अर्ध-प्रतिक्रियाओं या इलेक्ट्रॉन आयन की विधि द्वारा रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं का समायोजन

रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं या ऑक्साइड कमी प्रतिक्रियाएं रासायनिक प्रक्रियाएं होती हैं जिनमें इलेक्ट्रॉनों का शुद्ध स्थानान्तरण एक रासायनिक प्रजाति से होता है जो ऑक्सीकरण होता है जो कि कम हो जाता है । इस प्रकार की प्रतिक्रियाओं को परीक्षण और त्रुटि जैसे पारंपरिक तरीकों से समायोजित करना मुश्किल होता है, इसलिए वैकल्पिक तरीके विकसित किए गए हैं जो प्रक्रिया को सुविधाजनक बनाते हैं। इन विधियों में से एक अर्ध-प्रतिक्रिया विधि है, जिसे इलेक्ट्रॉन आयन विधि भी कहा जाता है ।

अर्ध-प्रतिक्रिया या इलेक्ट्रॉन आयन की विधि क्या है?

अर्ध-प्रतिक्रिया विधि में रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के समीकरणों को संतुलित या समायोजित करने के लिए चरणों का एक सेट होता है। यह विधि इस विचार पर आधारित है कि रेडॉक्स प्रक्रियाएं वास्तव में दो प्रक्रियाओं के युग्मन से मिलकर बनती हैं जिन्हें अलग-अलग माना जा सकता है, जो ऑक्सीकरण और कमी हैं।

आधी-प्रतिक्रियाओं की विधि या इलेक्ट्रॉन आयन की विधि में, ऑक्सीकरण और कमी की आधी-प्रतिक्रियाओं के समीकरणों को बाद में पहले से ही संतुलित वैश्विक समीकरण में दोनों समीकरणों को संयोजित करने के लिए अलग-अलग समायोजित किया जाता है।

ऑक्सीकरण और आधा प्रतिक्रियाओं में कमी

ऑक्सीकरण एक रासायनिक प्रक्रिया है जिसके दौरान एक परमाणु या परमाणुओं का समूह एक या एक से अधिक इलेक्ट्रॉनों को खो देता है या छोड़ देता है । यह प्रक्रिया अनिवार्य रूप से मूल प्रजातियों को बनाने वाले कुछ परमाणुओं के ऑक्सीकरण राज्य में वृद्धि का तात्पर्य है।

दूसरी ओर, कमी को ऑक्सीकरण के विपरीत प्रक्रिया के रूप में समझा जाता है। अपचयन रासायनिक प्रक्रिया है जिसके दौरान एक रासायनिक प्रजाति एक या अधिक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करती है । जब ऐसा होता है, तो इस रासायनिक प्रजाति को बनाने वाले कुछ परमाणुओं की ऑक्सीकरण स्थिति कम हो जाती है, क्योंकि यह एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त कर रहा है जिसका आवेश ऋणात्मक है।

एक ही प्रक्रिया के दो भाग

मुक्त इलेक्ट्रॉन बेहद अस्थिर प्रजातियां हैं, इसलिए ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया है जो स्वतंत्र रूप से नहीं हो सकती है, विशेष परिस्थितियों को छोड़कर। दूसरे शब्दों में, ऐसा नहीं हो सकता है कि एक परमाणु अनायास एक इलेक्ट्रॉन को आगे की हलचल के बिना जारी करता है, और यह इलेक्ट्रॉन बना रहता है, इसलिए बोलने के लिए, “चारों ओर तैरता हुआ”। यह केवल अत्यधिक ऊर्जावान स्थितियों में होता है, जैसे कि प्लाज्मा में, या जब किसी सामग्री पर किसी प्रकार के उच्च ऊर्जा विकिरण के साथ बमबारी की जाती है। नतीजतन, ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाएं केवल तभी हो सकती हैं जब एक ही समय में एक अन्य प्रजाति जारी किए गए इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने में सक्षम हो।

इसे देखते हुए, ऑक्सीकरण और कमी को स्वयं में रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं माना जा सकता है, बल्कि एक ही प्रक्रिया के दो भाग हैं, यही कारण है कि उन्हें अर्ध-प्रतिक्रिया या अर्ध-प्रतिक्रिया कहा जाता है, हालांकि बाद वाले शब्द का प्रयोग शायद ही कभी किया जाता है स्पेनिश रासायनिक साहित्य।

रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं को समायोजित करने के लिए अर्ध-प्रतिक्रिया विधि

अगला, इलेक्ट्रॉन आयन विधि या अर्ध-प्रतिक्रिया विधि का उपयोग करके एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया के समीकरण को संतुलित करने के चरणों का विस्तृत विवरण दिया जाएगा।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह विधि दो प्रकारों को स्वीकार करती है जो इस बात पर निर्भर करती है कि प्रतिक्रिया एसिड माध्यम में या बुनियादी माध्यम में की जाती है या नहीं। अधिकांश साहित्य में प्रक्रिया के विभिन्न चरणों के दौरान थोड़े अलग चरणों का पालन करते हुए, इन दो विधियों को अलग-अलग विस्तृत किया गया है। हालांकि, एक अम्लीय माध्यम में एक रेडॉक्स-समायोजित प्रतिक्रिया को तीन बहुत ही सरल चरणों के माध्यम से आसानी से मूल माध्यम में परिवर्तित किया जा सकता है। इस कारण से, हमें लगता है कि यह सीखना अधिक सुविधाजनक है कि एसिड माध्यम (जो आसान है) में प्रतिक्रियाओं को कैसे स्थापित किया जाए और यदि आवश्यक हो तो इसे मूल माध्यम में बदल दिया जाए।

इस प्रक्रिया को स्पष्ट करने के लिए, हम निम्नलिखित रेडॉक्स प्रतिक्रिया को फिट करेंगे जो मूल माध्यम में होती है:

चरण 0 (वैकल्पिक): आयनिक समीकरण प्राप्त करने के लिए सभी भंग आयनिक प्रजातियों को अलग कर दें

इलेक्ट्रॉन आयन विधि द्वारा समायोजन प्रक्रिया बहुत सरल है यदि सभी दर्शक आयनों को अर्ध-प्रतिक्रियाओं से बाहर रखा गया है, अर्थात वे सभी आयन जो सीधे ऑक्सीकरण या कमी में शामिल नहीं हैं, लेकिन फिर भी प्रतिक्रिया में मौजूद हैं। मूल आयनिक यौगिकों का हिस्सा।

ऐसा करने के लिए पहला कदम सभी घुलित आयनिक प्रजातियों, यानी लवण, अम्ल और क्षार को अलग करना है। वे आयन जो समीकरण के दोनों ओर पूरी तरह से अपरिवर्तित दिखाई देते हैं, दर्शक आयन होंगे। हमारे उदाहरण के मामले में, आयनिक समीकरण इस प्रकार होगा:

इस समीकरण को देखते हुए, यह स्पष्ट है कि पोटेशियम केशन प्रतिक्रिया में शामिल नहीं है और इसलिए एक दर्शक आयन है। फिर, शुद्ध आयनिक समीकरण जिसे हम समायोजित करेंगे, इस आयन को समाप्त करने के बाद होगा:

यह कदम हमेशा जरूरी नहीं है, क्योंकि कुछ मामलों में हम सीधे शुद्ध आयनिक समीकरण से शुरू करते हैं (वह जिसमें दर्शक आयन अब मौजूद नहीं हैं), और अन्य में समीकरण इतना सरल है कि इन आयनों की उपस्थिति नहीं होती है प्रतिक्रिया समायोजन प्रक्रिया में हस्तक्षेप।

चरण 1: उन प्रजातियों की पहचान करें जिनका ऑक्सीकरण और अपचयन हो रहा है।

अगले चरण में रासायनिक समीकरण में मौजूद सभी परमाणुओं की ऑक्सीकरण अवस्था का निर्धारण करना शामिल है, ताकि यह पता चल सके कि कौन से परमाणु ऑक्सीकरण अवस्था में परिवर्तन से गुजरे हैं। आवश्यक रूप से कम से कम एक परमाणु होना चाहिए जो ऑक्सीकृत हो और एक जो कम हो, और यह एक ही परमाणु भी हो सकता है (जिस स्थिति में हम एक विशेष प्रकार की रेडॉक्स प्रतिक्रिया की उपस्थिति में होते हैं जिसे डिसम्यूटेशन कहा जाता है)।

ऑक्सीकरण राज्यों को कैसे निर्धारित किया जाए, इस बारे में पूरी व्याख्या देना इस लेख का उद्देश्य नहीं है, लेकिन आइए बुनियादी नियमों के रूप में याद रखें कि:

• तात्विक पदार्थों में ऑक्सीकरण अवस्था 0 होती है।
• एकपरमाणुक धनायनों और ऋणायनों की ऑक्सीकरण अवस्था उनके आवेश के अनुरूप होती है।
• सभी ऑक्साइड और ऑक्सीजन में, ऑक्सीजन में -2 ऑक्सीकरण अवस्थाएँ होती हैं।
• हाइड्राइड्स के अपवाद के साथ, जहां इसकी ऑक्सीकरण अवस्था -1 है, हाइड्रोजन में हमेशा उन सभी यौगिकों में +1 ऑक्सीकरण अवस्था होती है, जिनमें से यह एक हिस्सा है।
• अन्य ऑक्सीकरण राज्यों की गणना इस तरह से की जाती है कि सभी ऑक्सीकरण राज्यों का योग प्रश्न में प्रजातियों के शुद्ध प्रभार से मेल खाता है।

निम्नलिखित समीकरण हमारे उदाहरण में शामिल सभी प्रजातियों के ऑक्सीकरण राज्यों को प्रस्तुत करता है:

जैसा कि हम देख सकते हैं, ऑक्सीकरण राज्यों को बदलने वाले परमाणु मैंगनीज और आयोडीन हैं। परमैंगनेट आयन में मैंगनीज को +7 से घटाकर +4 किया जा रहा है, जबकि आयोडाइड को मौलिक आयोडीन में ऑक्सीकरण किया जा रहा है, -1 से 0 ऑक्सीकरण अवस्था में जा रहा है।

चरण 2: समग्र अभिक्रिया को ऑक्सीकरण और अपचयन अर्ध-प्रतिक्रियाओं में अलग करें।

अब जब हम जानते हैं कि कौन सी प्रजातियां ऑक्सीकृत और कम हो रही हैं, तो हम समग्र प्रतिक्रिया को दो अर्ध-प्रतिक्रियाओं में विभाजित कर सकते हैं:

ध्यान दें कि, चूंकि हाइड्रॉक्साइड आयन सीधे ऑक्सीकरण या कमी प्रक्रिया में शामिल नहीं होते हैं, इसलिए उन्हें किसी भी अर्ध-प्रतिक्रिया में शामिल नहीं किया गया था।

चरण 3: दो अर्ध-प्रतिक्रियाओं को अलग-अलग संतुलित करें जैसे कि वे एक अम्लीय माध्यम में हों।

जैसा कि शुरुआत में बताया गया है, चाहे प्रतिक्रिया एक एसिड माध्यम में होती है या यदि यह बुनियादी है, तो हम इसे समायोजित करना शुरू कर देंगे जैसे कि यह एक एसिड माध्यम में हुआ हो। बाद में, यदि आवश्यक हो, तो इसे मूल माध्यम में परिवर्तित कर दिया जाएगा। अम्ल माध्यम में अर्ध-प्रतिक्रियाओं के समायोजन में निम्नलिखित 5 चरण होते हैं, जिन्हें एक साथ दोनों अर्ध-प्रतिक्रियाओं पर लागू किया जा सकता है:

• ऑक्सीकरण राज्यों को बदलने वाले परमाणुओं की संख्या को समायोजित करें।

हमारे मामले में, कमी से कोई बदलाव नहीं होता है, क्योंकि प्रत्येक तरफ एक मैंगनीज होता है, लेकिन ऑक्सीकरण होता है:

• यदि आवश्यक हो तो दर्शक आयन जोड़कर ऑक्सीजन या हाइड्रोजन के अलावा किसी भी चीज़ के लिए समायोजित करें।

हमारे उदाहरण में यह आवश्यक नहीं है, क्योंकि हम शुरुआत में ही सभी दर्शक आयनों को हटा देते हैं।

• जहां वे गायब हैं वहां पानी के अणुओं को जोड़कर ऑक्सीजन की संख्या को समायोजित करें।

हमारे मामले में, अर्ध-प्रतिक्रिया में ऑक्सीज़न की संख्या को समायोजित करना आवश्यक है, लेकिन ऑक्सीकरण में नहीं:

• ^{प्रोटॉन (H +} ) जोड़कर हाइड्रोजन की संख्या को समायोजित करें जहाँ वे गायब हैं:

दोबारा, ऑक्सीकरण अपरिवर्तित रहता है क्योंकि इसमें हाइड्रोजन परमाणु शामिल नहीं होते हैं, लेकिन कमी में हमें उन्हें समायोजित करने की आवश्यकता होती है:

• ^{इलेक्ट्रॉनों (e –} ) को जोड़कर कुल विद्युत आवेश को समायोजित करें जहाँ ऋणात्मक आवेश या अतिरिक्त धनात्मक आवेश हैं (टिप: वे लगभग हमेशा प्रोटॉन के समान ही होते हैं):

जैसा कि देखा जा सकता है, अपचयन अर्ध-प्रतिक्रिया में उत्पादों पर शुद्ध आवेश 0 होता है, लेकिन अभिकारकों पर +4 – 1 = +3 का शुद्ध आवेश होता है, अर्थात अधिशेष धनात्मक आवेश होते हैं। इस कारण से, हमें इस अतिरिक्त आवेश की भरपाई के लिए अभिकारकों के पक्ष में तीन इलेक्ट्रॉनों को जोड़ना होगा:

दूसरी ओर, ऑक्सीकरण के मामले में, अभिकारकों की ओर -2 और उत्पादों पर 0 का शुद्ध आवेश होता है, इसलिए उत्पादों पर कोई ऋणात्मक आवेश नहीं होता है, इसलिए संतुलन के लिए इस तरफ 2 इलेक्ट्रॉनों को जोड़ा जाना चाहिए प्रभार:

संकेत

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इस प्रक्रिया द्वारा इलेक्ट्रॉनों का जोड़ (उनका इलाज जैसे कि वे आयन थे, इसलिए नाम आयन-इलेक्ट्रॉन विधि) शामिल विभिन्न प्रजातियों के ऑक्सीकरण राज्यों से स्वतंत्र रूप से किया जाता है। हालाँकि, यह आवश्यक है कि इलेक्ट्रॉनों की संख्या और उनका स्थान ऑक्सीकरण अवस्थाओं में देखे गए परिवर्तनों से मेल खाता हो।

इस प्रकार, अपचयन अर्ध-प्रतिक्रियाओं में, इलेक्ट्रॉनों को हमेशा समीकरण के बाईं ओर होना चाहिए और ऑक्सीकरण में उन्हें हमेशा दाईं ओर होना चाहिए, जैसा कि हमारे उदाहरण में हुआ।

साथ ही, इलेक्ट्रॉनों की संख्या ऑक्सीकरण अवस्था में परिवर्तन से मेल खाना चाहिए। मैंगनीज को +7 से घटाकर +4 कर दिया जाता है, इसलिए इसकी ऑक्सीकरण स्थिति में -3 ​​परिवर्तन होता है, जो 3 इलेक्ट्रॉनों के योग के अनुरूप होता है। आयोडाइड के मामले में, यह +1 के परिवर्तन के अनुरूप -1 से 0 में बदल जाता है, लेकिन दो आयोडाइड होते हैं, इसलिए संबंधित समीकरण में प्रस्तुत एक के बजाय दो इलेक्ट्रॉनों को छोड़ दिया जाता है।

चरण 4: यदि संभव हो तो कारकों को सरल करते हुए, प्रत्येक अर्ध-प्रतिक्रिया को दूसरे में इलेक्ट्रॉनों की संख्या से गुणा करें।

यह कदम ऑक्सीकरण के दौरान जारी इलेक्ट्रॉनों की संख्या को कम करने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बराबर करना चाहता है। यह सुनिश्चित करता है कि प्रतिक्रिया के अंत में कोई “अनाथ” इलेक्ट्रॉन नहीं हैं या कोई इलेक्ट्रॉन गायब नहीं है। यदि दोनों अर्ध-प्रतिक्रियाएँ समान संख्या में इलेक्ट्रॉनों को छोड़ती हैं या लेती हैं, तो यह चरण आवश्यक नहीं है।

हमारे उदाहरण में, प्रत्येक ऑक्सीकरण अर्ध-प्रतिक्रिया 2 इलेक्ट्रॉनों को छोड़ती है, लेकिन प्रत्येक कमी अर्ध-प्रतिक्रिया में 3 की आवश्यकता होती है, इसलिए प्रत्येक 2 बार की कमी के लिए ऑक्सीकरण को 3 बार होने की आवश्यकता होती है:

परिणाम है:

चरण 5: संतुलित शुद्ध आयनिक समीकरण प्राप्त करने के लिए दोनों अर्ध-प्रतिक्रियाओं को जोड़ें।

इन दो अर्ध-प्रतिक्रियाओं का परिणाम एक अम्लीय माध्यम में समायोजित शुद्ध आयनिक समीकरण में होता है:

चरण 6 (केवल क्षारीय माध्यम के लिए): अम्लीय माध्यम को क्षारीय माध्यम में बदलें।

चरण 5 के अंत में हमारे पास पहले से ही एक एसिड माध्यम में समायोजित नेट आयनिक समीकरण है। हालांकि, प्रतिक्रिया एसिड माध्यम के बजाय मूल में हो सकती है। यदि यह स्थिति है, तो पिछले समीकरण को मूल माध्यम में बदलना होगा। यह तीन सरल चरणों के माध्यम से किया जाता है:

• उपस्थित प्रत्येक प्रोटॉन (H ⁺ ) के लिए समीकरण के प्रत्येक पक्ष में एक हाइड्रॉक्साइड आयन (OH ^{– ) जोड़ें।}

हमारे मामले में, प्रत्येक पक्ष से 8 हाइड्रॉक्साइड आयन जोड़े जाने चाहिए:

• पानी के अणु बनाने के लिए एक ही तरफ के हाइड्रॉक्साइड और प्रोटॉन को मिलाएं।

हमारे मामले में, अभिकारकों में 8 हाइड्रॉक्साइड और 8 प्रोटॉन होते हैं जो 8 पानी के अणु बनाने के लिए बेअसर हो जाते हैं:

• यदि आवश्यक हो, तो समीकरण के दोनों पक्षों पर दोहराए जाने वाले पानी के अणुओं को सरल बनाएं।

यह अंतिम चरण मूल माध्यम में संतुलित शुद्ध आयनिक समीकरण का परिणाम है। प्रतिक्रिया के मामले में जिसे हम समायोजित कर रहे हैं, 8 पानी के अणु बनने के बाद, हम देख सकते हैं कि इन आठ में से केवल चार वास्तव में प्रतिक्रिया में भाग लेते हैं, क्योंकि अन्य चार उत्पादों में अपरिवर्तित रहते हैं। इन चार दोहराए जाने वाले पानी के अणुओं को सरल बनाने से समायोजित रेडॉक्स समीकरण मिलता है:

चरण 7 (वैकल्पिक): समग्र आणविक समीकरण प्राप्त करने के लिए दर्शक आयनों को जोड़ें

यह कदम हमेशा जरूरी नहीं है, क्योंकि नेट आयनिक समीकरण वास्तव में होने वाली रासायनिक प्रक्रिया का अधिक सटीक प्रतिनिधित्व है। हालांकि, स्टोइकोमेट्रिक गणना करने के लिए यह महत्वपूर्ण हो सकता है। इस अर्थ में, यदि आप वैश्विक आणविक समीकरण प्राप्त करना चाहते हैं, तो आपको शुद्ध आयनिक समीकरण में दिखाई देने वाली सभी प्रजातियों के काउंटरों के रूप में केवल दर्शक आयनों को जोड़ना होगा।

वर्तमान उदाहरण में, एकमात्र दर्शक आयन पोटेशियम केशन (K ⁺ ) है, इसलिए हम इसका उपयोग प्रतिक्रिया में मौजूद सभी आयनों को बेअसर करने के लिए करेंगे:

अंत में, संबंधित आयनों को एकजुट करने के बाद, हम केवल तटस्थ प्रजातियों के संदर्भ में समायोजित समीकरण प्राप्त करते हैं:

संदर्भ

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