विद्यालय रसायन विज्ञान — कक्षा 1 से 12 · Grades 1–12

13द्रव्यमान संरक्षण और संतुलित समीकरण

दो किलोग्राम का एक लट्ठा अँगीठी में जलता है। सुबह कुछ दसियों ग्राम धूसर राख बचती है। क्या रात में लगभग दो किलोग्राम द्रव्य ग़ायब हो गया? सदियों तक कोई नहीं बता सका। उत्तर एक ऐसे रसायनज्ञ से आया जिसने हर चीज़ तौलने का फ़ैसला किया — उन गैसों को भी, जिन्हें तौलने के बारे में किसी ने सोचा तक नहीं था।

पहले से ज्ञात

रासायनिक अभिक्रिया में अभिकारकों की खपत होती है और उत्पाद बनते हैं; अभिकारकों के परमाणु नए ढंग से व्यवस्थित होकर उत्पाद बनाते हैं, न बनते हैं न नष्ट होते हैं (अध्याय 12)। $\ce{H2O}$ जैसा रासायनिक सूत्र किसी अणु के परमाणुओं की सूची देता है; $\ce{3H2O}$ की तरह आगे लिखी संख्या अणुओं को गिनती है (अध्याय 11)।

अगली सुबह की अँगीठी: लट्ठों में से बस थोड़ी-सी राख बची है।

13.1 द्रव्यमान संरक्षित रहता है

प्रयोगशाला में — बंद फ़्लास्क में अभिक्रिया को तौलना

शिक्षक एक फ़्लास्क में थोड़ा सिरका डालते हैं, उसकी गर्दन पर चढ़ाए गए गुब्बारे में खाने का सोडा रखते हैं, फिर पूरे को एक तुला पर रखते हैं: $212.4\,\mathrm{g}$ । गुब्बारे को उठाया जाता है ताकि सोडा सिरके में गिर जाए: मिश्रण में सनसनाहट होती है और बनी हुई गैस से गुब्बारा फूल जाता है। तुला अब भी $212.4\,\mathrm{g}$ दिखाती है। यही अभिक्रिया खुले फ़्लास्क में, बिना गुब्बारे के, द्रव्यमान “खो” देती है: गैस कमरे में निकल जाती है।

वही अभिक्रिया, तौली गई। बंद फ़्लास्क में द्रव्यमान नहीं बदलता; खुले फ़्लास्क में गैस निकल जाती है और तुला कम दिखाती है।

परिभाषा 13.1 (द्रव्यमान संरक्षण)

द्रव्यमान संरक्षण वह नियम है कि रासायनिक अभिक्रिया में बने उत्पादों का कुल द्रव्यमान खपत हुए अभिकारकों के कुल द्रव्यमान के बराबर होता है। न कुछ खोता है, न कुछ बनता है; द्रव्य केवल रूप बदलता है।

उदाहरण 13.2 (लट्ठा, ठीक से तौला गया)

अगर जलते लट्ठे को और उसके द्वारा वायु से ली गई ऑक्सीजन को पहले तौला जा सकता, और राख, कार्बन डाइऑक्साइड और जलवाष्प को बाद में, तो दोनों योग बराबर होते। राख हल्की है क्योंकि ज़्यादातर उत्पाद गैसें हैं जो चिमनी से ऊपर चली जाती हैं।

इतिहास — लावोज़िए सब कुछ तौलते हैं, 1770 का दशक–1789

आंत्वान-लोरां लावोज़िए ने हर अभिक्रिया से पहले और बाद में हर पदार्थ को तौलने का नियम बना लिया, और वह भी बंद पात्रों में, ताकि कोई गैस न निकल सके न अंदर आ सके। उन्होंने दिखाया कि धातुएँ जंग लगने या जलने पर वायु से कुछ लेकर भारी हो जाती हैं — वह ऑक्सीजन थी, जिसका नाम उन्होंने ही रखा — और 1789 में कहा कि किसी अभिक्रिया में न कुछ बनता है, न कुछ खोता है। उनकी पत्नी, मारी-आन पोल्ज़ लावोज़िए, उनके साथ काम करती थीं, प्रयोगों को दर्ज करती थीं और उनकी पुस्तक के लिए उपकरणों के चित्र बनाती थीं।

आंत्वान-लोरां लावोज़िए और मारी-आन पोल्ज़ लावोज़िए, चित्रकार ज़ाक-लुई दाविद, 1788।

13.2 द्रव्यमान संरक्षित क्यों रहता है

प्रतिज्ञप्ति 13.3 (परमाणु संरक्षित रहते हैं, इसलिए द्रव्यमान संरक्षित रहता है)

अभिक्रिया में परमाणु केवल नए ढंग से व्यवस्थित होते हैं: अभिकारकों का हर परमाणु उत्पादों में फिर मिलता है। हर परमाणु अपना द्रव्यमान बनाए रखता है। इसलिए कुल द्रव्यमान बदल नहीं सकता।

उदाहरण 13.4 (लोहा जिसका द्रव्यमान बढ़ता है)

तुला पर रखी खुली तश्तरी में जलाई गई स्टील ऊन भारी हो जाती है: लोहे के परमाणु वायु से ली गई ऑक्सीजन के परमाणुओं से जुड़ गए हैं, और बने हुए आयरन ऑक्साइड का भार लोहे और उस ऑक्सीजन के बराबर है। तुला पर वायु से भरे बंद जार में जलाने पर पूरे का द्रव्यमान नहीं बदलता: ऑक्सीजन पहले से जार के भीतर थी।

13.3 रासायनिक समीकरण

परिभाषा 13.5 (रासायनिक समीकरण)

रासायनिक समीकरण किसी अभिक्रिया को सूत्रों से लिखता है: बाईं ओर अभिकारकों के सूत्र, $+$ से जुड़े हुए, फिर एक तीर, और दाईं ओर उत्पादों के सूत्र। हर सूत्र के आगे एक संख्या हो सकती है। समीकरण संतुलित समीकरण होता है जब हर प्रकार का परमाणु दोनों ओर उतनी ही बार आए।

परिभाषा 13.6 (रससमीकरणमितीय गुणांक)

समीकरण में किसी सूत्र के आगे लिखी संख्या उसका रससमीकरणमितीय गुणांक है: यह अभिक्रिया में भाग लेने वाले उस स्पीशीज़ के अणुओं (या दूसरे कणों) को गिनता है। गुणांक 1 लिखा नहीं जाता।

संकेतन 13.7 (अवस्था-संकेत)

सूत्र के बाद कोष्ठक में लिखा अक्षर उसकी भौतिक अवस्था बता सकता है: (s) ठोस, (l) द्रव, (g) गैस। इस तरह $\ce{H2O(l)}$ द्रव पानी है और $\ce{H2O(g)}$ जलवाष्प।

उदाहरण 13.8 (समीकरण पढ़ना)

\ce{CH4(g) + 2O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(l)}

इस तरह पढ़ा जाता है: मेथेन का एक अणु और ऑक्सीजन के दो अणु अभिक्रिया करके कार्बन डाइऑक्साइड का एक अणु और पानी के दो अणु देते हैं। बाईं ओर: 1 C, 4 H, 4 O। दाईं ओर: 1 C, 4 H, $2 + 2 = 4$ O। समीकरण संतुलित है।

13.4 समीकरण को संतुलित करना

विधि 13.9 (समीकरण को संतुलित करना)

अभिकारकों और उत्पादों के सही सूत्र लिखो। बाद में कभी कोई सूत्र मत बदलो: $\ce{H2O}$ को $\ce{H2O2}$ में बदलना किसी दूसरे पदार्थ का वर्णन होगा।
दोनों ओर हर प्रकार के परमाणु गिनो।
गुणांकों की मदद से एक बार में एक ही प्रकार के परमाणु को संतुलित करो, उन परमाणुओं से शुरू करके जो हर ओर केवल एक ही सूत्र में आते हैं; हाइड्रोजन और ऑक्सीजन को आख़िर के लिए छोड़ दो।
फिर से गिनो; तब तक दोहराओ जब तक हर प्रकार का परमाणु संतुलित न हो जाए।
सबसे छोटी पूर्ण संख्याएँ लो।

उदाहरण 13.10 (हाइड्रोजन और ऑक्सीजन)

असंतुलित: $\ce{H2 + O2 -> H2O}$ में बाईं ओर 2 O हैं, दाईं ओर 1। $\ce{H2O}$ के आगे 2 लगाओ: अब दाईं ओर 4 H हैं, इसलिए $\ce{H2}$ के आगे 2:

\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}.

जाँच: हर ओर 4 H और 2 O।

उदाहरण 13.11 (ऑक्सीजन में लोहे का जलना)

लोहा और ऑक्सीजन आयरन ऑक्साइड $\ce{Fe2O3}$ देते हैं। ऑक्सीजन: बाईं ओर 2, दाईं ओर 3; सबसे छोटी उभयनिष्ठ संख्या 6 है, इसलिए 3 $\ce{O2}$ और 2 $\ce{Fe2O3}$ । तब दाईं ओर 4 Fe हैं, इसलिए बाईं ओर 4 Fe:

\ce{4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3}.

हाइड्रोजन के जलने का संतुलित समीकरण, मॉडलों से बनाया गया: हाइड्रोजन के दो अणु और ऑक्सीजन का एक अणु पानी के दो अणु देते हैं।

13.5 समीकरण को अणुओं में पढ़ना

प्रतिज्ञप्ति 13.12 (संतुलित समीकरण क्या कहता है)

संतुलित समीकरण के गुणांक बताते हैं कि कण किस अनुपात में अभिक्रिया करते हैं और बनते हैं। अगर समीकरण $\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$ है, तो हाइड्रोजन के 200 अणु ऑक्सीजन के 100 अणुओं के साथ अभिक्रिया करके पानी के 200 अणु देते हैं; ऑक्सीजन के दस लाख अणुओं को हाइड्रोजन के बीस लाख अणु चाहिए।

उदाहरण 13.13 (कैंपिंग स्टोव में प्रोपेन)

प्रोपेन, $\ce{C3H8}$ , ऑक्सीजन में जलकर कार्बन डाइऑक्साइड और पानी देती है। पहले कार्बन: 3 C, इसलिए 3 $\ce{CO2}$ । हाइड्रोजन: 8 H, इसलिए 4 $\ce{H2O}$ । दाईं ओर ऑक्सीजन: $3 \times 2 + 4 = 10$ O, इसलिए 5 $\ce{O2}$ :

\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}.

प्रोपेन के हर अणु को ऑक्सीजन के पाँच अणु चाहिए।

13.6 अभ्यास

अभ्यास 13.1 ★

द्रव्यमान संरक्षण का नियम बताओ।

हल

हल — अभ्यास 13.1.

रासायनिक अभिक्रिया में बने उत्पादों का कुल द्रव्यमान खपत हुए अभिकारकों के कुल द्रव्यमान के बराबर होता है।

अभ्यास 13.2 ★

$\ce{3CO2}$ में रससमीकरणमितीय गुणांक क्या है? यह कितने कार्बन परमाणुओं और कितने ऑक्सीजन परमाणुओं को दर्शाता है?

हल

हल — अभ्यास 13.2.

गुणांक 3 है। यह 3 कार्बन परमाणुओं और $3 \times 2 = 6$ ऑक्सीजन परमाणुओं को दर्शाता है।

अभ्यास 13.3 ★

क्या $\ce{C + O2 -> CO2}$ संतुलित है? परमाणु गिनकर जाँचो।

हल

हल — अभ्यास 13.3.

हाँ: हर ओर 1 C और 2 O।

अभ्यास 13.4 ★

$\ce{Mg + O2 -> MgO}$ को संतुलित करो।

हल

हल — अभ्यास 13.4.

$\ce{2Mg + O2 -> 2MgO}$ : हर ओर 2 Mg और 2 O।

अभ्यास 13.5 ★★

$\ce{N2 + H2 -> NH3}$ को संतुलित करो; यह अमोनिया बनाने वाली अभिक्रिया है।

हल

हल — अभ्यास 13.5.

नाइट्रोजन: बाईं ओर 2 N, इसलिए 2 $\ce{NH3}$ ; तब दाईं ओर 6 H, इसलिए 3 $\ce{H2}$ : $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$ ।

अभ्यास 13.6 ★★

$12\,\mathrm{g}$ कार्बन पूरी तरह जलकर $44\,\mathrm{g}$ कार्बन डाइऑक्साइड बनाता है। कितनी ऑक्सीजन की खपत हुई?

हल

हल — अभ्यास 13.6.

द्रव्यमान संरक्षण से: $44 - 12 = 32\,\mathrm{g}$ ऑक्सीजन।

अभ्यास 13.7 ★★

तुला पर रखे दो फ़्लास्कों वाला चित्र देखो। खुले फ़्लास्क का पाठ्यांक क्यों घटता है? क्या द्रव्यमान नष्ट हुआ है?

हल

हल — अभ्यास 13.7.

बनी हुई गैस कमरे में निकल जाती है, इसलिए तुला अब उसे नहीं तौलती। कोई द्रव्यमान नष्ट नहीं हुआ: कम हुआ द्रव्यमान कमरे की वायु में है।

अभ्यास 13.8 ★★

$\ce{CH4 + O2 -> CO2 + H2O}$ को चरण-दर-चरण संतुलित करो, और बताओ कि हर चरण में तुम किस परमाणु को संतुलित कर रहे हो।

हल

हल — अभ्यास 13.8.

कार्बन: हर ओर 1। हाइड्रोजन: बाईं ओर 4, इसलिए 2 $\ce{H2O}$ । ऑक्सीजन: दाईं ओर $2 + 2 = 4$ , इसलिए 2 $\ce{O2}$ : $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ ।

अभ्यास 13.9 ★★

एक छात्र $\ce{H2 + O2 -> H2O}$ को $\ce{H2 + O2 -> H2O2}$ लिखकर संतुलित करता है। यह ग़लत क्यों है?

हल

हल — अभ्यास 13.9.

$\ce{H2O}$ को $\ce{H2O2}$ में बदलने से पदार्थ बदल जाता है: $\ce{H2O2}$ हाइड्रोजन पेरॉक्साइड है, पानी नहीं। केवल गुणांक बदले जा सकते हैं: $\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$ ।

अभ्यास 13.10 ★★

$\ce{C3H8 + 5O2 -> 3CO2 + 4H2O}$ की मदद से बताओ कि प्रोपेन के 20 अणुओं को जलाने के लिए ऑक्सीजन के कितने अणु चाहिए। पानी के कितने अणु बनते हैं?

हल

हल — अभ्यास 13.10.

$20 \times 5 = 100$ ऑक्सीजन अणु; $20 \times 4 = 80$ पानी के अणु।

अभ्यास 13.11 ★★★

$\ce{C2H6 + O2 -> CO2 + H2O}$ , यानी एथेन के जलने को संतुलित करो। (संकेत: एथेन को दोगुना करके देखो।)

हल

हल — अभ्यास 13.11.

2 $\ce{C2H6}$ के साथ: 4 C, इसलिए 4 $\ce{CO2}$ ; 12 H, इसलिए 6 $\ce{H2O}$ ; दाईं ओर ऑक्सीजन $8 + 6 = 14$ , इसलिए 7 $\ce{O2}$ : $\ce{2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O}$ ।

अभ्यास 13.12 ★★★

$20.0\,\mathrm{g}$ की एक मोमबत्ती वायु से भरे काँच के एक बंद डिब्बे में जलती है, जो एक तुला पर रखा है और कुल $850.0\,\mathrm{g}$ दिखाता है। लौ बुझने पर मोमबत्ती का भार $19.6\,\mathrm{g}$ है। तुला क्या दिखाती है? समझाओ।

हल

हल — अभ्यास 13.12.

अब भी $850.0\,\mathrm{g}$ । डिब्बा बंद है: जला हुआ $0.4\,\mathrm{g}$ मोम कार्बन डाइऑक्साइड और जलवाष्प बन गया है, जो उस ऑक्सीजन के साथ, जिसे उन्होंने लिया, अब भी डिब्बे के भीतर हैं। न कुछ अंदर आया है, न बाहर गया है।

13.7 समस्या: बंद जार में स्टील ऊन

समस्या 13.1

सप्ताहांत समस्या — जलता हुआ लोहा, न हिलने वाली तुला, और वायु से ली गई ऑक्सीजन

एक प्रयोगशाला में शिक्षक स्टील ऊन को, जो लगभग शुद्ध लोहा है, दो तरह से जलाते हैं। पहले, एक गुच्छा तुला पर रखी खुली तश्तरी में जलाया जाता है: पाठ्यांक बढ़ जाता है। फिर $0.28\,\mathrm{g}$ का एक गुच्छा, बिजली की चिंगारी से सुलगाकर, तुला पर रखे वायु से भरे एक बंद जार के भीतर जलाया जाता है: पाठ्यांक नहीं बदलता। जार में लगभग $0.5\,\mathrm{g}$ ऑक्सीजन है। ऑक्सीजन में जलता लोहा आयरन ऑक्साइड $\ce{Fe2O3}$ बनाता है; कम ऑक्सीजन होने पर वह $\ce{Fe3O4}$ भी बना सकता है।

भाग I — दो तौल।

खुली तश्तरी में द्रव्यमान बढ़ता है। अतिरिक्त द्रव्यमान कहाँ से आता है?
बंद जार में द्रव्यमान नहीं बदलता। समझाओ।
इन दो तौलों से दिखने वाला नियम बताओ।

भाग II — दो समीकरण।

समीकरण $\ce{Fe + O2 -> Fe2O3}$ को संतुलित करो।
समीकरण $\ce{Fe + O2 -> Fe3O4}$ को संतुलित करो।
पहले समीकरण की जाँच दोनों ओर हर प्रकार के परमाणु गिनकर करो।
पहले समीकरण के अनुसार ऑक्सीजन के कितने अणु लोहे के 400 परमाणुओं के साथ अभिक्रिया करते हैं?

भाग III — द्रव्यमान। $\ce{Fe2O3}$ में हर $7\,\mathrm{g}$ लोहे के साथ $3\,\mathrm{g}$ ऑक्सीजन जुड़ी होती है। $0.28\,\mathrm{g}$ का गुच्छा पूरी तरह जलकर $\ce{Fe2O3}$ बनता है।

$0.28\,\mathrm{g}$ लोहे के साथ कितनी ऑक्सीजन जुड़ती है?
कितना आयरन ऑक्साइड बनता है?
क्या जार में पर्याप्त ऑक्सीजन थी? समझाओ।
ठंडा होने के बाद जार खोला जाता है, और वायु तेज़ी से अंदर आती है। समझाओ क्यों, और बताओ कि तब तुला का पाठ्यांक कैसे बदलता है।
जलती स्टील ऊन ने जार की वायु से कितनी ऑक्सीजन ली, उसका द्रव्यमान निकालो।

हल

हल — समस्या 13.1.

1. वायु की ऑक्सीजन से, जो लोहे के साथ जुड़ती है: आयरन ऑक्साइड का भार लोहे और उस ऑक्सीजन के बराबर है।

2. सब कुछ जार के भीतर रहता है: खपत हुई ऑक्सीजन पहले से जार में थी, और बना हुआ ऑक्साइड वहीं रहता है। कुल द्रव्यमान नहीं बदलता।

3. द्रव्यमान संरक्षण: किसी अभिक्रिया में उत्पादों का कुल द्रव्यमान अभिकारकों के कुल द्रव्यमान के बराबर होता है।

4. $\ce{4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3}$ ।

5. $\ce{3Fe + 2O2 -> Fe3O4}$ ।

6. बाईं ओर: 4 Fe, $3 \times 2 = 6$ O। दाईं ओर: $2 \times 2 = 4$ Fe, $2 \times 3 = 6$ O। संतुलित।

7. 3 ऑक्सीजन अणुओं पर 4 लोहे के परमाणु, इसलिए $400 \times \frac{3}{4} = 300$ ऑक्सीजन अणु।

8. $0.28 \times \frac{3}{7} = 0.12\,\mathrm{g}$ ऑक्सीजन।

9. $0.28 + 0.12 = 0.40\,\mathrm{g}$ आयरन ऑक्साइड।

10. हाँ: $0.12\,\mathrm{g}$ चाहिए और जार में लगभग $0.5\,\mathrm{g}$ थी।

11. खपत हुई ऑक्सीजन जार की वायु से निकल चुकी है (अब वह ठोस ऑक्साइड के भीतर है), इसलिए जार में पहले से कम गैस है और कमरे की वायु अंदर बहती है। तब तुला का पाठ्यांक अंदर आई वायु के द्रव्यमान जितना बढ़ जाता है।

12. जार की वायु से $0.12\,\mathrm{g}$ ऑक्सीजन ली गई।

इस अध्याय में परिभाषित शब्द

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