इलेक्ट्रोड: अपने आयन-घोल में धातु
ज़िंक की छड़ ज़िंक सल्फेट घोल में डुबाओ। कुछ Zn परमाणु इलेक्ट्रॉन छड़ पर छोड़कर Zn²⁺ बनकर घोल में जाते हैं। कुछ Zn²⁺ इलेक्ट्रॉन लेकर लौट आते हैं। छड़ और घोल के बीच छोटा-सा आवेश-अंतर बनता है।
इस धातु–आयन जोड़ी को इलेक्ट्रोड या अर्ध-सेल कहते हैं, और रेडॉक्स युग्म Zn²⁺/Zn (ऑक्सीकृत रूप / अपचित रूप) लिखते हैं।
यह आवेश-अंतर उसका इलेक्ट्रोड विभव है। घोल 1 M, गैस 1 bar और ताप 298 K हो तो यह मानक इलेक्ट्रोड विभव E° है।
करके देखो: 3D का चरण 1 अकेला अर्ध-सेल दिखाता है।
डेनियल सेल: रेडॉक्स दो बीकरों में
एक ही बीकर में Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu से सिर्फ़ ऊष्मा मिलती है। अगर Zn को ZnSO₄ में और Cu को CuSO₄ में रखें और तार से जोड़ें, तो इलेक्ट्रॉन को तार से जाना पड़ता है। यह डेनियल सेल है।
- ज़िंक इलेक्ट्रोड: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (ऑक्सीकरण)। यह ऐनोड है, ऋण सिरा।
- कॉपर इलेक्ट्रोड: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (अपचयन)। यह कैथोड है, धन सिरा।
- तार में इलेक्ट्रॉन ऐनोड से कैथोड की ओर बहते हैं। वोल्टमीटर लगभग 1.10 V दिखाता है।
सेल संकेतन: Zn(s) | Zn²⁺(aq) || Cu²⁺(aq) | Cu(s)। ऐनोड बाएँ, | सीमा, || लवण सेतु।
करके देखो: 3D के चरण 2 में पीले इलेक्ट्रॉनों को तार पर चलते देखो।
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बाएँ बीकर में Zn²⁺ आते जाते हैं, तो वह धनात्मक होने लगता है। दाएँ से Cu²⁺ घटते हैं, तो वह ऋणात्मक होने लगता है। यह आवेश जल्दी ही बहाव रोक देगा।
लवण सेतु (जैली में KCl या KNO₃ भरी U-नली) आयनों को चलने देता है: ऋण आयन ऐनोड की ओर, धन आयन कैथोड की ओर। यह दोनों घोलों को उदासीन रखता है और परिपथ पूरा करता है, घोलों को मिलने नहीं देता।
करके देखो: चरण 3 में सेतु हटा है और मीटर 0 V दिखाता है।
मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (SHE)
अकेले इलेक्ट्रोड का विभव नहीं माप सकते; हमेशा जोड़ी चाहिए। इसलिए एक इलेक्ट्रोड को शून्य चुनते हैं: मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड। प्लैटिनम को 1 M H⁺ में डुबाकर उस पर 1 bar की शुद्ध H₂ गैस बहाते हैं। इसका विभव हर ताप पर 0.00 V माना जाता है।
किसी भी इलेक्ट्रोड को SHE से जोड़ो। मीटर की पढ़ाई, चिह्न के साथ, उसका मानक विभव है। कॉपर के साथ 0.34 V और कॉपर कैथोड है, तो E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 V। ज़िंक के साथ 0.76 V पर ज़िंक ऐनोड है, तो E°(Zn²⁺/Zn) = −0.76 V।
विद्युत-रासायनिक श्रेणी और E°सेल
अपचयन विभवों को क्रम में लिखने पर विद्युत-रासायनिक श्रेणी मिलती है:
Li⁺/Li −3.04 · Mg²⁺/Mg −2.37 · Zn²⁺/Zn −0.76 · Fe²⁺/Fe −0.44 · H⁺/H₂ 0.00 · Cu²⁺/Cu +0.34 · Ag⁺/Ag +0.80 · F₂/F⁻ +2.87 V
- ज़्यादा ऋणात्मक E° → प्रबल अपचायक (आसानी से इलेक्ट्रॉन देता है)। इस सूची में Li सबसे प्रबल।
- ज़्यादा धनात्मक E° → प्रबल ऑक्सीकारक (आसानी से इलेक्ट्रॉन लेता है)। F₂ सबसे प्रबल।
- ऋणात्मक E° वाली धातु तनु अम्ल से H₂ निकालती है; धनात्मक E° वाली नहीं।
- कम E° वाला इलेक्ट्रोड ऐनोड बनता है।
E°सेल = E°(कैथोड) − E°(ऐनोड)। धनात्मक E°सेल का मतलब अभिक्रिया अपने आप चलती है।
करके देखो: चरण 5 में बाएँ Mg और दाएँ Ag चुनो। पहले E°सेल का अंदाज़ा लगाओ।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- E°सेल = E°(कैथोड) − E°(ऐनोड)
- ऐनोड: ऑक्सीकरण (ऋण सिरा); कैथोड: अपचयन (धन सिरा)
- E°(SHE) = 0.00 V (माना गया)
- सेल संकेतन: ऐनोड | ऐनोड आयन || कैथोड आयन | कैथोड
- E°सेल > 0 → अभिक्रिया स्वतः
हल किए गए उदाहरण
1. डेनियल सेल का E°सेल निकालो। E°(Zn²⁺/Zn) = −0.76 V, E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 V।
Zn कम है → ऐनोड। E°सेल = 0.34 − (−0.76) = +1.10 V।
2. Mg–Cu सेल का E°सेल निकालो। E°(Mg²⁺/Mg) = −2.37 V।
Mg ऐनोड। E°सेल = 0.34 − (−2.37) = +2.71 V।
3. Zn–Ag सेल का E°सेल निकालो। E°(Ag⁺/Ag) = +0.80 V।
Zn ऐनोड। E°सेल = 0.80 − (−0.76) = +1.56 V। अभिक्रिया: Zn + 2Ag⁺ → Zn²⁺ + 2Ag।
4. Fe–Cu सेल का E°सेल निकालो। E°(Fe²⁺/Fe) = −0.44 V।
Fe ऐनोड। E°सेल = 0.34 − (−0.44) = +0.78 V।
5. ज़िंक को SHE से जोड़ने पर 0.76 V आता है और ज़िंक ऐनोड है। E°(Zn²⁺/Zn) क्या है?
E°सेल = E°(SHE) − E°(Zn) → 0.76 = 0 − E°(Zn) → E°(Zn²⁺/Zn) = −0.76 V।
6. क्या Cu, Ag⁺ का अपचयन कर सकता है? क्या Ag, Cu²⁺ का?
Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag: E° = 0.80 − 0.34 = +0.46 V > 0, हाँ। Ag + Cu²⁺: E° = 0.34 − 0.80 = −0.46 V < 0, नहीं।
7. Fe²⁺/Fe और Ag⁺/Ag से बने सेल का संकेतन और सेल अभिक्रिया लिखो।
Fe कम → ऐनोड। Fe(s) | Fe²⁺(aq) || Ag⁺(aq) | Ag(s)। अभिक्रिया: Fe + 2Ag⁺ → Fe²⁺ + 2Ag। E°सेल = 0.80 − (−0.44) = +1.24 V।
आम गलतियाँ
- समीकरण संतुलित करते समय E° को इलेक्ट्रॉन की संख्या से गुणा करना। समीकरण गुणा करने पर E° नहीं बदलता।
- ऐनोड को धन कहना। बिजली बनाने वाले सेल में ऐनोड ऋण होता है।
- गलत क्रम में घटाना। हमेशा कैथोड घटा ऐनोड।
- सोचना कि लवण सेतु इलेक्ट्रॉन ले जाता है। वह आयन ले जाता है; इलेक्ट्रॉन सिर्फ़ तार से जाते हैं।