கூட்டம் 15 மூலகங்கள்
முழுமையான பார்வை — ஏன் கூட்டம் 15 ஐக் கற்க வேண்டும்?
Liquid nitrogen — a Group 15 element
Wikipedia → · CC
தனிமை வரிசை அட்டவணையின் (periodic table) p-தொகுதிக்கு உரிய கூட்டம் 15, நைதரசன் (Nitrogen) தொடக்கம் பிசுமத் (Bismuth) வரையான ஐந்து மூலகங்களை உள்ளடக்குகின்றது. இக்கூட்டத்தின் முதல் மூலகமான நைதரசன், கூட்டத்தில் உள்ள ஏனைய மூலகங்களிலிருந்து கணிசமாக வேறுபட்ட இயல்புகளைக் காட்டுகின்றது. வளிமண்டலத்தின் ஏறக்குறைய 78% ஆனது நைதரசன் வாயுவாக உள்ளது; உயிரியல் மூலக்கூறுகளான புரதங்கள், அமினோ அமிலங்கள், நியூக்கிளிக் அமிலங்கள் ஆகியவற்றின் அடிப்படை மூலகமும் நைதரசனே ஆகும்.
இப்பாடத்தில் NIE பாடநூலின் 4.5 பிரிவின்படி கூட்டம் 15 இன் கூட்டப்போக்குகள், நைதரசனின் இரசாயனவியல், அதன் ஒட்சோ அமிலங்கள் (oxoacids), அமோனியா மற்றும் அமோனியம் உப்புக்கள் ஆகியவை வரிசையாகக் கற்பிக்கப்படுகின்றன.
1. கூட்டப்போக்குகள் (NIE 4.5.1)
கூட்டம் 15 இன் ஒவ்வொரு மூலகமும் ns²np³ என்னும் வலுவளவு இலத்திரன் அமைப்பைக் (valence electron configuration) கொண்டுள்ளது; அதாவது வெளியேற்ற ஓட்டில் மொத்தம் ஐந்து வலுவளவு இலத்திரன்களைக் கொண்டுள்ளன. இவ்வமைப்பு கூட்டத்தின் இரசாயன இயல்புகளைப் பெருமளவு தீர்மானிக்கின்றது.
கூட்டத்தில் கீழ்நோக்கிச் செல்லும்போது உலோக இயல்பு (metallic character) படிப்படியாக அதிகரிக்கின்றது. நைதரசனும் பொசுபரசும் (Phosphorus) அல்லுலோகங்கள் (non-metals); ஆர்சனிக்கும் (Arsenic) அன்ட்டிமனியும் (Antimony) உலோகப்போலிகள் (metalloids); பிசுமத் ஒரு உலோகம் (metal) ஆகும். அணுவாரை (atomic radius) கூட்டத்தில் கீழ்நோக்கி அதிகரிப்பதும், மின்னெதிர்த்தன்மை (electronegativity) குறைவதுமே இவ்வுலோக இயல்பு அதிகரிப்பின் காரணமாகும்.
இம்மூலகங்கள் −3 முதல் +5 வரை பல்வேறு ஒட்சியேற்ற நிலைகளைக் (oxidation states) காட்டுகின்றன. கூட்டத்தின் மேற்பகுதியில் உள்ள மூலகங்களுக்கு +5 ஒட்சியேற்ற நிலை உறுதியானது; கூட்டத்தில் கீழ்நோக்கிச் செல்லும்போது +3 நிலை மேலும் உறுதியடைகின்றது. இது செயலற்ற இணை விளைவு (inert pair effect) எனப்படும்; எனவே பிசுமத்தில் +3 நிலையே ஆதிக்கம் செலுத்துகின்றது.
ஈர்நைதரசன் மூலக்கூறு (N₂) ஆனது மிக வலிமையான மும்மைப் பிணைப்பைக் (triple bond, N≡N) கொண்டுள்ளது. இதன் பிணைப்பு என்தல்பி (bond enthalpy) ஏறக்குறைய 945 kJ mol⁻¹ ஆகும்; இது அறியப்பட்ட இருபரமாணு மூலக்கூறுகளில் மிக உயர்ந்தவற்றுள் ஒன்றாகும். இவ்வலிமையான பிணைப்பைத் துண்டிப்பதற்கு அதிக சக்தி தேவைப்படுவதால், அறை வெப்பநிலையில் N₂ ஆனது மிகக் குறைந்த தாக்கத்திறனைக் (low reactivity) கொண்டுள்ளது.
| மூலகம் | வகை | முக்கிய ஒட்சியேற்ற நிலைகள் |
|---|---|---|
| நைதரசன் (N) | அல்லுலோகம் | −3 முதல் +5 வரை |
| பொசுபரசு (P) | அல்லுலோகம் | −3, +3, +5 |
| ஆர்சனிக் (As) | உலோகப்போலி | +3, +5 |
| அன்ட்டிமனி (Sb) | உலோகப்போலி | +3, +5 |
| பிசுமத் (Bi) | உலோகம் | +3 (ஆதிக்கம்) |
2. நைதரசனின் இரசாயனவியல் (NIE 4.5.2)
நைதரசனின் தனித்துவமான இயல்பு என்பது அது −3 முதல் +5 வரையான பரந்த வீச்சில் ஒட்சியேற்ற நிலைகளைக் காட்டுவதாகும். இவ்வாறு பல ஒட்சியேற்ற நிலைகளில் சேர்வைகளை உருவாக்கக் கூடிய மூலகங்கள் சில மட்டுமே; நைதரசன் இவற்றுள் சிறந்த உதாரணமாகும். கீழுள்ள அட்டவணை ஒவ்வொரு ஒட்சியேற்ற நிலைக்கும் உரிய சேர்வையையும் அதன் சூத்திரத்தையும் தருகின்றது.
| ஒட்சியேற்ற நிலை | சேர்வை | சூத்திரம் |
|---|---|---|
| −3 | அமோனியா (ammonia) | NH₃ |
| −2 | ஐதரசின் (hydrazine) | N₂H₄ |
| −1 | ஐதரொட்சிலமீன் (hydroxylamine) | NH₂OH |
| 0 | ஈர்நைதரசன் (dinitrogen) | N₂ |
| +1 | நைதரசனோர் ஒட்சைட்டு (dinitrogen oxide) | N₂O |
| +2 | நைதரசன் மோனொட்சைட்டு (nitrogen monoxide) | NO |
| +3 | நைதரசு அமிலம் / நைதரசன் முக்ஒட்சைட்டு | HNO₂ / N₂O₃ |
| +4 | நைதரசனீர் ஒட்சைட்டு / நைதரசன் நாற்ஒட்சைட்டு | NO₂ / N₂O₄ |
| +5 | நைத்திரிக் அமிலம் / நைதரசன் ஐந்ஒட்சைட்டு | HNO₃ / N₂O₅ |
நைதரசனின் ஒட்சைட்டுகள் (oxides of nitrogen) பிணைப்பிலும் நிறத்திலும் ஒன்றுக்கொன்று வேறுபடுகின்றன. நைதரசன் மோனொட்சைட்டு (NO) ஒரு நிறமற்ற வாயு ஆகும்; இதில் ஒற்றை இலத்திரன் ஒன்று உள்ளதால் இது ஒரு தனிக்கூறு (free radical) போல நடந்துகொள்கின்றது. NO ஆனது வளியில் உள்ள ஒட்சிசனுடன் தாக்கமுற்றுச் செங்கபில நிறமுடைய நைதரசனீர் ஒட்சைட்டை (NO₂, brown gas) உருவாக்குகின்றது.
நிறமற்றது செங்கபில நிறம்
அறை வெப்பநிலையில் NO₂ ஆனது அதன் இரட்டையான நைதரசன் நாற்ஒட்சைட்டுடன் (N₂O₄, நிறமற்றது) சமநிலையில் காணப்படுகின்றது; வெப்பநிலை அதிகரிக்கும்போது சமநிலை NO₂ பக்கம் நகர்வதால் நிறம் கூடுதலாகின்றது.
நைதரசன் −3 முதல் +5 வரை ஒன்பது ஒட்சியேற்ற நிலைகளில் சேர்வைகளை உருவாக்குகின்றது.
3. நைதரசனின் ஒட்சோ அமிலங்கள் (NIE 4.5.3)
Fuming nitric acid
Wikipedia → · CC
நைதரசன் இரண்டு முக்கியமான ஒட்சோ அமிலங்களை உருவாக்குகின்றது. நைதரசு அமிலம் (nitrous acid, HNO₂) என்பது நைதரசன் +3 ஒட்சியேற்ற நிலையில் உள்ள ஒரு மென்னமிலம் (weak acid) ஆகும்; இது சாதாரண வளிமண்டல நிபந்தனைகளில் உறுதியற்றதாகவே அமைகின்றது. நைதரசு அமிலம் இருவழிவிகாரத்தில் (disproportionation) ஈடுபட்டு நைத்திரிக் அமிலத்தையும் நிறமற்ற நைதரசனோர் ஒட்சைட்டையும் (NO) உருவாக்குகின்றது.
நைத்திரிக் அமிலம் (nitric acid, HNO₃) என்பது நைதரசன் +5 ஒட்சியேற்ற நிலையில் உள்ள ஒரு வன்னமிலம் (strong acid) ஆகும். இது நீரில் முழுமையாக அயனாகின்றது. நைத்திரிக் அமிலம் ஒரு வலிமையான ஒட்சியேற்றும் அமிலமாகவும் (strong oxidising acid) தொழிற்படுகின்றது; இதுவே அதன் தனித்துவமான இயல்பு ஆகும்.
நைத்திரிக் அமிலம் உலோகங்களுடன் தாக்கமடையும்போது, ஐதரசன் வாயு வெளிவருவதைவிட நைதரசனின் ஒட்சைட்டுகளே விளைவுகளாக உருவாகின்றன. எந்த ஒட்சைட்டு உருவாகின்றது என்பது அமிலத்தின் செறிவைப் பொறுத்தது. ஐதான நைத்திரிக் அமிலம் (dilute HNO₃) ஆனது குறைவாக ஒட்சிஇறக்கப்பட்டு முக்கியமாக நைதரசன் மோனொட்சைட்டை (NO) தருகின்றது; செறிந்த நைத்திரிக் அமிலம் (concentrated HNO₃) ஆனது அதிகமாக ஒட்சிஇறக்கப்பட்டு நைதரசனீர் ஒட்சைட்டை (NO₂) தருகின்றது.
3Cu(s) + 8HNO₃(aq) → 3Cu(NO₃)₂(aq) + 2NO(g) + 4H₂O(l)
செறிந்த HNO₃ + செம்பு:
Cu(s) + 4HNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2NO₂(g) + 2H₂O(l)
ஐதான HNO₃ → NO; செறிந்த HNO₃ → NO₂ — அமிலத்தின் செறிவே விளைபொருளைத் தீர்மானிக்கின்றது.
நைத்திரிக் அமிலம் உலோகங்களுடன் மட்டுமன்றி, காபன் (C), கந்தகம் (S) போன்ற அல்லுலோகங்களுடனும் ஒட்சியேற்றும் கருவியாகத் தொழிற்படுகின்றது. செறிந்த நைத்திரிக் அமிலம் காபனை CO₂ ஆகவும், கந்தகத்தைக் கந்தக அமிலமாகவும் ஒட்சியேற்றுகின்றது.
S(s) + 6HNO₃(aq) → H₂SO₄(aq) + 6NO₂(g) + 2H₂O(l)
ஒளியின் தூண்டலால் பிரிகை ஏற்படுவதால் நைத்திரிக் அமிலம் ஒட்சிசனையும் நைதரசனீர் ஒட்சைட்டையும் உருவாக்குகின்றது; இக்காரணத்தினால் செறிந்த HNO₃ ஆனது ஆய்வுகூடத்தில் கபில நிறக் கண்ணாடிப் போத்தல்களில் களஞ்சியப்படுத்தப்படுகின்றது.
4. அமோனியாவும் அமோனியம் உப்புக்களும் (NIE 4.5.4)
Ammonia molecule structure
Wikipedia → · CC
அமோனியா (ammonia, NH₃) என்பது ஒரு நிறமற்ற, கடுமணமுடைய (pungent) வாயு ஆகும். அமோனியா மூலக்கூறு முக்கோணப் பிரமிட்டு வடிவத்தை (trigonal pyramidal shape) கொண்டுள்ளது; நைதரசன் அணுவின்மீது ஓர் ஏகாந்த இலத்திரன் இணை (lone pair) உள்ளதால் H–N–H பிணைப்புக்கோணம் ஏறக்குறைய 107° ஆகக் குறைக்கப்படுகின்றது.
அமோனியா நீரில் கரையும்போது ஒரு மென் காரமாகத் (weak base) தொழிற்படுகின்றது. நைதரசன் அணுவின்மீது உள்ள ஏகாந்த இலத்திரன் இணையே அமோனியாவின் கார இயல்பிற்குக் காரணமாகும். அமோனியா நீருடன் பின்வருமாறு பகுதியாக மட்டுமே தாக்கமடைகின்றது.
அமோனியா அமிலங்களுடன் தாக்கமடைந்து அமோனியம் உப்புக்களை (ammonium salts) உருவாக்குகின்றது. வாயுநிலை அமோனியா ஐதரசன் குளோரைட்டுடன் தாக்கி, திண்ம அமோனியம் குளோரைட்டின் வெண்புகையை உருவாக்குகின்றது; இது அமோனியாவை இனங்காணும் ஓர் உறுதிப்பாட்டுச் சோதனையாகப் பயன்படுகின்றது.
2NH₃(aq) + H₂SO₄(aq) → (NH₄)₂SO₄(aq)
நீர்க்கரைசலில் அமோனியம் அயனின் நீர்ப்பகுப்பு (hydrolysis) நிகழ்வதால், அதன் இணை காரமான அமோனியா மீண்டும் உருவாகின்றது; இதனால் அமோனியம் உப்புக்களின் கரைசல் சிறிது அமிலத்தன்மை கொண்டதாக அமைகின்றது. மேலும், அமோனியம் உப்புக்கள் வெப்பப்படுத்தப்படும்போது பிரிகையடைகின்றன (decompose on heating); உருவாகும் விளைவுகள் உப்பில் உள்ள அனயனின் (anion) தன்மையைப் பொறுத்து வேறுபடுகின்றன.
அனயன் ஒட்சியேற்றும் தன்மை அற்றதாயின், வெப்பப்பிரிகையில் அமோனியாவும் தொடர்புடைய அமிலமும் வெளிவருகின்றன; உதாரணமாக அமோனியம் குளோரைட்டு வெப்பப்படுத்தப்படும்போது அமோனியாவும் ஐதரசன் குளோரைட்டும் உருவாகின்றன. ஆனால் அனயன் ஒட்சியேற்றும் தன்மை உடையதாயின், அமோனியம் அயன் ஒட்சியேற்றப்பட்டு வேறுவகையான விளைவுகள் தோன்றுகின்றன; உதாரணமாக அமோனியம் நைத்திரேற்று வெப்பப்படுத்தப்படும்போது நைதரசனோர் ஒட்சைட்டும் (N₂O) நீரும் உருவாகின்றன.
NH₄NO₃(s) → N₂O(g) + 2H₂O(g)
ஏகாந்த இலத்திரன் இணை பிணைப்புக் கோணத்தைக் 107° ஆகக் குறைக்கின்றது.
நைத்திரேற்று அயனுக்கான கபில வளையச் சோதனை (brown ring test)
நைத்திரேற்று அயனை (NO₃⁻) இனங்காண கபில வளையச் சோதனை பயன்படுத்தப்படுகின்றது. இச்சோதனையில், நைத்திரேற்று உள்ள கரைசலுடன் புதிதாகத் தயாரிக்கப்பட்ட இரும்பு(II) சல்பேற்றுக் (FeSO₄) கரைசல் சேர்க்கப்படுகின்றது. பின்னர் செறிந்த கந்தக அமிலம் (conc. H₂SO₄) பரிசோதனைக் குழாயின் சுவரோரமாக மெதுவாக ஊற்றப்படுகின்றது.
கனமான கந்தக அமிலம் கீழே ஒரு தனிப்படையாக அமைகின்றது. நைத்திரேற்று அயன் ஒட்சிஇறக்கப்பட்டு உருவான NO ஆனது இரும்பு(II) அயன்களுடன் இணைந்து [Fe(H₂O)₅NO]²⁺ என்னும் சேர்வையை உருவாக்குகின்றது. இது இரண்டு திரவ அடுக்குகளுக்கும் இடையே ஒரு கபில (செம்பழுப்பு) நிற வளையமாகத் தோன்றுகின்றது; இவ்வளையமே நைத்திரேற்று அயனின் இருப்பை உறுதிப்படுத்துகின்றது.
இரு திரவ அடுக்குகளுக்கும் இடையேயான கபில வளையம் நைத்திரேற்றை உறுதிப்படுத்துகின்றது.
பொதுவான தவறுகள்: நைத்திரிக் அமிலம் உலோகங்களுடன் தாக்கமடையும்போது ஐதரசன் வாயு வெளிவருகின்றது என எழுதுவது தவறு — நைத்திரிக் அமிலம் ஒரு வலிமையான ஒட்சியேற்றும் அமிலமாகச் செயல்படுவதால், ஐதரசனுக்குப் பதிலாக NO அல்லது NO₂ ஆகியவையே உருவாகின்றன. மேலும், அமோனியா மூலக்கூறை நாற்கோணம் (tetrahedral) என எழுதக்கூடாது; நைதரசனில் ஒரு பிணைப்பு இணைக்குப் பதிலாக ஏகாந்த இலத்திரன் இணை இருப்பதால் வடிவம் முக்கோணப் பிரமிட்டு ஆகும்.
- N₂ இன் குறைந்த தாக்கத்திறனுக்குக் காரணம் கேட்கப்பட்டால், N≡N மும்மைப் பிணைப்பின் உயர் பிணைப்பு என்தல்பியை (≈945 kJ mol⁻¹) தெளிவாகக் குறிப்பிடுங்கள்.
- ஐதான HNO₃ → NO; செறிந்த HNO₃ → NO₂ — இவ்வேறுபாட்டை ஒருபோதும் குழப்பிக் கொள்ள வேண்டாம். விடையில் அமிலத்தின் செறிவை எப்போதும் குறிப்பிடுங்கள்.
- நைத்திரசனின் ஒட்சியேற்ற நிலைகளைக் கணிக்கக் கேட்கப்பட்டால், H = +1, O = −2 எனக் கொண்டு இயற்கணிதக் கூட்டுத்தொகையிலிருந்து N இன் நிலையைப் பெறுங்கள் (எ.கா. HNO₃ இல் N = +5).
- கபில வளையச் சோதனையில் உருவாகும் சேர்வையின் சூத்திரம் [Fe(H₂O)₅NO]²⁺ ஆகும்; செறிந்த H₂SO₄ ஐ குழாயின் சுவரோரமாக மெதுவாக ஊற்ற வேண்டும் என்பதையும் குறிப்பிடுங்கள்.
- NH₃ + H₂O தாக்கம் முழுமையடையாத, சமநிலைத் தாக்கம் (⇌) என்பதை நினைவில் வைக்கவும் — இதுவே அமோனியா ஒரு மென் காரம் என்பதைக் காட்டுகின்றது.
Group 15 — nitrogen group
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →
📝 பயிற்சி வினாக்கள்
பகுதி I — பல்தேர்வு வினாக்கள்
குழு 15-இன் வலுவளவு எலக்ட்ரான்:
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
விடை
(3) — ns²np³ → 5 வலுவளவு எலக்ட்ரான்.அம்மோனியா (NH₃) இன் வடிவம்:
- நேர்கோடு
- தள முக்கோணம்
- முக்கோணப் பிரமிட்டு
- நானமுகி
- கோணம்
விடை
(3) — 3 பிணைப்பு + 1 தனிச்சோடி → முக்கோணப் பிரமிட்டு.நைட்ரிக் அமிலம் (HNO₃) தயாரிக்கப் பயன்படும் தொழிற்துறை முறை:
- ஹேபர்
- ஆஸ்ட்வால்ட்
- தொடுகை
- சால்வே
- எதுவுமில்லை
விடை
(2) — ஆஸ்ட்வால்ட் முறை — NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃.அம்மோனியா தயாரிக்கப் பயன்படும் முறை:
- ஆஸ்ட்வால்ட்
- ஹேபர்
- தொடுகை
- சால்வே
- எதுவுமில்லை
விடை
(2) — ஹேபர் முறை — N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃.அம்மோனியாவின் N இன் ஆக்சிஜனேற்ற எண்:
- +3
- −3
- +5
- 0
- −1
விடை
(2) — NH₃ இல் N = −3.நைட்ரஜன் வாயு (N₂) வேதியியல் வினைத்திறன்:
- மிக வினைத்திறன்
- மந்தமானது (மும்மைப் பிணைப்பு)
- எளிதில் எரியும்
- அமிலம்
- எதுவுமில்லை
விடை
(2) — வலிமையான N≡N → மந்தமானது.
பகுதி II — கட்டமைப்பு வினா
• அம்மோனியா மற்றும் நைட்ரிக் அமிலம் தயாரிக்கும் தொழிற்துறை முறைகளை சமன்பாட்டுடன் தருக.
மாதிரி விடை
• N₂ ஏன் மந்தமானது? அம்மோனியா ஏன் கார இயல்பு?
மாதிரி விடை
கட்டுரை வினா
• குழு 15 — நைட்ரஜன், அம்மோனியா (வடிவம், காரம்), ஹேபர் & ஆஸ்ட்வால்ட் முறைகளை விளக்குக.