धातु क्रियाशीलता श्रेणी: व्यावहारिक HSC रसायन विज्ञान मार्गदर्शिका

जिंक की एक पट्टी को कॉपर(II) आयन वाले विलयन में डालें, तो पट्टी पर कॉपर बन सकता है। पदार्थों को उलट दें-कॉपर धातु को जिंक आयन वाले विलयन में डालें-तो सामान्यतः आपको कोई परिवर्तन दिखाई नहीं देता।

यह अदला-बदली केवल एक दिशा में ही क्यों काम करती है? आगे पढ़ने से पहले यह अनुमान लगाएँ: यदि जिंक, आयरन आयनों के विलयन से आयरन को विस्थापित कर सकता है, और आयरन, कॉपर आयनों के विलयन से कॉपर को विस्थापित कर सकता है, तो इन तीनों धातुओं की आपसी स्थिति क्या होनी चाहिए?

जिंक, आयरन से ऊपर होना चाहिए, और आयरन, कॉपर से ऊपर। क्रियाशीलता श्रेणी के रूप में:

\[
\ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

यही धातु क्रियाशीलता श्रेणी के पीछे का उपयोगी विचार है। आपको शुरुआत में ही कोई लंबी सूची याद करने की आवश्यकता नहीं है। आप व्यावहारिक प्रमाणों से सूची का एक भाग, एक समय में एक तुलना करके, स्वयं बना सकते हैं।

01विस्थापन अभिक्रिया आमने-सामने की तुलना है

क्रियाशीलता श्रेणी की कल्पना एक सीढ़ी के रूप में करें। जब दो अलग-अलग धातुओं की तुलना विस्थापन अभिक्रिया के माध्यम से की जाती है, तो सीढ़ी पर ऊपर स्थित धातु अपने नीचे वाली धातु के आयनों को विस्थापित कर सकती है।

उदाहरण के लिए:

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

जिंक धातु, जिंक आयनों में बदलती है। कॉपर आयन, कॉपर धातु में बदलते हैं।

इससे हमें पता चलता है:

\[
\ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

महत्वपूर्ण बात यह नहीं है कि जिंक किसी तरह कॉपर को विलयन से “धक्का देकर” बाहर निकालता है। वास्तविक प्रक्रिया इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण है।

जिंक परमाणु इलेक्ट्रॉन खोते हैं:

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

कॉपर आयन उन इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करते हैं:

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

इसलिए जिंक का ऑक्सीकरण होता है और कॉपर आयनों का अपचयन होता है।

अधिक क्रियाशील धातु में इस प्रकार की तुलना में ऑक्सीकृत होने की प्रवृत्ति अधिक होती है। वह इलेक्ट्रॉन छोड़ती है, जबकि कम क्रियाशील धातु के आयन उन्हें स्वीकार करते हैं।

सीढ़ी वाला चित्र उपयोगी है, लेकिन इसकी एक सीमा है। वास्तविक अभिक्रियाएँ सतह की अवस्था, सांद्रता, तापमान, ऑक्साइड परतों और अभिक्रिया की दर पर भी निर्भर करती हैं। श्रेणी में किसी धातु की स्थिति यह ठीक-ठीक नहीं बताती कि उस धातु से जुड़ी हर अभिक्रिया कितनी तेजी से होगी।

02व्यावहारिक परिणामों से क्रियाशीलता श्रेणी कैसे बनाएँ

मान लीजिए आपको चार धातुएँ दी गई हैं:

• मैग्नीशियम, \(\ce{Mg}\)
• जिंक, \(\ce{Zn}\)
• आयरन, \(\ce{Fe}\)
• कॉपर, \(\ce{Cu}\)

आप प्रत्येक ठोस धातु को अन्य धातुओं के आयन वाले विलयनों में जाँचते हैं।

परिणामों का एक प्रतिनिधि समूह इस प्रकार हो सकता है:

वास्तविक स्कूल प्रयोग इतने व्यवस्थित शायद ही होते हैं। किसी दूसरी धूसर धातु पर नई जमा हुई धूसर धातु को देखना कठिन हो सकता है, और कुछ अभिक्रियाएँ दूसरों की तुलना में बहुत धीमी होती हैं। इस तालिका को ऐसा प्रमाण मानें जिसे प्रेक्षणों की सावधानीपूर्वक व्याख्या करने के बाद तैयार किया गया है।

हर सकारात्मक विस्थापन एक सीधी तुलना देता है।

मैग्नीशियम, जिंक आयनों को विस्थापित करता है:

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

अतः:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn}
\]

जिंक, आयरन आयनों को विस्थापित करता है:

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

अतः:

\[
\ce{Zn} > \ce{Fe}
\]

आयरन, कॉपर आयनों को विस्थापित करता है:

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

अतः:

\[
\ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

अब इन तुलनाओं को जोड़ें:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

यहाँ संक्रमणशीलता का उपयोग महत्वपूर्ण है। यदि मैग्नीशियम, जिंक से ऊपर है और जिंक, आयरन से ऊपर है, तो यह जानने के लिए किसी अतिरिक्त प्रयोग की आवश्यकता नहीं कि मैग्नीशियम भी आयरन से ऊपर होना चाहिए।

आपको वास्तव में क्या देखना चाहिए?

हर प्रेक्षण को केवल “बुलबुले बने या नहीं बने” तक सीमित न करें। धातु-आयन विस्थापन में अक्सर कोई गैस बनती ही नहीं है।

प्रमाण में यह शामिल हो सकता है:

• मूल धातु पर नई ठोस परत बनना
• मूल धातु का घुलना या उसकी बनावट बदलना
• रंगीन विलयन का फीका पड़ना या रंग बदलना
• मापने योग्य तापमान परिवर्तन
• द्रव्यमान में परिवर्तन, यदि प्रक्रिया उसी के लिए बनाई गई हो

आपको ऐसा प्रमाण चाहिए जो रासायनिक अभिक्रिया को खरोंच, ऑक्साइड, लवण के क्रिस्टलों या संदूषण से अलग कर सके।

03प्रयोग में तुलना निष्पक्ष होनी चाहिए

मान लीजिए जिंक की एक पट्टी को ताज़ा पॉलिश किया गया है और दूसरी पर मोटी ऑक्साइड या ग्रीस की परत है। यदि पॉलिश की गई पट्टी अभिक्रिया करती है और गंदी पट्टी नहीं करती, तो आपने सतहों के बारे में कुछ जाना है, जरूरी नहीं कि क्रियाशीलता श्रेणी में जिंक की स्थिति के बारे में कोई नई बात जानी हो।

अर्थपूर्ण तुलना के लिए महत्वपूर्ण परिस्थितियों को यथासंभव समान रखें:

• लगभग समान आकार की, ताज़ा तैयार की गई धातु सतहों का उपयोग करें
• जहाँ उपयुक्त हो, प्रत्येक धातु-आयन विलयन की सांद्रता और आयतन समान रखें
• तापमान और अभिक्रिया का समय समान रखें
• किसी अन्य परीक्षण के ड्रॉपर या धातु के टुकड़ों से विलयनों को संदूषित होने से बचाएँ
• परीक्षणों के बीच उपकरणों को धोएँ
• संदिग्ध प्रेक्षणों को दोहराएँ

अपने स्कूल के जोखिम आकलन, शिक्षक के निर्देशों और उपयोग किए जा रहे रसायनों से संबंधित सुरक्षा जानकारी का पालन करें।

इस विधि की एक रासायनिक सीमा भी है। आप हर धातु को श्रेणीबद्ध करने के लिए अत्यधिक क्रियाशील समूह 1 धातुओं को जलीय लवण विलयनों में नहीं डालेंगे। पानी स्वयं उन धातुओं के साथ तीव्र अभिक्रिया करता है। पूर्ण क्रियाशीलता श्रेणी के अलग-अलग भागों के लिए अलग प्रकार के प्रमाण चाहिए।

यही एक कारण है कि अंतिम व्यावहारिक श्रेणी की तुलना किसी विश्वसनीय द्वितीयक स्रोत से की जानी चाहिए, न कि उसे अपने आप में पूर्ण सत्य मान लेना चाहिए।

04अभिक्रिया की गति को श्रेणी में स्थिति के साथ भ्रमित न करें

यह तर्क आकर्षक लग सकता है:

धातु A ने दस सेकंड में परत बना दी, जबकि धातु B को दो मिनट लगे। इसलिए A क्रियाशीलता श्रेणी में अधिक ऊपर होना चाहिए।

यह निष्कर्ष सही नहीं है।

क्रियाशीलता श्रेणी मुख्यतः रेडॉक्स अभिक्रिया की दिशा के बारे में है: दूसरी धातु की तुलना में कौन-सी धातु अधिक आसानी से ऑक्सीकृत होती है। अभिक्रिया आपको कितनी जल्दी दिखाई देती है, यह गतिकी का प्रश्न है।

कोई अभिक्रिया ऊष्मागतिकीय रूप से अनुकूल हो सकती है, लेकिन फिर भी धीमी हो सकती है।

एल्युमिनियम इसका प्रसिद्ध चेतावनी-उदाहरण है। एल्युमिनियम अपेक्षाकृत क्रियाशील है, लेकिन उसकी सतह पर तेजी से एक पतली, मजबूती से चिपकी हुई ऑक्साइड परत बन जाती है। यह परत नीचे के एल्युमिनियम को विलयन से अलग कर सकती है।

इसलिए कोई विद्यार्थी एल्युमिनियम को धातु-आयन विलयन में डालकर बहुत कम परिवर्तन देख सकता है और निष्कर्ष निकाल सकता है कि एल्युमिनियम अविक्रियाशील होगा।

प्रेक्षण वास्तविक है। निष्कर्ष आवश्यक नहीं कि सही हो।

यहाँ अनुपस्थित विचार है निष्क्रियकरण: एक सुरक्षात्मक सतही परत ऐसी अभिक्रिया को धीमा कर सकती है या प्रयोग के समयमान पर दिखाई देने से रोक सकती है, जो अन्यथा अनुकूल होती।

05अपनी व्यावहारिक श्रेणी की द्वितीयक स्रोत-आधारित श्रेणी से तुलना

ऊपर दिए गए प्रतिनिधि प्रयोग से हमें मिला:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

तुलना के लिए, Royal Society of Chemistry का एक शैक्षिक संसाधन घटती हुई क्रियाशीलता का क्रम \(\ce{K}\), \(\ce{Na}\), \(\ce{Li}\), \(\ce{Ca}\), \(\ce{Mg}\), \(\ce{Al}\), \(\ce{Zn}\), \(\ce{Fe}\), \(\ce{Cu}\), \(\ce{Ag}\), और \(\ce{Au}\) देता है।

हमारी जाँची गई चारों धातुएँ ठीक उसी सापेक्ष क्रम में आती हैं:

यह सहमति महत्वपूर्ण है, लेकिन इसका अर्थ ठीक-ठीक बताना चाहिए। आपके प्रयोग ने पोटैशियम, सोडियम, लिथियम, कैल्शियम, एल्युमिनियम, सिल्वर या गोल्ड की स्थितियाँ प्रयोगात्मक रूप से स्थापित नहीं कीं। उसने केवल उन्हीं धातुओं को क्रमबद्ध किया जिनकी वास्तव में तुलना की गई थी।

इसलिए एक मजबूत निष्कर्ष इस प्रकार होगा:

प्रयोग द्वारा निर्धारित क्रम \(\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}\), द्वितीयक स्रोत-आधारित क्रियाशीलता श्रेणी में इन धातुओं की सापेक्ष स्थितियों से मेल खाता है।

एक कमजोर निष्कर्ष होगा:

प्रयोग ने पूरी प्रकाशित क्रियाशीलता श्रेणी को सिद्ध कर दिया।

उसने ऐसा नहीं किया।

प्रकाशित श्रेणियों में हाइड्रोजन जैसे संदर्भ पदार्थ भी हो सकते हैं, और कुछ संस्करणों में कार्बन भी शामिल होता है, क्योंकि दोनों अभिक्रियाओं और निष्कर्षण प्रक्रियाओं की भविष्यवाणी में उपयोगी हैं, भले ही वे धातुएँ नहीं हैं।

06हाइड्रोजन श्रेणी को एक और उपयोगी संदर्भ बिंदु देता है

धातु-आयन विस्थापन ही एकमात्र प्रमाण नहीं है जिसका आप उपयोग कर सकते हैं।

यदि कोई धातु उपयुक्त तनु, गैर-ऑक्सीकारक अम्ल से अभिक्रिया करके हाइड्रोजन गैस मुक्त करती है, तो वह धातु \(\mathrm{H}^{+}\) आयनों का अपचयन कर सकती है:

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

\(2+\) आयन बनाने वाली धातु के लिए यह बताता है कि सामान्य क्रियाशीलता श्रेणी में वह हाइड्रोजन से ऊपर है।

उदाहरण के लिए जिंक:

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

कॉपर सामान्यतः तनु, गैर-ऑक्सीकारक अम्ल से हाइड्रोजन मुक्त नहीं करता, इसलिए वह हाइड्रोजन से नीचे होता है।

आप इस प्रमाण को तनु अम्लों के साथ धातुओं की क्रियाशीलता: HSC रसायन विज्ञान मार्गदर्शिका में अधिक विस्तार से देख सकते हैं।

पानी के साथ अभिक्रियाएँ भी एक और प्रकार के प्रेक्षण देती हैं, हालांकि परिस्थितियाँ बहुत महत्वपूर्ण होती हैं। कुछ धातुएँ ठंडे पानी के साथ आसानी से अभिक्रिया करती हैं, जबकि अन्य के लिए भाप की आवश्यकता होती है या उनमें बहुत कम दृश्य अभिक्रिया दिखाई देती है। इस अंतर को पानी के साथ धातुओं की क्रियाशीलता: HSC रसायन विज्ञान मार्गदर्शिका में विस्तार से समझाया गया है।

इन प्रेक्षणों को केवल इस आधार पर एक ही क्रम में न मिला दें कि कौन-सा परीक्षण सबसे नाटकीय दिखाई दिया। पानी के साथ तीव्र अभिक्रिया, अम्ल के साथ धीमी अभिक्रिया और धातु-आयन विस्थापन में अलग-अलग अभिकारक और अलग-अलग गतिकीय अवरोध शामिल होते हैं।

07एक संक्षिप्त निर्णय नियम

ठोस धातु \(A\) और धातु \(B\) के आयनों वाले परीक्षण के लिए:

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

यदि वास्तविक विस्थापन होता है, तो \(A\), \(B\) से अधिक क्रियाशील है:

\[
A > B
\]

आवेश \(m+\) और \(n+\) का समान होना आवश्यक नहीं है। आपको केवल इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को सही ढंग से संतुलित करना होता है।

उदाहरण के लिए, एल्युमिनियम और कॉपर में इलेक्ट्रॉनों की संख्या अलग होती है:

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

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

3 और 2 का लघुत्तम समापवर्त्य 6 है, जिससे मिलता है:

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

स्टॉइकियोमेट्रिक गुणांक इलेक्ट्रॉन संतुलन से आते हैं। उनका अर्थ यह नहीं है कि कॉपर किसी तरह “अधिक क्रियाशील” है क्योंकि हर दो एल्युमिनियम परमाणुओं के लिए तीन कॉपर आयन हैं।

08जब प्रयोग और स्रोत असहमत हों तो क्या करें

असंगति इस बात का संकेत नहीं कि संख्याओं को तब तक बदलते रहें जब तक वे मेल न खाएँ।

प्रमाण को व्यवस्थित रूप से जाँचें।

सबसे मजबूत व्यावहारिक तर्क में सामान्यतः कई परस्पर संगत युग्मीय तुलनाएँ शामिल होती हैं।

यदि \(A>B\), \(B>C\), और एक स्वतंत्र परीक्षण भी \(A>C\) देता है, तो प्रमाण आपस में मेल खाते हैं। यदि कोई एक अलग-थलग प्रेक्षण इन तीनों का विरोध करता है, तो पूरी श्रेणी को उसी के आधार पर दोबारा बनाने से पहले उस प्रेक्षण की जाँच करें।

09व्याख्या करने से पहले श्रेणी बनाएँ

परीक्षा के उत्तर में प्रेक्षण और व्याख्या को अलग रखें।

मान लीजिए परिणाम दिखाते हैं:

• मैग्नीशियम, जिंक आयनों को विस्थापित करता है
• जिंक, आयरन आयनों को विस्थापित करता है
• आयरन, कॉपर आयनों को विस्थापित करता है

एक स्पष्ट तर्क-शृंखला यह होगी:

1. \(\ce{Mg}\), \(\mathrm{Zn}^{2+}\) को विस्थापित करता है, इसलिए \(\ce{Mg}\), \(\ce{Zn}\) की तुलना में अधिक आसानी से ऑक्सीकृत होता है।
2. \(\ce{Zn}\), \(\mathrm{Fe}^{2+}\) को विस्थापित करता है, इसलिए \(\ce{Zn}\), \(\ce{Fe}\) से अधिक क्रियाशील है।
3. \(\ce{Fe}\), \(\mathrm{Cu}^{2+}\) को विस्थापित करता है, इसलिए \(\ce{Fe}\), \(\ce{Cu}\) से अधिक क्रियाशील है।
4. अतः:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

1. इसके बाद इस क्रम की तुलना चुने गए द्वितीयक स्रोत से की जा सकती है।

तर्क पर ध्यान दें। आप यह नहीं कह रहे कि “मैग्नीशियम याद की गई श्रेणी में ऊपर है, इसलिए प्रयोग में अभिक्रिया अवश्य होनी चाहिए।” आप प्रयोग का उपयोग श्रेणी बनाने के लिए कर रहे हैं और फिर उस निर्माण की स्वतंत्र जानकारी के विरुद्ध जाँच कर रहे हैं।

यही अंतर इस प्रयोग को वैज्ञानिक रूप से उपयोगी बनाता है।

10प्रश्न और समाधान

प्रश्न 1

मैग्नीशियम की एक पट्टी को \(\mathrm{Cu}^{2+}\) आयन वाले विलयन में रखा जाता है। पट्टी पर लाल-भूरे रंग का ठोस बनता है और मैग्नीशियम धीरे-धीरे घुलता है।

बताइए कि क्रियाशीलता श्रेणी में कौन-सी धातु ऊपर है और शुद्ध आयनिक समीकरण लिखिए।

समाधान 1

क्रियाशीलता श्रेणी में मैग्नीशियम, कॉपर से ऊपर है, और शुद्ध आयनिक समीकरण है:

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

मैग्नीशियम परमाणु दो इलेक्ट्रॉन खोते हैं:

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

कॉपर आयन उन इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करते हैं:

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

इसलिए मैग्नीशियम का ऑक्सीकरण होता है और कॉपर आयनों का अपचयन होता है। ठोस कॉपर का जमाव प्रत्यक्ष प्रमाण है कि मैग्नीशियम, कॉपर आयनों को विस्थापित कर सकता है।

एक सामान्य गलती यह कहना है कि कॉपर “अधिक क्रियाशील” है क्योंकि कॉपर पट्टी पर दिखाई देता है। वास्तव में इसका उल्टा सही है: कॉपर इसलिए दिखाई देता है क्योंकि अधिक क्रियाशील मैग्नीशियम, \(\mathrm{Cu}^{2+}\) को इलेक्ट्रॉन प्रदान करता है।

प्रश्न 2

तीन अज्ञात धातुएँ \(X\), \(Y\), और \(Z\), प्रत्येक \(2+\) आयन बनाती हैं।

निम्न विश्वसनीय प्रेक्षण किए जाते हैं:

• \(X\), \(\mathrm{Y}^{2+}\) को विस्थापित करता है
• \(Y\), तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया करता है और हाइड्रोजन मुक्त करता है
• \(Z\), तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया नहीं करता
• \(Z\), \(\mathrm{Cu}^{2+}\) को विस्थापित करता है

मान लें कि सतहें साफ हैं और कोई महत्वपूर्ण गतिकीय अवरोध नहीं है।

\(X\), \(Y\), \(Z\), हाइड्रोजन और कॉपर को घटती हुई क्रियाशीलता के क्रम में रखें। फिर अनुमान लगाएँ कि क्या \(Y\), \(\mathrm{Cu}^{2+}\) को विस्थापित करेगा।

समाधान 2

क्रम है:

\[
X > Y > \ce{H} > Z > \ce{Cu}
\]

और \(Y\), \(\mathrm{Cu}^{2+}\) को विस्थापित करेगा।

धातु विस्थापन से शुरू करें। \(X\), \(\mathrm{Y}^{2+}\) को विस्थापित करता है, इसलिए:

\[
X > Y
\]

इसके बाद, \(Y\) तनु अम्ल से अभिक्रिया करता है:

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

अतः:

\[
Y > \ce{H}
\]

धातु \(Z\), अम्ल से हाइड्रोजन को विस्थापित नहीं करती। दी गई इस धारणा के अंतर्गत कि “कोई अभिक्रिया नहीं” वाला परिणाम विश्वसनीय है:

\[
\ce{H} > Z
\]

हालाँकि, \(Z\), कॉपर आयनों को विस्थापित करता है:

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

इसलिए:

\[
Z > \ce{Cu}
\]

हर शर्त को मिलाने पर मिलता है:

\[
X > Y > \ce{H} > Z > \ce{Cu}
\]

क्योंकि \(Y\), हाइड्रोजन से ऊपर है, हाइड्रोजन \(Z\) से ऊपर है, और \(Z\) कॉपर से ऊपर है, इसलिए \(Y\) भी कॉपर से ऊपर होना चाहिए। अतः उसे \(\mathrm{Cu}^{2+}\) को विस्थापित करना चाहिए।

आकर्षक लेकिन गलत तरीका यह है कि अम्ल परीक्षणों और धातु-आयन परीक्षणों को असंबंधित प्रेक्षण मान लिया जाए। उन्हें जोड़ा जा सकता है क्योंकि हाइड्रोजन क्रियाशीलता श्रेणी में एक संदर्भ स्थिति का काम करता है।

प्रश्न 3

एक विद्यार्थी मैग्नीशियम, एल्युमिनियम, जिंक और कॉपर का परीक्षण करता है।

परिणाम हैं:

• मैग्नीशियम, \(\mathrm{Zn}^{2+}\) और \(\mathrm{Cu}^{2+}\) को विस्थापित करता है
• जिंक, \(\mathrm{Cu}^{2+}\) को विस्थापित करता है
• कॉपर, \(\mathrm{Zn}^{2+}\) को विस्थापित नहीं करता
• अपनी सामान्य सतही ऑक्साइड परत सहित एल्युमिनियम की एक पट्टी, 60 सेकंड के परीक्षण में तीनों आयन विलयनों में कोई दृश्य अभिक्रिया नहीं दिखाती

विद्यार्थी निष्कर्ष निकालता है:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Cu} > \ce{Al}
\]

इसके विपरीत, एक विश्वसनीय द्वितीयक स्रोत सापेक्ष क्रम देता है:

\[
\ce{Mg} > \ce{Al} > \ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

विद्यार्थी के निष्कर्ष का मूल्यांकन करें और बताएँ कि आप इस असंगति की जाँच कैसे करेंगे।

समाधान 3

इस प्रयोग से एल्युमिनियम को कॉपर से नीचे रखना उचित नहीं है; सुरक्षित व्यावहारिक निष्कर्ष \(\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Cu}\) है, जबकि एल्युमिनियम के लिए आगे जाँच आवश्यक है।

सकारात्मक विस्थापन परिणाम मजबूत प्रमाण देते हैं:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn}
\]

और:

\[
\ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

इसलिए:

\[
\ce{Mg} > \ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

एल्युमिनियम का प्रमाण अलग है। एल्युमिनियम का परीक्षण उसकी ऑक्साइड परत को हटाए बिना किया गया था। एल्युमिनियम ऑक्साइड सतह को निष्क्रिय कर सकता है और नीचे की धातु तथा विलयन के बीच संपर्क सीमित कर सकता है।

इसलिए “60 सेकंड में कोई दृश्य अभिक्रिया नहीं” विश्वसनीय रूप से यह स्थापित नहीं करता:

\[
\ce{Cu} > \ce{Al}
\]

परीक्षण को ताज़ा तैयार की गई एल्युमिनियम सतह के साथ दोहराया जाना चाहिए, जबकि विलयन की सांद्रता, आयतन, तापमान, खुला धातु क्षेत्रफल और प्रेक्षण समय नियंत्रित रखे जाएँ। दोहराए गए परीक्षण तुलना को मजबूत बनाएँगे।

आकर्षक निष्कर्ष यह है कि “कोई अभिक्रिया नहीं” वाला हर प्रेक्षण सकारात्मक विस्थापन जितना ही मजबूत प्रमाण है। ऐसा नहीं है। स्पष्ट ठोस जमाव सीधे इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को प्रदर्शित कर सकता है, जबकि “कोई अभिक्रिया नहीं” का प्रेक्षण गतिकीय या सतही अवरोध के कारण भी हो सकता है।

इसलिए द्वितीयक स्रोत से असहमति उपयोगी है। यह बताती है कि व्यावहारिक विधि के किस हिस्से की जाँच आवश्यक है, न कि यह कि किसी एक प्रमाण स्रोत को अनदेखा कर देना चाहिए।

प्रश्न 4

एक साफ जिंक पट्टी का प्रारंभिक द्रव्यमान \(2.5000\ \mathrm{g}\) है। इसे अतिरिक्त कॉपर(II) सल्फेट विलयन में रखा जाता है। अभिक्रिया के बाद जमा हुआ सारा कॉपर पट्टी पर ही लगा रहता है। पट्टी को धोया जाता है, अच्छी तरह सुखाया जाता है, और उसका अंतिम द्रव्यमान \(2.4944\ \mathrm{g}\) होता है।

मान लें कि केवल यही अभिक्रिया होती है:

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

\(M(\ce{Zn}) = 65.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) और \(M(\ce{Cu}) = 63.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) का उपयोग करें।

गणना करें:

1. अभिक्रिया करने वाले जिंक की मात्रा
2. खोए हुए जिंक का द्रव्यमान
3. जमा हुए कॉपर का द्रव्यमान

फिर समझाइए कि बहुत छोटा शुद्ध द्रव्यमान परिवर्तन यह क्यों नहीं दर्शाता कि बहुत कम अभिक्रिया हुई।

समाधान 4

लगभग \(0.00306\ \mathrm{mol}\) जिंक ने अभिक्रिया की, जो \(0.200\ \mathrm{g}\) जिंक की हानि और \(0.194\ \mathrm{g}\) कॉपर के जमाव के बराबर है। इसलिए पर्याप्त मात्रा में विस्थापन अभिक्रिया होने पर भी शुद्ध द्रव्यमान परिवर्तन बहुत छोटा हो सकता है, क्योंकि खोए गए जिंक और प्राप्त कॉपर के मोलर द्रव्यमान समान के काफ़ी निकट हैं।

मापा गया द्रव्यमान परिवर्तन है:

\[
\Delta m = 2.4944 – 2.5000 = -0.0056\ \mathrm{g}
\]

हर एक मोल जिंक के अभिक्रिया करने पर एक मोल कॉपर जमा होता है।

इसलिए एक मोल अभिक्रिया से पट्टी के द्रव्यमान में परिवर्तन होगा:

\[
63.55 – 65.38 = -1.83\ \mathrm{g\,mol^{-1}}
\]

मान लें कि अभिक्रिया करने वाले जिंक के मोलों की संख्या \(n\) है। तब:

\[
n=\frac{0.0056\ \mathrm{g}}{1.83\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}
=0.00306\ \mathrm{mol}
\]

ऑक्सीकृत जिंक का द्रव्यमान है:

\[
m(\ce{Zn})
=nM
=(0.00306\ \mathrm{mol})(65.38\ \mathrm{g\,mol^{-1}})
\approx 0.200\ \mathrm{g}
\]

जमा हुए कॉपर का द्रव्यमान है:

\[
m(\ce{Cu})
=(0.00306\ \mathrm{mol})(63.55\ \mathrm{g\,mol^{-1}})
\approx 0.194\ \mathrm{g}
\]

इसलिए शुद्ध परिवर्तन लगभग है:

\[
0.194 – 0.200=-0.006\ \mathrm{g}
\]

जो पूर्णांकन के बाद मापी गई कमी से मेल खाता है।

गलती यह होगी कि अंतिम द्रव्यमान परिवर्तन को ही अभिक्रिया करने वाले पदार्थ की मात्रा मान लिया जाए। एक साथ दो द्रव्यमान परिवर्तन हो रहे हैं: जिंक पट्टी से निकल रहा है, जबकि कॉपर उस पर जुड़ रहा है। दोनों लगभग एक-दूसरे को निरस्त कर देते हैं।

कुल द्रव्यमान में बहुत छोटे परिवर्तन के बावजूद लगभग \(0.200\ \mathrm{g}\) जिंक का ऑक्सीकरण हुआ है। विस्थापन की दिशा से अभी भी महत्वपूर्ण क्रियाशीलता-श्रेणी निष्कर्ष मिलता है:

\[
\ce{Zn} > \ce{Cu}
\]

प्रश्न 5

एक आयरन पट्टी को पहले \(\mathrm{Cu}^{2+}\) वाले विलयन में रखा जाता है। आयरन पर कॉपर जमा होता है, जिससे पता चलता है:

\[
\ce{Fe} > \ce{Cu}
\]

कॉपर-लेपित आयरन पट्टी को अच्छी तरह धोकर, कॉपर की परत हटाए बिना, \(\mathrm{Ag}^{+}\) वाले नए विलयन में स्थानांतरित किया जाता है।

सिल्वर के क्रिस्टल बनते हैं। इस दूसरे चरण के अंत में, विलयन के विश्लेषण में \(\mathrm{Fe}^{2+}\) पाया जाता है, लेकिन मापने योग्य \(\mathrm{Cu}^{2+}\) नहीं मिलता।

एक विद्यार्थी तर्क देता है:

क्योंकि अंतिम विलयन में \(\mathrm{Cu}^{2+}\) नहीं है, इसलिए कॉपर की परत ने सिल्वर आयनों के साथ अभिक्रिया की ही नहीं हो सकती। अतः यह प्रयोग सिल्वर के सापेक्ष कॉपर की स्थिति के बारे में कुछ सिद्ध नहीं करता।

निर्धारित करें कि प्रयोग आयरन और सिल्वर के बारे में क्या सिद्ध करता है, क्या यह कॉपर और सिल्वर के बारे में कुछ सिद्ध करता है, और समझाइए कि अंत में \(\mathrm{Cu}^{2+}\) का न मिलना किसी एक विशिष्ट अभिक्रिया मार्ग की पहचान क्यों नहीं करता। एक अतिरिक्त प्रयोग बताइए जो कॉपर-सिल्वर तुलना को स्पष्ट कर दे।

समाधान 5

दूसरा चरण \(\ce{Fe} > \ce{Ag}\) का समर्थन करता है, लेकिन अपने आप में यह कॉपर और सिल्वर की सापेक्ष स्थिति स्थापित नहीं करता। अंत में \(\mathrm{Cu}^{2+}\) की अनुपस्थिति यह सिद्ध नहीं कर सकती कि कॉपर ने कभी अभिक्रिया नहीं की, क्योंकि पहले बना कोई भी \(\mathrm{Cu}^{2+}\) बाद में आयरन द्वारा फिर से कॉपर में अपचयित किया जा सकता था।

एक संभावित मार्ग आयरन द्वारा सिल्वर आयनों का प्रत्यक्ष अपचयन है:

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

इससे ठीक वही महत्वपूर्ण अंतिम प्रेक्षण मिलते हैं: सिल्वर धातु और \(\mathrm{Fe}^{2+}\)। यह समर्थन करता है:

\[
\ce{Fe} > \ce{Ag}
\]

कॉपर की परत वहाँ बनी रह सकती है, जबकि आयरन के खुले भागों पर इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण होता रहे।

लेकिन एक दूसरा संभावित क्रम भी है।

कॉपर पहले सिल्वर आयनों का अपचयन कर सकता है:

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

यदि ऐसा हुआ, तो कॉपर कुछ समय के लिए \(\mathrm{Cu}^{2+}\) के रूप में विलयन में प्रवेश करेगा।

हालाँकि, पहले प्रयोग से हम पहले ही जानते हैं कि आयरन, कॉपर से ऊपर है। इसलिए खुला हुआ आयरन इन कॉपर आयनों को दोबारा कॉपर में अपचयित कर सकता है:

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

इन दोनों समीकरणों को जोड़ें तो कॉपर निरस्त हो जाता है:

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

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

कुल मिलाकर:

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

यह वही शुद्ध अभिक्रिया है जो प्रत्यक्ष आयरन-सिल्वर मार्ग में मिलती है।

इसलिए दोनों ही स्थितियों में अंतिम मिश्रण में सिल्वर और \(\mathrm{Fe}^{2+}\) हो सकते हैं और मापने योग्य \(\mathrm{Cu}^{2+}\) नहीं हो सकता।

यही मुख्य बात है: अंतिम उत्पाद शुद्ध रासायनिक परिवर्तन स्थापित कर सकते हैं, लेकिन वे आवश्यक नहीं कि हर मध्यवर्ती इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण चरण को प्रकट करें।

अतिरिक्त प्रयोग को उसी तुलना को अलग करके जाँचना चाहिए जो अभी अनिश्चित है। उपयुक्त नियंत्रित परिस्थितियों में साफ कॉपर नमूने को सीधे \(\mathrm{Ag}^{+}\) वाले ताज़ा विलयन में डालें।

यदि कॉपर सिल्वर आयनों को विस्थापित करता है, तो यह सीधे समर्थन करेगा:

\[
\ce{Cu} > \ce{Ag}
\]

यदि कोई विश्वसनीय प्रत्यक्ष परीक्षण कोई विस्थापन नहीं दिखाता, तो उन परिस्थितियों में विपरीत क्रम का समर्थन होगा।

आकर्षक लेकिन गलत तर्क यह था कि “अंत में उपस्थित नहीं” का अर्थ “कभी उपस्थित ही नहीं था” मान लिया जाए। रासायनिक प्रजातियाँ बन सकती हैं और फिर किसी बाद की अभिक्रिया में उपभोग हो सकती हैं, इसलिए यह निष्कर्ष मान्य नहीं है।

11क्रियाशीलता श्रेणी आपको आगे किसके लिए तैयार करती है

क्रियाशीलता श्रेणी व्यावहारिक प्रेक्षणों को इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के बारे में पूर्वानुमानों में बदलती है। जब आप किसी विस्थापन अभिक्रिया को इस रूप में पढ़ना सीख लेते हैं कि “यह धातु ऑक्सीकृत होती है, जबकि वे आयन अपचयित होते हैं”, तो आगे के कई विचार बहुत आसान हो जाते हैं।

अगला चरण गुणात्मक सीढ़ी को मात्रात्मक वैद्युतरसायन से बदलना है। मानक इलेक्ट्रोड विभव आपको रेडॉक्स प्रवृत्तियों की संख्यात्मक तुलना करने, सेल अभिक्रियाओं की भविष्यवाणी करने और यह समझाने देते हैं कि सांद्रता और परिस्थितियाँ क्यों महत्वपूर्ण हो सकती हैं।

इसलिए क्रियाशीलता श्रेणी केवल धातुओं की सूची नहीं है। यह यह तय करने के लिए आपका पहला संक्षिप्त मॉडल है कि कौन-सी प्रजाति इलेक्ट्रॉन छोड़ेगी, कौन-सी उन्हें ग्रहण करेगी, और उस निर्णय को उचित ठहराने के लिए कौन-सा प्रमाण पर्याप्त रूप से मजबूत है।