विद्युत रसायन विज्ञान संबंधी चर्चा प्रश्नों का उदाहरण
विद्युत रसायन विज्ञान, रसायन विज्ञान की वह शाखा है जो रासायनिक अभिक्रियाओं और विद्युत ऊर्जा में होने वाले परिवर्तनों के बीच संबंध का अध्ययन करती है। विद्युत रसायन विज्ञान में दो मुख्य अवधारणाएँ हैं: ऑक्सीकरण (इलेक्ट्रॉनों का मुक्त होना) और अपचयन (इलेक्ट्रॉनों का ग्रहण करना)। इन प्रक्रियाओं को दो प्रकार की विद्युत रासायनिक कोशिकाओं में देखा जा सकता है: वोल्टाइक कोशिकाएँ (गैल्वेनिक कोशिकाएँ) और इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाएँ। विद्युत रसायन विज्ञान को समझने में आपकी सहायता के लिए नीचे कुछ उदाहरण प्रश्न और उनके स्पष्टीकरण दिए गए हैं।
उदाहरण प्रश्न 1: वोल्टाइक सेल
सवाल:
एक वोल्टाइक सेल दिया गया है जिसमें जस्ता (Zn) और तांबा (Cu) इलेक्ट्रोड एक सॉल्ट ब्रिज के माध्यम से जुड़े हुए हैं। Zn को 1 M ZnSO4 विलयन में और Cu को 1 M CuSO4 विलयन में डुबोया जाता है। प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर होने वाली अभिक्रियाओं को लिखिए और वोल्टाइक सेल के विभवांतर (EMF) की गणना कीजिए। मानक इलेक्ट्रोड विभव डेटा:
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0.34 \, \text{V} \]
बहस:
पहला चरण होने वाली रेडॉक्स प्रतिक्रिया का निर्धारण करना है। वोल्टाइक सेल में, एक स्वतःस्फूर्त रेडॉक्स प्रतिक्रिया होती है जहाँ
जस्ता (Zn) का ऑक्सीकरण होता है:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– तांबे (Cu) का अपचयन होता है:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
वोल्टाइक सेल में कुल रेडॉक्स अभिक्रिया इस प्रकार है:
[ Zn (s) + Cu²⁺ (aq) → Zn²⁺ (aq) + Cu (s) ]
इसके बाद, हम कोशिका विभव अंतर की गणना करेंगे:
[ E_{\text{cell}} = E^o_{\text{cathode}} – E^o_{\text{anode}} \]
कहाँ:
कैथोड वह इलेक्ट्रोड है जहां अपचयन (Cu) होता है।
– एनोड वह इलेक्ट्रोड है जहां ऑक्सीकरण (जिंक) होता है।
ताकि,
[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
[ E_{\text{sel}} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} = 1.10 \, \text{V} \]
केसम्पुलान:
– एनोड (जिंक) पर होने वाली प्रतिक्रिया:
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– कैथोड (Cu) पर होने वाली प्रतिक्रिया:
\[ \text{Cu}^{2+} (aq) + 2e^- \rightarrow \text{Cu (s)} \]
– सेल विभव अंतर (ईएमएफ): 1.10 वोल्ट
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उदाहरण प्रश्न 2: इलेक्ट्रोलाइटिक सेल
सवाल:
NaCl विलयन के विद्युत अपघटन में, यदि प्लैटिनम (Pt) जैसे अक्रिय इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है, तो कैथोड और एनोड पर होने वाली अभिक्रियाओं का वर्णन कीजिए। 1 ग्राम Cl2 उत्पन्न करने के लिए आवश्यक कुल आवेश की गणना कीजिए। (Ar Cl = 35.5)
बहस:
पहला चरण यह है कि NaCl नमक के विलयन में प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर होने वाली प्रतिक्रियाओं को लिख लें।
– कैथोड पर (अपचयन):
इस प्रक्रिया में, पानी से H+ आयनों का अपचयन होगा:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– एनोड पर (ऑक्सीकरण):
Cl- आयन का ऑक्सीकरण होकर Cl2 गैस बन जाएगा:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
कुल प्रतिक्रिया:
अतः NaCl विलयन के विद्युत अपघटन में होने वाली कुल अभिक्रिया इस प्रकार है:
\[ 2NaCl(aq) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g) \]
1 ग्राम Cl2 उत्पन्न करने के लिए आवश्यक आवेश की गणना करने के लिए, हमें Cl2 के मोलों की संख्या निर्धारित करनी होगी:
Cl₂ का द्रव्यमान = 1 ग्राम
[Ar Cl}_2 = 2 × 35.5 = 71 ग्राम/मोल]
Cl₂ के मोलों की संख्या = 1/71 मोल
एनोड पर अभिक्रिया समीकरण के आधार पर, 2 मोल इलेक्ट्रॉनों से 1 मोल Cl2 उत्पन्न होता है:
[ 2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^- \]
दूसरे शब्दों में, Cl2 के 1 मोल को इलेक्ट्रॉनों के 2 मोल की आवश्यकता होती है।
इलेक्ट्रॉनों के मोलों की संख्या:
इलेक्ट्रॉनों के मोलों की संख्या = 2 × 1/71 = 2/71 मोल
आवश्यक आवेश की गणना फैराडे मान (F = 96485 C/mol e^-) का उपयोग करके की जा सकती है:
[ Q = n × F ]
[ Q = \left(\frac{2}{71} \text{ mol}\right) \times 96485 \text{ C/mol} \]
[ Q = 2718 C ]
केसम्पुलान:
– कैथोड पर होने वाली प्रतिक्रिया:
\[ 2H_2O(l) + 2e^- \rightarrow H_2(g) + 2OH^-(aq) \]
– एनोड पर अभिक्रिया:
\[ 2Cl^-(aq) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^- \]
– 1 ग्राम Cl2 उत्पन्न करने के लिए आवश्यक कुल आवेश 2718 C है।
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उदाहरण 3: नेर्नस्ट संबंध और गैर-मानक स्थितियाँ
सवाल:
0.1 M सिल्वर आयन सांद्रता वाले Ag/Ag+ इलेक्ट्रोड और 0.01 M सांद्रता वाले Zn/Zn2+ इलेक्ट्रोड से बने वोल्टाइक सेल की विभव की गणना कीजिए। मानक इलेक्ट्रोड विभव क्या है?
\[ E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} = +0.80 \, \text{V} \]
\[ E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0.76 \, \text{V} \]
बहस:
पहला कदम है होने वाली प्रतिक्रियाओं को लिख लेना:
– एनोड पर ऑक्सीकरण (जिंक):
\[ \text{Zn (s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+} (aq) + 2e^- \]
– कैथोड (Ag) पर अपचयन:
\[ \text{Ag}^{+} (aq) + e^- \rightarrow \text{Ag (s)} \]
कुल प्रतिक्रिया:
[ Zn(s) + 2 Ag⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + 2 Ag(s)]
नेर्नस्ट समीकरण पर आधारित:
[ E_{\text{Cell}} = E^o_{\text{Cell}} – \left( \frac{0.0592}{n} \right) \log \left( \frac{[\text{product}]}{[\text{reactant}]} \right) \]
कहाँ:
[ n = 2 \]
सबसे पहले, E^o_{\text{Sel}} की गणना करें:
[ E^o_{\text{Sel}} = E^o_{\text{Ag}^{+}/\text{Ag}} – E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} \]
\[ E^o_{\text{Sel}} = 0.80 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E^o_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
इसके बाद, दी गई सांद्रता पर वास्तविक कोशिका विभव की गणना करें:
\[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{[\text{Zn}^{2+}]}{[\text{Ag}^{+}]^2} \right) \]
[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – \left( \frac{0.0592}{2} \right) \log \left( \frac{0.01}{(0.1)^2} \right) \]
[ E_{\text{Sel}} = 1.56 \, \text{V} – 0.0296 \log \left( \frac{0.01}{0.01} \right) \]
[ E_{\text{Cell}} = 1.56 \, \text{V} \]
केसम्पुलान:
– एनोड और कैथोड पर होने वाली अभिक्रियाएँ समान रहती हैं।
दी गई सांद्रता पर सेल का विभव 1.56 V है।
यह लेख विद्युत रसायन विज्ञान में कई प्रकार की समस्याओं को हल करने का तरीका बताता है, जिनमें वोल्टाइक सेल, इलेक्ट्रोलाइटिक सेल और नेर्नस्ट समीकरण का उपयोग करके की जाने वाली गणनाएँ शामिल हैं। रेडॉक्स अभिक्रियाओं के सिद्धांतों की गहन समझ और विद्युत रासायनिक डेटा का उपयोग करने की क्षमता इन प्रकार की समस्याओं को हल करने में सफलता के लिए आवश्यक है।
