रेडॉक्स अभिक्रियाएँ

• प्राचीन ऑक्सीकरण: किसी पदार्थ में ऑक्सीजन या किसी अन्य विद्युत-ऋणात्मक तत्व या मूलक का जुड़ना, अथवा किसी पदार्थ से हाइड्रोजन या किसी अन्य विद्युत-धनात्मक तत्व या मूलक का निकलना ऑक्सीकरण कहलाता है।
  उदाहरण:
  • $2\text{Mg}(s) + \text{O}_2(g) \to 2\text{MgO}(s)$ (ऑक्सीजन का जुड़ना)
  • $2\text{H}_2\text{S}(g) + \text{O}_2(g) \to 2\text{S}(s) + 2\text{H}_2\text{O}(l)$ ($\text{H}_2\text{S}$ से हाइड्रोजन का निष्कासन)
  • $\text{Fe}(s) + \text{S}(s) \to \text{FeS}(s)$ (विद्युत-ऋणात्मक सल्फर का जुड़ना)
  • $2\text{KI} + \text{Cl}_2 \to 2\text{KCl} + \text{I}_2$ (आयोडीन से विद्युत-धनात्मक पोटैशियम का निष्कासन)
• प्राचीन अपचयन: किसी पदार्थ में हाइड्रोजन या किसी अन्य विद्युत-धनात्मक तत्व या मूलक का जुड़ना, अथवा किसी पदार्थ से ऑक्सीजन या किसी अन्य विद्युत-ऋणात्मक तत्व या मूलक का निकलना अपचयन कहलाता है।
  उदाहरण:
  • $\text{CuO}(s) + \text{H}_2(g) \to \text{Cu}(s) + \text{H}_2\text{O}(l)$ ($\text{CuO}$ से ऑक्सीजन का निष्कासन)
  • $\text{Cl}_2(g) + \text{H}_2(g) \to 2\text{HCl}(g)$ (क्लोरीन में हाइड्रोजन का जुड़ना)
  • $2\text{HgCl}_2(aq) + \text{SnCl}_2(aq) \to \text{Hg}_2\text{Cl}_2(s) + \text{SnCl}_4(aq)$ (विद्युत-धनात्मक मर्करी का जुड़ना)
  • $2\text{FeCl}_3(aq) + \text{H}_2(g) \to 2\text{FeCl}_2(aq) + 2\text{HCl}(aq)$ (विद्युत-ऋणात्मक क्लोरीन का निष्कासन)

ऑक्सीकरण संख्या निर्धारण के अंतरराष्ट्रीय नियम:

1. मुक्त तात्विक अवस्था: मुक्त या अपररूप अवस्था में प्रत्येक तत्व की ऑक्सीकरण संख्या सदैव शून्य ($0$) होती है। उदा. $\text{O}_2, \text{O}_3, \text{P}_4, \text{S}_8, \text{H}_2, \text{Cl}_2, \text{Fe}(s), \text{Na}(s) = 0$।
2. एक-परमाणुक आयन: एक-परमाणुक आयन की ऑक्सीकरण संख्या उसके वास्तविक आयनिक आवेश के बराबर होती है। उदा. $\text{Na}^+ (+1), \text{Mg}^{2+} (+2), \text{Al}^{3+} (+3), \text{Cl}^- (-1), \text{O}^{2-} (-2)$।
3. फ्लोरीन: आवर्त सारणी का सर्वाधिक विद्युत-ऋणात्मक तत्व होने के कारण सभी यौगिकों में फ्लोरीन की ऑक्सीकरण संख्या सदैव $-1$ होती है।
4. ऑक्सीजन:
   • सामान्य ऑक्साइडों (जैसे $\text{H}_2\text{O}, \text{CaO}, \text{CO}_2$) में ऑक्सीजन $-2$ होती है।
   • परऑक्सी बंध ($-O-O-$) युक्त यौगिकों (जैसे $\text{H}_2\text{O}_2, \text{Na}_2\text{O}_2$) में $-1$ होती है।
   • सुपरऑक्साइडों (जैसे $\text{KO}_2, \text{RbO}_2$) में $-1/2$ होती है।
   • ऑक्सीजन फ्लोराइडों में धनात्मक होती है: $\text{OF}_2$ में $+2$ तथा $\text{O}_2\text{F}_2$ में $+1$।
5. हाइड्रोजन: अधातुओं के साथ $+1$, किंतु सक्रिय धातु हाइड्राइडों ($\text{NaH}, \text{CaH}_2, \text{LiAlH}_4$) में $-1$ होती है।
6. क्षार व क्षारीय मृदा धातुएँ: वर्ग 1 की धातुएँ सदैव $+1$ तथा वर्ग 2 की धातुएँ सदैव $+2$ होती हैं।
7. बीजगणितीय योग:
   • उदासीन अणु के सभी परमाणुओं की ऑक्सीकरण संख्याओं का योग शून्य होता है: $\sum \text{O.N.} = 0$।
   • बहुपरमाणुक आयन में सभी परमाणुओं की ऑक्सीकरण संख्याओं का योग आयन के कुल आवेश के बराबर होता है: $\sum \text{O.N.} = z$।

1. संयोजन अभिक्रियाएँ (Combination Reactions): जिसमें दो या अधिक पदार्थ मिलकर एक नया यौगिक बनाते हैं। रेडॉक्स होने हेतु कम से कम एक अभिकारक तात्विक रूप में होना चाहिए। $$\overset{0}{\text{C}}(s) + \overset{0}{\text{O}_2}(g) \to \overset{+4}{\text{C}}\overset{-2}{\text{O}_2}(g) \quad (\text{कार्बन ऑक्सीकृत तथा ऑक्सीजन अपचयित})$$ $$3\overset{0}{\text{Mg}}(s) + \overset{0}{\text{N}_2}(g) \to \overset{+2}{\text{Mg}}_3\overset{-3}{\text{N}}_2(s) \quad (\text{मैग्नीशियम ऑक्सीकृत तथा नाइट्रोजन अपचयित})$$
2. अपघटन अभिक्रियाएँ (Decomposition Reactions): जिसमें कोई यौगिक टूटकर दो या अधिक सरल उत्पाद बनाता है। कम से कम एक उत्पाद मुक्त तत्व होना चाहिए। $$2\overset{+1}{\text{H}_2}\overset{-1}{\text{O}_2}(l) \to 2\overset{+1}{\text{H}_2}\overset{-2}{\text{O}}(l) + \overset{0}{\text{O}_2}(g) \quad (\text{रेडॉक्स अपघटन})$$ $$2\overset{+1}{\text{K}}\overset{+5}{\text{Cl}}\overset{-2}{\text{O}_3}(s) \xrightarrow{\text{MnO}_2, \Delta} 2\overset{+1}{\text{K}}\overset{-1}{\text{Cl}}(s) + 3\overset{0}{\text{O}_2}(g) \quad (\text{Cl अपचयित तथा O ऑक्सीकृत})$$
3. विस्थापन अभिक्रियाएँ (Displacement Reactions):
   • धातु विस्थापन: सक्रियता श्रेणी में ऊपर स्थित अधिक सक्रिय धातु कम सक्रिय धातु को उसके लवण के विलयन से विस्थापित कर देती है: $$\overset{0}{\text{Zn}}(s) + \overset{+2}{\text{Cu}}\overset{+6}{\text{S}}\overset{-2}{\text{O}_4}(aq) \to \overset{+2}{\text{Zn}}\overset{+6}{\text{S}}\overset{-2}{\text{O}_4}(aq) + \overset{0}{\text{Cu}}(s)$$
   • अधातु विस्थापन:
     हाइड्रोजन विस्थापन: ऋणात्मक विभव वाली सक्रिय धातुएँ अम्लों या जल से हाइड्रोजन गैस मुक्त करती हैं: $$\overset{0}{\text{Fe}}(s) + 2\overset{+1}{\text{H}}\overset{-1}{\text{Cl}}(aq) \to \overset{+2}{\text{Fe}}\overset{-1}{\text{Cl}_2}(aq) + \overset{0}{\text{H}_2}(g)$$
     हैलोजन विस्थापन: हैलोजनों की ऑक्सीकारक क्षमता $\text{F}_2 > \text{Cl}_2 > \text{Br}_2 > \text{I}_2$ होती है। अधिक सक्रिय हैलोजन कम सक्रिय हैलाइड को विस्थापित करती है: $$\overset{0}{\text{Cl}_2}(g) + 2\overset{+1}{\text{K}}\overset{-1}{\text{Br}}(aq) \to 2\overset{+1}{\text{K}}\overset{-1}{\text{Cl}}(aq) + \overset{0}{\text{Br}_2}(l)$$
4. विषमानुपातन अभिक्रियाएँ (Disproportionation / Auto-Redox): वह विशिष्ट रेडॉक्स अभिक्रिया जिसमें मध्यवर्ती ऑक्सीकरण अवस्था में उपस्थित एक ही तत्व युगपत ऑक्सीकृत और अपचयित होकर दो भिन्न उत्पाद बनाता है।
   अनिवार्य शर्त: तत्व की कम से कम तीन ऑक्सीकरण अवस्थाएँ होनी चाहिए और अभिकारक में वह मध्यवर्ती अवस्था में होना चाहिए।
5. प्रति-विषमानुपातन अभिक्रियाएँ (Comproportionation): भिन्न ऑक्सीकरण अवस्थाओं में उपस्थित एक ही तत्व वाले दो अभिकारक मिलकर मध्यवर्ती अवस्था का एक उत्पाद बनाते हैं (विषमानुपातन का विपरीत): $$2\overset{-2}{\text{H}_2\text{S}}(g) + \overset{+4}{\text{S}}\overset{-2}{\text{O}_2}(g) \to 3\overset{0}{\text{S}}(s) + 2\overset{+1}{\text{H}_2}\overset{-2}{\text{O}}(l)$$

रेडॉक्स अभिकर्मक का $n$-कारक निर्धारण:

डैनियल सेल के मुख्य भाग:

• एनोड अर्ध-सेल: जिंक सल्फेट ($\text{ZnSO}_4, 1.0\text{ M}$) विलयन में डूबी जिंक की छड़। यहाँ ऑक्सीकरण होता है और यह ऋणात्मक ध्रुव ($-$) है: $$\text{Zn}(s) \to \text{Zn}^{2+}(aq) + 2e^- \quad (\text{ऑक्सीकरण अर्ध-अभिक्रिया})$$
• कैथोड अर्ध-सेल: कॉपर सल्फेट ($\text{CuSO}_4, 1.0\text{ M}$) विलयन में डूबी कॉपर की छड़। यहाँ अपचयन होता है और यह धनात्मक ध्रुव ($+$) है: $$\text{Cu}^{2+}(aq) + 2e^- \to \text{Cu}(s) \quad (\text{अपचयन अर्ध-अभिक्रिया})$$
• बाह्य परिपथ: धात्विक तार द्वारा एनोड से कैथोड की ओर इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होते हैं। परंपरागत विद्युत धारा कॉपर से जिंक की ओर बहती है।
• कुल सेल अभिक्रिया: दोनों अर्ध-अभिक्रियाओं का योग: $$\text{Zn}(s) + \text{Cu}^{2+}(aq) \to \text{Zn}^{2+}(aq) + \text{Cu}(s) \quad (E^\circ_{\text{cell}} = +1.10\text{ V})$$

मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (SHE) की विशेषताएं:

• प्लैटिनम ब्लैक लेपित प्लैटिनम पन्नी पर 1 बार दाब पर शुद्ध $\text{H}_2$ गैस $1.0\text{ M H}^+$ आयन युक्त विलयन में प्रवाहित की जाती है।
• अंतरराष्ट्रीय मानक के अनुसार सभी तापों पर SHE का विभव शून्य ($0.00\text{ V}$) माना गया है: $$E^\circ(\text{H}^+/\text{H}_2) = 0.00\text{ V}$$

• यदि $E^\circ_{\text{सेल}} > 0 \implies \Delta G^\circ < 0$: सेल अभिक्रिया स्वतःप्रवर्तित होगी और विद्युत उत्पन्न करेगी।
• यदि $E^\circ_{\text{सेल}} < 0 \implies \Delta G^\circ > 0$: अग्र अभिक्रिया अस्वतःप्रवर्तित होगी।
• यदि $E^\circ_{\text{सेल}} = 0 \implies \Delta G^\circ = 0$: सेल साम्यावस्था में है (बैटरी समाप्त)।