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

19धातुएँ: अम्लों के साथ अभिक्रियाएँ और संक्षारण

एक बंदरगाह में मछली पकड़ने वाली एक पुरानी नाव का स्टील का ढाँचा नारंगी जंग की धारियों से भरा है। घाट पर ज़िंक-लेपित एक फाटक तीस साल से बारिश में खड़ा है और अब भी हल्की धूसर चमक लिए है। एक संग्रहालय में तीन हज़ार साल तक दबी रही सोने की एक अँगूठी उतनी ही चमकदार है जितनी बनने के दिन थी। सभी धातुएँ दुनिया का सामना एक ही ढंग से नहीं करतीं: कुछ पर पानी, वायु और अम्ल आक्रमण करते हैं, कुछ पर लगभग बिल्कुल नहीं।

पहले से ज्ञात

आयन आवेशित परमाणु हैं; धातुएँ $\ce{Fe^{2+}}$ , $\ce{Zn^{2+}}$ , $\ce{Al^{3+}}$ जैसे धनायन देती हैं, जिन्हें अवक्षेपण परीक्षणों से पहचाना जाता है (अध्याय 17)। अम्लीय विलयन में बहुत-से $\ce{H+(aq)}$ आयन होते हैं (अध्याय 18)। हाइड्रोजन परखनली के मुँह पर तीखी ‘पॉप’ की आवाज़ के साथ जलती है (अध्याय 10)।

एक पुरानी नाव का ढाँचा: स्टील में जंग लग रहा है।

19.1 हाइड्रोक्लोरिक अम्ल में धातुएँ

प्रयोगशाला में — अम्ल में तीन धातुएँ

शिक्षक तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल से भरी तीन परखनलियों में लोहे, ज़िंक और ताँबे का एक-एक छोटा टुकड़ा डालते हैं। लोहे और ज़िंक से बुलबुले उठते हैं, लोहे से धीरे-धीरे, ज़िंक से तेज़ी से, और धातुएँ धीरे-धीरे ग़ायब होती जाती हैं; ताँबे को कुछ नहीं होता। एक छोटी नली में इकट्ठी की गई गैस तीखी ‘पॉप’ की आवाज़ देती है: वह हाइड्रोजन है। सोडियम हाइड्रॉक्साइड के साथ पहली नली का द्रव हरा अवक्षेप देता है ( $\ce{Fe^{2+}}$ आयन), दूसरी नली का सफ़ेद ( $\ce{Zn^{2+}}$ आयन)।

तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल में लोहा, ज़िंक और ताँबा: लोहा और ज़िंक हाइड्रोजन देते हैं; ताँबा अभिक्रिया नहीं करता।

प्रतिज्ञप्ति 19.1 (धातु और अम्ल)

बहुत-सी धातुएँ — लोहा, ज़िंक, ऐलुमिनियम, मैग्नीशियम — अम्ल के $\ce{H+}$ आयनों के साथ अभिक्रिया करती हैं: धातु धातु-आयनों के रूप में ग़ायब हो जाती है, जो घुले रहते हैं, और हाइड्रोजन गैस निकलती है। ताँबा, चाँदी और सोना हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया नहीं करते।

19.2 आयनों के साथ समीकरण लिखना

परिभाषा 19.2 (दर्शक आयन)

जो आयन अभिक्रिया के दौरान विलयन में मौजूद रहता है पर उसमें भाग नहीं लेता, और अंत में बिना बदले मिलता है, वह दर्शक आयन है। उसे समीकरण में नहीं लिखा जाता।

उदाहरण 19.3 (हाइड्रोक्लोरिक अम्ल में लोहा और ज़िंक)

हाइड्रोक्लोरिक अम्ल में $\ce{H+(aq)}$ और $\ce{Cl-(aq)}$ आयन होते हैं। क्लोराइड आयन अंत में बिना बदले मिलते हैं: वे दर्शक हैं। समीकरण ये हैं:

\ce{Fe(s) + 2H+(aq) -> Fe^{2+}(aq) + H2(g)}, \qquad \ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2(g)}.

ये परमाणुओं और आवेशों, दोनों को संतुलित करते हैं: हर ओर $+2$ ।

विधि 19.4 (अम्ल के साथ धातु का समीकरण लिखना)

अभिकारक: धातु (s) और $\ce{H+(aq)}$ आयन।
उत्पाद: अपने सामान्य आवेश के साथ धातु-आयन (aq), और हाइड्रोजन $\ce{H2(g)}$ ।
परमाणुओं को संतुलित करो, फिर जाँचो कि कुल आवेश दोनों ओर बराबर है।

ऐलुमिनियम के लिए: $\ce{2Al(s) + 6H+(aq) -> 2Al^{3+}(aq) + 3H2(g)}$ ; हर ओर आवेश $+6$ ।

सुरक्षा

निकलने वाली हाइड्रोजन अत्यंत ज्वलनशील है। अभिक्रिया छोटी परखनलियों में, शिक्षक द्वारा, किसी भी लौ से दूर की जाती है — सिवाय उस लौ के जो ‘पॉप’ परीक्षण के लिए इस्तेमाल होती है।

19.3 संक्षारण

परिभाषा 19.5 (संक्षारण और जंग)

संक्षारण आस-पास के पदार्थों — ऑक्सीजन, पानी, अम्ल, लवण — द्वारा किसी धातु पर होने वाला धीमा आक्रमण है, जो धातु को आयनों में या ऑक्साइड जैसे यौगिकों में बदल देता है। लोहे और स्टील के संक्षारण से जंग बनता है, एक भूरा, भुरभुरा, जलयोजित आयरन ऑक्साइड, जो पपड़ी बनकर उतर जाता है और आक्रमण को और गहराई तक जाने देता है।

प्रतिज्ञप्ति 19.6 (लोहे को जंग लगने के लिए क्या चाहिए)

लोहे में जंग तभी लगता है जब ऑक्सीजन और पानी दोनों उस तक पहुँचें। पानी में घुला नमक, जैसे सर्दियों में नमक छिड़की गई सड़कों पर या समुद्र के पास, जंग लगने को तेज़ कर देता है।

प्रयोगशाला में — तीन कीलें, एक हफ़्ता

लोहे की तीन साफ़ कीलें तीन परखनलियों में रखी जाती हैं: पहली सूखी वायु के साथ और एक शोषक पदार्थ के साथ जो जलवाष्प हटा देता है; दूसरी ऐसे पानी में जिसे उबालकर उसकी घुली हुई वायु निकाल दी गई है, और जिस पर तेल की परत है; तीसरी आधी नल के पानी में, आधी वायु में। एक हफ़्ते बाद केवल तीसरी कील में जंग लगा होता है।

तीन कीलों वाला प्रयोग: लोहे में जंग वहीं लगता है जहाँ पानी और ऑक्सीजन एक साथ पहुँचते हैं, यहाँ पानी की सतह पर।

उदाहरण 19.7 (ऐलुमिनियम और ताँबा ख़ुद को बचाते हैं)

वायु की ऑक्सीजन ऐलुमिनियम पर तुरंत आक्रमण करती है, पर बनी हुई ऑक्साइड की पतली परत धातु से चिपक जाती है और उसे वायु से बंद कर देती है: ऐलुमिनियम की खिड़कियों के चौखटे दशकों तक चलते हैं। ताँबा, जिस पर वायु, पानी और कार्बन डाइऑक्साइड धीरे-धीरे आक्रमण करते हैं, एक हरी पपड़ी से ढक जाता है, जिसे पैटिना कहते हैं, जो भी चिपकी रहती है और नीचे की धातु की रक्षा करती है। इसके विपरीत, जंग पपड़ी बनकर उतर जाता है।

स्टैच्यू ऑफ़ लिबर्टी: उसकी ताँबे की त्वचा हरे पैटिना से ढकी है। फ़ोटो: एलकोबोला, सार्वजनिक डोमेन।

19.4 धातुओं की रक्षा

परिभाषा 19.8 (यशदलेपन)

यशदलेपन यानी स्टील को पिघले हुए ज़िंक में डुबोकर उस पर ज़िंक की परत चढ़ाना। वायु और पानी नीचे के स्टील के बजाय ज़िंक पर आक्रमण करते हैं: जहाँ परत खुरच भी गई हो, वहाँ भी पास का ज़िंक पहले संक्षारित होता है और स्टील बच जाता है।

प्रतिज्ञप्ति 19.9 (लोहे और स्टील की रक्षा के तरीके)

पानी और वायु को दूर रखना: पेंट, तेल, ग्रीस, प्लास्टिक की परत;
यशदलेपन: ज़िंक की परत, जो स्टील की जगह संक्षारित होती है;
स्टेनलेस स्टील का उपयोग, जो लोहे और क्रोमियम की एक मिश्रातु है और ऑक्साइड की एक पतली, बंद करने वाली परत से ख़ुद की रक्षा करती है;
जहाज़ों के ढाँचों पर ज़िंक के गुटके लगाना: स्टील के बजाय ज़िंक धीरे-धीरे घिसता जाता है, और समय-समय पर बदला जाता है (यह कैसे काम करता है, यह विश्वविद्यालय के एक खंड में समझाया गया है)।

19.5 अभ्यास

अभ्यास 19.1 ★

ज़िंक के हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया करने पर कौन-सी गैस निकलती है? उसे कैसे पहचाना जाता है?

हल

हल — अभ्यास 19.1.

हाइड्रोजन: नली के मुँह पर जलती खपच्ची तीखी ‘पॉप’ की आवाज़ देती है।

अभ्यास 19.2 ★

इनमें से कौन-सी धातुएँ तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया करती हैं: लोहा, ताँबा, ज़िंक, सोना, ऐलुमिनियम?

हल

हल — अभ्यास 19.2.

लोहा, ज़िंक और ऐलुमिनियम अभिक्रिया करते हैं; ताँबा और सोना नहीं।

अभ्यास 19.3 ★

लोहे को जंग लगने के लिए क्या चाहिए?

हल

हल — अभ्यास 19.3.

ऑक्सीजन और पानी, दोनों।

अभ्यास 19.4 ★

दर्शक आयन क्या है? लोहे के हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया करने पर दर्शक आयन का नाम बताओ।

हल

हल — अभ्यास 19.4.

ऐसा आयन जो अभिक्रिया के दौरान मौजूद रहता है पर उसमें भाग नहीं लेता। हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ: क्लोराइड आयन $\ce{Cl-}$ ।

अभ्यास 19.5 ★★

किसी अम्ल के $\ce{H+}$ आयनों के साथ मैग्नीशियम की अभिक्रिया का समीकरण लिखो (मैग्नीशियम आयन $\ce{Mg^{2+}}$ है)। आवेशों की जाँच करो।

हल

हल — अभ्यास 19.5.

$\ce{Mg(s) + 2H+(aq) -> Mg^{2+}(aq) + H2(g)}$ ; हर ओर आवेश $+2$ ।

अभ्यास 19.6 ★★

लोहे के हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया कर लेने के बाद तुम कैसे दिखाओगे कि विलयन में आयरन(II) आयन हैं?

हल

हल — अभ्यास 19.6.

सोडियम हाइड्रॉक्साइड मिलाओ: $\ce{Fe(OH)2}$ का हरा अवक्षेप आयरन(II) आयन दिखाता है।

अभ्यास 19.7 ★★

तीन कीलों वाला चित्र देखो। दूसरी नली का पानी क्यों उबाला गया है और उस पर तेल क्यों डाला गया है?

हल

हल — अभ्यास 19.7.

उबालने से पानी में घुली वायु निकल जाती है, और तेल वायु को फिर से घुलने से रोकता है: कील के पास पानी है पर ऑक्सीजन नहीं।

अभ्यास 19.8 ★★

जिस शहर में सर्दियों में सड़कों पर नमक छिड़का जाता है, वहाँ कार में जंग जल्दी क्यों लगता है?

हल

हल — अभ्यास 19.8.

कार पर उछलकर पड़ने वाले पानी में घुला नमक जंग लगने को तेज़ कर देता है।

अभ्यास 19.9 ★★

ऐलुमिनियम की खिड़कियों के चौखटे संक्षारित होकर नष्ट क्यों नहीं होते, हालाँकि ऐलुमिनियम वायु की ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करता है?

हल

हल — अभ्यास 19.9.

बनी हुई ऑक्साइड की परत धातु से चिपक जाती है और उसे वायु से बंद कर देती है: आक्रमण सतह पर ही रुक जाता है।

अभ्यास 19.10 ★★

स्टील की साइकिल के ढाँचे को जंग से बचाने के तीन तरीके बताओ।

हल

हल — अभ्यास 19.10.

उसे पेंट करो, तेल या ग्रीस लगाओ, यशदलेपित करो (या उसे स्टेनलेस स्टील का बनाओ)।

अभ्यास 19.11 ★★★

किसी अम्ल के $\ce{H+}$ आयनों के साथ ऐलुमिनियम की अभिक्रिया का समीकरण लिखो और उसकी जाँच करो। 200 ऐलुमिनियम परमाणुओं से हाइड्रोजन के कितने अणु बनते हैं?

हल

हल — अभ्यास 19.11.

$\ce{2Al(s) + 6H+(aq) -> 2Al^{3+}(aq) + 3H2(g)}$ : हर ओर 2 Al और 6 H, हर ओर आवेश $+6$ । 200 Al परमाणुओं के लिए: $200 \times \frac{3}{2} = 300$ हाइड्रोजन अणु।

अभ्यास 19.12 ★★★

यशदलेपित स्टील की एक बाल्टी स्टील तक खुरच जाती है। समझाओ कि खरोंच की तली में स्टील पर लंबे समय तक जंग क्यों नहीं लगता।

हल

हल — अभ्यास 19.12.

खरोंच के आस-पास का ज़िंक स्टील की जगह संक्षारित होता है: जब तक पास में ज़िंक बचा है, स्टील बचा रहता है।

19.6 समस्या: ज़िंक कितना मोटा है?

समस्या 19.1

सप्ताहांत समस्या — यशदलेपित प्लेट की ज़िंक-परत को घोलकर यह पता करना कि वह कितनी मोटी थी

$10.0\,\mathrm{cm}$ भुजा वाली एक वर्गाकार यशदलेपित स्टील प्लेट के दोनों फलकों पर ज़िंक की परत है (किनारे नगण्य माने जाते हैं)। प्रयोगशाला में शिक्षक उसे तौलते हैं, $125.6\,\mathrm{g}$ , फिर उसे ऐसे हाइड्रोक्लोरिक अम्ल में डुबोते हैं जिसमें एक योज्य है जो अम्ल को स्टील पर आक्रमण करने से रोकता है। बुलबुले बंद होने पर प्लेट को धोकर, सुखाकर फिर तौला जाता है: $113.5\,\mathrm{g}$ । $1\,\mathrm{cm}^{3}$ ज़िंक का द्रव्यमान $7.13\,\mathrm{g}$ है।

भाग I — अभिक्रिया।

अम्ल के $\ce{H+}$ आयनों के साथ ज़िंक की अभिक्रिया का समीकरण लिखो।
बुलबुले कौन-सी गैस बनाती है? उसका परीक्षण बताओ।
बाद में विलयन में ज़िंक आयनों को कौन-सा परीक्षण दिखाएगा?
दर्शक आयनों के नाम बताओ।

भाग II — ज़िंक।

कितना ज़िंक घुल गया है?
बुलबुले उठना इस बात का संकेत क्यों है कि सारा ज़िंक अभी घुला नहीं है?
अगर अम्ल में योज्य न होता, तो स्टील का क्या होता? तब कौन-सा परीक्षण इसे दिखाता?
जब तक ज़िंक मौजूद है, वह प्लेट के स्टील की रक्षा क्यों करता है?

भाग III — मोटाई।

प्लेट का कुल लेपित क्षेत्रफल $\mathrm{cm}^{2}$ में कितना है?
ज़िंक ने कितना आयतन घेरा था?
ज़िंक की परत की मोटाई सेंटीमीटर में निकालो।
इस मोटाई को माइक्रोमीटर में व्यक्त करो ( $1\,\mathrm{cm}$ $= 10\,000\,\text{µ}\mathrm{m}$ )।

हल

हल — समस्या 19.1.

1. $\ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2(g)}$ ।

2. हाइड्रोजन: जलती खपच्ची के साथ तीखी ‘पॉप’ की आवाज़।

3. सोडियम हाइड्रॉक्साइड $\ce{Zn(OH)2}$ का सफ़ेद अवक्षेप देता है।

4. क्लोराइड आयन $\ce{Cl-}$ ।

5. $125.6 - 113.5 = 12.1\,\mathrm{g}$ ।

6. जब तक ज़िंक अम्ल के साथ अभिक्रिया करता है, हाइड्रोजन निकलती है; ज़िंक न बचने पर बुलबुले रुक जाते हैं।

7. स्टील का लोहा भी अभिक्रिया करता, हाइड्रोजन और $\ce{Fe^{2+}}$ आयन देता; तब सोडियम हाइड्रॉक्साइड हरा अवक्षेप देता।

8. स्टील की जगह ज़िंक पर आक्रमण होता है, और वह पानी और वायु को स्टील से दूर रखता है।

9. $2 \times 10.0 \times 10.0 = 200\,\mathrm{cm}^{2}$ ।

10. $12.1 \div 7.13 \approx 1.70\,\mathrm{cm}^{3}$ ।

11. $1.70 \div 200 = 0.0085\,\mathrm{cm}$ ।

12. $0.0085 \times 10\,000 = 85\,\text{µ}\mathrm{m}$ : ज़िंक की परत लगभग $85\,\text{µ}\mathrm{m}$ मोटी थी।

इस अध्याय में परिभाषित शब्द

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