HSC Chemistry में धातु अभिक्रियाओं के लिए मानक अपचयन विभव

ज़िंक की एक पट्टी को नीले \(\ce{CuSO4(aq)}\) में डालें, तो ज़िंक पर कॉपर की परत जम सकती है। कॉपर को \(\ce{ZnSO4(aq)}\) में डालें, तो स्पष्ट रूप से इसका उलटा अभिक्रिया नहीं होती। वही दो तत्व, लेकिन व्यवस्था उलटी। दिशा किस चीज़ से तय होती है?

किसी भी संख्या का उपयोग करने से पहले अनुमान लगाएँ: पहले बीकर में कौन-सी प्रजाति इलेक्ट्रॉन ग्रहण करेगी-\(\ce{Zn(s)}\) या \(\ce{Cu^2+(aq)}\)? कॉपर आयन इलेक्ट्रॉन ग्रहण करते हैं। ज़िंक परमाणु इलेक्ट्रॉन खोकर विलयन में \(\mathrm{Zn}^{2+}\) के रूप में चले जाते हैं, जबकि \(\mathrm{Cu}^{2+}\) वे इलेक्ट्रॉन ग्रहण करके कॉपर धातु बन जाता है।

मानक अपचयन-विभव की तालिका इस विचार को एक संख्यात्मक परीक्षण में बदल देती है।

01मानक अपचयन विभव आपको क्या बताता है

तालिका में हर अर्ध-समीकरण को अपचयन के रूप में लिखा जाता है: इलेक्ट्रॉन बाईं ओर दिखाई देते हैं।

उदाहरण के लिए,

\[ \ce{Cu^2+(aq) + 2e- <=> Cu(s)} \qquad E^\circ = +0.34\ \text{V} \]

और

\[ \ce{Zn^2+(aq) + 2e- <=> Zn(s)} \qquad E^\circ = -0.76\ \text{V} \]

प्रतीक \(E^\circ\) मानक अपचयन विभव है, जिसे वोल्ट, V में मापा जाता है। छोटा डिग्री चिह्न दर्शाता है कि यह मान मानक-अवस्था की परिस्थितियों के लिए है।

मुख्य तुलना सरल है:

• अधिक धनात्मक \(E^\circ\) का अर्थ है कि पृष्ठ पर लिखे गए अपचयन के होने की ऊष्मागतिक प्रवृत्ति अधिक है
• जो प्रजाति अपचयित होती है, वही ऑक्सीकारक होती है
• पर्याप्त रूप से ऋणात्मक अपचयन युग्म की धातु अपनी सूचीबद्ध अर्ध-अभिक्रिया को उल्टी दिशा में चलाने की प्रवृत्ति रखती है, इसलिए धातु ऑक्सीकृत होती है और अपचायक के रूप में कार्य करती है

तालिका को इलेक्ट्रॉनों के लिए थोड़े अटपटे डेटिंग ऐप जैसा समझें। बाईं ओर की प्रजातियाँ इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने के लिए प्रतिस्पर्धा कर रही हैं। अधिक धनात्मक \(E^\circ\) को अधिक मजबूत आवेदन समझा जा सकता है।

यह उपमा जल्दी ही सीमित हो जाती है। अपचयन विभव कोई स्थायी व्यक्तित्व-गुण नहीं है। सांद्रता, तापमान, अन्य संभावित अभिक्रियाएँ और गतिक अवरोध किसी वास्तविक बीकर में वास्तव में क्या होता है, इसे प्रभावित कर सकते हैं।

यहाँ HSC के लिए कुछ विशेष रूप से उपयोगी मान दिए गए हैं। इन्हें 2025 NSW HSC Chemistry परीक्षा के साथ दिए गए मानक-विभव डेटा शीट से चुना गया है। :chatgpt-content-reference{index=”0″}

02विलयन में किसी धातु के लिए निर्णय नियम

मान लें कि धातु \(\ce{M(s)}\) का एक टुकड़ा ऐसे विलयन में रखा गया है जिसमें कोई दूसरी प्रजाति मौजूद है जो अपचयित हो सकती है।

आप दो प्रक्रियाएँ खोज रहे हैं:

• विलयन में कोई प्रजाति इलेक्ट्रॉन ग्रहण करती है: अपचयन
• ठोस धातु इलेक्ट्रॉन खोती है: ऑक्सीकरण

अपचयन-विभव की तालिका का उपयोग करने का सबसे कम त्रुटिपूर्ण तरीका यह है कि दोनों सारणीबद्ध मानों को बिल्कुल वैसे ही रहने दें और गणना करें

\[ E^\circ_{\text{सेल}} = E^\circ_{\text{अपचयन}} - E^\circ_{\text{ऑक्सीकृत हो रही धातु}} \]

यहाँ दाईं ओर की दोनों संख्याएँ तालिका में दिए गए अपचयन विभव हैं।

फिर:

एक सरल धातु-विस्थापन अभिक्रिया के लिए,

\[ \ce{M(s) + X^{n+}(aq) -> M^{m+}(aq) + X(s)} \]

संक्षिप्त नियम है:

धातु \(\ce{M}\), \(\ce{X^{n+}}\) का अपचयन कर सकती है यदि \(\ce{X^{n+}/X}\) युग्म का अपचयन विभव \(\ce{M^{m+}/M}\) युग्म के अपचयन विभव से अधिक धनात्मक हो।

यह मूलतः धातु सक्रियता श्रेणी ही है, बस यहाँ संख्याएँ स्पष्ट दिखाई देती हैं।

यदि इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को संतुलित करना अभी भी कठिन लगता है, तो छोटे नियम याद करने की कोशिश करने से पहले रेडॉक्स अर्ध-समीकरण दोहरा लें।

03परीक्षा से पहले पहचान लेने योग्य चार सामान्य जाल

ऋणात्मक अपचयन विभव का अर्थ “कोई अभिक्रिया नहीं” नहीं होता

अलग-अलग \(E^\circ\) मानों को मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के सापेक्ष मापा जाता है। ऋणात्मक मान अभिक्रिया पर कोई प्रतिबंध नहीं है।

उदाहरण के लिए, \(\ce{Fe^2+/Fe}\) और \(\ce{Zn^2+/Zn}\) दोनों के विभव ऋणात्मक हैं, फिर भी आयरन(II) आयन ज़िंक का ऑक्सीकरण कर सकते हैं:

\[ E^\circ_{\text{सेल}} = -0.44-(-0.76) = +0.32\ \text{V} \]

सेल विभव धनात्मक है, इसलिए अभिक्रिया संभव है।

अर्ध-समीकरण को गुणा करते समय \(E^\circ\) को गुणा न करें

मान लें कि इलेक्ट्रॉनों को संतुलित करने के लिए आप

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

को 2 से गुणा करते हैं। अपचयन विभव \(+0.80\ \text{V}\) ही रहेगा, \(+1.60\ \text{V}\) नहीं होगा।

विभव पदार्थ की मात्रा के साथ नहीं बढ़ता। समीकरण संतुलित करते समय आप परमाणुओं, आयनों और इलेक्ट्रॉनों की संख्या को गुणा कर सकते हैं, लेकिन इलेक्ट्रोड विभव को नहीं।

“सबसे अधिक अपचयन विभव जीतता है” अधूरा नियम है

अधिक धनात्मक अपचयन विभव दी गई परिस्थितियों में अधिक प्रबल ऑक्सीकारक की पहचान करता है। यह सिद्ध नहीं करता कि हर दूसरी संभावित अपचयन अभिक्रिया असंभव है।

यदि कोई धातु दो अलग-अलग प्रजातियों का अपचयन कर सकती है और दोनों गणना किए गए सेल विभव धनात्मक हैं, तो दोनों अभिक्रियाएँ ऊष्मागतिक रूप से संभव हैं। केवल मानक विभव आपको उनकी सटीक अभिक्रिया-दर या बनने वाले उत्पादों के अनुपात नहीं बताते।

धनात्मक \(E^\circ_{\text{सेल}}\) तेज़ और स्पष्ट दिखाई देने वाली अभिक्रिया की गारंटी नहीं देता

मानक विभव आपको ऊष्मागतिक संभाव्यता के बारे में बताते हैं, अभिक्रिया की गति के बारे में नहीं।

एल्युमिनियम इसका एक उत्कृष्ट उदाहरण है। इसका अत्यधिक ऋणात्मक अपचयन विभव संकेत देता है कि एल्युमिनियम धातु को एक प्रबल अपचायक होना चाहिए। फिर भी एल्युमिनियम की सतह सामान्यतः एक पतली, मजबूती से चिपकी ऑक्साइड परत से सुरक्षित रहती है। इसलिए मूल रूप से अनुकूल रेडॉक्स अभिक्रिया धीमी हो सकती है या तब तक होती हुई दिखाई नहीं दे सकती जब तक उस अवरोध को तोड़ा न जाए।

वास्तविक विलयन मानक परिस्थितियों से भिन्न भी हो सकते हैं। मानक-अवस्था के मान सामान्यतः मानक सांद्रता में घुली प्रजातियों, मानक दाब पर गैसों और किसी निर्धारित तापमान पर शुद्ध ठोसों के लिए होते हैं। सांद्रताओं में परिवर्तन वास्तविक सेल विभव को बदल सकता है।

04प्रश्न और समाधान

प्रश्न 1

एक मैग्नीशियम पट्टी को \(\ce{CuSO4(aq)}\) में रखा जाता है।

इनका उपयोग करें

\[ E^\circ(\ce{Cu^2+/Cu})=+0.34\ \text{V} \]

और

\[ E^\circ(\ce{Mg^2+/Mg})=-2.36\ \text{V}, \]

और अनुमान लगाएँ कि अभिक्रिया होगी या नहीं, \(E^\circ_{\text{सेल}}\) की गणना करें तथा शुद्ध आयनिक समीकरण लिखें।

समाधान 1

मानक परिस्थितियों में अभिक्रिया स्वतःस्फूर्त रूप से होती है और \(E^\circ_{\text{सेल}}=+2.70\ \text{V}\) है।

कॉपर(II) आयनों का अपचयन होता है:

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

और मैग्नीशियम का ऑक्सीकरण होता है:

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

सारणीबद्ध अपचयन विभवों का उपयोग करने पर,

\[ E^\circ_{\text{सेल}} = 0.34-(-2.36) = +2.70\ \text{V} \]

शुद्ध आयनिक समीकरण है

\[ \ce{Mg(s) + Cu^2+(aq) -> Mg^2+(aq) + Cu(s)} \]

इसलिए मैग्नीशियम घुलता है, जबकि कॉपर निक्षेपित होता है।

एक आकर्षक छोटा रास्ता यह है कि केवल मैग्नीशियम के ऋणात्मक \(E^\circ\) को देखकर कह दिया जाए कि वह “अस्थिर” है। इससे वास्तविक तुलना छूट जाती है। अनुमान मैग्नीशियम के ऑक्सीकरण को किसी संभावित अपचयन के साथ जोड़कर और यह जाँचकर आता है कि समग्र विभव धनात्मक है।

प्रश्न 2

एक ज़िंक पट्टी को ऐसे अम्लीय विलयन में रखा जाता है जिसमें \(\ce{Cu^2+(aq)}\) और \(\ce{H+(aq)}\) दोनों मौजूद हैं।

इनका उपयोग करें

\[ E^\circ(\ce{Cu^2+/Cu})=+0.34\ \text{V}, \]

\[ E^\circ(\ce{H+/H2})=0.00\ \text{V}, \]

और

\[ E^\circ(\ce{Zn^2+/Zn})=-0.76\ \text{V}. \]

मानक-विभव मॉडल के अनुसार ऊष्मागतिक रूप से संभव दो अलग-अलग रेडॉक्स अभिक्रियाओं की पहचान करें, प्रत्येक के लिए \(E^\circ_{\text{सेल}}\) की गणना करें और इस कथन का मूल्यांकन करें:

“कॉपर(II) का अपचयन विभव अधिक धनात्मक है, इसलिए केवल कॉपर का निक्षेपण ही संभव अभिक्रिया है।”

समाधान 2

कॉपर का निक्षेपण और हाइड्रोजन गैस का निर्माण-दोनों ऊष्मागतिक रूप से संभव हैं; इनके मानक सेल विभव क्रमशः \(+1.10\ \text{V}\) और \(+0.76\ \text{V}\) हैं। इसलिए यह कथन कि केवल कॉपर का निक्षेपण संभव है, मानक विभवों से उचित सिद्ध नहीं होता।

कॉपर के निक्षेपण में ज़िंक ऑक्सीकृत होता है, जबकि \(\mathrm{Cu}^{2+}\) अपचयित होता है:

\[ \ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)} \]

सेल विभव है

\[ E^\circ_{\text{सेल}} = 0.34-(-0.76) = +1.10\ \text{V} \]

हाइड्रोजन के निर्माण के लिए, दो इलेक्ट्रॉनों को संतुलित करने हेतु हाइड्रोजन अर्ध-समीकरण को दोगुना करें:

\[ \ce{2H+ + 2e- -> H2(g)} \]

इसका विभव \(0.00\ \text{V}\) ही रहता है। इसे दोगुना नहीं किया जाता।

इसे ज़िंक के ऑक्सीकरण के साथ मिलाने पर मिलता है

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

और

\[ E^\circ_{\text{सेल}} = 0.00-(-0.76) = +0.76\ \text{V} \]

दोनों मान धनात्मक हैं।

कॉपर वाली अभिक्रिया का मानक सेल विभव अधिक है, इसलिए मानक मॉडल के अंतर्गत इन दो-इलेक्ट्रॉन अभिक्रियाओं में इसका ऊष्मागतिक प्रेरक बल अधिक है। लेकिन “अधिक” होने से दूसरी धनात्मक संख्या ऋणात्मक नहीं हो जाती।

आकर्षक लेकिन गलत तरीका यह है कि अपचयन-विभव की तालिका को “एक विजेता, बाकी हारने वाले” वाली रैंकिंग मान लिया जाए। ऐसा नहीं है। तालिका बताती है कि कौन-से युग्म ऊष्मागतिक रूप से संभव हैं। केवल यही तालिका आपको यह नहीं बताती कि सतह पर केवल एक ही संभव अभिक्रिया होगी या उनकी सापेक्ष दरों का अनुमान क्या होगा।

प्रश्न 3

अपनी सामान्य ऑक्साइड परत वाली एक एल्युमिनियम पट्टी को \(\ce{CuSO4(aq)}\) में रखा जाता है। शुरुआत में बहुत कम दिखाई देने वाला परिवर्तन होता है। फिर विलयन के भीतर एल्युमिनियम को खरोंचा जाता है, और खरोंची गई जगह के आसपास लालिमा लिए एक निक्षेप दिखाई देता है।

संबंधित मानक अपचयन विभव हैं

\[ E^\circ(\ce{Al^3+/Al})=-1.68\ \text{V} \]

और

\[ E^\circ(\ce{Cu^2+/Cu})=+0.34\ \text{V}. \]

मानक-विभव से मिले अनुमान और प्रारंभिक प्रेक्षण के बीच दिखने वाले विरोधाभास की व्याख्या करें। संतुलित शुद्ध आयनिक समीकरण लिखें और \(E^\circ_{\text{सेल}}\) की गणना करें।

एक विद्यार्थी यह भी तर्क देता है कि एल्युमिनियम का विभव दोगुना होना चाहिए क्योंकि संतुलित अभिक्रिया में दो एल्युमिनियम परमाणु हैं। इस दावे का मूल्यांकन करें।

समाधान 3

एल्युमिनियम-कॉपर(II) अभिक्रिया ऊष्मागतिक रूप से अत्यधिक अनुकूल है और \(E^\circ_{\text{सेल}}=+2.02\ \text{V}\) है, लेकिन अक्षुण्ण एल्युमिनियम ऑक्साइड परत अभिक्रिया को गतिक रूप से रोक सकती है। सतह को खरोंचने से एल्युमिनियम धातु उजागर होती है, जिससे उस स्थान पर कॉपर का निक्षेपण हो सकता है। एल्युमिनियम के विभव को दोगुना नहीं करना चाहिए।

अपचयन है

\[ \ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu} \qquad E^\circ=+0.34\ \text{V} \]

एल्युमिनियम का ऑक्सीकरण होता है। इसका अपचयन विभव इस प्रकार सूचीबद्ध है

\[ \ce{Al^3+ + 3e- <=> Al} \qquad E^\circ=-1.68\ \text{V} \]

घटाव विधि का उपयोग करने पर,

\[ E^\circ_{\text{सेल}} = 0.34-(-1.68) = +2.02\ \text{V} \]

इलेक्ट्रॉनों को संतुलित करने के लिए,

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

और

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

जिससे मिलता है

\[ \ce{2Al(s) + 3Cu^2+(aq) -> 2Al^3+(aq) + 3Cu(s)} \]

धनात्मक \(E^\circ_{\text{सेल}}\) बताता है कि मानक परिस्थितियों में अभिक्रिया ऊष्मागतिक रूप से अनुकूल है। यह नहीं बताता कि अभिक्रिया हर गतिक अवरोध को तेज़ी से पार कर सकती है।

सतह की \(\ce{Al2O3}\) परत एल्युमिनियम धातु के बड़े हिस्से को विलयन से अलग रखती है। खरोंचने से खरोंची हुई जगह पर यह अवरोध टूटता है, इसलिए वहाँ इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण कहीं अधिक आसानी से हो सकता है।

विद्यार्थी का दोगुना करने वाला तर्क इलेक्ट्रोड विभव को रासायनिक समीकरण में उपस्थित मात्राओं के साथ मिला देता है। यदि

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

को 2 से गुणा किया जाता है, तो अभिक्रिया करने वाले मोलों की संख्या बदलती है, लेकिन विभव नहीं। इलेक्ट्रोड विभव एक गहन राशि है: केवल इसलिए दोगुना नहीं होता क्योंकि समीकरण में पदार्थ की मात्रा दोगुनी दिखाई गई है।

इसलिए प्रारंभिक अनुमान को बदलने वाली वास्तविक बाधा \(E^\circ_{\text{सेल}}\) का चिह्न नहीं है। प्रश्न यह है कि अभिक्रिया करने वाली एल्युमिनियम सतह वास्तव में उपलब्ध है या नहीं।

प्रश्न 4

एक \(100.0\ \text{mL}\) विलयन में \(0.100\ \text{mol L}^{-1}\) \(\mathrm{Ag}^{+}\) और \(0.100\ \text{mol L}^{-1}\) \(\mathrm{Cu}^{2+}\) दोनों मौजूद हैं।

आपके पास केवल कॉपर धातु, आयरन धातु और निस्यंदन उपकरण हैं। आदर्श व्यवहार मानें: चुनी गई प्रत्येक विस्थापन अभिक्रिया पूर्णता तक जाती है, धातु की बिल्कुल मापी गई मात्रा जोड़ी जा सकती है और गतिक प्रभावों की उपेक्षा की जा सकती है।

इनका उपयोग करें

\[ E^\circ(\ce{Ag+/Ag})=+0.80\ \text{V}, \]

\[ E^\circ(\ce{Cu^2+/Cu})=+0.34\ \text{V}, \]

और

\[ E^\circ(\ce{Fe^2+/Fe})=-0.44\ \text{V} \]

और ऐसी दो-चरणीय प्रक्रिया तैयार करें जो ठोस कॉपर उत्पन्न करे, लेकिन अंतिम ठोस में सिल्वर मिला हुआ न हो।

प्रत्येक चरण में जोड़ी जाने वाली धातु की मात्रा, मोल में, तथा अंत में बनने वाले कॉपर की मात्रा की गणना करें।

समाधान 4

पहले ठीक \(0.00500\ \text{mol}\) कॉपर धातु का उपयोग करके पूरे \(\mathrm{Ag}^{+}\) को सिल्वर के रूप में हटाएँ, उस सिल्वर को छानकर अलग कर दें, और फिर बचे हुए विलयन में ठीक \(0.0150\ \text{mol}\) आयरन जोड़ें। दी गई मान्यताओं के अंतर्गत इससे अंतिम ठोस में सिल्वर के बिना \(0.0150\ \text{mol}\) कॉपर प्राप्त होता है।

प्रारंभ में,

\[ n(\mathrm{Ag}^{+}) = cV = 0.100\ \text{mol L}^{-1}\times0.1000\ \text{L} = 0.0100\ \text{mol} \]

और

\[ n(\mathrm{Cu}^{2+}) = 0.100\ \text{mol L}^{-1}\times0.1000\ \text{L} = 0.0100\ \text{mol} \]

महत्वपूर्ण रणनीतिक निर्णय यह है कि आयरन को पहले न जोड़ा जाए। आयरन \(\mathrm{Ag}^{+}\) और \(\mathrm{Cu}^{2+}\), दोनों का अपचयन कर सकता है, इसलिए पहले आयरन डालने से सिल्वर-कॉपर का मिश्रित ठोस बनने का जोखिम होगा।

इसके बजाय, पहले कॉपर जोड़ें। सिल्वर आयन कॉपर का ऑक्सीकरण कर सकते हैं क्योंकि

\[ E^\circ_{\text{सेल}} = 0.80-0.34 = +0.46\ \text{V} \]

अभिक्रिया है

\[ \ce{2Ag+(aq) + Cu(s) -> 2Ag(s) + Cu^2+(aq)} \]

दो मोल \(\mathrm{Ag}^{+}\) के लिए एक मोल Cu आवश्यक है, इसलिए \(0.0100\ \text{mol}\) सिल्वर आयनों के लिए आवश्यक है

\[ n(\ce{Cu}) = \frac{0.0100}{2} = 0.00500\ \text{mol} \]

बताई गई आदर्श मान्यता के अंतर्गत ठीक \(0.00500\ \text{mol}\) Cu उपभोग होता है और पूरा \(0.0100\ \text{mol}\) \(\mathrm{Ag}^{+}\) सिल्वर धातु बन जाता है।

सिल्वर को छानकर अलग कर दें।

पहली अभिक्रिया ने अतिरिक्त \(0.00500\ \text{mol}\) \(\mathrm{Cu}^{2+}\) भी बनाया है। इसलिए अब विलयन में है

\[ 0.0100+0.00500 = 0.0150\ \text{mol Cu}^{2+} \]

अब आयरन जोड़ें।

\[ E^\circ_{\text{सेल}} = 0.34-(-0.44) = +0.78\ \text{V} \]

इसलिए

\[ \ce{Fe(s) + Cu^2+(aq) -> Fe^2+(aq) + Cu(s)} \]

मानक-विभव मॉडल के अंतर्गत स्वतःस्फूर्त है।

स्टॉइकियोमेट्रिक अनुपात \(1:1\) है, इसलिए जोड़ें

\[ 0.0150\ \text{mol Fe} \]

ताकि \(0.0150\ \text{mol}\) \(\mathrm{Cu}^{2+}\) का उपभोग हो।

इससे बनता है

\[ 0.0150\ \text{mol Cu(s)} \]

आकर्षक रास्ता यह है कि उपलब्ध धातुओं में आयरन का अपचयन विभव सबसे अधिक ऋणात्मक है, इसलिए तुरंत आयरन चुन लिया जाए। आयरन में निश्चित रूप से पर्याप्त अपचायक शक्ति है, लेकिन यही समस्या है: वह सिल्वर आयनों के साथ-साथ कॉपर आयनों का भी अपचयन कर सकता है।

पृथक्करण इसलिए काम करता है क्योंकि पहली धातु को इतना चयनात्मक चुना जाता है कि वह अधिक प्रबल ऑक्सीकारक, \(\mathrm{Ag}^{+}\), को दूसरी अपचयन अभिक्रिया करने से पहले हटा दे।

वास्तविक पृथक्करण में केवल मानक विभव पूरी तरह मात्रात्मक अभिक्रिया या पूर्ण शुद्धता की गारंटी नहीं देंगे। ये मान्यताएँ प्रश्न में दी गई थीं।

प्रश्न 5

एक कॉपर तार को ऐसे विलयन में रखा जाता है जिसमें \(\mathrm{Fe}^{3+}\) और \(\mathrm{Fe}^{2+}\) दोनों मौजूद हैं।

एक विद्यार्थी तर्क देता है:

“धातु सक्रियता श्रेणी में कॉपर, आयरन से कम अभिक्रियाशील है, इसलिए कॉपर आयरन आयनों से अभिक्रिया नहीं कर सकता।”

मानक-विभव की तालिका देती है

\[ \ce{Fe^3+ + e- <=> Fe^2+} \qquad E^\circ=+0.77\ \text{V} \]

\[ \ce{Fe^2+ + 2e- <=> Fe} \qquad E^\circ=-0.44\ \text{V} \]

और

\[ \ce{Cu^2+ + 2e- <=> Cu} \qquad E^\circ=+0.34\ \text{V} \]

निर्धारित करें कि कॉपर अभिक्रिया करता है या नहीं। यदि करता है, तो संतुलित शुद्ध आयनिक समीकरण लिखें, \(E^\circ_{\text{सेल}}\) की गणना करें और बताएँ कि आयरन धातु बनती है या नहीं।

फिर अनुमान लगाएँ कि यदि पूरा \(\mathrm{Fe}^{3+}\) हटा दिया जाए और कॉपर तार को केवल \(\mathrm{Fe}^{2+}\) वाले विलयन में रखा जाए, तो क्या होगा।

समाधान 5

कॉपर \(\mathrm{Fe}^{3+}\) से अभिक्रिया करता है: कॉपर ऑक्सीकृत होकर \(\mathrm{Cu}^{2+}\) बनता है, जबकि \(\mathrm{Fe}^{3+}\) का अपचयन केवल \(\mathrm{Fe}^{2+}\) तक होता है। मानक सेल विभव \(+0.43\ \text{V}\) है और कोई आयरन धातु नहीं बनती।

निर्णायक बात सही आयरन अर्ध-समीकरण चुनना है।

“आयरन आयन” देखकर तुरंत

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

का उपयोग करना आकर्षक लग सकता है, क्योंकि साधारण धातु-विस्थापन तुलना में यही अर्ध-समीकरण शामिल होता है।

लेकिन विलयन में \(\mathrm{Fe}^{3+}\) भी है, जिसके लिए एक और उपलब्ध अपचयन है:

\[ \ce{Fe^3+ + e- -> Fe^2+} \qquad E^\circ=+0.77\ \text{V} \]

कॉपर इलेक्ट्रॉन प्रदान कर सकता है:

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

इलेक्ट्रॉनों को संतुलित करने के लिए आयरन अर्ध-समीकरण को दोगुना करें:

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

विभव \(+0.77\ \text{V}\) ही रहता है।

अब गणना करें

\[ E^\circ_{\text{सेल}} = 0.77-0.34 = +0.43\ \text{V} \]

इसलिए शुद्ध अभिक्रिया है

\[ \ce{2Fe^3+(aq) + Cu(s) -> 2Fe^2+(aq) + Cu^2+(aq)} \]

कोई \(\ce{Fe(s)}\) नहीं बनता। आयरन(III) आयन केवल इतने इलेक्ट्रॉन ग्रहण करते हैं कि वे आयरन(II) आयन बन जाएँ।

यहीं पर साधारण सक्रियता-श्रेणी वाला छोटा नियम अपनी सीमा पर पहुँच जाता है। यह सामान्य कथन कि कॉपर “आयरन को विस्थापित” नहीं कर सकता, \(\mathrm{Fe}^{2+}\) का पूरा अपचयन करके \(\ce{Fe(s)}\) बनाने के प्रयास को संदर्भित करता है। यहाँ वह अभिक्रिया हो ही नहीं रही है।

यदि \(\mathrm{Fe}^{3+}\) पूरी तरह अनुपस्थित है और केवल \(\mathrm{Fe}^{2+}\) बचता है, तो संभावित धातु-विस्थापन अभिक्रिया होगी

\[ \ce{Cu(s) + Fe^2+(aq) -> Cu^2+(aq) + Fe(s)} \]

इसका मानक सेल विभव है

\[ E^\circ_{\text{सेल}} = -0.44-(+0.34) = -0.78\ \text{V} \]

इसलिए मानक परिस्थितियों में यह अभिक्रिया स्वतःस्फूर्त नहीं है।

उचित जाल यह है कि दोनों स्थितियों में “आयरन आयन” मौजूद हैं, लेकिन ऑक्सीकरण अवस्था महत्वपूर्ण है। अपचयन-विभव की तालिका तत्वों के नामों की नहीं, विशिष्ट रेडॉक्स युग्मों की तुलना करती है।

05इससे आगे आप क्या अनुमान लगा सकते हैं

एक बार जब आप सही अर्ध-अभिक्रियाएँ चुनना और उनके अपचयन विभवों की तुलना करना सीख लेते हैं, तो आप केवल यह अनुमान लगाने तक सीमित नहीं रहते कि कोई धातु किसी विलयन में अभिक्रिया करेगी या नहीं। यही तर्क आपको यह भी बताता है कि कौन-सा इलेक्ट्रोड ऑक्सीकृत होता है, कौन-सा अपचयित होता है, इलेक्ट्रॉन किस दिशा में प्रवाहित होते हैं और एक गैल्वैनिक सेल को कितना वोल्टेज उत्पन्न करना चाहिए।

यही गैल्वैनिक अर्ध-सेलों के अपचयन विभव का उपयोग करने का अगला चरण है: बीकर की अभिक्रिया और विद्युत-रासायनिक सेल वही रेडॉक्स प्रतिस्पर्धा हैं, बस उन्हें अलग तरीके से व्यवस्थित किया गया है।