इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण द्वारा ऑक्सीकरण और अपचयन: HSC रसायन विज्ञान
रेडॉक्स अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण का अनुसरण करके ऑक्सीकरण, अपचयन, ऑक्सीकारक और अपचायक की पहचान करना सीखें।
नीले कॉपर(II) विलयन में जिंक धातु की एक पट्टी डालें तो कुछ अजीब होता है: कॉपर धातु जिंक पर जमने लगती है, जबकि जिंक के परमाणु पट्टी से निकलकर आयनों के रूप में विलयन में चले जाते हैं।
वास्तव में जिंक से कॉपर तक क्या स्थानांतरित हुआ है?
यह न तो ऑक्सीजन परमाणु है और न ही प्रोटॉन। मुख्य स्थानांतरण इससे कहीं छोटे कणों का है: इलेक्ट्रॉन जिंक के परमाणुओं से कॉपर(II) आयनों तक जाते हैं। जब आप इस इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण को पहचानना सीख लेते हैं, तो ऑक्सीकरण और अपचयन की पहचान करना बहुत आसान हो जाता है।
01शुरुआत इलेक्ट्रॉनों का अनुसरण करके करें
इस अभिक्रिया पर विचार करें
\[ \ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)} \]
आगे पढ़ने से पहले अनुमान लगाएँ कि इलेक्ट्रॉनों के साथ क्या होता है।
एक उदासीन जिंक परमाणु \(\mathrm{Zn}^{2+}\) बन जाता है। \(2+\) बनने के लिए उसे दो ऋणावेशित इलेक्ट्रॉन खोने होंगे:
\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]
इसी दौरान, एक \(\mathrm{Cu}^{2+}\) आयन उदासीन कॉपर परमाणु बन जाता है। उसे दो इलेक्ट्रॉन प्राप्त करने होंगे:
\[ \ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu} \]
इन दोनों परिवर्तनों के विशेष नाम हैं:
- ऑक्सीकरण इलेक्ट्रॉनों का खोना है
- अपचयन इलेक्ट्रॉनों का प्राप्त करना है
आपने OIL RIG नामक स्मरण-सूत्र देखा होगा: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain, यानी ऑक्सीकरण में इलेक्ट्रॉनों की हानि होती है और अपचयन में इलेक्ट्रॉनों की प्राप्ति। यह उपयोगी है, लेकिन केवल इसे याद करने तक सीमित न रहें। महत्वपूर्ण विचार यह है कि इलेक्ट्रॉन एक स्पीशीज़ से दूसरी स्पीशीज़ में स्थानांतरित होते हैं।
इसे किसी कॉन्सर्ट का टिकट किसी और को देने जैसा समझें। यदि एक व्यक्ति टिकट प्राप्त करता है, तो किसी दूसरे व्यक्ति को वह टिकट छोड़ना होगा। इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण भी इसी तरह काम करता है: कोई स्पीशीज़ इलेक्ट्रॉन तब तक प्राप्त नहीं कर सकती जब तक कोई दूसरी स्पीशीज़ उन्हें खो न दे।
यह उपमा एक सीमा पर टूट जाती है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन वास्तविक कण हैं, टिकट नहीं, और किसी रासायनिक अभिक्रिया में इलेक्ट्रॉन हमेशा विलयन के आर-पार स्वतंत्र कणों के रूप में सीधे यात्रा नहीं करते। अर्ध-समीकरण यह हिसाब रखने का एक तरीका हैं कि इलेक्ट्रॉन कहाँ से आते हैं और कहाँ जाते हैं।
02ऑक्सीकरण और अपचयन हमेशा साथ होते हैं
मान लीजिए जिंक दो इलेक्ट्रॉन खो देता है:
\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]
क्या यही पूरी अभिक्रिया हो सकती है?
नहीं। इलेक्ट्रॉन बस गायब नहीं हो सकते। किसी दूसरी स्पीशीज़ को उन्हें स्वीकार करना होगा।
इसीलिए ऑक्सीकरण और अपचयन परस्पर जुड़े हुए प्रक्रम हैं। साथ मिलकर वे एक रेडॉक्स अभिक्रिया बनाते हैं।
जिंक-कॉपर अभिक्रिया में:
- जिंक का ऑक्सीकरण होता है क्योंकि वह इलेक्ट्रॉन खोता है
- कॉपर(II) आयनों का अपचयन होता है क्योंकि वे इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं
दो समीकरण
\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]
और
\[ \ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu} \]
अर्ध-समीकरण कहलाते हैं। प्रत्येक इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के एक पक्ष को दर्शाता है।
जब हम इन्हें जोड़ते हैं, तो इलेक्ट्रॉन कट जाते हैं:
\[ \ce{Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu} \]
यह कटना महत्वपूर्ण है। इससे पुष्टि होती है कि खोए गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या प्राप्त किए गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बराबर है।
03वे नाम जिनमें सबसे अधिक भ्रम होता है
विद्यार्थी अक्सर ऑक्सीकरण और अपचयन की सही पहचान कर लेते हैं, लेकिन फिर ऑक्सीकारक और अपचायक को उलट देते हैं।
सबसे सुरक्षित नियम यह है कि इस बात पर ध्यान दें कि प्रत्येक स्पीशीज़ दूसरी स्पीशीज़ के साथ क्या करती है।
| स्पीशीज़ | उसके साथ क्या होता है? | वह क्या करती है? | नाम |
|---|---|---|---|
| इलेक्ट्रॉन खोती है | ऑक्सीकृत होती है | दूसरी स्पीशीज़ को इलेक्ट्रॉन देती है | अपचायक |
| इलेक्ट्रॉन प्राप्त करती है | अपचयित होती है | दूसरी स्पीशीज़ से इलेक्ट्रॉन लेती है | ऑक्सीकारक |
इसलिए
\[ \ce{Zn + Cu^2+ -> Zn^2+ + Cu} \]
में जिंक इलेक्ट्रॉन खोता है। इसलिए जिंक:
- ऑक्सीकृत होता है, और
- अपचायक है
कॉपर(II) आयन वे इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं। इसलिए \(\mathrm{Cu}^{2+}\):
- अपचयित होता है, और
- ऑक्सीकारक है
शुरुआत में ये नाम उलटे लग सकते हैं। वास्तव में ऐसा नहीं है।
अपचायक को अपचायक इसलिए कहा जाता है क्योंकि वह किसी दूसरी स्पीशीज़ का अपचयन कराता है। ऐसा करने के लिए उसे इलेक्ट्रॉन दान करने पड़ते हैं, इसलिए अपचायक स्वयं ऑक्सीकृत हो जाता है।
इसी प्रकार, ऑक्सीकारक किसी दूसरी स्पीशीज़ के इलेक्ट्रॉन स्वीकार करके उसका ऑक्सीकरण कराता है। ऑक्सीकारक स्वयं अपचयित हो जाता है।
इसे याद रखने का थोड़ा हास्यास्पद तरीका: कल्पना करें कि दो लोग एक बेहद खराब डेट पर एक जैकेट का आदान-प्रदान कर रहे हैं। जो व्यक्ति जैकेट देता है, वह दूसरे व्यक्ति को गर्म कर देता है, लेकिन स्वयं ठंडा हो जाता है। उसी तरह, एक अपचायक इलेक्ट्रॉन देता है और दूसरी स्पीशीज़ का अपचयन कराता है, जबकि स्वयं विपरीत प्रक्रम से गुजरता है।
04प्रत्येक स्पीशीज़ की पहचान करने की एक विश्वसनीय विधि
जब आपको कोई रेडॉक्स समीकरण दिया जाए, तो इस क्रम का उपयोग करें।
चरण 1: ऐसी स्पीशीज़ खोजें जिसने इलेक्ट्रॉन खोए हैं
ऐसे परमाणु या आयन को देखें जो अधिक धनावेशित, या कम ऋणावेशित हो जाता है।
उस स्पीशीज़ का ऑक्सीकरण हुआ है।
चरण 2: ऐसी स्पीशीज़ खोजें जिसने इलेक्ट्रॉन प्राप्त किए हैं
ऐसे परमाणु या आयन को देखें जो कम धनावेशित, या अधिक ऋणावेशित हो जाता है।
उस स्पीशीज़ का अपचयन हुआ है।
चरण 3: अभिकर्मकों की पहचान करें
जो स्पीशीज़ इलेक्ट्रॉन खोती है, वह अपचायक है।
जो स्पीशीज़ इलेक्ट्रॉन प्राप्त करती है, वह ऑक्सीकारक है।
चरण 4: इलेक्ट्रॉनों की संख्या जाँचें
जब अर्ध-समीकरणों को उपयुक्त गुणांकों से गुणा किया जाता है, तब खोए गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या प्राप्त किए गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बराबर होनी चाहिए।
यह अंतिम जाँच आश्चर्यजनक रूप से बड़ी संख्या में गलतियाँ पकड़ लेती है।
हल किया हुआ उदाहरण: हाइड्रोजन आयनों के साथ मैग्नीशियम की अभिक्रिया
मैग्नीशियम किसी अम्लीय विलयन के साथ इस प्रकार अभिक्रिया करता है
\[ \ce{Mg(s) + 2H+(aq) -> Mg^2+(aq) + H2(g)} \]
ऑक्सीकृत स्पीशीज़, अपचयित स्पीशीज़, अपचायक और ऑक्सीकारक की पहचान करें।
चरण 1
मैग्नीशियम उदासीन \(\ce{Mg}\) के रूप में शुरू होता है और \(\mathrm{Mg}^{2+}\) बन जाता है। उसने दो इलेक्ट्रॉन खोए हैं:
\[ \ce{Mg -> Mg^2+ + 2e^-} \]
मैग्नीशियम ऑक्सीकृत होता है।
चरण 2
दो \(\mathrm{H}^{+}\) आयन दो इलेक्ट्रॉन प्राप्त करके एक \(\ce{H2}\) अणु बनाते हैं:
\[ \ce{2H+ + 2e^- -> H2} \]
हाइड्रोजन आयन अपचयित होते हैं।
चरण 3
मैग्नीशियम इलेक्ट्रॉन दान करता है, इसलिए मैग्नीशियम अपचायक है।
हाइड्रोजन आयन इलेक्ट्रॉन स्वीकार करते हैं, इसलिए \(\mathrm{H}^{+}\) ऑक्सीकारक है।
चरण 4
मैग्नीशियम दो इलेक्ट्रॉन खोता है, और हाइड्रोजन आयन दो इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं। इलेक्ट्रॉनों का हिसाब सुसंगत है।
इसलिए पूरी पहचान है:
- ऑक्सीकृत स्पीशीज़: \(\ce{Mg}\)
- अपचयित स्पीशीज़: \(\mathrm{H}^{+}\)
- अपचायक: \(\ce{Mg}\)
- ऑक्सीकारक: \(\mathrm{H}^{+}\)
यही इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण तनु अम्लों के साथ धातुओं की अभिक्रियाशीलता में शामिल कई अभिक्रियाओं का आधार है।
05इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को “ऑक्सीजन” शब्द के साथ भ्रमित न करें
ऐतिहासिक रूप से, ऑक्सीकरण को ऑक्सीजन से जुड़ी अभिक्रियाओं से संबद्ध किया जाता था। उदाहरण के लिए,
\[ \ce{2Mg + O2 -> 2MgO} \]
में मैग्नीशियम का ऑक्सीकरण होता है।
लेकिन “ऑक्सीकरण का अर्थ ऑक्सीजन प्राप्त करना है” पर्याप्त रूप से सामान्य परिभाषा नहीं है।
यहाँ भी मैग्नीशियम ऑक्सीकृत होता है:
\[ \ce{Mg + 2H+ -> Mg^2+ + H2} \]
समीकरण में कहीं भी ऑक्सीजन नहीं है।
इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण वाली परिभाषा दोनों स्थितियों को समझाती है। प्रत्येक अभिक्रिया में मैग्नीशियम इलेक्ट्रॉन खोता है।
रेडॉक्स से जुड़े HSC प्रश्नों के लिए, इलेक्ट्रॉनों की हानि और प्राप्ति के रूप में सोचना आपको अधिक सामान्य मॉडल देता है।
हल किया हुआ उदाहरण: कॉपर(II) आयनों के साथ एल्युमिनियम की अभिक्रिया
विचार करें
\[ \ce{2Al(s) + 3Cu^2+(aq) -> 2Al^3+(aq) + 3Cu(s)} \]
ऑक्सीकरण और अपचयन प्रक्रमों की पहचान करें, फिर ऑक्सीकारक और अपचायक की पहचान करें।
चरण 1
प्रत्येक एल्युमिनियम परमाणु तीन इलेक्ट्रॉन खोता है:
\[ \ce{Al -> Al^3+ + 3e^-} \]
एल्युमिनियम ऑक्सीकृत होता है।
क्योंकि समग्र अभिक्रिया में दो एल्युमिनियम परमाणु हैं, इसलिए अर्ध-समीकरण को दो से गुणा करें:
\[ \ce{2Al -> 2Al^3+ + 6e^-} \]
चरण 2
प्रत्येक \(\mathrm{Cu}^{2+}\) आयन दो इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है:
\[ \ce{Cu^2+ + 2e^- -> Cu} \]
अभिक्रिया में तीन कॉपर(II) आयन हैं, इसलिए:
\[ \ce{3Cu^2+ + 6e^- -> 3Cu} \]
चरण 3
एल्युमिनियम कुल छह इलेक्ट्रॉन खोता है, जबकि कॉपर(II) आयन छह इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं।
इसलिए इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण संतुलित है।
चरण 4
एल्युमिनियम इलेक्ट्रॉन उपलब्ध कराता है, इसलिए वह अपचायक है।
\(\mathrm{Cu}^{2+}\) इलेक्ट्रॉन स्वीकार करता है, इसलिए वह ऑक्सीकारक है।
इसलिए पूरी तस्वीर यह है:
\[ \underbrace{\ce{2Al -> 2Al^3+ + 6e^-}}_{\text{ऑक्सीकरण}} \]
\[ \underbrace{\ce{3Cu^2+ + 6e^- -> 3Cu}}_{\text{अपचयन}} \]
ध्यान दें कि गुणांक यह नहीं बताते कि कौन-सा प्रक्रम ऑक्सीकरण है। एल्युमिनियम का गुणांक 2 और कॉपर(II) का गुणांक 3 है, लेकिन ये संख्याएँ केवल इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को संतुलित करती हैं। आपको फिर भी इलेक्ट्रॉनों का अनुसरण करना होगा।
06आवेश में परिवर्तन प्रमाण है, परिभाषा नहीं
सरल आयनों के लिए, आवेश में परिवर्तन से इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण आसानी से दिखाई देता है।
उदाहरण के लिए,
\[ \ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-} \]
ऑक्सीकरण है क्योंकि \(\mathrm{Fe}^{2+}\) एक इलेक्ट्रॉन खोता है।
और
\[ \ce{Fe^3+ + e^- -> Fe^2+} \]
अपचयन है क्योंकि \(\mathrm{Fe}^{3+}\) एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है।
अधिक धनात्मक आवेश अक्सर ऑक्सीकरण का संकेत देता है, जबकि कम धनात्मक आवेश अक्सर अपचयन का संकेत देता है।
लेकिन शब्दों के प्रयोग में सावधान रहें। ऑक्सीकरण की परिभाषा “अधिक धनात्मक हो जाना” नहीं है। मूल परिभाषा अब भी इलेक्ट्रॉनों की हानि ही है।
जब अभिक्रिया करने वाली स्पीशीज़ आयन हों, तब आवेश केवल एक उपयोगी संकेत है।
07भूमिका उस विशेष अभिक्रिया में स्पीशीज़ की होती है
“धातुएँ अपचायक होती हैं” या “\(\mathrm{Fe}^{3+}\) एक ऑक्सीकारक है” जैसे कथनों को याद कर लेना आकर्षक लग सकता है।
ऐसे कथन सामान्य व्यवहार का वर्णन कर सकते हैं, लेकिन भूमिका का अंतिम निर्धारण वास्तव में हो रही अभिक्रिया से ही किया जाना चाहिए।
उदाहरण के लिए:
\[ \ce{Fe^2+ -> Fe^3+ + e^-} \]
यहाँ, \(\mathrm{Fe}^{2+}\) एक इलेक्ट्रॉन खोता है, इसलिए वह अपचायक के रूप में कार्य करता है।
लेकिन किसी अन्य अभिक्रिया में कोई स्पीशीज़ अलग तरह से भाग ले सकती है। रेडॉक्स नाम इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण में निभाई गई भूमिका का वर्णन करते हैं, किसी रासायनिक स्पीशीज़ से स्थायी रूप से जुड़ा व्यक्तित्व-गुण नहीं।
यह विचार विशेष रूप से तब उपयोगी हो जाता है जब आप धातु सक्रियता श्रेणी का अध्ययन करते हैं, क्योंकि यह श्रेणी यह अनुमान लगाने में मदद करती है कि धातुओं और धातु आयनों के बीच कौन-से इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण होने की संभावना है।
08प्रश्न और समाधान
प्रश्न 1
इस अभिक्रिया पर विचार करें
\[ \ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)} \]
पहचानें:
a. ऑक्सीकृत स्पीशीज़
b. अपचयित स्पीशीज़
c. अपचायक
d. ऑक्सीकारक
ऑक्सीकरण और अपचयन के अर्ध-समीकरण लिखें।
समाधान 1
जिंक ऑक्सीकृत होता है और अपचायक है, जबकि \(\mathrm{Ag}^{+}\) अपचयित होता है और ऑक्सीकारक है।
जिंक उदासीन \(\ce{Zn}\) से \(\mathrm{Zn}^{2+}\) में बदलता है, इसलिए वह दो इलेक्ट्रॉन खोता है:
\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]
यह ऑक्सीकरण है।
प्रत्येक सिल्वर आयन एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है:
\[ \ce{Ag+ + e^- -> Ag} \]
क्योंकि दो सिल्वर आयन अभिक्रिया करते हैं, इसलिए अपचयन अर्ध-समीकरण को दो से गुणा किया जा सकता है:
\[ \ce{2Ag+ + 2e^- -> 2Ag} \]
जिंक द्वारा खोए गए दो इलेक्ट्रॉन, सिल्वर आयनों द्वारा प्राप्त किए गए दो इलेक्ट्रॉनों के बिल्कुल बराबर हैं।
इसलिए:
- ऑक्सीकृत स्पीशीज़: \(\ce{Zn}\)
- अपचयित स्पीशीज़: \(\mathrm{Ag}^{+}\)
- अपचायक: \(\ce{Zn}\)
- ऑक्सीकारक: \(\mathrm{Ag}^{+}\)
एक आकर्षक लेकिन गलत निष्कर्ष यह है कि जिंक को ऑक्सीकारक कहा जाए क्योंकि जिंक का ऑक्सीकरण हो रहा है। अभिकर्मकों के नाम यह बताते हैं कि कोई स्पीशीज़ दूसरे अभिकारक में क्या परिवर्तन कराती है। जिंक इलेक्ट्रॉन देता है और \(\mathrm{Ag}^{+}\) का अपचयन कराता है, इसलिए जिंक अपचायक है।
प्रश्न 2
एक विद्यार्थी को यह अभिक्रिया दी जाती है
\[ \ce{2Fe^3+(aq) + Sn^2+(aq) -> 2Fe^2+(aq) + Sn^4+(aq)} \]
वह कहता है:
“टिन \(2+\) से \(4+\) हो जाता है, इसलिए उसने दो धनात्मक आवेश प्राप्त किए हैं और उसे कुछ प्राप्त हुआ होगा। इसलिए टिन का अपचयन हुआ है।”
निर्धारित करें कि विद्यार्थी सही है या नहीं। ऑक्सीकृत और अपचयित स्पीशीज़ तथा दोनों अभिकर्मकों की पहचान करें, और दिखाएँ कि इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण संतुलित है।
समाधान 2
विद्यार्थी गलत है। \(\mathrm{Sn}^{2+}\) ऑक्सीकृत होता है और अपचायक है, जबकि \(\mathrm{Fe}^{3+}\) अपचयित होता है और ऑक्सीकारक है।
टिन में परिवर्तन इस प्रकार होता है
\[ \ce{Sn^2+ -> Sn^4+ + 2e^-} \]
आयन अधिक धनात्मक इसलिए हो जाता है क्योंकि उसने दो ऋणावेशित इलेक्ट्रॉन खो दिए हैं। उसने “धनात्मक आवेश प्राप्त” नहीं किए हैं।
आयरन में यह परिवर्तन होता है
\[ \ce{Fe^3+ + e^- -> Fe^2+} \]
प्रत्येक \(\mathrm{Fe}^{3+}\) आयन एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है। चूँकि दो आयरन(III) आयन हैं:
\[ \ce{2Fe^3+ + 2e^- -> 2Fe^2+} \]
अब हिसाब स्पष्ट है:
- \(\mathrm{Sn}^{2+}\), \(2e^-\) खोता है
- दो \(\mathrm{Fe}^{3+}\) आयन, \(2e^-\) प्राप्त करते हैं
इसलिए:
- ऑक्सीकृत स्पीशीज़: \(\mathrm{Sn}^{2+}\)
- अपचयित स्पीशीज़: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)
- अपचायक: \(\mathrm{Sn}^{2+}\)
- ऑक्सीकारक: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)
गलत रास्ता यह है कि धनात्मक आवेश को किसी ऐसी वस्तु की तरह माना जाए जिसे जोड़ा जा रहा है। आवेश वास्तव में प्रोटॉनों और इलेक्ट्रॉनों का शुद्ध परिणाम है। जब नाभिक में प्रोटॉनों की संख्या स्थिर रहती है, तब अधिक धनावेशित होने का अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन खोए गए हैं।
प्रश्न 3
एक साफ जिंक पट्टी को ऐसे विलयन में रखा जाता है जिसमें सिल्वर आयन अधिक मात्रा में मौजूद हैं।
अभिक्रिया है
\[ \ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)} \]
कुछ समय बाद पट्टी का द्रव्यमान बढ़ गया है।
एक विद्यार्थी तर्क देता है कि इसलिए जिंक ऑक्सीकृत नहीं हो सकता, क्योंकि “ऑक्सीकरण जिंक को पट्टी से हटाता है, इसलिए पट्टी हल्की होनी चाहिए”।
मोलर द्रव्यमान हैं:
- Zn: \(65.4\ \text{g mol}^{-1}\)
- Ag: \(107.9\ \text{g mol}^{-1}\)
क्या विद्यार्थी का निष्कर्ष मान्य है? रेडॉक्स रसायन को समझाएँ और दिखाएँ कि द्रव्यमान में वृद्धि संभव है या नहीं।
समाधान 3
विद्यार्थी का निष्कर्ष मान्य नहीं है। ठोस पट्टी का कुल द्रव्यमान बढ़ने के बावजूद जिंक का ऑक्सीकरण हो सकता है।
ऑक्सीकरण प्रक्रम है
\[ \ce{Zn -> Zn^2+ + 2e^-} \]
इसलिए जिंक परमाणु \(\mathrm{Zn}^{2+}\) आयनों के रूप में धातु से निकल जाते हैं। इसलिए जिंक ऑक्सीकृत होता है और अपचायक है।
सिल्वर आयनों का अपचयन होता है:
\[ \ce{2Ag+ + 2e^- -> 2Ag} \]
बना हुआ सिल्वर शेष जिंक पट्टी पर जम सकता है।
ऑक्सीकृत हुए प्रत्येक \(1.00\ \text{mol}\) Zn के लिए, पट्टी से
\[ 1.00\ \text{mol} \times 65.4\ \text{g mol}^{-1} = 65.4\ \text{g} \]
जिंक कम होता है।
लेकिन वही अभिक्रिया \(2.00\ \text{mol}\) Ag जमा करती है:
\[ 2.00\ \text{mol} \times 107.9\ \text{g mol}^{-1} = 215.8\ \text{g} \]
सिल्वर।
यदि यह पूरा सिल्वर पट्टी से जुड़ा रहता है, तो शुद्ध द्रव्यमान परिवर्तन है
\[ 215.8\ \text{g} - 65.4\ \text{g} = +150.4\ \text{g} \]
प्रति मोल अभिक्रिया करने वाले जिंक के लिए।
इसलिए मापे गए द्रव्यमान में वृद्धि, जिंक के ऑक्सीकृत होने के साथ पूरी तरह संगत है।
गलत धारणा यह है कि “ऑक्सीकृत” होने का अर्थ है “वस्तु का द्रव्यमान अवश्य कम होना चाहिए”। ऑक्सीकरण किसी स्पीशीज़ द्वारा इलेक्ट्रॉन खोने का वर्णन करता है। तुला का माप उस वस्तु में प्रवेश करने या उससे बाहर जाने वाले प्रत्येक पदार्थ पर निर्भर करता है जिसे तौला जा रहा है। जिंक ठोस से निकलता है, लेकिन उसी समय उससे अधिक द्रव्यमान वाला सिल्वर उस पर जमा हो सकता है।
प्रश्न 4
आयरन युक्त एक विलयन में क्रमशः दो अभिक्रियाएँ होती हैं।
चरण 1:
\[ \ce{2Fe^3+ + 2I^- -> 2Fe^2+ + I2} \]
चरण 2:
\[ \ce{2Fe^2+ + Cl2 -> 2Fe^3+ + 2Cl^-} \]
प्रत्येक चरण के लिए:
a. ऑक्सीकृत और अपचयित स्पीशीज़ की पहचान करें
b. अपचायक और ऑक्सीकारक की पहचान करें
फिर दोनों अभिक्रियाओं को जोड़कर समग्र समीकरण प्राप्त करें। समझाएँ कि पूरे दो-चरणीय प्रक्रम में आयरन स्पीशीज़ के साथ क्या हुआ है।
समाधान 4
चरण 1 में, \(\mathrm{I}^{-}\) ऑक्सीकृत होता है और अपचायक के रूप में कार्य करता है, जबकि \(\mathrm{Fe}^{3+}\) अपचयित होता है और ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है। चरण 2 में, \(\mathrm{Fe}^{2+}\) ऑक्सीकृत होता है और अपचायक के रूप में कार्य करता है, जबकि \(\ce{Cl2}\) अपचयित होता है और ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है। दोनों चरणों को मिलाकर देखें तो आयरन स्पीशीज़ पुनः बन जाती हैं और समग्र अभिक्रिया में कट जाती हैं।
चरण 1 में, आयोडाइड इलेक्ट्रॉन खोता है:
\[ \ce{2I^- -> I2 + 2e^-} \]
आयरन(III) आयन उन्हें प्राप्त करते हैं:
\[ \ce{2Fe^3+ + 2e^- -> 2Fe^2+} \]
इसलिए:
- ऑक्सीकृत: \(\mathrm{I}^{-}\)
- अपचयित: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)
- अपचायक: \(\mathrm{I}^{-}\)
- ऑक्सीकारक: \(\mathrm{Fe}^{3+}\)
चरण 2 में, आयरन का परिवर्तन उलट जाता है:
\[ \ce{2Fe^2+ -> 2Fe^3+ + 2e^-} \]
जबकि क्लोरीन इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है:
\[ \ce{Cl2 + 2e^- -> 2Cl^-} \]
इसलिए:
- ऑक्सीकृत: \(\mathrm{Fe}^{2+}\)
- अपचयित: \(\ce{Cl2}\)
- अपचायक: \(\mathrm{Fe}^{2+}\)
- ऑक्सीकारक: \(\ce{Cl2}\)
अब दी गई दोनों अभिक्रियाओं को जोड़ें:
\[ \begin{aligned} \ce{2Fe^3+ + 2I^-} &\ce{-> 2Fe^2+ + I2}\\ \ce{2Fe^2+ + Cl2} &\ce{-> 2Fe^3+ + 2Cl^-} \end{aligned} \]
\(\ce{2Fe^3+}\) और \(\ce{2Fe^2+}\), दोनों विपरीत पक्षों पर दिखाई देते हैं और कट जाते हैं, जिससे बचता है
\[ \ce{2I^- + Cl2 -> I2 + 2Cl^-} \]
पूरे प्रक्रम में आयरन \(\mathrm{Fe}^{3+}\) के रूप में शुरू होता है, \(\mathrm{Fe}^{2+}\) बनता है, फिर वापस \(\mathrm{Fe}^{3+}\) बन जाता है। वह इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण मार्ग में भाग लेता है, लेकिन समग्र समीकरण में उसका कोई शुद्ध परिवर्तन नहीं होता।
गलत रास्ता “आयरन” को एक स्थायी भूमिका देना है। यह इसलिए विफल होता है क्योंकि रेडॉक्स भूमिकाएँ किसी विशेष अभिक्रिया में किसी स्पीशीज़ की होती हैं। \(\mathrm{Fe}^{3+}\) चरण 1 में इलेक्ट्रॉन स्वीकार करता है, जबकि \(\mathrm{Fe}^{2+}\) चरण 2 में इलेक्ट्रॉन दान करता है।
समग्र इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण आयोडाइड से क्लोरीन की ओर होता है, भले ही यह स्थानांतरण मध्यवर्ती आयरन स्पीशीज़ के माध्यम से होता है।
प्रश्न 5
इस अभिक्रिया पर विचार करें
\[ \ce{2Cu+ -> Cu^2+ + Cu} \]
एक विद्यार्थी दावा करता है कि यह रेडॉक्स अभिक्रिया नहीं हो सकती क्योंकि केवल एक अभिकारक स्पीशीज़, \(\mathrm{Cu}^{+}\), है, इसलिए अलग इलेक्ट्रॉन दाता और इलेक्ट्रॉन स्वीकारक नहीं हो सकते।
a. निर्धारित करें कि अभिक्रिया रेडॉक्स है या नहीं।
b. उपयुक्त ऑक्सीकरण और अपचयन अर्ध-समीकरण लिखें।
c. ऑक्सीकारक और अपचायक स्पीशीज़ की पहचान करें।
d. समझाएँ कि क्या एक ही \(\mathrm{Cu}^{+}\) आयन को इलेक्ट्रॉन खोना और प्राप्त करना, दोनों आवश्यक हैं।
e. यदि पूरी अभिक्रिया को उलट दिया जाए, तो उलटी अभिक्रिया में ऑक्सीकारक और अपचायक की पहचान करें।
समाधान 5
यह एक रेडॉक्स अभिक्रिया है, और \(\mathrm{Cu}^{+}\) ऑक्सीकारक स्पीशीज़ तथा अपचायक स्पीशीज़ दोनों के रूप में कार्य करता है, क्योंकि अलग-अलग \(\mathrm{Cu}^{+}\) आयन विपरीत इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण परिवर्तनों से गुजरते हैं।
एक \(\mathrm{Cu}^{+}\) आयन ऑक्सीकृत हो सकता है:
\[ \ce{Cu+ -> Cu^2+ + e^-} \]
वह एक इलेक्ट्रॉन खोता है, इसलिए यह \(\mathrm{Cu}^{+}\) अपचायक के रूप में कार्य करता है।
एक अलग \(\mathrm{Cu}^{+}\) आयन अपचयित हो सकता है:
\[ \ce{Cu+ + e^- -> Cu} \]
वह एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है, इसलिए यह \(\mathrm{Cu}^{+}\) ऑक्सीकारक के रूप में कार्य करता है।
दोनों अर्ध-समीकरणों को जोड़ने पर मिलता है
\[ \ce{2Cu+ -> Cu^2+ + Cu} \]
एक कॉपर(I) आयन द्वारा खोया गया इलेक्ट्रॉन दूसरे द्वारा प्राप्त किए गए इलेक्ट्रॉन के बिल्कुल बराबर है।
एक ही \(\mathrm{Cu}^{+}\) आयन को वही इलेक्ट्रॉन खोना और प्राप्त करना आवश्यक नहीं है। समीकरण आयनों की एक पूरी आबादी का वर्णन करता है। एक कॉपर(I) आयन ऑक्सीकरण वाले मार्ग से गुजरता है, जबकि दूसरा अपचयन वाले मार्ग से।
यही वह बात है जो विद्यार्थी के तर्क को गलत सिद्ध करती है। एक रेडॉक्स अभिक्रिया में इलेक्ट्रॉन की हानि और प्राप्ति का युग्म होना आवश्यक है, लेकिन इलेक्ट्रॉन दाता और इलेक्ट्रॉन स्वीकारक का शुरुआत में रासायनिक रूप से अलग स्पीशीज़ होना आवश्यक नहीं है।
अब अभिक्रिया को उलटें:
\[ \ce{Cu^2+ + Cu -> 2Cu+} \]
अर्ध-समीकरण भी उलट जाते हैं।
कॉपर धातु ऑक्सीकृत होती है:
\[ \ce{Cu -> Cu+ + e^-} \]
इसलिए \(\ce{Cu}\) अपचायक है।
कॉपर(II) आयन अपचयित होते हैं:
\[ \ce{Cu^2+ + e^- -> Cu+} \]
इसलिए \(\mathrm{Cu}^{2+}\) ऑक्सीकारक है।
अधिक गहरी बात यह है कि “ऑक्सीकारक” और “अपचायक” स्थायी नाम नहीं हैं। वे यह बताते हैं कि विचाराधीन अभिक्रिया में इलेक्ट्रॉन किस दिशा में स्थानांतरित होते हैं।
इलेक्ट्रॉनों का यही लेखा-जोखा रेडॉक्स रसायन के अगले उपयोगी चरण की नींव है: यह अनुमान लगाना कि कौन-सी स्पीशीज़ सबसे पहले इलेक्ट्रॉन छोड़ने की संभावना रखती है। धातुओं के लिए, यही बात सीधे सापेक्ष अभिक्रियाशीलता और सक्रियता श्रेणी तक ले जाती है।