नोट्स, पाठ - 3 धातु एवं अधातु (कक्षा दसंवी)

परिचय

धातु और अधातु:

धातु (Metals) : 

धातुओं के भौतिक गुण (Physical Properties of metals): 

(i)  धातु ठोस और चमकीले होते हैं |

(ii) ये ऊष्मा और विद्युत के सुचालक होते हैं |

(iii) धातुएँ तन्य होती हैं | 

(iv) धातुएँ अघातवर्ध्य होती है |

(v) धातुएँ ध्वानिक होती हैं | 

अघातवर्ध्यता (Meliability): कुछ धातुएँ पतली चादरों में फैलाई जा सकती है, इस गुण को अघातवर्ध्यता कहते हैं |

तन्यता (Ductility) :  धातु के पतले तार के रूप में खींचने की क्षमता को तन्यता कहते हैं| 

All metals have hight melting point. सिल्वर तथा कॉपर ऊष्मा के सबसे अच्छे चालक हैं।इनकी तुलना में लेड तथा मर्करी ऊष्मा के  कुचालक हैं।

 PVC का पूरा नाम : पॉलिवाइनिल क्लोराइड(PVC)

PVC तथा रबड़ जैसी सामग्री ऊष्मा तथा विद्युत के  कुचालक हैं।

ध्वनिक (Sonorous) : धव्निक धातु का एक भौतिक गुण है| इस गुण से वे हड़ताली पर ध्वनि पैदा करते हैं। धातुओं की इस गुण का उपयोग से , स्कूल की घंटी बनाई गई है।

अधातु (Non-metals):

कार्बन, सल्फर, ऑक्सीजन, हाइड्रोजन और आयोडीन अधातु हैं।

अधातु के भौतिक गुण (Physical Properties of metals):  

(i)  धातु ठोस और चमकीले नहीं होते हैं |

(ii) ये ऊष्मा और विद्युत के सुचालक नहीं होते हैं |

(iii) धातुएँ तन्य नहीं होती हैं | 

(iv) धातुएँ अघातवर्ध्य नहीं होती है |

(v) धातुएँ ध्वानिक नहीं होती हैं अर्थात पीटने पर ध्वनि नहीं निकालती हैं | 

अधातुएँ ब्रोमिन को छोड़कर या तो ठोस होती है या गैस, ब्रोमिन तरल होता है | 

धातु और अधातुओं का कुछ अन्य गुणधर्म :

(i) सभी धातुये मर्करी (पारा) को छोड़कर कमरे के ताप पर ठोस अवस्था में पाई जाती हैं |

(ii) मर्करी (पारा) कमरे के ताप पर द्रव अवस्था में पाया जाता है | 

(iii)  गैलियम और सीजियम दो ऐसी धातुएँ हैं जो जिनका गलनांक बहुत कम होता है, इन्हें हथेली पर रखते ही पिघल जाती हैं |

(iv)  आयोडीन एक अधातु है परन्तु यह चमकीला होता है | 

(v)  क्षार धातुएँ (लिथियम, सोडियम और पोटैशियम ) इतना मुलायम होती है कि इन्हें चाकू से काटा जा सकता है | इनका घनत्व और गलनांक कम होता है |

कार्बन और इसके अपररूप (Carbon And its Allotropes):

कार्बन एक अधातु है जो अलग-अलग रूपों में पाया जाता है | इसके प्रत्येक रूप कोकार्बन का अपररूप कहा जाता है | 

कार्बन के अपररूप (Allotropes of carbon):

(i) हीरा (Daimond) 

(ii) ग्रेफाइट (Graphite)

(iii) बुक्मिन्टरफुलेरिन (Buckminsterfullerene) 

(i) हीरा (Diamond)  यह कार्बन  का एक अपररूप है और अब तक का ज्ञात सबसे कठोर पदार्थ है | इसका क्वथनांक और गलनांक बहुत ही अधिक होता है | 

(ii) ग्रेफाइट (Graphite) यह कार्बन का एक अन्य अपररूप है जो विद्युत का बहुत ही अच्छा चालक है | 

(iii) बुक्मिन्टरफुलेरिन (Buckminsterfullerene) यह कार्बन का एक अन्य अपररूप है जो 60 कार्बन के अणुओं से बना है | इसकी संरचना फुटबॉल की तरह होता है | 

नोट: अधिकांश अधातुये पानी में घुलने पर अम्लीय ऑक्साइड बनाती है जबकि धातुएँ पानी में घुलकर क्षारकीय ऑक्साइड बनाती हैं | 

धातुओं के रासायनिक गुणधर्म

धातुओं का रासायनिक गुणधर्म (CHEMICAL PROPERTIES OF METALS)

(i)  सभी धातुये ऑक्सीजन के साथ मिलकर धातु ऑक्साइड बनाती हैं | 

धातु + ऑक्सीजन → धातु ऑक्साइड 

उदाहरण के लिए, जब कॉपर को वायु में गर्म किया जाता है तो यह ऑक्सीजन से अभिक्रिया कर कॉपर (II) ऑक्साइड बनाता है जो कि एक काला ऑक्साइड है |

2Cu     +    O₂    →    2CuO
(कॉपर) ऑक्सीजन (कॉपर(II) ऑक्साइड)

इसीप्रकार, एल्युमीनियम एल्युमीनियम ऑक्साइड बनाता है |

4Al     +    3O₂      →        2Al₂O₃

(एल्युमीनियम)              (एल्युमीनियम ऑक्साइड)

उभयधर्मी (Amphoteric Oxides) : कुछ धातु ऑक्साइड्स जैसे एल्युमीनियम ऑक्साइड एवं जिंक ऑक्साइड इत्यादि अम्लीय तथा क्षारकीय व्यवहार को प्रदर्शित करते हैं | ऐसे धातु ऑक्साइड जो अम्ल और क्षारक दोनों के साथ के साथ अभिक्रिया कर लवण और जल का निर्माण करते हैं इन्हें उभयधर्मी ऑक्साइड कहते हैं | 

उदाहरण: एल्युमीनियम ऑक्साइड एवं जिंक ऑक्साइड इत्यादि | 

धातु ऑक्साइड का अम्ल के साथ अभिक्रिया (Reaction of Metal oxides with acids)

एल्युमीनियम ऑक्साइड हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया कर एल्युमीनियम क्लोराइड का लवण और जल देता है | 

इस अभिक्रिया का समीकरण इस प्रकार है : 

Al₂ O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

धातु ऑक्साइड का क्षारक के साथ अभिक्रिया (Reaction of Metal oxides with bases):

एल्युमीनियम ऑक्साइड सोडियम हाइड्रोऑक्साइड से अभिक्रिया कर सोडियम एलुमिनेट और जल प्रदान करता है :

इस अभिक्रिया का समीकरण इस प्रकार है :  

Al₂O₃    +    2NaOH      →       2NaAlO₂    +     H₂O
(सोडियम एलुमिनेट)

धातु ऑक्साइड्स का जल में धुलनशीलता (Solubility of metal oxides in water):

अधिकांश धातु ऑक्साइड्स जल में अधुलनशील होते हैं, परन्तु इनमें से कुछ जल में घुलकर क्षार (alkalis) बनाते हैं | सोडियम ऑक्साइड और पोटैशियम ऑक्साइड दो ऐसे ऑक्साइड्स हैं जो जल में घुलकर क्षार बनाते हैं | 

सोडियम ऑक्साइड और पोटैशियम ऑक्साइड के घुलने पर क्रमश: सोडियम हाइड्रोऑक्साइड क्षार और पोटैशियम ऑक्साइड क्षार देता है | 

Na₂O(s) +  H₂O(l)  →  2NaOH(aq)
K₂O(s)   +  H₂O(l)  →  2KOH(aq)

धातुओं का ऑक्सीजन के साथ अभिक्रियाशीलता 

Reactivity of metals with oxygen: 

अलग-अलग धातुएँ ऑक्सीजन से अभिक्रिया कर अलग-अलग अभिक्रियाशीलता प्रदर्शित करती हैं | सोना प्लैटिनम और चाँदी जैसी धातुएँ तो ऑक्सीजन से बिल्कुल ही अभिक्रिया नहीं करती है | 

सोडियम और पोटैशियम का ऑक्सीजन से अभिक्रिया : 

Reaction of sodium and potassium with oxygen: 

कुछ धातुएँ जैसे सोडियम और पोटैशियम इतनी अधिक तेजी से ऑक्सीजन से अभिक्रिया करती हैं कि यदि इनको खुला छोड़ा जाये तो ये तेजी आग पकड़ लेती हैं | यही कारण है कि इनको अचानक आग लगने से बचाने के लिए इनकों किरोसिन तेल में डुबोकर रखा जाता है | 

कुछ धातु ऑक्साइड रक्षात्मक कवच बनाते हैं

Some metal oxides form protective layer:

साधारण तापमान पर धातुओं की सतहें जैसे मैग्नीशियम, एल्युमीनियम, जिंक और शीशा इत्यादि पर ऑक्साइड की पतली परत चढ़ जाती हैं | ये रक्षात्मक कवच इन्हें आगे ऑक्सीडेशन (उपचयन) से बचाता है | इसका एक बहुत बड़ा फायदा धातुओं को यह मिलता है कि ये इन ऑक्साइड्स की वजह से संक्षारित होने से बच जाती हैं | 

कुछ धातुएँ ऑक्सीजन से अभिक्रिया नहीं करती है:

Some metal does not react with oxygen:

गर्म करने पर आयरन का दहन तो नहीं होता है लेकिन जब बर्नर की ज्वाला में लौह चूर्ण डालते हैं तब वह तेज़ी से जलने लगता है। कॉपर का दहन तो नहीं होता है लेकिन गर्म धातु पर कॉपर (II) ऑक्साइड की काले रंग की परत चढ़ जाती है। सिल्वर एवं गोल्ड अत्यंत अधिक ताप पर भी ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया नहीं करते हैं।

एनोड़ीकरण (Anodising): 

ऐनोडीकरण (Anodising) ऐलुमिनियम पर मोटी ऑक्साइड की परत बनाने की प्रक्रिया है। वायु के संपर्क में आने पर ऐलुमिनियम पर ऑक्साइड की पतली परत का निर्माण होता है। ऐलुमिनियम ऑक्साइड की परत इसे संक्षारण से बचाती है। इस परत को मोटा करके इसे संक्षारण से अधिक सुरक्षित किया जा सकता है।

एलुमिनियम का एनोड़ीकरण (Anodising of Aluminium) : 

ऐनोडीकरण के लिए ऐलुमिनियम की एक साफ वस्तु को ऐनोड बनाकर तनु सल्फ्ऱयूरिक अम्ल के साथ इसका विद्युत-अपघटन किया जाता है। ऐनोड पर उत्सर्जित ऑक्सीजन गैस ऐलुमिनियम के साथ अभिक्रिया करके ऑक्साइड की एक मोटी परत बनाती है। इस ऑक्साइड की परत को आसानी से रँगकर ऐलुमिनियम की आकर्षक वस्तुएँ बनाई जा सकती हैं।

जल के साथ धातु की अभिक्रिया (Reaction of metals with water) :

जल के साथ अभिक्रिया करके धातुएँ हाइड्रोजन गैस तथा धातु ऑक्साइड उत्पन्न
करती हैं। जो धातु ऑक्साइड जल में घुलनशील हैं, जल में घुलकर धातु हाइड्रॉक्साइड
प्रदान करते हैं।

समान्य समीकरण (General equations) :

धातु + जल → धातु ऑक्साइड + हाइड्रोजन
धातु ऑक्साइड + जल → धातु हाइड्रोऑक्साइड

सोडियम और पोटैशियम का ठंढे जल से अभिक्रिया 

(Reaction of sodium and potassium with cold water) :

पोटैशियम एवं सोडियम जैसी धातुएँ ठंडे जल के साथ तेज़ी से अभिक्रिया करती
हैं। सोडियम तथा पोटैशियम की अभिक्रिया तेज़ तथा ऊष्माक्षेपी होती है कि इससे
उत्सर्जित हाइड्रोजन तत्काल प्रज्ज्वलित हो जाती है।
2K(s) + 2H₂O(l) → 2KOH(aq) + H₂(g) + ऊष्मीय ऊर्जा 
2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g) + ऊष्मीय ऊर्जा 

Reaction of calcium with water:

The reaction of calcium with water is less violent. The heat evolved is not sufficient for the hydrogen to catch fire.
Ca(s) + 2H₂O(l) → Ca(OH)₂(aq) + H₂(g) 

Calcium starts floating because the bubbles of hydrogen gas formed stick to the surface of the metal.

Reaction of metals with hot water:

Magnesium does not react with cold water. It reacts with hot water to form magnesium hydroxide and hydrogen. It also starts floating due to the bubbles of hydrogen gas sticking to its surface.

Reaction of metals with steam:

Metals like aluminium, iron and zinc do not react either with cold or hot water. But they react with steam to form the metal oxide and hydrogen.
2Al(s) + 3H₂O(g) → Al₂O₃(s) + 3H₂(g)
3Fe(s) + 4H₂O(g) → Fe₃O₄(s) + 4H₂(g)

Some Metals do not react with water:

Metals such as lead, copper, silver and gold do not react with water at all.

Reaction of metals with Acids:

Metals react with acids give corresponding salt and hydrogen gas. 

Metal + Dilute acid → Salt + Hydrogen

Hydrogen gas is not evolved when a metal reacts with nitric acid. It is
because HNO₃ is a strong oxidising agent. It oxidises the H₂ produced to
water and itself gets reduced to any of the nitrogen oxides (N₂O, NO,
NO₂). But magnesium (Mg) and manganese (Mn) react with very dilute
HNO₃ to evolve H₂ gas.

Aqua regia: is a freshly prepared mixture of concentrated hydrochloric acid and concentrated nitric acid in the ratio of 3:1.

It can dissolve gold, even though neither of these acids can do so alone. Aqua regia is a highly corrosive, fuming liquid. It is one of the few reagents that is able to dissolve gold and platinum.

Reaction of metals with other metal salt: 

Highly reactive metals can displace less reactive metals from their compounds in solution or molten form. this is called displacement reaction. 

Metal A + Salt solution of B → Salt solution of A + Metal B

The Reactivity Series: 

K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Au 

Reaction with metals and non-metals: 

Mostly Metals form cation (postive charge) nad non-metals form anaion (negative charge).  

Cation And Anaion : To understand these both cation and anaion, we have to understand electronic configuration of elements and their valencies. 

Valency : The number of valence electrons present in the outer most shells of an atom is known as valency. Ex. Electronic configuration of Sodium (Na) is 

2    8     1 

There are three shells in sodium atom and the outer most shell has 1 electron can be shared, so valence electron of sodium is 1. 

• If outer most shell has 1, 2, 3 or 4 electrons these can be given in sharing of electrons. so 1, 2, 3, and for will be valance electrons.
• If outer most shell has 5, 6 or 7 electrons these can not be given in sharing of electrons as These need electrons to complete their octet. 

  Required valance electrons for outer most shell having 5 electrons = 8 - 5 = 3 

  Required valance electrons for outer most shell having 6 electrons = 8 - 6 = 2

  Required valance electron for outer most shell having 7 electrons = 8 - 7 = 1

A sodium atom has one electron in its outermost shell. If it loses the electron from its M shell then its L shell now becomes the outermost shell and that has a stable octet. The nucleus of this atom still has 11 protons but the number of electrons has become 10, so there is a net positive charge giving us a sodium cation Na⁺ . On the other hand chlorine has seven electrons in its outermost shell and it requires one more electron to complete its octet. If sodium and chlorine were to react, the electron lost by sodium could be taken up by chlorine.
After gaining an electron, the chlorine atom gets a unit negative charge, because its nucleus has 17 protons and there are 18 electrons in its K, L and M shells. This gives us a chloride anion C1^-. So both these elements can have a give-and-take relation between them.

E.g : 

Na   →  Na⁺ + e^-
2,8,1 2,8
(Sodium cation)

Cl      + e^- → Cl^-
2,8,7 2,8,8
(Chloride anion)

Ionic Compounds: The compounds formed in this manner by the transfer of electrons from a metal to a non-metal are known as ionic compounds or
electrovalent compounds.

Properties Of Ionic Compound :

(i) Physical nature: Ionic compounds are solids and are somewhat hard because of the strong force of attraction between the positive and negative ions. These compounds are generally brittle and break into pieces when pressure is applied.

(ii) Melting and Boiling points: Ionic compounds have high melting and boiling points (see Table 3.4). This is because a considerable amount of energy is required to break the strong inter-ionic attraction.

(iii) Solubility: Electrovalent compounds are generally soluble in water and insoluble in solvents such as kerosene, petrol, etc.

(iv) Conduction of Electricity: The conduction of electricity through a solution involves the movement of charged particles. A solution of an ionic compound in water contains ions, which move to the opposite electrodes when electricity is passed through the solution. 

Ionic compounds in the solid state do not conduct electricity because movement of ions in the solid is not possible due to their rigid structure. But ionic compounds conduct in the molten state. This is possible in the molten state since the elecrostatic forces of attraction between the oppositely charged ions are overcome due to the heat. Thus, the ions move freely and conduct electricity.