इलेक्ट्रोलाइटिक सेल के उदाहरण प्रश्न और चर्चा
इलेक्ट्रोलाइटिक सेल एक ऐसा उपकरण है जिसका उपयोग विद्युत ऊर्जा को स्वतःस्फूर्त रासायनिक अभिक्रिया में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है, जबकि वोल्टाइक सेल या गैल्वेनिक सेल रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में, विद्युत धारा का उपयोग रासायनिक अभिक्रिया को प्रेरित करने के लिए किया जाता है, जो अतिरिक्त विद्युत ऊर्जा के बिना नहीं हो सकती। यह अवधारणा विभिन्न औद्योगिक अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण है, जैसे शुद्ध धातुओं का उत्पादन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन के उत्पादन के लिए जल का विद्युत अपघटन, और कई अन्य।
इस लेख में विद्युत अपघटन की समस्याओं के कई उदाहरणों और उनकी व्याख्याओं पर चर्चा की जाएगी, जिससे छात्रों को इलेक्ट्रोलाइटिक सेल की अवधारणा को और अधिक गहराई से समझने में मदद मिल सकेगी।
उदाहरण प्रश्न 1: NaCl विलयन का विद्युत अपघटन
पर्तयतन
सोडियम क्लोराइड (NaCl) के विलयन का विद्युतीकरण अक्रिय इलेक्ट्रोडों का उपयोग करके किया जाता है। कैथोड और एनोड पर होने वाली अभिक्रियाओं और प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर बनने वाले उत्पादों को लिखिए।
विचार-विमर्श
एक इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में दो इलेक्ट्रोड होते हैं: कैथोड (ऋणात्मक इलेक्ट्रोड) और एनोड (धनात्मक इलेक्ट्रोड)। NaCl विलयन का विद्युत अपघटन दो चरणों में होता है: कैथोड पर अभिक्रिया और एनोड पर अभिक्रिया।
1. कैथोड पर अभिक्रिया:
कैथोड पर, शामिल आयन Na⁺ आयन और H₂O आयन हैं। हालाँकि, H₂O आयनों का अपचयन विभव Na⁺ आयनों की तुलना में अधिक आसानी से होता है, क्योंकि उनका अपचयन विभव अधिक होता है।
कैथोड पर होने वाली अभिक्रिया इस प्रकार है:
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2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq) (अपचयन विभव = -0.83 V)
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कैथोड पर उत्पादित उत्पाद हाइड्रोजन गैस (H₂) है।
2. एनोड पर अभिक्रिया:
एनोड पर, शामिल आयन Cl⁻ आयन और H₂O आयन हैं। Cl⁻ आयन, H₂O आयनों की तुलना में अधिक आसानी से ऑक्सीकृत हो जाते हैं क्योंकि उनका ऑक्सीकरण विभव कम होता है।
एनोड पर होने वाली अभिक्रिया इस प्रकार है:
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2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻ (ऑक्सीकरण विभव = -1.36 V)
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एनोड पर उत्पन्न उत्पाद क्लोरीन गैस (Cl₂) है।
अतः, NaCl विलयन के विद्युत अपघटन में, कैथोड पर उत्पन्न उत्पाद हाइड्रोजन गैस (H₂) और एनोड पर उत्पन्न उत्पाद क्लोरीन गैस (Cl₂) होती है।
उदाहरण प्रश्न 2: तांबे के इलेक्ट्रोड के साथ CuSO₄ विलयन का विद्युत अपघटन
पर्तयतन
कॉपर इलेक्ट्रोड का उपयोग करके कॉपर(II) सल्फेट (CuSO₄) विलयन का विद्युत अपघटन किया गया। कैथोड और एनोड पर होने वाली अभिक्रियाएँ तथा प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर बनने वाले उत्पाद लिखिए।
विचार-विमर्श
इस मामले में, इलेक्ट्रोड अक्रिय नहीं है, बल्कि एक तांबे का इलेक्ट्रोड है, इसलिए इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया करेगा।
1. कैथोड पर अभिक्रिया:
कैथोड पर, एनोड पर मौजूद Cu²⁺ आयन अपचयित हो जाएंगे।
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Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s) (कमी क्षमता = +0.34 V)
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कैथोड पर उत्पादित उत्पाद ठोस तांबा (Cu) होता है जो इलेक्ट्रोड पर जमा हो जाता है।
2. एनोड पर अभिक्रिया:
एनोड पर, तांबे का इलेक्ट्रोड स्वयं ऑक्सीकृत हो जाएगा।
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Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻ (ऑक्सीकरण क्षमता = -0.34 V)
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एनोड पर उत्पन्न उत्पाद Cu²⁺ आयन हैं।
क्योंकि इलेक्ट्रोड तांबे का है, इसलिए विलयन में विद्युतीकृत Cu²⁺ आयनों की भरपाई एनोड इलेक्ट्रोड पर तांबे के घुलने से हो जाती है।
उदाहरण 3: जमा की गई धातु का द्रव्यमान
पर्तयतन
एक इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में, 0.2 मोल इलेक्ट्रॉन CuSO₄ विलयन से होकर प्रवाहित होते हैं। कैथोड पर कितने ग्राम तांबा जमा होगा?
विचार-विमर्श
प्रवाहित होने वाले इलेक्ट्रॉनों (F) के मोलों की संख्या का उपयोग करके जमा हुई धातु के मोलों की संख्या निर्धारित की जा सकती है। धातु जमाव के लिए फैराडे का समीकरण इस प्रकार है:
[ n = Q { Fz} \]
कहाँ:
– Q = आवेश की मात्रा (कूलम्ब में)
– F = फैराडे स्थिरांक (96500 C/mol)
– z = अभिक्रिया के प्रति मोल इलेक्ट्रॉनों की संख्या।
इस स्थिति में, Cu²⁺ दो इलेक्ट्रॉनों को अवशोषित करके Cu बन जाता है, इसलिए z = 2।
जमा हुए तांबे के मोलों की संख्या है:
[ n = 0.2 मोल इलेक्ट्रॉन 2 = 0.1 मोल Cu ]
जमा किए गए तांबे का वजन:
[ तांबे का द्रव्यमान = n × Mr]
जहां Mr तांबे का मोलर द्रव्यमान (63.5 ग्राम/मोल) है।
इसलिए:
तांबे का द्रव्यमान = 0.1 × 63.5 = 6.35 ग्राम
अतः कैथोड पर 6.35 ग्राम तांबा जमा होगा।
उदाहरण प्रश्न 4: KI विलयन का विद्युत अपघटन
पर्तयतन
KI विलयन का विद्युत अपघटन अक्रिय इलेक्ट्रोडों का उपयोग करके किया जाता है। कैथोड और एनोड पर होने वाली अभिक्रियाएँ तथा प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर बनने वाले उत्पाद लिखिए।
विचार-विमर्श
1. कैथोड पर अभिक्रिया:
कैथोड पर, शामिल आयन K⁺ और H₂O आयन हैं। H₂O आयन K⁺ आयनों की तुलना में अधिक आसानी से अपचयित हो जाते हैं।
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2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
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कैथोड पर उत्पादित उत्पाद हाइड्रोजन गैस (H₂) है।
2. एनोड पर अभिक्रिया:
एनोड पर, शामिल आयन I⁻ और H₂O आयन हैं। I⁻ आयन H₂O आयनों की तुलना में अधिक आसानी से ऑक्सीकृत होते हैं।
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2I⁻(aq) → I₂(s) + 2e⁻
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एनोड पर उत्पादित उत्पाद आयोडीन (I₂) है।
अतः, KI विलयन के विद्युत अपघटन में, कैथोड पर उत्पादित उत्पाद हाइड्रोजन गैस (H₂) है और एनोड पर उत्पादित उत्पाद आयोडीन (I₂) है।
पेनुतुप
रसायन विज्ञान के छात्रों और धातु विज्ञान, रासायनिक उत्पादन और ऊर्जा उद्योग जैसे क्षेत्रों में कार्यरत पेशेवरों के लिए इलेक्ट्रोलाइटिक सेल के सिद्धांतों और अनुप्रयोगों की ठोस समझ होना आवश्यक है। यह लेख इस समझ को सुदृढ़ करने के लिए विद्युत अपघटन के कई उदाहरण और उनके हल प्रस्तुत करता है। आशा है कि इन मूलभूत अवधारणाओं में महारत हासिल करने से वास्तविक दुनिया में आने वाली विभिन्न व्यावहारिक और सैद्धांतिक समस्याओं को हल करने में सहायता मिलेगी।
