मानक इलेक्ट्रोड विभव डेटा के उपयोग पर चर्चा करने वाले उदाहरण प्रश्न
मानक इलेक्ट्रोड विभव (E°) रसायन विज्ञान में, विशेष रूप से रेडॉक्स और विद्युत रासायनिक अभिक्रियाओं को समझने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह रेडॉक्स अभिक्रियाओं की दिशा का पूर्वानुमान लगाने और ऑक्सीकरण एवं अपचयन अभिकारकों की प्रबलता की तुलना करने का एक तरीका प्रदान करता है। यह लेख वास्तविक परिस्थितियों में इसके अनुप्रयोग को दर्शाने के लिए मानक इलेक्ट्रोड विभव डेटा के उपयोग के कई उदाहरण प्रस्तुत करेगा।
मानक इलेक्ट्रोड विभवों का परिचय
मानक इलेक्ट्रोड विभव किसी तत्व या यौगिक की मानक परिस्थितियों (1 M, 1 atm, और 25°C) में इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने या खोने की प्रवृत्ति को मापता है। मानक इलेक्ट्रोड विभव को वोल्ट (V) में व्यक्त किया जाता है और इसकी तुलना अक्सर मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड विभव (SHE) से की जाती है, जिसे 0 V माना जाता है।
उदाहरण प्रश्न 1: स्वतःस्फूर्त प्रतिक्रियाओं का निर्धारण
सवाल:
गणना कीजिए कि निम्नलिखित अभिक्रिया स्वतः घटित होगी या नहीं:
[ Zn²⁺ + Cu → Zn + Cu²⁺]
आवश्यक मानक इलेक्ट्रोड विभव इस प्रकार हैं:
– \(\text{Zn}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Zn} \) \( E° = -0.76 \, \text{V} \)
– \(\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \) \( E° = +0.34 \, \text{V} \)
बहस:
1. अर्ध-कोशिका अभिक्रियाओं को परिभाषित करें:
अपचयन अर्ध-कोशिका अभिक्रिया:
– ऑक्सीकरण अर्ध-अभिक्रिया: \[\text{Zn}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Zn} \, \text{(अपचयन, E° = -0.76 V)} \]
– अपचयन अर्ध-अभिक्रिया: \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(अपचयन, E° = +0.34 V)} \]
2. अभिक्रिया की पहचान:
कम विभव वाली अभिक्रिया को उलट दें ताकि वह ऑक्सीकरण अभिक्रिया बन जाए:
– \[\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e^{-} \, \text{(ऑक्सीकरण, E° = +0.76 V)} \]
शेष प्रतिक्रियाएँ:
– \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(कमी, E° = +0.34 V)} \]
3. कुल E° (सेल पोटेंशियल) की गणना करें:
– [ E°_{\text{cell}} = E°_{\text{reduction}} + E°_{\text{oxidation}} = +0.34 \, \text{V} + (+0.76 \, \text{V}) = +1.10 \, \text{V} \]
चूंकि कोशिका विभव (E°_{\text{cell}}) धनात्मक है, इसलिए यह प्रतिक्रिया स्वतःस्फूर्त है।
उदाहरण प्रश्न 2: संतुलन विभव का निर्धारण
सवाल:
मानक तापमान पर निम्नलिखित अभिक्रिया के लिए सेल विभव की गणना कीजिए:
\[ \text{Fe}^{2+} + \text{Ag} \rightarrow \text{Fe} + \text{Ag}^{+} \]
मानक इलेक्ट्रोड विभव:
– \(\text{Fe}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Fe} \) \( E° = -0.44 \, \text{V} \)
– \(\text{Ag}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Ag} \) \( E° = +0.80 \, \text{V} \)
बहस:
1. अर्ध-कोशिका अभिक्रियाओं को परिभाषित करें:
अपचयन अर्ध-कोशिका अभिक्रिया:
– \[\text{Fe}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Fe} \, \text{(अपचयन, E° = -0.44 V)} \]
– \[\text{Ag}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Ag} \, \text{(अपचयन, E° = +0.80 V)} \]
2. अर्ध-अभिक्रियाओं की पहचान करें:
उस प्रतिक्रिया को उलट दें जिसका ऋणात्मक मान कम हो (अधिक धनात्मक हो):
– \[\text{Fe} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + 2e^{-} \, \text{(ऑक्सीकरण, E° = +0.44 V)} \]
शेष प्रतिक्रियाएँ:
– \[\text{Ag}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Ag} \, \text{(अपचयन, E° = +0.80 V)} \]
3. कुल E° (सेल पोटेंशियल) की गणना करें:
– [ E°_{\text{cell}} = E°_{\text{reduction}} + E°_{\text{oxidation}} = +0.80 \, \text{V} + (+0.44 \, \text{V}) = +1.24 \, \text{V} \]
सकारात्मक सेल पोटेंशियल यह दर्शाता है कि यह प्रतिक्रिया मानक परिस्थितियों में स्वतः संपन्न होती है।
उदाहरण 3: गिब्स मुक्त ऊर्जा की गणना
सवाल:
निम्नलिखित अभिक्रिया के लिए गिब्स मुक्त ऊर्जा (ΔG) में परिवर्तन ज्ञात कीजिए:
[ Al + Cu²⁺ → Al³⁺ + Cu]
मानक इलेक्ट्रोड विभव को देखते हुए:
– \(\text{Al}^{3+} + 3e^{-} \rightarrow \text{Al} \) \( E° = -1.66 \, \text{V} \)
– \(\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \) \( E° = +0.34 \, \text{V} \)
बहस:
1. अर्ध-कोशिका अभिक्रियाओं को परिभाषित करें:
अपचयन अर्ध-कोशिका अभिक्रिया:
– \[\text{Al}^{3+} + 3e^{-} \rightarrow \text{Al} \, \text{(अपचयन, E° = -1.66 V)} \]
– \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(कमी, E° = +0.34 V)} \]
2. अभिक्रिया की पहचान:
कम विभव वाली अभिक्रिया को उलट दें ताकि वह ऑक्सीकरण अभिक्रिया बन जाए:
– \[\text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3e^{-} \, \text{(ऑक्सीकरण, E° = +1.66 V)} \]
शेष प्रतिक्रियाएँ:
– \[\text{Cu}^{2+} + 2e^{-} \rightarrow \text{Cu} \, \text{(कमी, E° = +0.34 V)} \]
3. इलेक्ट्रॉन संतुलन:
अभिक्रिया के लिए इलेक्ट्रॉनों की संख्या को बराबर करें:
– 2 \(\text{Al} \rightarrow 2\text{Al}^{3+} + 6e^{-} \) \[\text{(ऑक्सीकरण, E° = +1.66 V)} \]
– 3 \(\text{Cu}^{2+} + 6e^{-} \rightarrow 3\text{Cu} \) \[\text{(कमी, E° = +0.34 V)} \]
4. कुल E° (सेल पोटेंशियल) की गणना करें:
– \[ E°_{\text{cell}} = (+0.34 \, \text{V} \times 3) + (+1.66 \, \text{V} \times 2) \]
यहां त्रुटि है: औसत:
– \[ E°_{\text{cell}} = +0.34 \, \text{V} + +1.66 \, \text{V} = +2.00 \, \text{V}\]
5. ΔG की गणना करें:
सूत्र: \(\Delta G = -nFE_{\text{cell}}\)
– [n = 6 इलेक्ट्रॉन]
– [F = 96485 C/mol]
– [ ΔG = -6 × 96485 C/mol × +2.00 V]
– \[ = -1157820 \, \text{J/mol} \]
– \[ = -1157.82 \, \text{kJ/mol}\]
अतः, ऋणात्मक ΔG यह दर्शाता है कि यह अभिक्रिया स्वतःस्फूर्त है।
निष्कर्ष
मानक इलेक्ट्रोड विभव डेटा, रेडॉक्स अभिक्रिया की दिशा का अनुमान लगाने, उसकी संभावना और गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन के साथ उसके संबंध को समझने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करता है। ऊपर दिया गया उदाहरण दर्शाता है कि इस डेटा का उपयोग रेडॉक्स अभिक्रिया की स्वतःप्रवृत्तता और उससे संबंधित ऊर्जा गणनाओं को निर्धारित करने के लिए कैसे किया जा सकता है। रसायन विज्ञान के छात्रों या अध्ययनरत किसी भी व्यक्ति के लिए, मानक इलेक्ट्रोड विभव डेटा और इसके अनुप्रयोगों को समझना, अधिक जटिल विद्युत रासायनिक अभिक्रियाओं को समझने के लिए एक आवश्यक आधार है।
