Chapter-01 Chemical Reactions and Equations
Consider the following situations of daily life and think what happens when -
- milk is left at room temperature during summers.
- an iron tawa/pan/nail is left exposed to humid atmosphere.
- grapes get fermented.
- food is cooked.
- food gets digested in our body.
- we respire.
In all the above situations, the nature and the identity of the initial substance have somewhat changed. We have already learnt about physical and chemical changes of matter in our previous classes. Whenever a chemical change occurs, we can say that a chemical reaction has taken place.
You may perhaps be wondering as to what is actually meant by a chemical reaction. How do we come to know that a chemical reaction has taken place? Let us perform some activities to find the answer to these questions.
Activity 1.1
CAUTION: This Activity needs the teacher’s assistance. It would be better if students wear suitable eyeglasses.
- Clean a magnesium ribbon about 3-4 cm long by rubbing it with sandpaper.
- Hold it with a pair of tongs. Burn it using a spirit lamp or burner and collect the ash so formed in a watch-glass as shown in Fig. 1.1. Burn the magnesium ribbon keeping it away as far as possible from your eyes.
- What do you observe?
Figure 1.1
Burning of a magnesium ribbon in air and collection of magnesium oxide in a watch-glass
Figure 1.2 Formation of hydrogen gas by the action of dilute sulphuric acid on zinc
You must have observed that magnesium ribbon burns with a dazzling white flame and changes into a white powder. This powder is magnesium oxide. It is formed due to the reaction between magnesium and oxygen present in the air.
Activity 1.2
- Take lead nitrate solution in a test tube.
- Add potassium iodide solution to this.
- What do you observe?
Activity 1.3
- Take a few zinc granules in a conical flask or a test tube.
- Add dilute hydrochloric acid or sulphuric acid to this (Fig. 1.2).
CAUTION: Handle the acid with care.
- Do you observe anything happening around the zinc granules?
- Touch the conical flask or test tube. Is there any change in its temperature?
From the above three activities, we can say that any of the following observations helps us to determine whether a chemical reaction has taken place –
- change in state
- change in colour
- evolution of a gas
- change in temperature.
As we observe the changes around us, we can see that there is a large variety of chemical reactions taking place around us. We will study about the various types of chemical reactions and their symbolic representation in this Chapter.
1.1 CHEMICAL EQUATIONS
Activity 1.1 can be described as – when a magnesium ribbon is burnt in oxygen, it gets converted to magnesium oxide. This description of a chemical reaction in a sentence form is quite long. It can be written in a shorter form. The simplest way to do this is to write it in the form of a word-equation. The word-equation for the above reaction would be –
$ \underset{(\text{Reactants})}{\mathrm{Magnesium}+\mathrm{Oxygen}} \rightarrow \underset{(\text{Product})}{\mathrm{Magnesium Oxide}} $
The substances that undergo chemical change in the reaction (1.1), magnesium and oxygen, are the reactants. The new substance is magnesium oxide, formed during the reaction, as a product.
A word-equation shows change of reactants to products through an arrow placed between them. The reactants are written on the left-hand side (LHS) with a plus sign (+) between them. Similarly, products are written on the right-hand side (RHS) with a plus sign (+) between them. The arrowhead points towards the products, and shows the direction of the reaction
1.1.1 Writing a Chemical Equation
Is there any other shorter way for representing chemical equations? Chemical equations can be made more concise and useful if we use chemical formulae instead of words. A chemical equation represents a chemical reaction. If you recall formulae of magnesium, oxygen and magnesium oxide, the above word-equation can be written as -
$$ \begin{equation*} \mathrm{Mg}+\mathrm{O} _{2} \rightarrow \mathrm{MgO} \tag{1.2} \end{equation*} $$
Count and compare the number of atoms of each element on the LHS and RHS of the arrow. Is the number of atoms of each element the same on both the sides? If yes, then the equation is balanced. If not, then the equation is unbalanced because the mass is not the same on both sides of the equation. Such a chemical equation is a skeletal chemical equation for a reaction. Equation (1.2) is a skeletal chemical equation for the burning of magnesium in air.
1.1.2 Balanced Chemical Equations
Recall the law of conservation of mass that you studied in Class IX; mass can neither be created nor destroyed in a chemical reaction. That is, the total mass of the elements present in the products of a chemical reaction has to be equal to the total mass of the elements present in the reactants.
In other words, the number of atoms of each element remains the same, before and after a chemical reaction. Hence, we need to balance a skeletal chemical equation. Is the chemical Eq. (1.2) balanced? Let us learn about balancing a chemical equation step by step.
The word-equation for Activity 1.3 may be represented as -
$\mathrm{Zinc + Sulphuric \quad acid}\rightarrow \mathrm{Zinc \quad sulphate + Hydrogen}$
The above word-equation may be represented by the following chemical equation -
$$\mathrm{Zn}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4} \rightarrow \mathrm{ZnSO} _{4}+\mathrm{H} _{2} \tag{1.3}$$
Let us examine the number of atoms of different elements on both sides of the arrow.
| Element | Number of atoms in reactants (LHS) | Number of atoms in products (RHS) |
|---|---|---|
| $\mathrm{Zn}$ | 1 | 1 |
| $\mathrm{H}$ | 2 | 2 |
| $\mathrm{~S}$ | 1 | 1 |
| $\mathrm{O}$ | 4 | 4 |
As the number of atoms of each element is the same on both sides of the arrow, Eq. (1.3) is a balanced chemical equation.
Let us try to balance the following chemical equation -
$$ \begin{equation*} \mathrm{Fe}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}+\mathrm{H} _{2} \tag{1.4} \end{equation*} $$
Step I: To balance a chemical equation, first draw boxes around each formula. Do not change anything inside the boxes while balancing the equation.
$$ \begin{equation*} \mathrm{Fe}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}+\mathrm{H} _{2} \tag{1.5} \end{equation*} $$
Step II: List the number of atoms of different elements present in the unbalanced equation (1.5).
| Element | Number of atoms in reactants (LHS) | Number of atoms in products (RHS) |
|---|---|---|
| $Fe$ | 1 | 3 |
| $H$ | 2 | 2 |
| $O$ | 1 | 4 |
Step III: It is often convenient to start balancing with the compound that contains the maximum number of atoms. It may be a reactant or a product. In that compound, select the element which has the maximum number of atoms. Using these criteria, we select $Fe_3 O_4$ and the element oxygen in it. There are four oxygen atoms on the RHS and only one on the LHS.
To balance the oxygen atoms -
| Atoms of oxygen |
In reactants | In products |
|---|---|---|
| (i) Initial | 1(in $ \mathrm{H_2O} $ ) | 4(in $ \mathrm{Fe_3O_4} $ ) |
| (ii) To balance | 1 $\times$ 4 | 4 |
To equalise the number of atoms, it must be remembered that we cannot alter the formulae of the compounds or elements involved in the reactions. For example, to balance oxygen atoms we can put coefficient ‘4’ as $4 H_2 O$ and not $H_2 O_4$ or $(H_2 O)_4$. Now the partly balanced equation becomes -
$$ \begin{equation*}\boxed{\mathrm{Fe}}+4\boxed{\mathrm{H_2O}}\rightarrow \boxed{\mathrm{Fe_3O_4}}+\boxed{\mathrm{H_2}} \hspace{123 px} \tag {1.6} \end{equation*} $$
(partly balanced equation)
Step IV: Fe and $H$ atoms are still not balanced. Pick any of these elements to proceed further. Let us balance hydrogen atoms in the partly balanced equation.
To equalise the number of $H$ atoms, make the number of molecules of hydrogen as four on the RHS.
| Atoms of hydrogen |
In reactants | In products |
|---|---|---|
| (i) Initial | 8(in $ \mathrm{4H_2O} $ ) | 2(in $ \mathrm{H_2} $ ) |
| (ii) To balance | 8 | 2 $\times$ 4 |
The equation would be -
$$ \begin{equation*} \mathrm{Fe}+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}+4 \mathrm{H} _{2} \tag{1.7} \end{equation*} $$
(partly balanced equation)
Step V: Examine the above equation and pick up the third element which is not balanced. You find that only one element is left to be balanced, that is, iron.
| Atoms of iron | In reactants | In products |
|---|---|---|
| (i) Initial | 1(in $ \mathrm{Fe} $ ) | 3(in $ \mathrm{Fe_3O_4} $ ) |
| (ii) To balance | 1 $\times$ 3 | 3 |
To equalise $Fe$, we take three atoms of $Fe$ on the LHS.
$$ \begin{equation*} 3 \boxed{\mathrm{Fe}}+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}+4 \mathrm{H} _{2} \tag{1.8} \end{equation*} $$
Step VI: Finally, to check the correctness of the balanced equation, we count atoms of each element on both sides of the equation.
$$ \begin{equation*} 3 \mathrm{Fe}+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}+4 \mathrm{H} _{2} \tag{1.9} \end{equation*} $$
(balanced equation)
The numbers of atoms of elements on both sides of Eq. (1.9) are equal. This equation is now balanced. This method of balancing chemical equations is called hit-and-trial method as we make trials to balance the equation by using the smallest whole number coefficient.
Step VII: Writing Symbols of Physical States Carefully examine the above balanced Eq. (1.9). Does this equation tell us anything about the physical state of each reactant and product? No information has been given in this equation about their physical states.
To make a chemical equation more informative, the physical states of the reactants and products are mentioned along with their chemical formulae. The gaseous, liquid, aqueous and solid states of reactants and products are represented by the notations (g), (l), (aq) and (s), respectively. The word aqueous (aq) is written if the reactant or product is present as a solution in water.
The balanced Eq. (1.9) becomes
$$ \begin{equation*} 3 \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}(\mathrm{~s})+4 \mathrm{H} _{2}(\mathrm{~g}) \tag{1.10} \end{equation*} $$
Note that the symbol $(g)$ is used with $H_2 O$ to indicate that in this reaction water is used in the form of steam.
Usually physical states are not included in a chemical equation unless it is necessary to specify them.
Sometimes the reaction conditions, such as temperature, pressure, catalyst, etc., for the reaction are indicated above and/or below the arrow in the equation. For example -
$$\mathrm{CO}(\mathrm{g})+2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g}) \xrightarrow{340 \mathrm{~atm}} \mathrm{CH}_3 \mathrm{OH}(\mathrm{l}) \quad \tag{1.11}$$
$6 \mathrm{CO_2} (aq) +12 \mathrm{H_2 O(l)} \xrightarrow[\text{ Chlorophyll }]{\text{ Sunlight }} \underset{\text{ (Glucose) }}{\mathrm{C_6 H_{12} O_6} \text{ (aq) }}+6 \mathrm{O_2} (aq) +6 \mathrm{H_2 O}(l) \tag {1.12}$
Using these steps, can you balance Eq. (1.2) given in the text earlier?
QUESTIONS
1. Why should a magnesium ribbon be cleaned before burning in air?
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Answer
Magnesium is very reactive metal. When stored it reacts with oxygen to form a layer magnesium oxide on its surface. This layer of magnesium oxide is quite stable and prevents further reaction of magnesium with oxygen. The magnesium ribbon is cleaned by sand paper to remove this layer so that the underlying metal can be exposed into air.
2. Write the balanced equation for the following chemical reactions.
(i) Hydrogen + Chlorine → Hydrogen chloride
(ii) Barium chloride + Aluminium sulphate → Barium sulphate + Aluminium chloride
(iii) Sodium + Water → Sodium hydroxide + Hydrogen
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Answer
(i) $H _{2(g)}+Cl _{2(g)} \longrightarrow 2 HCl _{(g)}$
(ii) $3 BaCl _{2(s)}+Al_2(SO_4) _{3(s)} \longrightarrow 3 BaSO _{4(s)}+2 AlCl _{3(s)}$
(iii) $2 Na _{(s)}+2 H_2 O _{(l)} \longrightarrow 2 NaOH _{(a q)}+H _{2(g)}$
3. Write a balanced chemical equation with state symbols for the following reactions.
(i) Solutions of barium chloride and sodium sulphate in water react to give insoluble barium sulphate and the solution of sodium chloride.
(ii) Sodium hydroxide solution (in water) reacts with hydrochloric acid solution (in water) to produce sodium chloride solution and water.
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Answer
(i) $BaCl_2(a q)+ Na_2 SO_4(a q) \longrightarrow BaSO _4(s)+2 NaCl (a q)$
$ \begin{aligned} (ii) ~NaOH (a q)+HCl(a q) \rightarrow NaCl (a q)+H_2 O (j) \end{aligned} $
1.2 TYPES OF CHEMICAL REACTIONS
We have learnt in Class IX that during a chemical reaction atoms of one element do not change into those of another element. Nor do atoms disappear from the mixture or appear from elsewhere. Actually, chemical reactions involve the breaking and making of bonds between atoms to produce new substances. You will study about types of bonds formed between atoms in Chapters 3 and 4.
1.2.1 Combination Reaction
Activity 1.4
- Take a small amount of calcium oxide or quick lime in a beaker.
- Slowly add water to this.
- Touch the beaker as shown in Fig. 1.3.
- Do you feel any change in temperature?
Figure 1.3 Formation of slaked lime by the reaction of calcium oxide with water
Calcium oxide reacts vigorously with water to produce slaked lime (calcium hydroxide) releasing a large amount of heat.
$$ \underset{\text{ (Quick lime) }}{\mathrm{CaO(s)}}+\quad \mathrm{H_2 O(l)} \to \underset{\text{ (Slaked lime) }}{\mathrm{Ca(OH)_2(aq)}}+\text{ Heat } \tag {1.13} $$
In this reaction, calcium oxide and water combine to form a single product, calcium hydroxide. Such a reaction in which a single product is formed from two or more reactants is known as a combination reaction.
Do you Know?
A solution of slaked lime produced by the reaction 1.13 is used for whitewashing walls. Calcium hydroxide reacts slowly with the carbon dioxide in air to form a thin layer of calcium carbonate on the walls. Calcium carbonate is formed after two to three days of whitewashing and gives a shiny finish to the walls. It is interesting to note that the chemical formula for marble is also CaCO3.
$\underset{(\text{Calcium hydroxide})}{\mathrm{Ca(OH)_2}}+\mathrm{CO_2(g)} \to \underset{(\text{Calcium carbonate})}{\mathrm{CaCO_3(s)}} + \mathrm{H_2O(l)} \tag {1.14}$
Let us discuss some more examples of combination reactions.
(i) Burning of coal
$$ \begin{equation*} \mathrm{C}(\mathrm{s})+\mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{CO} _{2}(\mathrm{~g}) \tag{1.15} \end{equation*} $$
(ii) Formation of water from $H_2(g)$ and $O_2(g)$
$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{H} _{2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \tag{1.16} \end{equation*} $$
In simple language we can say that when two or more substances (elements or compounds) combine to form a single product, the reactions are called combination reactions.
In Activity 1.4, we also observed that a large amount of heat is evolved. This makes the reaction mixture warm. Reactions in which heat is released along with the formation of products are called exothermic chemical reactions.
Other examples of exothermic reactions are -
(i) Burning of natural gas
$$ \begin{equation*} \mathrm{CH_4(g)+2 O_2(g) \to CO_2(g)+2 H_2 O(g)} \tag{1.17} \end{equation*} $$
(ii) Do you know that respiration is an exothermic process?
We all know that we need energy to stay alive. We get this energy from the food we eat. During digestion, food is broken down into simpler substances. For example, rice, potatoes and bread contain carbohydrates. These carbohydrates are broken down to form glucose. This glucose combines with oxygen in the cells of our body and provides energy. The special name of this reaction is respiration, the process of which you will study in Chapter 6.
$ \begin{equation*} \underset{\text{ (Glucose) }}{C_6 H_{12} O_6(aq)}+6 O_2(aq) \to 6 CO_2(aq)+6 H_2 O(l)+\text{ energy } \tag{1.18} \end{equation*} $
(iii) The decomposition of vegetable matter into compost is also an example of an exothermic reaction.
Identify the type of the reaction taking place in Activity 1.1, where heat is given out along with the formation of a single product.
1.2.2 Decomposition Reaction
Activity 1.5
- Take about $2 g$ ferrous sulphate crystals in a dry boiling tube.
- Note the colour of the ferrous sulphate crystals.
- Heat the boiling tube over the flame of a burner or spirit lamp as shown in Fig. 1.4.
- Observe the colour of the crystals after heating.
Figure 1.4 Correct way of heating the boiling tube containing crystals offerrous sulphate and of smelling the odour
Have you noticed that the green colour of the ferrous sulphate crystals has changed? You can also smell the characteristic odour of burning sulphur.
$ \underset{\text{(Ferrous sulphate)}}{\mathrm{2 FeSO_4(s)}} \xrightarrow[\text{ (Ferric oxide) }]{\text{ Heat }} \underset{\text{ Fe }}{\mathrm{Fe_2 O_3(s)+SO_2(g)+SO_3(g)}} \quad {1.19} $
In this reaction you can observe that a single reactant breaks down to give simpler products. This is a decomposition reaction. Ferrous sulphate crystals $(FeSO_4, 7 H_2 O)$ lose water when heated and the colour of the crystals changes. It then decomposes to ferric oxide $(Fe_2 O_3)$, sulphur dioxide $(SO_2)$ and sulphur trioxide $(SO_3)$. Ferric oxide is a solid, while $SO_2$ and $SO_3$ are gases.
Decomposition of calcium carbonate to calcium oxide and carbon dioxide on heating is an important decomposition reaction used in various industries. Calcium oxide is called lime or quick lime. It has many uses - one is in the manufacture of cement. When a decomposition reaction is carried out by heating, it is called thermal decomposition.
$\underset{\text{ (Limestone) }}{CaCO_3(s)} \stackrel{\text{ Heat }}{\longrightarrow} \underset{\text{ (Quick lime) }}{CaO(s)}+\underset{2}{CO_2(g)} \quad (1.20)$
Another example of a thermal decomposition reaction is given in Activity 1.6.
Activity 1.6
- Take about $2 g$ lead nitrate powder in a boiling tube.
- Hold the boiling tube with a pair of tongs and heat it over a flame, as shown in Fig. 1.5.
- What do you observe? Note down the change, if any.
You will observe the emission of brown fumes. These fumes are of nitrogen dioxide $(NO_2)$. The reaction that takes place is -
Figure 1.5 Heating of lead nitrate and emission of nitrogen dioxide
$\underset{\text { (Lead nitrate) }}{2 \mathrm{~Pb}\left(\mathrm{NO}_3\right)_2(\mathrm{~s})} \xrightarrow{\text { Heat }} \underset{\text { (Lead oxide) }}{2 \mathrm{PbO}(\mathrm{s})}+\underset{\begin{array}{l}\text { (Nitrogen } \ \text { dioxide) }\end{array}}{4 \mathrm{NO}_2(\mathrm{~g})}+\underset{\text { (Oxygen) }}{\mathrm{O}_2(\mathrm{~g})} \quad (1.21)$
Let us perform some more decomposition reactions as given in Activities 1.7 and 1.8.
Activity 1.7
- Take a plastic mug. Drill two holes at its base and fit rubber stoppers in these holes. Insert carbon electrodes in these rubber stoppers as shown in Fig. 1.6.
- Connect these electrodes to a 6 volt battery.
- Fill the mug with water such that the electrodes are immersed. Add a few drops of dilute sulphuric acid to the water.
- Take two test tubes filled with water and invert them over the two carbon electrodes.
- Switch on the current and leave the apparatus undisturbed for some time.
- You will observe the formation of bubbles at both the electrodes. These bubbles displace water in the test tubes.
- Is the volume of the gas collected the same in both the test tubes?
- Once the test tubes are filled with the respective gases, remove them carefully.
- Test these gases one by one by bringing a burning candle close to the mouth of the test tubes.
CAUTION: This step must be performed carefully by the teacher.
- What happens in each case?
- Which gas is present in each test tube?
Figure 1.6 Electrolysis of water
Activity 1.8
- Take about $2 g$ silver chloride in a china dish.
- What is its colour?
- Place this china dish in sunlight for some time (Fig. 1.7).
- Observe the colour of the silver chloride after some time.
Figure 1.7 Silver chloride turns grey in sunlight to form silver metal light.
You will see that white silver chloride turns grey in sunlight. This is due to the decomposition of silver chloride into silver and chlorine by light.
$ \mathrm{2 AgCl(s) \xrightarrow{\text{ Sunlight }} 2 Ag(s)+Cl_2(g)} \quad (1.22) $
Silver bromide also behaves in the same way.
$\mathrm{2 AgBr(s) \xrightarrow{\text{ Sunlight }} 2 Ag(s)+Br_2(g)} \quad (1.23)$
The above reactions are used in black and white photography. What form of energy is causing these decomposition reactions?
We have seen that the decomposition reactions require energy either in the form of heat, light or electricity for breaking down the reactants. Reactions in which energy is absorbed are known as endothermic reactions.
Carry out the following Activity
Take about $2 g$ barium hydroxide in a test tube. Add $1 g$ of ammonium chloride and mix with the help of a glass rod. Touch the bottom of the test tube with your palm. What do you feel? Is this an exothermic or endothermic reaction?
QUESTIONS
1. A solution of a substance ’ $X$ ’ is used for whitewashing.
(i) Name the substance ’ $X$ ’ and write its formula.
(ii) Write the reaction of the substance ’ $X$ ’ named in (i) above with water.
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Answer The substance ’ $X$ ’ is calcium oxide. Its chemical formula is $CaO$. Calcium oxide reacts vigorously with water to form calcium hydroxide (slaked lime).
$CaO _{(s)}+H_2 O _{(l)} \longrightarrow Ca(OH) _{2(a q)}$
Calcium oxide Water Calcium hydroxide
(Quick lime)
(Slaked lime)
2. Why is the amount of gas collected in one of the test tubes in Activity 1.7 double of the amount collected in the other? Name this gas.
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Answer
Water (H2O) contains two parts hydrogen and one part oxygen. Therefore, the amount of hydrogen and oxygen produced during electrolysis of water is in a 2:1 ratio. During electrolysis, since hydrogen goes to one test tube and oxygen goes to another, the amount of gas collected in one of the test tubes is double of the amount collected in the other.
1.2.3 Displacement Reaction
Activity 1.9
- Take three iron nails and clean them by rubbing with sand paper.
- Take two test tubes marked as (A) and (B). In each test tube, take about $10 mL$ copper sulphate solution.
- Tie two iron nails with a thread and immerse them carefully in the copper sulphate solution in test tube B for about 20 minutes [Fig. 1.8 (a)]. Keep one iron nail aside for comparison.
- After 20 minutes, take out the iron nails from the copper sulphate solution.
- Compare the intensity of the blue colour of copper sulphate solutions in test tubes (A) and (B) [Fig. 1.8 (b)].
- Also, compare the colour of the iron nails dipped in the copper sulphate solution with the one kept aside [Fig. 1.8 (b)].
Figure 1.8 (a) Iron nails dipped in copper sulphate solution
Figure 1.8 (b) Iron nails and copper sulphate solutions compared before and after the experiment
Why does the iron nail become brownish in colour and the blue colour of copper sulphate solution fades?
The following chemical reaction takes place in this Activity-
$\mathrm{Fe(s)}+\underset{\text{(Copper sulphate)}}{\mathrm{CuSO_4(aq)}} \rightarrow \underset{\text{Iron sulphate}}{\mathrm{FeSO_4(aq)}}+ \mathrm{Cu(s)} \quad (1.24)$
In this reaction, iron has displaced or removed another element, copper, from copper sulphate solution. This reaction is known as displacement reaction.
Other examples of displacement reactions are
$\mathrm{Zn(s)}+\underset{\text{(Copper sulphate)}}{\mathrm{CuSO_4(aq)}} \rightarrow \underset{\text{Zinc sulphate}}{\mathrm{PbCl_2(aq)}}+ \mathrm{Cu(s)}\quad (1.25)$
$\mathrm{Pb(s)}+\underset{\text{(Copper chloride)}}{\mathrm{CuSO_4(aq)}} \rightarrow \underset{\text{Lead sulphate}}{\mathrm{FeSO_4(aq)}}+ \mathrm{Cu(s)}\quad (1.26)$
Zinc and lead are more reactive elements than copper. They displace copper from its compounds.
1.2.4 Double Displacement Reaction
Activity 1.10
- Take about $3 mL$ of sodium sulphate solution in a test tube.
- In another test tube, take about $3 mL$ of barium chloride solution.
- Mix the two solutions (Fig. 1.9).
- What do you observe?
You will observe that a white substance, which is insoluble in water, is formed. This insoluble substance formed is known as a precipitate. Any reaction that produces a precipitate can be called a precipitation reaction.
Figure 1.9 Formation of barium sulphate and sodium chloride
$ \underset{\text{(Sodium sulphate)}}{\mathrm{Na_2SO_4(aq)}}+\underset{\text{(Barium chloride)}}{\mathrm{BaCl_2(aq)}} \rightarrow \underset{\text{(Barium sulphate)}}{\mathrm{BaSO_4(s)}}+ \underset{\text{(Sodium chloride)}}{\mathrm{2NaCl(aq)}} \quad (1.27)$
What causes this? The white precipitate of $BaSO_4$ is formed by the reaction of $SO_4^{2-}$ and $Ba^{2+}$. The other product formed is sodium chloride which remains in the solution. Such reactions in which there is an exchange of ions between the reactants are called double displacement reactions.
Recall Activity 1.2, where you have mixed the solutions of lead(II) nitrate and potassium iodide.
(i) What was the colour of the precipitate formed? Can you name the compound precipitated?
(ii) Write the balanced chemical equation for this reaction.
(iii) Is this also a double displacement reaction?
1.2.5 Oxidation and Reduction
Activity 1.11
- Heat a china dish containing about $1 g$ copper powder (Fig. 1.10).
- What do you observe?
- The surface of copper powder becomes coated with black copper(II) oxide. Why has this black substance formed?
- This is because oxygen is added to copper and copper oxide is formed.
$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{Cu}+\mathrm{O} _{2} \xrightarrow{\text { Heat }} 2 \mathrm{CuO} \tag{1.28} \end{equation*} $$
Figure 1.10 Oxidation of copper to copper oxide
If hydrogen gas is passed over this heated material $(CuO)$, the black coating on the surface turns brown as the reverse reaction takes place and copper is obtained.
$$ \begin{equation*} \mathrm{CuO}+\mathrm{H} _{2} \xrightarrow{\text { Heat }} \mathrm{Cu}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \tag{1.29} \end{equation*} $$
If a substance gains oxygen during a reaction, it is said to be oxidised. If a substance loses oxygen during a reaction, it is said to be reduced.
During this reaction (1.29), the copper(II) oxide is losing oxygen and is being reduced. The hydrogen is gaining oxygen and is being oxidised. In other words, one reactant gets oxidised while the other gets reduced during a reaction. Such reactions are called oxidation-reduction reactions or redox reactions.
Some other examples of redox reactions are:
$$ \mathrm{Zno + C \to Zn + CO} \quad (1.31)$$
$$ \mathrm{MnO_2+4HCl \to MnCl_2 + 2H_2O + Cl_2} \quad (1.32)$$
In reaction (1.31) carbon is oxidised to $CO$ and $ZnO$ is reduced to $Zn$. In reaction (1.32) $HCl$ is oxidised to $Cl_2$ whereas $MnO_2$ is reduced to $MnCl_2$.
From the above examples we can say that if a substance gains oxygen or loses hydrogen during a reaction, it is oxidised. If a substance loses oxygen or gains hydrogen during a reaction, it is reduced.
Recall Activity 1.1, where a magnesium ribbon burns with a dazzling flame in air (oxygen) and changes into a white substance, magnesium oxide. Is magnesium being oxidised or reduced in this reaction?
1.3 HAVE YOU OBSERVED THE EFFECTS OF OXIDATION REACTIONS IN EVERYDAY LIFE?
1.3.1 Corrosion
You must have observed that iron articles are shiny when new, but get coated with a reddish brown powder when left for some time. This process is commonly known as rusting of iron. Some other metals also get tarnished in this manner. Have you noticed the colour of the coating formed on copper and silver? When a metal is attacked by substances around it such as moisture, acids, etc., it is said to corrode and this process is called corrosion. The black coating on silver and the green coating on copper are other examples of corrosion.
Corrosion causes damage to car bodies, bridges, iron railings, ships and to all objects made of metals, specially those of iron. Corrosion of iron is a serious problem. Every year an enormous amount of money is spent to replace damaged iron. You will learn more about corrosion in Chapter 3.
1.3.2 Rancidity
Have you ever tasted or smelt the fat/oil containing food materials left for a long time?
When fats and oils are oxidised, they become rancid and their smell and taste change. Usually substances which prevent oxidation (antioxidants) are added to foods containing fats and oil. Keeping food in air tight containers helps to slow down oxidation. Do you know that chips manufacturers usually flush bags of chips with gas such as nitrogen to prevent the chips from getting oxidised?
Questions
1. Why does the colour of copper sulphate solution change when an iron nail is dipped in it?
Show Answer
Answer
When an iron nail is placed in a copper sulphate solution, iron displaces copper from copper sulphate solution forming iron sulphate, which is green in colour.
$\underset{\text{Sodium carbonate}}{Na_2CO_{3(aq)} }+\underset{\text{Calcium chloride}} {CaCl_{2(aq)}} \rightarrow \underset{\text{Calcium carbonate}} {CaCO_{3(s)}} + \underset{\text{Sodium chloride}}{2NaCl_{(aq)}}$
Therefore, the blue colour of copper sulphate solution fades and green colour appears.
2. Give an example of a double displacement reaction other than the one given in Activity 1.10.
Show Answer
Answer
| $Na_2 CO _{3(a q)}+CaCl _{2(a q)}$ | $\longrightarrow$ | $CaCO _{3(s)}$ | ||
|---|---|---|---|---|
| Sodium | Calcium | Calcium | $2 NaCl _{(a q)}$ | |
| carbonate | chloride | carbonate | Sodium | |
| chloride |
In this reaction, sodium carbonate and calcium chloride exchange ions to form two new compounds. Hence, it is a double displacement reaction.
3. Identify the substances that are oxidised and the substances that are reduced in the following reactions.
(i) $\mathrm{4Na(s)+O_2(g) \to 2 Na_2 O(s)}$
(ii) $\mathrm{CuO(s)+H_2(g) \to Cu(s)+H_2 O(l)}$
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Answer
$\begin{aligned} (i) 4 Na _{(s)}+O _{2(g)} \longrightarrow 2 Na_2 O _{(s)} \\ (ii) CuO _{(s)}+H _{2(g)} \longrightarrow Cu _{(s)}+H_2 O _{(l)} \end{aligned}$
What you have learnt
- A complete chemical equation represents the reactants, products and their physical states symbolically.
- A chemical equation is balanced so that the numbers of atoms of each type involved in a chemical reaction are the same on the reactant and product sides of the equation. Equations must always be balanced.
- In a combination reaction two or more substances combine to form a new single substance.
- Decomposition reactions are opposite to combination reactions. In a decomposition reaction, a single substance decomposes to give two or more substances.
- Reactions in which heat is given out along with the products are called exothermic reactions.
- Reactions in which energy is absorbed are known as endothermic reactions.
- When an element displaces another element from its compound, a displacement reaction occurs.
- Two different atoms or groups of atoms (ions) are exchanged in double displacement reactions.
- Precipitation reactions produce insoluble salts.
- Reactions also involve the gain or loss of oxygen or hydrogen by substances. Oxidation is the gain of oxygen or loss of hydrogen. Reduction is the loss of oxygen or gain of hydrogen.
Group Activity
Perform the following activity.
- Take four beakers and label them as A, B, C and D.
- Put $25 mL$ of water in $A, B$ and $C$ beakers and copper sulphate solution in beaker $D$.
- Measure and record the temperature of each liquid contained in the beakers above.
- Add two spatulas of potassium sulphate, ammonium nitrate, anhydrous copper sulphate and fine iron fillings to beakers A, B, C and D respectively and stir.
- Finally measure and record the temperature of each of the mixture above.
Find out which reactions are exothermic and which ones are endothermic in nature.
अपने दैनिक जीवन की निम्नलिखित परिस्थितियों पर ध्यान दीजिए और विचार कीजिए कि क्या होता है जब
- गर्मियों में कमरे के ताप पर दूध को खुला छोड़ दिया जाता है।
- लोहे का तवा अथवा तसला अथवा कील को आर्द्र वायुमंडल में खुला छोड़ दिया जाता है।
- अंगूर का किण्वन हो जाता है।
- भोजन पकाया जाता है।
- हमारा शरीर भोजन को पचा लेता है।
- हम साँस लेते हैं।
इन सभी परिस्थितियों में प्रारंभिक वस्तु की प्रकृति तथा पहचान कुछ न कुछ बदल जाती है। पदार्थ के भौतिक तथा रासायनिक परिवर्तनों के बारे में हम पिछली कक्षाओं में पढ़ चुके हैं। जब कोई रासायनिक परिवर्तन होता है तो हम कह सकते हैं कि एक रासायनिक अभिक्रिया हुई है।
आप शायद सोच रहे होंगे कि रासायनिक अभिक्रिया का वास्तविक अर्थ क्या है। हम कैसे जान सकते हैं कि कोई रासायनिक अभिक्रिया हुई है? इन प्रश्नों के उत्तर पाने के लिए आइए, हम कुछ क्रियाकलाप करते हैं।
क्रियाकलाप 1.1
सावधानी— इस क्रियाकलाप में शिक्षक के सहयोग की आवश्यकता है। सुरक्षा के लिए छात्र आँखों पर चश्मा पहन लें तो उचित होगा।
- लगभग $3-4 \mathrm{~cm}$ लंबे मैग्नीशियम रिबन को रेगमाल से रगड़कर साफ़ कर लीजिए।
- इसे चिमटे से पकड़कर स्पिरिट लैंप या बर्नर से इसका दहन करिए तथा इससे बनी राख को वॉच ग्लास में इकट्टा कर लीजिए जैसा कि चित्र 1.1 में दिखाया गया है। मैग्नीशियम रिबन का दहन करते समय इसे अपनी आँखों से यथासंभव दर रखिए।
- आपने क्या प्रेक्षण किया?
चित्र 1.1
मैग्नीशियम रिबन का वायु में दहन कर मैग्नीशियम ऑक्साइड को वॉच ग्लास में इकटा करना
चित्र 1.2 दानेदार जस्ते पर तनुसल्फ़्रिक यू अम्ल की अभिक्रिया से हाइड्रोजन गैस का निर्माण
आपने देखा होगा कि चमकदार श्वेत लौ के साथ मैग्नीशियम रिबन का दहन होता है और यह श्वेत चूर्ण में परिवर्तित हो जाता है। यह मैग्नीशियम ऑक्साइड का चूर्ण है। वायु में उपस्थित ऑक्सीजन तथा मैग्नीशियम के बीच होने वाली अभिक्रिया के कारण यह बनता है।
क्रियाकलाप 1.2
- एक परखनली में लेड (सीसा) नाइट्रेट का घोल लीजिए।
- इसमें पोटैशियम आयोडाइड का घोल मिला दीजिए।
- आपने क्या प्रेक्षण किया?
क्रियाकलाप 1.3
- एक शंक्वाकार फ्लास्क या परखनली में कुछ दानेदार जिंक लीजिए।
- इसमें तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल या सल्फ़्यूरिक अम्ल मिला दीजिए (चित्र 1.2)
सावधानी- अम्ल का इस्तेमाल सावधानी से कीजिए।
- क्या जस्ते के दानों के आस-पास कुछ होता दिखाई दे रहा है?
- शंक्वाकार फ्लास्क या परखनली को स्पर्श कीजिए। क्या इसके तापमान में कोई परिवर्तन हुआ है?
ऊपर दिए गए तीनों क्रियाकलापों के आधार पर हम कह सकते हैं कि निम्न किसी भी प्रेक्षण की सहायता से हम निर्धारित कर सकते हैं कि एक रासायनिक अभिक्रिया हुई है-
- अवस्था में परिवर्तन
- रंग में परिवर्तन
- गैस का निकास अथवा उत्सर्जन
- तापमान में परिवर्तन
यदि हम अपने आस-पास हो रहे परिवर्तनों को देखें, तो पाएँगे कि हमारे चारों ओर विविध प्रकार की रासायनिक अभिक्रियाएँ हो रही हैं। इस अध्याय में हम विभिन्न प्रकार की रासायनिक अभिक्रियाओं और उनके प्रतीकात्मक निरूपण का अध्ययन करेंगे।
1.1 रासायनिक समीकरण
क्रियाकलाप 1.1 का विवरण—जब ऑक्सीजन की उपस्थिति में मैग्नीशियम रिबन का दहन होता है तब यह मैग्नीशियम ऑक्साइड में परिवर्तित हो जाता है। वाक्य के रूप में किसी रासायनिक अभिक्रिया का विवरण बहुत लंबा हो जाता है। इसे संक्षिप्त रूप में भी लिखा जा सकता है। इसे शब्द-समीकरण के रूप में लिखना सबसे सरलतम विधि है। ऊपर दी गई अभिक्रिया का शब्द-समीकरण इस प्रकार होगा-
$ \underset{(\text{अभिकारक})}{\mathrm{मैग्नीशियम}+\mathrm{ऑक्सीजन}} \rightarrow \underset{(\text{उत्पाद})}{\mathrm{मैग्नीशियम ऑक्साइड}} $
अभिक्रिया (1.1) में मैग्नीशियम तथा ऑक्सीजन ऐसे पदार्थ हैं, जिनमें रासायनिक परिवर्तन होता है, इन्हें अभिकारक कहते हैं। इस अभिक्रिया से एक नए पदार्थ मैग्नीशियम ऑक्साइड का निर्माण होता है, इसे उत्पाद कहते हैं।
शब्द-समीकरण में अभिकारकों के उत्पाद में परिवर्तन को उनके मध्य एक तीर का निशान लगाकर दर्शाया जाता है। अभिकारकों के बीच योग (+) का चिह्म लगाकर उन्हें बाईं ओर (LHS) लिखा जाता है। इसी प्रकार उत्पादों के बीच भी योग (+) का चिह्म लगाकर उन्हें दाईं ओर (RHS) लिखा जाता है। तीर का सिरा उत्पाद की ओर होता है तथा यह अभिक्रिया होने की दिशा को दर्शाता है।
1.1.1 रासायनिक समीकरण लिखना
क्या रासायनिक समीकरण के निरूपण की इससे भी संक्षिप्त विधि है? शब्दों की जगह रासायनिक सूत्र का उपयोग करके रासायनिक समीकरणों को अधिक संक्षिप्त तथा उपयोगी बनाया जा सकता है। रासायनिक समीकरण किसी रासायनिक अभिक्रिया को दर्शाता है। यदि आप मैग्नीशियम, ऑक्सीजन तथा मैग्नीशियम ऑक्साइड के सूत्रों का स्मरण करें तो उपरोक्त शब्द-समीकरण इस प्रकार लिखा जा सकता है:
$$ \begin{equation*} \mathrm{Mg}+\mathrm{O} _{2} \rightarrow \mathrm{MgO} \tag{1.2} \end{equation*} $$
तीर के निशान के बाईं और दाईं ओर के तत्वों के परमाणुओं की संख्या की गिनती कर उनकी तुलना करें। क्या दोनों ओर तत्वों के परमाणुओं की संख्या समान है? यदि है, तो समीकरण संतुलित है। यदि नहीं, तो समीकरण असंतुलित है, क्योंकि समीकरण के दोनों ओर का द्रव्यमान बराबर नहीं है। किसी अभिक्रिया का ऐसा रासायनिक समीकरण ढाँचा रासायनिक समीकरण कहलाता है। इस प्रकार समीकरण (1.2) मैग्नीशियम के वायु में जलने का ढाँचा समीकरण है।
1.1.2 संतुलित रासायनिक समीकरण का महत्व
आपको द्रव्यमान के संरक्षण का नियम स्मरण होगा, जिसका आपने नवीं कक्षा में अध्ययन किया था— किसी भी रासायनिक अभिक्रिया में द्रव्यमान का न तो निर्माण होता है न ही विनाश। अर्थात किसी भी रासायनिक अभिक्रिया के उत्पाद तत्वों का कुल द्रव्यमान अभिकारक तत्वों के कुल द्रव्यमान के बराबर होता है।
दूसरे शब्दों में, रासायनिक अभिक्रिया के पहले एवं उसके पश्चात प्रत्येक तत्व के परमाणुओं की संख्या समान रहती है। इसलिए हमें कंकाली समीकरण को संतुलित करना आवश्यक है। क्या रासायनिक समीकरण (1.2) संतुलित है? आइए हम रासायनिक समीकरण को चरणबद्ध संतुलित करना सीखें।
क्रियाकलाप 1.3 के शब्द-समीकरण को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है-
जिंक + सल्फ़्यूरिक अम्ल $\rightarrow$ जिंक सल्फ़ेट + हाइड्रोजन
उपरोक्त शब्द-समीकरण को निम्नलिखित रासायनिक समीकरण से दर्शाया जा सकता है:
$$\mathrm{Zn}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4} \rightarrow \mathrm{ZnSO} _{4}+\mathrm{H} _{2} \tag{1.3}$$
आइए, समीकरण (1.3) में तीर के निशान के दोनों ओर के तत्वों के परमाणुओं की संख्या की तुलना करें।
| तत्व | अभिकारकों में परमाणुओं की संख्या (LHS) | उत्पाद में परमाणुओं की संख्या (RHS) |
|---|---|---|
| $\mathrm{Zn}$ | 1 | 1 |
| $\mathrm{H}$ | 2 | 2 |
| $\mathrm{~S}$ | 1 | 1 |
| $\mathrm{O}$ | 4 | 4 |
समीकरण (1.3) में, तीर के निशान के दोनों ओर के प्रत्येक तत्व के परमाणुओं की संख्या समान है इसलिए यह एक संतुलित रासायनिक समीकरण है।
अब हम निम्न रासायनिक समीकरण को संतुलित करने का प्रयास करते हैं-
$$ \begin{equation*} \mathrm{Fe}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}+\mathrm{H} _{2} \tag{1.4} \end{equation*} $$
चरण 1 रासायनिक समीकरण को संतुलित करने के लिए सबसे पहले प्रत्येक सूत्र के चारों ओर एक बॉक्स बना लीजिए। समीकरण को संतुलित करते समय बॉक्स के अंदर कुछ भी परिवर्तन नहीं कीजिए।
$$ \begin{equation*} \mathrm{Fe}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}+\mathrm{H} _{2} \tag{1.5} \end{equation*} $$
चरण 2 असंतुलित समीकरण (1.5) में उपस्थित विभिन्न तत्वों के परमाणुओं की संख्या की सूची बना लीजिए।
| तत्व | अभिकारकों में परमाणुओं की संख्या (LHS) | उत्पाद में परमाणुओं की संख्या (RHS) |
|---|---|---|
| $\mathrm{Fe}$ | 1 | 3 |
| $\mathrm{H}$ | 2 | 2 |
| $\mathrm{O}$ | 1 | 4 |
चरण 3 सुविधा के लिए सबसे अधिक परमाणु वाले यौगिक को पहले संतुलित कीजिए चाहे वह अभिकारक हो या उत्पाद। उस यौगिक में सबसे अधिक परमाणु वाले तत्व को चुनिए। इस आधार पर हम $\mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}$ और उसके ऑक्सीजन तत्व को चुनते हैं। दाईं ओर ऑक्सीजन के चार परमाणु हैं जबकि बाईं ओर केवल एक।
ऑक्सीजन परमाणु को संतुलित करने के लिए-
| ऑक्सीजन के परमाणु | अभिकारकों में | उत्पादों में |
|---|---|---|
| (i) प्रारंभ में | $1\left(\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}\right.$ में) | $4\left(\mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}\right.$ में) |
| (ii) संतुलित करने के लिए | $1 \times 4$ | 4 |
यह याद रखना आवश्यक है कि परमाणुओं की संख्या को बराबर करने के लिए हम अभिक्रिया में शामिल तत्वों तथा यौगिकों के सूत्रों को नहीं बदल सकते हैं। जैसे कि ऑक्सीजन परमाणु को संतुलित करने के लिए हम ’ 4 ’ गुणांक लगाकर $4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ लिख सकते हैं, लेकिन $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} _{4}$ या $\left(\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}\right) _{4}$ नहीं। आंशिक रूप से संतुलित समीकरण अब इस प्रकार होगा-
$$ \begin{equation*}\boxed{\mathrm{Fe}}+4\boxed{\mathrm{H_2O}}\rightarrow \boxed{\mathrm{Fe_3O_4}}+\boxed{\mathrm{H_2}} \hspace{123 px} \tag {1.6} \end{equation*} $$
(आंशिक रूप से संतुलित समीकरण)
चरण 4 $\mathrm{Fe}$ तथा $\mathrm{H}$ परमाणु अब भी संतुलित नहीं हैं। इनमें से किसी एक तत्व को चुनकर आगे बढ़ते हैं। अब हम आंशिक रूप से संतुलित समीकरण में हाइड्रोजन परमाणु को संतुलित करते हैं:
हाइड्रोजन परमाणु को बराबर करने के लिए दाईं ओर हाइड्रोजन अणु की संख्या को ’ 4 ’ कर देते हैं।
| हाइड्रोजन के परमाणु | अभिकारकों में | उत्पादों में |
|---|---|---|
| (i) प्रारंभ में | $8\left(4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}\right.$ में) | $2\left(\mathrm{H} _{2}\right.$ में) |
| (ii) संतुलित करने के लिए | 8 | $2 \times 4$ |
समीकरण अब इस प्रकार होगा-
$$ \begin{equation*} \mathrm{Fe}+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}+4 \mathrm{H} _{2} \tag{1.7} \end{equation*} $$
(आंशिक रूप से संतुलित समीकरण)
चरण 5 ऊपर दिए समीकरण की जाँच कीजिए तथा तीसरा तत्व चुन लीजिए जो अब तक असंतुलित है। आप पाएँगे कि केवल लोहा ही एक तत्व है, जिसे संतुलित करना शेष है।
| लोहे (आयरन) के परमाणु | अभिकारकों में | उत्पादों में |
|---|---|---|
| (i) प्रारंभ में | $1(\mathrm{Fe}$ में) | $3\left(\mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}\right.$ में) |
| (ii) संतुलन के लिए | $1 \times 3$ | 3 |
$\mathrm{Fe}$ को संतुलित करने के लिए बाईं ओर हम $\mathrm{Fe}$ के 3 परमाणु लेते हैं।
$$ \begin{equation*} 3 \boxed{\mathrm{Fe}}+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}+4 \mathrm{H} _{2} \tag{1.8} \end{equation*} $$
चरण 6 अंत में, इस संतुलित समीकरण की जाँच के लिए हम समीकरण में दोनों ओर के तत्वों के परमाणुओं की संख्याओं का परिकलन करते हैं।
$$ \begin{equation*} 3 \mathrm{Fe}+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}+4 \mathrm{H} _{2} \tag{1.9} \end{equation*} $$
(संतुलित समीकरण)
समीकरण (1.9) में दोनों ओर के तत्वों के परमाणुओं की संख्या बराबर है। अतः यह समीकरण अब संतुलित है। रासायनिक समीकरणों को संतुलित करने की इस विधि को हिट एंड ट्रायल विधि कहते हैं, क्योंकि सबसे छोटी पूर्णांक संख्या के गुणांक का उपयोग करके समीकरण को संतुलित करने का प्रयत्न करते हैं।
चरण 7 भौतिक अवस्थाओं के संकेत लिखना— ऊपर लिखे संतुलित समीकरण (1.9) की सावधानी से जाँच कीजिए। क्या इस समीकरण से हमें अभिकारकों तथा उत्पादों की भौतिक अवस्था के बारे में भी ज्ञान होता है? इस समीकरण में उनकी भौतिक अवस्थाओं की कोई जानकारी नहीं है।
रासायनिक समीकरण को अधिक सूचनापूर्ण बनाने के लिए अभिकारकों तथा उत्पादों के रासायनिक सूत्र के साथ उनकी भौतिक अवस्था को भी दर्शाया जाता है। अभिकारकों तथा उत्पादों के गैस, द्रव, जलीय तथा ठोस अवस्थाओं को क्रमशः (g), (l), (aq) तथा (s) से दर्शाया जाता है। अभिकारक या उत्पाद जब जल में घोल के रूप में उपस्थित होते हैं तब हम (aq) लिखते हैं।
अब संतुलित समीकरण (1.9) इस प्रकार होगा—
$$ \begin{equation*} 3 \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}(\mathrm{~s})+4 \mathrm{H} _{2}(\mathrm{~g}) \tag{1.10} \end{equation*} $$
ध्यान दीजिए समीकरण (1.10) में $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ के साथ $(\mathrm{g})$ चिह्म का उपयोग किया गया है। यह दर्शाता है कि इस अभिक्रिया में जल का उपयोग भाप के रूप में किया गया है।
प्रायः हर रासायनिक समीकरण में भौतिक अवस्था को शामिल नहीं किया जाता है, जब तक कि यह आवश्यक न हो।
कभी-कभी अभिक्रिया की परिस्थितियाँ जैसे कि ताप, दाब, उत्प्रेरक आदि को भी तीर के निशान के ऊपर या नीचे दर्शाया जाता है, जैसे-
$$\mathrm{CO}(\mathrm{g})+2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g}) \xrightarrow{340 \text { atm }} \mathrm{CH}_3 \mathrm{OH} \quad \tag {1.11}(1)$$
$6 \mathrm{CO_2} (aq) +12 \mathrm{H_2 O(l)} \xrightarrow[\text{ स्लोरोफिल }]{\text{ सूर्य-प्रकाश }} \underset{\text{ (ग्लूकोज) }}{\mathrm{C_6 H_{12} O_6} \text{ (aq) }}+6 \mathrm{O_2} (aq) +6 \mathrm{H_2 O}(l) \tag {1.12}$
इसी प्रकार क्या आप पुस्तक में दिए गए समीकरण (1.2) को संतुलित कर सकते हैं?
प्रश्न
1. वायु में जलाने से पहले मैग्नीशियम रिबन को साफ़ क्यों किया जाता है?
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#missing2. निम्नलिखित रासायनिक अभिक्रियाओं के लिए संतुलित समीकरण लिखिए-
(i) हाइड्रोजन + क्लोरीन $\rightarrow$ हाइड्रोजन क्लोराइड
(ii) बेरियम क्लोराइड + ऐलुमीनियम सल्फ़ेट $\rightarrow$ बेरियम सल्फ़ेट + ऐलुमीनियम क्लोराइड
(ii) सोडियम + जल $\rightarrow$ सोडियम हाइड्रॉक्साइड + हाइड्रोजन
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#missing3. निम्नलिखित अभिक्रियाओं के लिए उनकी अवस्था के संकेतों के साथ संतुलित रासायनिक समीकरण लिखिए-
(i) जल में बेरियम क्लोराइड तथा सोडियम सल्फ़ेट के विलयन अभिक्रिया करके सोडियम क्लोराइड का विलयन तथा अघुलनशील बेरियम सल्फ़ेट का अवक्षेप बनाते हैं।
(ii) सोडियम हाइड्रोक्साइड का विलयन (जल में) हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के विलयन (जल में) से अभिक्रिया करके सोडियम क्लोराइड का विलयन तथा जल बनाते हैं।
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#missing1.2 रासायनिक अभिक्रियाओं के प्रकार
कक्षा 9 में हम अध्ययन कर चुके हैं कि रासायनिक क्रिया के समय किसी एक तत्व का परमाणु दूसरे तत्व के परमाणु में नहीं बदलता है। न तो कोई परमाणु मिश्रण से बाहर जाता है और न ही बाहर से मिश्रण में आता है। वास्तव में, किसी रासायनिक अभिक्रिया में परमाणुओं के आपसी आबंध के टूटने एवं जुड़ने से नए पदार्थों का निर्माण होता है। परमाणुओं के बीच विभिन्न प्रकार के आबंध के बारे में आप अध्याय 3 तथा 4 में अध्ययन करेंगे।
1.2.1 संयोजन अभिक्रिया
क्रियाकलाप 1.4
- एक बीकर में थोड़ा कैल्सियम ऑक्साइड तथा बुझा हुआ चूना लीजिए।
- इसमें धीरे-धीरे जल मिलाइए।
- अब बीकर को स्पर्श कीजिए जैसा चित्र 1.3 में दिखाया गया है।
- क्या इसके ताप में कोई परिवर्तन हुआ?
चित्र 1.3 जल के साथ कैल्सियम ऑक्साइड की अभिक्रिया से बुझे हुए चूने का निर्माण
कैल्सियम ऑक्साइड जल के साथ तीव्रता से अभिक्रिया करके बुझे हुए चूने (कैल्सियम हाइड्रोक्साइड) का निर्माण करके अधिक मात्रा में ऊष्मा उत्पन्न करता है।
$$ \underset{\text{ (बिना बुझा हुआ चूना) }}{\mathrm{CaO(s)}}+\quad \mathrm{H_2 O(l)} \to \underset{\text{ (बुझा हुआ चूना) }}{\mathrm{Ca(OH)_2(aq)}}+\text{ ऊष्मा } \tag {1.13} $$
इस अभिक्रिया में कैल्सियम ऑक्साइड तथा जल मिलकर एकल उत्पाद, कैल्सियम हाइड्रोक्साइड बनाते हैं। ऐसी अभिक्रिया जिसमें दो या दो से अधिक अभिकारक मिलकर एकल उत्पाद का निर्माण करते हैं उसे संयोजन अभिक्रिया कहते हैं।
क्या आप जानते हैं?
ऊपर की अभिक्रिया में निर्मित बुझे हुए चने के विलयन का उपयोग दीवारों की सफ़ेदी करने के लिए किया जाता है। कैल्सियम हाइड्रॉक्साइड वायु में उपस्थित कार्बन डाइऑक्साइड के साथ धीमी गति से अभिक्रिया करके दीवारों पर कैल्सियम कार्बोनेट की एक पतली परत बना देता है। सफ़ेदी करने के दो-तीन दिन बाद कैल्सियम कार्बोनेट का निर्माण होता है और इससे दीवारों पर चमक आ जाती है। रोचक बात यह है कि संगमरमर का रासायनिक सूत्र भी $\mathrm{CaCO} _{3}$ ही है।
$\underset{(\text{कैल्सियम हाइड्रोक्साइड})}{\mathrm{Ca(OH)_2}}+\mathrm{CO_2(g)} \to \underset{(\text{कैल्सियम कार्बोनेट})}{\mathrm{CaCO_3(s)}} + \mathrm{H_2O(l)} \tag {1.14}$
आइए, संयोजन अभिक्रिया के कुछ और उदाहरणों पर चर्चा करें।
(i) कोयले का दहन
$$ \begin{equation*} \mathrm{C}(\mathrm{s})+\mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{CO} _{2}(\mathrm{~g}) \tag{1.15} \end{equation*} $$
(ii) $\mathrm{H} _{2}(\mathrm{~g})$ तथा $\mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g})$ से जल का निर्माण
$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{H} _{2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \tag{1.16} \end{equation*} $$
सरल शब्दों में हम कह सकते हैं कि जब दो या दो से अधिक पदार्थ (तत्व या यौगिक) संयोग करके एकल उत्पाद का निर्माण करते हैं, ऐसी अभिक्रियाओं को संयोजन अभिक्रिया कहते हैं।
क्रियाकलाप 1.4 में हमने यह भी देखा कि अधिक मात्रा में ऊष्मा उत्पन्न हुई। इससे अभिक्रिया मिश्रण गर्म हो जाता है। जिन अभिक्रियाओं में उत्पाद के निर्माण के साथ-साथ ऊष्मा भी उत्पन्न होती है उन्हें ऊष्माक्षेपी रासायनिक अभिक्रिया कहते हैं।
ऊष्माक्षेपी अभिक्रियाओं के कुछ अन्य उदाहरण हैं-
(i) प्राकृतिक गैस का दहन-
$$ \begin{equation*} \mathrm{CH} _{4}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{CO} _{2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})+\text { ऊर्जा } \tag{1.17} \end{equation*} $$
(ii) क्या आप जानते हैं कि श्वसन एक ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया है?
हम सभी जानते हैं कि जीवित रहने के लिए हमें ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह ऊर्जा हमें भोजन से प्राप्त होती है। पाचन क्रिया के समय खाद्य पदार्थ छोटे-छोटे टुकड़ों में टूट जाते हैं। जैसे चावल, आलू तथा ब्रेड में कार्बोहाइड्रेट होता है। इन कार्बोहाइड्रेट के टूटने से ग्लूकोज़ प्राप्त होता है। यह ग्लूकोज़ हमारे शरीर की कोशिकाओं में उपस्थित ऑक्सीजन से मिलकर हमें ऊर्जा प्रदान करता है। इस अभिक्रिया का विशेष नाम श्वसन है, जिसका अध्ययन आप अध्याय 6 में करेंगे।
$ \begin{equation*} {C_6 H_{12} O_6(aq)}+6 O_2(aq) \to 6 CO_2(aq)+6 H_2 O(l)+\text{ ऊर्जा } \tag{1.18} \end{equation*} $
(iii) शाक-सब्जियों (वनस्पति द्रव्य) का विघटित होकर कंपोस्ट बनना भी ऊष्माक्षेपी अभिक्रिया का ही उदाहरण है।
क्रियाकलाप 1.1 में दी गई अभिक्रिया के प्रकार को पहचानिए, जिसमें एकल उत्पाद के निर्माण के साथ ऊष्मा उत्पन्न होती है।
1.2.2 वियोजन (अपघटन) अभिक्रिया
क्रियाकलाप 1.5
- एक शुष्क क्वथन नली में $2 \mathrm{~g}$ फ़ेरस सल्फ़ेट के क्रिस्टल लीजिए।
- फ़ेरस सल्फ़ेट के क्रिस्टल के रंग पर ध्यान दीजिए।
- क्वथन नली को बर्नर या स्पिरिट लैंप की ज्वाला पर गर्म कीजिए, जैसा चित्र 1.4 में दिखाया गया है।
- गर्म करने के पश्चात क्रिस्टल के रंग को देखिए।
चित्र 1.4 फ़ेरस सल्फ़ेट क्रिस्टल वाली परखनली को गर्म करने तथा गंध सूँघने की सही विधि
क्या आपने ध्यान दिया कि फ़ेरस सल्फ़ेट क्रिस्टल के हरे रंग में परिवर्तन हुआ है? सल्फ़र के दहन से उत्पन्न उस अभिलाक्षणिक (विशिष्ट) गंध को भी आप सूँघ सकते हैं।
$ \underset{\text{(फ़ेरस सल्फ़ेट)}}{\mathrm{2 FeSO_4(s)}} \xrightarrow[\text{ (फ़ेरिक ऑक्साइड) }]{\text{ ऊष्मा }} \underset{\text{ Fe }}{\mathrm{Fe_2 O_3(s)+SO_2(g)+SO_3(g)}} \quad {1.19} $
आप देख सकते हैं कि इस अभिक्रिया में एकल अभिकर्मक टूट कर छोटे-छोटे उत्पाद प्रदान करता है। यह एक वियोजन अभिक्रिया है। गर्म करने पर फ़ेरस सल्फ़ेट $\left(\mathrm{FeSO} _{4} \cdot 7 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}\right)$ का क्रिस्टल जल त्याग देता है और क्रिस्टल का रंग बदल जाता है। इसके उपरांत यह फ़ेरिक ऑक्साइड $\left(\mathrm{Fe} _{2} \mathrm{O} _{3}\right)$, सल्फ़र डाइऑक्साइड $\left(\mathrm{SO} _{2}\right)$ तथा सल्फ़र ट्राइऑक्साइड $\left(\mathrm{SO} _{3}\right)$ में वियोजित हो जाता है। फ़ेरिक ऑक्साइड ठोस है, जबकि $\mathrm{SO} _{2}$ तथा $\mathrm{SO} _{3}$ गैसें हैं।
ऊष्मा देने पर कैल्सियम कार्बोनेट का कैल्सियम ऑक्साइड तथा कार्बन डाइऑक्साइड में वियोजित होना एक प्रमुख वियोजन अभिक्रिया है, जिसका उपयोग विभिन्न उद्योगों में होता है। कैल्सियम ऑक्साइड को चूना या बिना बुझा हुआ चूना कहते हैं। इसके अनेक उपयोगों में से एक उपयोग सीमेंट के निर्माण में होता है। ऊष्मा के द्वारा की गई वियोजन अभिक्रिया को ऊष्मीय वियोजन कहते हैं।
$\underset{\text{ (चूना पत्थर) }}{CaCO_3(s)} \stackrel{\text{ ऊष्मा }}{\longrightarrow} \underset{\text{ (बुझा हुआ चूना) }}{CaO(s)}+\underset{2}{CO_2(g)} \quad (1.20)$
ऊष्मीय वियोजन अभिक्रिया का एक अन्य उदाहरण क्रियाकलाप 1.6 में दिया गया है।
क्रियाकलाप 1.6
- एक क्वथन नली में $2 \mathrm{~g}$ लेड नाइट्रेट का चूर्ण लीजिए।
- चिमटे से क्वथन नली को पकड़कर ज्वाला के ऊपर रखकर इसे गर्म कीजिए जैसा चित्र 1.5 में दिखाया गया है।
- आपने क्या देखा? यदि कोई परिवर्तन हुआ है तो उसे नोट कर लीजिए।
आप देखेंगे कि भूरे रंग का धुआँ उत्सर्जित होता है। यह नाइट्रोजन डाइऑक्साइड $\left(\mathrm{NO} _{2}\right)$ का धुआँ है। यह अभिक्रिया इस प्रकार होती है-
चित्र 1.5 लेड नाइट्रेट का तापन तथा नाइट्रोजन डाइऑक्साइड का उत्सर्जन
$\underset{\text { (लेड नाइट्रेट) }}{2 \mathrm{~Pb}\left(\mathrm{NO}_3\right)_2(\mathrm{~s})} \xrightarrow{\text { Heat }} \underset{\text { (लेड ऑक्साइड) }}{2 \mathrm{PbO}(\mathrm{s})}+\underset{\begin{array}{l}\text { (नाइट्रोजन } \ \text { डाइऑक्साइड) }\end{array}}{4 \mathrm{NO}_2(\mathrm{~g})}+\underset{\text { (ऑक्सीजन) }}{\mathrm{O}_2(\mathrm{~g})}\quad (1.21)$
आइए, क्रियाकलाप 1.7 तथा 1.8 में दी गई कुछ अन्य अपघटन अभिक्रियाएँ करें।
क्रियाकलाप 1.7
- एक प्लास्टिक का मग लीजिए। इसकी तली में दो छिद्र करके उनमें रबड़ की डाट लगा दीजिए। इन छिद्रों में कार्बन इलेक्ट्रोड डाल दीजिए जैसा कि चित्र 1.6 में दिखाया गया है।
- इन इलेक्ट्रोडों को 6 वोल्ट की बैटरी से जोड़ दीजिए।
- मग में इतना जल डालिए कि इलेक्ट्रोड उसमें डूब जाए। जल में तनु सल्फ़्यूरिक अम्ल की कुछ बूँदें डाल दीजिए।
- जल से भरी दो अंशांकित परखनलियों को दोनों कार्बन इलेक्ट्रोडों के ऊपर उल्टा करके रख दीजिए।
- अब विद्युत धारा प्रवाहित करके इस उपकरण को थोड़ी देर के लिए छोड़ दीजिए।
- दोनों इलेक्ट्रोडों पर आप बुलबुले बनते हुए देखेंगे। ये बुलबुले अंशांकित नली से जल को विस्थापित कर देते हैं।
- क्या दोनों परखनलियों में एकत्रित गैस का आयतन समान है?
- जब दोनों परखनलियाँ गैस से भर जाएँ तब उन्हें सावधानीपूर्वक हटा लीजिए।
- एक जलती हुई मोमबत्ती को दोनों परखनलियों के मुँह के ऊपर लाकर इन गैसों की जाँच कीजिए।
सावधानी— इस चरण को शिक्षक द्वारा सावधानीपूर्वक किया जाना चाहिए।
- दोनों स्थितियों में क्या होता है?
- दोनों परखनलियों में कौन सी गैस उपस्थित है?
चित्र 1.6 जल का वैद्युतअपघटन
क्रियाकलाप 1.8
- चायना डिश में $2 \mathrm{~g}$ सिल्वर क्लोराइड लीजिए।
- इसका रंग क्या है?
- इस चायना डिश को थोड़ी देर के लिए सूर्य के प्रकाश में रख दीजिए (चित्र 1.7)।
- थोड़ी देर पश्चात सिल्वर क्लोराइड के रंग को देखिए।
चित्र 1.7 सूर्य के प्रकाश में सिल्वर क्लोराइड धूसर रंग का होकर सिल्वर धातु बनाता है।
आप देखेंगे कि सूर्य के प्रकाश में श्वेत रंग का सिल्वर क्लोराइड धूसर रंग का हो जाता है। प्रकाश की उपस्थिति में सिल्वर क्लोराइड का सिल्वर तथा क्लोरीन में वियोजन के कारण से ऐसा होता है।
$2 \mathrm{AgCl}(\mathrm{s}) \xrightarrow{\text { सूर्य का प्रकाश }} 2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+\mathrm{Cl} _{2}(\mathrm{~g}) \quad (1.22)$
सिल्वर ब्रोमाइड भी इसी प्रकार अभिक्रिया करता है।
$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{AgBr}(\mathrm{s}) \xrightarrow{\text { सूर्य का प्रकाश }} 2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+\mathrm{Br} _{2}(\mathrm{~g}) \tag{1.23} \end{equation*} $$
ऊपर दी गई अभिक्रिया का उपयोग श्याम-श्वेत फ़ोटोग्राफी में किया जाता है। किस प्रकार की ऊर्जा के कारण यह वियोजन अभिक्रिया होती है?
हमने देखा कि वियोजन अभिक्रिया में अभिकारकों को तोड़ने के लिए ऊष्मा, प्रकाश या विद्युत ऊर्जा की आवश्यकता होती है। जिन अभिक्रियाओं में ऊर्जा अवशोषित होती है, उन्हें ऊष्माशोषी अभिक्रिया कहते हैं।
निम्नलिखित क्रियाकलाप करें
एक परखनली में लगभग $2 \mathrm{~g}$ बेरियम हाइड्रॉक्साइड लीजिए। इसमें $1 \mathrm{~g}$ अमोनियम क्लोराइड डालकर काँच की छड़ से मिलाइए। अपनी हथेली से परखनली के निचले सिरे को छुएँ। आप कैसा महसूस करते हैं? क्या यह अभिक्रिया ऊष्माक्षेपी अथवा ऊष्माशोषी है?
प्रश्न
1. किसी पदार्थ ’ $\mathrm{X}$ ’ के विलयन का उपयोग सफ़ेदी करने के लिए होता है।
(i) पदार्थ ’ $X$ ’ का नाम तथा इसका सूत्र लिखिए।
(ii) ऊपर (i) में लिखे पदार्थ ’ $X$ ’ की जल के साथ अभिक्रिया लिखिए।
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#missing2. क्रियाकलाप 1.7 में एक परखनली में एकत्रित गैस की मात्रा दूसरी से दोगुनी क्यों है? उस गैस का नाम बताइए।
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#missing1.2.3 विस्थापन अभिक्रिया
क्रियाकलाप 1.9
- लोहे की तीन कील लीजिए और उन्हें रेगमाल से रगड़कर साफ़ कीजिए।
- (A) तथा (B) से चिह्नित की हुई दो परखनलियाँ लीजिए। प्रत्येक परखनली में $10 \mathrm{~mL}$ कॉपर सल्फ़ेट का विलयन लीजिए।
- दो कीलों को धागे से बाँधकर सावधानीपूर्वक परखनली (B) के कॉपर सल्फ़ेट के विलयन में लगभग 20 मिनट तक (चित्र 1.8 a) डुबो कर रखिए। तुलना करने के लिए एक कील को अलग रखिए।
- 20 मिनट पश्चात दोनों कीलों को कॉपर सल्फ़ेट के विलयन से बाहर निकाल लीजिए।
- परखनली (A) तथा (B) में कॉपर सल्फ़ेट के विलयन के नीले रंग की तीव्रता की तुलना (चित्र $1.8 \mathrm{~b}$ ) कीजिए।
- कॉपर सल्फ़ेट के विलयन में डूबी कीलों के रंग की तुलना बाहर रखी कील (चित्र $1.8 \mathrm{~b}$ ) से कीजिए।
चित्र 1.8 (a) कॉपर सल्फ़ेट के विलयन में डूबी हुई लोहे की कीलें
चित्र 1.8 (b) प्रयोग से पहले तथा उसके उपरांत लोहे की कील तथा कॉपर सल्फ़ेट के विलयन की तुलना
लोहे की कील का रंग भूरा क्यों हो गया तथा कॉपर सल्फ़ेट के विलयन का नीला रंग मलीन क्यों पड़ गया?
इस क्रियाकलाप में निम्नलिखित अभिक्रिया हुई-
$\mathrm{Fe(s)}+\underset{\text{(कॉपर सल्फ़ेट)}}{\mathrm{CuSO_4(aq)}} \rightarrow \underset{\text{आयरन सल्फ़ेट}}{\mathrm{FeSO_4(aq)}}+ \mathrm{Cu(s)} \quad (1.24)$
इस अभिक्रिया में लोहे (आयरन) ने दूसरे तत्व कॉपर को कॉपर सल्फ़ेट के विलयन से विस्थापित कर दिया या हटा दिया। इस अभिक्रिया को विस्थापन अभिक्रिया कहते हैं।
विस्थापन अभिक्रिया के कुछ अन्य उदाहरण-
$\mathrm{Zn(s)}+\underset{\text{(कॉपर सल्फ़ेट)}}{\mathrm{CuSO_4(aq)}} \rightarrow \underset{\text{जिंक सल्फ़ेट}}{\mathrm{PbCl_2(aq)}}+ \mathrm{Cu(s)}\quad (1.25)$
$\mathrm{Pb(s)}+\underset{\text{(कॉपर क्लोराइड)}}{\mathrm{CuSO_4(aq)}} \rightarrow \underset{\text{लेड सल्फ़ेट}}{\mathrm{FeSO_4(aq)}}+ \mathrm{Cu(s)}\quad (1.26)$
जिंक तथा लेड, कॉपर की अपेक्षा अधिक क्रियाशील तत्व हैं। वे कॉपर को उसके यौगिक से विस्थापित कर देते हैं।
1.2.4 द्विविस्थापन अभिक्रिया
क्रियाकलाप 1.10
- एक परखनली में $3 \mathrm{~mL}$ सोडियम सल्फ़ेट का विलयन लीजिए।
- एक अन्य परखनली में $3 \mathrm{~mL}$ बेरियम क्लोराइड लीजिए।
- दोनों विलयनों को (चित्र 1.9) मिला लीजिए।
- आपने क्या देखा?
आप देखेंगे कि श्वेत रंग के एक पदार्थ का निर्माण होता है, जो जल में अविलेय है। इस अविलेय पदार्थ को अवक्षेप कहते हैं। जिस अभिक्रिया में अवक्षेप का निर्माण होता है, उसे अवक्षेपण अभिक्रिया कहते हैं।
चित्र 1.9 बेरियम सल्फ़ेट तथा सोडियम क्लोराइड का निर्माण
$ \underset{\text{(सोडियम सल्फ़ेट)}}{\mathrm{Na_2SO_4(aq)}}+\underset{\text{(बेरियम क्लोराइड)}}{\mathrm{BaCl_2(aq)}} \rightarrow \underset{\text{(बेरियम सल्फ़ेट)}}{\mathrm{BaSO_4(s)}}+ \underset{\text{(Sodium chloride)}}{\mathrm{2NaCl(aq)}} \quad (1.27)$
ऐसा क्यों होता है? $\mathrm{Ba}^{2+}$ तथा $\mathrm{SO} _{4}^{2-}$ की अभिक्रिया से $\mathrm{BaSO} _{4}$ के अवक्षेप का निर्माण होता है। एक अन्य उत्पाद सोडियम कलोराइड का भी निर्माण होता है, जो विलयन में ही रहता है। वे अभिक्रियाएँ, जिनमें अभिकारकों के बीच आयनों का आदान-प्रदान होता है, उन्हें द्विविस्थापन अभिक्रियाएँ कहते हैं।
क्रियाकलाप 1.2 पर ध्यान दें, जिसमें आपने लेड (II) नाइट्रेट तथा पोटैशियम आयोडाइड के विलयनों को मिश्रित किया था।
(i) अवक्षेप किस रंग का था? क्या आप अवक्षेपित यौगिक का नाम बता सकते हैं?
(ii) इस अभिक्रिया के लिए संतुलित रासायनिक समीकरण लिखिए।
(iii) क्या यह भी द्विविस्थापन अभिक्रिया है?
1.2.5 उपचयन एवं अपचयन
क्रियाकलाप 1.11
- चायना डिश में $1 \mathrm{~g}$ कॉपर चूर्ण लेकर उसे गर्म कीजिए। (चित्र 1.10)
- आपने क्या देखा?
- कॉपर चर्ण की सतह पर कॉपर ऑक्साइड (II) की काली परत चढ़ जाती है। यह काला पदार्थ क्यों बना?
- यह कॉपर ऑक्साइड कॉपर में ऑक्सीजन के योग से बना है।
$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{Cu}+\mathrm{O} _{2} \xrightarrow{\text { तापन }} 2 \mathrm{CuO} \tag{1.28} \end{equation*} $$
चित्र 1.10 कॉपर का कॉपर आक्साइड में उपचयन
यदि इस गर्म पदार्थ $(\mathrm{CuO})$ के ऊपर हाइड्रोजन गैस प्रवाहित की जाए तो सतह की काली परत भूरे रंग की हो जाती है, क्योंकि इस स्थिति में विपरीत अभिक्रिया संपन्न होती है तथा कॉपर प्राप्त होता है।
$$ \begin{equation*} \mathrm{CuO}+\mathrm{H} _{2} \xrightarrow{\text { तापन }} \mathrm{Cu}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \tag{1.29} \end{equation*} $$
अभिक्रिया के समय जब किसी पदार्थ में ऑक्सीजन की वृद्धि होती है तो कहते हैं कि उसका उपचयन हुआ है। तथा जब अभिक्रिया में किसी पदार्थ में ऑक्सीजन का ह्रास होता है तो कहते हैं कि उसका अपचयन हुआ है।
अभिक्रिया (1.29) में कॉपर (II) ऑक्साइड में ऑक्सीजन का ह्रास हो रहा है इसलिए यह अपचयित हुआ है। हाइड्रोजन में ऑक्सीजन की वृद्धि हो रही है इसलिए यह उपचयित हुआ है। अर्थात, किसी अभिक्रिया में एक अभिकारक उपचयित तथा दूसरा अभिकारक अपचयित होता है। इन अभिक्रियाओं को उपचयन-अपचयन अथवा रेडॉक्स अभिक्रियाएँ कहते हैं।
रेडॉक्स अभिक्रिया के कुछ अन्य उदाहरण है-
$$ \mathrm{Zno + C \to Zn + CO} \quad (1.31)$$
$$ \mathrm{MnO_2+4HCl \to MnCl_2 + 2H_2O + Cl_2} \quad (1.32)$$
अभिक्रिया (1.31) में क्राबन उपचयित होकर $\mathrm{CO}$ तथा $\mathrm{ZnO}$ अपचयित होकर $\mathrm{Zn}$ बनता है। अभिक्रिया (1.32) में $\mathrm{HCl}, \mathrm{Cl} _{2}$ में उपचयित तथा $\mathrm{MnO} _{2}, \mathrm{MnCl} _{2}$ में अपचयित हुआ है।
ऊपर के उदाहरणों के आधार पर हम कह सकते हैं कि यदि किसी अभिक्रिया में पदार्थ का उपचयन तब होता है, जब उसमें ऑक्सीजन की वृद्धि या हाइड्रोजन का ह्रास होता है। पदार्थ का अपचयन तब होता है, जब उसमें ऑक्सीजन का ह्रास या हाइड्रोजन की वृद्धि होती है।
क्रियाकलाप 1.1 पर ध्यान दीजिए, जिसमें एक चमकदार ज्वाला के साथ मैग्नीशियम रिबन का वायु (ऑक्सीजन) में दहन होता है तथा यह श्वेत पदार्थ मैग्नीशियम ऑक्साइड में परिवर्तित हो जाता है। इस अभिक्रिया में मैग्नीशियम का उपचयन होता है या अपचयन?
1.3 क्या आपने दैनिक जीवन में उपचयन अभिक्रियाओं के प्रभावों को देखा है?
1.3.1 संक्षारण
आपने अवश्य देखा होगा कि लोहे की बनी नई वस्तुएँ चमकीली होती हैं, लेकिन कुछ समय पश्चात उन पर लालिमायुक्त भूरे रंग की परत चढ़ जाती है। प्रायः इस प्रक्रिया को लोहे पर जंग लगना कहते हैं। कुछ अन्य धातुओं में भी ऐसा ही परिवर्तन होता है। क्या आपने चाँदी तथा ताँबे पर चढ़ने वाली परत के रंग पर ध्यान दिया है? जब कोई धातु अपने आस-पास अम्ल, आर्द्रता आदि के संपर्क में आती है तब ये संक्षारित होती हैं और इस प्रक्रिया को संक्षारण कहते हैं। चाँदी के ऊपर काली पर्त व ताँबे के ऊपर हरी पर्त चढ़ना संक्षारण के अन्य उदाहरण हैं।
संक्षारण के कारण कार के ढाँचे, पुल, लोहे की रेलिंग, जहाज तथा धातु, विशेषकर लोहे से बनी वस्तुओं की बहुत क्षति होती है। लोहे का संक्षारण एक गंभीर समस्या है। क्षतिग्रस्त लोहे को बदलने में हर वर्ष अधिक पैसा खर्च होता है। अध्याय 3 में आपको संक्षारण के बारे में अधिक जानकारी प्राप्त होगी।
1.3.2 विकृतगंधिता
वसायुक्त अथवा तैलीय खाद्य सामग्री जब लंबे समय तक रखी रह जाती है तब उसका स्वाद या गंध कैसी होती है?
उपचयित होने पर तेल एवं वसा विकृतगंधी हो जाते हैं तथा उनके स्वाद तथा गंध बदल जाते हैं। प्रायः तैलीय तथा वसायुक्त खाद्य सामग्रियों में उपचयन रोकने वाले पदार्थ (प्रति ऑक्सीकारक) मिलाए जाते हैं। वायुरोधी बर्तनों में खाद्य सामग्री रखने से उपचयन की गति धीमी हो जाती है। क्या आप जानते हैं कि चिप्स बनाने वाले चिप्स की थैली में से ऑक्सीजन हटाकर उसमें नाइट्रोजन जैसी कम सक्रिय गैस से युक्त कर देते हैं ताकि चिप्स का उपचयन न हो सके।
प्रश्न
1. जब लोहे की कील को कॉपर सल्फ़ेट के विलयन में डुबोया जाता है तो विलयन का रंग क्यों बदल जाता है?
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#missing2. क्रियाकलाप 1.10 से भिन्न द्विविस्थापन अभिक्रिया का एक उदाहरण दीजिए।
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#missing3. निम्न अभिक्रियाओं में उपचयित तथा अपचयित पदार्थों की पहचान कीजिए:
(i) $4 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{O} _{2}$ (g) $\rightarrow 2 \mathrm{Na} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{s})$
(ii) $\mathrm{CuO}(\mathrm{s})+\mathrm{H} _{2}$ (g) $\rightarrow \mathrm{Cu}(\mathrm{s})+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
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#missingआपने क्या सीखा
- एक पूर्ण रासायनिक समीकरण अभिकारक, उत्पाद एवं प्रतीकात्मक रूप से उनकी भौतिक अवस्था को प्रदर्शित करता है।
- रासायनिक समीकरण को संतुलित किया जाता है, जिससे समीकरण में अभिकारक तथा उत्पाद, दोनों ही ओर रासायनिक अभिक्रिया में भाग लेने वाले प्रत्येक परमाणु की संख्या समान हो। समीकरण का संतुलित होना आवश्यक है।
- संयोजन अभिक्रिया में दो या दो से अधिक पदार्थ मिलकर एक नया पदार्थ बनाते हैं।
- वियोजन अभिक्रिया संयोजन अभिक्रिया के विपरीत होती है। वियोजन अभिक्रिया में एकल पदार्थ वियोजित होकर दो या दो से अधिक पदार्थ देता है।
- जिन अभिक्रियाओं में उत्पाद के साथ ऊष्मा का भी उत्सर्जन होता है, उन्हें ऊष्माक्षेपी अभिक्रियाएँ कहते हैं।
- जिन अभिक्रियाओं में ऊष्मा का अवशोषण होता है, उन्हें ऊष्माशोषी अभिक्रियाएँ कहते हैं।
- जब कोई एक तत्व दूसरे तत्व को उसके यौगिक से विस्थापित कर देता है, विस्थापन अभिक्रिया होती है।
- द्विविस्थापन अभिक्रिया में दो अलग-अलग परमाणु या परमाणुओं के समूह (आयन) का आपस में आदान-प्रदान होता है।
- अवक्षेपण अभिक्रिया से अविलेय लवण प्राप्त होता है।
- अभिक्रिया में पदार्थों से ऑक्सीजन या हाइड्रोजन का योग अथवा ह्रास भी होता है। ऑक्सीजन का योग या हाइड्रोजन का हास ऑक्सीकरण या उपचयन कहलाता है। ऑक्सीजन का ह्रास या हाइड्रोजन का योग अपचयन कहलाता है।
अभ्यास
1. नीचे दी गई अभिक्रिया के संबंध में कौन सा कथन असत्य है?
$2 \mathrm{PbO}(\mathrm{s})+\mathrm{C}(\mathrm{s}) \rightarrow 2 \mathrm{~Pb}(\mathrm{~s})+\mathrm{Co} _{2}(\mathrm{~g})$
(a) सीसा अपचयित हो रहा है।
(b) कार्बन डाइऑक्साइड उपचयित हो रहा है।
(c) कार्बन उपचयित हो रहा है।
(d) लेड ऑक्साइड अपचयित हो रहा है।
(i) (a) एवं (b)
(ii) (a) एवं (c)
(iii) (a), (b) एवं (c)
(iv) सभी
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#missing2. $\mathrm{Fe} _{2} \mathrm{O} _{3}+2 \mathrm{Al} \rightarrow \mathrm{Al} _{2} \mathrm{O} _{3}+2 \mathrm{Fe}$ ऊपर दी गई अभिक्रिया किस प्रकार की है-
(a) संयोजन अभिक्रिया
(b) द्विविस्थापन अभिक्रिया
(c) वियोजन अभिक्रिया
(d) विस्थापन अभिक्रिया
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#missing3. लौह-चूर्ण पर तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल डालने से क्या होता है? सही उत्तर पर निशान लगाइए।
(a) हाइड्रोजन गैस एवं आयरन क्लोराइड बनता है।
(b) क्लोरीन गैस एवं आयरन हाइड्रॉक्साइड बनता है।
(c) कोई अभिक्रिया नहीं होती है।
(d) आयरन लवण एवं जल बनता है।
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#missing4. संतुलित रासायनिक समीकरण क्या है? रासायनिक समीकरण को संतुलित करना क्यों आवश्यक है?
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#missing5. निम्न कथनों को रासायनिक समीकरण के रूप में परिवर्तित कर उन्हें संतुलित कीजिए।
(a) नाइट्रोजन हाइड्रोजन गैस से संयोग करके अमोनिया बनाता है।
(b) हाइड्रोजन सल्फ़ाइड गैस का वायु में दहन होने पर जल एवं सल्फ़र डाइऑक्साइड बनता है।
(c) ऐल्युमिनियम सल्फ़ेट के साथ अभिक्रिया कर बेरियम क्लोराइड, ऐल्युमिनियम क्लोराइड एवं बेरियम सल्फ़्रेट का अवक्षेप देता है।
(d) पोटैशियम धातु जल के साथ अभिक्रिया करके पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड एवं हाइड्रोजन गैस देती है।
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#missing6. निम्न रासायनिक समीकरणों को संतुलित कीजिए-
(a) $\mathrm{HNO} _{3}+\mathrm{Ca}(\mathrm{OH})^{2} \rightarrow \mathrm{Ca}\left(\mathrm{NO} _{3}\right) _{2}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$
(b) $\mathrm{NaOH}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4} \rightarrow \mathrm{Na} _{2} \mathrm{SO} _{4}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$
(c) $\mathrm{NaCl}+\mathrm{AgNO} _{3} \rightarrow \mathrm{AgCl}+\mathrm{NaNO} _{3}$
(d) $\mathrm{BaCl} _{2}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4} \rightarrow \mathrm{BaSO} _{4}+\mathrm{HCl}$
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#missing7. निम्न अभिक्रियाओं के लिए संतुलित रासायनिक समीकरण लिखिए-
(a) कैल्शियम हाइड्रोक्साइड + कार्बन डाइऑक्साइड $\rightarrow$ कैल्शियम कार्बोनेट + जल
(b) जिंक + सिल्वर नाइट्रेट $\rightarrow$ जिंक नाइट्रेट + सिल्वर
(c) ऐल्युमिनियम + कॉपर क्लोराइड $\rightarrow$ ऐल्युमिनियम क्लोराइड + कॉपर
(d) बेरियम क्लोराइड + पोटैशियम सल्फ़ेट $\rightarrow$ बेरियम सल्फ़ेट + पोटैशियम क्लोराइड
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#missing8. निम्न अभिक्रियाओं के लिए सतुंलित रासायनिक समीकरण लिखिए एवं प्रत्येक अभिक्रिया का प्रकार बताइए।
(a) पोटैशियम ब्रोमाइड (aq) + बेरियम आयोडाइड $(\mathrm{aq}) \rightarrow$ पोटैशियम आयोडाइड (aq)+ बेरियम ब्रोमाइड $(\mathrm{s})$
(b) जिंक कार्बोनेट( $\mathrm{s}) \rightarrow$ जिंक ऑक्साइड ( $\mathrm{s})+$ कार्बन डाइऑक्साइड $(\mathrm{g})$
(c) हाइड्रोजन $(\mathrm{g})+$ क्लोरीन $(\mathrm{g}) \rightarrow$ हाइड्रोजन क्लोराइड $(\mathrm{g})$
(d) मैग्नीशियम(s)+ हाइड्रोक्लोरिक अम्ल $(\mathrm{aq}) \rightarrow$ मैग्नीशियम क्लोराइड $(\mathrm{aq})+$ हाइड्रोजन $(\mathrm{g})$
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#missing9. ऊष्माक्षेपी एवं ऊष्माशोषी अभिक्रिया का क्या अर्थ है? उदाहरण दीजिए।
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#missing10. श्वसन को ऊष्माक्षेपी अभिक्रया क्यों कहते हैं? वर्णन कीजिए।
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#missing11. वियोजन अभिक्रिया को संयोजन अभिक्रिया के विपरीत क्यों कहा जाता है? इन अभिक्रियाओं के लिए समीकरण लिखिए।
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#missing12. उन वियोजन अभिक्रियाओं के एक-एक समीकरण लिखिए, जिनमें ऊष्मा, प्रकाश एवं विद्युत के रूप में ऊर्जा प्रदान की जाती है।
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#missing13. विस्थापन एवं द्विविस्थापन अभिक्रियाओं में क्या अंतर है? इन अभिक्रियाओं के समीकरण लिखिए।
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#missing14. सिल्वर के शोधन में, सिल्वर नाइट्रेट के विलयन से सिल्वर प्राप्त करने के लिए कॉपर धातु द्वारा विस्थापन किया जाता है। इस प्रक्रिया के लिए अभिक्रिया लिखिए।
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#missing15. अवक्षेपण अभिक्रिया से आप क्या समझते हैं? उदाहरण देकर समझाइए।
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#missing16. ऑक्सीजन के योग या ह्रास के आधार पर निम्न पदों की व्याख्या कीजिए। प्रत्येक के लिए दो उदाहरण दीजिए।
(a) उपचयन
(b) अपचयन
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#missing17. एक भूरे रंग का चमकदार तत्व ’ $\mathrm{X}$ ’ को वायु की उपस्थिति में गर्म करने पर वह काले रंग का हो जाता है। इस तत्व ’ $X$ ’ एवं उस काले रंग के यौगिक का नाम बताइए।
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#missing18. लोहे की वस्तुओं को हम पेंट क्यों करते हैं?
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#missing19. तेल एवं वसायुक्त खाद्य पदार्थों को नाइट्रोजन से प्रभावित क्यों किया जाता है?
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#missing20. निम्नलिखित पदों का वर्णन कीजिए तथा प्रत्येक का एक-एक उदाहरण दीजिए-
(a) संक्षारण
(b) विकृतगंधिता
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#missingसामूहिक क्रियाकलाप
निम्नलिखित क्रियाकलाप कीजिए-
- चार बीकर लेकर उन्हें $\mathrm{A}, \mathrm{B}, \mathrm{C}$ तथा $\mathrm{D}$ से चिह्नित कीजिए।
- ’ $A$ ‘, ’ $B$ ’ तथा ’ $C$ ’ में $25 \mathrm{~mL}$ जल लीजिए तथा ’ $D$ ’ में कॉपर सल्फ़ेट का विलयन लीजिए।
- प्रत्येक बीकर में रखे द्रव का तापमान मापकर उसे नोट कीजिए।
- पोटैशियम सल्फ़ेट, अमोनियम नाइट्रेट, निर्जल कॉपर सल्फ़ेट एवं लोहे की छीलन को दो स्पैचुला के परिमाण के बराबर क्रमशः ‘A’, ‘B’, ‘C’ तथा ’ $D$ ’ बीकर में अलग-अलग डालकर उसे हिलाइए।
- अंत में प्रत्येक मिश्रण का तापमान मापकर उसे नोट कीजिए। पता लगाइए कि इनमें कौन सी अभिक्रियाएँ ऊष्माक्षेपी हैं तथा कौन सी ऊष्माशोषी हैं?
पता लगाएँ कि कौन सी प्रतिक्रियाएँ ऊष्माशोषी हैं और कौन सी प्रकृति में ऊष्माशोषी हैं।
