📚 கற்றல் முதன்மை க.பொ.த. (சா/த) க.பொ.த. (உ/த) பிற 🌐 English உள்நுழைய
பாடங்கள் · அலகு 6 · கூட்டம் 15

கூட்டம் 15 மூலகங்கள்

முழுமையான பார்வை — ஏன் கூட்டம் 15 ஐக் கற்க வேண்டும்?

திரவ நைதரசன் — p-தொகுதி மூலகம்
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 வெளி 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 சடச்சோடி 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 இரு அணு மூலக்கூறுகளில் மிக உயர்ந்தவற்றுள் ஒன்றாகும். இவ்வலிமையான பிணைப்பைத் துண்டிப்பதற்கு அதிக சக்தி தேவைப்படுவதால், அறை வெப்பநிலையில் N₂ ஆனது மிகக் குறைந்த தாக்கத்திறனைக் (low reactivity) கொண்டுள்ளது.

மூலகம்வகைமுக்கிய 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 எடுத்துக்காட்டாகும். கீழுள்ள அட்டவணை ஒவ்வொரு ஒட்சியேற்ற நிலைக்கும் உரிய சேர்வையையும் அதன் சூத்திரத்தையும் தருகின்றது.

ஒட்சியேற்ற நிலைசேர்வைசூத்திரம்
−3அமோனியா (ammonia)NH₃
−2ஐதரசின் (hydrazine)N₂H₄
−1ஐதரொட்சிலமீன் (hydroxylamine)NH₂OH
0ஈர்நைதரசன் (dinitrogen)N₂
+1நைதரசனோர் ஒட்சைட்டு (dinitrogen oxide)N₂O
+2நைதரசன் மோனொட்சைட்டு (nitrogen monoxide)NO
+3நைதரசு அமிலம் / நைதரசன் முக்ஒட்சைட்டுHNO₂ / N₂O₃
+4நைதரசனீர் ஒட்சைட்டு / நைதரசன் நாற்ஒட்சைட்டுNO₂ / N₂O₄
+5நைத்திரிக் அமிலம் / நைதரசன் ஐந்ஒட்சைட்டுHNO₃ / N₂O₅

நைதரசனின் ஒட்சைட்டுகள் (oxides of nitrogen) பிணைப்பிலும் நிறத்திலும் ஒன்றுக்கொன்று வேறுபடுகின்றன. நைதரசன் மோனொட்சைட்டு (NO) ஒரு நிறமற்ற வாயு ஆகும்; இதில் இணையாகாத ஓர் இலத்திரன் உள்ளதால் இது ஒரு தனிக்கூறு (free radical) போல நடந்துகொள்கின்றது. NO ஆனது வளியில் உள்ள ஒட்சிசனுடன் தாக்கமுற்றுச் செங்கபில நிறமுடைய நைதரசனீர் ஒட்சைட்டை (NO₂, brown gas) உருவாக்குகின்றது.

2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)
நிறமற்றது        செங்கபில நிறம்

அறை வெப்பநிலையில் NO₂ ஆனது அதன் இருபடியான நைதரசன் நாற்ஒட்சைட்டுடன் (N₂O₄, நிறமற்றது) சமநிலையில் காணப்படுகின்றது; வெப்பநிலை அதிகரிக்கும்போது சமநிலை NO₂ பக்கம் நகர்வதால் நிறம் கூடுதலாகின்றது.

Oxidation-State Ladder of Nitrogen oxidation state −3 NH₃ ammonia −2 N₂H₄ hydrazine −1 NH₂OH hydroxylamine 0 N₂ dinitrogen +1 N₂O (colourless) +2 NO (colourless) +3 HNO₂ / N₂O₃ +4 NO₂ (brown) +5 HNO₃ / N₂O₅ highest state — strong oxidiser elemental N₂ — very unreactive lowest state — N gains 3 e⁻ Reading up the ladder = oxidation Reading down the ladder = reduction

நைதரசன் −3 முதல் +5 வரை ஒன்பது ஒட்சியேற்ற நிலைகளில் சேர்வைகளை உருவாக்குகின்றது.

3. நைதரசனின் ஒட்சோ அமிலங்கள் (NIE 4.5.3)

புகையும் நைத்திரிக் அமிலம்
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.

3HNO₂(aq) → HNO₃(aq) + 2NO(g) + H₂O(l)

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.

ஐதான HNO₃ + செம்பு:
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)
Nitric Acid + Copper — Product Depends on Concentration HNO₃ + Cu N is at +5 dilute HNO₃ concentrated HNO₃ Dilute — reduced further 3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O gives NO (colourless) N: +5 → +2 Concentrated — reduced less far Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O gives NO₂ (brown) N: +5 → +4 No H₂ is released — HNO₃ acts as an oxidising acid, not a typical acid

ஐதான HNO₃ → NO; செறிந்த HNO₃ → NO₂: அமிலத்தின் செறிவே விளைபொருளைத் தீர்மானிக்கின்றது.

நைத்திரிக் அமிலம் உலோகங்களுடன் மட்டுமன்றி, காபன் (C), கந்தகம் (S) போன்ற அல்லுலோகங்களுடனும் ஒட்சியேற்றியாகத் தொழிற்படுகின்றது. செறிந்த நைத்திரிக் அமிலம் காபனை CO₂ ஆகவும், கந்தகத்தைக் கந்தக அமிலமாகவும் ஒட்சியேற்றுகின்றது.

C(s) + 4HNO₃(aq) → CO₂(g) + 4NO₂(g) + 2H₂O(l)

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)

அமோனியா மூலக்கூறு கட்டமைப்பு
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 ஒரு தனிச்சோடி (lone pair) உள்ளதால் H–N–H பிணைப்புக்கோணம் ஏறக்குறைய 107° ஆகக் குறைக்கப்படுகின்றது.

அமோனியா நீரில் கரையும்போது ஒரு மென் காரமாகத் (weak base) தொழிற்படுகின்றது. நைதரசன் அணுவின்மீது உள்ள தனிச்சோடியே அமோனியாவின் கார இயல்பிற்குக் காரணமாகும். அமோனியா நீருடன் பின்வருமாறு பகுதியாக மட்டுமே தாக்கமடைகின்றது.

NH₃(g) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH⁻(aq)

அமோனியா அமிலங்களுடன் தாக்கமடைந்து அமோனியம் உப்புக்களை (ammonium salts) உருவாக்குகின்றது. வாயுநிலை அமோனியா ஐதரசன் குளோரைட்டுடன் தாக்கி, திண்ம அமோனியம் குளோரைட்டின் வெண்புகையை உருவாக்குகின்றது; இது அமோனியாவை இனங்காணும் ஓர் உறுதிப்படுத்தும் சோதனையாகப் பயன்படுகின்றது.

NH₃(g) + HCl(g) → NH₄Cl(s)    (வெண்புகை)
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; எடுத்துக்காட்டாக அமோனியம் குளோரைட்டு வெப்பப்படுத்தப்படும்போது அமோனியாவும் ஐதரசன் குளோரைட்டும் உருவாகின்றன. ஆனால் அனயன் ஒட்சியேற்றும் தன்மை உடையதாயின், அமோனியம் அயன் ஒட்சியேற்றப்பட்டு வேறுவகையான விளைவுகள் தோன்றுகின்றன; எடுத்துக்காட்டாக அமோனியம் நைத்திரேற்று வெப்பப்படுத்தப்படும்போது நைதரசனோர் ஒட்சைட்டும் (N₂O) நீரும் உருவாகின்றன.

NH₄Cl(s) → NH₃(g) + HCl(g)
NH₄NO₃(s) → N₂O(g) + 2H₂O(g)
NH₃ — Trigonal Pyramidal Shape lone pair repels the N–H bonds N H H H H–N–H ≈ 107° 4 electron pairs around N: 3 bonding + 1 lone pair → pyramidal, not planar

தனிச்சோடி பிணைப்புக் கோணத்தைக் 107° ஆகக் குறைக்கின்றது.

NH₃ உம் Cl₂ உம் தாக்கமுறும்போது கிடைக்கும் மூன்று விளைவுகள். ஒரே இரு வினைபடிகளிலிருந்தே (NH₃, Cl₂), இரண்டில் எது மிகை (excess) என்பதைப் பொறுத்து முற்றிலும் வேறுபட்ட விளைவுகள் கிடைக்கின்றன.

NH₃(g) + 3Cl₂(மிகை) → NCl₃(g) + 3HCl(g)    (NCl₃ வெடிக்கும் தன்மையுடையது)
2NH₃(g) + 3Cl₂(g) → N₂(g) + 6HCl(g)    (Cl₂ இன்னும் அதிகமாக இருந்தால்)
8NH₃(மிகை) + 3Cl₂(g) → N₂(g) + 6NH₄Cl(s)    (NH₃ மிகையாக இருந்தால்; HCl உடனடியாக மிகுதி NH₃ உடன் தாக்கி NH₄Cl ஆகின்றது)
💡 முடிவு

குறைந்த Cl₂ இல் NCl₃ கிடைக்கின்றது (N-Cl பிணைப்புகள் மட்டுமே உருவாகி, N-H பிணைப்புகள் ஒவ்வொன்றாக மாற்றப்படுகின்றன); அதிக Cl₂ இல் N-H பிணைப்புகள் அனைத்தும் முழுமையாக உடைந்து N₂ வரை ஒட்சியேற்றமடைகின்றது. NCl₃ ஓர் உண்மையான ஆய்வுகூட ஆபத்தாகும்; சிறிதளவு தாக்கத்தாலும் வெடிக்கக்கூடியது. (Br₂ உடனும் இதே மூன்று விகிதத்தைச் சார்ந்த பாதைகள் பொருந்தும்.)

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.

Brown Ring Test for the Nitrate Ion FeSO₄(aq) + nitrate solution brown ring [Fe(H₂O)₅NO]²⁺ conc. H₂SO₄ (dense, lower layer) conc. H₂SO₄ is added slowly down the wall A brown ring at the junction of the two layers confirms NO₃⁻.

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 நான்முகி (tetrahedral) என எழுதக்கூடாது; நைதரசனில் ஒரு பிணைப்பு இணைக்குப் பதிலாக தனிச்சோடி இருப்பதால் வடிவம் முக்கோணப் பிரமிட்டு ஆகும்.

📝 தேர்வாளர் குறிப்பு / Examiner note
  • 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.
  • நைதரசனின் ஒட்சியேற்ற நிலைகளைக் கணிக்கக் கேட்கப்பட்டால், H = +1, O = −2 எனக் கொண்டு இயற்கணிதக் கூட்டுத்தொகையிலிருந்து N இன் நிலையைப் பெறுங்கள் (எடுத்துக்காட்டாக 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.
🌐 விளக்க படம் / Explanatory Diagram
Group 15 — nitrogen group
குழு 15 — நைட்ரஜன் குழு
Group 15 — nitrogen group
Credit: Wikimedia Commons  · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →

📝 மேலும் பயிற்சி செய்ய

📝 வினாத்தொகுப்பு 📄 கடந்தகால வினாத்தாள்கள் 🧠 மைண்ட்மாப்கள்
← அலகு 6