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

17आयन और आयनिक विलयन

व्यायामशाला की एक बेंच पर दो स्वच्छ पेय रखे हैं: एक स्पोर्ट्स ड्रिंक की बोतल, जो अपने “इलेक्ट्रोलाइटों” के लिए बिकती है, और चीनी वाले पानी का एक गिलास। प्रयोगशाला में एक बैटरी और एक छोटे बल्ब से जुड़ी धातु की दो प्लेटें बारी-बारी से दोनों में डुबोई जाती हैं। स्पोर्ट्स ड्रिंक में बल्ब जल उठता है; चीनी वाले पानी में वह बुझा रहता है। पहले द्रव में कुछ ऐसा है जो विद्युत आवेश ढोता है, और चीनी ऐसा नहीं करती। वह कुछ है — आयन।

पहले से ज्ञात

परमाणु के नाभिक में $Z$ प्रोटॉन होते हैं, हर एक पर आवेश $+e$ , और उसके चारों ओर $Z$ इलेक्ट्रॉन, हर एक पर आवेश $-e$ : परमाणु उदासीन होता है (अध्याय 16)। पानी में घुला विलेय एक जलीय विलयन देता है (अध्याय 9)। अभिलाक्षणिक परीक्षण किसी स्पीशीज़ को एक दिखाई देने वाले परिणाम से पहचानता है (अध्याय 10)।

एक स्पोर्ट्स ड्रिंक और पानी का एक गिलास: पेय में घुले हुए आयन हैं।

17.1 इलेक्ट्रॉन लेने या खोने वाले परमाणु

परिभाषा 17.1 (आयन, धनायन, ऋणायन)

आयन ऐसा परमाणु, या परमाणुओं का ऐसा समूह, है जिसने एक या अधिक इलेक्ट्रॉन खोए या लिए हैं, और इसलिए जिस पर विद्युत आवेश है। इलेक्ट्रॉन खोकर धनात्मक आवेश वाला आयन धनायन है; इलेक्ट्रॉन लेकर ऋणात्मक आवेश वाला आयन ऋणायन है। आवेश सूत्र के दाईं ओर ऊपर लिखा जाता है: $\ce{Na+}$ , $\ce{Cu^{2+}}$ , $\ce{Cl-}$ ।

उदाहरण 17.2 (सोडियम और क्लोरीन)

सोडियम परमाणु, 11 प्रोटॉन और 11 इलेक्ट्रॉन, एक इलेक्ट्रॉन खोता है: वह सोडियम आयन $\ce{Na+}$ बन जाता है, 11 प्रोटॉन और 10 इलेक्ट्रॉन, आवेश $+1$ :

\ce{Na -> Na+ + e-}.

क्लोरीन परमाणु, 17 प्रोटॉन और 17 इलेक्ट्रॉन, एक इलेक्ट्रॉन लेता है: वह क्लोराइड आयन $\ce{Cl-}$ बन जाता है, 17 प्रोटॉन और 18 इलेक्ट्रॉन:

\ce{Cl + e- -> Cl-}.

सोडियम परमाणु एक इलेक्ट्रॉन खोकर सोडियम आयन बनता है; क्लोरीन परमाणु एक इलेक्ट्रॉन लेकर क्लोराइड आयन बनता है। प्रोटॉन नहीं बदलते।

प्रतिज्ञप्ति 17.3 (कुछ आम आयन)

एकपरमाणुक आयन एक परमाणु से बनते हैं; बहुपरमाणुक आयन परमाणुओं के ऐसे समूह से जो साथ बना रहता है:

धनायन		ऋणायन
सोडियम	$\ce{Na+}$	क्लोराइड	$\ce{Cl-}$
पोटैशियम	$\ce{K+}$	हाइड्रॉक्साइड	$\ce{OH-}$
कैल्सियम	$\ce{Ca^{2+}}$	नाइट्रेट	$\ce{NO3-}$
मैग्नीशियम	$\ce{Mg^{2+}}$	कार्बोनेट	$\ce{CO3^{2-}}$
कॉपर(II)	$\ce{Cu^{2+}}$	सल्फ़ेट	$\ce{SO4^{2-}}$
आयरन(II), आयरन(III)	$\ce{Fe^{2+}}$ , $\ce{Fe^{3+}}$
ज़िंक	$\ce{Zn^{2+}}$
ऐलुमिनियम	$\ce{Al^{3+}}$
अमोनियम	$\ce{NH4+}$

17.2 आयनिक यौगिक और उनके सूत्र

परिभाषा 17.4 (आयनिक यौगिक)

आयनिक यौगिक धनायनों और ऋणायनों से ऐसी संख्याओं में बना होता है कि पूरे पर कोई आवेश न हो। उसका सूत्र आयनों का अनुपात बताता है, उनके आवेशों के बिना: सोडियम क्लोराइड के लिए $\ce{NaCl}$ , एक $\ce{Na+}$ पर एक $\ce{Cl-}$ ; कैल्सियम क्लोराइड के लिए $\ce{CaCl2}$ , दो $\ce{Cl-}$ पर एक $\ce{Ca^{2+}}$ ।

विधि 17.5 (आयनिक यौगिक का सूत्र लिखना)

दोनों आयनों को उनके आवेशों के साथ लिखो, पहले धनायन।
हर एक की वे सबसे छोटी संख्याएँ खोजो जिनसे कुल आवेश शून्य हो जाए।
इन संख्याओं को पादांकों के रूप में लिखो; जिस बहुपरमाणुक आयन को पादांक चाहिए, वह कोष्ठक में जाता है।

ऐलुमिनियम ऑक्साइड: $\ce{Al^{3+}}$ और $\ce{O^{2-}}$ ; $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ , इसलिए $\ce{Al2O3}$ । आयरन(III) हाइड्रॉक्साइड: $\ce{Fe^{3+}}$ और तीन $\ce{OH-}$ : $\ce{Fe(OH)3}$ ।

प्रतिज्ञप्ति 17.6 (आयनिक ठोस आयनों का ढेर है)

नमक के क्रिस्टल में सोडियम आयन और क्लोराइड आयन एक नियमित त्रिविमीय ढेर में बारी-बारी से आते हैं, और हर आयन विपरीत आवेश वाले आयनों से घिरा होता है, जो उसे अपनी जगह थामे रखते हैं। खाने के नमक के एक दाने में अरबों-खरबों आयन होते हैं; उसकी घनाकार आकृति घनाकार ढेर को दर्शाती है।

नमक के क्रिस्टल की एक परत: सोडियम आयन (बैंगनी, छोटे) और क्लोराइड आयन (हरे) बारी-बारी से आते हैं।

17.3 आयनिक विलयन विद्युत का चालन करते हैं

संकेतन 17.7 (अवस्था-संकेत (aq))

पानी में घुले आयन या अणु पर (aq) लगाया जाता है, यानी जलीय: $\ce{Na+(aq)}$ , $\ce{Cl-(aq)}$ ।

प्रतिज्ञप्ति 17.8 (आयनिक विलयन विद्युत का चालन करते हैं)

जब कोई आयनिक यौगिक पानी में घुलता है, तो उसके आयन अलग हो जाते हैं और विलयन में स्वतंत्र रूप से घूमते हैं: नमकीन पानी में $\ce{Na+(aq)}$ और $\ce{Cl-(aq)}$ होते हैं। गतिशील आयन विद्युत आवेश ढोते हैं, इसलिए आयनिक विलयन विद्युत का चालन करता है। चीनी का विलयन, जिसके अणुओं पर कोई आवेश नहीं होता, चालन नहीं करता; बहुत शुद्ध पानी भी नहीं।

प्रयोगशाला में — कौन-से द्रव चालन करते हैं?

शिक्षक धातु की दो प्लेटों, कम वोल्टता की एक बैटरी और एक छोटे बल्ब को एक परिपथ में जोड़ते हैं; प्लेटें बारी-बारी से आसुत जल, चीनी के पानी, नमकीन पानी और कॉपर सल्फ़ेट के विलयन में डुबोई जाती हैं, और हर बार के बीच धोई जाती हैं। बल्ब केवल दोनों आयनिक विलयनों के साथ जलता है।

चालकता परीक्षण: नमकीन पानी के साथ आयन धारा ढोते हैं और बल्ब जलता है; चीनी के पानी में कोई आयन नहीं होते और बल्ब बुझा रहता है।

17.4 आयनों के लिए अवक्षेपण परीक्षण

परिभाषा 17.9 (अवक्षेप)

जब दो विलयन मिलाए जाते हैं, तो एक का धनायन और दूसरे का ऋणायन ऐसा आयनिक यौगिक बना सकते हैं जो घुलता नहीं। वह एक बारीक ठोस के रूप में प्रकट होता है जो द्रव को धुँधला कर देता है और नीचे बैठ जाता है: यह अवक्षेप है। यह अभिक्रिया अवक्षेपण कहलाती है।

प्रतिज्ञप्ति 17.10 (आम आयनों के परीक्षण)

किसी अभिकर्मक विलयन की कुछ बूँदें किसी आयन को उससे बनने वाले अवक्षेप के रंग से पहचान लेती हैं:

खोजा जाने वाला आयन	अभिकर्मक	अवक्षेप	रंग
कॉपर(II) $\ce{Cu^{2+}}$	सोडियम हाइड्रॉक्साइड	$\ce{Cu(OH)2}$	नीला
आयरन(II) $\ce{Fe^{2+}}$	सोडियम हाइड्रॉक्साइड	$\ce{Fe(OH)2}$	हरा
आयरन(III) $\ce{Fe^{3+}}$	सोडियम हाइड्रॉक्साइड	$\ce{Fe(OH)3}$	नारंगी-भूरा
ज़िंक $\ce{Zn^{2+}}$	सोडियम हाइड्रॉक्साइड	$\ce{Zn(OH)2}$	सफ़ेद
ऐलुमिनियम $\ce{Al^{3+}}$	सोडियम हाइड्रॉक्साइड	$\ce{Al(OH)3}$	सफ़ेद
क्लोराइड $\ce{Cl-}$	सिल्वर नाइट्रेट	$\ce{AgCl}$	सफ़ेद, प्रकाश में काला पड़ता है

उदाहरण 17.11 (अवक्षेपण लिखना)

केवल वे आयन लिखे जाते हैं जो ठोस बनाते हैं; बाकी घुले रहते हैं और भाग नहीं लेते:

\ce{Cu^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Cu(OH)2(s)}, \qquad \ce{Ag+(aq) + Cl-(aq) -> AgCl(s)}.

सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ बने अवक्षेप (पहली पाँच नलियाँ) और सिल्वर नाइट्रेट के साथ (आख़िरी नली)।

सुरक्षा

सोडियम हाइड्रॉक्साइड: त्वचा को गंभीर रूप से जलाता है और आँखों को हानि पहुँचाता है, और धातुओं के लिए संक्षारक हो सकता है (GHS05); तनु रूप में त्वचा और आँखों में जलन करता है (GHS07)। सिल्वर नाइट्रेट, क्लोराइड का अभिकर्मक, एक ऑक्सीकारक है, संक्षारक है और जलीय जीवों के लिए अत्यंत विषैला है। चश्मा, दस्ताने; अभिकर्मक शिक्षक बूँद-बूँद करके देते हैं।

विधि 17.12 (किसी आयन का परीक्षण)

परखे जाने वाले विलयन की थोड़ी मात्रा एक परखनली में डालो।
अभिकर्मक बूँद-बूँद करके मिलाओ।
बने हुए किसी भी अवक्षेप का रंग नोट करो और सारणी से तुलना करो।
निष्कर्ष निकालो, और याद रखो कि परीक्षण किसी आयन को पहचानता है, यौगिक को नहीं: आयरन(III) क्लोराइड का विलयन $\ce{Fe^{3+}}$ परीक्षण और $\ce{Cl-}$ परीक्षण दोनों देता है।

17.5 अभ्यास

अभ्यास 17.1 ★

आयन क्या है? धनायन और ऋणायन में क्या अंतर है?

हल

हल — अभ्यास 17.1.

ऐसा परमाणु या परमाणुओं का समूह जिसने इलेक्ट्रॉन खोए या लिए हैं और जिस पर आवेश है। धनायन धनात्मक होता है (इलेक्ट्रॉन खोए), ऋणायन ऋणात्मक (इलेक्ट्रॉन लिए)।

अभ्यास 17.2 ★

एक मैग्नीशियम परमाणु (12 प्रोटॉन) दो इलेक्ट्रॉन खोता है। बने हुए आयन का सूत्र लिखो, और उसके प्रोटॉनों और इलेक्ट्रॉनों की संख्या बताओ।

हल

हल — अभ्यास 17.2.

$\ce{Mg^{2+}}$ : 12 प्रोटॉन, 10 इलेक्ट्रॉन।

अभ्यास 17.3 ★

पोटैशियम क्लोराइड, मैग्नीशियम क्लोराइड और कैल्सियम ऑक्साइड के सूत्र लिखो (ऑक्साइड आयन: $\ce{O^{2-}}$ )।

हल

हल — अभ्यास 17.3.

$\ce{KCl}$ , $\ce{MgCl2}$ , $\ce{CaO}$ ।

अभ्यास 17.4 ★

नमकीन पानी विद्युत का चालन क्यों करता है, जबकि चीनी का पानी नहीं?

हल

हल — अभ्यास 17.4.

नमकीन पानी में आयन, $\ce{Na+(aq)}$ और $\ce{Cl-(aq)}$ , होते हैं, जो घूमते हैं और आवेश ढोते हैं। चीनी के अणुओं पर कोई आवेश नहीं होता।

अभ्यास 17.5 ★★

कॉपर(II) सल्फ़ेट, ऐलुमिनियम क्लोराइड और सोडियम कार्बोनेट के सूत्र लिखो।

हल

हल — अभ्यास 17.5.

$\ce{CuSO4}$ , $\ce{AlCl3}$ , $\ce{Na2CO3}$ ।

अभ्यास 17.6 ★★

किसी विलयन में सोडियम हाइड्रॉक्साइड मिलाने पर नारंगी-भूरा अवक्षेप बनता है। विलयन में कौन-सा आयन है? अवक्षेपण का समीकरण लिखो।

हल

हल — अभ्यास 17.6.

आयरन(III), $\ce{Fe^{3+}}$ : $\ce{Fe^{3+}(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)}$ ।

अभ्यास 17.7 ★★

सल्फ़ेट आयन $\ce{SO4^{2-}}$ पर उसके प्रोटॉनों से कितने इलेक्ट्रॉन अधिक हैं? नाइट्रेट आयन $\ce{NO3-}$ पर?

हल

हल — अभ्यास 17.7.

सल्फ़ेट: 2 अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन। नाइट्रेट: 1।

अभ्यास 17.8 ★★

एक विलयन सिल्वर नाइट्रेट के साथ सफ़ेद अवक्षेप और सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ नीला अवक्षेप देता है। घुले हुए आयनिक यौगिक का नाम बताओ और उसका सूत्र लिखो।

हल

हल — अभ्यास 17.8.

सिल्वर नाइट्रेट के साथ सफ़ेद: $\ce{Cl-}$ । सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ नीला: $\ce{Cu^{2+}}$ । कॉपर(II) क्लोराइड, $\ce{CuCl2}$ ।

अभ्यास 17.9 ★★

नमक के क्रिस्टल की परत वाला चित्र देखो। परत के बीच के किसी आयन के इस परत में विपरीत आवेश वाले कितने पड़ोसी हैं?

हल

हल — अभ्यास 17.9.

चार: हर ओर एक (बाएँ, दाएँ, ऊपर, नीचे)।

अभ्यास 17.10 ★★

$\ce{Fe^{2+}}$ और $\ce{OH-}$ आयनों से आयरन(II) हाइड्रॉक्साइड के अवक्षेपण का समीकरण लिखो।

हल

हल — अभ्यास 17.10.

$\ce{Fe^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Fe(OH)2(s)}$ ।

अभ्यास 17.11 ★★★

एक सफ़ेद चूर्ण ज़िंक क्लोराइड या सोडियम क्लोराइड हो सकता है। पानी में घोलने पर वह सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ सफ़ेद अवक्षेप देता है। वह कौन-सा है? समीकरण लिखो।

हल

हल — अभ्यास 17.11.

ज़िंक क्लोराइड: सोडियम आयन सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ कोई अवक्षेप नहीं देते, ज़िंक आयन सफ़ेद अवक्षेप देते हैं: $\ce{Zn^{2+}(aq) + 2OH-(aq) -> Zn(OH)2(s)}$ ।

अभ्यास 17.12 ★★★

कैल्सियम क्लोराइड के क्रिस्टल में कैल्सियम के 1000 आयनों पर कितने क्लोराइड आयन हैं? जाँचो कि क्रिस्टल उदासीन है।

हल

हल — अभ्यास 17.12.

$\ce{CaCl2}$ : 2000 क्लोराइड आयन। आवेश: $1000 \times (+2) + 2000 \times (-1) = 0$ ।

17.6 समस्या: जंग वाला कुआँ

समस्या 17.1

सप्ताहांत समस्या — एक फ़ार्महाउस के सिंक में नारंगी दाग़, दो परीक्षण, और कुएँ के एक लीटर पानी में लोहे के आयनों की संख्या

एक फ़ार्महाउस के कुएँ का पानी सिंक में नारंगी दाग़ छोड़ता है। एक प्रयोगशाला को उसका नमूना मिलता है। ताज़ा निकाला गया पानी स्वच्छ है; सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ वह हरा अवक्षेप देता है, जो एक घंटे के भीतर सतह पर, जहाँ वह वायु के संपर्क में आता है, नारंगी-भूरा हो जाता है। प्रयोगशाला प्रति लीटर $0.30\,\mathrm{mg}$ लोहा मापती है, जो लोहे के आयनों के रूप में है। एक न्यूक्लिऑन का द्रव्यमान $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$ लो, और लोहे के एक परमाणु के लिए 56 न्यूक्लिऑन।

भाग I — परीक्षण।

हरा अवक्षेप कौन-सा आयन दिखाता है? अवक्षेप का सूत्र बताओ।
नारंगी-भूरा अवक्षेप कौन-सा आयन दिखाता है? उसका सूत्र बताओ।
आयरन(II) आयन और आयरन(III) आयन में एक इलेक्ट्रॉन का अंतर है। किसमें ज़्यादा इलेक्ट्रॉन हैं? हर एक में कितने इलेक्ट्रॉन हैं (लोहा: $Z = 26$ )?
आयरन(III) हाइड्रॉक्साइड के अवक्षेपण का समीकरण लिखो।

भाग II — दाग़।

सिंक में स्वच्छ पानी धीरे-धीरे धुँधला और नारंगी हो जाता है। कुएँ से निकलते समय पानी में कौन-सा आयन होता है, और अंत में उसमें कौन-सा आयन रह जाता है?
आयरन(III) आयनों और हाइड्रॉक्साइड आयनों से बने आयनिक यौगिक का सूत्र लिखो, और जाँचो कि वह उदासीन है।
क्या कुएँ से निकलते ही पानी को छानकर उसका लोहा हटाया जा सकता है? नारंगी हो जाने के बाद? समझाओ।
क्या लोहे के आयनों वाला पानी शुद्ध पदार्थ है? समांगी मिश्रण?

भाग III — आयनों की गिनती।

लोहे के एक परमाणु का द्रव्यमान किलोग्राम में निकालो।
$0.30\,\mathrm{mg}$ को किलोग्राम में बदलो।
लोहे के आयन का द्रव्यमान लोहे के परमाणु के द्रव्यमान के बराबर क्यों माना जा सकता है?
कुएँ के पानी के एक लीटर में लोहे के आयनों की संख्या निकालो।

हल

हल — समस्या 17.1.

1. आयरन(II), $\ce{Fe^{2+}}$ : $\ce{Fe(OH)2}$ ।

2. आयरन(III), $\ce{Fe^{3+}}$ : $\ce{Fe(OH)3}$ ।

3. $\ce{Fe^{2+}}$ में एक ज़्यादा है: $26 - 2 = 24$ इलेक्ट्रॉन, जबकि $\ce{Fe^{3+}}$ में $26 - 3 = 23$ ।

4. $\ce{Fe^{3+}(aq) + 3OH-(aq) -> Fe(OH)3(s)}$ ।

5. निकलते समय उसमें आयरन(II) आयन होते हैं; वायु के संपर्क में वे आयरन(III) आयन बन जाते हैं, जो नारंगी ठोस बनाते हैं।

6. $\ce{Fe(OH)3}$ : $(+3) + 3 \times (-1) = 0$ ।

7. निकलते समय नहीं: लोहे के आयन घुले हुए हैं और छन्ने से निकल जाते हैं। नारंगी ठोस बन जाने पर हाँ: वह एक अवक्षेप है, जिसे छन्ना रोक लेता है।

8. नहीं: वह एक मिश्रण है (पानी और घुले हुए आयन)। ताज़ा निकाला गया और स्वच्छ होने पर वह समांगी है।

9. $56 \times 1.67 \times 10^{-27} = 9.35 \times 10^{-26}\,\mathrm{kg}$ ।

10. $0.30\,\mathrm{mg} = 0.30 \times 10^{-6}\,\mathrm{kg} = 3.0 \times 10^{-7}\,\mathrm{kg}$ ।

11. आयन परमाणु से दो या तीन इलेक्ट्रॉनों का अंतर रखता है, जिनका द्रव्यमान नाभिक की तुलना में नगण्य है।

12. $3.0 \times 10^{-7} / 9.35 \times 10^{-26} \approx 3.2 \times 10^{18}$ लोहे के आयन प्रति लीटर।

इस अध्याय में परिभाषित शब्द

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