कक्षा 12 रसायन विज्ञान अध्याय 3: वैधुत रसायन NCERT समाधान

Mg²⁺/Mg इलेक्ट्रोड के मानक इलेक्ट्रोड विभव (E°) का मान ज्ञात करने के लिए, हम एक वैद्युत रासायनिक सेल का निर्माण करते हैं। इस सेल में, एक मैग्नीशियम (Mg) इलेक्ट्रोड को 1 M मैग्नीशियम सल्फेट (MgSO₄) विलयन में डुबोया जाता है, जो एक अर्द्धसेल (ऑक्सीकरण अर्द्धसेल) के रूप में कार्य करता है।

दूसरे अर्द्धसेल के रूप में मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (SHE) का उपयोग किया जाता है (अपचयन अर्द्धसेल)। सेल को निम्न प्रकार से प्रदर्शित किया जा सकता है:

$$Mg\; |\; Mg^\{2+\}(1\; M)\; ||\; H^\{+\}(1\; M)\; |\; \backslash frac\{1\}\{2\}H\_\{2\}(1\; atm),\; Pt$$

सेल परिपथ में जुड़े वोल्टमीटर द्वारा सेल का विभव मापा जाता है। सेल के विभव (E_cell) और मानक इलेक्ट्रोड विभव (E°) के बीच संबंध नेर्न्स्ट समीकरण या सेल विभव के सूत्र से प्राप्त होता है:

$$E\_\{\backslash text\{cell\}\}^\{\backslash circ\}\; =\; E\_\{(\backslash text\{H\}^\{+\}/\backslash frac\{1\}\{2\}\backslash text\{H\}\_\{2\})\}^\{\backslash circ\}\; -\; E\_\{(\backslash text\{Mg\}^\{2+\}/\backslash text\{Mg\})\}^\{\backslash circ\}$$

चूंकि मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड का विभव शून्य (E°_H⁺/½H₂ = 0) होता है, इसलिए:

$$E\_\{\backslash text\{cell\}\}^\{\backslash circ\}\; =\; 0\; -\; E\_\{(\backslash text\{Mg\}^\{2+\}/\backslash text\{Mg\})\}^\{\backslash circ\}$$

अतः, वोल्टमीटर द्वारा मापा गया सेल का मानक विभव (E°_cell) ही Mg²⁺/Mg का मानक इलेक्ट्रोड विभव (E°_Mg²⁺/Mg) होगा, लेकिन ऋणात्मक चिह्न के साथ।

अंतिम उत्तर: Mg²⁺/Mg का मानक इलेक्ट्रोड विभव एक गैल्वेनिक सेल का निर्माण करके ज्ञात किया जाता है जिसमें Mg अर्द्धसेल और मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड शामिल होते हैं, और वोल्टमीटर द्वारा मापा गया सेल विभव (ऋणात्मक चिह्न के साथ) ही इसका मान होता है।

नहीं, आप जिंक के पात्र में कॉपर सल्फेट का विलयन नहीं रख सकते हैं। इसका कारण दोनों धातुओं की अभिक्रियाशीलता में अंतर है, जिसे उनके मानक इलेक्ट्रोड विभव (E°) से समझा जा सकता है।

मानक इलेक्ट्रोड विभव के मान इस प्रकार हैं:

$$Zn^\{2+\}(aq)\; +\; 2e^\{-\}\; \backslash longrightarrow\; Zn(s);\; E^\{\backslash circ\}\; =\; -0.76V$$

$$Cu^\{2+\}(aq)\; +\; 2e^\{-\}\; \backslash longrightarrow\; Cu(s);\; E^\{\backslash circ\}\; =\; +0.34V$$

चूंकि जिंक का मानक इलेक्ट्रोड विभव कॉपर से अधिक ऋणात्मक है, जिंक कॉपर की तुलना में एक प्रबल अपचायक है। इसका अर्थ है कि जिंक आसानी से इलेक्ट्रॉन त्यागकर Zn²⁺ आयन में ऑक्सीकृत हो सकता है, और कॉपर आयनों (Cu²⁺) को अपचयित कर सकता है।

यदि कॉपर सल्फेट के विलयन को जिंक के पात्र में रखा जाता है, तो निम्नलिखित रेडॉक्स अभिक्रिया होगी:

$$Zn(s)\; +\; Cu^\{2+\}(aq)\; \backslash longrightarrow\; Zn^\{2+\}(aq)\; +\; Cu(s)$$

इस अभिक्रिया में, जिंक धातु (Zn) ठोस अवस्था से जिंक आयनों (Zn²⁺) में ऑक्सीकृत हो जाती है, और कॉपर आयन (Cu²⁺) विलयन से कॉपर धातु (Cu) में अपचयित हो जाते हैं। यह अभिक्रिया पात्र के जिंक को धीरे-धीरे घोल देगी और कॉपर धातु का निक्षेपण होगा। इसलिए, यह भंडारण के लिए उपयुक्त नहीं है।

अंतिम उत्तर: जिंक के पात्र में कॉपर सल्फेट का विलयन नहीं रखा जा सकता क्योंकि जिंक कॉपर से अधिक अभिक्रियाशील है और कॉपर आयनों को विस्थापित कर देगा।

फेरस आयनों (Fe²⁺) का फेरिक आयनों (Fe³⁺) में ऑक्सीकरण इस प्रकार होता है:

$$Fe^\{2+\}\; \backslash longrightarrow\; Fe^\{3+\}\; +\; e^\{-\}\; \backslash quad\; E^\{\backslash circ\}\_\{ox\}\; =\; -0.77V$$

किसी पदार्थ द्वारा Fe²⁺ आयनों को Fe³⁺ आयनों में ऑक्सीकृत करने के लिए, उस पदार्थ का अपचयन विभव (E°_red) Fe²⁺/Fe³⁺ युग्म के अपचयन विभव से अधिक होना चाहिए। दूसरे शब्दों में, वह पदार्थ इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करने में सक्षम होना चाहिए जो Fe²⁺ द्वारा त्यागे जाते हैं। वैद्युत रासायनिक श्रेणी में, जो पदार्थ हाइड्रोजन से ऊपर होते हैं और जिनका मानक अपचयन विभव अधिक धनात्मक होता है, वे प्रबल ऑक्सीकारक होते हैं।

मानक इलेक्ट्रोड विभव की तालिकाओं के अनुसार, निम्नलिखित तीन पदार्थ Fe²⁺ आयनों को Fe³⁺ आयनों में ऑक्सीकृत कर सकते हैं:

1. फ्लोरीन (F₂): इसका मानक अपचयन विभव बहुत अधिक धनात्मक होता है। $$F\_\{2\}(g)\; +\; 2e^\{-\}\; \backslash longrightarrow\; 2F^\{-\}(aq);\; E^\{\backslash circ\}\; =\; +2.87V$$
2. क्लोरीन (Cl₂): इसका मानक अपचयन विभव भी Fe²⁺/Fe³⁺ से अधिक होता है। $$Cl\_\{2\}(g)\; +\; 2e^\{-\}\; \backslash longrightarrow\; 2Cl^\{-\}(aq);\; E^\{\backslash circ\}\; =\; +1.36V$$
3. ब्रोमीन (Br₂): इसका मानक अपचयन विभव भी Fe²⁺/Fe³⁺ से अधिक होता है। $$Br\_\{2\}(l)\; +\; 2e^\{-\}\; \backslash longrightarrow\; 2Br^\{-\}(aq);\; E^\{\backslash circ\}\; =\; +1.09V$$

ये सभी पदार्थ Fe²⁺ आयनों द्वारा त्यागे गए इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करके उन्हें Fe³⁺ में ऑक्सीकृत कर सकते हैं।

अंतिम उत्तर: तीन पदार्थ जो फेरस आयनों को ऑक्सीकृत कर सकते हैं, वे हैं फ्लोरीन (F₂), क्लोरीन (Cl₂), और ब्रोमीन (Br₂)।

हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड पर होने वाली अर्ध-अभिक्रिया है:

$$H^\{+\}(aq)\; +\; e^\{-\}\; \backslash longrightarrow\; \backslash frac\{1\}\{2\}H\_\{2\}(g)$$

इस अर्ध-अभिक्रिया के लिए मानक इलेक्ट्रोड विभव (E°) शून्य होता है, अर्थात $E^\{\backslash circ\}\_\{H^\{+\}/\backslash frac\{1\}\{2\}H\_\{2\}\}\; =\; 0V$।

किसी दिए गए pH पर हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड विभव की गणना के लिए हम नेर्न्स्ट समीकरण का उपयोग करते हैं:

$$E\_\{(H^\{+\}/\backslash frac\{1\}\{2\}H\_\{2\})\}\; =\; E\_\{(H^\{+\}/\backslash frac\{1\}\{2\}H\_\{2\})\}^\{\backslash circ\}\; -\; \backslash frac\{0.0591\}\{n\}\; \backslash log\; \backslash frac\{1\}\{[H^\{+\}]\}$$

यहाँ,

• $E^\{\backslash circ\}\_\{H^\{+\}/\backslash frac\{1\}\{2\}H\_\{2\}\}\; =\; 0V$ (मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड विभव)
• $n\; =\; 1$ (इलेक्ट्रॉनों की संख्या जो अभिक्रिया में स्थानांतरित होती है)
• $[H^\{+\}]$ हाइड्रोजन आयन सांद्रता है।

हमें दिया गया है कि विलयन का pH = 10 है। हम जानते हैं कि $pH\; =\; -\backslash log[H^\{+\}]$। इसलिए, हाइड्रोजन आयन सांद्रता होगी:

$$[H^\{+\}]\; =\; 10^\{-pH\}\; =\; 10^\{-10\}\; M$$

अब, इन मानों को नेर्न्स्ट समीकरण में रखने पर:

$$E\_\{(H^\{+\}/\backslash frac\{1\}\{2\}H\_\{2\})\}\; =\; 0\; -\; \backslash frac\{0.0591\}\{1\}\; \backslash log\; \backslash frac\{1\}\{10^\{-10\}\}$$

$$E\_\{(H^\{+\}/\backslash frac\{1\}\{2\}H\_\{2\})\}\; =\; -0.0591\; \backslash log\; (10^\{10\})$$

चूंकि $\backslash log\; (10^\{10\})\; =\; 10$, हम प्राप्त करते हैं:

$$E\_\{(H^\{+\}/\backslash frac\{1\}\{2\}H\_\{2\})\}\; =\; -0.0591\; \backslash times\; 10$$

$$E\_\{(H^\{+\}/\backslash frac\{1\}\{2\}H\_\{2\})\}\; =\; -0.591\; V$$

अंतिम उत्तर: pH = 10 के विलयन के संपर्क वाले हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड का विभव -0.591 V होगा।