विद्युतरसायन

JEE और CBSE परीक्षाओं के लिए इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री संख्यात्मक समस्याएँ#

1. जल का विद्युत-अपघटन:

• STP पर गैसों का आयतन: $$ 2H_2O(l) → 2H_2(g) + O_2(g) $$ STP पर किसी भी गैस के 1 मोल का आयतन 22.4 लीटर होता है। इसलिए, जब 1 मोल जल का विद्युत-अपघटन किया जाता है, तो 22.4 लीटर हाइड्रोजन और 11.2 लीटर ऑक्सीजन उत्पन्न होती है।

• उत्पन्न गैसों का द्रव्यमान: धारा (I) = 10 A, समय (t) = 1 घंटा = 3600 s $$Mass = Q/nF$$ $$Q = I \cdot t = 10 A \cdot 3600 s = 36,000 C$$ 1 मोल जल के लिए: $$n= 2 (H_2 के लिए) + 4 (O_2 के लिए) = 6$$ $$F= 96500 C/mol$$ $$Mass of H_2 = (36000 C /6) \cdot (2 g/mol)/ (96500 C/mol) $$ $$= 1.2 g H_2$$

  $$Mass of O_2 = (36000 C/6) \cdot( 32 g/mol) / (96500 C/mol) $$ $$= 2.4 g O_2$$

2. इलेक्ट्रोड विभव:

• जिंक इलेक्ट्रोड विभव: अभिक्रिया के लिए $$Zn(s) → Zn^{2+}(1M) + 2e^-$$ नर्नस्ट समीकरण है: $$E = E° - \frac{RT}{nF} \ln[Zn^{2+}]$$ मानक परिस्थितियों पर (25°C, 1 atm), $$E°= -0.76 V$$, $$R= 8.314 J/mol K$$, $$T= 298 K$$, $$n=2$$, $$F= 96,500 C/mol$$ और $$[Zn^{2+}] = 1 M$$

  मानों को प्रतिस्थापित करने पर, हम पाते हैं: $$E = -0.76 V - \frac{8.314 J/mol K \cdot 298 K}{2 \cdot 96500 C/mol} \cdot ln(1)$$ $$E = -0.76 V$$ इसलिए, 1 M ZnSO4 विलयन में जिंक इलेक्ट्रोड का इलेक्ट्रोड विभव -0.76 V है।

• कॉपर का मानक इलेक्ट्रोड विभव:
  दी गई अभिक्रिया है, $$Cu^{2+}(1M) + 2e^- → Cu(s)$$
  परिभाषा के अनुसार, मानक इलेक्ट्रोड विभव वह विभव होता है जब अभिकारकों और उत्पादों की सांद्रता 1 M हो और तापमान 25°C हो।
  इसलिए, दी गई अभिक्रिया के लिए मानक इलेक्ट्रोड विभव -0.34 V है।

3. गैल्वेनिक सेल:

• सेल विभव:
  सेल अभिक्रिया के लिए:
  $$Zn(s)|Zn^{2+}(1M)||Cu^{2+}(1M)|Cu(s)$$
  सेल विभव नर्नस्ट समीकरण द्वारा दिया जाता है:
  $$E_{cell} = E°{cell} - \frac{RT}{nF} \ln Q$$
  मानक परिस्थितियों में,
  $$E°{cell} = E°{Cu^{2+}/Cu} - E°{Zn^{2+}/Zn} = 0.34 V - (-0.76 V) = 1.10 V$$
  $$R = 8.314 J/mol K$$, $$T = 298 K$$, $$n = 2$$, $$F = 96,500 C/mol$$

  यह मानते हुए कि अभिक्रिया अग्रदिशा में होती है, अभिक्रिया भागफल Q है:
  $$Q = \frac{[Cu^{2+}]}{[Zn^{2+}]} = \frac{1M}{1M} = 1$$
  मानों को नर्नस्ट समीकरण में रखने पर,
  $$E_{cell} = 1.10 V - \frac{8.314 J/mol K \cdot 298 K}{2 \cdot 96500 C/mol} \cdot \ln (1)$$
  $$E_{cell} = 1.10 V$$
  इसलिए, दी गई गैल्वेनिक सेल का सेल विभव 1.10 V है।

• अधिकतम विद्युत कार्य: गैल्वेनिक सेल से प्राप्त होने वाला अधिकतम विद्युत कार्य निम्न द्वारा दिया जाता है: $$ W_{max} = -nFE_{cell} $$ मानों को प्रतिस्थापित करने पर, $$W_{max} = - 2 \cdot (96,500 C/mol) \cdot( 1.1 V) = -212,300 J = -212.3 kJ$$ इसलिए, जब 1 मोल जिंक ऑक्सीकृत होता है तो गैल्वेनिक सेल से प्राप्त होने वाला अधिकतम विद्युत कार्य 212.3 kJ है।

4. ब्राइन का विद्युत अपघटन:

• उत्पन्न क्लोरीन का द्रव्यमान: 100 g ब्राइन विलयन में NaCl का द्रव्यमान = 100 g का 20% = 20 g NaCl के मोल = 20 g / 58.44 g/mol = 0.342 mol NaCl के विद्युत अपघटन के लिए संतुलित समीकरण है: $$2NaCl(aq) + 2H_2O(l) → 2NaOH(aq) + H_2(g) + Cl_2(g)$$ चूँकि 1 मोल NaCl 0.5 मोल क्लोरीन गैस उत्पन्न करता है, 0.342 मोल NaCl 0.171 मोल क्लोरीन गैस उत्पन्न करेगा। उत्पन्न क्लोरीन का द्रव्यमान =0.171 mol * 71 g/mol = 12.1 g.

• STP पर उत्पन्न क्लोरीन गैस का आयतन: STP पर, किसी भी गैस के 1 मोल का आयतन 22.4 L होता है। इसलिए, 0.171 मोल क्लोरीन गैस का आयतन 0.171 * 22.4 = 3.8 L होगा।

5. फैराडे का नियम

• आवश्यक आवेश की मात्रा: कॉपर के 1 ग्राम को इलेक्ट्रोप्लेट करने के लिए आवश्यक आवेश की मात्रा को फैराडे के नियम का उपयोग करके गणना की जा सकती है: $$Q = nF$$ जहां: $$Q$$ आवेश है कूलंब (C) में $$n$$ स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की मोल संख्या है $$F$$ फैराडे स्थिरांक है (96,500 C/mol) कॉपर के लिए, 1 मोल कॉपर को इलेक्ट्रोप्लेट करने के लिए 2 मोल इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है। इसलिए, 1 ग्राम कॉपर को इलेक्ट्रोप्लेट करने के लिए स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की मोल संख्या है: $$ n = \frac{1 g Cu}{63.5 g/mol} \times 2 mol e^- / mol Cu$$ $$n = 0.0314 \ mol e^-$$ इस मान को फैराडे के नियम में रखने पर, हमें मिलता है: $$ Q = 0.0314 mol e^- \times 96,500 C/mol$$ $$ Q ≈ 3038.6 C $$ इसलिए, कॉपर के 1 ग्राम को इलेक्ट्रोप्लेट करने के लिए लगभग 3039 C आवेश आवश्यक है।

• तांबे का जमाव द्रव्यमान:
  फैराडे के नियम का उपयोग करके हम कैथोड पर जमे तांबे के द्रव्यमान की गणना कर सकते हैं:
  $$m = \frac{Q}{nF}$$
  जहाँ:
  $$m$$ द्रव्यमान ग्राम में है
  $$Q$$ आवेश कूलॉम में है
  $$n$$ स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की मोल संख्या है
  $$F$$ फैराडे स्थिरांक (96,500 C/mol) है
  तांबे के लिए अभिक्रिया में 2 मोल इलेक्ट्रॉन सम्मिलित होते हैं। दिए गए मानों को रखने पर हम पाते हैं:
  $$m = \frac{10 A \times (1 h \times 3600 s/h)}{2 mol e^- \times 96,500 C/mol}$$
  $$= \frac{36,000 C}{193,000 C/mol}$$
  $$m ≈ 0.186 \ g$$
  इसलिए, जब 10 A धारा को 1 घंटे तक कॉपर सल्फेट विलयन से प्रवाहित किया जाता है तो लगभग 0.186 g तांबा कैथोड पर जम जाता है।

6. बैटरियाँ

• सीसा-अम्ल बैटरी का विद्युत वाहक बल:
  सीसा-अम्ल बैटरी की समग्र अभिक्रिया है:
  $$Pb(s) + PbO_2(s) + 2H_2SO_4(aq) \rightarrow 2PbSO_4(s) + 2H_2O(l)$$

JEE के लिए यह क्यों महत्वपूर्ण है#

यह संकल्पना इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री विषय को समझने के लिए महत्वपूर्ण है, जो JEE परीक्षाओं में बार-बार पूछा जाता है। इस विषय में निपुणता से आपको मिलता है:

• मूलभूत सिद्धांतों की समझ
• जटिल समस्याओं का समाधान
• संकल्पनात्मक स्पष्टता का निर्माण

टालने योग्य सामान्य गलतियाँ#

• किनारे के मामलों की उपेक्षा
• गणनाओं में जल्दबाज़ी
• इकाइयों और विमाओं की जाँच न करना
• समान दिखने वाली संकल्पनाओं को समान मान लेना
• संकल्पनात्मक समझ को छोड़ना

याद रखने योग्य प्रमुख संकल्पनाएँ#

• पहले संपूर्ण अवधारणा को एक बार पढ़ लें
• अंतर्निहित सिद्धांत को पहचानें
• उदाहरणों को चरणबद्ध तरीके से हल करें
• समस्या के विभिन्न रूपों के साथ अभ्यास करें
• वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों से जोड़ें

संबंधित विषय#

• रासायनिक आबंधन के सिद्धांत
• अभिक्रिया की क्रियाविधि
• आवर्त सारणी की प्रवृत्तियाँ