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

35ऑक्सीकरण और अपचयन

जस्ते की एक पट्टी कॉपर सल्फ़ेट के नीले विलयन में डुबोई जाती है। कुछ ही मिनटों में उसकी सतह एक स्पंजी, लाल-भूरी परत के नीचे काली पड़ जाती है; एक घंटे बाद विलयन का नीला रंग फीका पड़ चुका होता है। जहाँ पहले कुछ नहीं था, वहाँ ताँबा धातु प्रकट हो गई है, और जस्ता अदृश्य आयनों के रूप में विलयन में चला गया है। कुछ भी गरम नहीं किया गया, कोई गैस नहीं निकली, ऑक्सीजन ने कोई भाग नहीं लिया — फिर भी रसायनज्ञ इसे ऑक्सीकरण कहते हैं। कभी इस शब्द का अर्थ था “ऑक्सीजन से संयोग करना”; अब इसका अर्थ कुछ अधिक व्यापक और अधिक उपयोगी है: इलेक्ट्रॉनों का खोना। यह अध्याय इलेक्ट्रॉनों का पीछा करता है।

पहले से ज्ञात

आयन वह परमाणु या परमाणुओं का समूह है जिसने इलेक्ट्रॉन ग्रहण किए हैं या खोए हैं (अध्याय 17)। लोहा या जस्ता जैसी धातु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल से अभिक्रिया करके हाइड्रोजन और धातु आयन देती है (अध्याय 19)। मोल में पदार्थ की मात्रा $n$ द्रव्यमान $m$ से $n = m/M$ द्वारा निकाली जाती है (अध्याय 25)।

कॉपर सल्फ़ेट विलयन में जस्ते की एक पट्टी: जस्ते पर ताँबा जमता है, और जस्ता आयन विलयन में उसकी जगह ले लेते हैं।

35.1 ऑक्सीकारक और अपचायक

परिभाषा 35.1 (ऑक्सीकारक और अपचायक)

ऑक्सीकारक वह स्पीशीज़ है जो एक या अधिक इलेक्ट्रॉन ग्रहण कर सकती है। अपचायक वह स्पीशीज़ है जो एक या अधिक इलेक्ट्रॉन दे सकती है।

परिभाषा 35.2 (ऑक्सीकरण और अपचयन)

ऑक्सीकरण इलेक्ट्रॉनों का खोना है; अपचयन इलेक्ट्रॉनों का ग्रहण है। अपचायक ऑक्सीकृत होता है; ऑक्सीकारक अपचयित होता है।

टिप्पणी 35.3 (याद रखने का एक तरीका)

अपचयन में स्पीशीज़ का आवेश घटता है: दो इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने वाला $\ce{Cu^{2+}}$ $\ce{Cu}$ बन जाता है, आवेश $+2 \to 0$ । ऑक्सीकरण में आवेश बढ़ता है: $\ce{Zn -> Zn^{2+} + 2e-}$ , $0 \to +2$ ।

परिभाषा 35.4 (अपचयोपचय युग्म और अर्ध-समीकरण)

एक ऑक्सीकारक और वह अपचायक जो वह इलेक्ट्रॉन ग्रहण करके बनता है, मिलकर एक अपचयोपचय युग्म बनाते हैं, जिसे ऑक्सीकारक पहले रखकर ऑक्स/अप लिखा जाता है: $\ce{Cu^{2+}}$ / $\ce{Cu}$ , $\ce{Zn^{2+}}$ / $\ce{Zn}$ । किसी युग्म के भीतर इलेक्ट्रॉनों के आदान-प्रदान का वर्णन उसका अर्ध-समीकरण करता है,

\text{ऑक्स} + n\,\ce{e-} \ce{<=>} \text{अप},

जो परमाणुओं और आवेश दोनों में संतुलित होता है, उदाहरण के लिए $\ce{Cu^{2+}(aq) + 2e- <=> Cu(s)}$ । दोहरा तीर बताता है कि आदान-प्रदान किसी भी दिशा में हो सकता है।

उदाहरण 35.5 (धातुएँ और उनके आयन)

हर धातु अपने आयन के साथ एक युग्म बनाती है:

युग्म	अर्ध-समीकरण
$\ce{Ag+}$ / $\ce{Ag}$	$\ce{Ag+ + e- <=> Ag}$
$\ce{Cu^{2+}}$ / $\ce{Cu}$	$\ce{Cu^{2+} + 2e- <=> Cu}$
$\ce{Fe^{2+}}$ / $\ce{Fe}$	$\ce{Fe^{2+} + 2e- <=> Fe}$
$\ce{Zn^{2+}}$ / $\ce{Zn}$	$\ce{Zn^{2+} + 2e- <=> Zn}$
$\ce{Al^{3+}}$ / $\ce{Al}$	$\ce{Al^{3+} + 3e- <=> Al}$

आयन भी युग्म बना सकते हैं: युग्म $\ce{Fe^{3+} + e- <=> Fe^{2+}}$ के लिए $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ , और $\ce{I2 + 2e- <=> 2I-}$ के लिए $\ce{I2}$ / $\ce{I-}$ । हाइड्रोजन भी: $\ce{2H+ + 2e- <=> H2}$ के लिए $\ce{H+}$ / $\ce{H2}$ ।

टिप्पणी 35.6 (एक स्पीशीज़, दो भूमिकाएँ)

कोई स्पीशीज़ एक युग्म का अपचायक और दूसरे युग्म का ऑक्सीकारक हो सकती है। आयन $\ce{Fe^{2+}}$ युग्म $\ce{Fe^{2+}}$ / $\ce{Fe}$ का ऑक्सीकारक है और $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ का अपचायक। वह कौन-सी भूमिका निभाता है, यह अभिक्रिया में उसके साथी पर निर्भर करता है।

35.2 अपचयोपचय अभिक्रियाएँ

परिभाषा 35.7 (अपचयोपचय अभिक्रिया)

अपचयोपचय अभिक्रिया एक युग्म के अपचायक से दूसरे युग्म के ऑक्सीकारक तक इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण है। अपचायक ऑक्सीकृत होता है और ऑक्सीकारक अपचयित, एक ही समय पर।

प्रतिज्ञप्ति 35.8 (कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं)

विलयन में इलेक्ट्रॉन मुक्त रूप में नहीं रहते: अपचायक द्वारा दिया गया हर इलेक्ट्रॉन ऑक्सीकारक ले लेता है। इसलिए अपचयोपचय अभिक्रिया का समीकरण दोनों अर्ध-समीकरणों को जोड़कर मिलता है, हर एक को उस संख्या से गुणा करके जो दिए गए इलेक्ट्रॉनों को लिए गए इलेक्ट्रॉनों के बराबर कर दे; तब इलेक्ट्रॉन कट जाते हैं और समीकरण में दिखाई नहीं देते।

उदाहरण 35.9 (जस्ता और कॉपर आयन)

आरंभिक दृश्य में जस्ता ऑक्सीकृत होता है और कॉपर आयन अपचयित होते हैं:

\begin{array}{ll} \ce{Zn(s) -> Zn^{2+}(aq) + 2e-} & \text{(ऑक्सीकरण)}\\ \ce{Cu^{2+}(aq) + 2e- -> Cu(s)} & \text{(अपचयन)}\\ \hline \ce{Zn(s) + Cu^{2+}(aq) -> Zn^{2+}(aq) + Cu(s)} & \end{array}

हर जस्ता परमाणु से दो इलेक्ट्रॉन एक कॉपर आयन तक जाते हैं। विलयन का नीला रंग $\ce{Cu^{2+}}$ आयनों का रंग है; जैसे-जैसे वे खपते हैं, वह फीका पड़ता है, जबकि रंगहीन $\ce{Zn^{2+}}$ आयन उनकी जगह ले लेते हैं।

जस्ते की सतह पर। एक जस्ता परमाणु दो इलेक्ट्रॉन खोता है और Zn2+ आयन के रूप में चला जाता है; दोनों इलेक्ट्रॉन धातु से होकर सतह को छूते एक Cu2+ आयन तक पहुँचते हैं, जो ताँबे का परमाणु बन जाता है और पट्टी पर ही रह जाता है। — जस्ते की सतह पर। एक जस्ता परमाणु दो इलेक्ट्रॉन खोता है और $\ce{Zn^{2+}}$ आयन के रूप में चला जाता है; दोनों इलेक्ट्रॉन धातु से होकर सतह को छूते एक $\ce{Cu^{2+}}$ आयन तक पहुँचते हैं, जो ताँबे का परमाणु बन जाता है और पट्टी पर ही रह जाता है।

क्या दिखता है: पट्टी के डूबे भाग पर ताँबे का जमाव, और Cu2+ आयनों के नीले रंग का फीका पड़ना। — क्या दिखता है: पट्टी के डूबे भाग पर ताँबे का जमाव, और $\ce{Cu^{2+}}$ आयनों के नीले रंग का फीका पड़ना।

उदाहरण 35.10 (अम्ल में धातुएँ, फिर से)

जब लोहा हाइड्रोक्लोरिक अम्ल में घुलता है, तो लोहा ऑक्सीकृत होता है और $\ce{H+}$ आयन हाइड्रोजन में अपचयित होते हैं:

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

युग्म $\ce{Fe^{2+}}$ / $\ce{Fe}$ और $\ce{H+}$ / $\ce{H2}$ हैं; क्लोराइड आयन कोई भाग नहीं लेते।

प्रयोगशाला में — चाँदी का पेड़

साफ़ ताँबे के तार का एक कुंडल तनु सिल्वर नाइट्रेट विलयन, $\ce{Ag+(aq) + NO3^-(aq)}$ , के बीकर में लटकाया जाता है। एक घंटे के भीतर चमकीली चाँदी की शाखित सुइयाँ तार के साथ उग आती हैं, और रंगहीन विलयन हल्का नीला हो जाता है: $\ce{Cu(s) + 2Ag+(aq) -> Cu^{2+}(aq) + 2Ag(s)}$ । यह प्रयोग शिक्षक दस्ताने और चश्मा पहनकर करते हैं, और बाद में विलयन को ख़तरनाक अपशिष्ट के रूप में एकत्र किया जाता है।

सुरक्षा

सिल्वर नाइट्रेट: एक ऑक्सीकारक जो आग को बढ़ा सकता है (GHS03); त्वचा और आँखों के लिए संक्षारक, और यह त्वचा पर काले धब्बे छोड़ता है (GHS05); स्वास्थ्य के लिए ख़तरा (GHS08); जलीय जीवन के लिए अत्यंत विषैला, इसलिए यह कभी सिंक में नहीं बहाया जाता (GHS09)।

सिल्वर नाइट्रेट विलयन में ताँबे के तार पर उगते चाँदी के क्रिस्टल।

35.3 अर्ध-समीकरणों को संतुलित करना

कई महत्त्वपूर्ण युग्मों में ऑक्सीजन होती है और वे अम्लीय विलयनों के लिए लिखे जाते हैं, जहाँ $\ce{H+}$ आयन मौजूद होते हैं। उनके अर्ध-समीकरणों को संतुलित करने के लिए पानी के अणु और $\ce{H+}$ आयन चाहिए।

विधि 35.11 (अम्लीय विलयन में अर्ध-समीकरण संतुलित करना)

अम्लीय विलयन में किसी युग्म ऑक्स/अप का अर्ध-समीकरण लिखने के लिए:

ऑक्स को बाईं ओर और अप को दाईं ओर लिखिए, और उस परमाणु को संतुलित कीजिए जो न O है न H;
ऑक्सीजन परमाणुओं को पानी के अणुओं $\ce{H2O}$ से संतुलित कीजिए;
हाइड्रोजन परमाणुओं को $\ce{H+}$ आयनों से संतुलित कीजिए;
आवेश को इलेक्ट्रॉनों $\ce{e-}$ से, बाईं ओर, संतुलित कीजिए;
जाँचिए: दोनों ओर हर परमाणु की संख्या समान, कुल आवेश समान।

उदाहरण 35.12 (परमैंगनेट आयन)

युग्म $\ce{MnO4^-}$ / $\ce{Mn^{2+}}$ (गहरे बैंगनी से लगभग रंगहीन) के लिए: मैंगनीज़ संतुलित है; बाईं ओर के चार O दाईं ओर $\ce{4H2O}$ देते हैं; उनके आठ H बाईं ओर $\ce{8H+}$ देते हैं; बाईं ओर आवेश $-1 + 8 = +7$ है, दाईं ओर $+2$ , इसलिए बाईं ओर पाँच इलेक्ट्रॉन जोड़े जाते हैं:

\ce{MnO4^-(aq) + 8H+(aq) + 5e- <=> Mn^{2+}(aq) + 4H2O(l)}.

उदाहरण 35.13 (डाइक्रोमेट आयन)

$\ce{Cr2O7^{2-}}$ / $\ce{Cr^{3+}}$ (नारंगी से हरा) के लिए: दाईं ओर दो क्रोमियम; सात O $\ce{7H2O}$ देते हैं; चौदह H $\ce{14H+}$ देते हैं; आवेश बाईं ओर $-2 + 14 = +12$ , दाईं ओर के $2 \times 3 = +6$ के मुक़ाबले, इसलिए छह इलेक्ट्रॉन:

\ce{Cr2O7^{2-}(aq) + 14H+(aq) + 6e- <=> 2Cr^{3+}(aq) + 7H2O(l)}.

विधि 35.14 (अपचयोपचय समीकरण लिखना)

एक युग्म के ऑक्सीकारक ऑक्स $_1$ और दूसरे युग्म के अपचायक अप $_2$ के बीच की अभिक्रिया का समीकरण लिखने के लिए:

दोनों अर्ध-समीकरण लिखिए, पहला अपचयन की दिशा में (ऑक्स $_1 \to$ अप $_1$ ), दूसरा ऑक्सीकरण की दिशा में (अप $_2 \to$ ऑक्स $_2$ );
उन्हें उन सबसे छोटी संख्याओं से गुणा कीजिए जो इलेक्ट्रॉनों को बराबर कर दें;
उन्हें जोड़िए; इलेक्ट्रॉन कट जाते हैं, और दोनों ओर दिखने वाले कुछ $\ce{H+}$ और $\ce{H2O}$ भी कट सकते हैं;
परमाणुओं और आवेश को एक बार फिर जाँचिए।

उदाहरण 35.15 (परमैंगनेट और आयरन(II))

परमैंगनेट आयन $\ce{Fe^{2+}}$ आयनों को $\ce{Fe^{3+}}$ में ऑक्सीकृत करता है:

\begin{array}{ll} \ce{MnO4^- + 8H+ + 5e- -> Mn^{2+} + 4H2O} & \times 1\\ \ce{Fe^{2+} -> Fe^{3+} + e-} & \times 5\\ \hline \ce{MnO4^- + 8H+ + 5Fe^{2+} -> Mn^{2+} + 5Fe^{3+} + 4H2O} & \end{array}

बाईं ओर आवेश: $-1 + 8 + 10 = +17$ ; दाईं ओर: $2 + 15 = +17$ । यह अभिक्रिया अगले अध्याय में आयरन(II) की मात्रा मापने के लिए इस्तेमाल की जाती है।

35.4 हमारे आसपास के ऑक्सीकारक और अपचायक

प्रतिज्ञप्ति 35.16 (कुछ सामान्य ऑक्सीकारक और अपचायक)

निम्नलिखित स्पीशीज़ प्रयोगशाला में और रोज़मर्रा के जीवन में बार-बार मिलती हैं:

स्पीशीज़	भूमिका	उसके युग्म का अर्ध-समीकरण
डाइऑक्सीजन $\ce{O2}$	ऑक्सीकारक	$\ce{O2 + 4H+ + 4e- <=> 2H2O}$
डाइक्लोरीन $\ce{Cl2}$	ऑक्सीकारक	$\ce{Cl2 + 2e- <=> 2Cl-}$
हाइपोक्लोराइट $\ce{ClO-}$ (ब्लीच)	ऑक्सीकारक	$\ce{2ClO- + 4H+ + 2e- <=> Cl2 + 2H2O}$
हाइड्रोजन परॉक्साइड $\ce{H2O2}$	ऑक्सीकारक	$\ce{H2O2 + 2H+ + 2e- <=> 2H2O}$
परमैंगनेट $\ce{MnO4^-}$	ऑक्सीकारक	$\ce{MnO4^- + 8H+ + 5e- <=> Mn^{2+} + 4H2O}$
धातुएँ $\ce{M}$ ( $\ce{Fe}$ , $\ce{Zn}$ , $\ce{Al}$ …)	अपचायक	$\ce{M^{n+} + $n$ e- <=> M}$
आयोडाइड $\ce{I-}$	अपचायक	$\ce{I2 + 2e- <=> 2I-}$
थायोसल्फ़ेट $\ce{S2O3^{2-}}$	अपचायक	$\ce{S4O6^{2-} + 2e- <=> 2S2O3^{2-}}$
ऐस्कॉर्बिक अम्ल $\ce{C6H8O6}$ (विटामिन C)	अपचायक	$\ce{C6H6O6 + 2H+ + 2e- <=> C6H8O6}$

उदाहरण 35.17 (ताँबा हरा हो जाता है)

खुली हवा में दशकों तक छोड़ी गई ताँबे की छतें और मूर्तियाँ धीरे-धीरे हल्की हरी हो जाती हैं। वायु की ऑक्सीजन ताँबे को $\ce{Cu^{2+}}$ आयनों में ऑक्सीकृत करती है, जो पानी और कार्बन डाइऑक्साइड के साथ एक पतली हरी परत, पैटिना, बनाते हैं। लोहे पर जंग के विपरीत, पैटिना धातु से चिपकी रहती है और उसे आगे के क्षरण से बचाती है।

दशकों तक हवा में रहने के बाद ताँबे की एक छत: ऑक्सीकृत ताँबा एक हरी पैटिना बनाता है।

टिप्पणी 35.18 (प्रतिऑक्सीकारक)

भोजन में मिलाया गया “प्रतिऑक्सीकारक” एक अपचायक है जो भोजन से पहले वायु की ऑक्सीजन द्वारा ऑक्सीकृत हो जाता है। विटामिन C (ऐस्कॉर्बिक अम्ल) सबसे आम है: नींबू का रस छिड़का गया कटा सेब कहीं अधिक धीरे भूरा होता है, क्योंकि नींबू का विटामिन C पहले ऑक्सीकृत होता है।

35.5 अभ्यास

अभ्यास 35.1 ★

ऑक्सीकारक, अपचायक, ऑक्सीकरण और अपचयन की परिभाषा दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 35.1.

ऑक्सीकारक: वह स्पीशीज़ जो इलेक्ट्रॉन ग्रहण कर सकती है। अपचायक: वह स्पीशीज़ जो इलेक्ट्रॉन दे सकती है। ऑक्सीकरण: इलेक्ट्रॉनों का खोना। अपचयन: इलेक्ट्रॉनों का ग्रहण।

अभ्यास 35.2 ★

हर जोड़े के लिए अपचयोपचय युग्म ऑक्स/अप रूप में लिखिए: $\ce{Fe}$ और $\ce{Fe^{2+}}$ ; $\ce{Ag}$ और $\ce{Ag+}$ ; $\ce{I-}$ और $\ce{I2}$ ; $\ce{Fe^{2+}}$ और $\ce{Fe^{3+}}$ ।

हल

हल — अभ्यास 35.2.

$\ce{Fe^{2+}}$ / $\ce{Fe}$ ; $\ce{Ag+}$ / $\ce{Ag}$ ; $\ce{I2}$ / $\ce{I-}$ ; $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ ।

अभ्यास 35.3 ★

युग्मों $\ce{Ag+}$ / $\ce{Ag}$ , $\ce{Al^{3+}}$ / $\ce{Al}$ , $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ और $\ce{Cl2}$ / $\ce{Cl-}$ के अर्ध-समीकरण लिखिए।

हल

हल — अभ्यास 35.3.

$\ce{Ag+ + e- <=> Ag}$ ; $\ce{Al^{3+} + 3e- <=> Al}$ ; $\ce{Fe^{3+} + e- <=> Fe^{2+}}$ ; $\ce{Cl2 + 2e- <=> 2Cl-}$ ।

अभ्यास 35.4 ★

क्या रूपांतरण $\ce{Fe -> Fe^{2+} + 2e-}$ ऑक्सीकरण है या अपचयन? लोहा ऑक्सीकारक की तरह काम कर रहा है या अपचायक की तरह?

हल

हल — अभ्यास 35.4.

ऑक्सीकरण (इलेक्ट्रॉन खोए जाते हैं); लोहा अपचायक की तरह काम करता है।

अभ्यास 35.5 ★

अभिक्रिया $\ce{Zn + Cu^{2+} -> Zn^{2+} + Cu}$ में ऑक्सीकृत स्पीशीज़, अपचयित स्पीशीज़, ऑक्सीकारक और अपचायक के नाम बताइए, और हर जस्ता परमाणु के लिए स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या बताइए।

हल

हल — अभ्यास 35.5.

जस्ता ऑक्सीकृत होता है और अपचायक है; $\ce{Cu^{2+}}$ अपचयित होता है और ऑक्सीकारक है। प्रति जस्ता परमाणु दो इलेक्ट्रॉन।

अभ्यास 35.6 ★★

विधि 35.11 का चरण-दर-चरण पालन करते हुए, अम्लीय विलयन में युग्म $\ce{H2O2}$ / $\ce{H2O}$ का अर्ध-समीकरण संतुलित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 35.6.

$\ce{H2O2 -> H2O}$ से शुरू कीजिए: ऑक्सीजन: बाईं ओर दो O, इसलिए दाईं ओर $\ce{2H2O}$ ; हाइड्रोजन: बाईं ओर 2, दाईं ओर 4, इसलिए बाईं ओर $\ce{2H+}$ ; आवेश: बाईं ओर $+2$ , दाईं ओर 0, इसलिए बाईं ओर दो इलेक्ट्रॉन: $\ce{H2O2 + 2H+ + 2e- <=> 2H2O}$ ।

अभ्यास 35.7 ★★

आयोडीन $\ce{I2}$ और थायोसल्फ़ेट आयन $\ce{S2O3^{2-}}$ के बीच की अभिक्रिया का समीकरण लिखिए, जो आयोडाइड आयन और टेट्राथायोनेट आयन $\ce{S4O6^{2-}}$ देती है।

हल

हल — अभ्यास 35.7.

$\ce{I2 + 2e- -> 2I-}$ और $\ce{2S2O3^{2-} -> S4O6^{2-} + 2e-}$ ; दोनों में दो-दो इलेक्ट्रॉन, इसलिए $\ce{I2 + 2S2O3^{2-} -> 2I- + S4O6^{2-}}$ ।

अभ्यास 35.8 ★★

चाँदी के पेड़ वाली अभिक्रिया का समीकरण उसके दो अर्ध-समीकरणों से लिखिए, और समझाइए कि विलयन नीला क्यों हो जाता है।

हल

हल — अभ्यास 35.8.

$\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e-}$ और $2\times$ ( $\ce{Ag+ + e- -> Ag}$ ): $\ce{Cu + 2Ag+ -> Cu^{2+} + 2Ag}$ । बनने वाले $\ce{Cu^{2+}}$ आयन नीले होते हैं।

अभ्यास 35.9 ★★

विटामिन C, $\ce{C6H8O6}$ , आयोडीन $\ce{I2}$ से अभिक्रिया करता है। अभिक्रिया का समीकरण लिखिए, और बताइए कि कौन-सी स्पीशीज़ अपचायक है।

हल

हल — अभ्यास 35.9.

$\ce{C6H8O6 -> C6H6O6 + 2H+ + 2e-}$ और $\ce{I2 + 2e- -> 2I-}$ : $\ce{C6H8O6 + I2 -> C6H6O6 + 2I- + 2H+}$ । विटामिन C अपचायक है।

अभ्यास 35.10 ★★

ऐलुमिनियम कॉपर(II) आयनों से अभिक्रिया करता है। समीकरण लिखिए, और समझाइए कि अर्ध-समीकरणों को 2 से और 3 से गुणा क्यों करना पड़ता है।

हल

हल — अभ्यास 35.10.

$\ce{Al -> Al^{3+} + 3e-}$ 3 इलेक्ट्रॉन देता है, $\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$ 2 लेता है; सबसे छोटी उभयनिष्ठ संख्या 6 है, इसलिए पहले को 2 से और दूसरे को 3 से गुणा किया जाता है: $\ce{2Al + 3Cu^{2+} -> 2Al^{3+} + 3Cu}$ ।

अभ्यास 35.11 ★★

हाइड्रोजन परॉक्साइड अम्लीय विलयन में आयरन(II) आयनों को आयरन(III) आयनों में ऑक्सीकृत करता है। समीकरण लिखिए।

हल

हल — अभ्यास 35.11.

$\ce{H2O2 + 2H+ + 2e- -> 2H2O}$ और $2\times$ ( $\ce{Fe^{2+} -> Fe^{3+} + e-}$ ): $\ce{H2O2 + 2H+ + 2Fe^{2+} -> 2H2O + 2Fe^{3+}}$ ।

अभ्यास 35.12 ★★★

कॉपर(II) आयनों की अधिकता वाले विलयन में जस्ते की एक पट्टी का द्रव्यमान $1.30\,\mathrm{g}$ घटता है। ताँबे का कितना द्रव्यमान जमता है? लीजिए $M(\ce{Zn}) = 65.4\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ और $M(\ce{Cu}) = 63.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ।

हल

हल — अभ्यास 35.12.

$n(\ce{Zn}) = 1.30/65.4 = 1.99 \times 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ । ऑक्सीकृत होने वाले हर जस्ता परमाणु पर ताँबे का एक परमाणु जमता है, इसलिए $n(\ce{Cu}) = 1.99 \times 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ और $m(\ce{Cu}) = 1.99\times 10^{-2} \times 63.5 = 1.26\,\mathrm{g}$ ।

अभ्यास 35.13 ★★★

अम्लीय विलयन में डाइक्रोमेट आयनों द्वारा आयरन(II) आयनों के ऑक्सीकरण का समीकरण लिखिए। डाइक्रोमेट आयनों के $0.010\,\mathrm{mol}$ द्वारा $\ce{Fe^{2+}}$ की कितनी मात्रा ऑक्सीकृत होती है?

हल

हल — अभ्यास 35.13.

$\ce{Cr2O7^{2-} + 14H+ + 6e- -> 2Cr^{3+} + 7H2O}$ और $6\times$ ( $\ce{Fe^{2+} -> Fe^{3+} + e-}$ ): $\ce{Cr2O7^{2-} + 14H+ + 6Fe^{2+} -> 2Cr^{3+} + 6Fe^{3+} + 7H2O}$ । प्रति डाइक्रोमेट आयन छह $\ce{Fe^{2+}}$ : $6 \times 0.010 = 0.060\,\mathrm{mol}$ ।

अभ्यास 35.14 ★★★

ब्लीच में हाइपोक्लोराइट आयन $\ce{ClO-}$ और क्लोराइड आयन $\ce{Cl-}$ होते हैं। युग्मों $\ce{ClO-}$ / $\ce{Cl2}$ और $\ce{Cl2}$ / $\ce{Cl-}$ का उपयोग करके उस अभिक्रिया का समीकरण लिखिए जो ब्लीच के किसी अम्ल से मिलने पर होती है, और समझाइए कि ब्लीच और अम्लीय डीस्केलिंग उत्पादों, दोनों के लेबल उन्हें कभी न मिलाने की चेतावनी क्यों देते हैं।

हल

हल — अभ्यास 35.14.

$\ce{2ClO- + 4H+ + 2e- -> Cl2 + 2H2O}$ और $\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e-}$ ; जोड़कर और 2 से भाग देकर: $\ce{ClO- + Cl- + 2H+ -> Cl2 + H2O}$ । अम्ल $\ce{H+}$ आयन देता है, और अभिक्रिया डाइक्लोरीन, एक विषैली गैस, छोड़ती है: इसीलिए दोनों उत्पादों को कभी न मिलाने की चेतावनी।

अभ्यास 35.15 ★★★

जस्ते की सतह वाले चित्र में इलेक्ट्रॉन धातु से होकर जाते हैं, विलयन से होकर नहीं। प्रतिज्ञप्ति 35.8 का उपयोग करके समझाइए कि ताँबा स्वयं जस्ते की पट्टी पर ही क्यों जमता है, बीकर में कहीं और क्यों नहीं।

हल

हल — अभ्यास 35.15.

इलेक्ट्रॉन विलयन से होकर मुक्त रूप से नहीं जा सकते (प्रतिज्ञप्ति 35.8): जस्ता परमाणुओं द्वारा खोए गए इलेक्ट्रॉन केवल धातु को छूने वाला $\ce{Cu^{2+}}$ आयन ही ले सकता है। इसलिए ताँबे का परमाणु पट्टी की सतह पर बनता है, और वहीं रह जाता है।

35.6 समस्या: साँस परीक्षण

समस्या 35.1

सप्ताहांत समस्या — साँस-ऐल्कोहॉल नली का रसायन: दो युग्म, नारंगी से हरा रंग-परिवर्तन, एथेनॉल का वह द्रव्यमान जिसे एक नली पकड़ सकती है, और वह ईंधन सेल जिसने उसकी जगह ली

पहले साँस-ऐल्कोहॉल परीक्षणों में काँच की एक नली इस्तेमाल होती थी जो अम्ल में नारंगी पोटैशियम डाइक्रोमेट, $\ce{K2Cr2O7}$ , से लेपित सिलिका के दानों से भरी होती थी। नली से फूँकी गई साँस का एथेनॉल, $\ce{CH3CH2OH}$ , डाइक्रोमेट आयनों को हरे $\ce{Cr^{3+}}$ आयनों में अपचयित करता है और स्वयं एथेनोइक अम्ल, $\ce{CH3COOH}$ , में ऑक्सीकृत हो जाता है; हरे क्षेत्र की लंबाई एथेनॉल को मापती है। मान लीजिए कि एक नली में $2.0\,\mathrm{mg}$ पोटैशियम डाइक्रोमेट है। उपयोग कीजिए $M(\ce{K}) = 39.1$ , $M(\ce{Cr}) = 52.0$ , $M(\ce{O}) = 16.0$ , $M(\ce{C}) = 12.0$ , $M(\ce{H}) = 1.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $N_A = 6.02 \times 10^{23}\,\mathrm{mol}^{-1}$ और $e = 1.60 \times 10^{-19}\,\mathrm{C}$ ।

भाग I — दो युग्म।

इसमें शामिल दो अपचयोपचय युग्मों के नाम बताइए, ऑक्सीकारक पहले।
एथेनॉल ऑक्सीकृत होता है या अपचयित? वह ऑक्सीकारक है या अपचायक?
अम्लीय विलयन में युग्म $\ce{Cr2O7^{2-}}$ / $\ce{Cr^{3+}}$ का अर्ध-समीकरण लिखिए।
अम्लीय विलयन में युग्म $\ce{CH3COOH}$ / $\ce{CH3CH2OH}$ का अर्ध-समीकरण लिखिए।
नली में होने वाली अभिक्रिया का समीकरण निकालिए।

भाग II — एक नली क्या माप सकती है।

दानों के रंग-परिवर्तन को समझाइए।
पोटैशियम डाइक्रोमेट का मोलर द्रव्यमान निकालिए।
नली में डाइक्रोमेट आयनों की मात्रा निकालिए।
पूरी नली को हरा करने के लिए एथेनॉल की कितनी मात्रा चाहिए?
एक नली द्वारा मापा जा सकने वाला एथेनॉल का अधिकतम द्रव्यमान निकालिए।

भाग III — साँस से रक्त तक। एक व्यक्ति नली से $1.0\,\mathrm{L}$ साँस फूँकता है; हरा क्षेत्र उस तक पहुँचने वाले एथेनॉल के द्रव्यमान के अनुपात में बढ़ता है।

साँस में प्रति लीटर $0.25\,\mathrm{mg}$ एथेनॉल है। डाइक्रोमेट का कितना भाग इस्तेमाल होता है?
नली $10\,\mathrm{cm}$ लंबी है। हरा क्षेत्र कितना लंबा है?
साँस-विश्लेषक मानते हैं कि $2100\,\mathrm{L}$ साँस में उतना ही एथेनॉल होता है जितना $1\,\mathrm{L}$ रक्त में। प्रति लीटर रक्त एथेनॉल के द्रव्यमान का अनुमान ग्राम में लगाइए।
हरा क्षेत्र नली के प्रवेश-द्वार से शुरू होकर निकास की ओर क्यों बढ़ता है, बजाय इसके कि पूरी नली हल्की हरी हो जाए?
एक नली केवल एक बार ही क्यों इस्तेमाल की जा सकती है?

भाग IV — ईंधन सेल। पोटैशियम डाइक्रोमेट पर ये चित्रलेख होते हैं: । आधुनिक उपकरण इसके बजाय एक ईंधन सेल का उपयोग करते हैं, जिसमें साँस का एथेनॉल एक इलेक्ट्रोड पर डाइऑक्सीजन द्वारा ऑक्सीकृत होता है, और मुक्त हुए इलेक्ट्रॉन एक तार से होकर बहते हैं।

चित्रलेखों से पढ़कर दो कारण बताइए कि डाइक्रोमेट नलियाँ क्यों छोड़ दी गईं।
युग्म $\ce{O2}$ / $\ce{H2O}$ का उपयोग करके डाइऑक्सीजन द्वारा एथेनॉल के ऑक्सीकरण का समीकरण लिखिए।
एथेनोइक अम्ल में ऑक्सीकृत होते समय एथेनॉल का एक अणु कितने इलेक्ट्रॉन देता है?
$0.25\,\mathrm{mg}$ एथेनॉल के लिए एथेनॉल की मात्रा निकालिए, फिर मुक्त हुए इलेक्ट्रॉनों की संख्या।
ईंधन सेल से होकर बहने वाला विद्युत आवेश निकालिए। यह आवेश साँस में एथेनॉल का अच्छा माप क्यों है?

हल

हल — समस्या 35.1.

1. $\ce{Cr2O7^{2-}}$ / $\ce{Cr^{3+}}$ और $\ce{CH3COOH}$ / $\ce{CH3CH2OH}$ ।

2. एथेनॉल ऑक्सीकृत होता है: वह अपचायक है।

3. $\ce{Cr2O7^{2-} + 14H+ + 6e- <=> 2Cr^{3+} + 7H2O}$ ।

4. कार्बन संतुलित है (हर ओर दो)। ऑक्सीजन: बाईं ओर दो, दाईं ओर एक, इसलिए दाईं ओर $\ce{H2O}$ । हाइड्रोजन: बाईं ओर चार, दाईं ओर $6 + 2 = 8$ , इसलिए बाईं ओर $\ce{4H+}$ । आवेश: बाईं ओर $+4$ , दाईं ओर 0, इसलिए बाईं ओर चार इलेक्ट्रॉन: $\ce{CH3COOH + 4H+ + 4e- <=> CH3CH2OH + H2O}$ ।

5. बारह इलेक्ट्रॉन: पहले का $2\times$ , उलटे किए गए दूसरे का $3\times$ : $\ce{2Cr2O7^{2-} + 3CH3CH2OH + 16H+ -> 4Cr^{3+} + 3CH3COOH + 11H2O}$ ।

6. जहाँ भी एथेनॉल पहुँचता है, नारंगी $\ce{Cr2O7^{2-}}$ आयन हरे $\ce{Cr^{3+}}$ आयनों में अपचयित हो जाते हैं।

7. $M = 2\times 39.1 + 2\times 52.0 + 7\times 16.0 = 294.2\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ।

8. $n = 2.0\times 10^{-3}/294.2 = 6.8 \times 10^{-6}\,\mathrm{mol}$ ।

9. प्रति दो डाइक्रोमेट आयन एथेनॉल के तीन अणु: $n = \tfrac{3}{2}\times 6.8\times 10^{-6} = 1.0 \times 10^{-5}\,\mathrm{mol}$ ।

10. $M(\ce{C2H6O}) = 46.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , इसलिए $m = 1.02\times 10^{-5}\times 46.0 = 4.7 \times 10^{-4}\,\mathrm{g}$ , लगभग $0.47\,\mathrm{mg}$ ।

11. $0.25/0.47 \approx 0.53$ : डाइक्रोमेट का लगभग $53\,\%$ ।

12. $0.53 \times 10 \approx 5.3\,\mathrm{cm}$ ।

13. $0.25\,\mathrm{mg} \times 2100 = 525\,\mathrm{mg}$ प्रति लीटर रक्त, लगभग $0.53\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ ।

14. साँस सबसे पहले प्रवेश-द्वार पर दानों से मिलती है; वहाँ डाइक्रोमेट अधिकता में है और सारा एथेनॉल हटा देता है, इसलिए नली के पहले हिस्से में अभिक्रिया पूरी हो जाती है, जो पूरी तरह हरा हो जाता है, इससे पहले कि कोई एथेनॉल आगे पहुँचे।

15. अभिक्रिया पूर्ण है: हरे $\ce{Cr^{3+}}$ आयन वापस डाइक्रोमेट नहीं बनते, इसलिए इस्तेमाल की हुई नली दोबारा माप नहीं सकती।

16. यह तीव्र विषैला है (GHS06) और स्वास्थ्य के लिए गंभीर ख़तरा (GHS08: इसके ख़तरा-कथनों में “कैंसर का कारण बन सकता है” शामिल है), साथ ही संक्षारक और जलीय जीवन के लिए विषैला; आम लोगों द्वारा इस्तेमाल होने वाले उपकरण में यह नहीं होना चाहिए।

17. $\ce{O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O}$ और $\ce{CH3CH2OH + H2O -> CH3COOH + 4H+ + 4e-}$ : $\ce{CH3CH2OH + O2 -> CH3COOH + H2O}$ ।

18. चार इलेक्ट्रॉन।

19. $n = 0.25\times 10^{-3}/46.0 = 5.4 \times 10^{-6}\,\mathrm{mol}$ एथेनॉल; इलेक्ट्रॉन $4n = 2.2 \times 10^{-5}\,\mathrm{mol}$ , अर्थात $2.2\times 10^{-5}\times 6.02\times 10^{23} = 1.3 \times 10^{19}$ इलेक्ट्रॉन।

20. $Q = 1.3\times 10^{19}\times 1.60\times 10^{-19} \approx 2.1\,\mathrm{C}$ । एथेनॉल का हर अणु तार से होकर ठीक चार इलेक्ट्रॉन भेजता है, इसलिए आवेश एथेनॉल की मात्रा के समानुपाती है: उसे मापना एथेनॉल को मापना है।

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