27p-ब्लॉक I: बोरॉन, कार्बन और नाइट्रोजन समूह

जिस वायु में हम साँस लेते हैं उसका चार-पाँचवाँ भाग नाइट्रोजन है, फिर भी पौधे उसके लिए भूखे रहते हैं: $\ce{N#N}$ त्रि-आबंध इतना प्रबल है कि लगभग कुछ भी उसे नहीं तोड़ता। इतिहास के अधिकांश समय में फ़सलों का नाइट्रोजन खाद से, फलीदार पौधों की जड़ों पर रहने वाले जीवाणुओं से, और खोदे गए नाइट्रेटों से आता था। बीसवीं शताब्दी के आरंभ में लोहे के उत्प्रेरक पर नाइट्रोजन और हाइड्रोजन के बीच एक अभिक्रिया ने इसे बदल दिया; आज संसार प्रति वर्ष अमोनिया के रूप में लगभग 16 करोड़ टन नाइट्रोजन बनाता है, और मानव शरीर के नाइट्रोजन का लगभग आधा भाग किसी अमोनिया संयंत्र से होकर गुज़रा है। समूह 13, 14 और 15 में उस कहानी के तत्त्व हैं — उर्वरकों के लिए नाइट्रोजन और फ़ॉस्फ़ोरस, जीवन और चट्टानों के लिए कार्बन और सिलिकॉन, काँच और हल्की मिश्रधातुओं के लिए बोरॉन और ऐलुमिनियम। यह अध्याय पिछले अध्यायों के उपकरणों से उनका सर्वेक्षण करता है।

पहले से ज्ञात

कार्बन के अपररूप तथा सिलिकॉन और सिलिका की संरचना (अध्याय 6); ऑक्साइडों का स्वभाव (परिभाषा 26.4); ऑक्सीकरण संख्याएँ और मानक विभव (अध्याय 13); उभयधर्मी हाइड्रॉक्साइड (अध्याय 11); गिब्ज़ ऊर्जाओं से साम्य स्थिरांक (अध्याय 7)।

27.1 समूह 13: बोरॉन और ऐलुमिनियम

बोरॉन एक उपधातु है जो अपूर्ण अष्टक वाले सहसंयोजी यौगिक बनाता है: $\ce{BF3}$ और बोरिक अम्ल $\ce{B(OH)3}$ में बोरॉन के छह संयोजकता इलेक्ट्रॉन होते हैं और वह लुइस अम्ल की तरह कार्य करता है (अध्याय 3)। बोरिक अम्ल प्रोटॉन खोकर नहीं, बल्कि एक हाइड्रॉक्साइड आयन ग्रहण करके दुर्बल अम्ल है, $\ce{B(OH)3 + 2H2O <=> B(OH)4- + H3O+}$। बोरैक्स, एक सोडियम बोरेट, काँच और अपमार्जकों में प्रयुक्त होता है।

परिभाषा 27.1 (ऑक्सोअम्ल)

ऑक्सोअम्ल ऐसा अम्ल है जिसके अम्लीय हाइड्रोजन परमाणु ऐसे ऑक्सीजन परमाणुओं से आबंधित हैं जो एक केंद्रीय परमाणु से आबंधित हैं: $\ce{B(OH)3}$, $\ce{H2CO3}$, $\ce{HNO3}$ ($\ce{HO-NO2}$), $\ce{H3PO4}$ ($\ce{(HO)3PO}$), $\ce{H2SO4}$। केंद्रीय परमाणु के चारों ओर हाइड्रोजन-रहित ऑक्सीजन परमाणु जितने अधिक, अम्ल उतना ही प्रबल।

बोरॉन के नीचे ऐलुमिनियम एक धातु है, पर उसका छोटा, उच्च आवेशित आयन उसे उभयधर्मी ऑक्साइड और हाइड्रॉक्साइड देता है (अनुभाग 11.5)। उसका अयस्क बॉक्साइट है, जो लौह ऑक्साइडों और सिलिका के साथ ऐलुमिनियम हाइड्रॉक्साइडों का मिश्रण है; 2025 में संसार ने लगभग 44 करोड़ टन बॉक्साइट खोदा और उससे लगभग 15 करोड़ टन ऐलुमिना परिष्कृत किया।

प्रतिज्ञप्ति 27.2 (बायर प्रक्रम)

गरम सांद्र सोडियम हाइड्रॉक्साइड बॉक्साइट के ऐलुमिनियम को $\ce{Al(OH)4-}$ के रूप में घोल देता है और लौह ऑक्साइडों (लाल पंक) को छोड़ देता है; छने हुए विलयन को ठंडा करने और उसमें बीज डालने से शुद्ध $\ce{Al(OH)3}$ अवक्षेपित होता है, जिसे निस्तापित करके ऐलुमिना बनाया जाता है, $\ce{2Al(OH)3 -> Al2O3 + 3H2O}$।

फिर ऐलुमिना को गलित क्रायोलाइट में विद्युत-अपघटन द्वारा ऐलुमिनियम में अपचित किया जाता है, एक उद्योग जिसका अध्ययन द्वितीय वर्ष के खंड में है।

27.2 समूह 14: कार्बन और सिलिकॉन

कार्बन और सिलिकॉन दोनों चार आबंध बनाते हैं, पर भिन्न ढंग से। कार्बन प्रबल द्वि-आबंध बनाता है: $\ce{CO2}$ एक अणु है, $\ce{O=C=O}$, एक गैस। सिलिकॉन शायद ही ऐसा करता है: $\ce{SiO2}$ उन $\ce{SiO4}$ चतुष्फलकों का सहसंयोजी जाल है जो अपने सभी कोने साझा करते हैं, एक कठोर ठोस, क्वार्ट्ज़ (अध्याय 6)। कार्बन डाइऑक्साइड एक अम्लीय ऑक्साइड है, जो कार्बोनिक अम्ल, हाइड्रोजनकार्बोनेट और कार्बोनेट देता है (अध्याय 10); सिलिका भी एक अम्लीय ऑक्साइड है, जिस पर गलित क्षार आक्रमण करके सिलिकेट देता है।

प्रतिज्ञप्ति 27.3 (सिलिकेट इकाइयाँ)

सिलिकेट $\ce{SiO4}$ चतुष्फलकों से बने होते हैं; अन्य चतुष्फलकों के साथ साझा कोनों की संख्या ऋणायन का सूत्र निर्धारित करती है: कोई नहीं, $\ce{SiO4^4-}$ (पृथक चतुष्फलक); दो, शृंखलाएँ $(\ce{SiO3})_n^{2n-}$; तीन, परतें $(\ce{Si2O5})_n^{2n-}$; चार, उदासीन ढाँचा $\ce{SiO2}$।

परिभाषा 27.4 (अक्रिय युग्म प्रभाव)

अक्रिय युग्म प्रभाव समूह 13 से 15 में नीचे जाने पर, समूह की उच्चतम ऑक्सीकरण अवस्था से दो कम वाली अवस्था का बढ़ता हुआ स्थायित्व है: (III) के बजाय थैलियम(I), (IV) के बजाय लेड(II), (V) के बजाय बिस्मथ(III)। भारी तत्त्वों का ns$^2$ युग्म दृढ़ता से बँधा रहता है और आबंधन में बहुत कम भाग लेता है।

यह प्रभाव समझाता है कि लेड(IV) ऑक्साइड प्रबल ऑक्सीकारक क्यों है ($E^\circ(\ce{PbO2}/\ce{Pb^2+}) = 1.46$ V, अध्याय 13), जबकि कार्बन(IV) और सिलिकॉन(IV) अपने तत्त्वों की स्थायी अवस्थाएँ हैं।

27.3 समूह 15: नाइट्रोजन

प्रतिज्ञप्ति 27.5 (नाइट्रोजन की सीढ़ी)

नाइट्रोजन $-3$ से $+5$ तक हर ऑक्सीकरण संख्या लेता है: $\ce{NH3}$ और $\ce{NH4+}$ ($-$III), $\ce{N2H4}$ ($-$II), $\ce{NH2OH}$ ($-$I), $\ce{N2}$ (0), $\ce{N2O}$ ($+$I), $\ce{NO}$ ($+$II), $\ce{HNO2}$ और $\ce{NO2-}$ ($+$III), $\ce{NO2}$ ($+$IV), $\ce{HNO3}$ और $\ce{NO3-}$ ($+$V)।

परिभाषा 27.6 (नाइट्रोजन स्थिरीकरण)

नाइट्रोजन स्थिरीकरण ऐसी कोई भी प्रक्रिया है जो वायु के डाइनाइट्रोजन को ऐसे यौगिक (अमोनिया, नाइट्रेट) में बदले जिसका उपयोग जीव या उद्योग कर सकें: जीवाणुओं द्वारा जैविक स्थिरीकरण, तड़ित द्वारा स्थिरीकरण, और अमोनिया का औद्योगिक संश्लेषण।

हेबर–बॉश प्रक्रम लोहे के उत्प्रेरक पर नाइट्रोजन और हाइड्रोजन को संयोजित करता है, $\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$। अभिक्रिया कमरे के ताप पर अनुकूल है ($25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर $K = 10^{5.8}$, अमोनिया की निर्माण गिब्ज़ ऊर्जा से), पर बहुत धीमी; उत्प्रेरक केवल गरम होने पर काम करता है, और दर और लब्धि में सामंजस्य बिठाने वाले ताप और दाब का चयन द्वितीय वर्ष के खंड में किया गया है। फिर अमोनिया को ओस्टवाल्ड प्रक्रम द्वारा नाइट्रिक अम्ल में ऑक्सीकृत किया जाता है।

विधि 27.7 (शृंखलाबद्ध औद्योगिक समीकरणों का संतुलन)

1. हर चरण संतुलित कीजिए: (1) $\ce{4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O}$; (2) $\ce{2NO + O2 -> 2NO2}$; (3) $\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}$।
2. चरणों को इस प्रकार गुणा कीजिए कि बना हर मध्यवर्ती खप जाए (चरण 3 का $\ce{NO}$ चरण 2 में लौटता है)।
3. जोड़िए: NO के पूर्ण पुनःचक्रण के साथ समग्र समीकरण $\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}$ है, प्रति अमोनिया एक नाइट्रिक अम्ल।
4. द्रव्यमान संतुलनों के लिए समग्र समीकरण का, और हर रिऐक्टर के अभिकल्पन के लिए चरणों का उपयोग कीजिए।

इतिहास — फ़्रिट्ज़ हेबर

फ़्रिट्ज़ हेबर ने दिखाया कि अमोनिया नाइट्रोजन और हाइड्रोजन से दाब में किसी उत्प्रेरक पर बनाई जा सकती है; कार्ल बॉश ने प्रयोगशाला की अभिक्रिया को एक औद्योगिक प्रक्रम में बदल दिया। हेबर को 1918 का रसायन का नोबेल पुरस्कार मिला। उसी व्यक्ति ने प्रथम विश्वयुद्ध में क्लोरीन के एक हथियार के रूप में पहले बड़े पैमाने के उपयोग का निर्देशन किया: जो रसायन आधी मानवता को भोजन देता है और जो रसायन मारता है, उन्हें रसायनज्ञों के चयन अलग करते हैं। (छायाचित्र: नोबेल फ़ाउंडेशन, 1919 में प्रकाशित, सार्वजनिक अधिकार-क्षेत्र, विकिमीडिया कॉमन्स।)

27.4 फ़ॉस्फ़ोरस और समूहों में नीचे की प्रवृत्तियाँ

नाइट्रोजन के नीचे फ़ॉस्फ़ोरस $\ce{P#P}$ त्रि-आबंध नहीं बनाता: श्वेत फ़ॉस्फ़ोरस $\ce{P4}$ चतुष्फलकों से बना है, जो तनावयुक्त और क्रियाशील हैं (वह वायु में प्रज्वलित हो जाता है और जल के नीचे रखा जाता है); लाल फ़ॉस्फ़ोरस एक बहुलक है, जो कहीं कम क्रियाशील है। फ़ॉस्फ़ोरस को जलाने से $\ce{P4O10}$ मिलता है, जो सामान्य ऑक्साइडों में सबसे अम्लीय है, और जल के साथ फ़ॉस्फ़ोरिक अम्ल देता है, $\mathrm{p}K_a$ 2.15, 7.21, 12.34 (अध्याय 10)। फ़ॉस्फ़ेट चट्टान, जो 2025 में लगभग 25 करोड़ टन खोदी गई, को सल्फ़्यूरिक अम्ल फ़ॉस्फ़ेट उर्वरकों में बदल देता है।

हर समूह में नीचे जाने पर तत्त्व अधिक धात्विक होते जाते हैं (बोरॉन से थैलियम, कार्बन से लेड, नाइट्रोजन से बिस्मथ), उनके ऑक्साइड अधिक क्षारकीय, और निम्नतर ऑक्सीकरण अवस्थाएँ अधिक स्थायी: अक्रिय युग्म प्रभाव। किसी आवर्त में आगे बढ़ने पर ऑक्साइड अधिक अम्लीय होते जाते हैं, क्षारकीय $\ce{Na2O}$ से फ़ॉस्फ़ोरस और सल्फ़र के अम्लीय ऑक्साइडों तक।

27.5 अभ्यास

अभ्यास 27.1 ★

$\ce{NH4NO3}$ (दोनों परमाणु), $\ce{N2O5}$, $\ce{HNO2}$, $\ce{N2H4}$ और $\ce{Mg3N2}$ में नाइट्रोजन की ऑक्सीकरण संख्या बताइए।

हल

हल — अभ्यास 27.1.

$\ce{NH4NO3}$: $\ce{NH4+}$ में $-$III, $\ce{NO3-}$ में $+$V। $\ce{N2O5}$: $+$V। $\ce{HNO2}$: $+$III। $\ce{N2H4}$: $-$II। $\ce{Mg3N2}$: $-$III।

अभ्यास 27.2 ★

$\ce{BF3}$, $\ce{NH3}$ और योगज $\ce{F3B-NH3}$ की लुइस संरचनाएँ खींचिए; लुइस अम्ल और क्षारक पहचानिए।

हल

हल — अभ्यास 27.2.

$\ce{BF3}$: तीन आबंधों और छह इलेक्ट्रॉनों वाला बोरॉन, त्रिकोणीय समतलीय। $\ce{NH3}$: तीन आबंध और एक एकाकी युग्म। N का एकाकी युग्म B से एक उपसहसंयोजी आबंध बनाता है: $\ce{BF3}$ लुइस अम्ल है, $\ce{NH3}$ लुइस क्षारक; योगज में दोनों परमाणु चतुष्फलकीय हैं।

अभ्यास 27.3 ★

सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ $\ce{CO2}$, $\ce{SiO2}$ (गलित) और $\ce{P4O10}$ की, और एक अम्ल तथा एक क्षारक के साथ $\ce{Al2O3}$ की अभिक्रियाएँ लिखिए।

हल

हल — अभ्यास 27.3.

$\ce{CO2 + 2NaOH -> Na2CO3 + H2O}$; $\ce{SiO2 + 2NaOH -> Na2SiO3 + H2O}$; $\ce{P4O10 + 12NaOH -> 4Na3PO4 + 6H2O}$; $\ce{Al2O3 + 6HCl -> 2AlCl3 + 3H2O}$; $\ce{Al2O3 + 2NaOH + 3H2O -> 2NaAl(OH)4}$।

अभ्यास 27.4 ★

$25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर $\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$ का साम्य स्थिरांक $\Delta_f G^\circ(\ce{NH3}) = -16.45\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ से परिकलित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 27.4.

$\Delta_r G^\circ = 2 \times (-16.45) = -32.9\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$, $\log K = 32.9/5.708 = 5.76$, $K = 10^{5.76}$।

अभ्यास 27.5 ★★

प्रतिज्ञप्ति 27.3 की गणना का उपयोग करके, दो-दो कोने साझा करने वाले छह चतुष्फलकों के वलय (जैसे बेरिल में) का और ऐसी द्वि-शृंखला का सूत्र बताइए जिसमें आधे चतुष्फलक दो कोने और आधे तीन कोने साझा करते हैं।

हल

हल — अभ्यास 27.5.

छह $\ce{SiO3^2-}$ इकाइयों का वलय: $\ce{Si6O18^12-}$। द्वि-शृंखला, प्रति चार सिलिकॉन: दो, दो साझा कोनों के साथ (3 O, प्रत्येक पर आवेश $-2$), दो तीन के साथ ($2.5$ O, प्रत्येक पर आवेश $-1$): $\ce{Si4O11^6-}$।

अभ्यास 27.6 ★★

द्रव्यमान से $55\,\%$ $\ce{Al(OH)3}$ युक्त एक टन बॉक्साइट से $92\,\%$ पुनःप्राप्ति के साथ प्राप्त ऐलुमिना का द्रव्यमान परिकलित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 27.6.

$\ce{Al(OH)3}$ का $550\,\mathrm{kg}$, $550/78.0 = 7.05\,\mathrm{kmol}$ है, जो $\ce{Al2O3}$ के $3.53\,\mathrm{kmol}$, $360\,\mathrm{kg}$, देता है; $92\,\%$ पर: $331\,\mathrm{kg}$।

अभ्यास 27.7 ★★

दिखाइए कि बोरिक अम्ल ब्रॉन्स्टेड अम्ल के बजाय लुइस अम्ल है, और समझाइए कि फिर भी उसका विलयन अम्लीय क्यों है।

हल

हल — अभ्यास 27.7.

बोरॉन के पास एक रिक्त कक्षक है और वह जल से लिए गए हाइड्रॉक्साइड आयन का एकाकी युग्म ग्रहण करता है: $\ce{B(OH)3 + 2H2O <=> B(OH)4- + H3O+}$। मुक्त प्रोटॉन जल के एक अणु से आता है, बोरिक अम्ल से नहीं।

अभ्यास 27.8 ★★

ऑक्सीकरण संख्याओं से अमोनिया के $\ce{NO}$ तक ऑक्सीकरण को संतुलित कीजिए और प्रति $\ce{NH3}$ विनिमित इलेक्ट्रॉनों की संख्या बताइए।

हल

हल — अभ्यास 27.8.

N, $-$III से $+$II पर जाता है, प्रति $\ce{NH3}$ पाँच इलेक्ट्रॉन; हर $\ce{O2}$ चार लेता है। $4 \times 5 = 5 \times 4$: $\ce{4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O}$।

अभ्यास 27.9 ★★

अमोनियम नाइट्रेट अमोनिया और नाइट्रिक अम्ल से बनाया जाता है। अभिक्रिया लिखिए, और प्रति टन अमोनियम नाइट्रेट आवश्यक अमोनिया का द्रव्यमान (नाइट्रिक अम्ल के लिए और उदासीनीकरण के लिए, दोनों) परिकलित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 27.9.

$\ce{NH3 + HNO3 -> NH4NO3}$। एक टन $10^6/80.0 = 1.25 \times 10^{4}\,\mathrm{mol}$ है; उदासीन करने के लिए $1.25 \times 10^{4}\,\mathrm{mol}$ अमोनिया और नाइट्रिक अम्ल बनाने के लिए $1.25 \times 10^{4}\,\mathrm{mol}$: $2.50 \times 10^4 \times 17.0 = 425\,\mathrm{kg}$।

अभ्यास 27.10 ★★★

द्वितीय-आवर्त और तृतीय-आवर्त परमाणुओं के बीच $\pi$ आबंधों की प्रबलता का उपयोग करके समझाइए कि नाइट्रोजन द्विपरमाणुक गैस और फ़ॉस्फ़ोरस $\ce{P4}$ अणुओं का ठोस क्यों है, और कार्बन डाइऑक्साइड गैस और सिलिका ठोस क्यों है।

हल

हल — अभ्यास 27.10.

द्वितीय-आवर्त के परमाणु छोटे होते हैं: उनके p कक्षक पार्श्व रूप से अच्छी तरह अतिव्यापित होकर प्रबल $\pi$ आबंध बनाते हैं, इसलिए $\ce{N#N}$ और $\ce{O=C=O}$ छोटे स्थायी अणु हैं। तृतीय-आवर्त के परमाणु बड़े होते हैं; उनका $\pi$ अतिव्यापन कमज़ोर होता है, और वे अधिक एकल आबंध पसंद करते हैं: $\ce{P4}$ चतुष्फलक, $\ce{SiO4}$ जाल।

अभ्यास 27.11 ★★★

मानक विभवों से दिखाइए कि लेड(IV) ऑक्साइड अम्ल में क्लोराइड आयनों को क्लोरीन में ऑक्सीकृत करता है, जबकि सिलिकॉन(IV) ऑक्साइड ऐसा कुछ नहीं करता। इसे अक्रिय युग्म प्रभाव से जोड़िए।

हल

हल — अभ्यास 27.11.

$E^\circ(\ce{PbO2}/\ce{Pb^2+}) = 1.46 > E^\circ(\ce{Cl2}/\ce{Cl-}) = 1.36$ V: $\ce{PbO2 + 4H+ + 2Cl- -> Pb^2+ + Cl2 + 2H2O}$। लेड(IV), लेड(II) की तुलना में अस्थायी है (अक्रिय युग्म); सिलिकॉन(II) कोई स्थायी अवस्था नहीं है और $\ce{SiO2}$ ऑक्सीकारक नहीं है।

अभ्यास 27.12 ★★★

संसार ने 2025 में अमोनिया के रूप में लगभग 16 करोड़ टन नाइट्रोजन बनाया। यह अमोनिया का कितना द्रव्यमान है, और उसमें हाइड्रोजन का कितना द्रव्यमान था? वह हाइड्रोजन मुख्यतः कहाँ से आता है?

हल

हल — अभ्यास 27.12.

$160 \times 17.0/14.0 = 194\,\mathrm{Mt}$ अमोनिया, जिसमें $194 \times 3.0/17.0 = 34\,\mathrm{Mt}$ हाइड्रोजन है, जो मुख्यतः प्राकृतिक गैस (मेथेन और भाप) से बनाया जाता है।

27.6 समस्या: वायु से उर्वरक तक

समस्या 27.1

सप्ताहांत समस्या — नाइट्रोजन त्रि-आबंध, अमोनिया संश्लेषण, नाइट्रिक अम्ल निर्माण के तीन चरण, अमोनियम नाइट्रेट, और एक टन अमोनिया से प्राप्त हो सकने वाले नाइट्रिक अम्ल का द्रव्यमान

एक उर्वरक संयंत्र अमोनिया को नाइट्रिक अम्ल और अमोनियम नाइट्रेट में बदलता है। मोलर द्रव्यमान ($\mathrm{g}/\mathrm{mol}$): $\ce{N2}$ 28.0, $\ce{H2}$ 2.0, $\ce{NH3}$ 17.0, $\ce{HNO3}$ 63.0, $\ce{NH4NO3}$ 80.0, $\ce{O2}$ 32.0; $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर $\Delta_f G^\circ(\ce{NH3(g)}) = -16.45\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$।

भाग I — नाइट्रोजन।

1. $\ce{N2}$ की लुइस संरचना खींचिए और बताइए कि वह अनभिक्रियाशील क्यों है।
2. $\ce{N2}$, $\ce{NH3}$, $\ce{NO}$, $\ce{NO2}$, $\ce{HNO3}$ और $\ce{NH4NO3}$ में N की ऑक्सीकरण संख्या बताइए।
3. नाइट्रोजन के स्थिरीकरण के तीन प्राकृतिक या औद्योगिक ढंग बताइए।
4. पौधे $\ce{N2}$ का सीधे उपयोग क्यों नहीं कर पाते?
5. अमोनिया के संश्लेषण में कौन-सा तत्त्व ऑक्सीकृत होता है और कौन-सा अपचित?
6. अमोनिया का संश्लेषण लिखिए।

भाग II — अमोनिया।

7. $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर संश्लेषण का साम्य स्थिरांक परिकलित कीजिए।
8. फिर भी संश्लेषण गरम अवस्था में, उत्प्रेरक पर, क्यों चलाया जाता है?
9. एक टन अमोनिया के लिए $\ce{N2}$ और $\ce{H2}$ के द्रव्यमान परिकलित कीजिए।
10. वायु का कितना आयतन (आयतन से $78\,\%$ $\ce{N2}$, आदर्श गैस, $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, $1\,\mathrm{bar}$) उस नाइट्रोजन को समाहित करता है?
11. हाइड्रोजन कहाँ से आता है?
12. कुछ देशों में अमोनिया स्वयं उर्वरक के रूप में क्यों प्रयुक्त होती है, और उसे प्रायः पहले रूपांतरित क्यों किया जाता है?

भाग III — नाइट्रिक अम्ल।

13. ऑक्सीकरण संख्याओं से चरण 1, $\ce{NH3 + O2 -> NO + H2O}$, संतुलित कीजिए।
14. चरण 2, $\ce{NO + O2 -> NO2}$, संतुलित कीजिए।
15. चरण 3, $\ce{NO2 + H2O -> HNO3 + NO}$, संतुलित कीजिए। यह किस प्रकार की अपचयोपचय अभिक्रिया है?
16. NO के पूर्ण पुनःचक्रण के साथ चरणों को संयोजित करके समग्र समीकरण बनाइए।
17. प्रति टन अमोनिया खपी ऑक्सीजन का द्रव्यमान परिकलित कीजिए।
18. चरण 1 में प्लैटिनम–रोडियम जाली क्यों प्रयुक्त होती है?

भाग IV — अमोनियम नाइट्रेट और द्रव्यमान संतुलन।

19. अमोनियम नाइट्रेट का बनना लिखिए।
20. केवल अमोनियम नाइट्रेट बनाने के लिए अमोनिया का कितना अंश नाइट्रिक अम्ल में बदलना होगा?
21. इस प्रकार बाँटी गई एक टन अमोनिया से अमोनियम नाइट्रेट का द्रव्यमान परिकलित कीजिए।
22. अमोनियम नाइट्रेट में नाइट्रोजन का प्रतिशत कितना है?
23. अमोनियम नाइट्रेट को ईंधनों और ऊष्मा से दूर क्यों रखना चाहिए?
24. एक टन अमोनिया (पूर्ण रूपांतरण) से प्राप्त हो सकने वाले नाइट्रिक अम्ल का द्रव्यमान परिकलित कीजिए।

हल

हल — समस्या 27.1.

1. :N $\equiv$ N: — एक त्रि-आबंध, अत्यंत प्रबल, बिना किसी ध्रुवता के। 2. 0, $-$III, $+$II, $+$IV, $+$V, और $\ce{NH4NO3}$ में $-$III/$+$V। 3. फलीदार पौधों की जड़ों पर जीवाणु, तड़ित, हेबर–बॉश प्रक्रम। 4. त्रि-आबंध तोड़ने के लिए ऐसा उत्प्रेरक चाहिए जो पौधों के पास नहीं है; नाइट्रोजिनेस एंज़ाइम वाले जीवाणुओं के पास है। 5. नाइट्रोजन अपचित होता है (0 से $-$III), हाइड्रोजन ऑक्सीकृत (0 से $+$I)। 6. $\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$। 7. $K = 10^{2 \times 16.45/5.708} = 10^{5.76}$। 8. $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर अभिक्रिया बहुत अधिक धीमी है; उत्प्रेरक केवल गरम होने पर काम करता है, और परिस्थितियाँ एक समझौता हैं जिसकी चर्चा द्वितीय वर्ष के खंड में है। 9. $58.8\,\mathrm{kmol}$ अमोनिया: $\ce{N2}$ के $29.41\,\mathrm{kmol}$, $824\,\mathrm{kg}$; $\ce{H2}$ के $88.2\,\mathrm{kmol}$, $176\,\mathrm{kg}$। 10. $V(\ce{N2}) = 29.4 \times 10^3 \times 8.314 \times 298.15/10^5 = 729\,\mathrm{m}^{3}$; वायु $729/0.78 = 935\,\mathrm{m}^{3}$। 11. प्राकृतिक गैस से (मेथेन का भाप सुधारण), $\ce{CO2}$ उपोत्पाद के साथ। 12. मिट्टी में अंतःक्षेपित करने पर वह एक सस्ता उर्वरक है, पर वह एक विषैली गैस है; ठोस (यूरिया, अमोनियम नाइट्रेट) भंडारण और छिड़काव में अधिक सुगम हैं। 13. N: $-$III $\to$ $+$II (5 इलेक्ट्रॉन), O: 0 $\to$ $-$II (प्रति $\ce{O2}$ 4): $\ce{4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O}$। 14. $\ce{2NO + O2 -> 2NO2}$। 15. $\ce{3NO2 + H2O -> 2HNO3 + NO}$: एक असमानुपातन (N, $+$IV से $+$V और $+$II)। 16. $\ce{NH3 + 2O2 -> HNO3 + H2O}$। 17. $2 \times 58.8 \times 32.0 = 3.76\,\mathrm{t}$। 18. वह ऑक्सीकरण को तीव्र और NO के लिए वरणात्मक बनाता है, अधिक स्थायी $\ce{N2}$ के बजाय। 19. $\ce{NH3 + HNO3 -> NH4NO3}$। 20. आधा। 21. $\ce{NH4NO3}$ के $29.4\,\mathrm{kmol}$, $2.35\,\mathrm{t}$। 22. $28.0/80.0 = 35\,\%$। 23. उसमें एक ही क्रिस्टल में एक ऑक्सीकारक (नाइट्रेट) और एक अपचायक (अमोनियम) है: गरम करने पर या ईंधनों के साथ मिलाने पर वह विस्फोटक रूप से अपघटित हो सकता है। 24. $58.8 \times 63.0 =$ प्रति टन अमोनिया $3.7\,\mathrm{t}$ नाइट्रिक अम्ल।