रेडॉक्स अर्ध-समीकरण: HSC रसायन विज्ञान अभिक्रियाओं का संतुलन

जिंक की एक पट्टी नीले कॉपर(II) विलयन में रखी रह सकती है और धीरे-धीरे उस पर कॉपर की परत जमने लगती है। पहली नज़र में, आयनिक समीकरण लगभग बहुत ही आसान लगता है:

\[
\ce{Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu}
\]

परमाणु संतुलित हैं। आवेश भी संतुलित है। तो वास्तव में हुआ क्या है?

आगे पढ़ने से पहले अनुमान लगाएँ कि इलेक्ट्रॉन कहाँ गए। जिंक शुरुआत में उदासीन है और अंत में \(\mathrm{Zn}^{2+}\) बन जाता है। कॉपर शुरुआत में \(\mathrm{Cu}^{2+}\) के रूप में है और अंत में उदासीन हो जाता है। आवेश में यह परिवर्तन ही संकेत है: जिंक को इलेक्ट्रॉन छोड़ने पड़े होंगे, और कॉपर आयनों को वे इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने पड़े होंगे।

अर्ध-समीकरण इस छिपे हुए इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को स्पष्ट कर देते हैं।

01रेडॉक्स समीकरण वास्तव में इलेक्ट्रॉनों का हिसाब-किताब हैं

जिंक-कॉपर अभिक्रिया को दो प्रक्रियाओं में बाँटें:

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

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

यहाँ, \(\ce{e^-}\) का अर्थ एक इलेक्ट्रॉन है।

जिंक परमाणु दो इलेक्ट्रॉन खोता है। यह ऑक्सीकरण है।

कॉपर(II) आयन दो इलेक्ट्रॉन ग्रहण करता है। यह अपचयन है।

याद रखने का एक उपयोगी तरीका OIL RIG है:

• oxidation यानी इलेक्ट्रॉनों का loss
• reduction यानी इलेक्ट्रॉनों का gain

लेकिन केवल इस स्मृति-सूत्र पर न रुकें। अधिक उपयोगी विचार यह है कि रेडॉक्स अभिक्रिया इलेक्ट्रॉनों का हस्तांतरण है। कोई एक रासायनिक प्रजाति जितने इलेक्ट्रॉन खोती है, किसी दूसरी प्रजाति को उतने ही इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने होते हैं।

इलेक्ट्रॉनों को ऐसे समझें जैसे दो कॉन्सर्ट टिकट एक व्यक्ति से दूसरे व्यक्ति को दिए जा रहे हों। यदि जिंक दो टिकट देता है, तो कॉपर किसी तरह तीन टिकट प्राप्त नहीं कर सकता। संख्याएँ समान होनी चाहिए।

यह उपमा एक सीमा पर विफल हो जाती है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन ऐसे छोटे-छोटे नामांकित कण नहीं हैं जो विलयन में किसी एक विशेष जिंक परमाणु से किसी एक विशेष कॉपर आयन तक यात्रा कर रहे हों। समीकरण समग्र परिवर्तन का हिसाब-किताब दिखाता है।

02किसी अर्ध-समीकरण को संतुलित क्या बनाता है?

किसी अर्ध-समीकरण की दो अलग-अलग आवश्यकताएँ होती हैं:

1. प्रत्येक तत्व के परमाणुओं की संख्या दोनों ओर समान होनी चाहिए
2. कुल विद्युत आवेश दोनों ओर समान होना चाहिए

विचार करें:

\[
\ce{Zn -> Zn^2+}
\]

जिंक परमाणु संतुलित हैं, लेकिन आवेश संतुलित नहीं है। बाईं ओर आवेश \(0\) है, जबकि दाईं ओर आवेश \(+2\) है।

दाईं ओर दो इलेक्ट्रॉन जोड़ने से आवेश संतुलित हो जाता है:

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

अब दाईं ओर का आवेश है:

\[
+2 + 2(-1) = 0
\]

इसलिए परमाणु और आवेश दोनों संतुलित हैं।

इससे एक त्वरित जाँच नियम मिलता है: यदि आपके परमाणु संतुलित हैं लेकिन आवेश संतुलित नहीं है, तो अर्ध-समीकरण अभी पूरा नहीं हुआ है।

03ऑक्सीकरण और अपचयन: इलेक्ट्रॉन किस ओर जाते हैं?

आपको अनुमान लगाने की आवश्यकता नहीं है।

यदि इलेक्ट्रॉन दाईं ओर दिखाई देते हैं, तो वे उत्पन्न हो रहे हैं:

\[
\ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-}
\]

यह ऑक्सीकरण है।

यदि इलेक्ट्रॉन बाईं ओर दिखाई देते हैं, तो उनका उपभोग हो रहा है:

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

यह अपचयन है।

आप ऑक्सीकरण अवस्था की जाँच भी कर सकते हैं।

\(\ce{Fe^2+ -> Fe^3+}\) में आयरन अधिक धनात्मक हो जाता है। उसने एक इलेक्ट्रॉन खोया है।

\(\ce{Ag^+ -> Ag}\) में सिल्वर \(+1\) से \(0\) में बदलता है। उसने एक इलेक्ट्रॉन ग्रहण किया है।

04जब ऑक्सीजन और हाइड्रोजन दिखाई दें, तो एक निश्चित विधि अपनाएँ

जब \(\ce{MnO4^-}\), \(\ce{Cr2O7^2-}\), या \(\ce{H2O2}\) जैसी प्रजातियाँ दिखाई देती हैं, तो अर्ध-समीकरण कुछ अधिक कठिन हो जाते हैं।

सब कुछ एक साथ संतुलित करने की कोशिश आमतौर पर उलझन पैदा करती है। अम्लीय विलयन में इस क्रम का उपयोग करें:

1. H और O को छोड़कर हर तत्व को संतुलित करें
2. O को \(\ce{H2O}\) का उपयोग करके संतुलित करें
3. H को \(\mathrm{H}^{+}\) का उपयोग करके संतुलित करें
4. आवेश को \(\ce{e^-}\) का उपयोग करके संतुलित करें
5. परमाणुओं और आवेश दोनों की जाँच करें

क्रम महत्वपूर्ण है क्योंकि प्रत्येक चरण पिछली अवस्था को बिगाड़े बिना एक समस्या को ठीक करता है।

05क्षारीय विलयन में क्या बदलता है?

बहुत अधिक क्षारीय विलयन में अंतिम उत्तर में \(\mathrm{H}^{+}\) का उपयोग करना असंगत होगा। वहाँ मुक्त \(\mathrm{H}^{+}\) बहुत कम मात्रा में उपस्थित होता है।

एक विश्वसनीय विधि है:

1. अर्ध-समीकरण को ऐसे संतुलित करें जैसे विलयन अम्लीय हो
2. प्रत्येक \(\mathrm{H}^{+}\) से अभिक्रिया करने के लिए दोनों ओर पर्याप्त \(\ce{OH^-}\) जोड़ें
3. प्रत्येक \(\ce{H^+ + OH^-}\) युग्म को \(\ce{H2O}\) से बदलें
4. दोनों ओर उपस्थित किसी भी पानी को काट दें

उदाहरण के लिए, मान लें कि परमैंगनेट अपचयित होकर मैंगनीज डाइऑक्साइड, \(\ce{MnO2}\), बनाता है।

अम्लीय परिस्थितियों में संतुलन से शुरू करें:

\[
\ce{MnO4^- + 4H^+ + 3e^- -> MnO2 + 2H2O}
\]

अब दोनों ओर \(4\ce{OH^-}\) जोड़ें:

\[
\ce{MnO4^- + 4H^+ + 4OH^- + 3e^- -> MnO2 + 2H2O + 4OH^-}
\]

क्योंकि \(\ce{H^+ + OH^- -> H2O}\):

\[
\ce{MnO4^- + 4H2O + 3e^- -> MnO2 + 2H2O + 4OH^-}
\]

पानी के दो अणु काट दें:

\[
\ce{MnO4^- + 2H2O + 3e^- -> MnO2 + 4OH^-}
\]

अब यह समीकरण क्षारीय परिस्थितियों के अनुरूप है।

06अर्ध-समीकरणों को जोड़ना: अनिवार्य नियम

इलेक्ट्रॉन पूरी तरह कटने चाहिए।

मान लें कि एक अर्ध-समीकरण दो इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है और दूसरा तीन इलेक्ट्रॉनों का उपभोग करता है:

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

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

आप उन्हें सीधे नहीं जोड़ सकते। दो इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होंगे जबकि तीन का उपभोग होगा।

\(2\) और \(3\) का लघुत्तम समापवर्त्य \(6\) है, इसलिए पहले अर्ध-समीकरण को \(3\) से और दूसरे को \(2\) से गुणा करें।

उसके बाद ही आप उन्हें जोड़ सकते हैं।

यह भिन्नों में हरों को समान करने जैसी ही तर्क-पद्धति है। रसायन विज्ञान अलग है, लेकिन हिसाब-किताब की समस्या समान है: राशियों को जोड़ने से पहले उन्हें परस्पर संगत बनाना पड़ता है।

07किसी रेडॉक्स समीकरण को स्वीकार करने से पहले पाँच-बिंदु जाँच

जो समीकरण देखने में संतुलित लगता है, वह फिर भी गलत हो सकता है। इन पाँचों बिंदुओं की जाँच करें।

अंतिम जाँच आसानी से छूट सकती है। गणितीय संतुलन आवश्यक है, लेकिन यह सिद्ध नहीं करता कि समीकरण वास्तव में हो रही रासायनिक प्रक्रिया को दर्शाता है।

08सबसे लुभावनी गलतियाँ

परमाणुओं को संतुलित करने के लिए रासायनिक सूत्र बदलना

मान लें कि आपको दो क्लोराइड आयन चाहिए। लिखें:

\[
\ce{2Cl^-}
\]

\(\mathrm{Cl}^{-}\) को \(\ce{Cl2^-}\) में न बदलें।

गुणांक यह बदलता है कि आपके पास कितने कण हैं। अधोलिखित संख्या पदार्थ की पहचान बदल देती है।

परमाणुओं को संतुलित करना लेकिन आवेश भूल जाना

यह विशेष रूप से तब आम है जब ऑक्सीजन और हाइड्रोजन शामिल हों। परमाणुओं को संतुलित करने के बाद हमेशा दोनों ओर के कुल आवेश की गणना करें।

अर्ध-समीकरण के केवल एक भाग को गुणा करना

यदि

\[
\ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-}
\]

को \(5\) से गुणा करना हो, तो परिणाम है:

\[
\ce{5Fe^2+ -> 5Fe^3+ + 5e^-}
\]

यह नहीं:

\[
\ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + 5e^-}
\]

दूसरा समीकरण आवेश का संरक्षण नहीं करता और उसी प्रक्रिया का वर्णन नहीं करता।

यह मान लेना कि संतुलित रेडॉक्स समीकरण अवश्य ही स्वतः घटित होगा

अर्ध-समीकरणों का संतुलन एक स्टॉइकियोमेट्रिक प्रश्न का उत्तर देता है: यदि ये ऑक्सीकरण और अपचयन प्रक्रियाएँ साथ-साथ होती हैं, तो किस अनुपात की आवश्यकता होगी?

केवल इससे यह पता नहीं चलता कि वह अभिक्रिया ऊर्जात्मक रूप से अनुकूल है या नहीं। इसके लिए अतिरिक्त रासायनिक जानकारी, जैसे अपचयन विभव, की आवश्यकता होती है।

09प्रश्न और समाधान

प्रश्न 1

एल्युमिनियम धातु \(\mathrm{Cu}^{2+}\) आयनों के साथ अभिक्रिया करके \(\mathrm{Al}^{3+}\) आयन और कॉपर धातु बनाती है।

ऑक्सीकरण अर्ध-समीकरण, अपचयन अर्ध-समीकरण और संतुलित समग्र आयनिक समीकरण लिखें।

समाधान 1

संतुलित समग्र समीकरण है

\[
\ce{2Al + 3Cu^2+ -> 2Al^3+ + 3Cu}
\]

एल्युमिनियम ऑक्सीकृत होता है:

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

कॉपर(II) आयन अपचयित होते हैं:

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

लुभावना कदम यह है कि इन समीकरणों को तुरंत जोड़ दिया जाए, क्योंकि दोनों अर्ध-समीकरण अलग-अलग संतुलित हैं। यह असफल होता है क्योंकि एल्युमिनियम तीन इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है जबकि कॉपर केवल दो इलेक्ट्रॉनों का उपभोग करता है।

\(3\) और \(2\) का लघुत्तम समापवर्त्य \(6\) है।

एल्युमिनियम अर्ध-समीकरण को \(2\) से गुणा करें:

\[
\ce{2Al -> 2Al^3+ + 6e^-}
\]

कॉपर अर्ध-समीकरण को \(3\) से गुणा करें:

\[
\ce{3Cu^2+ + 6e^- -> 3Cu}
\]

छह इलेक्ट्रॉनों को जोड़कर काट देने पर मिलता है:

\[
\ce{2Al + 3Cu^2+ -> 2Al^3+ + 3Cu}
\]

बाईं ओर का आवेश \(3(+2)=+6\) है, और दाईं ओर का आवेश \(2(+3)=+6\) है, इसलिए परमाणुओं के साथ-साथ आवेश भी संरक्षित है।

प्रश्न 2

अम्लीय विलयन में डाइक्रोमेट आयन, \(\ce{Cr2O7^2-}\), आयोडाइड आयनों, \(\mathrm{I}^{-}\), को ऑक्सीकृत करके आयोडीन, \(\ce{I2}\), बनाते हैं। डाइक्रोमेट अपचयित होकर \(\mathrm{Cr}^{3+}\) बनता है।

दोनों अर्ध-समीकरण और संतुलित समग्र आयनिक समीकरण बनाएँ।

समाधान 2

संतुलित समग्र समीकरण है

\[
\ce{Cr2O7^2- + 14H^+ + 6I^- -> 2Cr^3+ + 3I2 + 7H2O}
\]

डाइक्रोमेट के अपचयन से शुरू करें:

\[
\ce{Cr2O7^2- -> 2Cr^3+}
\]

सात ऑक्सीजन परमाणुओं के लिए दाईं ओर पानी के सात अणु चाहिए:

\[
\ce{Cr2O7^2- -> 2Cr^3+ + 7H2O}
\]

पानी के उन सात अणुओं में चौदह हाइड्रोजन परमाणु होते हैं, इसलिए बाईं ओर \(14\mathrm{H}^{+}\) जोड़ें:

\[
\ce{Cr2O7^2- + 14H^+ -> 2Cr^3+ + 7H2O}
\]

बाईं ओर का आवेश है

\[
-2+14=+12
\]

जबकि दाईं ओर का आवेश है

\[
2(+3)=+6
\]

बाईं ओर छह इलेक्ट्रॉन जोड़ें:

\[
\ce{Cr2O7^2- + 14H^+ + 6e^- -> 2Cr^3+ + 7H2O}
\]

आयोडाइड के ऑक्सीकरण के लिए:

\[
\ce{2I^- -> I2 + 2e^-}
\]

एक आम गलती \(\ce{I^- -> I2}\) लिखकर केवल आवेश को संतुलित करने की कोशिश करना है। आयोडीन परमाणुओं को पहले संतुलित करना आवश्यक है: एक \(\ce{I2}\) अणु में दो आयोडीन परमाणु होते हैं।

आयोडाइड अर्ध-समीकरण को \(3\) से गुणा करें:

\[
\ce{6I^- -> 3I2 + 6e^-}
\]

अब अर्ध-समीकरणों को जोड़ें और छह इलेक्ट्रॉनों को काट दें:

\[
\ce{Cr2O7^2- + 14H^+ + 6I^- -> 2Cr^3+ + 3I2 + 7H2O}
\]

बाईं ओर कुल आवेश है

\[
-2+14-6=+6
\]

और दाईं ओर कुल आवेश \(+6\) है।

प्रश्न 3

हाइपोक्लोराइट आयन, \(\ce{ClO^-}\), क्षारीय विलयन में आयोडाइड आयनों को ऑक्सीकृत करके आयोडीन बनाते हैं। हाइपोक्लोराइट अपचयित होकर क्लोराइड आयन बनता है।

संतुलित समग्र आयनिक समीकरण बनाएँ और ऑक्सीकारक तथा अपचायक की पहचान करें।

समाधान 3

संतुलित समग्र समीकरण है

\[
\ce{ClO^- + H2O + 2I^- -> Cl^- + I2 + 2OH^-}
\]

ऑक्सीकारक \(\ce{ClO^-}\) है, और अपचायक \(\mathrm{I}^{-}\) है।

सबसे पहले हाइपोक्लोराइट के अपचयन को संतुलित करें। शुरुआत ऐसे करना सबसे आसान है जैसे विलयन अम्लीय हो:

\[
\ce{ClO^- -> Cl^-}
\]

ऑक्सीजन को पानी से संतुलित करें:

\[
\ce{ClO^- -> Cl^- + H2O}
\]

हाइड्रोजन को संतुलित करें:

\[
\ce{ClO^- + 2H^+ -> Cl^- + H2O}
\]

अब आवेश संतुलित करें। बाईं ओर आवेश \(+1\) है, जबकि दाईं ओर आवेश \(-1\) है, इसलिए बाईं ओर दो इलेक्ट्रॉन जोड़ें:

\[
\ce{ClO^- + 2H^+ + 2e^- -> Cl^- + H2O}
\]

क्योंकि अभिक्रिया क्षारीय विलयन में होती है, दोनों ओर \(2\ce{OH^-}\) जोड़ें:

\[
\ce{ClO^- + 2H^+ + 2OH^- + 2e^- -> Cl^- + H2O + 2OH^-}
\]

\(\ce{2H^+ + 2OH^-}\) को \(2\ce{H2O}\) में बदलें और पानी का एक अणु काट दें:

\[
\ce{ClO^- + H2O + 2e^- -> Cl^- + 2OH^-}
\]

आयोडाइड ऑक्सीकृत होता है:

\[
\ce{2I^- -> I2 + 2e^-}
\]

इलेक्ट्रॉनों की संख्या पहले से समान है, इसलिए अर्ध-समीकरणों को सीधे जोड़ा जा सकता है:

\[
\ce{ClO^- + H2O + 2I^- -> Cl^- + I2 + 2OH^-}
\]

एक लुभावनी गलत धारणा यह है कि आयोडीन को ऑक्सीकारक माना जाए क्योंकि आयोडीन उत्पाद के रूप में दिखाई देता है। ऑक्सीकारक वह प्रजाति है जो किसी अन्य प्रजाति का ऑक्सीकरण कराती है और स्वयं अपचयित होती है। यहाँ, \(\ce{ClO^-}\) इलेक्ट्रॉन ग्रहण करता है, इसलिए वही ऑक्सीकारक है।

प्रश्न 4

अम्लीय विलयन में परमैंगनेट आयन हाइड्रोजन पेरॉक्साइड के साथ अभिक्रिया करते हैं। परमैंगनेट अपचयित होकर \(\mathrm{Mn}^{2+}\) बनता है, जबकि हाइड्रोजन पेरॉक्साइड ऑक्सीकृत होकर \(\ce{O2}\) बनता है।

संतुलित समग्र आयनिक समीकरण बनाएँ। फिर मोल अनुपात \(\ce{MnO4^- : H2O2}\) निर्धारित करें।

एक विद्यार्थी तर्क देता है कि एक \(\ce{H2O2}\) अणु केवल एक इलेक्ट्रॉन छोड़ता है क्योंकि हाइड्रोजन पेरॉक्साइड में ऑक्सीजन की ऑक्सीकरण अवस्था \(-1\) से बदलकर ऑक्सीजन गैस में \(0\) हो जाती है। त्रुटि समझाएँ।

समाधान 4

संतुलित समीकरण है

\[
\ce{2MnO4^- + 6H^+ + 5H2O2 -> 2Mn^2+ + 8H2O + 5O2}
\]

इसलिए मोल अनुपात \(\ce{MnO4^- : H2O2}\) \(2:5\) है। प्रत्येक \(\ce{H2O2}\) अणु एक नहीं, बल्कि दो इलेक्ट्रॉन छोड़ता है।

परमैंगनेट का अपचयन अर्ध-समीकरण है:

\[
\ce{MnO4^- + 8H^+ + 5e^- -> Mn^2+ + 4H2O}
\]

अब हाइड्रोजन पेरॉक्साइड का ऑक्सीकरण अर्ध-समीकरण बनाएँ।

इससे शुरू करें:

\[
\ce{H2O2 -> O2}
\]

ऑक्सीजन परमाणु पहले से संतुलित हैं। दाईं ओर \(2\mathrm{H}^{+}\) जोड़कर हाइड्रोजन को संतुलित करें:

\[
\ce{H2O2 -> O2 + 2H^+}
\]

अब दाईं ओर का आवेश \(+2\) है। दाईं ओर दो इलेक्ट्रॉन जोड़ें:

\[
\ce{H2O2 -> O2 + 2H^+ + 2e^-}
\]

दोनों अर्ध-समीकरण क्रमशः पाँच और दो इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण करते हैं। इनका लघुत्तम समापवर्त्य \(10\) है।

परमैंगनेट अर्ध-समीकरण को \(2\) से गुणा करें:

\[
\ce{2MnO4^- + 16H^+ + 10e^- -> 2Mn^2+ + 8H2O}
\]

पेरॉक्साइड अर्ध-समीकरण को \(5\) से गुणा करें:

\[
\ce{5H2O2 -> 5O2 + 10H^+ + 10e^-}
\]

इन्हें जोड़ें:

\[
\ce{2MnO4^- + 16H^+ + 5H2O2 -> 2Mn^2+ + 8H2O + 5O2 + 10H^+}
\]

दोनों ओर से \(10\mathrm{H}^{+}\) काट दें:

\[
\ce{2MnO4^- + 6H^+ + 5H2O2 -> 2Mn^2+ + 8H2O + 5O2}
\]

विद्यार्थी का ऑक्सीकरण-अवस्था वाला तर्क \(-1\) से \(0\) के परिवर्तन को तो पहचानता है, लेकिन केवल एक ऑक्सीजन परमाणु की गणना करता है। \(\ce{H2O2}\) के एक अणु में दो ऑक्सीजन परमाणु होते हैं।

प्रत्येक ऑक्सीजन की ऑक्सीकरण अवस्था \(-1\) से \(0\) होती है, जो प्रति ऑक्सीजन परमाणु एक इलेक्ट्रॉन की हानि के अनुरूप है। इसलिए, एक \(\ce{H2O2}\) अणु कुल मिलाकर दो इलेक्ट्रॉनों के लिए उत्तरदायी होता है।

इसीलिए ऑक्सीकरण संख्याएँ उपयोगी हैं, लेकिन आपको प्रति परमाणु होने वाले परिवर्तन को उस प्रजाति में मौजूद ऐसे परमाणुओं की संख्या से भी जोड़ना पड़ता है।

प्रश्न 5

बहुत अधिक क्षारीय विलयन में परमैंगनेट आयन सल्फाइट आयनों, \(\ce{SO3^2-}\), के साथ अभिक्रिया करते हैं। \(\ce{MnO2}\) का भूरा ठोस दिखाई देता है, जबकि सल्फाइट सल्फेट, \(\ce{SO4^2-}\), में परिवर्तित हो जाता है।

संतुलित समग्र आयनिक समीकरण बनाएँ।

एक अन्य विद्यार्थी एक अम्लीय समीकरण से शुरू करता है जिसमें परमैंगनेट \(\mathrm{Mn}^{2+}\) बनाता है, \(\mathrm{H}^{+}\) हटाने के लिए \(\ce{OH^-}\) जोड़ता है, और ऐसा समीकरण प्राप्त करता है जिसमें परमाणु और आवेश दोनों संतुलित हैं। वह तर्क देता है कि इसलिए उसका समीकरण इस क्षारीय अभिक्रिया के लिए भी उतना ही मान्य होना चाहिए।

स्पष्ट रूप से समझाएँ कि यह निष्कर्ष क्यों नहीं निकलता।

समाधान 5

दिए गए क्षारीय परिस्थितियों और देखे गए \(\ce{MnO2}\) उत्पाद के अनुरूप समीकरण है

\[
\ce{2MnO4^- + 3SO3^2- + H2O -> 2MnO2 + 3SO4^2- + 2OH^-}
\]

दूसरे विद्यार्थी का समीकरण बीजगणितीय रूप से संतुलित हो सकता है, लेकिन केवल परमाणु और आवेश का संतुलन यह सिद्ध नहीं करता कि मानी गई रासायनिक प्रजातियाँ दी गई परिस्थितियों में वास्तव में बनने वाले उत्पाद हैं।

क्षारीय विलयन में परमैंगनेट के अपचयन अर्ध-समीकरण से शुरू करें:

\[
\ce{MnO4^- + 2H2O + 3e^- -> MnO2 + 4OH^-}
\]

अब सल्फाइट के ऑक्सीकरण को संतुलित करें।

अम्लीय रूप से शुरू करते हुए:

\[
\ce{SO3^2- -> SO4^2-}
\]

अतिरिक्त ऑक्सीजन उपलब्ध कराने के लिए पानी जोड़ें:

\[
\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2-}
\]

हाइड्रोजन को संतुलित करें:

\[
\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2- + 2H^+}
\]

अब दाईं ओर दो इलेक्ट्रॉन जोड़कर आवेश संतुलित करें:

\[
\ce{SO3^2- + H2O -> SO4^2- + 2H^+ + 2e^-}
\]

दोनों ओर \(2\ce{OH^-}\) जोड़कर इसे क्षारीय परिस्थितियों के लिए बदलें:

\[
\ce{SO3^2- + H2O + 2OH^- -> SO4^2- + 2H2O + 2e^-}
\]

पानी का एक अणु काट दें:

\[
\ce{SO3^2- + 2OH^- -> SO4^2- + H2O + 2e^-}
\]

परमैंगनेट अर्ध-समीकरण तीन इलेक्ट्रॉनों का उपभोग करता है, जबकि सल्फाइट अर्ध-समीकरण दो इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करता है। लघुत्तम समापवर्त्य \(6\) है।

परमैंगनेट अर्ध-समीकरण को \(2\) से गुणा करें:

\[
\ce{2MnO4^- + 4H2O + 6e^- -> 2MnO2 + 8OH^-}
\]

सल्फाइट अर्ध-समीकरण को \(3\) से गुणा करें:

\[
\ce{3SO3^2- + 6OH^- -> 3SO4^2- + 3H2O + 6e^-}
\]

इन्हें जोड़ें:

\[
\ce{2MnO4^- + 4H2O + 3SO3^2- + 6OH^- -> 2MnO2 + 8OH^- + 3SO4^2- + 3H2O}
\]

छह \(\ce{OH^-}\) और तीन \(\ce{H2O}\) काट दें:

\[
\ce{2MnO4^- + 3SO3^2- + H2O -> 2MnO2 + 3SO4^2- + 2OH^-}
\]

अब अधिक कठिन बिंदु पर आते हैं।

एक अलग, अम्लीय परिस्थितियों के लिए उपयुक्त परमैंगनेट अर्ध-समीकरण लेना संभव है,

\[
\ce{MnO4^- + 8H^+ + 5e^- -> Mn^2+ + 4H2O}
\]

इसे सल्फाइट के ऑक्सीकरण के साथ जोड़ना, और फिर \(\ce{OH^-}\) का उपयोग करके बीजगणितीय रूप से \(\mathrm{H}^{+}\) को हटाना भी संभव है। इससे प्राप्त समीकरण परमाणुओं और आवेश दोनों का संरक्षण कर सकता है।

लेकिन इससे यह सिद्ध नहीं होता कि वह समीकरण इस प्रयोग का वर्णन करता है।

विद्यार्थी ने बिना बताए यह मान लिया है कि बहुत अधिक क्षारीय परिस्थितियों में भी \(\mathrm{Mn}^{2+}\) ही अपचयन उत्पाद बना रहता है। लेकिन प्रश्न वास्तविक उत्पाद के बारे में प्रत्यक्ष प्रमाण देता है: भूरे रंग का \(\ce{MnO2}\) ठोस बनता है। इसलिए अर्ध-समीकरण को \(\ce{MnO2}\) तक के अपचयन को दर्शाना चाहिए, न कि \(\mathrm{Mn}^{2+}\) तक के अपचयन को।

यही अर्ध-समीकरण संतुलन की महत्वपूर्ण सीमा है। यह आपको बता सकता है कि प्रस्तावित ऑक्सीकरण और अपचयन प्रक्रियाओं को इलेक्ट्रॉनों और परमाणुओं के सुसंगत हिसाब-किताब के साथ जोड़ा जा सकता है या नहीं। लेकिन केवल यही विधि यह तय नहीं कर सकती कि किसी विशेष परिस्थिति में रासायनिक रूप से संभव अर्ध-अभिक्रियाओं में से वास्तव में कौन-सी होगी।

उस अगले निर्णय के लिए अभिक्रिया के वातावरण और विभिन्न प्रजातियों के अपचयित होने की सापेक्ष प्रवृत्ति के बारे में जानकारी आवश्यक होती है। विद्युत रसायन में, यहीं गैल्वैनिक अर्ध-कोशिकाओं के अपचयन विभव उपयोगी हो जाते हैं।