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रासायनिक ऊर्जा: गर्मी, बंध ऊर्जा और सेल

रासायनिक अभिक्रिया में पुराने बंध टूटते हैं (ऊर्जा अंदर) और नए बंध बनते हैं (ऊर्जा बाहर)। अगर बाहर ज़्यादा जाए तो अभिक्रिया ऊष्माक्षेपी है और गर्मी निकलती है (ΔH ऋणात्मक)। अगर अंदर ज़्यादा जाए तो ऊष्माशोषी है (ΔH धनात्मक)। बंध ऊर्जाओं से: ΔH = बंध तोड़ने की ऊर्जा − बंध बनने पर निकली ऊर्जा। अगर रेडॉक्स अभिक्रिया के इलेक्ट्रॉन सीधे कूदने की जगह तार से गुज़रें, तो ऊर्जा बिजली बनकर निकलती है: यही गैल्वेनिक सेल है, जैसे Zn–Cu का 1.1 V। सेलों को श्रेणी में जोड़ने से बैटरी बनती है। प्राथमिक सेल एक बार चलते हैं, द्वितीयक सेल रीचार्ज होते हैं और ईंधन सेल में बाहर से ईंधन दिया जाता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. बंध तोड़ो तो ऊर्जा अंदर जाती है; बंध बनाओ तो बाहर आती है। H₂ + Cl₂ → 2HCl में 679 kJ अंदर और 862 kJ बाहर: 183 kJ गर्मी बचती है।
  2. गर्मी बाहर यानी ऊष्माक्षेपी और थर्मामीटर चढ़ता है। गर्मी अंदर यानी ऊष्माशोषी और थर्मामीटर उतरता है।
  3. कॉपर सल्फ़ेट में ज़िंक डालो: इलेक्ट्रॉन सीधे कूद जाते हैं और सारी ऊर्जा गर्मी बनकर निकल जाती है।
  4. धातुओं को दो बीकर में रखकर तार और लवण सेतु से जोड़ो। इलेक्ट्रॉन तार से दौड़कर बल्ब जलाते हैं: गैल्वेनिक सेल।
  5. श्रृंखला में जुड़े सेल बैटरी बनाते हैं और उनके वोल्टेज जुड़ते हैं। कुछ सेल एक बार चलते हैं, कुछ रीचार्ज होते हैं और ईंधन सेल को बाहर से ईंधन मिलता है।
  6. करके देखो: धातुओं की जोड़ी और सेलों की संख्या चुनो। वोल्टेज और बल्ब की चमक पढ़ो।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

अगर बंध तोड़ने में ऊर्जा लगती है तो अभिक्रिया गर्मी बाहर कैसे दे सकती है?

क्योंकि नए बंध बनने पर पुराने बंध तोड़ने में लगी ऊर्जा से ज़्यादा ऊर्जा निकलती है। बचा हुआ हिस्सा ही वह गर्मी है जो तुम महसूस करते हो।

क्या ठंडी होने वाली अभिक्रिया ऊर्जा संरक्षण का नियम तोड़ती है?

नहीं। ऊष्माशोषी अभिक्रिया आसपास से ऊर्जा लेकर उत्पादों में जमा कर लेती है, इसलिए कुल ऊर्जा वही रहती है।

कॉपर सल्फ़ेट में रखी ज़िंक की पट्टी बिजली क्यों नहीं बनाती?

इलेक्ट्रॉन बहुत छोटी दूरी पर कूदते हैं, इसलिए उनकी ऊर्जा गर्मी बन जाती है। उपयोग के लिए तार का रास्ता चाहिए।

क्या सच में इलेक्ट्रॉन Zn से Cu की ओर बहते हैं?

हाँ। ज़िंक ज़्यादा सक्रिय धातु है, इसलिए वह इलेक्ट्रॉन बाहर धकेलता है। वे तार से कॉपर तक जाते हैं। धारा की पुरानी परिपाटी Cu से Zn की ओर है।

तीन सेल एक से ज़्यादा वोल्टेज क्यों देते हैं?

श्रेणी में हर सेल इलेक्ट्रॉनों को नया धक्का देता है, इसलिए धक्के जुड़ते हैं: 3 × 1.1 V = 3.3 V।

बड़ा वोल्टेज कैसे पाऊँ?

सक्रियता में दूर की दो धातुएँ चुनो और श्रेणी में ज़्यादा सेल लगाओ। 'करके देखो' में Mg–Cu के 4 सेल आज़माओ।

बंध ऊर्जा: अभिक्रिया में गर्मी क्यों बदलती है

अणु में परमाणु बंधों से जुड़े होते हैं। जुड़े दो परमाणुओं को अलग करने में ऊर्जा लगानी पड़ती है। परमाणु जुड़ते हैं तो ऊर्जा निकलती है। एक मोल बंध की ऊर्जा बंध ऊर्जा (kJ/mol) कहलाती है।

अभिक्रिया दोनों करती है: अभिकारकों के बंध तोड़ना (ऊर्जा अंदर), फिर उत्पादों के बंध बनाना (ऊर्जा बाहर)।

ΔH = बंध तोड़ने की ऊर्जा − बंध बनने पर निकली ऊर्जा

उदाहरण, H₂ + Cl₂ → 2HCl। H–H (436) और Cl–Cl (243) तोड़ना = 679 kJ अंदर। 2 H–Cl (2 × 431) बनना = 862 kJ बाहर। ΔH = 679 − 862 = −183 kJ प्रति मोल अभिक्रिया। ऋण चिह्न का मतलब है ऊर्जा निकली।

ऊष्माक्षेपी और ऊष्माशोषी अभिक्रियाएँ

ऊष्माक्षेपीऊष्माशोषी
गर्मीआसपास को निकलती हैआसपास से ली जाती है
थर्मामीटरचढ़ता हैउतरता है
उत्पाद बनाम अभिकारकउत्पादों में ऊर्जा कमउत्पादों में ऊर्जा ज़्यादा
ΔHऋणात्मकधनात्मक
उदाहरणईंधन जलना, ज़ंग लगना, अम्ल + क्षारNH₄NO₃ पानी में, खाने का सोडा + सिट्रिक अम्ल, प्रकाश-संश्लेषण

कुल ऊर्जा कभी नष्ट नहीं होती: वह पदार्थों और आसपास के बीच सिर्फ़ चलती रहती है।

सीधी अभिक्रिया से गर्मी: कॉपर सल्फ़ेट में ज़िंक

Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu। ज़िंक परमाणु दो इलेक्ट्रॉन सीधे कॉपर आयनों को दे देते हैं। ज़िंक पर लाल-भूरा ताँबा जमता है और बीकर गरम हो जाता है। यह एक रेडॉक्स अभिक्रिया है: इलेक्ट्रॉन एक पदार्थ से दूसरे में जाते हैं।

इलेक्ट्रॉन बहुत छोटी दूरी पर कूदते हैं, इसलिए सारी ऊर्जा गर्मी बनकर दिखती है। इस ऊर्जा से हम बल्ब नहीं जला सकते।

अभिक्रिया से बिजली: गैल्वेनिक सेल

अगर दोनों अर्ध-अभिक्रियाओं को अलग रखें और इलेक्ट्रॉनों को तार से गुज़रना पड़े, तो ऊर्जा विद्युत धारा बनकर निकलती है। यही गैल्वेनिक (वोल्टीय) सेल है।

वोल्टेज दोनों धातुओं की सक्रियता के अंतर से बढ़ता है: Zn–Cu लगभग 1.1 V, Mg–Cu लगभग 2.7 V, Fe–Cu लगभग 0.8 V। एक ही धातु की दो पट्टियाँ 0 V देती हैं।

बैटरियाँ

बैटरी श्रेणी में (एक के बाद एक) जुड़े सेलों का समूह है। उनके वोल्टेज जुड़ते हैं। तीन 1.1 V के सेल 3.3 V देते हैं।

पुरानी बैटरियों में ऐसी धातुएँ होती हैं जो मिट्टी को नुक़सान पहुँचाती हैं। उन्हें संग्रह-पेटी में डालो, आग में कभी नहीं।

करके देखो: पहले अनुमान, फिर जाँच

चरण 6 से पहले अनुमान लगाओ कि श्रेणी में 4 Zn–Cu सेलों का वोल्टेज कितना होगा (उत्तर: 4.4 V), फिर स्लाइडर से जाँचो। घर पर बड़े के साथ: एक नींबू में ताँबे का सिक्का और जस्ता चढ़ी (गैल्वेनाइज़्ड) कील 2 cm दूरी पर गाड़ो और दोनों को जीभ से छुओ। हल्की झनझनाहट सेल दिखाती है। ऊष्माशोषी महसूस करने के लिए: थोड़े सिरके में एक चम्मच खाने का सोडा घोलो और गिलास पकड़ो। वह ठंडा हो जाता है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. बंध ऊर्जाएँ: H–H 436, Cl–Cl 243, H–Cl 431 kJ/mol। H₂ + Cl₂ → 2HCl के लिए ΔH निकालो।

अंदर: 436 + 243 = 679 kJ। बाहर: 2 × 431 = 862 kJ। ΔH = 679 − 862 = −183 kJ। ऊष्माक्षेपी।

2. N≡N 945, H–H 436 और N–H 391 kJ/mol हैं। N₂ + 3H₂ → 2NH₃ के लिए ΔH निकालो।

अंदर: 945 + 3 × 436 = 2253 kJ। बाहर: 6 × 391 = 2346 kJ। ΔH = 2253 − 2346 = −93 kJ। ऊष्माक्षेपी।

3. पहली अभिक्रिया की उलटी, 2HCl → H₂ + Cl₂, के लिए ΔH क्या होगा?

चिह्न पलट जाता है: ΔH = +183 kJ। ऊर्जा देनी पड़ती है, इसलिए यह ऊष्माशोषी है।

4. एक बैटरी में 4 Zn–Cu सेल श्रेणी में हैं (हर एक 1.1 V)। उसका वोल्टेज क्या है?

V = 4 × 1.1 = 4.4 V।

5. Zn–Cu सेल में तार में इलेक्ट्रॉन किस ओर बहते हैं, और किस इलेक्ट्रोड का द्रव्यमान घटता है?

इलेक्ट्रॉन ज़िंक से कॉपर की ओर बहते हैं। ज़िंक (ऐनोड) का द्रव्यमान घटता है क्योंकि वह Zn²⁺ आयन बन जाता है, और कॉपर का बढ़ता है क्योंकि उस पर Cu जमता है।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. बंध तोड़ने में ऊर्जा ______ होती है और बंध बनने में ______ होती है।
2. कोल्ड पैक ठंडा होता है क्योंकि उसमें अभिक्रिया है:
3. Zn–Cu सेल में इलेक्ट्रॉन बहते हैं:
4. श्रेणी में तीन 1.5 V के सेल की बैटरी देती है:
5. कौन-सा सेल रीचार्ज हो सकता है?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

ऊष्माक्षेपी और ऊष्माशोषी अभिक्रिया में क्या अंतर है?

ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया गर्मी छोड़ती है (ΔH ऋणात्मक) और ऊष्माशोषी गर्मी सोखती है (ΔH धनात्मक)।

बंध ऊर्जा से ऊर्जा परिवर्तन कैसे निकालते हैं?

ΔH = अभिकारकों के बंध तोड़ने की ऊर्जा − उत्पादों के बंध बनने पर निकली ऊर्जा।

गैल्वेनिक सेल कैसे काम करता है?

ज़्यादा सक्रिय धातु ऐनोड पर इलेक्ट्रॉन खोती है। वे तार से कैथोड तक जाते हैं, जहाँ आयन उन्हें पाते हैं। लवण सेतु आवेश संतुलित रखता है और बहते इलेक्ट्रॉन विद्युत धारा देते हैं।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

चीन高一Ch.6 Reactions and energy

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