Electrochemical cells Questions in Hindi

(D) एक संदर्भ इलेक्ट्रोड वह इलेक्ट्रोड है जिसका विभव ज्ञात और स्थिर होता है,जिसका उपयोग अन्य इलेक्ट्रोडों के विभव को मापने के लिए किया जाता है।
कैलोमेल इलेक्ट्रोड एक सामान्य द्वितीयक संदर्भ इलेक्ट्रोड है।
इसमें मरकरी $(Hg)$ होता है जो मरक्यूरस क्लोराइड $(Hg_2Cl_2)$ के संतृप्त पेस्ट और पोटेशियम क्लोराइड $(KCl)$ के घोल के संपर्क में रहता है।
इसलिए,कैलोमेल इलेक्ट्रोड में मौजूद पदार्थ $Hg_2Cl_2$ है।

(C) लेड स्टोरेज बैटरी के डिस्चार्ज के दौरान,निम्नलिखित अभिक्रियाएं होती हैं:
एनोड पर: $Pb(s) + SO_4^{2-}(aq) \rightarrow PbSO_4(s) + 2e^-$
कैथोड पर: $PbO_2(s) + SO_4^{2-}(aq) + 4H^+(aq) + 2e^- \rightarrow PbSO_4(s) + 2H_2O(l)$
$1$. एनोड पर $Pb$ का $0$ से $+2$ में ऑक्सीकरण होता है।
$2$. कैथोड पर $PbO_2$ का $+4$ से $+2$ में अपचयन होता है।
$3$. $H_2SO_4$ का तुल्यांकी द्रव्यमान उसके मोलर द्रव्यमान को उसके संयोजकता कारक ($n$-factor) से विभाजित करने पर प्राप्त होता है। चूंकि $H_2SO_4$,$2H^+$ आयन देता है,इसलिए इसका $n$-factor $2$ है। अतः,तुल्यांकी द्रव्यमान = $98 / 2 = 49$ है। इसलिए,यह कथन कि तुल्यांकी द्रव्यमान $98$ है,गलत है।
$4$. डिस्चार्जिंग की सीमा $H_2SO_4$ की सांद्रता पर निर्भर करती है क्योंकि यह अभिक्रिया के दौरान उपभोग होता है।

(D) मर्करी सेल एक प्राथमिक सेल है,जिसका अर्थ है कि एक बार अभिकारकों के समाप्त हो जाने पर इसे रिचार्ज नहीं किया जा सकता है। इसलिए,यह कथन कि इसे द्वितीयक सेल के रूप में उपयोग किया जा सकता है,गलत है। अन्य सभी कथन सही हैं।

(C) गहन (intensive) गुणधर्म एक ऐसा गुणधर्म है जो सिस्टम के आकार या सिस्टम में पदार्थ की मात्रा पर निर्भर नहीं करता है।
विस्तृत (extensive) गुणधर्म वह गुणधर्म है जो नमूने का आकार बदलने पर बदल जाता है।
$\Delta G = -nFE_{cell}$ समीकरण से:
$E_{cell}$ एक गहन गुणधर्म है क्योंकि यह सिस्टम में मौजूद पदार्थ की मात्रा से स्वतंत्र है।
$\Delta G$ एक विस्तृत गुणधर्म है क्योंकि यह अभिक्रिया में शामिल पदार्थ के मोलों की संख्या $(n)$ पर निर्भर करता है।
अतः,$E_{cell}$ एक गहन गुणधर्म है जबकि $\Delta G$ एक विस्तृत गुणधर्म है।

(B) $CH_4-O_2$ ईंधन सेल में,एनोड पर ऑक्सीकरण अभिक्रिया होती है।
एनोड अभिक्रिया है: $CH_4 + 2H_2O \to CO_2 + 8H^{+} + 8e^-$.
कैथोड अभिक्रिया है: $2O_2 + 8H^{+} + 8e^- \to 4H_2O$.
अतः,सही विकल्प $B$ है।

(D) मानक मुक्त ऊर्जा परिवर्तन को सूत्र द्वारा दिया जाता है: $\Delta G^o = -nFE^o$
यहाँ,$n = 2$ (अभिक्रिया में स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या)।
$F = 96500 \ C \ mol^{-1}$ (फैराडे स्थिरांक)।
$E^o = 1.1 \ V$।
मान रखने पर:
$\Delta G^o = -2 \times 96500 \times 1.1 \ J \ mol^{-1}$
$\Delta G^o = -212300 \ J \ mol^{-1}$
$kJ \ mol^{-1}$ में बदलने पर:
$\Delta G^o = -212.3 \ kJ \ mol^{-1}$

(B) किसी भी रासायनिक अभिक्रिया के लिए,स्वतःप्रवर्तितता (spontaneity) गिब्स मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन $(\Delta G)$ द्वारा निर्धारित की जाती है।
यदि $\Delta G < 0$ है,तो अभिक्रिया स्वतःप्रवर्तित है।
यदि $\Delta G > 0$ है,तो अभिक्रिया स्वतःप्रवर्तित नहीं है।
यदि $\Delta G = 0$ है,तो अभिक्रिया साम्यावस्था में है।
अतः,सही उत्तर विकल्प $B$ है।

(B) चार्जिंग के दौरान,यह एक विद्युत अपघटनी सेल के रूप में कार्य करती है और डिस्चार्जिंग के दौरान,यह एक गैल्वेनिक सेल के रूप में कार्य करती है।

(B) गैल्वेनोमीटर में $150$ समान भाग हैं।
दिया गया है: धारा संवेदनशीलता $= 10 \text{ div/mA}$ और वोल्टेज संवेदनशीलता $= 2 \text{ div/mV}$।
पूर्ण-स्केल विक्षेप के लिए अधिकतम धारा $I_g = \frac{150 \text{ div}}{10 \text{ div/mA}} = 15 \text{ mA} = 15 \times 10^{-3} \text{ A}$।
पूर्ण-स्केल विक्षेप के लिए अधिकतम वोल्टेज $V_g = \frac{150 \text{ div}}{2 \text{ div/mV}} = 75 \text{ mV} = 75 \times 10^{-3} \text{ V}$।
गैल्वेनोमीटर का प्रतिरोध $G = \frac{V_g}{I_g} = \frac{75 \times 10^{-3} \text{ V}}{15 \times 10^{-3} \text{ A}} = 5 \ \Omega$।
प्रत्येक भाग $1 \text{ V}$ पढ़े,इसके लिए आवश्यक कुल रेंज $V = 150 \text{ भाग} \times 1 \text{ V/भाग} = 150 \text{ V}$।
श्रेणीक्रम में आवश्यक प्रतिरोध $R = \frac{V}{I_g} - G$।
$R = \frac{150}{15 \times 10^{-3}} - 5 = 10000 - 5 = 9995 \ \Omega$।

(C) साल्ट ब्रिज का उपयोग इलेक्ट्रोकेमिकल सेल के दो अर्ध-सेलों में विद्युत तटस्थता बनाए रखने के लिए किया जाता है।
इस उद्देश्य के लिए,साल्ट ब्रिज में उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोलाइट में आयनों की आयनिक गतिशीलता लगभग समान होनी चाहिए।
$KNO_3$ को इसलिए चुना जाता है क्योंकि $K^{\oplus}$ $(73.5 \times 10^{-4} \ m^2 \ S \ mol^{-1})$ और $NO_3^{\Theta}$ $(71.4 \times 10^{-4} \ m^2 \ S \ mol^{-1})$ की आयनिक गतिशीलता लगभग समान है।
यह सुनिश्चित करता है कि लिक्विड जंक्शन पोटेंशियल न्यूनतम रहे और आयनों का प्रवाह आवेश संचय को प्रभावी ढंग से संतुलित करे।

(B) सेल निरूपण में,एनोड (ऑक्सीकरण) को बाईं ओर और कैथोड (अपचयन) को दाईं ओर लिखा जाता है।
यहाँ,$Mn$ का एनोड पर $Mn^{+2}$ में ऑक्सीकरण होता है: $Mn \to Mn^{+2} + 2e^-$.
$Ag^+$ का कैथोड पर $Ag$ में अपचयन होता है: $2Ag^+ + 2e^- \to 2Ag$.
लवण सेतु को $||$ द्वारा दर्शाया जाता है।
अतः,सेल का निरूपण $Mn|Mn^{+2}(C_2) || Ag^{+}(C_1)|Ag$ है।

(D) अपचायक के रूप में कार्य करने की क्षमता धातु की अभिक्रियाशीलता के सीधे आनुपातिक होती है।
$(1)$ चूँकि केवल $C$ ही $HCl$ के साथ अभिक्रिया करके $H_{2(g)}$ मुक्त करता है,इसलिए $C$ चारों में सबसे शक्तिशाली अपचायक है।
$(2)$ जब $A$ को अन्य धातु आयनों के विलयन में मिलाया जाता है,तो यह $D$ को विस्थापित करता है लेकिन $B$ या $C$ को नहीं। इसका अर्थ है कि $A$,$D$ से अधिक शक्तिशाली अपचायक है,लेकिन $B$ और $C$ से कमजोर है।
इन अवलोकनों को मिलाने पर,बढ़ती अपचायक क्षमता का क्रम $D < A < B < C$ है।
अतः,सही विकल्प $D$ है।

(B) ब्राइन ($NaCl$ का घोल) के इलेक्ट्रोलिसिस में एनोड पर क्लोराइड आयनों का क्लोरीन गैस में ऑक्सीकरण होता है: $2Cl^- (aq) \rightarrow Cl_2 (g) + 2e^-$ $(E^\circ = -1.36 \ V)$।
कैथोड पर पानी का अपचयन होता है: $2H_2O (l) + 2e^- \rightarrow H_2 (g) + 2OH^- (aq)$ $(E^\circ = -0.83 \ V)$।
कुल सेल अभिक्रिया $2Cl^- (aq) + 2H_2O (l) \rightarrow Cl_2 (g) + H_2 (g) + 2OH^- (aq)$ है।
मानक सेल विभव $E^\circ_{cell} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode} = -0.83 \ V - 1.36 \ V = -2.19 \ V$ है।
चूंकि यह अभिक्रिया स्वतःस्फूर्त नहीं है,इसलिए अभिक्रिया को संचालित करने के लिए कम से कम $2.19 \ V$ (पाठ्यपुस्तकों में लगभग $2.18 \ V$ माना जाता है) के बाहरी विभव की आवश्यकता होती है।

(B) $Photodiode$ (फोटो डायोड) एक अर्धचालक उपकरण है जो प्रकाश को विद्युत धारा में परिवर्तित करता है। जब प्रकाश फोटो डायोड के $p-n$ जंक्शन पर पड़ता है,तो यह इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न करता है,जिसके परिणामस्वरूप सर्किट में विद्युत धारा प्रवाहित होती है।

(B) जंतुओं में तंत्रिका संकेत मुख्य रूप से कोशिका झिल्ली के आर-पार विद्युत विभव अंतर के कारण उत्पन्न होते हैं।
यह विभव अंतर $(Na^{+}-K^{+})$ पंप द्वारा बनाए रखा जाता है,जो सक्रिय रूप से $Na^{+}$ आयनों को कोशिका से बाहर और $K^{+}$ आयनों को कोशिका के अंदर ले जाता है।
विश्राम झिल्ली विभव मुख्य रूप से $K^{+}$ आयनों की सांद्रता प्रवणता द्वारा स्थापित होता है,और क्रिया विभव (एक्शन पोटेंशियल) के दौरान झिल्ली के आर-पार $Na^{+}$ आयनों का तीव्र संचलन तंत्रिका संकेतों के संचरण के लिए जिम्मेदार होता है।

(C) डेनियल सेल $Zn | Zn^{2+} || Cu^{2+} | Cu$ में,मानक सेल विभव $E_{cell} = 1.1 \ V$ है।
एनोड पर ऑक्सीकरण अर्ध-अभिक्रिया $Zn \to Zn^{2+} + 2e^-$ है।
कैथोड पर अपचयन अर्ध-अभिक्रिया $Cu^{2+} + 2e^- \to Cu$ है।
जब $1.1 \ V$ से अधिक बाहरी विभव लगाया जाता है,तो सेल अभिक्रिया उलट जाती है और सेल एक विद्युत अपघटनी सेल के रूप में कार्य करता है।
इस स्थिति में,इलेक्ट्रॉन कैथोड से एनोड की ओर प्रवाहित होते हैं और रासायनिक प्रक्रियाएं उलट जाती हैं: एनोड पर $Zn^{2+}$ का अपचयन होकर $Zn$ बनता है और कैथोड पर $Cu$ का ऑक्सीकरण होकर $Cu^{2+}$ बनता है।
अतः,कथन सही है,लेकिन कारण गलत है क्योंकि विपरीत प्रक्रिया के दौरान $Zn$ एनोड पर जमा नहीं होता है; बल्कि एनोड पर $Zn^{2+}$ का अपचयन होकर $Zn$ बनता है।

(B) सेल अभिक्रिया है: $Zn_{(s)} + HgO_{(s)} \to ZnO_{(s)} + Hg_{(l)}$
सेल का विभव अपने जीवनकाल के दौरान स्थिर रहता है क्योंकि समग्र अभिक्रिया में विलयन में कोई भी ऐसा आयन शामिल नहीं होता है जिसकी सांद्रता इसके संचालन के दौरान बदलती हो।
मरकरी सेल में उपयोग किया जाने वाला इलेक्ट्रोलाइट $KOH$ और $ZnO$ का पेस्ट है,जो एक सही कथन है,लेकिन यह यह नहीं बताता कि सेल विभव स्थिर क्यों रहता है। विभव की स्थिरता इस तथ्य के कारण है कि इलेक्ट्रोलाइट की सांद्रता नहीं बदलती है।

(A) कोहलराश के आयनों के स्वतंत्र अभिगमन के नियम के अनुसार,"किसी विद्युत अपघट्य की सीमित मोलर चालकता को विद्युत अपघट्य के ऋणायन और धनायन के व्यक्तिगत योगदान के योग के रूप में दर्शाया जा सकता है।"
अतः,$NaCl$ के लिए,$\Lambda^o_{NaCl} = \lambda^o_{Na^{+}} + \lambda^o_{Cl^{-}}$।
कथन और कारण दोनों सही हैं,और कारण कथन की सही व्याख्या है।

(A) $Zn^{2+}/Zn$ का मानक अपचयन विभव $-0.76 \ V$ है,जबकि $Fe^{2+}/Fe$ का $-0.44 \ V$ है।
चूंकि जिंक का इलेक्ट्रोड विभव लोहे की तुलना में अधिक ऋणात्मक होता है,इसलिए यह एक बलिदानी एनोड (sacrificial anode) के रूप में कार्य करता है।
जिंक लोहे की तुलना में पहले ऑक्सीकृत हो जाता है,जिससे लोहा जंग लगने से बच जाता है।
अतः,कथन और कारण दोनों सही हैं और कारण,कथन की सही व्याख्या है।

(D) कोलरॉश के नियम के अनुसार,किसी विद्युत अपघट्य की सीमित मोलर चालकता उसके घटक आयनों की सीमित मोलर चालकताओं के योग के बराबर होती है।
$1. \lambda_{m(H_{2}SO_{4})}^{0} = 2\lambda_{H^{+}}^{0} + \lambda_{SO_{4}^{2-}}^{0} = x$
$2. \lambda_{m(K_{2}SO_{4})}^{0} = 2\lambda_{K^{+}}^{0} + \lambda_{SO_{4}^{2-}}^{0} = y$
$3. \lambda_{m(CH_{3}COOK)}^{0} = \lambda_{CH_{3}COO^{-}}^{0} + \lambda_{K^{+}}^{0} = z$
हमें $\lambda_{m(CH_{3}COOH)}^{0} = \lambda_{CH_{3}COO^{-}}^{0} + \lambda_{H^{+}}^{0}$ ज्ञात करना है।
दिए गए समीकरणों से:
$\lambda_{m(CH_{3}COOH)}^{0} = \lambda_{m(CH_{3}COOK)}^{0} + \frac{1}{2}\lambda_{m(H_{2}SO_{4})}^{0} - \frac{1}{2}\lambda_{m(K_{2}SO_{4})}^{0}$
मान रखने पर:
$\lambda_{m(CH_{3}COOH)}^{0} = z + \frac{x}{2} - \frac{y}{2} = \frac{x-y}{2} + z \ S \ cm^{2} mol^{-1}$.

(N/A) दी गई रेडॉक्स अभिक्रिया के अनुरूप गैल्वेनिक सेल को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है:
$Zn_{(s)} | Zn^{2+}_{(aq)} || Ag^{+}_{(aq)} | Ag_{(s)}$
$(i)$ $Zn$ इलेक्ट्रोड ऋणात्मक रूप से आवेशित होता है क्योंकि यहाँ ऑक्सीकरण होता है $(Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-)$,जिससे इलेक्ट्रॉन पीछे छूट जाते हैं।
$(ii)$ सेल में विद्युत धारा के वाहक इलेक्ट्रोलाइट में मौजूद आयन और बाहरी सर्किट में इलेक्ट्रॉन होते हैं।
$(iii)$ व्यक्तिगत अभिक्रियाएँ इस प्रकार हैं:
एनोड पर: $Zn_{(s)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2e^-$
कैथोड पर: $Ag^{+}_{(aq)} + e^- \rightarrow Ag_{(s)}$

(N/A) जब $Zn$ की छड़ को कॉपर नाइट्रेट के विलयन में रखा जाता है,तो एक विस्थापन अभिक्रिया होती है। $Zn$,$Cu$ से अधिक अभिक्रियाशील है,इसलिए यह विलयन से $Cu^{2+}$ आयनों को विस्थापित कर देता है।
रासायनिक अभिक्रिया इस प्रकार है:
$Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)}$
अवलोकन:
$1$. कॉपर नाइट्रेट विलयन का नीला रंग धीरे-धीरे हल्का हो जाता है और अंततः गायब हो जाता है क्योंकि $Cu^{2+}$ आयन अपचयित होकर धात्विक $Cu$ में बदल जाते हैं।
$2$. $Zn$ की छड़ की सतह पर धात्विक $Cu$ की लाल-भूरे रंग की परत जमा हो जाती है।
$3$. $Zn^{2+}$ आयनों के निर्माण के कारण विलयन रंगहीन हो जाता है।

(N/A) जब $Cu$ की छड़ को $AgNO_{3}$ के विलयन में डुबोया जाता है,तो $Ag^{+}$ आयनों का $Ag$ धातु में अपचयन (reduction) हो जाता है,जो कॉपर की छड़ पर जमा हो जाती है।
ऑक्सीकरण और अपचयन अर्ध-अभिक्रियाएँ इस प्रकार हैं:
ऑक्सीकरण: $Cu_{(s)} \rightarrow Cu^{2+}_{(aq)} + 2e^{-}$
अपचयन: $2Ag^{+}_{(aq)} + 2e^{-} \rightarrow 2Ag_{(s)}$
कुल सेल अभिक्रिया है:
$Cu_{(s)} + 2AgNO_{3(aq)} \rightarrow Cu(NO_{3})_{2(aq)} + 2Ag_{(s)}$
जैसे-जैसे अभिक्रिया आगे बढ़ती है,विलयन में $Cu^{2+}$ आयनों की सांद्रता बढ़ती है,जिससे विलयन का रंग नीला हो जाता है।

(B) विद्युत रासायनिक श्रेणी में अपने स्थान के अनुसार,जिंक कॉपर से अधिक अभिक्रियाशील है।
इसलिए,जिंक कॉपर सल्फेट के विलयन से कॉपर को विस्थापित कर सकता है।
यदि कॉपर सल्फेट के विलयन को जिंक के पात्र में रखा जाता है,तो निम्नलिखित विस्थापन अभिक्रिया होती है:
$Zn(s) + CuSO_{4}(aq) \longrightarrow ZnSO_{4}(aq) + Cu(s)$
अतः,कॉपर सल्फेट के विलयन को जिंक के पात्र में नहीं रखा जा सकता है।

(N/A) लेड स्टोरेज बैटरी में लेड $(Pb)$ का एनोड,लेड डाइऑक्साइड $(PbO_2)$ से भरी लेड की ग्रिड का कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट के रूप में $38\%$ $H_2SO_4$ का घोल होता है।
जब बैटरी उपयोग में होती है (डिस्चार्जिंग),तो प्रतिक्रियाएं इस प्रकार होती हैं:
एनोड: $Pb_{\text{(s)}} + SO_4^{2-}{_{\text{(aq)}}} \rightarrow PbSO_{4\text{(s)}} + 2e^{-}$
कैथोड: $PbO_{2\text{(s)}} + SO_4^{2-}{_{\text{(aq)}}} + 4H^+{_{\text{(aq)}}} + 2e^- \rightarrow PbSO_{4\text{(s)}} + 2H_2O_{\text{(l)}}$
कुल प्रतिक्रिया: $Pb_{(s)} + PbO_2(s) + 2H_2SO_4(aq) \rightarrow 2PbSO_4(s) + 2H_2O_{(l)}$
बैटरी को चार्ज करते समय,विपरीत प्रतिक्रिया होती है,जहाँ इलेक्ट्रोड पर जमा $PbSO_4$ वापस $Pb$ और $PbO_2$ में परिवर्तित हो जाता है और $H_2SO_4$ पुनर्जीवित हो जाता है:
$2PbSO_4(s) + 2H_2O_{(l)} \rightarrow Pb_{(s)} + PbO_2(s) + 2H_2SO_4(aq)$

(N/A) हाइड्रोजन के अलावा,$CH_4$ (मीथेन) और $CH_3OH$ (मेथनॉल) दो ऐसे सामान्य पदार्थ हैं जिनका उपयोग ईंधन सेल में ईंधन के रूप में किया जा सकता है।

(A) धातुओं का उनके लवण विलयनों से विस्थापन उनकी विद्युत रासायनिक श्रेणी में स्थिति द्वारा निर्धारित होता है। जिस धातु का मानक अपचयन विभव (standard reduction potential) अधिक ऋणात्मक होता है,वह अधिक धनात्मक अपचयन विभव वाली धातु को उसके लवण विलयन से विस्थापित कर सकती है।
मानक अपचयन विभव $(E^\circ)$ इस प्रकार हैं:
$Mg^{2+} + 2e^- \rightarrow Mg$ $(-2.37 \ V)$
$Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$ $(-1.66 \ V)$
$Zn^{2+} + 2e^- \rightarrow Zn$ $(-0.76 \ V)$
$Fe^{2+} + 2e^- \rightarrow Fe$ $(-0.44 \ V)$
$Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$ $(+0.34 \ V)$
चूंकि अपचयन विभव जितना अधिक ऋणात्मक होता है,विस्थापन क्षमता उतनी ही अधिक होती है,इसलिए सही क्रम $Mg > Al > Zn > Fe > Cu$ है।

(N/A) वह गैल्वेनिक सेल जिसमें दी गई अभिक्रिया होती है,उसे इस प्रकार दर्शाया जाता है:
$Zn_{(s)} | Zn^{2+}_{(aq)} || Ag^{+}_{(aq)} | Ag_{(s)}$
$(i)$ $Zn$ इलेक्ट्रोड (एनोड) ऋणात्मक रूप से आवेशित होता है।
$(ii)$ सेल के भीतर आयन विद्युत धारा के वाहक होते हैं,जबकि बाहरी परिपथ में इलेक्ट्रॉन वाहक होते हैं।
$(iii)$ एनोड पर होने वाली अभिक्रिया (ऑक्सीकरण):
$Zn_{(s)} \longrightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2e^-$
कैथोड पर होने वाली अभिक्रिया (अपचयन):
$Ag^{+}_{(aq)} + e^- \longrightarrow Ag_{(s)}$

(N/A) मानक सेल विभव $E^\Theta = 1.104 \ V$ दिया गया है।
अभिक्रिया में $n = 2$ इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण होता है।
सूत्र $\Delta_r G^\Theta = -nFE^\Theta$ का उपयोग करते हुए,जहाँ $F = 96487 \ C \ mol^{-1}$:
$\Delta_r G^\Theta = -2 \times 96487 \ C \ mol^{-1} \times 1.104 \ V$
$= -213043.296 \ J \ mol^{-1}$
$= -213.04 \ kJ \ mol^{-1}$

(N/A) यदि मानक सेल विभव $E^{\circ}_{cell}$ धनात्मक है,तो अभिक्रिया संभव है।
$E^{\circ}_{cell} = E^{\circ}_{cathode} - E^{\circ}_{anode}$.
$(i)$ $2Fe^{3+} + 2I^- \rightarrow 2Fe^{2+} + I_2$: $E^{\circ}_{cell} = 0.77V - 0.54V = +0.23V$ (संभव है)।
$(ii)$ $2Ag^+ + Cu \rightarrow 2Ag + Cu^{2+}$: $E^{\circ}_{cell} = 0.80V - 0.34V = +0.46V$ (संभव है)।
$(iii)$ $2Fe^{3+} + 2Br^- \rightarrow 2Fe^{2+} + Br_2$: $E^{\circ}_{cell} = 0.77V - 1.09V = -0.32V$ (संभव नहीं है)।
$(iv)$ $Ag + Fe^{3+} \rightarrow Ag^+ + Fe^{2+}$: $E^{\circ}_{cell} = 0.77V - 0.80V = -0.03V$ (संभव नहीं है)।
$(v)$ $Br_2 + 2Fe^{2+} \rightarrow 2Br^- + 2Fe^{3+}$: $E^{\circ}_{cell} = 1.09V - 0.77V = +0.32V$ (संभव है)।

(N/A) विद्युतरसायन स्वतःस्फूर्त रासायनिक अभिक्रियाओं के दौरान मुक्त ऊर्जा से बिजली के उत्पादन और गैर-स्वतःस्फूर्त रासायनिक परिवर्तनों को लाने के लिए विद्युत ऊर्जा के उपयोग का अध्ययन है।
अनुप्रयोग: विद्युतरसायन का सैद्धांतिक और व्यावहारिक उपयोग निम्नलिखित है:
$(i)$ कई धातुएं,सोडियम हाइड्रॉक्साइड,क्लोरीन,फ्लोरीन और कई अन्य रसायन विद्युत रासायनिक विधियों द्वारा उत्पादित किए जाते हैं।
$(ii)$ बैटरी और ईंधन सेल रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं और विभिन्न उपकरणों में बड़े पैमाने पर उपयोग किए जाते हैं। विद्युत रासायनिक रूप से की जाने वाली अभिक्रियाएं अधिक ऊर्जा-कुशल और कम प्रदूषणकारी होती हैं।
$(iii)$ इसलिए,पर्यावरण के अनुकूल नई तकनीकों के निर्माण के लिए विद्युतरसायन का अध्ययन महत्वपूर्ण है।
$(iv)$ कोशिकाओं के माध्यम से मस्तिष्क तक और मस्तिष्क से कोशिकाओं तक संवेदी संकेतों का संचरण और कोशिकाओं के बीच संचार का मूल विद्युत रासायनिक होता है।
इसलिए,विद्युतरसायन एक बहुत ही विशाल और अंतःविषय विषय है।

(N/A) विद्युत रसायन,स्वतःस्फूर्त रासायनिक अभिक्रियाओं के दौरान मुक्त ऊर्जा से विद्युत के उत्पादन और गैर-स्वतःस्फूर्त रासायनिक परिवर्तनों को लाने के लिए विद्युत ऊर्जा के उपयोग का अध्ययन है।
अनुप्रयोग: विद्युत रसायन का सैद्धांतिक और व्यावहारिक उपयोग इस प्रकार है:
$(i)$ कई धातुएं,सोडियम हाइड्रोक्साइड,क्लोरीन,फ्लोरीन और कई अन्य रसायन विद्युत रासायनिक विधियों द्वारा उत्पादित किए जाते हैं।
$(ii)$ बैटरी और ईंधन सेल रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं और विभिन्न उपकरणों और यंत्रों में बड़े पैमाने पर उपयोग किए जाते हैं। विद्युत रासायनिक रूप से की जाने वाली अभिक्रियाएं अधिक ऊर्जा-कुशल और कम प्रदूषणकारी होती हैं।
$(iii)$ इसलिए,पर्यावरण के अनुकूल नई तकनीकों के निर्माण के लिए विद्युत रसायन का अध्ययन महत्वपूर्ण है।
$(iv)$ कोशिकाओं के माध्यम से मस्तिष्क तक संवेदी संकेतों का संचरण और इसके विपरीत,तथा कोशिकाओं के बीच संचार का विद्युत रासायनिक मूल होता है।
अतः,विद्युत रसायन एक बहुत ही विशाल और अंतःविषय विषय है।

(A) बैटरी और ईंधन सेल विद्युत-रासायनिक सेल के प्रकार हैं जो गैल्वेनिक सेल के रूप में कार्य करते हैं।
इन उपकरणों में स्वतःस्फूर्त रासायनिक अभिक्रियाएं होती हैं,जिसके परिणामस्वरूप बाहरी परिपथ में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है।
इसलिए,वे रासायनिक ऊर्जा को सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।

(N/A) डेनियल सेल एक प्रकार का विद्युत-रासायनिक सेल (विशेष रूप से गैल्वेनिक या वोल्टाइक सेल) है जो रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
चित्र: डेनियल सेल का दिया गया चित्र देखें,जिसमें जिंक लवण के विलयन में जिंक इलेक्ट्रोड और कॉपर लवण के विलयन में कॉपर इलेक्ट्रोड होता है,जो लवण सेतु (salt bridge) द्वारा जुड़े होते हैं।
रासायनिक अभिक्रिया: डेनियल सेल निम्नलिखित स्वतःस्फूर्त रेडॉक्स अभिक्रिया पर कार्य करता है:
$Zn_{(s)} + Cu_{(aq)}^{2+} \longrightarrow Zn_{(aq)}^{2+} + Cu_{(s)}$
सेल विभव: जब $Zn^{2+}$ और $Cu^{2+}$ आयनों की सांद्रता इकाई $(1 \ mol \ dm^{-3})$ होती है,तो मानक सेल विभव $1.1 \ V$ होता है।
सेल का प्रकार: यह एक गैल्वेनिक या वोल्टाइक सेल है।

(N/A) डेनियल सेल में,एक जिंक रॉड को $ZnSO_4$ के घोल में और एक कॉपर रॉड को $CuSO_4$ के घोल में डुबोया जाता है।
धातु और उसके लवण के घोल के इंटरफेस पर,एक ही प्रजाति के अपचयित (reduced) और ऑक्सीकृत (oxidized) दोनों रूप मौजूद होते हैं। रेडॉक्स युग्म (redox couple) को ऑक्सीकरण या अपचयन अर्ध-अभिक्रिया में भाग लेने वाले पदार्थ के ऑक्सीकृत और अपचयित रूपों के रूप में परिभाषित किया जाता है।
इसे ऑक्सीकृत रूप को अपचयित रूप से एक ऊर्ध्वाधर रेखा या स्लैश द्वारा अलग करके दर्शाया जाता है। उदाहरण के लिए,दो रेडॉक्स युग्म $Zn^{2+}/Zn$ और $Cu^{2+}/Cu$ के रूप में दर्शाए जाते हैं।
दोनों घोलों को एक साल्ट ब्रिज द्वारा जोड़ा जाता है,जो एक $U$-ट्यूब है जिसमें अगर-अगर जेली में $KCl$ या $NH_4NO_3$ जैसा इलेक्ट्रोलाइट होता है।
जब जिंक और कॉपर रॉड्स को धातु के तार से जोड़ा जाता है,तो निम्नलिखित अवलोकन किए जाते हैं:
$(i)$ इलेक्ट्रॉन बाहरी धातु के तार के माध्यम से $Zn$ रॉड से $Cu$ रॉड की ओर प्रवाहित होते हैं।
$(ii)$ साल्ट ब्रिज के माध्यम से आयनों के प्रवास से सर्किट पूरा होता है,जो विद्युत तटस्थता बनाए रखता है।
प्रत्येक इलेक्ट्रोड से जुड़े विभव को इलेक्ट्रोड विभव कहा जाता है। जब प्रत्येक प्रजाति की सांद्रता $1 \ M$ होती है और तापमान $298 \ K$ होता है,तो इसे मानक इलेक्ट्रोड विभव $(E^{\ominus})$ कहा जाता है।
परंपरागत रूप से,हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड का मानक इलेक्ट्रोड विभव $0.0 \ V$ है। एक ऋणात्मक $E^{\ominus}$ मान यह दर्शाता है कि रेडॉक्स युग्म $H^{+}/H_2$ युग्म की तुलना में एक मजबूत अपचायक (reducing agent) है।

(A) दी गई रेडॉक्स अभिक्रिया है: $Zn_{(s)} + 2Ag_{(aq)}^{+} \to Zn_{(aq)}^{2+} + 2Ag_{(s)}$
गैल्वेनिक सेल का निरूपण: $Zn_{(s)} | Zn_{(aq)}^{2+} || Ag_{(aq)}^{+} | Ag_{(s)}$
$(i)$ $Zn$ इलेक्ट्रोड एनोड के रूप में कार्य करता है जहाँ ऑक्सीकरण होता है $(Zn \to Zn^{2+} + 2e^-)$,इसलिए यह ऋणात्मक रूप से आवेशित इलेक्ट्रोड है।
$(ii)$ बाहरी परिपथ में,इलेक्ट्रॉन विद्युत धारा के वाहक होते हैं ($Zn$ से $Ag$ की ओर प्रवाहित होते हैं),जबकि आंतरिक परिपथ (इलेक्ट्रोलाइट) में,आयन विद्युत धारा के वाहक होते हैं।
$(iii)$ व्यक्तिगत अभिक्रियाएं:
एनोड (ऑक्सीकरण): $Zn_{(s)} \to Zn_{(aq)}^{2+} + 2e^-$
कैथोड (अपचयन): $2Ag_{(aq)}^{+} + 2e^- \to 2Ag_{(s)}$

(B) जब $Cu$ की छड़ को $AgNO_3$ के विलयन में रखा जाता है,तो $Cu$ अपचायक (reducing agent) के रूप में और $Ag^{+}$ आयन ऑक्सीकारक (oxidizing agent) के रूप में कार्य करते हैं।
$Cu$ $2$ इलेक्ट्रॉन खोकर $Cu^{2+}$ आयन बनाता है,जो ऑक्सीकरण है।
$Ag^{+}$ आयन प्रत्येक $1$ इलेक्ट्रॉन प्राप्त करके $Ag$ धातु बनाते हैं,जो अपचयन है।
संतुलित रेडॉक्स अभिक्रिया है: $Cu_{(s)} + 2 Ag_{(aq)}^{+} \rightarrow Cu_{(aq)}^{2+} + 2 Ag_{(s)}$.

(B) एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में,लवण सेतु का उपयोग दो अर्ध-सेल समाधानों के बीच आयनों के प्रवास की अनुमति देकर विद्युत तटस्थता बनाए रखने के लिए किया जाता है।

(A) लवण सेतु में आमतौर पर $KCl$,$KNO_3$ या $NH_4NO_3$ जैसे अक्रिय विद्युत अपघट्य युक्त जेल जैसा विलयन भरा जाता है। इन विद्युत अपघट्यों को इसलिए चुना जाता है क्योंकि धनायन और ऋणायन की आयनिक गतिशीलता लगभग समान होती है।

(A) $Daniell$ सेल में,ऑक्सीकरण अर्ध-अभिक्रिया जिंक इलेक्ट्रोड पर होती है,जो एनोड के रूप में कार्य करता है: $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$.
अपचयन अर्ध-अभिक्रिया कॉपर इलेक्ट्रोड पर होती है,जो कैथोड के रूप में कार्य करता है: $Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s)$.
अतः,$Zn$ एनोड के रूप में और $Cu$ कैथोड के रूप में कार्य करता है।

(D) डेनियल सेल में लवण सेतु के कार्य निम्नलिखित हैं:
$(i)$ यह दो अर्ध-सेलों को जोड़ता है,जिससे विद्युत परिपथ पूरा हो जाता है।
$(ii)$ यह आयनों के प्रवास की अनुमति देकर दोनों अर्ध-सेलों के इलेक्ट्रोलाइट समाधानों में विद्युत तटस्थता बनाए रखता है।
$(iii)$ यह लिक्विड जंक्शन पोटेंशियल को कम करता है या समाप्त करता है।

(N/A) स्थिति-$I$: (वह स्थिति जिसमें गैल्वेनिक सेल से विद्युत धारा का प्रवाह जारी रहता है या $E_{\text{ext}} < 1.1 \ V$): चित्र-$(a)$ के अनुसार,यदि गैल्वेनिक सेल में विपरीत बाहरी विभव लागू किया जाता है और धीरे-धीरे बढ़ाया जाता है,तो हम पाते हैं कि अभिक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक कि विरोधी वोल्टेज $1.1 \ V$ के मान तक नहीं पहुँच जाता। रेडॉक्स अभिक्रिया अग्र दिशा में जारी रहती है और अभिक्रिया रुकती नहीं है।
$(b)$ स्थिति-$II$: (वह स्थिति जिसमें गैल्वेनिक सेल रुक जाता है या $E_{\text{ext}} = 1.1 \ V$): चित्र-$(b)$ के अनुसार,जब बाहरी विभव $1.1 \ V$ तक पहुँच जाता है,तो अभिक्रिया पूरी तरह से रुक जाती है और सेल से कोई धारा प्रवाहित नहीं होती है। बाहरी विभव में कोई भी और वृद्धि अभिक्रिया को विपरीत दिशा में शुरू कर देती है (विद्युत अपघटनी सेल)।
$(c)$ स्थिति-$III$: (वह स्थिति जिसमें सेल एक विद्युत अपघटनी सेल के रूप में कार्य करता है या $E_{\text{ext}} > 1.1 \ V$): यदि बाहरी विभव को $1.1 \ V$ से अधिक बढ़ाया जाता है,तो अभिक्रिया विपरीत दिशा में आगे बढ़ती है और सेल एक विद्युत अपघटनी सेल के रूप में कार्य करता है। इलेक्ट्रॉन कॉपर इलेक्ट्रोड से जिंक इलेक्ट्रोड की ओर प्रवाहित होते हैं और विद्युत धारा जिंक इलेक्ट्रोड से कॉपर इलेक्ट्रोड की ओर प्रवाहित होती है।

(N/A) डेनियल सेल में होने वाली रेडॉक्स अभिक्रिया में जिंक का ऑक्सीकरण और कॉपर आयनों का अपचयन होता है:
$Zn_{(s)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + 2e^-$ (ऑक्सीकरण अर्ध-अभिक्रिया)
$Cu^{2+}_{(aq)} + 2e^- \rightarrow Cu_{(s)}$ (अपचयन अर्ध-अभिक्रिया)
कुल रेडॉक्स अभिक्रिया:
$Zn_{(s)} + Cu^{2+}_{(aq)} \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)} + Cu_{(s)}$

(A) डेनियल सेल में,$Zn$ और $Cu^{2+}$ आयनों के बीच एक स्वतःस्फूर्त रेडॉक्स अभिक्रिया होती है।
यह रासायनिक अभिक्रिया ऊर्जा मुक्त करती है,जिसे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है।
अतः,ऊर्जा का रूपांतरण रासायनिक ऊर्जा से विद्युत ऊर्जा में होता है।

(N/A) डेनियल सेल में,मानक सेल विभव $1.1 \ V$ होता है।
जब $E_{ext} < 1.1 \ V$ का बाहरी विभव लगाया जाता है,तो सेल एक गैल्वेनिक सेल के रूप में कार्य करना जारी रखता है।
$(1)$ $Zn$ इलेक्ट्रोड एनोड (ऋणात्मक टर्मिनल) के रूप में और $Cu$ इलेक्ट्रोड कैथोड (धनात्मक टर्मिनल) के रूप में कार्य करता है।
$(2)$ इलेक्ट्रॉन बाहरी परिपथ के माध्यम से $Zn$ एनोड से $Cu$ कैथोड की ओर प्रवाहित होते हैं,जबकि पारंपरिक धारा $Cu$ कैथोड से $Zn$ एनोड की ओर प्रवाहित होती है।

(N/A) जब डेनियल सेल पर $E_{ext} < 1.1 \ V$ का बाहरी विभव लगाया जाता है,तो सेल एक गैल्वेनिक सेल के रूप में कार्य करना जारी रखता है।
$(1)$ अभिक्रियाएं इस प्रकार हैं:
एनोड अभिक्रिया: $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^-$
कैथोड अभिक्रिया: $Cu^{2+}(aq) + 2e^- \rightarrow Cu(s)$
रेडॉक्स अभिक्रिया: $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$
$(2)$ चूंकि $Zn$ एनोड है,इसलिए $Zn$ धातु $Zn^{2+}$ आयनों के रूप में विलयन में घुल जाती है।

(N/A) डेनियल सेल का मानक विभव $1.1 \ V$ होता है।
$(1)$ जब $E_{ext} < 1.1 \ V$ का बाहरी विभव लगाया जाता है,तो सेल एक गैल्वेनिक सेल के रूप में कार्य करना जारी रखता है और सेल विभव $E_{cell} = 1.1 \ V - E_{ext}$ द्वारा दिया जाता है।
$(2)$ चूंकि सेल अभी भी रासायनिक अभिक्रिया से विद्युत ऊर्जा उत्पन्न कर रहा है,इसलिए यह एक गैल्वेनिक (या वोल्टाइक) सेल के रूप में कार्य करता है।

(C) एक गैल्वेनिक सेल रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
जब गैल्वेनिक सेल पर एक बाहरी विपरीत विभव $(E_{ext})$ लगाया जाता है,तो इलेक्ट्रॉनों और धारा का प्रवाह प्रभावित होता है।
$1$. यदि $E_{ext} < E_{cell}$ है,तो इलेक्ट्रॉन एनोड से कैथोड की ओर प्रवाहित होते हैं और सेल गैल्वेनिक सेल के रूप में कार्य करना जारी रखता है।
$2$. यदि $E_{ext} = E_{cell}$ है,तो अभिक्रिया रुक जाती है और कोई धारा प्रवाहित नहीं होती है।
$3$. यदि $E_{ext} > E_{cell}$ है,तो धारा की दिशा उलट जाती है और बाहरी स्रोत अभिक्रिया को विपरीत दिशा में होने के लिए मजबूर करता है। इस स्थिति में,उपकरण एक इलेक्ट्रोलाइटिक सेल के रूप में कार्य करता है।

(F, T, T, F) $(1)$ असत्य $(F)$: गैल्वेनिक सेल रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं,जबकि विद्युत-अपघटनी सेल विद्युत ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।
$(2)$ सत्य $(T)$: विद्युत-अपघटनी सेल में,गैल्वेनिक सेल की तुलना में ध्रुवता उलट जाती है; धनात्मक टर्मिनल से जुड़ा इलेक्ट्रोड एनोड होता है,और ऋणात्मक टर्मिनल से जुड़ा इलेक्ट्रोड कैथोड होता है।
$(3)$ सत्य $(T)$: गैल्वेनिक सेल में,इलेक्ट्रॉन एनोड से कैथोड की ओर प्रवाहित होते हैं,जबकि विद्युत-अपघटनी सेल में,एक बाहरी शक्ति स्रोत इलेक्ट्रॉनों को विपरीत दिशा में प्रवाहित करने के लिए मजबूर करता है।
$(4)$ असत्य $(F)$: डेनियल सेल का मानक विभव $1.1 \ V$ है। यदि $2.0 \ V$ (जो $1.1 \ V$ से अधिक है) का बाहरी वोल्टेज लागू किया जाता है,तो सेल अभिक्रिया उलट जाती है और सेल एक विद्युत-अपघटनी सेल के रूप में कार्य करता है।