
| लक्षण | लैंथेनॉयड (4f) | ऐक्टिनॉयड (5f) |
|---|---|---|
| सामान्य ऑक्सीकरण अवस्था | लगभग सदा +3 | +3 परंतु +4, +5, +6, +7 भी |
| अंतर का कारण | 4f दबा व परिरक्षित है | 5f कम दबा है, अतः आबंधन हेतु अधिक उपलब्ध |
| रेडियोऐक्टिवता | केवल प्रोमीथियम | उनमें से सभी |
| श्रेणी में संकुचन | लैंथेनॉयड संकुचन | ऐक्टिनॉयड संकुचन — उससे भी तीव्र |
| संकुल निर्माण | सीमित प्रवृत्ति | अधिक प्रवृत्ति, उच्च आवेश व छोटे आकार से |
मुख्य बिंदु
- प्रत्येक संक्रमण-धातु गुण (n−1)d व ns के ऊर्जा में निकट होने तक जाता है, अतः d इलेक्ट्रॉन उपलब्ध हैं।
- Zn, Cd व Hg d-ब्लॉक हैं परंतु संक्रमण धातुएँ नहीं — d¹⁰ उनका रंगहीन होना व पारद का द्रव होना समझाता है।
- सर्वोच्च ऑक्सीकरण अवस्था श्रेणी के मध्य शिखर पर है: Mn +7 तक पहुँचता है, और ज़िंक तक केवल +2 बचती है।
- रंग प्रायः d–d संक्रमणों से आता है, परंतु MnO₄⁻ (d⁰) लिगैंड-से-धातु आवेश स्थानांतरण से रंगीन है।
- KMnO₄ का n-गुणक अम्ल में 5, उदासीन में 3 व क्षार में 1; K₂Cr₂O₇ का n-गुणक 6 और वह प्राथमिक मानक है।
- Cu⁺ जल में विषमानुपातित होता है क्योंकि Cu²⁺ की जलयोजन एन्थैल्पी द्वितीय आयनन चुका देती है।
- लैंथेनॉयड लगभग समरूप हैं क्योंकि 4f दबा है; ऐक्टिनॉयड अनेक अवस्थाएँ दर्शाते हैं क्योंकि 5f अधिक उपलब्ध है।
- Ce⁴⁺ (4f⁰) व Eu²⁺ (4f⁷) f-ब्लॉक अपवाद हैं, और दोनों स्थायी उपकोश विन्यासों से आते हैं।
अभ्यास प्रश्न (8)
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।
Zn²⁺ लवण रंगहीन क्यों हैं जबकि Cu²⁺ लवण नीले?
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उत्तर: B — Zn²⁺, 3d¹⁰ है, d–d संक्रमण हेतु कोई रिक्ति नहीं, जबकि Cu²⁺, 3d⁹
संक्रमण-धातु आयनों में रंग सामान्यतः विपाटित d कक्षकों के बीच इलेक्ट्रॉन के उन्नयन से उठता है, जिसके लिए चलने योग्य इलेक्ट्रॉन व जिसमें चलना है वह रिक्ति दोनों चाहिए। Zn²⁺ का 3d¹⁰ समुच्चय पूर्णतः पूर्ण है अतः ऐसा कोई संक्रमण संभव नहीं, जबकि Cu²⁺, 3d⁹ है और उसमें ठीक एक रिक्ति है। वही तर्क Sc³⁺ व Ti⁴⁺ को विपरीत सिरे से रंगहीन बनाता है — d⁰, अतः उन्नयन हेतु कोई इलेक्ट्रॉन उपलब्ध नहीं।MnO₄⁻ का तीव्र बैंगनी रंग किसके कारण है:
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उत्तर: B — लिगैंड-से-धातु आवेश स्थानांतरण
MnO₄⁻ में मैंगनीज़ +7 और अतः 3d⁰ है, अतः उन्नयन हेतु कोई d इलेक्ट्रॉन नहीं और d–d संक्रमण असंभव है। रंग बजाय ऑक्सीजन p कक्षक से रिक्त मैंगनीज़ d कक्षक में इलेक्ट्रॉन छलाँगने से आता है। आवेश-स्थानांतरण पट्टियाँ d–d पट्टियों से बहुत अधिक तीव्र हैं, इसीलिए परमैंगनेट उन सांद्रताओं पर गहरा रंगीन है जहाँ कॉपर सल्फ़ेट बस हल्का रंगा हो।पारद कक्ष-ताप पर द्रव मुख्यतः इसलिए है कि:
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उत्तर: B — उसका पूरित 5d¹⁰ कोश केवल s इलेक्ट्रॉनों से दुर्बल धात्विक आबंधन छोड़ता है
धात्विक आबंध प्रबलता इस पर निर्भर है कि अध्रुवीकरण हेतु कितने इलेक्ट्रॉन उपलब्ध हैं, और पूर्ण d¹⁰ कोश कोई नहीं देता, केवल दो 6s इलेक्ट्रॉन छोड़ते हुए। वह क्षीण आबंधन व अत्यंत निम्न गलनांक देता है। विरोध टंगस्टन है, जिसका आंशिक पूरित d कोश किसी भी तत्व का प्रबलतम धात्विक आबंधन व 3422 °C गलनांक देता है।आयतनमापी विश्लेषण में प्राथमिक मानक के रूप में किसका प्रयोग होता है?
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उत्तर: B — K₂Cr₂O₇
पोटैशियम डाइक्रोमेट स्थायी, अनार्द्रताग्राही है और यथार्थ तोला जा सकता है, अतः ज्ञात सांद्रता का विलयन सीधे बनाया जा सकता है। KMnO₄ धीरे-धीरे विघटित होता है व MnO₂ से दूषित रहता है, NaOH वायु से आर्द्रता व कार्बन डाइऑक्साइड दोनों अवशोषित करता है, और सांद्र HCl गैस खोता है — अतः तीनों को तोलने के बजाय किसी अन्य के सामने मानकीकृत करना पड़ता है।Cu⁺ जलीय विलयन में विषमानुपातित होता है क्योंकि:
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उत्तर: B — Cu²⁺ की बड़ी जलयोजन एन्थैल्पी द्वितीय आयनन एन्थैल्पी से भारी है
Cu²⁺ छोटा व द्विआवेशित है, अतः उसकी जलयोजन एन्थैल्पी अत्यंत बड़ी है — द्वितीय इलेक्ट्रॉन हटाने की ऊर्जा-लागत से अधिक चुकाने योग्य बड़ी, जो जल में 2Cu⁺ → Cu²⁺ + Cu को स्वतःप्रवर्तित बनाती है। ध्यान दें कि 3d¹⁰ सामान्यतः स्थायी विन्यास है, अतः प्रथम विकल्प का तर्क उलटा है, और कॉपर(I) लवण अविलेय होने पर वस्तुतः पूर्णतः स्थायी हैं, जैसे CuCl व CuI।ऐक्टिनॉयड लैंथेनॉयडों से बहुत विस्तृत ऑक्सीकरण अवस्था परास दर्शाते हैं क्योंकि:
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उत्तर: B — 5f कक्षक 4f से कम दबे हैं अतः आबंधन हेतु अधिक उपलब्ध हैं
लैंथेनॉयड 4f कक्षक परमाणु के भीतर गहरे हैं और रसायन से परिरक्षित, अतः लगभग प्रत्येक लैंथेनॉयड +3 के रूप में व्यवहार करता है और कुछ नहीं। ऐक्टिनॉयड 5f कक्षक अधिक विस्तारित व 6d के ऊर्जा में निकट हैं, अतः उनके इलेक्ट्रॉन आबंधन में भाग ले सकते हैं, यूरेनियम को +3 से +6 तक व नेप्ट्यूनियम को +7 तक अवस्थाएँ देते हुए। रेडियोऐक्टिवता नाभिकीय गुण है और उसका इससे कोई संबंध नहीं कि कौन इलेक्ट्रॉन आबंधित हो सकते हैं।मैंगनीज़ की सर्वोच्च ऑक्सीकरण अवस्था +7 संभव है क्योंकि:
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उत्तर: A — उसके 3d⁵4s² में सात संयोजी इलेक्ट्रॉन उपलब्ध हैं
मैंगनीज़ 3d⁵4s² है, अतः उन सातों इलेक्ट्रॉनों का सिद्धांततः आबंधन में प्रयोग हो सकता है, ठीक वही MnO₄⁻ का +7 है। इसीलिए अधिकतम ऑक्सीकरण अवस्था श्रेणी के मध्य शिखर पर है: पूर्ववर्ती तत्वों के पास देने योग्य कम d इलेक्ट्रॉन हैं, और परवर्ती अपने बहुत कसकर रखते हैं क्योंकि नाभिकीय आवेश बढ़ता है, अतः ज़िंक तक केवल +2 शेष रहती है।सीरियम सामान्यतः +4 अवस्था दर्शाता है, जो लैंथेनॉयडों में असामान्य है, क्योंकि Ce⁴⁺:
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उत्तर: B — ज़ीनॉन का रिक्त 4f⁰ विन्यास प्राप्त करता है
सीरियम से चौथा इलेक्ट्रॉन हटाना 4f उपकोश पूर्णतः रिक्त कर देता है, ज़ीनॉन का उत्कृष्ट-गैस विन्यास देते हुए, और वह स्थायित्व +4 को सुलभ बनाता है। अर्ध-पूरित 4f⁷ उत्तर यूरोपियम व गैडोलीनियम का है — Eu²⁺ ठीक उसी कारण स्थायीकृत है। धनायन सदा अपने कम-आवेशित रूप से छोटा होता है, अतः अंतिम विकल्प असंभव है।