∫ SJ Maths Chemistry
← UP PGT Chemistry
Inorganic Chemistry अकार्बनिक रसायन (Inorganic Chemistry)

Hydrogen Molecule हाइड्रोजन अणु (Hydrogen Molecule)

The hydrogen molecule (H2) is the simplest stable homonuclear diatomic molecule formed by the covalent overlap of two 1s atomic orbitals. It possesses a bond order of one and exhibits distinct ortho and para nuclear spin isomers. हाइड्रोजन अणु (H2) सबसे सरल स्थिर समनाभिकीय द्विपरमाणुक अणु (homonuclear diatomic molecule) है, जो दो 1s परमाणु कक्षकों (atomic orbitals) के सहसंयोजक अतिव्यापन (covalent overlap) से बनता है। इसकी आबंध कोटि (bond order) एक होती है और यह विशिष्ट ऑर्थो (ortho) तथा पैरा (para) नाभिकीय चक्रण समावयवी (nuclear spin isomers) प्रदर्शित करता है।

UP PGT Chemistry Subject Code 02 B.Sc. / M.Sc. Level

Molecular Orbital Theory and Electronic Structure आण्विक कक्षक सिद्धांत और इलेक्ट्रॉनिक संरचना (Molecular Orbital Theory and Electronic Structure)

  • The constructive interference of two 1s atomic orbitals generates a lower-energy bonding molecular orbital denoted as σ1s.
  • The destructive interference generates a higher-energy antibonding molecular orbital denoted as σ*1s.
  • The two valence electrons occupy the σ1s orbital with paired (anti-parallel) spins, yielding a net diamagnetic property.
  • The calculated bond order of H2 is (2 - 0)/2 = 1, confirming a stable single covalent bond.
  • दो 1s परमाणु कक्षकों के रचनात्मक व्यतिकरण (constructive interference) से कम ऊर्जा वाला आबंधी आण्विक कक्षक (bonding molecular orbital) बनता है, जिसे σ1s कहा जाता है।
  • विनाशी व्यतिकरण (destructive interference) से उच्च ऊर्जा वाला विपरीत-आबंधी आण्विक कक्षक (antibonding molecular orbital) बनता है, जिसे σ*1s कहा जाता है।
  • दो संयोजी इलेक्ट्रॉन युग्मित (प्रति-समानांतर) चक्रण के साथ σ1s कक्षक में स्थित होते हैं, जिससे यह प्रतिचुंबकीय (diamagnetic) गुण प्रदर्शित करता है।
  • H2 की परिकलित आबंध कोटि (2 - 0)/2 = 1 है, जो एक स्थिर एकल सहसंयोजक आबंध की पुष्टि करती है।

Ortho and Para Hydrogen Isomers ऑर्थो और पैरा हाइड्रोजन समावयवी (Ortho and Para Hydrogen Isomers)

  • Ortho-hydrogen possesses parallel nuclear spins (total nuclear spin quantum number I = 1), and is the more stable form at room temperature.
  • Para-hydrogen possesses anti-parallel nuclear spins (total nuclear spin quantum number I = 0), and becomes predominant at temperatures near absolute zero.
  • Liquid air or liquid hydrogen production utilizes catalysts like activated charcoal or iron(III) oxide to accelerate the exothermic ortho-to-para conversion.
  • At room temperature, the equilibrium mixture consists of approximately 75% ortho and 25% para hydrogen.
  • ऑर्थो-हाइड्रोजन में नाभिकीय चक्रण समानांतर (कुल नाभिकीय चक्रण क्वांटम संख्या I = 1) होते हैं, और यह कमरे के तापमान पर अधिक स्थिर रूप है।
  • पैरा-हाइड्रोजन में नाभिकीय चक्रण प्रति-समानांतर (कुल नाभिकीय चक्रण क्वांटम संख्या I = 0) होते हैं, और यह परम शून्य (absolute zero) के निकट तापमान पर प्रमुख हो जाता है।
  • द्रव वायु या द्रव हाइड्रोजन उत्पादन में सक्रिय चारकोल या आयरन(III) ऑक्साइड जैसे उत्प्रेरकों का उपयोग ऊष्माक्षेपी ऑर्थो-से-पैरा रूपांतरण को तेज करने के लिए किया जाता है।
  • कमरे के तापमान पर, साम्यावस्था मिश्रण में लगभग 75% ऑर्थो और 25% पैरा हाइड्रोजन होता है।

Physical and Chemical Properties भौतिक और रासायनिक गुण (Physical and Chemical Properties)

  • H2 is a colorless, odorless, and tasteless gas that is extremely flammable and highly insoluble in water.
  • Because of its extremely low molecular mass, hydrogen gas exhibits high rate of diffusion and thermal conductivity.
  • Hydrogen molecule acts as a reducing agent in metallurgical processes, reducing metal oxides to corresponding metals (e.g., CuO + H2 → Cu + H2O).
  • It reacts with halogens under specific conditions, reacting explosively with fluorine even in the dark and cold.
  • H2 एक रंगहीन, गंधहीन और स्वादहीन गैस है जो अत्यधिक ज्वलनशील है और जल में बहुत कम घुलनशील है।
  • अत्यधिक कम आण्विक द्रव्यमान के कारण, हाइड्रोजन गैस उच्च विसरण दर (rate of diffusion) और तापीय चालकता प्रदर्शित करती है।
  • हाइड्रोजन अणु धातुकर्म प्रक्रियाओं में एक अपचायक (reducing agent) के रूप में कार्य करता है, जो धातु ऑक्साइड को संबंधित धातुओं में अपचयित करता है (जैसे, CuO + H2 → Cu + H2O)।
  • यह विशिष्ट परिस्थितियों में हैलोजन के साथ अभिक्रिया करता है, अंधेरे और ठंड में भी फ्लोरीन के साथ विस्फोटक रूप से अभिक्रिया करता है।
📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण
Molecular Orbital Configuration आण्विक कक्षक विन्यास (Molecular Orbital Configuration)
σ1s2 σ*1s0
Conditions: Ground state configuration of H2
शर्तें: H2 की मूल अवस्था (ground state) विन्यास
इकाइयाँ: लागू नहीं
Bond Dissociation Energy आबंध वियोजन ऊर्जा (Bond Dissociation Energy)
H2(g) → 2H(g), ΔH° = +436 kJ mol-1
Conditions: Standard temperature and pressure
शर्तें: मानक ताप और दाब (STP)
इकाइयाँ: kJ mol-1
Interatomic Equilibrium Distance अंतर-परमाण्विक साम्यावस्था दूरी (Interatomic Equilibrium Distance)
re = 74 pm
Conditions: Equilibrium bond length of H2
शर्तें: H2 की साम्यावस्था आबंध लंबाई
इकाइयाँ: pm (पिकोमीटर)
Bond Order Formula आबंध कोटि सूत्र (Bond Order Formula)
BO = Nb - Na2
Conditions: Molecular Orbital Theory application for diatomic molecules
शर्तें: द्विपरमाणुक अणुओं के लिए आण्विक कक्षक सिद्धांत का अनुप्रयोग
इकाइयाँ: विमाहीन
⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ
Exceptionअपवाद Most diatomic molecules of period 2 elements show paramagnetism when containing unpaired electrons.द्वितीय आवर्त के अधिकांश द्विपरमाणुक अणु अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होने पर अनुचुंबकत्व (paramagnetism) दर्शाते हैं।

Observation: H2 is diamagnetic despite having only two electrons, because both electrons occupy the single lowest bonding molecular orbital with opposed spins. — Absence of unpaired electrons in the filled σ1s orbital. प्रेक्षण: H2 में केवल दो इलेक्ट्रॉन होने के बावजूद यह प्रतिचुंबकीय है, क्योंकि दोनों इलेक्ट्रॉन विपरीत चक्रण के साथ सबसे निचले आबंधी कक्षक में स्थित होते हैं। σ1s कक्षक में अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों का अभाव होता है।

Exceptionअपवाद Light gases generally follow ideal gas behavior strictly at all temperatures.हल्की गैसें सामान्यतः सभी तापमानों पर आदर्श गैस व्यवहार का पालन करती हैं।

Observation: Hydrogen exhibits a positive Joule-Thomson coefficient at ordinary temperatures (heats up on expansion instead of cooling). — Inversion temperature of hydrogen is exceptionally low (-80°C or 193 K). प्रेक्षण: हाइड्रोजन सामान्य तापमान पर धनात्मक जूल-थॉमसन गुणांक (Joule-Thomson coefficient) प्रदर्शित करता है (प्रसार पर ठंडा होने के बजाय गर्म हो जाता है)। हाइड्रोजन का व्युत्क्रमण तापमान (inversion temperature) असाधारण रूप से कम (-80°C या 193 K) है।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र
Spin Isomer Mnemonicचक्रण समावयवी स्मृति-सहायक (Spin Isomer Mnemonic)
OP = Ortho-Parallel, PA = Para-Anti

Application: Direct recall that Ortho has Parallel nuclear spins (I=1), while Para has Anti-parallel spins (I=0). अनुप्रयोग: सीधे याद रखें कि ऑर्थो में नाभिकीय चक्रण समानांतर (I=1) होते हैं, जबकि पैरा में प्रति-समानांतर (I=0) होते हैं।

Bond Order Quick Calculationआबंध कोटि त्वरित गणना (Bond Order Quick Calculation)
BO = (e- in bonding - e- in antibonding) / 2

Application: Instantly determines bond stability and multiplicity for hydrogen species like H2+ (0.5), H2 (1.0), and H2- (0.5). अनुप्रयोग: H2+, H2, और H2- जैसी हाइड्रोजन प्रजातियों के लिए आबंध स्थिरता और बहुलता का तुरंत निर्धारण करता है।

Joule-Thomson Inversion Trickजूल-थॉमसन व्युत्क्रमण ट्रिक (Joule-Thomson Inversion Trick)
Tinv(H2) = 193 K

Application: Remember that below 193 K, H2 cools upon expansion; above 193 K, it warms. अनुप्रयोग: याद रखें कि 193 K से नीचे, H2 प्रसार पर ठंडा होता है; 193 K से ऊपर, यह गर्म हो जाता है।

⚖️ Ortho-Hydrogen vs Para-Hydrogen ⚖️ ऑर्थो-हाइड्रोजन बनाम पैरा-हाइड्रोजन
ParameterपैरामीटरOrtho-Hydrogenऑर्थो-हाइड्रोजनPara-Hydrogenपैरा-हाइड्रोजन
Nuclear Spin Stateनाभिकीय चक्रण अवस्थाParallel (I = 1)समानांतर (I = 1)Anti-parallel (I = 0)प्रति-समानांतर (I = 0)
Room Temp Percentageकमरे के तापमान पर प्रतिशत75%75%25%25%
Absolute Zero Percentageपरम शून्य पर प्रतिशतApproaches 0%0% के निकटApproaches 100%100% के निकट
Magnetic Propertyचुंबकीय गुणActive in NMR / Magnetic fieldsNMR में सक्रियNMR inactiveNMR अक्रिय
🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)
  • The bond length of the hydrogen molecule is 74 pm (0.74 Å).
  • The standard bond dissociation enthalpy of H2 is +436 kJ mol-1.
  • Ortho and para hydrogen differ in their nuclear spin orientations rather than electronic configurations.
  • Hydrogen molecule has zero dipole moment due to its homonuclear diatomic nature.
  • The inversion temperature of hydrogen gas is 193 K (-80°C).
  • Catalytic hydrogenation of alkenes uses finely divided nickel, platinum, or palladium.
  • हाइड्रोजन अणु की आबंध लंबाई 74 pm (0.74 Å) है।
  • H2 की मानक आबंध वियोजन एन्थैल्पी +436 kJ mol-1 है।
  • ऑर्थो और पैरा हाइड्रोजन इलेक्ट्रॉनिक विन्यास के बजाय नाभिकीय चक्रण अभिविन्यास में भिन्न होते हैं।
  • समनाभिकीय द्विपरमाणुक प्रकृति के कारण हाइड्रोजन अणु का द्विध्रुव आघूर्ण (dipole moment) शून्य होता है।
  • हाइड्रोजन गैस का व्युत्क्रमण तापमान 193 K (-80°C) है।
  • एल्कीन के उत्प्रेरकीय हाइड्रोजनीकरण (catalytic hydrogenation) में सूक्ष्म विभाजित निकेल, प्लैटिनम या पैलेडियम का उपयोग होता है।
🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)
  • Confusing ortho/para hydrogen with ortho/para directing groups in aromatic substitution; they are completely unrelated concepts.
  • Assuming hydrogen is paramagnetic because it is the first element in the periodic table; H2 is strictly diamagnetic.
  • Forgetting that hydrogen heats up when undergoing Joule-Thomson expansion at room temperature.
  • Confusing the nuclear spin isomers of hydrogen with electronic isomers.
  • ऑर्थो/पैरा हाइड्रोजन को एरोमैटिक प्रतिस्थापन में ऑर्थो/पैरा निर्देशक समूहों के साथ भ्रमित करना; ये पूरी तरह से असंबंधित अवधारणाएं हैं।
  • यह मान लेना कि हाइड्रोजन अनुचुंबकीय है क्योंकि यह आवर्त सारणी का पहला तत्व है; H2 सख्ती से प्रतिचुंबकीय है।
  • यह भूल जाना कि कमरे के तापमान पर जूल-थॉमसन प्रसार के दौरान हाइड्रोजन गर्म हो जाता है।
  • हाइड्रोजन के नाभिकीय चक्रण समावयवियों को इलेक्ट्रॉनिक समावयवियों के साथ भ्रमित करना।