धातु सक्रियता के आवर्ती पैटर्न: HSC रसायन विज्ञान की व्याख्या

यदि लिथियम और पोटैशियम दोनों के बाहरी कोश में एक इलेक्ट्रॉन है, तो पोटैशियम उस इलेक्ट्रॉन को कहीं अधिक आसानी से क्यों छोड़ देता है? फिर एक दूसरी पहेली सामने आती है: आवर्त 3 में सोडियम, मैग्नीशियम और एल्युमिनियम सभी धातुएँ हैं, फिर भी बाएँ से दाएँ जाने पर इलेक्ट्रॉन खोने की उनकी प्रवृत्ति सामान्यतः घटती है।

आगे पढ़ने से पहले अनुमान लगाइए कि कौन-सा परमाणु अपने बाहरी इलेक्ट्रॉन को अधिक मजबूती से पकड़े रखता है: लिथियम या पोटैशियम। उत्तर है लिथियम। पोटैशियम में अधिक प्रोटॉन होते हैं, लेकिन उसका बाहरी इलेक्ट्रॉन नाभिक से बहुत अधिक दूर होता है और कई आंतरिक इलेक्ट्रॉन कोशों द्वारा शील्ड किया जाता है। इन दोनों प्रभावों का संयुक्त असर अधिक महत्वपूर्ण होता है।

धातु सक्रियता के आवर्ती पैटर्न के पीछे यही उपयोगी विचार है: आवर्त सारणी हमें संकेत देती है कि किसी धातु परमाणु के लिए इलेक्ट्रॉन खोना कितना कठिन है।

01धातु सक्रियता की शुरुआत इलेक्ट्रॉन खोने से होती है

जब कोई धातु अभिक्रिया करती है, तो उसके परमाणुओं का सामान्यतः ऑक्सीकरण होता है। वे इलेक्ट्रॉन खोते हैं और धनायन बनाते हैं।

ऐसी धातु \(M\) के लिए जो \(n+\) आवेश वाला आयन बनाती है:

\[
\ce{M -> M^{n+} + n e^-}
\]

यहाँ:

• \(M\) धातु परमाणु है,
• \(M^{n+}\) धनावेशित धातु आयन है,
• \(n\) खोए गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या है, और
• \(e^-\) एक इलेक्ट्रॉन को दर्शाता है।

अधिक सक्रिय धातु में किसी उपयुक्त अभिक्रिया में इस इलेक्ट्रॉन-हानि प्रक्रिया से गुजरने की अधिक प्रवृत्ति होती है।

यह शब्दावली महत्वपूर्ण है। “अभिक्रियाशील” का अर्थ केवल “सबसे अधिक बुलबुले बनाना” नहीं है। किसी अभिक्रिया की दिखाई देने वाली दर तापमान, सांद्रता, पृष्ठीय क्षेत्रफल और धातु पर मौजूद सुरक्षात्मक परतों पर भी निर्भर कर सकती है।

आवर्त सारणी हमें इलेक्ट्रॉन खोने की मूल प्रवृत्ति का अनुमान लगाने में मदद करती है। इसके बाद प्रयोग और धातु सक्रियता श्रेणी दिखाते हैं कि वास्तविक अभिक्रियाओं में यह प्रवृत्ति किस प्रकार दिखाई देती है।

02समूह में नीचे जाने पर धातुएँ अधिक अभिक्रियाशील क्यों होती हैं

लिथियम, सोडियम और पोटैशियम पर विचार कीजिए। प्रत्येक समूह 1 की धातु है और प्रत्येक के बाहरी कोश में एक इलेक्ट्रॉन है।

पहली नज़र में आप सोच सकते हैं कि पोटैशियम को उस इलेक्ट्रॉन को सबसे मजबूती से पकड़े रखना चाहिए, क्योंकि पोटैशियम में सबसे अधिक प्रोटॉन होते हैं। नाभिक में अधिक धनावेश का अर्थ अधिक मजबूत आकर्षण जैसा लगता है।

लेकिन प्रत्येक परमाणु में बाहरी इलेक्ट्रॉन नाभिक से समान दूरी पर नहीं होता।

समूह में नीचे जाने पर इलेक्ट्रॉन कोशों की संख्या बढ़ती है:

• लिथियम में 2 भरे हुए कोश होते हैं,
• सोडियम में 3,
• पोटैशियम में 4।

इसलिए बाहरी इलेक्ट्रॉन नाभिक से अधिक दूर हो जाता है। आंतरिक इलेक्ट्रॉन भी उसे नाभिक के आकर्षण से कुछ हद तक शील्ड करते हैं।

नाभिक और बाहरी इलेक्ट्रॉन को एक थोड़े दुर्भाग्यपूर्ण लंबी दूरी के रिश्ते की तरह सोचिए। समूह में नीचे जाने पर उनके बीच दूरी बढ़ती जाती है, जबकि अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन कोश बीच में खड़े होते जाने वाले, लगातार कम मददगार मित्रों की तरह काम करते हैं। नाभिक का आकर्षण अभी भी मौजूद है, लेकिन बाहरी इलेक्ट्रॉन को खोना आसान हो जाता है।

उपमा यहीं समाप्त हो जाती है। इलेक्ट्रॉन कोई छोटी वस्तुएँ नहीं हैं जो निश्चित दूरियों पर परिक्रमा करती हों, और शील्डिंग इलेक्ट्रॉन वितरणों तथा वैद्युतस्थैतिक अंतःक्रियाओं का परिणाम है। यह चित्र उपयोगी है क्योंकि यह दो महत्वपूर्ण परिवर्तनों को दर्शाता है: अधिक दूरी और अधिक शील्डिंग।

समूह में नीचे जाने का रुझान

समूह 1 और समूह 2 की धातुओं में, समूह में नीचे जाने पर सामान्यतः:

आयनीकरण ऊर्जा वह ऊर्जा है जो गैसीय परमाणुओं या आयनों से इलेक्ट्रॉन हटाने के लिए आवश्यक होती है। कम आयनीकरण ऊर्जा का अर्थ है कि ऊर्जा की दृष्टि से इलेक्ट्रॉन हटाना आसान है।

समूह में नीचे जाने पर बढ़ता नाभिकीय आवेश इस रुझान का कुछ हद तक विरोध करता है। हालांकि, समूह 1 और समूह 2 की धातुओं में बढ़ी हुई दूरी और शील्डिंग का प्रभाव सामान्यतः अधिक होता है।

इसलिए, मोटे तौर पर:

\[
\ce{Li < Na < K}
\]

धातु सक्रियता के संदर्भ में, और:

\[
\ce{Mg < Ca < Sr < Ba}
\]

समूह 2 की धातुओं के लिए।

ये रासायनिक सक्रियता के रुझान हैं, इस बात की गारंटी नहीं कि हर संभावित अभिक्रिया बिल्कुल उसी दर से होगी।

03आवर्त में आगे बढ़ने पर धातु सक्रियता सामान्यतः क्यों घटती है

अब सोडियम, मैग्नीशियम और एल्युमिनियम की तुलना कीजिए। तीनों आवर्त 3 में हैं:

• सोडियम का कोश विन्यास \(2,8,1\) है,
• मैग्नीशियम का \(2,8,2\) है,
• एल्युमिनियम का \(2,8,3\) है।

तीनों के संयोजक इलेक्ट्रॉन तीसरे इलेक्ट्रॉन कोश में होते हैं।

सोडियम से एल्युमिनियम की ओर जाने पर क्या बदलता है?

प्रोटॉनों की संख्या बढ़ती है। इलेक्ट्रॉन भी जुड़ते हैं, लेकिन वे मुख्यतः उसी बाहरी कोश में जुड़ रहे होते हैं, न कि पूरी तरह नए आंतरिक कोश बना रहे होते हैं।

परिणामस्वरूप, बढ़ते नाभिकीय आवेश को निष्प्रभावी करने के लिए शील्डिंग पर्याप्त मात्रा में नहीं बढ़ती। संयोजक इलेक्ट्रॉनों पर नाभिक की प्रभावी आकर्षण शक्ति सामान्यतः बढ़ जाती है।

आवर्त में परमाणु त्रिज्या भी सामान्यतः घटती है।

इसलिए आवर्त 3 के मुख्य-समूह वाले धात्विक भाग में आगे बढ़ने पर कुल मिलाकर इलेक्ट्रॉन हानि कम अनुकूल होती जाती है:

\[
\ce{Na > Mg > Al}
\]

यह धातु सक्रियता का एक व्यापक पैटर्न है।

इसे “अधिक संयोजक इलेक्ट्रॉन का अर्थ कम अभिक्रियाशीलता” में न बदलें

यह शॉर्टकट पैटर्न तो बताता है, लेकिन रसायन विज्ञान को छोड़ देता है।

सोडियम, एल्युमिनियम से केवल इसलिए आगे नहीं है कि \(1<3\)। महत्वपूर्ण बात यह है कि संबंधित इलेक्ट्रॉन कितनी मजबूती से बंधे हैं और बनने वाले आयनों से जुड़ी कुल ऊर्जा क्या है।

उनकी सामान्य ऑक्सीकरण अर्ध-अभिक्रियाएँ हैं:

\[
\ce{Na -> Na+ + e^-}
\]

\[
\ce{Mg -> Mg^2+ + 2e^-}
\]

\[
\ce{Al -> Al^3+ + 3e^-}
\]

यदि एल्युमिनियम परमाणुओं का एक मोल पूरी तरह \(\mathrm{Al}^{3+}\) में ऑक्सीकृत हो जाए, तो वह तीन मोल इलेक्ट्रॉन छोड़ सकता है। यह इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण की मात्रा बताता है, यह नहीं कि उस ऑक्सीकरण को शुरू करना कितना आसान है।

कोई धातु प्रति परमाणु अधिक इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित कर सकती है और फिर भी उसका ऑक्सीकरण अधिक कठिन हो सकता है।

04प्रथम आयनीकरण ऊर्जा उपयोगी है, लेकिन यह पूरा उत्तर नहीं है

एक आकर्षक नियम है:

कम प्रथम आयनीकरण ऊर्जा = अधिक अभिक्रियाशील धातु।

यह शुरुआती संकेत के रूप में उपयोगी हो सकता है। लेकिन यह धातु सक्रियता की सटीक परिभाषा नहीं है।

इसके दो कारण हैं।

पहला, कई धातुएँ एक से अधिक इलेक्ट्रॉन खोती हैं। मैग्नीशियम सामान्यतः \(\mathrm{Mg}^{2+}\) बनाता है, जबकि एल्युमिनियम सामान्यतः \(\mathrm{Al}^{3+}\) बनाता है। प्रथम आयनीकरण ऊर्जा केवल पहले इलेक्ट्रॉन को हटाने का वर्णन करती है।

दूसरा, वास्तविक रासायनिक अभिक्रिया पृथक गैसीय परमाणुओं से शुरू होकर पृथक गैसीय आयनों पर समाप्त नहीं होती। धातुएँ ठोस धात्विक संरचना में शुरू होती हैं, और उनके आयन जल-अणुओं से घिर सकते हैं या यौगिकों में शामिल हो सकते हैं। ये प्रक्रियाएँ भी ऊर्जा परिवर्तन को प्रभावित करती हैं।

आवर्त 3 में एक उपयोगी चेतावनी भी है: एल्युमिनियम की प्रथम आयनीकरण ऊर्जा मैग्नीशियम की तुलना में कम है। एल्युमिनियम का पहला इलेक्ट्रॉन \(3p\) कक्षक से हटता है, जबकि मैग्नीशियम का इलेक्ट्रॉन उसके भरे हुए \(3s\) उपकोश से हटता है।

यह छोटा-सा अपवाद यह नहीं दर्शाता कि एल्युमिनियम अचानक मैग्नीशियम से अधिक सक्रिय हो जाता है।

इस अपवाद को याद करने से अधिक उपयोगी सीख यह है: किसी एक आयनीकरण-ऊर्जा मान को सार्वभौमिक अभिक्रियाशीलता मापक की तरह उपयोग न करें।

05एल्युमिनियम वास्तव में जितना अभिक्रियाशील है, उससे कम अभिक्रियाशील क्यों दिखाई दे सकता है

मान लीजिए आप एल्युमिनियम का एक टुकड़ा किसी विलयन में रखते हैं और शुरुआत में बहुत कम परिवर्तन देखते हैं। यह निष्कर्ष निकालना आसान है कि एल्युमिनियम इलेक्ट्रॉन खोना ही नहीं चाहता।

समस्या उसकी सतह है।

एल्युमिनियम ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके एल्युमिनियम ऑक्साइड, \(\ce{Al2O3}\), की एक पतली और मजबूती से चिपकी हुई परत बनाता है। यह परत नीचे मौजूद एल्युमिनियम को आसपास के अभिकारकों से अलग कर देती है।

इस प्रक्रिया को निष्क्रियकरण कहा जाता है।

परत के नीचे मौजूद एल्युमिनियम परमाणुओं में ऑक्सीकृत होने की पर्याप्त प्रवृत्ति हो सकती है, लेकिन यह परत अभिकारकों के लिए धातु की सतह तक पहुँचना कठिन बनाकर अभिक्रिया की गति कम कर देती है।

इससे हमें दो अलग-अलग विचार मिलते हैं:

• ऊष्मागतिक प्रवृत्ति पूछती है कि क्या ऑक्सीकरण अनुकूल है,
• अभिक्रिया दर पूछती है कि दी गई परिस्थितियों में अभिक्रिया वास्तव में कितनी तेजी से आगे बढ़ती है।

दोनों एक-दूसरे से जुड़े हैं, लेकिन एक ही चीज़ नहीं हैं।

इसीलिए तनु अम्लों के साथ धातुओं की अभिक्रियाओं की तुलना करते समय सतह की तैयारी महत्वपूर्ण होती है। गंदी, ऑक्सीकृत या परत से ढकी सतह किसी पर्याप्त सक्रिय धातु को आश्चर्यजनक रूप से निष्क्रिय दिखा सकती है।

06आवर्त-सारणी के प्रश्नों के लिए एक विश्वसनीय निर्णय नियम

जब HSC का कोई प्रश्न आपसे आवर्तीय स्थिति के आधार पर धातु सक्रियता का अनुमान लगाने को कहे, तो इस क्रम में काम कीजिए।

महत्वपूर्ण अंतर किसी रुझान और पूर्ण भविष्यवाणी के बीच है।

आवर्तीय स्थिति यह समझाती है कि कुछ पैटर्न क्यों दिखाई देते हैं। सक्रियता श्रेणी रासायनिक व्यवहार पर आधारित होती है और कई रेडॉक्स तुलनाओं के लिए धातुओं का अधिक प्रत्यक्ष प्रायोगिक क्रम देती है।

07सबसे आकर्षक भ्रांतियाँ

“जिस धातु में अधिक बाहरी इलेक्ट्रॉन हों, वह अधिक अभिक्रियाशील होती है”

ज़रूरी नहीं।

\(\mathrm{Al}^{3+}\) बनाते समय एल्युमिनियम प्रति परमाणु तीन इलेक्ट्रॉन खो सकता है, जबकि सोडियम \(\mathrm{Na}^{+}\) बनाते समय केवल एक इलेक्ट्रॉन खोता है। फिर भी आवर्त 3 की व्यापक तुलना में सोडियम अधिक सक्रिय धातु है।

स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या और इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण की सहजता अलग-अलग राशियाँ हैं।

“अधिक प्रोटॉन होने का हमेशा अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन अधिक मजबूती से बंधे होंगे”

केवल तब, जब आप दूरी और शील्डिंग को अनदेखा कर दें।

पोटैशियम में लिथियम से अधिक प्रोटॉन होते हैं, फिर भी उसका बाहरी इलेक्ट्रॉन नाभिक से अधिक दूर है और कहीं अधिक शील्ड है। इसलिए पोटैशियम उस इलेक्ट्रॉन को अधिक आसानी से खो देता है।

“यदि मुझे अभिक्रिया दिखाई नहीं दे रही, तो धातु अवश्य ही अभिक्रियाहीन होगी”

ज़रूरी नहीं।

एक सुरक्षात्मक ऑक्साइड परत अभिकारकों को धातु तक पहुँचने से रोक सकती है। एल्युमिनियम इसका सामान्य उदाहरण है।

“आवर्त सारणी धातु अभिक्रियाशीलता के लिए एक तिरछा तीर देती है”

सावधान रहें।

समूह में नीचे जाने पर समूह 1 और समूह 2 की धातुओं की सक्रियता सामान्यतः बढ़ती है। आवर्त में बाएँ से दाएँ जाने पर धात्विक सक्रियता सामान्यतः घटती है। यदि एक धातु दूसरी से नीचे भी हो और अधिक दाईं ओर भी, तो ये दोनों रुझान एक-दूसरे का विरोध करते हैं।

उस स्थिति में कोई तिरछा नियम गढ़ने के बजाय आपको अधिक जानकारी की आवश्यकता होती है।

08प्रश्न और समाधान

प्रश्न 1

मैग्नीशियम और स्ट्रॉन्शियम दोनों समूह 2 की धातुएँ हैं।

किस धातु के तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अधिक आसानी से अभिक्रिया करने की अपेक्षा है? परमाणु संरचना और इलेक्ट्रॉन हानि के संदर्भ में अपने अनुमान की व्याख्या कीजिए, और अभिक्रिया का सामान्य आयनिक समीकरण लिखिए।

समाधान 1

स्ट्रॉन्शियम के तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अधिक आसानी से अभिक्रिया करने की अपेक्षा है।

स्ट्रॉन्शियम समूह 2 में मैग्नीशियम के नीचे है। इसलिए इसमें अधिक भरे हुए इलेक्ट्रॉन कोश, अधिक परमाणु त्रिज्या और संयोजक इलेक्ट्रॉनों की अधिक शील्डिंग होती है।

यद्यपि स्ट्रॉन्शियम का नाभिकीय आवेश भी अधिक है, बढ़ी हुई दूरी और शील्डिंग उसके दो बाहरी इलेक्ट्रॉनों को बाँधने वाले प्रभावी आकर्षण को कम कर देती हैं।

दोनों धातुएँ इस प्रकार ऑक्सीकरण से गुजरती हैं:

\[
\ce{M -> M^2+ + 2e^-}
\]

अम्ल के साथ अभिक्रिया है:

\[
\ce{M(s) + 2H+(aq) -> M^2+(aq) + H2(g)}
\]

आकर्षक लेकिन गलत तर्क यह होगा कि दोनों धातुओं में दो संयोजक इलेक्ट्रॉन हैं, इसलिए उनकी अभिक्रियाशीलता समान होनी चाहिए। उनके संयोजक इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान है, लेकिन वे इलेक्ट्रॉन कितनी मजबूती से बंधे हैं, यह समान नहीं है।

प्रश्न 2

एक विद्यार्थी साफ मैग्नीशियम को तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल में डालता है और तुरंत हाइड्रोजन के बुलबुले देखता है। समान अम्ल में रखी गई एल्युमिनियम की पट्टी शुरू में लगभग कोई बुलबुले नहीं बनाती।

एल्युमिनियम की सतह को अच्छी तरह घिसने के बाद वह कहीं अधिक तेजी से अभिक्रिया करने लगती है।

विद्यार्थी कहता है, “पहला अवलोकन सिद्ध करता है कि एल्युमिनियम में इलेक्ट्रॉन खोने की लगभग कोई प्रवृत्ति नहीं है।”

इस निष्कर्ष का मूल्यांकन कीजिए। आपके उत्तर में आवर्तीय सक्रियता और देखी गई अभिक्रिया दर के बीच अंतर स्पष्ट होना चाहिए।

समाधान 2

विद्यार्थी का निष्कर्ष उचित नहीं है, क्योंकि प्रारंभिक धीमी अभिक्रिया एल्युमिनियम की सुरक्षात्मक ऑक्साइड परत के कारण हो सकती है, न कि इलेक्ट्रॉन खोने की प्रवृत्ति की कमी के कारण।

एल्युमिनियम सामान्यतः \(\ce{Al2O3}\) की एक पतली परत से ढका होता है। अम्ल को नीचे मौजूद एल्युमिनियम के साथ आसानी से अभिक्रिया करने से पहले इस परत को भेदना या हटाना पड़ता है।

उजागर धातु के लिए ऑक्सीकरण अर्ध-समीकरण है:

\[
\ce{Al -> Al^3+ + 3e^-}
\]

सतह को घिसने से अवरोध का बड़ा भाग हट जाता है, इसलिए अभिक्रिया दर में वृद्धि इस बात का प्रमाण है कि मूल अवलोकन को सतह की स्थिति प्रभावित कर रही थी।

आवर्तीय तर्क अभी भी यह अनुमान लगाता है कि आवर्त 3 के धात्विक भाग में मैग्नीशियम सामान्यतः एल्युमिनियम से अधिक सक्रिय है:

\[
\ce{Mg > Al}
\]

हालाँकि, पहला प्रयोग अकेले इस अंतर की मात्रा स्थापित नहीं करता, क्योंकि वह आसानी से उपलब्ध मैग्नीशियम सतह की तुलना निष्क्रिय परत से ढकी एल्युमिनियम सतह से करता है।

आकर्षक लेकिन गलत रास्ता यह है कि “अधिक बुलबुले” को “ऑक्सीकरण की अधिक अंतर्निहित प्रवृत्ति” के समान मान लिया जाए। बुलबुलों की दर उन विशेष परिस्थितियों में उस विशेष अभिक्रिया की दर को मापती है। ऑक्साइड परत जैसी गतिकीय बाधाएँ इसे बदल सकती हैं।

प्रश्न 3

तीन काल्पनिक धातुएँ \(A\), \(B\) और \(C\) एक ही आवर्त में लगातार स्थित मुख्य-समूह की धातुएँ हैं।

वे क्रमशः \(\mathrm{A}^{+}\), \(\mathrm{B}^{2+}\) और \(\mathrm{C}^{3+}\) आयन बनाती हैं।

एक विद्यार्थी तर्क देता है कि \(C\) अवश्य ही सबसे अधिक अभिक्रियाशील होगी क्योंकि \(C\) का प्रत्येक मोल तीन मोल इलेक्ट्रॉन छोड़ सकता है, जबकि \(A\) का प्रत्येक मोल केवल एक मोल इलेक्ट्रॉन छोड़ता है।

मानते हुए कि ये तीनों धातुएँ सामान्य मुख्य-समूह आवर्तीय रुझान का पालन करती हैं, उनकी धातु सक्रियता का क्रम निर्धारित कीजिए। फिर समझाइए कि \(C\) प्रति मोल सबसे अधिक इलेक्ट्रॉन छोड़ते हुए भी तीनों में सबसे कम सक्रिय कैसे हो सकती है।

समाधान 3

अपेक्षित धातु-सक्रियता क्रम \(A>B>C\) है, भले ही पूर्ण ऑक्सीकरण पर \(C\) प्रति मोल सबसे अधिक इलेक्ट्रॉन छोड़ती है।

उनकी ऑक्सीकरण अर्ध-अभिक्रियाएँ हैं:

\[
\ce{A -> A+ + e^-}
\]

\[
\ce{B -> B^2+ + 2e^-}
\]

\[
\ce{C -> C^3+ + 3e^-}
\]

एक ही आवर्त में \(A\) से \(B\) और फिर \(C\) की ओर जाने पर संयोजक इलेक्ट्रॉनों पर प्रभावी नाभिकीय आकर्षण सामान्यतः बढ़ता है। इलेक्ट्रॉनों को हटाना कुल मिलाकर अधिक कठिन हो जाता है, इसलिए ऑक्सीकरण की प्रवृत्ति घटती है।

यदि प्रत्येक धातु का एक मोल पूरी तरह ऑक्सीकृत हो:

• \(A\) का \(1\) mol, \(1\) mol इलेक्ट्रॉन छोड़ता है,
• \(B\) का \(1\) mol, \(2\) mol इलेक्ट्रॉन छोड़ता है,
• \(C\) का \(1\) mol, \(3\) mol इलेक्ट्रॉन छोड़ता है।

यह हमें ऑक्सीकरण होने के बाद प्रति मोल इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण क्षमता बताता है। यह यह नहीं बताता कि ऑक्सीकरण कितनी आसानी से शुरू होता है।

आकर्षक तर्क मात्रा को प्रवृत्ति से भ्रमित कर देता है। एक बड़ी पानी की टंकी छोटी बोतल की तुलना में अधिक पानी रख सकती है, लेकिन इसका अर्थ यह नहीं कि उसे खाली करना आसान होगा। इसी प्रकार \(C\) प्रति मोल अधिक इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित कर सकती है, जबकि उन इलेक्ट्रॉनों को इतनी मजबूती से पकड़े रखती है कि उसका ऑक्सीकरण कम अनुकूल हो।

बोतल वाली उपमा सीमित है क्योंकि परमाणु इलेक्ट्रॉनों को किसी द्रव की तरह भौतिक रूप से संग्रहित नहीं करते। इसका एकमात्र उद्देश्य दो विचारों को अलग करना है: कितना स्थानांतरित किया जा सकता है और स्थानांतरण कितनी आसानी से होता है।

प्रश्न 4

तीन धातुओं पर विचार कीजिए:

• \(X\), आवर्त 3 की समूह 1 धातु है,
• \(Y\), आवर्त 3 की समूह 2 धातु है,
• \(Z\), आवर्त 4 की समूह 2 धातु है।

केवल इस मार्गदर्शिका में विकसित सरल आवर्तीय रुझानों का उपयोग करते हुए:

1. \(X\) और \(Y\) की अपेक्षित सक्रियता की तुलना कीजिए।
2. \(Y\) और \(Z\) की अपेक्षित सक्रियता की तुलना कीजिए।
3. तय कीजिए कि क्या केवल यही रुझान \(X\) और \(Z\) का क्रम निर्धारित करने के लिए पर्याप्त हैं।

एक विद्यार्थी दावा करता है, “आवर्त सारणी में नीचे स्थित कोई भी धातु अधिक अभिक्रियाशील होनी चाहिए, इसलिए \(Z\), \(X\) से अधिक अभिक्रियाशील अवश्य होगी।” इस तर्क का मूल्यांकन कीजिए।

समाधान 4

आवर्तीय रुझान \(X>Y\) और \(Z>Y\) का अनुमान देते हैं, लेकिन केवल इनके आधार पर \(X\) और \(Z\) के बीच विश्वसनीय क्रम निर्धारित नहीं किया जा सकता।

\(X\) और \(Y\) दोनों आवर्त 3 में हैं। \(X\) अधिक बाईं ओर है। किसी आवर्त के धात्विक क्षेत्र में बाएँ से दाएँ जाने पर इलेक्ट्रॉन खोने की प्रवृत्ति सामान्यतः घटती है।

इसलिए:

\[
X>Y
\]

\(Y\) और \(Z\) दोनों समूह 2 में हैं, और \(Z\), \(Y\) के नीचे है। समूह 2 में नीचे जाने पर शील्डिंग और परमाणु त्रिज्या बढ़ती है, जिससे संयोजक इलेक्ट्रॉनों को खोना आसान हो जाता है।

इसलिए:

\[
Z>Y
\]

\(X\) और \(Z\) की तुलना अलग है। \(X\) से \(Z\) की ओर जाने में नीचे और दाईं ओर, दोनों दिशाओं में जाना शामिल है।

नीचे जाने से धातु सक्रियता बढ़ने की प्रवृत्ति होती है।

दाईं ओर जाने से यह घटने की प्रवृत्ति होती है।

इसलिए दोनों सरल रुझान एक-दूसरे का विरोध करते हैं। वे हमें यह नहीं बताते कि कौन-सा प्रभाव अधिक बड़ा है।

विद्यार्थी का दावा इसलिए विफल होता है क्योंकि “सारणी में नीचे” होना कोई सार्वभौमिक नियम नहीं है। यह किसी उपयुक्त समूह के भीतर की तुलना, जैसे समूह 1 या समूह 2, में अच्छी तरह काम करता है, लेकिन अलग-अलग समूहों की धातुओं पर अपने-आप लागू नहीं होता।

\(X\) और \(Z\) का क्रम आत्मविश्वास से निर्धारित करने के लिए हमें अतिरिक्त प्रमाण चाहिए, जैसे सक्रियता श्रेणी, उपयुक्त प्रायोगिक डेटा या अधिक विस्तृत ऊर्जा संबंधी जानकारी।

आकर्षक कदम यह है कि बढ़ती अभिक्रियाशीलता का एक सार्वभौमिक तिरछा तीर कल्पना कर लिया जाए। आवर्त सारणी हमें ऐसा कोई तीर नहीं देती। रुझान तब सबसे विश्वसनीय होते हैं जब हम एक समय में किसी एक प्रमुख संरचनात्मक विशेषता को बदलते हुए तत्वों की तुलना करते हैं।

प्रश्न 5

निम्नलिखित प्रथम और क्रमिक आयनीकरण ऊर्जाएँ दी गई हैं। सभी मान \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) में हैं।

एक विद्यार्थी केवल प्रथम आयनीकरण ऊर्जाओं को देखकर तर्क देता है कि:

\[
\ce{Na > Al > Mg}
\]

धातु सक्रियता का क्रम होना चाहिए, क्योंकि एल्युमिनियम का पहला इलेक्ट्रॉन हटाने के लिए मैग्नीशियम की तुलना में कम ऊर्जा चाहिए।

दूसरा विद्यार्थी तर्क देता है कि आवर्त 3 का व्यापक धातु-सक्रियता रुझान है:

\[
\ce{Na > Mg > Al}
\]

समझाइए कि इन तीन धातुओं के लिए कौन-सा मॉडल अधिक उपयोगी भविष्यवाणी देता है। आपकी व्याख्या में एल्युमिनियम की असामान्य रूप से कम प्रथम आयनीकरण ऊर्जा, सामान्य आयनों का बनना, और यह तथ्य शामिल होना चाहिए कि क्रमिक आयनीकरण ऊर्जाएँ भी वास्तविक धातु अभिक्रियाशीलता का पूर्ण वर्णन क्यों नहीं करतीं।

समाधान 5

व्यापक भविष्यवाणी \(\ce{Na > Mg > Al}\) अधिक उपयोगी धातु-सक्रियता रुझान है; केवल प्रथम आयनीकरण ऊर्जा से धातुओं का क्रम निर्धारित करने पर मैग्नीशियम और एल्युमिनियम की तुलना भ्रामक हो जाती है।

पहले विद्यार्थी का तर्क शुरू में विश्वसनीय लगता है, क्योंकि दिए गए मान हैं:

\[
496 < 578 < 738
\]

इसलिए सोडियम का पहला इलेक्ट्रॉन हटाना सबसे आसान है, उसके बाद एल्युमिनियम का और फिर मैग्नीशियम का।

महत्वपूर्ण बिंदु यह है कि प्रथम आयनीकरण ऊर्जा केवल एक इलेक्ट्रॉन का वर्णन करती है।

एल्युमिनियम का पहला इलेक्ट्रॉन उसके \(3p\) उपकोश से हटता है। उस इलेक्ट्रॉन को मैग्नीशियम के पहले \(3s\) इलेक्ट्रॉन की तुलना में हटाना कुछ आसान है, इसलिए एल्युमिनियम प्रथम आयनीकरण ऊर्जा में पूर्णतः सुचारु वृद्धि की सरल अपेक्षा को तोड़ता है।

लेकिन मैग्नीशियम और एल्युमिनियम सामान्यतः एक इलेक्ट्रॉन खोने के बाद नहीं रुकते।

मैग्नीशियम सामान्यतः \(\mathrm{Mg}^{2+}\) बनाता है, जिसके लिए उसकी पहली दो आयनीकरण ऊर्जाएँ चाहिए:

\[
738+1451=2189\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}
\]

गैस-अवस्था की आयनीकरण प्रक्रियाओं के लिए।

एल्युमिनियम सामान्यतः \(\mathrm{Al}^{3+}\) बनाता है, जिसके लिए तीन आयनीकरण ऊर्जाएँ चाहिए:

\[
578+1817+2745=5140\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}
\]

संबंधित गैस-अवस्था चरणों के लिए।

ये कुल मान दिखाते हैं कि केवल एल्युमिनियम के पहले, अपेक्षाकृत आसानी से हटने वाले \(3p\) इलेक्ट्रॉन पर ध्यान देना एक विकृत चित्र क्यों देता है।

हालाँकि, क्रमिक आयनीकरण ऊर्जाओं के योग को सटीक अभिक्रियाशीलता गणना घोषित करना भी गलत होगा। आयनीकरण-ऊर्जा डेटा गैसीय परमाणुओं और आयनों से संबंधित होते हैं। वास्तविक धातु अभिक्रिया में ठोस धातु के भीतर की अंतःक्रियाओं को तोड़ना, बंधों का बनना, आयनों का विलायक द्वारा घिरना, इलेक्ट्रॉनों का किसी दूसरी प्रजाति को स्थानांतरित होना और सतही बाधाओं को पार करना शामिल हो सकता है।

एल्युमिनियम एक और जटिलता जोड़ता है, क्योंकि उसकी ऑक्साइड परत उसकी दिखाई देने वाली अभिक्रिया दर को उसके अंतर्निहित रेडॉक्स व्यवहार की अपेक्षा बहुत धीमा बना सकती है।

इसलिए पहले विद्यार्थी के तर्क को विफल करने वाली सटीक सीमा यह है: धातु सक्रियता पूरी ऑक्सीकरण प्रक्रिया की ऊर्जा और तंत्र से संबंधित है, जबकि प्रथम आयनीकरण ऊर्जा केवल एक पृथक चरण का वर्णन करती है।

आवर्त 3 का रुझान उपयोगी बना रहता है, लेकिन उसे किसी एक संख्या से निकले नियम के बजाय एक रासायनिक मॉडल के रूप में देखना चाहिए।

09यह पैटर्न आपको आगे क्या अनुमान लगाने देता है

आवर्तीय स्थिति सबसे उपयोगी तब होती है जब वह बताती है कि कोई धातु अभिक्रियाशीलता के पैटर्न में अपनी जगह पर क्यों स्थित है।

समूह 1 या समूह 2 में नीचे जाने पर अधिक दूरी और शील्डिंग सामान्यतः इलेक्ट्रॉन हानि को आसान बनाती हैं। किसी आवर्त के मुख्य-समूह धात्विक भाग में आगे बढ़ने पर अधिक मजबूत प्रभावी नाभिकीय आकर्षण सामान्यतः इलेक्ट्रॉन हानि को कठिन बनाता है। जब ये रुझान एक-दूसरे से प्रतिस्पर्धा करने लगें, या जब सतही परतें और विशिष्ट अभिक्रिया परिस्थितियाँ महत्वपूर्ण हो जाएँ, तब केवल आवर्तीय स्थिति पर्याप्त नहीं रहती।

यहीं अगला उपकरण उपयोगी बनता है: धातु सक्रियता श्रेणी। केवल यह पूछने के बजाय कि, “यह धातु आवर्त सारणी में कहाँ है?”, आप अधिक शक्तिशाली प्रश्न पूछ सकते हैं: “इलेक्ट्रॉन खोने की इसकी प्रवृत्ति को देखते हुए, क्या यह धातु इन विशेष परिस्थितियों में किसी दूसरी प्रजाति को विस्थापित करेगी?”