Chapter-08 Redox Reactions
“Where there is oxidation, there is always reduction Chemistry is essentially a study of redox systems.”
Chemistry deals with varieties of matter and change of one kind of matter into the other. Transformation of matter from one kind into another occurs through the various types of reactions. One important category of such reactions is Redox Reactions. A number of phenomena, both physical as well as biological, are concerned with redox reactions. These reactions find extensive use in pharmaceutical, biological, industrial, metallurgical and agricultural areas. The importance of these reactions is apparent from the fact that burning of different types of fuels for obtaining energy for domestic, transport and other commercial purposes, electrochemical processes for extraction of highly reactive metals and non-metals, manufacturing of chemical compounds like caustic soda, operation of dry and wet batteries and corrosion of metals fall within the purview of redox processes. Of late, environmental issues like Hydrogen Economy (use of liquid hydrogen as fuel) and development of ‘Ozone Hole’ have started figuring under redox phenomenon.
8.1 CLASSICAL IDEA OF REDOX REACTIONS - OXIDATION AND REDUCTION REACTIONS
Originally, the term oxidation was used to describe the addition of oxygen to an element or a compound. Because of the presence of dioxygen in the atmosphere ( 20%), many elements combine with it and this is the principal reason why they commonly occur on the earth in the form of their oxides. The following reactions represent oxidation processes according to the limited definition of oxidation:
$$2 \mathrm{Mg}(\mathrm{s})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{MgO}(\mathrm{s}) \tag{8.1}$$
$$\mathrm{S}(\mathrm{s})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{SO_2}(\mathrm{~g}) \tag{8.2}$$
In reactions (8.1) and (8.2), the elements magnesium and sulphur are oxidised on account of addition of oxygen to them. Similarly, methane is oxidised owing to the addition of oxygen to it.
$$\mathrm{CH} _{4}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{CO} _{2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \tag{7.3}$$
A careful examination of reaction (8.3) in which hydrogen has been replaced by oxygen prompted chemists to reinterpret oxidation in terms of removal of hydrogen from it and, therefore, the scope of term oxidation was broadened to include the removal of hydrogen from a substance. The following illustration is another reaction where removal of hydrogen can also be cited as an oxidation reaction.
$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{H_2} \mathrm{~S}(\mathrm{~g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{~S}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \tag{8.4} \end{equation*} $$
As knowledge of chemists grew, it was natural to extend the term oxidation for reactions similar to ( 7.1 to 7.4 ), which do not involve oxygen but other electronegative elements. The oxidation of magnesium with fluorine, chlorine and sulphur etc. occurs according to the following reactions :
$$\operatorname{Mg}(\mathrm{s})+\mathrm{F_2} (\mathrm{~g}) \rightarrow \operatorname{MgF_2} (s) \tag{8.5}$$
$$\mathrm{Mg}(\mathrm{s})+\mathrm{Cl_2} (g) \rightarrow \mathrm{MgCl_2} (s) \tag{8.6}$$
$$\mathrm{Mg}(\mathrm{s})+\mathrm{S} (s) \rightarrow \operatorname{MgS}(\mathrm{s}) \tag{8.7}$$
Incorporating the reactions 7.5 to 7.7) within the fold of oxidation reactions encouraged chemists to consider not only the removal of hydrogen as oxidation, but also the removal of electropositive elements as oxidation. Thus the reaction :
$$ 2 \mathrm{~K_4} \left[ \mathrm{Fe} ( \mathrm{CN})_{6} \right] ( \mathrm{aq}) + \mathrm{H_2} \mathrm{O_2} ( \mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{~K_3} \left[\mathrm{Fe}( \mathrm{CN})_6 \right] ( \mathrm{aq}) + 2 \mathrm{KOH} ( \mathrm{aq}) $$
is interpreted as oxidation due to the removal of electropositive element potassium from potassium ferrocyanide before it changes to potassium ferricyanide. To summarise, the term “oxidation” is defined as the addition of oxygen/electronegative element to a substance or removal of hydrogen/ electropositive element from a substance.
In the beginning, reduction was considered as removal of oxygen from a compound. However, the term reduction has been broadened these days to include removal of oxygen/electronegative element from a substance or addition of hydrogen/ electropositive element to a substance.
According to the definition given above, the following are the examples of reduction processes:
$$2 \mathrm{HgO}(\mathrm{s}) \xrightarrow{\Delta} 2 \mathrm{Hg}(\mathrm{l})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \tag{8.8}$$
(removal of oxygen from mercuric oxide)
$$2 \mathrm{FeCl_3}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{FeCl_2}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{HCl}(\mathrm{aq}) \tag{8.9}$$
(removal of electronegative element, chlorine from ferric chloride)
$$\mathrm{CH_2}=\mathrm{CH_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{H_3} \mathrm{C}-\mathrm{CH_3}(\mathrm{~g})\tag{8.10}$$
(addition of hydrogen)
$$2 \mathrm{HgCl_2}(\mathrm{aq})+\mathrm{SnCl_2}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Hg_2} \mathrm{Cl_2}(\mathrm{~s})+\mathrm{SnCl_4}(\mathrm{aq})\tag{8.11}$$
(addition of mercury to mercuric chloride)
In reaction (8.11) simultaneous oxidation of stannous chloride to stannic chloride is also occurring because of the addition of electronegative element chlorine to it. It was soon realised that oxidation and reduction always occur simultaneously (as will be apparent by re-examining all the equations given above), hence, the word “redox” was coined for this class of chemical reactions.
Problem 8.1
In the reactions given below, identify the species undergoing oxidation and reduction:
(i) $\mathrm{H_2} \mathrm{~S}$ (g) $+\mathrm{Cl_2}$ (g) $\rightarrow 2 \mathrm{HCl}$ (g) $+\mathrm{S}$ (s)
(ii) $3 \mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}$ (s) $+8 \mathrm{Al}$ (s) $\rightarrow 9 \mathrm{Fe}$ (s) $+4 \mathrm{Al_2} \mathrm{O_3}(\mathrm{~s})$
(iii) $2 \mathrm{Na}$ (s) $+\mathrm{H_2}$ (g) $\rightarrow 2 \mathrm{NaH}$ (s)
Solution
(i) $\mathrm{H_2} \mathrm{~S}$ is oxidised because a more electronegative element, chlorine is added to hydrogen (or a more electropositive element, hydrogen has been removed from S). Chlorine is reduced due to addition of hydrogen to it.
(ii) Aluminium is oxidised because oxygen is added to it. Ferrous ferric oxide $\left(\mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}\right)$ is reduced because oxygen has been removed from it.
(iii) With the careful application of the concept of electronegativity only we may infer that sodium is oxidised and hydrogen is reduced.
Reaction (iii) chosen here prompts us to think in terms of another way to define redox reactions.
8.2 REDOX REACTIONS IN TERMS OF ELECTRON TRANSFER REACTIONS
We have already learnt that the reactions are redox reactions because in each of these reactions sodium is oxidised due to the addition of either oxygen or more electronegative element to sodium.
$$2 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{NaCl}(\mathrm{s})\tag{8.12}$$
$$4 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{Na_2} \mathrm{O}(\mathrm{s})\tag{8.13}$$
$$2 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{S}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Na_2} \mathrm{~S}(\mathrm{~s}) \tag{8.14}$$
Simultaneously, chlorine, oxygen and sulphur are reduced because to each of these, the electropositive element sodium has been added. From our knowledge of chemical bonding we also know that sodium chloride, sodium oxide and sodium sulphide are ionic compounds and perhaps better written as $\mathrm{Na}^{+} \mathrm{Cl}^{-}( \mathrm{s}),\left(\mathrm{Na}^{+} \right)_2 \mathrm{O}^{2-}( \mathrm{s})$, and $ \left(\mathrm{Na}^{+} \right)_2$ $\mathrm{S}^{2-}( \mathrm{s})$. Development of charges on the species produced suggests us to rewrite the reactions (8.12 to 8.14 ) in the following manner :
For convenience, each of the above processes can be considered as two separate steps, one involving the loss of electrons and the other the gain of electrons. As an illustration, we may further elaborate one of these, say, the formation of sodium chloride.
$2 \mathrm{Na}(\mathrm{s}) \rightarrow 2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{g})+2 \mathrm{e}^{-}$
$\mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 2 \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{g})$
Each of the above steps is called a half reaction, which explicitly shows involvement of electrons. Sum of the half reactions gives the overall reaction :
$2 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{Na}^{+} \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{s})$ or $2 \mathrm{NaCl}(\mathrm{s})$
Reactions 8.12 to 8.14 suggest that half reactions that involve loss of electrons are called oxidation reactions. Similarly, the half reactions that involve gain of electrons are called reduction reactions. It may not be out of context to mention here that the new way of defining oxidation and reduction has been achieved only by establishing a correlation between the behaviour of species as per the classical idea and their interplay in electron-transfer change. In reactions (8.12 to 8.14 ) sodium, which is oxidised, acts as a reducing agent because it donates electron to each of the elements interacting with it and thus helps in reducing them. Chlorine, oxygen and sulphur are reduced and act as oxidising agents because these accept electrons from sodium. To summarise, we may mention that
Oxidation : Loss of electron(s) by any species.
Reduction : Gain of electron(s) by any species.
Oxidising agent : Acceptor of electron(s).
Reducing agent : Donor of electron(s).
Problem 8.2
Justify that the reaction: $2 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{NaH}$ (s) is a redox change.
Solution
Since in the above reaction the compound formed is an ionic compound, which may also be represented as $\mathrm{Na}^{+} \mathrm{H}^{-}$(s), this suggests that one half reaction in this process is :
$2 \mathrm{Na}(\mathrm{s}) \quad \rightarrow 2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{g})+2 \mathrm{e}^{-}$
and the other half reaction is:
$\mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 2 \mathrm{H}^{-}(\mathrm{g})$
This splitting of the reaction under examination into two half reactions automatically reveals that here sodium is oxidised and hydrogen is reduced, therefore, the complete reaction is a redox change.
8.2.1 Competitive Electron Transfer Reactions
Place a strip of metallic zinc in an aqueous solution of copper nitrate as shown in Fig. 8.1, for about one hour. You may notice that the strip becomes coated with reddish metallic copper and the blue colour of the solution disappears. Formation of $\mathrm{Zn}^{2+}$ ions among the products can easily be judged when the blue colour of the solution due to $\mathrm{Cu}^{2+}$ has disappeared. If hydrogen sulphide gas is passed through the colourless solution containing $\mathrm{Zn}^{2+}$ ions, appearance of white zinc sulphide, $\mathrm{ZnS}$ can be seen on making the solution alkaline with ammonia.
The reaction between metallic zinc and the aqueous solution of copper nitrate is :
$$\mathrm{Zn}(\mathrm{s})+\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cu}(\mathrm{s}) \tag{8.15}$$
In reaction (8.15), zinc has lost electrons to form $Zn^{2+}$ and, therefore, zinc is oxidised. Evidently, now if zinc is oxidised, releasing electrons, something must be reduced, accepting the electrons lost by zinc. Copper ion is reduced by gaining electrons from the zinc.
Reaction (8.15) may be rewritten as :
At this stage we may investigate the state of equilibrium for the reaction represented by equation (8.15). For this purpose, let us place a strip of metallic copper in a zinc sulphate solution. No visible reaction is noticed and attempt to detect the presence of $\mathrm{Cu}^{2+}$ ions by passing $\mathrm{H_2} \mathrm{~S}$ gas through the solution to produce the black colour of cupric sulphide, CuS, does not succeed. Cupric sulphide has such a low solubility that this is an extremely sensitive test; yet the amount of $\mathrm{Cu}^{2+}$ formed cannot be detected. We thus conclude that the state of equilibrium for the reaction (8.15) greatly favours the products over the reactants.
Let us extend electron transfer reaction now to copper metal and silver nitrate solution in water and arrange a set-up as shown in Fig. 8.2. The solution develops blue colour due to the formation of $\mathrm{Cu}^{2+}$ ions on account of the reaction:
Here, $\mathrm{Cu}(\mathrm{s})$ is oxidised to $\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})$ and $\mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{aq})$ is reduced to $\mathrm{Ag}(\mathrm{s})$. Equilibrium greatly favours the products $\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})$ and $\mathrm{Ag}(\mathrm{s})$.
By way of contrast, let us also compare the reaction of metallic cobalt placed in nickel sulphate solution. The reaction that occurs here is :
Fig. 8.1 Redox reaction between zinc and aqueous solution of copper nitrate occurring in a beaker.
Fig. 8.2 Redox reaction between copper and aqueous solution of silver nitrate occurring in a beaker
At equilibrium, chemical tests reveal that both $\mathrm{Ni}^{2+}(\mathrm{aq})$ and $\mathrm{Co}^{2+}(\mathrm{aq})$ are present at moderate concentrations. In this case, neither the reactants $\left[\mathrm{Co}(\mathrm{s})\right.$ and $\left.\mathrm{Ni}^{2+}(\mathrm{aq})\right]$ nor the products $\left[\mathrm{Co}^{2+}(\mathrm{aq})\right.$ and $\left.\mathrm{Ni}(\mathrm{s})\right]$ are greatly favoured.
This competition for release of electrons incidently reminds us of the competition for release of protons among acids. The similarity suggests that we might develop a table in which metals and their ions are listed on the basis of their tendency to release electrons just as we do in the case of acids to indicate the strength of the acids. As a matter of fact we have already made certain comparisons. By comparison we have come to know that zinc releases electrons to copper and copper releases electrons to silver and, therefore, the electron releasing tendency of the metals is in the order: $\mathrm{Zn}>\mathrm{Cu}>\mathrm{Ag}$. We would love to make our list more vast and design a metal activity series or electrochemical series. The competition for electrons between various metals helps us to design a class of cells, named as Galvanic cells in which the chemical reactions become the source of electrical energy. We would study more about these cells in Class XII.
8.3 OXIDATION NUMBER
A less obvious example of electron transfer is realised when hydrogen combines with oxygen to form water by the reaction:
$$2 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})\tag{8.18}$$
Though not simple in its approach, yet we can visualise the $\mathrm{H}$ atom as going from a neutral (zero) state in $\mathrm{H_2}$ to a positive state in $\mathrm{H_2} \mathrm{O}$, the $\mathrm{O}$ atom goes from a zero state in $\mathrm{O_2}$ to a dinegative state in $\mathrm{H_2} \mathrm{O}$. It is assumed that there is an electron transfer from $\mathrm{H}$ to $\mathrm{O}$ and consequently $\mathrm{H_2}$ is oxidised and $\mathrm{O_2}$ is reduced.
However, as we shall see later, the charge transfer is only partial and is perhaps better described as an electron shift rather than a complete loss of electron by $\mathrm{H}$ and gain by O. What has been said here with respect to equation (8.18) may be true for a good number of other reactions involving covalent compounds. Two such examples of this class of the reactions are:
$$\mathrm{H_2}(\mathrm{~s})+\mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{HCl}(\mathrm{g})\tag{8.19}$$
and,
$$\mathrm{CH_4}(\mathrm{~g})+4 \mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{CCl_4}(\mathrm{l})+4 \mathrm{HCl}(\mathrm{g})\tag{8.20}$$
In order to keep track of electron shifts in chemical reactions involving formation of covalent compounds, a more practical method of using oxidation number has been developed. In this method, it is always assumed that there is a complete transfer of electron from a less electronegative atom to a more electonegative atom. For example, we rewrite equations ( 8.18 to 8.20 ) to show charge on each of the atoms forming part of the reaction :
$$ \begin{array}{cccc} 2 \stackrel{0}{\mathrm{H_2}}(\mathrm{~g}) + \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}(\mathrm{~g}) & \rightarrow & 2 \stackrel{+1}{\mathrm{H_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O}}(\mathrm{l}) \tag{8.21} \end{array} $$
$$ \begin{array}{llll} \stackrel {0}{\mathrm{H_2}}(\mathrm{~s}) + \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}(\mathrm{~g}) & \rightarrow & 2 \stackrel{+1-1}{\mathrm{HCl}}(\mathrm{g}) \tag{8.22} \end{array} $$
$$ \begin{array}{cccc} \stackrel{-4 +1}{\mathrm{CH_4}}(\mathrm{~g}) + & 4 \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}(\mathrm{~g}) \rightarrow & \stackrel{+4 -1}{\mathrm{C}\mathrm{Cl_4}} (\mathrm{l})+4 \stackrel{+1 -1 }{\mathrm{H } \mathrm{Cl}} (\mathrm{g})\tag{8.23} \end{array} $$
It may be emphasised that the assumption of electron transfer is made for book-keeping purpose only and it will become obvious at a later stage in this unit that it leads to the simple description of redox reactions.
Oxidation number denotes the oxidation state of an element in a compound ascertained according to a set of rules formulated on the basis that electron pair in a covalent bond belongs entirely to more electronegative element.
It is not always possible to remember or make out easily in a compound/ion, which element is more electronegative than the other. Therefore, a set of rules has been formulated to determine the oxidation number of an element in a compound/ion. If two or more than two atoms of an element are present in the molecule/ion such as $\mathrm{Na_2} \mathrm{~S_2} \mathrm{O_3} / \mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}$, the oxidation number of the atom of that element will then be the average of the oxidation number of all the atoms of that element. We may at this stage, state the rules for the calculation of oxidation number. These rules are:
1. In elements, in the free or the uncombined state, each atom bears an oxidation number of zero. Evidently each atom in $\mathrm{H_2}, \mathrm{O_2}, \mathrm{Cl_2}, \mathrm{O_3}, \mathrm{P_4}, \mathrm{~S_8}, \mathrm{Na}, \mathrm{Mg}, \mathrm{Al}$ has the oxidation number zero.
2. For ions composed of only one atom, the oxidation number is equal to the charge on the ion. Thus $\mathrm{Na}^{+}$ion has an oxidation number of $+1, \mathrm{Mg}^{2+}$ ion, $+2, \mathrm{Fe}^{3+}$ ion, +3 , $\mathrm{Cl}^{-}$ion, $-1, \mathrm{O}^{2-}$ ion, -2 ; and so on. In their compounds all alkali metals have oxidation number of +1 , and all alkaline earth metals have an oxidation number of +2 . Aluminium is regarded to have an oxidation number of +3 in all its compounds.
3. The oxidation number of oxygen in most compounds is -2 . However, we come across two kinds of exceptions here. One arises in the case of peroxides and superoxides, the compounds of oxygen in which oxygen atoms are directly linked to each other. While in peroxides (e.g., $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$, $\mathrm{Na_2} \mathrm{O_2}$, each oxygen atom is assigned an oxidation number of -1 , in superoxides (e.g., $\mathrm{KO_2}, \mathrm{RbO_2}$ ) each oxygen atom is assigned an oxidation number of $-(1 / 2)$. The second exception appears rarely, i.e. when oxygen is bonded to fluorine. In such compounds e.g., oxygen difluoride $\left(\mathrm{OF_2}\right)$ and dioxygen difluoride $\left(\mathrm{O_2} \mathrm{~F_2}\right)$, the oxygen is assigned an oxidation number of +2 and +1 , respectively. The number assigned to oxygen will depend upon the bonding state of oxygen but this number would now be a positive figure only.
4. The oxidation number of hydrogen is +1 , except when it is bonded to metals in binary compounds that is compounds containing two elements). For example, in $\mathrm{LiH}, \mathrm{NaH}$, and $\mathrm{CaH_2}$, its oxidation number is -1 .
5. In all its compounds, fluorine has an oxidation number of -1 . Other halogens $(\mathrm{Cl}$, $\mathrm{Br}$, and I) also have an oxidation number of -1 , when they occur as halide ions in their compounds. Chlorine, bromine and iodine when combined with oxygen, for example in oxoacids and oxoanions, have positive oxidation numbers.
6. The algebraic sum of the oxidation number of all the atoms in a compound must be zero. In polyatomic ion, the algebraic sum of all the oxidation numbers of atoms of the ion must equal the charge on the ion. Thus, the sum of oxidation number of three oxygen atoms and one carbon atom in the carbonate ion, $\left(\mathrm{CO_3}\right)^{2-}$ must equal -2 .
By the application of above rules, we can find out the oxidation number of the desired element in a molecule or in an ion. It is clear that the metallic elements have positive oxidation number and nonmetallic elements have positive or negative oxidation number. The atoms of transition elements usually display several positive oxidation states. The highest oxidation number of a representative element is the group number for the first two groups and the group number minus 10 (following the long form of periodic table) for the other groups. Thus, it implies that the highest value of oxidation number exhibited by an atom of an element generally increases across the period in the periodic table. In the third period, the highest value of oxidation number changes from 1 to 7 as indicated below in the compounds of the elements.
A term that is often used interchangeably with the oxidation number is the oxidation state. Thus in $\mathrm{CO_2}$, the oxidation state of carbon is +4 , that is also its oxidation number and similarly the oxidation state as well as oxidation number of oxygen is -2 . This implies that the oxidation number denotes the oxidation state of an element in a compound.
Group | $\mathbf{1}$ | $\mathbf{2}$ | $\mathbf{1 3}$ | $\mathbf{1 4}$ | $\mathbf{1 5}$ | $\mathbf{1 6}$ | $\mathbf{1 7}$ |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Element | $\mathrm{Na}$ | $\mathrm{Mg}$ | $\mathrm{Al}$ | $\mathrm{Si}$ | $\mathrm{P}$ | $\mathrm{S}$ | $\mathrm{Cl}$ |
Compound | $\mathrm{NaCl}$ | $\mathrm{MgSO_4}$ | $\mathrm{AlF_3}$ | $\mathrm{SiCl_4}$ | $\mathrm{P_4} \mathrm{O_10}$ | $\mathrm{SF_6}$ | $\mathrm{HClO}$ |
Highest oxidation number state of the group element | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 |
The oxidation number/state of a metal in a compound is sometimes presented according to the notation given by German chemist, Alfred Stock. It is popularly known as Stock notation. According to this, the oxidation number is expressed by putting a Roman numeral representing the oxidation number in parenthesis after the symbol of the metal in the molecular formula. Thus aurous chloride and auric chloride are written as $\mathrm{Au}(\mathrm{I}) \mathrm{Cl}$ and $\mathrm{Au}(\mathrm{III}) \mathrm{Cl_3}$. Similarly, stannous chloride and stannic chloride are written as $\mathrm{Sn}$ (II) $\mathrm{Cl_2}$ and $\mathrm{Sn}(\mathrm{IV}) \mathrm{Cl_4}$. This change in oxidation number implies change in oxidation state, which in turn helps to identify whether the species is present in oxidised form or reduced form. Thus, $\mathrm{Hg_2}(\mathrm{I}) \mathrm{Cl_2}$ is the reduced form of $\mathrm{Hg}$ (II) $\mathrm{Cl_2}$.
Problem 8.3
Using Stock notation, represent the following compounds: $\mathrm{HAuCl_4}, \mathrm{Tl_2} \mathrm{O}, \mathrm{FeO}$, $\mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}$, CuI, $\mathrm{CuO}, \mathrm{MnO}$ and $\mathrm{MnO_2}$.
Solution
By applying various rules of calculating the oxidation number of the desired element in a compound, the oxidation number of each metallic element in its compound is as follows:
$ \begin{array}{ccc} \mathrm{HAuCl_4} & \rightarrow & \mathrm{Au} \text{ has } 3 \\ \mathrm{Tl_2} \mathrm{O} & \rightarrow & \mathrm{Tl} \text{ has } 1 \\ \mathrm{FeO} & \rightarrow & \mathrm{Fe} \text{ has } 2 \\ \mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3} & \rightarrow & \mathrm{Fe} \text{ has } 3 \\ \mathrm{CuI} & \rightarrow & \mathrm{Cu} \text{ has } 1 \\ \mathrm{CuO} & \rightarrow & \mathrm{Cu} \text{ has } 2 \\ \mathrm{MnO} & \rightarrow & \mathrm{Mn} \text{ has } 2 \\ \mathrm{MnO_2} & \rightarrow & \mathrm{Mn} \text{ has } 4 \\ \end{array} $
Therefore, these compounds may be represented as:
$\mathrm{HAu}(\mathrm{III}) \mathrm{Cl_4}, \mathrm{Tl_2}$ (I)O, $\mathrm{Fe}(\mathrm{II}) \mathrm{O}, \mathrm{Fe_2}(\mathrm{III}) \mathrm{O_3}$, $\mathrm{Cu}(\mathrm{I}) \mathrm{I}, \mathrm{Cu}(\mathrm{II}) \mathrm{O}, \mathrm{Mn}(\mathrm{II}) \mathrm{O}, \mathrm{Mn}(\mathrm{IV}) \mathrm{O_2}$. The idea of oxidation number has been invariably applied to define oxidation, reduction, oxidising agent (oxidant), reducing agent (reductant) and the redox reaction. To summarise, we may say that:
- Oxidation: An increase in the oxidation number of the element in the given substance.
- Reduction : A decrease in the oxidation number of the element in the given substance.
- Oxidising agent: A reagent which can increase the oxidation number of an element in a given substance. These reagents are called as oxidants also.
- Reducing agent: A reagent which lowers the oxidation number of an element in a given substance. These reagents are also called as reductants.
- Redox reactions: Reactions which involve change in oxidation number of the interacting species.
Problem 8.4
Justify that the reaction: $2 \mathrm{Cu_2} \mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}(\mathrm{~s}) \rightarrow 6 \mathrm{Cu}(\mathrm{s})+\mathrm{SO_2}(\mathrm{~g})$ is a redox reaction. Identify the species oxidised/reduced, which acts as an oxidant and which acts as a reductant.
Solution
Let us assign oxidation number to each of the species in the reaction under examination. This results into:
$$ \begin{aligned} & 2 \stackrel{+1}{\mathrm{Cu_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O}}(\mathrm{s})+\stackrel{+1}{\mathrm{Cu_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{~S}}(\mathrm{~s}) \rightarrow 6 \stackrel{0}{\mathrm{Cu}}(\mathrm{s})+\stackrel{+4-2}{\mathrm{SO_2}} \end{aligned} $$
We therefore, conclude that in this reaction copper is reduced from +1 state to zero oxidation state and sulphur is oxidised from -2 state to +4 state. The above reaction is thus a redox reaction.
Further, $\mathrm{Cu_2} \mathrm{O}$ helps sulphur in $\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}$ to increase its oxidation number, therefore, $\mathrm{Cu}(\mathrm{I})$ is an oxidant; and sulphur of $\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}$ helps copper both in $\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}$ itself and $\mathrm{Cu_2} \mathrm{O}$ to decrease its oxidation number; therefore, sulphur of $\mathrm{Cu_2} \mathrm{~S}$ is reductant.
8.3.1 Types of Redox Reactions
1. Combination reactions
A combination reaction may be denoted in the manner:
$$ \mathrm{A}+\mathrm{B} \rightarrow \mathrm{C} $$
Either A and B or both A and B must be in the elemental form for such a reaction to be a redox reaction. All combustion reactions, which make use of elemental dioxygen, as well as other reactions involving elements other than dioxygen, are redox reactions. Some important examples of this category are:
$$\stackrel{0}{\mathrm{C}}(\mathrm{s}) + \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+4-2}{\mathrm{CO_2}} (\mathrm{~g}) \tag{8.24} $$
$$3 \stackrel{0}{\mathrm{Mg}}(\mathrm{s})+ \stackrel{0}{\mathrm{N_2}}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+2}{\mathrm{Mg_3}} \stackrel{-3}{\mathrm{~N_2}}(\mathrm{~s}) \tag{8.25}$$
$$\stackrel{-4+1}{\mathrm{CH_4}}(\mathrm{~g})+2 \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+4-2}{\mathrm{CO_2}}(\mathrm{~g})+2 \stackrel{+1}{\mathrm{H_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O}}(\mathrm{l})$$
2. Decomposition reactions
Decomposition reactions are the opposite of combination reactions. Precisely, a decomposition reaction leads to the breakdown of a compound into two or more components at least one of which must be in the elemental state. Examples of this class of reactions are:
$$2 \stackrel{+1}{\mathrm{H_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O}}(\mathrm{l}) \xrightarrow{\Delta} 2 \stackrel{0}{\mathrm{H_2}}(\mathrm{~g}) + \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}(\mathrm{~g})\tag{8.26}$$
$$\stackrel{+1-1}{\mathrm{NaH}}(\mathrm{s}) \xrightarrow{\Delta} 2 \stackrel{0}{\mathrm{Na}}(\mathrm{s})+ \stackrel{0}{\mathrm{H_2}} (\mathrm{~g}) \tag{8.27}$$
$$ 2 \stackrel{+1+5}{\mathrm{KCl}}\stackrel{-2}{\mathrm{O_3}}(\mathrm{~s}) \xrightarrow{\Delta} 2 \stackrel{+1-1}{\mathrm{KCl}}(\mathrm{s})+3 \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}(\mathrm{~g}) \tag{8.28}$$
It may carefully be noted that there is no change in the oxidation number of hydrogen in methane under combination reactions and that of potassium in potassium chlorate in reaction (7.28). This may also be noted here that all decomposition reactions are not redox reactions. For example, decomposition of calcium carbonate is not a redox reaction.
$$\stackrel{+2}{\mathrm{Ca}}\stackrel{+4}{\mathrm{C}}\stackrel{-2}{\mathrm{O_3}} \mathrm{(s)} \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+2-2}{\mathrm{CaO}} + \stackrel{+4-2}{\mathrm{CO_2}}\mathrm{(g)}$$
3. Displacement reactions
In a displacement reaction, an ion (or an atom) in a compound is replaced by an ion (or an atom) of another element. It may be denoted as:
$$ \mathrm{X}+\mathrm{YZ} \rightarrow \mathrm{XZ}+\mathrm{Y} $$
Displacement reactions fit into two categories: metal displacement and non-metal displacement.
(a) Metal displacement: A metal in a compound can be displaced by another metal in the uncombined state. We have already discussed about this class of the reactions under section 7.2.1. Metal displacement reactions find many applications in metallurgical processes in which pure metals are obtained from their compounds in ores. A few such examples are:
$$\stackrel{+2+6-2}{\mathrm{CuSO_4}}(\mathrm{aq})+ \stackrel{0}{\mathrm{Zn}}(\mathrm{s}) \rightarrow \stackrel{0}{\mathrm{Cu}}(\mathrm{s})+\stackrel{+2+6-3}{\mathrm{ZnSO_4}}(\mathrm{aq}) \tag{8.29}$$
$$\stackrel{+5-2}{\mathrm{V_2O_5}}\mathrm{(s)} + 5 \stackrel{0}{\mathrm{Ca}}\mathrm{(s)} \xrightarrow{\Delta} 2 \stackrel{0}{\mathrm{V}} \mathrm{(s)} + 5 \stackrel{+2-2}{\mathrm{CaO}}\mathrm{(s)} \tag{8.30}$$
$$\stackrel{+4-1}{\mathrm{TiCl_4}}\mathrm{(l)} + 2 \stackrel{0}{\mathrm{Mg}}\mathrm{(s)} \xrightarrow{\Delta} \stackrel{0}{\mathrm{Ti}} \mathrm{(s)} + 2\stackrel{+2-1}{\mathrm{MgCl_2}}\mathrm{(s)} \tag{8.31}$$
$$\stackrel{+3-2}{\mathrm{Cr_2O_3}}\mathrm{(l)} + 2 \stackrel{0}{\mathrm{Al}}\mathrm{(s)} \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+3-2}{\mathrm{Al_2O_3}} \mathrm{(s)} + 2\stackrel{0}{\mathrm{Cr}}\mathrm{(s)} \tag{8.32}$$
In each case, the reducing metal is a better reducing agent than the one that is being reduced which evidently shows more capability to lose electrons as compared to the one that is reduced.
(b) Non-metal displacement: The nonmetal displacement redox reactions include hydrogen displacement and a rarely occurring reaction involving oxygen displacement.
All alkali metals and some alkaline earth metals $(\mathrm{Ca}, \mathrm{Sr}$, and $\mathrm{Ba})$ which are very good reductants, will displace hydrogen from cold water.
$$2 \stackrel{0}{\mathrm{Na}}\mathrm{(s)} + 2 \stackrel{+1-2}{\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} \rightarrow 2 \stackrel{+1-2+1}{\mathrm{NaOH}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{Hg}}\mathrm{(g)} \tag{8.33}$$
$$ \stackrel{0}{\mathrm{2Ca}}\mathrm{(s)} + 2 \stackrel{+1-2}{\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} \rightarrow 2 \stackrel{+2-2+1}{\mathrm{Ca(OH)_2}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{Hg}}\mathrm{(g)} \tag{8.34}$$
Less active metals such as magnesium and iron react with steam to produce dihydrogen gas:
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Mg}}\mathrm{(s)} + \stackrel{+1-2}{2\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+2-2+1}{\mathrm{Mg(OH)_2}} \mathrm{(s)} + \stackrel{0}{\mathrm{Hg}}\mathrm{(g)} \tag{8.35}$$
$$ \stackrel{0}{2\mathrm{Fe}}\mathrm{(s)} + \stackrel{+1-2}{3\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+3-2}{\mathrm{Fe_2O_3}} \mathrm{(s)} + \stackrel{0}{3\mathrm{Hg}}\mathrm{(g)} \tag{8.36}$$
Many metals, including those which do not react with cold water, are capable of displacing hydrogen from acids. Dihydrogen from acids may even be produced by such metals which do not react with steam. Cadmium and tin are the examples of such metals. A few examples for the displacement of hydrogen from acids are:
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Zn}}\mathrm{(s)} + \stackrel{+1-1}{2\mathrm{HCl}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+2-1}{\mathrm{ZnCl_2}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{H_2}}\mathrm{(g)} \tag{8.37}$$
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Mg}}\mathrm{(s)} + \stackrel{+1-1}{2\mathrm{HCl}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+2-1}{\mathrm{MgCl_2}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{H_2}}\mathrm{(g)} \tag{8.38}$$
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Fe}}\mathrm{(s)} + \stackrel{+1-1}{2\mathrm{HCl}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+2-1}{\mathrm{FeCl_2}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{H_2}}\mathrm{(g)} \tag{8.39}$$
Reactions (8.37 to 8.39 ) are used to prepare dihydrogen gas in the laboratory. Here, the reactivity of metals is reflected in the rate of hydrogen gas evolution, which is the slowest for the least active metal $\mathrm{Fe}$, and the fastest for the most reactive metal, Mg. Very less active metals, which may occur in the native state such as silver (Ag), and gold (Au) do not react even with hydrochloric acid.
In section (8.2.1) we have already discussed that the metals - zinc $(\mathrm{Zn})$, copper $(\mathrm{Cu})$ and silver (Ag) through tendency to lose electrons show their reducing activity in the order $\mathrm{Zn}>$ $\mathrm{Cu}>\mathrm{Ag}$. Like metals, activity series also exists for the halogens. The power of these elements as oxidising agents decreases as we move down from fluorine to iodine in group 17 of the periodic table. This implies that fluorine is so reactive that it can replace chloride, bromide and iodide ions in solution. In fact, fluorine is so reactive that it attacks water and displaces the oxygen of water :
$$ \stackrel{+1-2}{2\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} + \stackrel{0}{2\mathrm{F_2}}\mathrm{(g)} \rightarrow \stackrel{+1-1}{4\mathrm{HF}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}\mathrm{(g)} \tag{8.40}$$
It is for this reason that the displacement reactions of chlorine, bromine and iodine using fluorine are not generally carried out in aqueous solution. On the other hand, chlorine can displace bromide and iodide ions in an aqueous solution as shown below:
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}\mathrm{(g)} + \stackrel{+1-1}{2\mathrm{KBr}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+1-1}{2\mathrm{KCl}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{Br_2}}\mathrm{(l)} \tag{8.41}$$
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}\mathrm{(g)} + \stackrel{+1-1}{2\mathrm{KI}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+1-1}{2\mathrm{KCl}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{I_2}}\mathrm{(s)} \tag{8.42}$$
As $\mathrm{Br_2}$ and $\mathrm{I_2}$ are coloured and dissolve in $\mathrm{CCl_4}$, can easily be identified from the colour of the solution. The above reactions can be written in ionic form as:
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}\mathrm{(g)} + \stackrel{-1}{2\mathrm{Br^-}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{-1}{2\mathrm{Cl^-}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{Br_2}}\mathrm{(s)} \tag{8.41a}$$
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}\mathrm{(g)} + \stackrel{-1}{2\mathrm{I^-}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{-1}{2\mathrm{Cl^-}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{I_2}}\mathrm{(s)} \tag{8.42a}$$
Reactions (8.41) and (8.42) form the basis of identifying $\mathrm{Br}^{-}$and $\mathrm{I}^{-}$in the laboratory through the test popularly known as ‘Layer Test’. It may not be out of place to mention here that bromine likewise can displace iodide ion in solution:
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Br_2}(\mathrm{l})}+\stackrel{-1}{2 \mathrm{I}^{-}}(\mathrm{aq}) \rightarrow \stackrel{-1}{2 \mathrm{Br}^{-}} (\mathrm{aq})+ \stackrel{0}{\mathrm{I_2}} (\mathrm{~s}) \tag{8.43} $$
The halogen displacement reactions have a direct industrial application. The recovery of halogens from their halides requires an oxidation process, which is represented by:
$$2 \mathrm{X}^{-} \rightarrow \mathrm{X_2}+2 \mathrm{e}^{-} \tag{8.44}$$
here $\mathrm{X}$ denotes a halogen element. Whereas chemical means are available to oxidise $\mathrm{Cl}^{-}$, $\mathrm{Br}^{-}$and $\mathrm{I}^{-}$, as fluorine is the strongest oxidising agent; there is no way to convert $\mathrm{F}^{-}$ions to $\mathrm{F_2}$ by chemical means. The only way to achieve $\mathrm{F_2}$ from $\mathrm{F}^{-}$is to oxidise electrolytically, the details of which you will study at a later stage.
4. Disproportionation reactions
Disproportionation reactions are a special type of redox reactions. In a disproportionation reaction an element in one oxidation state is simultaneously oxidised and reduced. One of the reacting substances in a disproportionation reaction always contains an element that can exist in at least three oxidation states. The element in the form of reacting substance is in the intermediate oxidation state; and both higher and lower oxidation states of that element are formed in the reaction. The decomposition of hydrogen peroxide is a familiar example of the reaction, where oxygen experiences disproportionation.
$$\stackrel{+1-1}{2\mathrm{H_2O_2}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+1-2}{2\mathrm{H_2O}} \mathrm{(l)} + \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}\mathrm{(g)} \tag{8.45}$$
Here the oxygen of peroxide, which is present in -1 state, is converted to zero oxidation state in $\mathrm{O_2}$ and decreases to -2 oxidation state in $\mathrm{H_2} \mathrm{O}$.
Phosphorous, sulphur and chlorine undergo disproportionation in the alkaline medium as shown below :
$$\stackrel{0}{\mathrm{P_4}}\mathrm{(s)}+ \stackrel{}{3\mathrm{OH^-}}\mathrm{(aq)} + \stackrel{}{3\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} \rightarrow \stackrel{-3}{2\mathrm{P}} \mathrm{H_3} \mathrm{(g)} + 3\mathrm{H_2P}\stackrel{+1}{\mathrm{O_2^-}}\mathrm{(aq)} \tag{8.46}$$
$$\stackrel{0}{\mathrm{S_8}}\mathrm{(s)}+ \stackrel{}{12\mathrm{OH^-}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{-2}{4\mathrm{S}^{2-}}\mathrm{(aq)} + \stackrel{+2}{2\mathrm{S_2O_3}^{2-}} \mathrm{(aq)} + 6\mathrm{H_2O}\mathrm{(l)} \tag{8.47}$$
$$\stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}\mathrm{(g)}+ \stackrel{}{2\mathrm{OH^-}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+1}{4\mathrm{ClO^-}}\mathrm{(aq)} + \stackrel{-1}{2\mathrm{Cl^-}} \mathrm{(aq)} + \mathrm{H_2O}\mathrm{(l)} \tag{8.48}$$
The reaction (8.48) describes the formation of household bleaching agents. The hypochlorite ion $\left(\mathrm{ClO}^{-}\right)$ formed in the reaction oxidises the colour-bearing stains of the substances to colourless compounds.
It is of interest to mention here that whereas bromine and iodine follow the same trend as exhibited by chlorine in reaction (8.48), fluorine shows deviation from this behaviour when it reacts with alkali. The reaction that takes place in the case of fluorine is as follows:
$$2 \mathrm{~F_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{~F}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{OF_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \tag{8.49}$$
(It is to be noted with care that fluorine in reaction (8.49) will undoubtedly attack water to produce some oxygen also). This departure shown by fluorine is not surprising for us as we know the limitation of fluorine that, being the most electronegative element, it cannot exhibit any positive oxidation state. This means that among halogens, fluorine does not show a disproportionation tendency.
Problem 8.5
Which of the following species, do not show disproportionation reaction and why?
$\mathrm{ClO}^{-}, \mathrm{ClO_2}^{-}, \mathrm{ClO_3}^{-}$and $\mathrm{ClO_4}^{-}$
Also write reaction for each of the species that disproportionates.
Solution
Among the oxoanions of chlorine listed above, $\mathrm{ClO_4}^{-}$does not disproportionate because in this oxoanion chlorine is present in its highest oxidation state that is, +7 . The disproportionation reactions for the other three oxoanions of chlorine are as follows:
$\stackrel{+1}{2\mathrm{ClO^-}} \longrightarrow \stackrel{-1}{2\mathrm{Cl^-}}+ \stackrel{+5}{\mathrm{ClO_3^-}}$
$\stackrel{+}{6\mathrm{Cl}} \mathrm{O_2}^- \xrightarrow{hv} \stackrel{+5}{4\mathrm{Cl}} \mathrm{C_3}^- + \stackrel{-1}{2\mathrm{Cl^-}}$
$\stackrel{+5}{4\mathrm{Cl}} \mathrm{O_3}^- \longrightarrow \stackrel{-1}{\mathrm{Cl^-}} + 3\stackrel{+7}{\mathrm{Cl}}\mathrm{O_4}^-$
Problem 8.6
Suggest a scheme of classification of the following redox reactions
(a) $\mathrm{N_2}$ (g) $+\mathrm{O_2}$ (g) $\rightarrow 2 \mathrm{NO}$ (g)
(b) $2 \mathrm{~Pb}\left(\mathrm{NO_3}\right)_{2}$ (s) $\rightarrow 2 \mathrm{PbO}$ (s) $+4 \mathrm{NO_2}$ (g) + $\mathrm{O_2}(\mathrm{~g})$
(c) $\mathrm{NaH}$ (s) $+\mathrm{H_2} \mathrm{O}$ (l) $\rightarrow \mathrm{NaOH}\left(\right.$ aq) $+\mathrm{H_2}$ (g)
(d) $2 \mathrm{NO_2}$ (g) $+2 \mathrm{OH}^{-}$(aq) $\rightarrow \mathrm{NO_2}^{-}(\mathrm{aq})+$ $\mathrm{NO_3}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
Solution
In reaction (a), the compound nitric oxide is formed by the combination of the elemental substances, nitrogen and oxygen; therefore, this is an example of combination redox reactions. The reaction (b) involves the breaking down of lead nitrate into three components; therefore, this is categorised under decomposition redox reaction. In reaction (c), hydrogen of water has been displaced by hydride ion into dihydrogen gas. Therefore, this may be called as displacement redox reaction. The reaction (d) involves disproportionation of $\mathrm{NO_2}$ (+4 state) into $\mathrm{NO_2}^{-}$(+3 state) and $\mathrm{NO_3}^{-}$ (+5 state). Therefore reaction (d) is an example of disproportionation redox reaction.
The Paradox of Fractional Oxidation Number
Sometimes, we come across with certain compounds in which the oxidation number of a particular element in the compound is in fraction. Examples are:
$\mathrm{C_3} \mathrm{O_2}$ [where oxidation number of carbon is (4/3)],
$\mathrm{Br_3} \mathrm{O_8}$ [where oxidation number of bromine is (16/3)]
and $\mathrm{Na_2} \mathrm{~S_4} \mathrm{O_6}$ (where oxidation number of sulphur is 2.5).
We know that the idea of fractional oxidation number is unconvincing to us, because electrons are never shared/transferred in fraction. Actually this fractional oxidation state is the average oxidation state of the element under examination and the structural parameters reveal that the element for whom fractional oxidation state is realised is present in different oxidation states. Structure of the species $\mathrm{C_3} \mathrm{O_2}, \mathrm{Br_3} \mathrm{O_8}$ and $\mathrm{S_4} \mathrm{O_6}^{2-}$ reveal the following bonding situations:
The element marked with asterisk in each species is exhibiting the different oxidation state (oxidation number) from rest of the atoms of the same element in each of the species. This reveals that in $\mathrm{C_3} \mathrm{O_2}$, two carbon atoms are present in +2 oxidation state each, whereas the third one is present in zero oxidation state and the average is $4 / 3$. However, the realistic picture is +2 for two terminal carbons and zero for the middle carbon. Likewise in $\mathrm{Br_3} \mathrm{O_8}$, each of the two terminal bromine atoms are present in +6 oxidation state and the middle bromine is present in +4 oxidation state. Once again the average, that is different from reality, is $16 / 3$. In the same fashion, in the species $\mathrm{S_4} \mathrm{O_6}^{2-}$, each of the two extreme sulphurs exhibits oxidation state of +5 and the two middle sulphurs as zero. The average of four oxidation numbers of sulphurs of the $\mathrm{S_4} \mathrm{O_6}{ }^{2-}$ is 2.5 , whereas the reality being $+5,0,0$ and +5 oxidation number respectively for each sulphur.
We may thus, in general, conclude that the idea of fractional oxidation state should be taken with care and the reality is revealed by the structures only. Further, whenever we come across with fractional oxidation state of any particular element in any species, we must understand that this is the average oxidation number only. In reality (revealed by structures only), the element in that particular species is present in more than one whole number oxidation states. $\mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}, \mathrm{Mn_3} \mathrm{O_4}$, $\mathrm{Pb_3} \mathrm{O_4}$ are some of the other examples of the compounds, which are mixed oxides, where we come across with fractional oxidation states of the metal atom. However, the oxidation states may be in fraction as in $\mathrm{O_2}^{+}$and $\mathrm{O_2}^{-}$where it is $+1 / 2$ and $-1 / 2$ respectively.
Problem 8.7
Why do the following reactions proceed differently?
$$ \begin{array}{r} \mathrm{Pb_3} \mathrm{O_4}+8 \mathrm{HCl} \rightarrow 3 \mathrm{PbCl_2}+\mathrm{Cl_2}+4 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \text { and } \\ \mathrm{Pb_3} \mathrm{O_4}+4 \mathrm{HNO_3} \rightarrow 2 \mathrm{~Pb}\left(\mathrm{NO_3}\right)_{2}+\mathrm{PbO_2}+ 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}\\ \end{array} $$
Solution
$\mathrm{Pb_3} \mathrm{O_4}$ is actually a stoichiometric mixture of $2 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{PbO}$ and $1 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{PbO_2}$. In $\mathrm{PbO_2}$, lead is present in +4 oxidation state, whereas the stable oxidation state of lead in $\mathrm{PbO}$ is $+2 . \mathrm{PbO_2}$ thus can act as an oxidant (oxidising agent) and, therefore, can oxidise $\mathrm{Cl}^{-}$ion of $\mathrm{HCl}$ into chlorine. We may also keep in mind that $\mathrm{PbO}$ is a basic oxide. Therefore, the reaction
$\mathrm{Pb_3} \mathrm{O_4}+8 \mathrm{HCl} \rightarrow 3 \mathrm{PbCl_2}+\mathrm{Cl_2}+4 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ can be splitted into two reactions namely:
$$ \begin{aligned} & 2 \mathrm{PbO}+4 \mathrm{HCl} \rightarrow 2 \mathrm{PbCl_2}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \\ & \text { (acid-base reaction) } \\ \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} & & \stackrel{+4}{\mathrm{Pb}} \mathrm{O_2} +4 \stackrel{-1}{\mathrm{HCl}} \rightarrow \stackrel{+2}{\mathrm{PbCl_2}} + \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \\ & &\text { (redox reaction) } \end{aligned} $$
Since $\mathrm{HNO_3}$ itself is an oxidising agent therefore, it is unlikely that the reaction may occur between $\mathrm{PbO_2}$ and $\mathrm{HNO_3}$. However, the acid-base reaction occurs between $\mathrm{PbO}$ and $\mathrm{HNO_3}$ as:
$$ 2 \mathrm{PbO}+4 \mathrm{HNO_3} \rightarrow 2 \mathrm{~Pb}\left(\mathrm{NO_3}\right)_{2}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O} $$
It is the passive nature of $\mathrm{PbO_2}$ against $\mathrm{HNO_3}$ that makes the reaction different from the one that follows with $\mathrm{HCl}$.
8.3.2 Balancing of Redox Reactions
Two methods are used to balance chemical equations for redox processes. One of these methods is based on the change in the oxidation number of reducing agent and the oxidising agent and the other method is based on splitting the redox reaction into two half reactions - one involving oxidation and the other involving reduction. Both these methods are in use and the choice of their use rests with the individual using them.
(a) Oxidation Number Method: In writing equations for oxidation-reduction reactions, just as for other reactions, the compositions and formulas must be known for the substances that react and for the products that are formed. The oxidation number method is now best illustrated in the following steps:
Step 1: Write the correct formula for each reactant and product.
Step 2: Identify atoms which undergo change in oxidation number in the reaction by assigning the oxidation number to all elements in the reaction.
Step 3: Calculate the increase or decrease in the oxidation number per atom and for the entire molecule/ion in which it occurs. If these are not equal then multiply by suitable number so that these become equal. (If you realise that two substances are reduced and nothing is oxidised or vice-versa, something is wrong. Either the formulas of reactants or products are wrong or the oxidation numbers have not been assigned properly).
Step 4: Ascertain the involvement of ions if the reaction is taking place in water, add $\mathrm{H}^{+}$or $\mathrm{OH}^{-}$ions to the expression on the appropriate side so that the total ionic charges of reactants and products are equal. If the reaction is carried out in acidic solution, use $\mathrm{H}^{+}$ions in the equation; if in basic solution, use $\mathrm{OH}^{-}$ions.
Step 5: Make the numbers of hydrogen atoms in the expression on the two sides equal by adding water $\left(\mathrm{H_2} \mathrm{O}\right)$ molecules to the reactants or products. Now, also check the number of oxygen atoms. If there are the same number of oxygen atoms in the reactants and products, the equation then represents the balanced redox reaction.
Let us now explain the steps involved in the method with the help of a few problems given below:
Problem 8.8
Write the net ionic equation for the reaction of potassium dichromate(VI), $\mathrm{K_2} \mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}$ with sodium sulphite, $\mathrm{Na_2} \mathrm{SO_3}$, in an acid solution to give chromium(III) ion and the sulphate ion.
Solution
Step 1: The skeletal ionic equation is:
$$ \mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq})+\mathrm{SO_3}^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq}) +\mathrm{SO_4}^{2-}(\mathrm{aq}) $$
Step 2: Assign oxidation numbers for $\mathrm{Cr}$ and $\mathrm{S}$
$\stackrel{+6}{\mathrm{Cr_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O_7}^{2-}}(\mathrm{aq})+\stackrel{+4-2}{\mathrm{SO_3}^{2-}}(\mathrm{aq}) \rightarrow \stackrel{+3}{\mathrm{Cr}}(\mathrm{aq})+ \stackrel{+6-2}{\mathrm{SO_4}{ }^{2-}}(\mathrm{aq})$
This indicates that the dichromate ion is the oxidant and the sulphite ion is the reductant.
Step 3: Calculate the increase and decrease of oxidation number, and make them equal: from step- 2 we can notice that there is change in oxidation state of chromium and sulphur. Oxidation state of chromium changes form +6 to +3 . There is decrease of +3 in oxidation state of chromium on right hand side of the equation. Oxidation state of sulphur changes from +4 to +6 . There is an increase of +2 in the oxidation state of sulphur on right hand side. To make the increase and decrease of oxidation state equal, place numeral 2 before cromium ion on right hand side and numeral 3 before sulphate ion on right hand side and balance the chromium and sulphur atoms on both the sides of the equation. Thus we get
$\stackrel{+6}{\mathrm{Cr_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O_7}^{2-}}(\mathrm{aq})+3\stackrel{+4-2}{\mathrm{SO_3}^{2-}}(\mathrm{aq}) \rightarrow \stackrel{+3}{\mathrm{Cr^{3+}}}(\mathrm{aq})+ 3\stackrel{+6-2}{\mathrm{SO_4}{ }^{2-}}(\mathrm{aq})$
Step 4: As the reaction occurs in the acidic medium, and further the ionic charges are not equal on both the sides, add $8 \mathrm{H}^{+}$on the left to make ionic charges equal
$$ \mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq})+3\mathrm{SO_3}^{2-}(\mathrm{aq}) + 8\mathrm{H^+} \rightarrow 2\mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq}) + 3\mathrm{SO_4}^{2-}(\mathrm{aq}) $$
Step 5: Finally, count the hydrogen atoms, and add appropriate number of water molecules (i.e., $4 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ ) on the right to achieve balanced redox change.
$$ \begin{aligned} & \mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{SO_3}{ }^{2-}(\mathrm{aq})+8 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \\ & \quad 2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{SO_4}{ }^{2-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \end{aligned} $$
Problem 8.9
Permanganate ion reacts with bromide ion in basic medium to give manganese dioxide and bromate ion. Write the balanced ionic equation for the reaction.
Solution
Step 1: The skeletal ionic equation is :
$\mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s})+\mathrm{BrO_3}^{-}(\mathrm{aq})$
Step 2: Assign oxidation numbers for $\mathrm{Mn}$ and $\mathrm{Br}$
$\stackrel{+7}{\mathrm{Mn}} \mathrm{O_4}^{-} (\mathrm{aq})+\stackrel{-1}{\mathrm{Br^-}}(\mathrm{aq}) \longrightarrow \stackrel{+4}{\mathrm{Mn}} \mathrm{O_2}(\mathrm{s})+\stackrel{+5}{\mathrm{BrO_3}^{-}}(\mathrm{aq})$
this indicates that permanganate ion is the oxidant and bromide ion is the reductant.
Step 3: Calculate the increase and decrease of oxidation number, and make the increase equal to the decrease.
$\stackrel{+7}{2 \mathrm{Mn}} \mathrm{O_4}^{-} (\mathrm{aq})+\stackrel{-1}{\mathrm{Br}}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \stackrel{+4}{\mathrm{Mn}} \mathrm{O_2}(\mathrm{~s})+ \stackrel{+5}{\mathrm{Br}} \mathrm{O_3}^{-}(\mathrm{aq})$
Step 4: As the reaction occurs in the basic medium, and the ionic charges are not equal on both sides, add $2 \mathrm{OH}^{-}$ions on the right to make ionic charges equal.
$2 \mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s})+ \mathrm{BrO_3}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})$
Step 5: Finally, count the hydrogen atoms and add appropriate number of water molecules (i.e. one $\mathrm{H_2} \mathrm{O}$ molecule) on the left side to achieve balanced redox change.
$$ 2 \mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s}) +\mathrm{BrO_3}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) $$
(b) Half Reaction Method: In this method, the two half equations are balanced separately and then added together to give balanced equation.
Suppose we are to balance the equation showing the oxidation of $\mathrm{Fe}^{2+}$ ions to $\mathrm{Fe}^{3+}$ ions by dichromate ions $\left(\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}\right)^{2-}$ in acidic medium, wherein, $\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}$ ions are reduced to $\mathrm{Cr}^{3+}$ ions. The following steps are involved in this task.
Step 1: Produce unbalanced equation for the reaction in ionic form :
$$\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq}) \tag{8.50}$$
Step 2: Separate the equation into halfreactions:
Oxidation half :
$$\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})$$
Reduction half :
$$\mathrm{Cr}^{+6}{ } _{2} \mathrm{O} _{7}^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cr}^{+3}(\mathrm{aq})$$
Step 3: Balance the atoms other than $O$ and $\mathrm{H}$ in each half reaction individually. Here the oxidation half reaction is already balanced with respect to $\mathrm{Fe}$ atoms. For the reduction half reaction, we multiply the $\mathrm{Cr}^{3+}$ by 2 to balance $\mathrm{Cr}$ atoms.
$$\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq}) \tag{8.53}$$
Step 4: For reactions occurring in acidic medium, add $\mathrm{H_2} \mathrm{O}$ to balance $\mathrm{O}$ atoms and $\mathrm{H}^{+}$ to balance $\mathrm{H}$ atoms.
Thus, we get :
$$\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq})+14 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+7 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})\tag{8.54}$$
Step 5: Add electrons to one side of the half reaction to balance the charges. If need be, make the number of electrons equal in the two half reactions by multiplying one or both half reactions by appropriate number.
The oxidation half reaction is thus rewritten to balance the charge:
$$\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+\mathrm{e}^{-} \tag{8.55}$$
Now in the reduction half reaction there are net twelve positive charges on the left hand side and only six positive charges on the right hand side. Therefore, we add six electrons on the left side.
$$ \begin{equation*} \mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq})+14 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+6 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+ 7\mathrm{H_2O} \tag{8.56} \end{equation*} $$
To equalise the number of electrons in both the half reactions, we multiply the oxidation half reaction by 6 and write as :
$$6 \mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow 6 \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+6 \mathrm{e}^{-} \tag{8.57}$$
Step 6: We add the two half reactions to achieve the overall reaction and cancel the electrons on each side. This gives the net ionic equation as :
$$6 \mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq})+14 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow 6 \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+ 2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+7 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$$
Step 7: Verify that the equation contains the same type and number of atoms and the same charges on both sides of the equation. This last check reveals that the equation is fully balanced with respect to number of atoms and the charges.
For the reaction in a basic medium, first balance the atoms as is done in acidic medium. Then for each $\mathrm{H}^{+}$ion, add an equal number of $\mathrm{OH}^{-}$ions to both sides of the equation. Where $\mathrm{H}^{+}$and $\mathrm{OH}^{-}$appear on the same side of the equation, combine these to give $\mathrm{H_2} \mathrm{O}$.
Problem 8.10
Permanganate(VII) ion, $\mathrm{MnO_4}^{-}$in basic solution oxidises iodide ion, $\mathrm{I}^{-}$to produce molecular iodine $\left(\mathrm{I_2}\right)$ and manganese (IV) oxide $\left(\mathrm{MnO_2}\right)$. Write a balanced ionic equation to represent this redox reaction.
Solution
Step 1: First we write the skeletal ionic equation, which is
$\mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s})+\mathrm{I_2}(\mathrm{~s})$
Step 2: The two half-reactions are:
$$ \begin{aligned} & \text { Oxidation half : } \stackrel{-1}{\mathrm{I^-}} \mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{0}{\mathrm{I_3}}(\mathrm{s}) \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} & \text { Reduction half : } \stackrel{+7}{\mathrm{Mn}} \mathrm{O_4}^{-}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+4}{\mathrm{Mn}} \mathrm{O_2}(\mathrm{s}) \end{aligned} $$
Step 3: To balance the I atoms in the oxidation half reaction, we rewrite it as:
$$ 2 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{I_2}(\mathrm{~s}) $$
Step 4: To balance the $O$ atoms in the reduction half reaction, we add two water molecules on the right:
$\mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{MnO_2}$ (s) $+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ (l)
To balance the $\mathrm{H}$ atoms, we add four $\mathrm{H}^{+}$ ions on the left:
$\mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \mathrm{(l)}$
As the reaction takes place in a basic solution, therefore, for four $\mathrm{H}^{+}$ions, we add four $\mathrm{OH}^{-}$ions to both sides of the equation:
$\mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow\mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})$
Replacing the $\mathrm{H}^{+}$and $\mathrm{OH}^{-}$ions with water, the resultant equation is:
$\mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s})+4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})$
Step 5 : In this step we balance the charges of the two half-reactions in the manner depicted as:
$$ \begin{gathered} 2 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{I_2}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{e}^{-} \\ \mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+3 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s}) +4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \end{gathered} $$
Now to equalise the number of electrons, we multiply the oxidation half-reaction by 3 and the reduction half-reaction by 2 .
$6 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 3 \mathrm{I_2}$ (s) $+6 \mathrm{e}^{-}$
$2 \mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ (l) $+6 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 2 \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s})+8 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})$
Step 6: Add two half-reactions to obtain the net reactions after cancelling electrons on both sides.
$6 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 3 \mathrm{I_2}(\mathrm{~s})+ 2 \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s})+8 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})$
Step 7: A final verification shows that the equation is balanced in respect of the number of atoms and charges on both sides.
8.3.3 Redox Reactions as the Basis for Titrations
In acid-base systems we come across with a titration method for finding out the strength of one solution against the other using a pH sensitive indicator. Similarly, in redox systems, the titration method can be adopted to determine the strength of a reductant/ oxidant using a redox sensitive indicator. The usage of indicators in redox titration is illustrated below:
(i) In one situation, the reagent itself is intensely coloured, e.g., permanganate ion, $\mathrm{MnO_4}^{-}$. Here $\mathrm{MnO_4}^{-}$acts as the self indicator. The visible end point in this case is achieved after the last of the reductant $\left(\mathrm{Fe}^{2+}\right.$ or $\left.\mathrm{C_2} \mathrm{O_4}{ }^{2-}\right)$ is oxidised and the first lasting tinge of pink colour appears at $\mathrm{MnO_4}^{-}$concentration as low as $10^{-6} \mathrm{~mol} \mathrm{dm}^{-3}$ $\left(10^{-6} \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1}\right)$. This ensures a minimal ‘overshoot’ in colour beyond the equivalence point, the point where the reductant and the oxidant are equal in terms of their mole stoichiometry.
(ii) If there is no dramatic auto-colour change (as with $\mathrm{MnO_4}^{-}$titration), there are indicators which are oxidised immediately after the last bit of the reactant is consumed, producing a dramatic colour change. The best example is afforded by $\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}$, which is not a self-indicator, but oxidises the indicator substance diphenylamine just after the equivalence point to produce an intense blue colour, thus signalling the end point.
(iii) There is yet another method which is interesting and quite common. Its use is restricted to those reagents which are able to oxidise $\mathrm{I}^{-}$ions, say, for example,
$$\mathrm{Cu}(\mathrm{II}) : 2 \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cu_2} \mathrm{I_2}(\mathrm{~s})+\mathrm{I_2}(\mathrm{aq}) \tag{8.59}$$
This method relies on the facts that iodine itself gives an intense blue colour with starch and has a very specific reaction with thiosulphate ions $\left(\mathrm{S_2} \mathrm{O_3}{ }^{2-}\right)$, which too is a redox reaction:
$$\mathrm{I_2}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{~S_2} \mathrm{O_3}^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{S_4} \mathrm{O_6}{ }^{2-}(\mathrm{aq}) \tag{8.60}$$
$\mathrm{I_2}$, though insoluble in water, remains in solution containing $\mathrm{KI}$ as $\mathrm{KI_3}$.
On addition of starch after the liberation of iodine from the reaction of $\mathrm{Cu}^{2+}$ ions on iodide ions, an intense blue colour appears. This colour disappears as soon as the iodine is consumed by the thiosulphate ions. Thus, the end-point can easily be tracked and the rest is the stoichiometric calculation only.
8.3.4 Limitations of Concept of Oxidation Number
As you have observed in the above discussion, the concept of redox processes has been evolving with time. This process of evolution is continuing. In fact, in recent past the oxidation process is visualised as a decrease in electron density and reduction process as an increase in electron density around the atom(s) involved in the reaction.
8.4 REDOXREACTIONS AND ELECTRODE PROCESSES
The experiment corresponding to reaction (8.15), can also be observed if zinc rod is dipped in copper sulphate solution. The redox reaction takes place and during the reaction, zinc is oxidised to zinc ions and copper ions are reduced to metallic copper due to direct transfer of electrons from zinc to copper ion. During this reaction heat is also evolved. Now we modify the experiment in such a manner that for the same redox reaction transfer of electrons takes place indirectly. This necessitates the separation of zinc metal from copper sulphate solution. We take copper sulphate solution in a beaker and put a copper strip or rod in it. We also take zinc sulphate solution in another beaker and put a zinc rod or strip in it. Now reaction takes place in either of the beakers and at the interface of the metal and its salt solution in each beaker both the reduced and oxidized forms of the same species are present. These represent the species in the reduction and oxidation half reactions. A redox couple is defined as having together the oxidised and reduced forms of a substance taking part in an oxidation or reduction half reaction.
This is represented by separating the oxidised form from the reduced form by a vertical line or a slash representing an interface (e.g. solid/solution). For example in this experiment the two redox couples are represented as $\mathrm{Zn}^{2+} / \mathrm{Zn}$ and $\mathrm{Cu}^{2+} / \mathrm{Cu}$. In both cases, oxidised form is put before the reduced form.
Fig.8.3 The set-up for Daniell cell. Electrons produced at the anode due to oxidation of Zn travel through the external circuit to the cathode where these reduce the copper ions. The circuit is completed inside the cell by the migration of ions through the salt bridge. It may be noted that the direction of current is opposite to the direction of electron flow.
Now we put the beaker containing copper sulphate solution and the beaker containing zinc sulphate solution side by side (Fig. 7.3). We connect solutions in two beakers by a salt bridge (a U-tube containing a solution of potassium chloride or ammonium nitrate usually solidified by boiling with agar agar and later cooling to a jelly like substance). This provides an electric contact between the two solutions without allowing them to mix with each other. The zinc and copper rods are connected by a metallic wire with a provision for an ammeter and a switch. The set-up as shown in Fig.7.3 is known as Daniell cell. When the switch is in the off position, no reaction takes place in either of the beakers and no current flows through the metallic wire. As soon as the switch is in the on position, we make the following observations:
1. The transfer of electrons now does not take place directly from $\mathrm{Zn}$ to $\mathrm{Cu}^{2+}$ but through the metallic wire connecting the two rods as is apparent from the arrow which indicates the flow of current.
2. The electricity from solution in one beaker to solution in the other beaker flows by the migration of ions through the salt bridge. We know that the flow of current is possible only if there is a potential difference between the copper and zinc rods known as electrodes here.
The potential associated with each electrode is known as electrode potential. If the concentration of each species taking part in the electrode reaction is unity (if any gas appears in the electrode reaction, it is confined to 1 atmospheric pressure) and further the reaction is carried out at $298 \mathrm{~K}$, then the potential of each electrode is said to be the Standard Electrode Potential. By convention, the standard electrode potential $\left(\mathrm{E}^{\ominus}\right)$ of hydrogen electrode is 0.00 volts. The electrode potential value for each electrode process is a measure of the relative tendency of the active species in the process to remain in the oxidised/reduced form. A negative $\mathrm{E}^{\ominus}$ means that the redox couple is a stronger reducing agent than the $\mathrm{H}^{+} / \mathrm{H_2}$ couple. A positive $\mathrm{E}^{\ominus}$ means that the redox couple is a weaker reducing agent than the $\mathrm{H}^{+} / \mathrm{H_2}$ couple. The standard electrode potentials are very important and we can get a lot of other useful information from them. The values of standard electrode potentials for some selected electrode processes (reduction reactions) are given in Table 8.1. You will learn more about electrode reactions and cells in Class XII.
Table 7.1 The Standard Electrode Potentials at 298 K
Ions are present as aqueous species and $H_2O$ as liquid; gases and solids are shown by g and s respectively.
-
A negative E means that the redox couple is a stronger reducing agent than the $ H^{+} / H_2$ couple.
-
A positive E means that the redox couple is a weaker reducing agent than the $H^{+} / H_2 $ couple.
Summary
Redox reactions form an important class of reactions in which oxidation and reduction occur simultaneously. Three tier conceptualisation viz, classical, electronic and oxidation number, which is usually available in the texts, has been presented in detail. Oxidation, reduction, oxidising agent (oxidant) and reducing agent (reductant) have been viewed according to each conceptualisation. Oxidation numbers are assigned in accordance with a consistent set of rules. Oxidation number and ion-electron method both are useful means in writing equations for the redox reactions. Redox reactions are classified into four categories: combination, decomposition displacement and disproportionation reactions. The concept of redox couple and electrode processes is introduced here. The redox reactions find wide applications in the study of electrode processes and cells.
Exercise
8.1 Assign oxidation number to the underlined elements in each of the following species:
(a) $\mathrm{NaH_2} \mathrm{PO_4}$
(b) $\mathrm{NaHSO_4}$
(c) $\mathrm{H_4} \mathrm{P_2} \mathrm{O_7}$
(d) $\mathrm{K_2} \mathrm{MnO_4}$
(e) $\mathrm{CaO_2}$
(f) $\mathrm{NaBH_4}$
(g) $\mathrm{H_2} \underline {\mathrm{S}_2} \mathrm{O_7}$
(h) $\mathrm{KAl}\left(\mathrm{SO_4}\right)_{2} \cdot 12 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$
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Answer
(a) $NaH_2 \underline PO_4$
Let the oxidation number of $P$ be $x$.
We know that,
Oxidation number of $Na=+1$
Oxidation number of $H=+1$
Oxidation number of $O=-2$
$\Rightarrow \stackrel{+1}{Na} \stackrel{+1}{H} \stackrel{x}{P} \stackrel{-2}{O_4}$
Then, we have
$1(+1)+2(+1)+1(x)+4(-2)=0$
$\Rightarrow 1+2+x-8=0$
$\Rightarrow x=+5$
Hence, the oxidation number of $P$ is +5 .
(b) $NaHSO_4$
$\stackrel{+1}{Na} \stackrel{+1}{H} \stackrel{x}{S} O_4$
Then, we have
$l(+1)+l(+1)+l(x)+4(-2)=0$
$\Rightarrow 1+1+x-8=0$
$\Rightarrow x=+6$
Hence, the oxidation number of $S$ is +6 .
(c) $H_4 \underline P_2 O_7$ $\stackrel{+1}{H_4} \stackrel{x}{P} \stackrel{-2}O_7$
Then, we have
$4(+1)+2(x)+7(-2)=0$
$\Rightarrow 4+2 x-14=0$
$\Rightarrow 2 x=+10$
$\Rightarrow x=+5$
Hence, the oxidation number of $P$ is +5 .
(d) $K_2 \underline {MnO_4}$
$ \stackrel{+1}{K_2} \stackrel{x}{Mn} \stackrel{-2}{O_4} $
Then, we have
$2(+1)+x+4(-2)=0$
$\Rightarrow 2+x-8=0$
$\Rightarrow x=+6$
Hence, the oxidation number of $Mn$ is +6 .
(e) $CaO \underline O_2$
$\stackrel{+2}{Ca} \stackrel{x_O^{2}}{ }$
Then, we have
$(+2)+2(x)=0$
$\Rightarrow 2+2 x=0$
$\Rightarrow x=-1$
Hence, the oxidation number of $O$ is - 1 .
(f) $NaBH_4$
$\stackrel{+1}{Na} \stackrel{x}B^{-1} H_4$
Then, we have
$1(+1)+1(x)+4(-1)=0$
$\Rightarrow 1+x-4=0$
$\Rightarrow x=+3$
Hence, the oxidation number of $B$ is +3 .
(g) $H_2 \underline S_2 O_7$ $\stackrel{+1}{H_2} S_2 \stackrel{-2}{O}$
Then, we have
$2(+1)+2(x)+7(-2)=0$
$\Rightarrow 2+2 x-14=0$
$\Rightarrow 2 x=12$
$\Rightarrow x=+6$
Hence, the oxidation number of $S$ is +6 .
(h) $KAl(\underline SO_4)_2 \cdot 12 H_2 O$
$\stackrel{+1}{KAl}(\stackrel{x^{2}-SO_4}{ })_2 .12 \stackrel{+1}{H_2} \stackrel{-2}{O}$
Then, we have
$1(+1)+1(+3)+2(x)+8(-2)+24(+1)+12(-2)=0$
$\Rightarrow 1+3+2 x-16+24-24=0$
$\Rightarrow 2 x=12$
$\Rightarrow x=+6$
Or,
We can ignore the water molecule as it is a neutral molecule. Then, the sum of the oxidation numbers of all atoms of the water molecule may be taken as zero. Therefore, after ignoring the water molecule, we have
$1(+1)+1(+3)+2(x)+8(-2)=0$
$\Rightarrow 1+3+2 x-16=0$
$\Rightarrow 2 x=12$
$\Rightarrow x=+6$
Hence, the oxidation number of $S$ is +6 .
8.2 What are the oxidation number of the underlined elements in each of the following and how do you rationalise your results?
(a) $\mathrm{KI_3}$
(b) $\mathrm{H_2} \underline {\mathrm{S}_4} \mathrm{O_6}$
(c) $\mathrm{Fe_3} \mathrm{O_4}$
(d) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{OH}$
(e) $\mathrm{CH_3} \mathrm{COOH}$
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Answer
(a) $KI_3$
In $KI_3$, the oxidation number (O.N.) of $K$ is +1 . Hence, the average oxidation number of $I$ is $-\frac{1}{3}$. However, O.N. cannot be fractional. Therefore, we will have to consider the structure of $KI_3$ to find the oxidation states.
In a $KI_3$ molecule, an atom of iodine forms a coordinate covalent bond with an iodine molecule.
$ \stackrel{+1}{K^+}[\stackrel{0}{I-}\stackrel{0}{I} \longleftarrow \stackrel{-1}{I} ]^{-} $
Hence, in a $KI_3$ molecule, the O.N. of the two I atoms forming the $I_2$ molecule is 0 , whereas the O.N. of the I atom forming the coordinate bond is -1.
(b) $H_2 \underline S_4 O_6$
$ \stackrel{+1}{H_2} \stackrel{\stackrel{x}{S} O_4 \stackrel{-2}{O}}{6} $
Now, $2(+1)+4(x)+6(-2)=0$
$\Rightarrow 2+4 x-12=0$
$\Rightarrow 4 x=10$
$\Rightarrow x=+2 \frac{1}{2}$
However, O.N. cannot be fractional. Hence, S must be present in different oxidation states in the molecule.
The O.N. of two of the four $S$ atoms is +5 and the O.N. of the other two $S$ atoms is 0.
(c) $\underline Fe_3 O_4$
On taking the O.N. of O as -2, the O.N. of Fe is found to be ${ }^{+2 \frac{2}{3}}$. However, O.N. cannot be fractional. Here, one of the three Fe atoms exhibits the O.N. of +2 and the other two Fe atoms exhibit the O.N. of +3 .
$\stackrel{+2}{FeO}, \stackrel{+3}{F} e_2 O_3$
(d) $CH_3 \underline CH_2 OH$
$2(x)+6(+1)+1(-2)=0$
or, $2 x+4=0$
or, $x=-2$
Hence, the O.N. of C is -2.
(e)
$CH_3 \underline {COOH}$
$2(x)+4(+1)+2(-2)=0$
or, $2 x=0$
or, $x=0$
However, 0 is average O.N. of C. The two carbon atoms present in this molecule are present in different environments. Hence, they cannot have the same oxidation number. Thus, $C$ exhibits the oxidation states of +2 and âe"2 in $CH_3 COOH$.
8.3 Justify that the following reactions are redox reactions:
(a) $\mathrm{CuO}$ (s) $+\mathrm{H_2}$ (g) $\rightarrow \mathrm{Cu}$ (s) $+\mathrm{H_2} \mathrm{O}$ (g)
(b) $\mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3}$ (s) $+3 \mathrm{CO}$ (g) $\rightarrow 2 \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+3 \mathrm{CO_2}$ (g)
(c) $4 \mathrm{BCl_3}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{LiAlH_4}(\mathrm{~s}) \rightarrow 2 \mathrm{~B_2} \mathrm{H_6}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{LiCl}(\mathrm{s})+3 \mathrm{AlCl_3}$ (s)
(d) $2 \mathrm{~K}(\mathrm{~s})+\mathrm{F_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{~K}^{+} \mathrm{F}^{-}(\mathrm{s})$
(e) $4 \mathrm{NH_3}(\mathrm{~g})+5 \mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 4 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{g})$
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Answer
(a)
$ CuO _{(s)}+H _{2(g)} \longrightarrow Cu _{(s)}+H_2 O _{(g)} $
Let us write the oxidation number of each element involved in the given reaction as:
$\stackrel{+2}{Cu} \stackrel{-2}{O}(s)+\stackrel{0}{H}(g) \longrightarrow \stackrel{0}{C} u _{(s)}+\stackrel{+1}H_2 \stackrel{-2}O _{(g)}$
Here, the oxidation number of $Cu$ decreases from +2 in $CuO$ to 0 in $Cu$ i.e., $CuO$ is reduced to $Cu$. Also, the oxidation number of $H$ increases from 0 in $H_2$ to +1 in $H_2 O$ i.e., $H_2$ is oxidized to $H_2 O$. Hence, this reaction is a redox reaction.
(b)
$ Fe_2 O _{3(s)}+3 CO _{(g)} \longrightarrow 2 Fe _{(s)}+3 CO _{2(g)} $
Let us write the oxidation number of each element in the given reaction as:
$ \stackrel{+3}{Fe_2} \stackrel{-2}{O_3} + \stackrel{+2 -2}{3CO_{(g)}} \longrightarrow 2\stackrel{0}{Fe_{(s)}} + 3\stackrel{+4-2}{CO_{2(g)}} $
Here, the oxidation number of $Fe$ decreases from +3 in $Fe_2 O_3$ to 0 in $Fe$ i.e., $Fe_2 O_3$ is reduced to $Fe$. On the other hand, the oxidation number of $C$ increases from +2 in $CO$ to +4 in $CO_2$ i.e., $CO$ is oxidized to $CO_2$. Hence, the given reaction is a redox reaction.
(c)
$ 4 BCl _{3(g)}+3 LiAlH _{4(s)} \longrightarrow 2 B_2 H _{6(g)}+3 LiCl _{(s)}+3 AlCl _{3(s)} $
The oxidation number of each element in the given reaction can be represented as:
$ 4 \stackrel{+3}{B} \stackrel{-1}{Cl_{3(g)}} + \stackrel{+1+3-1}{\quad 3LiAlH_{4(s)}} \longrightarrow \stackrel{-3 \quad +1}{\quad 2B_2 H_{6(g)}} + \stackrel{+1-1}{3LiCl_{(s)}} + \stackrel{+3 -1}{\quad 3AlCl_{3(s)}} $
In this reaction, the oxidation number of $B$ decreases from +3 in $BCl_3$ to â “ $^{3}$ in $B_2 H_6$. i.e., $BCl_3$ is reduced to $B_2 H_6$. Also, the oxidation number of $H$ increases from â " 1 in $LiAlH_4$ to +1 in $B_2 H_6$ i.e., $LiAlH_4$ is oxidized to $B_2 H_6$. Hence, the given reaction is a redox reaction.
(d) $2 K _{(s)}+F _{2(g)} \longrightarrow 2 K^{+} F^{-} _{(s)}$
The oxidation number of each element in the given reaction can be represented as:
$2 \stackrel{0}K _{(s)}+\stackrel{0}F _{2(g)}^{\longrightarrow} 2 \stackrel{+1}K^{+} \stackrel{-1}F _{(s)}^{-}$
In this reaction, the oxidation number of $K$ increases from 0 in $K$ to +1 in $KF$ i.e., $K$ is oxidized to $KF$. On the other hand, the oxidation number of $F$ decreases from 0 in $F_2$ to - 1 in $K F$ i.e., $F_2$ is reduced to KF.
Hence, the above reaction is a redox reaction.
(e)
$ 4NH_{3(g)} + 5O_{2(g)} \longrightarrow 4NO_{(g)} + 6H_2O_{(g)} $
The oxidation number of each element in the given reaction can be represented as:
$4 \stackrel{-3}N _{3(g)}+5 \stackrel{0}O _{2(g)}^{\longrightarrow} 4 \stackrel{+2}{N} \stackrel{-2}O _{(g)}+6 \stackrel{+1}H_2 \stackrel{-2}O _{(g)}$
Here, the oxidation number of $N$ increases from - 3 in $NH_3$ to +2 in $NO$. On the other hand, the oxidation number of $O_2$ decreases from 0 in $O_2$ to - 2 in $NO$ and $H_2 O$ i.e., $O_2$ is reduced. Hence, the given reaction is a redox reaction.
8.4 Fluorine reacts with ice and results in the change:
$\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{F_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{HF}(\mathrm{g})+\mathrm{HOF}(\mathrm{g})$
Justify that this reaction is a redox reaction.
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Answer
Let us write the oxidation number of each atom involved in the given reaction above its symbol as:
$ \stackrel{+1 -2}{H_2O} + \stackrel{0}{F} \longrightarrow \stackrel{+1-1}{HF} + \stackrel{+1-2+1}{HOF} $
Here, we have observed that the oxidation number of $F$ increases from 0 in $F_2$ to +1 in $HOF$. Also, the oxidation number decreases from 0 in $F_2$ to -1 in HF. Thus, in the above reaction, $F$ is both oxidized and reduced. Hence, the given reaction is a redox reaction.
8.5 Calculate the oxidation number of sulphur, chromium and nitrogen in $\mathrm{H_2} \mathrm{SO_5}, \mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}$ and $\mathrm{NO_3}^{-}$. Suggest structure of these compounds. Count for the fallacy.
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Answer
(i)
$\stackrel{+1}{H_2} \stackrel{x}{S^{-2}} S_5$
$2(+1)+1(x)+5(-2)=0$
$\Rightarrow 2+x-10=0$
$\Rightarrow x=+8$
However,the O.N. of $S$ cannot be +8. $S$ has six valence electrons. Therefore, the O.N. of $S$ cannot be more than +6 . The structure of $H_2 SO_5$ is shown as follows:
Now, $2(+1)+1(x)+3(-2)+2(-1)=0$
$\Rightarrow 2+x-6-2=0$
$\Rightarrow x=+6$
Therefore, the O.N. of $S$ is +6 .
(ii)
${ }^{Cr} r_2 O_7^{2-}$
$2(x)+7(-2)=-2$
$\Rightarrow 2 x-14=-2$
$\Rightarrow x=+6$
Here, there is no fallacy about the O.N. of $Cr$ in $Cr_2 O_7^{2-}$.
The structure of $Cr_2 O_7^{2-}$ is shown as follows:
Here, each of the two $Cr$ atoms exhibits the O.N. of +6 .
(iii) $\stackrel{x}{N} \stackrel{2-}{O_3^{-}}$
$1(x)+3(-2)=-1$
$\Rightarrow x-6=-1$
$\Rightarrow x=+5$
Here, there is no fallacy about the O.N. of $N$ in $NO_3^{-}$.
The structure of $NO_3^{-}$is shown as follows:
TheN atom exhibits the O.N. of +5 .
8.6 Write formulas for the following compounds:
(a) Mercury(II) chloride
(b) Nickel(II) sulphate
(c) Tin(IV) oxide
(d) Thallium(I) sulphate
(e) Iron(III) sulphate
(f) Chromium(III) oxide
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Answer
(a) Mercury (II) chloride:
$HgCl_2$
(b) Nickel (II) sulphate:
$NiSO_4$
(c) Tin (IV) oxide:
$SnO_2$
(d) Thallium (I) sulphate:
$TI_2 SO_4$
(e) Iron (III) sulphate:
$Fe_2(SO_4)_3$
(f) Chromium (III) oxide:
$Cr_2 O_3$
8.7 Suggest a list of the substances where carbon can exhibit oxidation states from -4 to +4 and nitrogen from -3 to +5 .
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Answer
The substances where carbon can exhibit oxidation states from - 4 to +4 are listed in the following table.
Substance | O.N. of carbon |
---|---|
$CH_2 Cl_2$ | 0 |
$ClC \equiv CCl$ | +1 |
$HCA \equiv CH$ | $- 1$ |
$CHCl_3, CO$ | +2 |
$CH_3 Cl$ | $- 2$ |
$Cl_3 C - CCl_3$ | +3 |
$H_3 C - CH_3$ | -3 |
$CCl_4- CO_2$ | +4 |
$CH_4$ | -4 |
The substances where nitrogen can exhibit oxidation states from -3 to +5 are listed in the following table.
Substance | O.N. of nitrogen |
---|---|
$N_2$ | 0 |
$N_2 O$ | +1 |
$N_2 H_2$ | $- 1$ |
$NO$ | +2 |
$N_2 H_4$ | $-2$ |
$N_2 O_3$ | +3 |
$NH_3$ | $- 3$ |
$NO_2$ | +4 |
$N_2 O_5$ | +5 |
8.8 While sulphur dioxide and hydrogen peroxide can act as oxidising as well as reducing agents in their reactions, ozone and nitric acid act only as oxidants. Why ?
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In sulphur dioxide $(SO_2)$, the oxidation number (O.N.) of $S$ is +4 and the range of the O.N. that $S$ can have is from +6 to -2 .
Therefore, $SO_2$ can act as an oxidising as well as a reducing agent.
In hydrogen peroxide $(H_2 O_2)$, the O.N. of $O$ is -1 and the range of the O.N. that $O$ can have is from 0 to -2 . $O$ can sometimes also attain the oxidation numbers +1 and +2 . Hence, $H_2 O_2$ can act as an oxidising as well as a reducing agent.
In ozone $(O_3)$, the $O . N$. of $O$ is zero and the range of the O.N. that $O$ can have is from $O$ to -2. Therefore, the O.N. of $O$ can only decrease in this case. Hence, $O_3$ acts only as an oxidant.
In nitric acid $(HNO_3)$, the O.N. of $N$ is +5 and the range of the O.N. that $N$ can have is from +5 to -3 . Therefore, the O.N. of $N$ can only decrease in this case. Hence, $HNO_3$ acts only as an oxidant.
8.9 Consider the reactions:
(a) $6 \mathrm{CO_2}(\mathrm{~g})+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}(\mathrm{aq})+6 \mathrm{O_2}(\mathrm{~g})$
(b) $\mathrm{O_3}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+2 \mathrm{O_2}(\mathrm{~g})$
Why it is more appropriate to write these reactions as :
(a) $6 \mathrm{CO_2}(\mathrm{~g})+12 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}(\mathrm{aq})+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+6 \mathrm{O_2}(\mathrm{~g})$
(b) $\mathrm{O_3}$ (g) $+\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ (l) $\rightarrow \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O_2}$ (g)
Also suggest a technique to investigate the path of the above (a) and (b) redox reactions.
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(a)The process of photosynthesis involves two steps.
Step 1:
$H_2 O$ decomposes to give $H_2$ and $O_2$.
$ 2 H_2 O _{(l)} \longrightarrow 2 H _{2(g)}+O _{2(g)} $
Step 2:
The $H_2$ produced in step 1reduces $CO_2$, thereby producing glucose $(C_6 H _{12} O_6)$ and $H_2 O$.
$ 6 CO _{2(g)}+12 H _{2(g)} \longrightarrow C_6 H _{12} O _{6(s)}+6 H_2 O _{(l)} $
Now, the net reaction of the process is given as:
$ \begin{aligned} 2 H_2 O _{(i)} & .\longrightarrow 2 H _{2(g)}+O _{2(g)}] \times 6 \\ 6 CO _{2(g)}+12 H _{2(g)} & \longrightarrow C_6 H _{12} O _{6(g)}+6 H_2 O _{(l)} \\ 6 CO _{2(g)}+12 H_2 O _{(l)} & \longrightarrow C_6 H _{12} O _{6(g)}+6 H_2 O _{(l)}+6 O _{2(g)} \end{aligned} $
Itis more appropriate to write the reaction as given above because water molecules are also produced in the process of photosynthesis.
The path of this reaction can be investigated by using radioactive $H_2 O^{18}$ in place of $H_2 O$.
(b) $O_2$ is produced from each of the two reactants $O_3$ and $H_2 O_2$. For this reason, $O_2$ is written twice.
The given reaction involves two steps. First, $O_3$ decomposes to form $O_2$ and $O$. In the second step, $H_2 O_2$ reacts with the O produced in the first step, thereby producing $H_2 O$ and $O_2$.
$ \begin{aligned} & O _{3(g)} \longrightarrow O _{2(g)}+O _{(g)} \\ & H_2 O _{2(l)}+O _{(g)} \longrightarrow H_2 O _{(l)}+O _{2(g)} \\ & H_2 O _{2(l)}+O _{3(g)} \longrightarrow H_2 O _{(l)}+O _{2(g)}+O _{2(g)} \end{aligned} $
The path of this reaction can be investigated by using $H_2 O_2{ }^{18}$ or $O_3^{18}$.
8.10 The compound $\mathrm{AgF_2}$ is unstable compound. However, if formed, the compound acts as a very strong oxidising agent. Why?
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The oxidation state of $Ag$ in $AgF_2$ is +2 . But, +2 is an unstable oxidation state of $Ag$. Therefore, whenever $AgF_2$ is formed, silver readily accepts an electron to form $Ag^{+}$. This helps to bring the oxidation state of $Ag$ down from +2 to a more stable state of +1 . As a result, $AgF_2$ acts as a very strong oxidizing agent.
8.11 Whenever a reaction between an oxidising agent and a reducing agent is carried out, a compound of lower oxidation state is formed if the reducing agent is in excess and a compound of higher oxidation state is formed if the oxidising agent is in excess. Justify this statement giving three illustrations.
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Whenever a reaction between an oxidising agent and a reducing agent is carried out, a compound of lower oxidation state is formed if the reducing agent is in excess and a compound of higher oxidation state is formed if the oxidising agent is in excess. This can be illustrated as follows:
(i) $P_4$ and $F_2$ are reducing and oxidising agents respectively.
If an excess of $P_4$ is treated with $F_2$, then $PF_3$ will be produced, wherein the oxidation number (O.N.) of $P$ is +3 .
$ P_4 \text{ (excess) }+F_2 \longrightarrow \stackrel{+3}{P_3} $
However, if $P_4$ is treated with an excess of $F_2$, then $PF_5$ will be produced, wherein the O.N. of $P$ is +5 . $P_4+F_2$ (excess) $\longrightarrow \stackrel{+5}{P_5}$
(ii) $K$ acts as a reducing agent, whereas $O_2$ is an oxidising agent.
If an excess of $K$ reacts with $O_2$, then $K_2 O$ will be formed, wherein the $O . N$. of $O$ is $\hat{a} \in e^{\text{" }} 2$.
$ 4 K \text{ (excess) }+O_2 \longrightarrow 2 K_2{ }^{-2} $
However, if $K$ reacts with an excess of $O_2$, then $K_2 O_2$ will be formed, wherein the $O . N$. of $O$ is $\hat{a} E^{\text{" }} 1$.
$ 2 K+O_2 \text{ (excess) } \longrightarrow K_2{\stackrel{-1}{O_2}}^{-1} $
(iii)C is a reducing agent, while $O_2$ acts as an oxidising agent.
If an excess of $C$ is burnt in the presence of insufficient amount of $O_2$, then $CO$ will be produced, wherein the $O . N$. of $C$ is +2 .
$ C(\text{ excess })+O_2 \longrightarrow \stackrel{+2}{C} O $
On the other hand, if $C$ is burnt in an excess of $O_2$, then $CO_2$ will be produced, wherein the $O . N$. of $C$ is +4 .
$ C+O_2 \text{ (excess) } \longrightarrow \stackrel{+4}{CO_2} $
8.12 How do you count for the following observations?
(a) Though alkaline potassium permanganate and acidic potassium permanganate both are used as oxidants, yet in the manufacture of benzoic acid from toluene we use alcoholic potassium permanganate as an oxidant. Why ? Write a balanced redox equation for the reaction.
(b) When concentrated sulphuric acid is added to an inorganic mixture containing chloride, we get colourless pungent smelling gas $\mathrm{HCl}$, but if the mixture contains bromide then we get red vapour of bromine. Why?
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(a) In the manufacture of benzoic acid from toluene, alcoholic potassium permanganate is used as an oxidant because of the following reasons.
(i) In a neutral medium, $OH^{-}$ ions are produced in the reaction itself. As a result, the cost of adding an acid or a base can be reduced.
(ii) $KMnO_4$ and alcohol are homogeneous to each other since both are polar. Toluene and alcohol are also homogeneous to each other because both are organic compounds. Reactions can proceed at a faster rate in a homogeneous medium than in a heterogeneous medium. Hence, in alcohol, $KMnO_4$ and toluene can react at a faster rate.
The balanced redox equation for the reaction in a neutral medium is give as below:
(b) When conc. $H_2 SO_4$ is added to an inorganic mixture containing bromide, initially $HBr$ is produced. $HBr$, being a strong reducing agent reduces $H_2 SO_4$ to $SO_2$ with the evolution of red vapour of bromine.
$ \begin{aligned} & 2 NaBr+2 H_2 SO_4 \longrightarrow 2 NaHSO_4+2 HBr \\ & 2 HBr+H_2 SO_4 \longrightarrow Br_2+SO_2+2 H_2 O \\ & \text{ (red vapour) } \end{aligned} $
But, when conc. $H_2 SO_4$ is added to an inorganic mixture containing chloride, a pungent smelling gas $(HCl)$ is evolved. $HCl$, being a weak reducing agent, cannot reduce $H_2 SO_4$ to $SO_2$
$2 NaCl+2 H_2 SO_4 \longrightarrow 2 NaHSO_4+2 HCl$
8.13 Identify the substance oxidised reduced, oxidising agent and reducing agent for each of the following reactions:
(a) $2 \mathrm{AgBr}$ (s) $+\mathrm{C_6} \mathrm{H_6} \mathrm{O_2}$ (aq) $2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+2 \mathrm{HBr}$ (aq) $+\mathrm{C_6} \mathrm{H_4} \mathrm{O_2}$ (aq)
(b) $\mathrm{HCHO}(\mathrm{l})+2 \left[\mathrm{Ag} \left(\mathrm{NH_3} \right)_{2} \right]^{+}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) + 2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+\mathrm{HCOO}^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{NH_3}(\mathrm{aq})+ 2 \mathrm{H2O}\mathrm{(l)}$
(c) $\mathrm{HCHO} \mathrm{(l)}+2 \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+5 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \quad \mathrm{Cu} 2 \mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{HCOO}^{-}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
(d) $\mathrm{N_2} \mathrm{H_4}(\mathrm{l})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O_2}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{N_2}(\mathrm{~g})+4 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
(e) $\mathrm{Pb}(\mathrm{s})+\mathrm{PbO_2}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{PbSO_4}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
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(a) Oxidised substance $ \longrightarrow C_6H_6O_2 $
Reduced substance $ \longrightarrow $ AgBr
Oxidising agent $ \longrightarrow A g B r$
Reducing agent $ \longrightarrow $ $C_6 H_6 O_2$
(b)Oxidised substance $\longrightarrow $ HCHO
Reduced substance $ \longrightarrow ,[Ag(NH_3)_2]^{+}$
Oxidising agent $ \longrightarrow ,[Ag(NH_3)_2]^{+}$
Reducing agent $ \longrightarrow $ HCHO
(c) Oxidised substance $ \longrightarrow $ HCHO
Reduced substance $ \longrightarrow Cu^{2+}$
Oxidising agent $ \longrightarrow $ $Cu^{2+}$
Reducing agent $ \longrightarrow $ $HCHO$
(d) Oxidised substance $ \longrightarrow N_2 H_4$
Reduced substance $ \longrightarrow $ $H_2 O_2$
Oxidising agent $ \longrightarrow H_2 O_2$
Reducing agent $\longrightarrow N_2H_4 $
(e) Oxidised substance $ \longrightarrow $ Pb
Reduced substance $ \longrightarrow PbO_2$
Oxidising agent $ \longrightarrow $ $PbO_2$
Reducing agent $\longrightarrow Pb $
8.14 Consider the reactions :
$2 \mathrm{~S_2} \mathrm{O_3}^{2-}(\mathrm{aq})+\mathrm{I_2}(\mathrm{~s}) \rightarrow \mathrm{S_4} \mathrm{O_6}^{2-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq})$
$\mathrm{S_2} \mathrm{O_3}^{2-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Br_2}(\mathrm{l})+5 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{SO_4}^{2-(\mathrm{aq})}+4 \mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq})+10 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})$
Why does the same reductant, thiosulphate react differently with iodine and bromine?
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The average oxidation number (O.N.) of $S$ in $S_2 O_3^{2-}$ is +2. Being a stronger oxidising agent than $I_2$, $Br_2$ oxidises $S _2 O^{2-} _3 {\text{to }} SO_4^{2-}$, in which the O.N. of $S$ is +6 . However, $I_2$ is a weak oxidising agent. Therefore, it oxidises $S_2 O_3^{2-}$ to $S_4 O_6^{2-}$, in which the average O.N. of $S$ is only +2.5. As a result, $S_2 O_3^{2-}$ reacts differently with iodine and bromine.
8.15 Justify giving reactions that among halogens, fluorine is the best oxidant and among hydrohalic compounds, hydroiodic acid is the best reductant.
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$F_2$ can oxidize $Cl^{-}$ to $Cl_2$, $Br^{-}$ to $Br_2$, and $l^{-} e^{e}$ to $I_2$ as:
$ \begin{aligned} & F _{2(a q)}+2 Cl _{(s)}^{-} \longrightarrow 2 F _{(a q)}^{-}+Cl _{(g)} \\ & F _{2(a q)}+2 Br _{(a q)}^{-} \longrightarrow 2 F _{(a q)}^{-}+Br _{2(l)} \\ & F _{2(a q)}+2 I _{(a q)}^{-} \longrightarrow 2 F _{(a q)}^{-}+I _{2(s)} \end{aligned} $
On the other hand, $Cl_2, Br_2$, and $I_2$ cannot oxidize $F^{-}$ to $F_2$. The oxidizing power of halogens increases in the order of $I_2<Br_2<Cl_2<F_2$. Hence, fluorine is the best oxidant among halogens.
$HI$ and $HBr$ can reduce $H_2 SO_4$ to $SO_2$, but $HCl$ and $HF$ cannot. Therefore, $HI$ and $HBr$ are stronger reductants than $HCl$ and $HF$.
$2 HI+H_2 SO_4 \longrightarrow I_2+SO_2+2 H_2 O$
$2 HBr+H_2 SO_4 \longrightarrow Br_2+SO_2+2 H_2 O$
Again, l- can reduce $Cu^{2+}$ to $Cu^{+}$, but $Br^{-}$ cannot.
$4 I _{(a q)}^{-}+2 Cu _{(a q)}^{2+} \longrightarrow Cu_2 I _{2(s)}+I _{2(a q)}$
Hence, hydroiodic acid is the best reductant among hydrohalic compounds.
Thus, the reducing power of hydrohalic acids increases in the order of $HF<HCl<HBr<HI$.
8.16 Why does the following reaction occur?
$\mathrm{XeO_6}{ }^{4-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{~F}^{-}(\mathrm{aq})+6 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{XeO_3}(\mathrm{~g})+\mathrm{F_2}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
What conclusion about the compound $\mathrm{Na_4} \mathrm{XeO_6}$ (of which $\mathrm{XeO_6}^{4-}$ is a part) can be drawn from the reaction.
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The given reaction occurs because $XeO_6^{4-}$ oxidises $F^{-}$and $F^{-}$reduces $XeO_6^{4-}$.
$\mathrm{XeO} _{6(\mathrm{aq})}^{4-}+2 \mathrm{~F}^{-1}{ } _{(\mathrm{aq})}+6 \mathrm{H} _{(\mathrm{aq})}^{+} \rightarrow \mathrm{XeO} _{3(\mathrm{~g})}^{+6}+\mathrm{F} _{2(\mathrm{~g})}^0+3 \mathrm{H} _2 \mathrm{O} _{(\mathrm{l})}$
In this reaction, the oxidation number (O.N.) of Xe decreases from +8 in $XeO_6^{4-}$ to +6 in $XeO_3$ and the O.N. of $F$ increases from - 1 in $F^{a \hat{e}}$ " to $O$ in $F_2$.
Hence, we can conclude that $Na_4 XeO_6$ is a stronger oxidising agent than $F^{a \epsilon}$
8.17 Consider the reactions:
(a) $\mathrm{H_3} \mathrm{PO_2}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{AgNO_3}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{H_3} \mathrm{PO_4}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+4 \mathrm{HNO_3}(\mathrm{aq})$
(b) $\mathrm{H_3} \mathrm{PO_2}$ (aq) $+2 \mathrm{CuSO_4}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ (l) $\rightarrow \mathrm{H_3} \mathrm{PO_4}$ (aq) $+2 \mathrm{Cu}$ (s) $+\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}(\mathrm{aq})$
(c) $\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{CHO}(\mathrm{l})+2\left[\mathrm{Ag}\left(\mathrm{NH_3}\right)_{2}\right]^{+}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{COO}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+ 4 \mathrm{NH_3}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
(d) $\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{CHO}(\mathrm{l})+2 \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+5 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow$ No change observed.
What inference do you draw about the behaviour of $\mathrm{Ag}^{+}$and $\mathrm{Cu}^{2+}$ from these reactions?
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$Ag^{+}$and $Cu^{2+}$ act as oxidising agents in reactions (a) and (b) respectively.
In reaction (c), $Ag^{+}$oxidises $C_6 H_5 CHO$ to $C_6 H_5 COO$, but in reaction (d), $Cu^{2+}$ cannot oxidise $C_6 H_5 CHO$.
Hence, we can say that $Ag^{+}$is a stronger oxidising agent than $Cu^{2+}$.
8.18 Balance the following redox reactions by ion - electron method :
(a) $\mathrm{MnO_4}^{-}$(aq) $+\mathrm{I}^{-}$(aq) $\rightarrow \mathrm{MnO_2}$ (s) $+\mathrm{I_2}$ (s) (in basic medium)
(b) $\mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{SO_2}$ (g) $\rightarrow \mathrm{Mn}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{HSO_4}^{-}$(aq) (in acidic solution)
(c) $\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}(\mathrm{aq})+\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}$ (l) (in acidic solution)
(d) $\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}+\mathrm{SO_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+\mathrm{SO_4}{ }^{2-}$ (aq) (in acidic solution)
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(a) Step 1: The two half reactions involved in the given reaction are:
Oxidation half reaction: $\stackrel{-1}{I}(aq) \longrightarrow 0^{0}$
Reduction half reaction:
$ \stackrel{+7}{MnO} H _{4(a q)}^{-} \longrightarrow \stackrel{+4}{M} nO _{2(a q)} $
Step 2:
Balancing I in the oxidation half reaction, we have:
$ 2 I _{(a q)}^{-} \longrightarrow I _{2(s)} $
Now, to balance the charge, we add $2 e^{-}$ to the RHS of the reaction.
$ 2 I _{(a q)}^{-} \longrightarrow I _{2(s)}+2 e^{-} $
Step 3:
In the reduction half reaction, the oxidation state of $Mn$ has reduced from +7 to +4 . Thus, 3 electrons are added to the LHS of the reaction.
$ MnO _{4(a q)}^{-}+3 e^{-} \longrightarrow MnO _{2(a q)} $
Now, to balance the charge, we add $4 OH^{a+i}$ ions to the RHS of the reaction as the reaction is taking place in a basic medium.
$ MnO _{4(a q)}^{-}+3 e^{-} \longrightarrow MnO _{2(a q)}+4 OH^{-} $
Step 4:
In this equation, there are $6 O$ atoms on the RHS and $4 O$ atoms on the LHS. Therefore, two water molecules are added to the LHS.
$ MnO _{4(a q)}^{-}+2 H_2 O+3 e^{-} \longrightarrow MnO _{2(a q)}+4 OH^{-} $
Step 5:
Equalising the number of electrons by multiplying the oxidation half reaction by 3 and the reduction half reaction by 2 , we have:
$6 I _{(a q)}^{-} \longrightarrow 3 I _{2(s)}+6 e^{-}$
$2 MnO _{4(a q)}^{-}+4 H_2 O+6 e^{-} \longrightarrow 2 MnO _{2(s)}+8 OH _{(a q)}^{-}$
Step 6:
Adding the two half reactions, we have the net balanced redox reaction as:
$ 6 I _{(a q)}^{-}+2 MnO _{4(a q)}^{-}+4 H_2 O _{(l)} \longrightarrow 3 I _{2(s)}+2 MnO _{2(s)}+8 OH _{(a q)}^{-} $
(b)Following the steps as in part (a), we have the oxidation half reaction as:
$ SO _{2(g)}+2 H_2 O _{(j)} \longrightarrow HSO _{4(a q)}^{-}+3 H _{(a q)}^{+}+2 e _{(a q)}^{-} $
And the reduction half reaction as:
$ MnO _{4(a q)}^{-}+8 H _{(a q)}^{+}+5 e^{-} \longrightarrow Mn _{(a q)}^{2+}+4 H_2 O _{(l)} $
Multiplying the oxidation half reaction by 5 and the reduction half reaction by 2 , and then by adding them, we have the net balanced redox reaction as:
$ 2 MnO _{4(a q)}^{-}+5 SO _{2(g)}+2 H_2 O _{(i)}+H _{(a q)}^{+} \longrightarrow 2 Mn _{(a q)}^{2+}+5 HSO _{4(a q)}^{-} $
(c) Following the steps as in part (a), we have the oxidation half reaction as:
$ Fe _{(a q)}^{2+} \longrightarrow Fe^{3+} _{(a q)}+e^{-} $
And the reduction half reaction as:
$ H_2 O _{2(a q)}+2 H _{(a q)}^{+}+2 e^{-} \longrightarrow 2 H_2 O _{(l)} $
Multiplying the oxidation half reaction by 2 and then adding it to the reduction half reaction, we have the net balanced redox reaction as:
$ H_2 O _{2(a q)}+2 Fe^{2+} _{(a q)}+2 H _{(a q)}^{+} \longrightarrow 2 Fe^{3+} _{(a q)}+2 H_2 O _{(l)} $
(d) Following the steps as in part (a), we have the oxidation half reaction as:
$ SO _{2(g)}+2 H_2 O _{(i)} \longrightarrow SO _{4(a q)}^{2-}+4 H _{(a q)}^{+}+2 e^{-} $
And the reduction half reaction as:
$ Cr_2 O _{7(a q)}^{2-}+14 H _{(a q)}^{+}+6 e^{-} \longrightarrow 2 Cr^{3+} _{(a q)}+7 H_2 O _{(l)} $
Multiplying the oxidation half reaction by 3 and then adding it to the reduction half reaction, we have the net balanced redox reaction as:
$ Cr_2 O _{7(a q)}^{2-}+3 SO _{2(g)}+2 H _{(a q)}^{+} \longrightarrow 2 Cr _{(a q)}^{3+}+3 SO _{4(a q)}^{2-}+H_2 O _{(l)} $
8.19 Balance the following equations in basic medium by ion-electron method and oxidation number methods and identify the oxidising agent and the reducing agent.
(a) $\mathrm{P_4}(\mathrm{~s})+\mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{PH_3}(\mathrm{~g})+\mathrm{HPO_2}^{-}(\mathrm{aq})$
(b) $\mathrm{N_2} \mathrm{H_4}(\mathrm{l})+\mathrm{ClO_3}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{g})$
(c) $\mathrm{Cl_2} \mathrm{O_7}$ (g) $+\mathrm{H_2} \mathrm{O_2}$ (aq) $\rightarrow \mathrm{ClO_2}^{-}$(aq) $+\mathrm{O_2}$ (g) $+\mathrm{H}^{+}$
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(a)
The O.N. (oxidation number) of $P$ decreases from 0 in $P_4$ to -3 in $PH_3$ and increases from 0 in $P_4$ to +2 in $HPO_2^{-}$. Hence, $P_4$ acts both as an oxidizing agent and a reducing agent in this reaction.
lon-electron method:
The oxidation half equation is:
$P _{4(s)} \to H_2 PO_2{ }^{-}(aq)$
The $P$ atom is balanced as:
$\stackrel{0}P _{4(s)} \to 4 H_2 \stackrel{+1}{P} O_2^{-}(aq)$
The O.N. is balanced by adding 4 electrons as:
$P _{4(s)} \to 4 H_2 PO_2{ }^{-} _{(a q)}+4 e^{-}$
The charge is balanced by adding $8 OH^{-}$ as:
$ P_{4(s)} +8OH^-_{(aq)} \to 4 H_2 PO _{2(aq)} + 4e^-$
The $O$ and $H$ atoms are already balanced.
The reduction half equation is:
$P _{4(s)} \longrightarrow PH _{3(g)}$
The $P$ atom is balanced as
$\stackrel{0}{P _{4(s)}} \longrightarrow 4 \stackrel{-3}{P^{H _{3(g)}}}$
The O.N. is balanced by adding 12 electrons as:
$ P _{4(s)}+12 e^{-} \longrightarrow 4 PH _{3(g)} $
The charge is balanced by adding $12 OH^{-}$ as:
$ P_{4(s)}+12 e^- \longrightarrow 4 PH_{3(g)}+12 OH_{(a q)} $
The $O$ and $H$ atoms are balanced by adding $12 H_2 O$ as:
$ P_{4_(s)} + 12H_2O_{(i)} + 12e^- \longrightarrow 4PH_{3_{(g)}}+ 12HO^1_{aq} $
By multiplying equation (i) with 3 and (ii) with 2 and then adding them, the balanced chemical equation can be obtained as:
$P _{4(s)}+3 OH^{-} _{(a q)}+3 H_2 O \to PH_3+3 H_2 PO_2{ }^{-} _{(a q)}$
(b)
The oxidation number of $N$ increases from $- 2$ in $N_2 H_4$ to +2 in $NO$ and the oxidation number of $Cl$ decreases from
+5 in $ClO_3^{-}$to - 1 in $Cl^{\hat{\epsilon} \epsilon^{e}}$. Hence, in this reaction, $N_2 H_4$ is the reducing agent and $ClO_3^{-}$is the oxidizing agent.
lone electron method:
The oxidation half equation is:
$ \stackrel{-2}N_2 H _{4(l)} \longrightarrow \stackrel{+2}{N} O _{(g)} $
The $N$ atoms are balanced as:
$N_2 H _{4(l)} \longrightarrow 2 NO _{(g)}$
The oxidation number is balanced by adding 8 electrons as:
$N_2 H _{4(l)} \longrightarrow 2 NO _{(g)}+8 e^{-}$
The charge is balanced by adding $8 OH^{\circledR \epsilon}$ ions as:
$N_2 H _{4(l)}+8 OH _{(a q)}^{-} \longrightarrow 2 NO _{(g)}+8 e^{-}$
The $O$ atoms are balanced by adding $6 H_2 O$ as:
$ N_2H_4(i) +8OH^{-}_{aq} \longrightarrow 2NO(g) + 6H_2O(i) + 8e^{-} $
The reduction half equation is:
The oxidation number is balanced by adding 6 electrons as:
$ClO _{3(a q)}^{-}+6 e^{-} \longrightarrow Cl _{(a q)}^{-}$
The charge is balanced by adding $6 OH^{-}$ ions as:
$ ClO _{3(a q)}^{-}+6 e^{-} \longrightarrow Cl _{(a q)}^{-}+6 OH _{(a q)}^{-} $
The $O$ atoms are balanced by adding $3 H_2 O$ as:
$ ClO^-_3aq + 3H_2O_i + 6e^- \longrightarrow Cl^-_aq + 6OH^-_aq $
The balanced equation can be obtained by multiplying equation (i) with 3 and equation (ii) with 4 and then adding them as:
$ 3 N_2 H _{4(l)}+4 ClO _{3(a g)}^{-} \longrightarrow 6 NO _{(g)}+4 Cl _{(a q)}^{-}+6 H_2 O _{(l)} $
Oxidation number method:
Total decrease in oxidation number of $N=2 \times 4=8$
Total increase in oxidation number of $Cl=1 \times 6=6$
On multiplying $N_2 H_4$ with 3 and $ClO_3^{-}$with 4 to balance the increase and decrease in O.N., we get:
$ 3 N_2 H _{4(f)}+4 ClO _{3(a q)}^{-} \longrightarrow NO _{(g)}^{-}+Cl _{(a q)}^{-} $
The $N$ and $Cl$ atoms are balanced as:
$ 3 N_2 H _{4(l)}+4 ClO _{3(a q)}^{-} \longrightarrow 6 NO _{(g)}+4 Cl _{(a q)}^{-} $
The $O$ atoms are balanced by adding $6 H_2 O$ as:
$ 3 N_2 H _{4(l)}+4 ClO _{3(a q)}^{-} \longrightarrow 6 NO _{(g)}+4 Cl _{(a q)}^{-}+6 H_2 O _{(l)} $
This is the required balanced equation.
(c)
The oxidation number of $Cl$ decreases from +7 in $Cl_2 O_7$ to +3 in $ClO_2^{-}$and the oxidation number of $O$ increases from - 1 in $H_2 O_2$ to zero in $O_2$. Hence, in this reaction, $Cl_2 O_7$ is the oxidizing agent and $H_2 O_2$ is the reducing agent.
Ion-electron method:
The oxidation half equation is:
The oxidation number is balanced by adding 2 electrons as:
$ H_2 O _{2(a q)} \longrightarrow O _{2(g)}+2 e^{-} $
The charge is balanced by adding $2 OH^{a \epsilon}$ ions as:
$ H_2 O _{2(a q)}+2 OH _{(a q)}^{-} \longrightarrow O _{2(g)}+2 e^{-} $
The oxygen atoms are balanced by adding $2 H_2 O$ as:
$$ \begin{equation*} H_2O_{2(a q)}+2 OH_{(a q)}^{-} \longrightarrow O_{2(g)}+2 H_2 O _{(J)}+2 e^{-} \tag{i} \end{equation*} $$
The reduction half equation is:
The $Cl$ atoms are balanced as:
$ Cl_2 O_{7(g)} \longrightarrow 2 ClO_{2(a q)}^{-} $
The oxidation number is balanced by adding 8 electrons as:
$ Cl_2O_{7(g)}+8 e^{-} \longrightarrow 2 ClO_{2(a q)}^{-} $
The charge is balanced by adding $6 OH^{-}$ as:
$ Cl_2 O _{7(g)}+8 e^{-} \longrightarrow 2 ClO _{2(a q)}^{-}+6 OH _{(a q)}^{-} $
The oxygen atoms are balanced by adding $3 H_2 O$ as:
$$ \begin{equation*} Cl_2 O _{7(g)}+3 H_2 O _{(l)} 8 e^{-} \longrightarrow 2 ClO _{2(a q)}^{-}+6 OH _{(a q)}^{-} \tag{ii} \end{equation*} $$
The balanced equation can be obtained by multiplying equation (i) with 4 and adding equation (ii) to it
as: $Cl_2 O _{7(g)}+4 H_2 O _{2(a q)}+2 OH _{(a q)}^{-} \longrightarrow 2 ClO _{2(a q)}^{-}+4 O _{2(g)}+5 H_2 O _{(l)}$
Oxidation number method:
Total decrease in oxidation number of $Cl_2 O_7=4 \times 2=8$
Total increase in oxidation number of $H_2 O_2=2 \times 1=2$
By multiplying $H_2 O_2$ and $O_2$ with 4 to balance the increase and decrease in the oxidation number, we get:
$ Cl_2 O _{7(g)}+4 H_2 O _{2(a q)} \longrightarrow ClO _{2(a q)}^{-}+4 O _{2(g)} $
The $Cl$ atoms are balanced as:
$ Cl_2 O _{7(g)}+4 H_2 O _{2(a q)} \longrightarrow 2 ClO _{2(a q)}^{-}+4 O _{2(g)} $
The $O$ atoms are balanced by adding $3 H_2 O$ as:
$ Cl_2 O _{7(g)}+4 H_2 O _{2(a q)} \longrightarrow 2 ClO _{2(a q)}^{-}+4 O _{2(g)}+3 H_2 O _{(\delta)} $
The $H$ atoms are balanced by adding $2 OH^{-}$ and $2 H_2 O$ as:
$ Cl_2 O _{7(g)}+4 H_2 O _{2(a q)}+2 OH _{(a q)}^{-} \longrightarrow 2 ClO _{2(a q)}^{-}+4 O _{2(g)}+5 H_2 O _{(l)} $
This is the required balanced equation.
8.20 What sorts of informations can you draw from the following reaction?
$\left(\mathrm{CN_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{CN}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{CNO}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})\right.$
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The oxidation numbers of carbon in $(CN)^{2}, CN^{-}$ and $CNO^{\hat{A}}{ }^{-1}$ are $+3,+2$ and +4 respectively. These are obtained as shown below:
Let the oxidation number of $C$ be $x$.
$(CN)_2$
$2(x$-3 $)=0$
$\therefore x=3$
$CN^{-}$
$x$ - $3= - 1$
$\therefore x=2$
$CNO^{-}$
$x - 2$ = -1
$\therefore x=4$
The oxidation number of carbon in the various species is:
$ (\stackrel{+3}{C} N) _{2(g)}+2 OH _{(a q)}^{-} \longrightarrow \stackrel{+2}{C} N _{(a q)}^{-}+\stackrel{+4}{C} NO _{(a q)}^{-}+H_2 O _{(l)} $
It can be easily observed that the same compound is being reduced and oxidised simultaneously in the given equation. Reactions in which the same compound is reduced and oxidised is known as disproportionation reactions. Thus, it can be said that the alkaline decomposition of cyanogen is an example of disproportionation reaction.
8.21 The $\mathrm{Mn}^{3+}$ ion is unstable in solution and undergoes disproportionation to give $\mathrm{Mn}^{2+}$, $\mathrm{MnO_2}$, and $\mathrm{H}^{+}$ion. Write a balanced ionic equation for the reaction.
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The given reaction can be represented as:
$ Mn _{(a q)}^{3+} \longrightarrow Mn _{(a q)}^{2+}+MnO _{2(s)}+H _{(a q)}^{+} $
The oxidation half equation is:
$ \stackrel{+3}{\quad Mn^{3+}} _{(aq)} \longrightarrow \stackrel{+4}{\quad \quad MnO _{2(s)}}$
The oxidation number is balanced by adding one electron as:
$ Mn _{(a q)}^{3+} \longrightarrow MnO _{2(s)}+e^{-} $
The charge is balanced by adding $4 H^{+}$ions as:
$ Mn _{(a q)}^{3+} \longrightarrow MnO _{2(s)}+4 H _{(a q)}^{+}+e^{-} $
The $O$ atoms and $H^{+}$ions are balanced by adding $2 H_2 O$ molecules as:
$$ \begin{equation*} Mn _{(a q)}^{3+}+2 H_2 O _{(f)} \longrightarrow MnO _{2(s)}+4 H _{(a q)}^{+}+e^{-} \tag{i} \end{equation*} $$
The reduction half equation is:
$ Mn _{(a q)}^{3+} \longrightarrow Mn _{(a q)}^{2+} $
The oxidation number is balanced by adding one electron as:
$$ \begin{equation*} Mn _{(a q)}^{3+}+e^{-} \longrightarrow Mn _{(a q)}^{2+} \tag{ii} \end{equation*} $$
The balanced chemical equation can be obtained by adding equation (i) and (ii) as:
$ 2 Mn _{(a q)}^{3+}+2 H_2 O _{(l)} \longrightarrow MnO _{2(s)}+2 Mn _{(a q)}^{2+}+4 H _{(a q)}^{+} $
8.22 Consider the elements : $\mathrm{Cs}, \mathrm{Ne}, \mathrm{I}$ and $\mathrm{F}$
(a) Identify the element that exhibits only negative oxidation state.
(b) Identify the element that exhibits only postive oxidation state.
(c) Identify the element that exhibits both positive and negative oxidation states.
(d) Identify the element which exhibits neither the negative nor does the positive oxidation state.
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(a) F exhibits only negative oxidation state of -1 . (b) Cs exhibits positive oxidation state of +1 .
(c) I exhibits both positive and negative oxidation states. It exhibits oxidation states of $-1,+1,+3,+5$, and +7 .
(d) The oxidation state of $Ne$ is zero. It exhibits neither negative nor positive oxidation states.
8.23 Chlorine is used to purify drinking water. Excess of chlorine is harmful. The excess of chlorine is removed by treating with sulphur dioxide. Present a balanced equation for this redox change taking place in water.
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The given redox reaction can be represented as:
$ Cl _{2(s)}+SO _{2(a q)}+H_2 O _{(l)} \longrightarrow Cl _{(a q)}^{-}+SO _{4(a q)}^{2-} $
The oxidation half reaction is:
$ \stackrel{+4}{S O _{2(a q)}} \longrightarrow \stackrel{+6}{S O^{2-} _{4(a q)} }$
The oxidation number is balanced by adding two electrons as:
$ SO _{2(a q)} \longrightarrow SO_4^{2-}(a q)+2 e^{-} $
The charge is balanced by adding $4 H^{+}$ions as:
$ SO _{2(a q)} \longrightarrow SO _{4(a q)}^{2-}+4 H _{(a q)}^{+}+2 e^{-} $
The $O$ atoms and $H^{+}$ions are balanced by adding $2 H_2 O$ molecules as:
$$ \begin{equation*} SO _{2(a q)}+2 H_2 O _{(j)} \longrightarrow SO _{4(a q)}^{2-}+4 H _{(a q)}^{+}+2 e^{-} \tag{i} \end{equation*} $$
The reduction half reaction is:
$ Cl _{2(s)} \longrightarrow Cl _{(a q)}^{-} $
The chlorine atoms are balanced as:
$ \stackrel{0}C _{2(s)} \longrightarrow \stackrel{-1}C _{(a q)}^{-} $
The oxidation number is balanced by adding electrons
$$ \begin{equation*} Cl _{2(s)}+2 e^{-} \longrightarrow 2 Cl _{(a q)}^{-} \tag{ii} \end{equation*} $$
The balanced chemical equation can be obtained by adding equation (i) and (ii) as:
$ Cl _{2(s)}+SO _{2(a q)}+2 H_2 O _{(f)} \longrightarrow 2 Cl _{(a q)}^{-}+SO _{4(a q)}^{2-}+4 H _{(a q)}^{+} $
8.24 Refer to the periodic table given in your book and now answer the following questions:
(a) Select the possible non metals that can show disproportionation reaction.
(b) Select three metals that can show disproportionation reaction.
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In disproportionation reactions, one of the reacting substances always contains an element that can exist in at least three oxidation states.
(a) $P, Cl$, and $S$ can show disproportionation reactions as these elements can exist in three or more oxidation states.
(b) $Mn, Cu$, and $Ga$ can show disproportionation reactions as these elements can exist in three or more oxidation states.
8.25 In Ostwald’s process for the manufacture of nitric acid, the first step involves the oxidation of ammonia gas by oxygen gas to give nitric oxide gas and steam. What is the maximum weight of nitric oxide that can be obtained starting only with 10.00 g. of ammonia and $20.00 \mathrm{~g}$ of oxygen?
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The balanced chemical equation for the given reaction is given as:
$$ \begin{matrix} 4 NH _{3(g)}+5 O _{2(g)} & 4 NO _{(g)} & +6 H_2 O _{(g)} \\ 4 \times 17 g & 5 \times 32 g & 4 \times 30 g \quad 6 \times 18 g \\ =68 g \quad=160 g & =120 g \quad=108 g \end{matrix} $$
Thus, $68 g$ of $NH_3$ reacts with $160 g$ of $O_2$.
Therefore, $10 g$ of $NH_3$ reacts with $\frac{160 \times 10}{68} g$ of $O_2$, or $23.53 g$ of $O_2$.
But the available amount of $O_2$ is $20 g$.
Therefore, $O_2$ is the limiting reagent (we have considered the amount of $O_2$ to calculate the weight of nitric oxide obtained in the reaction).
Now, $160 g$ of $O_2$ gives $120 g$ of $NO$.
Therefore, $20 g$ of $O_2$ gives $\frac{120 \times 20}{160} g$ of $N$, or $15 g$ of $NO$.
Hence, a maximum of $15 g$ of nitric oxide can be obtained.
8.26 Using the standard electrode potentials given in the Table 8.1, predict if the reaction between the following is feasible:
(a) $\mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})$ and $\mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq})$
(b) $\mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{aq})$ and $\mathrm{Cu}(\mathrm{s})$
(c) $\mathrm{Fe}^{3+}$ (aq) and $\mathrm{Cu}(\mathrm{s})$
(d) $\mathrm{Ag}(\mathrm{s})$ and $\mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})$
(e) $\mathrm{Br_2}$ (aq) and $\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})$.
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(a) The possible reaction between $Fe _{(a q)}^{3+}+I _{(a q)}^{-}$. is given by,
$2 Fe _{(a q)}^{3+}+2 I _{(a q)}^{-} \longrightarrow 2 Fe _{(a q)}^{2+}+I _{2(s)}$
Oxidation half equation : $\quad 2 I _{(x q)}^{-} \longrightarrow I _{2(s)}+2 e^{-} ; \quad E^{\circ}=-0.54 V$
Reduction half equation : $[Fe _{(cq)}^{3+}+e^{-} \longrightarrow Fe _{(cq)}^{2+}] \times 2 ; \quad E^{\circ}=+0.77 V$
$ 2 Fe _{(a q)}^{3+}+2 I _{(a q)}^{-} \longrightarrow 2 Fe _{(a q)}^{2+}+I _{2(s)} ; E^{\circ}=+0.23 V $
$E^{\circ}$ for the overall reaction is positive. Thus, the reaction between $Fe _{(a q)}^{3+}$ and $I _{(a q)}^{-}$is feasible.
(b) The possible reaction between $Ag _{(a q)}^{+}+Cu _{(s)}$ is given by,
$ 2 Ag _{(a q)}^{+}+Cu _{(s)} \longrightarrow 2 Ag _{(s)}+Cu _{(a q)}^{2+} $
Oxidation half equation : $\quad Cu _{(s)} \longrightarrow Cu _{(\text{aq })}^{2+}+2 e^{-} \quad ; E^{\circ}=-0.34 V$
$ \frac{\text{ Reduction half equation : }[Ag _{(a q)}^{+}+e^{-} \longrightarrow Ag _{(s)}] \times 2 \quad ; E^{\circ}=+0.80 V}{2 Ag _{(a q)}^{+}+Cu _{(s)} \longrightarrow 2 Ag _{(s)}+Cu^{2+} ; E^{\circ}=+0.46 V} $
$E^{\circ}$ positive for the overall reaction is positive. Hence, the reaction between $Ag _{(a q)}^{+}$and $Cu _{(s)}$ is feasible.
(c) The possible reaction between $Fe _{(a q)}^{3+}$ and $Cu _{(s)}$ is given by,
$ 2 Fe _{(a q)}^{3+}+Cu _{(s)} \longrightarrow 2 Fe _{(x)}^{2+}+Cu _{(a q)}^{2+} $
Oxidation half equation: $\quad Cu _{(s)} \longrightarrow Cu _{(a q)}^{2+}+2 e^{-} \quad ; E^{\circ}=-0.34 V$
Reduction half equation : $[Fe _{(\alpha q)}^{3+}+e^{-} \longrightarrow Fe _{(s)}^{2+}] \times 2 \quad ; E^{\circ}=+0.77 V$
$ 2 Fe _{(a q)}^{3+}+Cu _{(s)} \longrightarrow 2 Fe _{(s)}^{2+}+Cu _{(a q)}^{2+} ; E^{\circ}=+0.43 V $
$E^{\circ}$ positive for the overall reaction is positive. Hence, the reaction between $Fe _{(a q)}^{3+}$ and $Cu _{(s)}$ is feasible.
(d) The possible reaction between $Ag _{(s)}$ and $Fe _{(a q)}^{3+}$ is given by, $Ag _{(s)}+2 Fe _{(a q)}^{3+} \longrightarrow Ag _{(a q)}^{+}+Fe _{(a q)}^{2+}$
Oxidation half equation: $\quad Ag _{(x)} \longrightarrow Ag _{(a g)}^{+}+e^{-} \quad ; E^{\circ}=-0.80 V$
Reduction half equation : $Fe _{(a q)}^{3+}+e^{-} \longrightarrow Fe _{(a q)}^{2+} \quad ; E^{\circ}=+0.77 V$ $Ag _{(s)}+Fe _{(a q)}^{3+} \longrightarrow Ag _{(a q)}^{+}+Fe _{(a q)}^{2+} ; E^{\circ}=-0.03 V$
Here, $E^{\circ}$ for the overall reaction is negative. Hence, the reaction between $Ag _{(s)}$ and $Fe _{(a q)}^{3+}$ is not feasible.
(e) The possible reaction between $Br _{2(a q)}$ and $Fe _{(a q)}^{2+}$ is given by,
$Br _{2(s)}+2 Fe _{(a q)}^{2+} \longrightarrow 2 Br _{(a q)}^{-}+2 Fe _{(a q)}^{3+}$
Oxidation half equation : $.\quad Fe _{(a q)}^{2+} \longrightarrow Fe _{(a q)}^{3+}+e^{-}] \times 2 \quad ; E^{\circ}=-0.77 V$
Reduction half equation: $Br _{2(a q)}+2 e^{-} \longrightarrow 2 Br _{(a q)}^{-} \quad ; E^{\circ}=+1.09 V$
$ Br _{2(a q)}+2 Fe _{(a q)}^{2+} \longrightarrow 2 Br _{(a q)}^{-}+2 Fe _{(a q)}^{3+} ; E^{\circ}=-0.32 V $
Here, $E^{\circ}$ for the overall reaction is positive. Hence, the reaction between $Br _{2(a q)}$ and $Fe _{(a q)}^{2+}$ is feasible.
8.27 Predict the products of electrolysis in each of the following:
(i) An aqueous solution of $\mathrm{AgNO_3}$ with silver electrodes
(ii) An aqueous solution $\mathrm{AgNO_3}$ with platinum electrodes
(iii) A dilute solution of $\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}$ with platinum electrodes
(iv) An aqueous solution of $\mathrm{CuCl_2}$ with platinum electrodes.
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Answer
(i) $AgNO_3$ ionizes in aqueous solutions to form $Ag^{+}$and $NO_3^{-}$ions.
On electrolysis, either $Ag^{+}$ions or $H_2 O$ molecules can be reduced at the cathode. But the reduction potential of $Ag^{+}$ions is higher than that of $H_2 O$.
$$ \begin{aligned} & Ag _{(o q)}^{+}+e^{-} \longrightarrow Ag _{(s)} ; E^{\circ}=+0.80 V \\ & 2 H_2 O _{(t)}+2 e^{-} \longrightarrow H _{2(g)}+2 OH _{(a q)}^{-} ; E^{\circ}=-0.83 V \end{aligned} $$
Hence, $Ag^{+}$ions are reduced at the cathode. Similarly, $Ag$ metal or $H_2 O$ molecules can be oxidized at the anode. But the oxidation potential of $Ag$ is higher than that of $H_2 O$ molecules.
$$ \begin{aligned} Ag _{(s)} & \longrightarrow Ag _{(a q)}^{+}+e^{-} \quad ; E^{\circ}=-0.80 V \\ 2 H_2 O _{(l)} & \longrightarrow O _{2(g)}+4 H _{(a q)}^{+}+4 e^{-} ; E^{\circ}=-1.23 V \end{aligned} $$
Therefore, Ag metal gets oxidized at the anode.
(ii) Pt cannot be oxidized easily. Hence, at the anode, oxidation of water occurs to liberate $O_2$. At the cathode, $Ag^{+}$ions are reduced and get deposited.
(iii) $H_2 SO_4$ ionizes in aqueous solutions to give $H^{+}$and $SO_4^{2-}$ ions.
$ H_2 SO _{4(a q)} \longrightarrow 2 H _{(a q)}^{+}+SO_4^{2-} _{(a q)} $
On electrolysis, either of $H^{+}$ions or $H_2 O$ molecules can get reduced at the cathode. But the reduction potential of $H^{+}$ions is higher than that of $H_2 O$ molecules.
$$ \begin{aligned} & 2 H _{(x q)}^{+}+2 e^{-} \longrightarrow H _{2(g)} ; E^{\circ}=0.0 V \\ & 2 H_2 O _{(a q)}+2 e^{-} \longrightarrow H _{2(g)}+2 OH _{(a q)}^{-} ; E^{\circ}=-0.83 V \end{aligned} $$
Hence, at the cathode, $H^{+}$ions are reduced to liberate $H_2$ gas.
On the other hand, at the anode, either of $SO_4^{2-}$ ions or $H_2 O$ molecules can get oxidized. But the oxidation of $SO_4^{2-}$ involves breaking of more bonds than that of $H_2 O$ molecules. Hence, $SO_4^{2-}$ ions have a lower oxidation potential than $H_2 O$. Thus, $H_2 O$ is oxidized at the anode to liberate $O_2$ molecules.
(iv) In aqueous solutions, $CuCl_2$ ionizes to give $Cu^{2+}$ and $Cl^{1 e^{E}}$ ions as:
$ CuCl _{2(a q)} \longrightarrow Cu _{(a q)}^{2+}+2 Cl _{(a q)}^{-} $
On electrolysis, either of $Cu^{2+}$ ions or $H_2 O$ molecules can get reduced at the cathode. But the reduction potential of $Cu^{2+}$ is more than that of $H_2 O$ molecules.
$$ \begin{aligned} & Cu _{(a q)}^{2+}+2 e^{-} \longrightarrow Cu _{(a q)} ; E^{\circ}=+0.34 V \\ & H_2 O _{(l)}+2 e^{-} \longrightarrow H _{2(g)}+2 OH^{-} ; E^{\circ}=-0.83 V \end{aligned} $$
Hence, $Cu^{2+}$ ions are reduced at the cathode and get deposited.
Similarly, at the anode, either of $Cl^{-}$ or $H_2 O$ is oxidized. The oxidation potential of $H_2 O$ is higher than that of $Cl^{-}$.
$$ \begin{aligned} & 2 Cl _{(a q)}^{-} \longrightarrow Cl _{2(g)}+2 e^{-} \quad ; E^{\circ}=-1.36 V \\ & 2 H_2 O _{(l)} \longrightarrow O _{2(g)}+4 H _{(a q)}^{+}+4 e^{-} ; E^{\circ}=-1.23 V \end{aligned} $$
But oxidation of $H_2 O$ molecules occurs at a lower electrode potential than that of $Cl^{{-}}$ions because of over-voltage (extra voltage required to liberate gas). As a result, $Cl^{-}$ ions are oxidized at the anode to liberate $Cl_2$ gas.
8.28 Arrange the following metals in the order in which they displace each other from the solution of their salts.
$\mathrm{Al}, \mathrm{Cu}, \mathrm{Fe}, \mathrm{Mg}$ and $\mathrm{Zn}$.
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A metal of stronger reducing power displaces another metal of weaker reducing power from its solution of salt.
The order of the increasing reducing power of the given metals is $Cu<Fe<Zn<Al<Mg$.
Hence, we can say that $Mg$ can displace $Al$ from its salt solution, but $Al$ cannot displace $Mg$.
Thus, the order in which the given metals displace each other from the solution of their salts is given below:
$Mg>Al>Zn>Fe,>Cu$
8.29 Given the standard electrode potentials,
$\mathrm{K}^{+} / \mathrm{K}=-2.93 \mathrm{~V}, \mathrm{Ag}^{+} / \mathrm{Ag}=0.80 \mathrm{~V}$,
$\mathrm{Hg}^{2+} / \mathrm{Hg}=0.79 \mathrm{~V}$
$\mathrm{Mg}^{2+} / \mathrm{Mg}=-2.37 \mathrm{~V} . \mathrm{Cr}^{3+} / \mathrm{Cr}=-0.74 \mathrm{~V}$
arrange these metals in their increasing order of reducing power.
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Answer
The lower the electrode potential, the stronger is the reducing agent. Therefore, the increasing order of the reducing power of the given metals is $Ag<Hg<Cr<Mg<K$.
8.30 Depict the galvanic cell in which the reaction $\mathrm{Zn}(\mathrm{s})+2 \mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})$ takes place, Further show:
(i) which of the electrode is negatively charged,
(ii) the carriers of the current in the cell, and
(iii) individual reaction at each electrode.
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Answer
The galvanic cell corresponding to the given redox reaction can be represented as:
$Zn|Zn _{(a q)}^{2+} | Ag _{(a q)}^{+}| Ag$
(i) $Zn$ electrode is negatively charged because at this electrode, $Zn$ oxidizes to $Zn^{2+}$ and the leaving electrons accumulate on this electrode.
(ii) Ions are the carriers of current in the cell.
(iii) The reaction taking place at $Zn$ electrode can be represented as:
$ Zn _{(s)} \longrightarrow Zn _{(a q)}^{2+}+2 e^{-} $
And the reaction taking place at $Ag$ electrode can be represented as:
$Ag _{(a q)}^{+}+e^{-} \longrightarrow Ag _{(s)}$
“जहाँ आक्स्तीकरण है, वहाँ सदैव अपचयन होता है। रसायन विज्ञान अपचयोपचन प्रक्रमों के अध्ययन का विज्ञान है।”
विभिन्न पदार्थी का तथा दूसरे पदार्थो में उनके परिवर्तन का अध्ययन रसायन शास्व कहलाता है। ये परिवर्तन विभिन्न अभिक्रियाओं द्वारा होते हैं। अपचयोपचय अभिक्रियाएँ इनका एक महत्त्वपूर्ण समूह है। अनेक भौतिक तथा जैविक परिघटनाएँ अपचयोपचय अभिक्रियायों से संबंधित हैं। इनका उपयोग औषधि विज्ञान, जीव विज्ञान, औद्योगिक क्षेत्र, धातुनिर्माण क्षेत्र तथा कृषि विज्ञान क्षेत्र में होता है। इनका महत्त्व इस बात से स्पष्ट है कि इनका प्रयोग निम्नलिखित क्षेत्रों में अपचयोपचय अभिक्रियाओं में, जैसे-घरेलू, यातायात तथा ब्यावसायिक क्षेत्रों में अनेक प्रकार के ईंन के ज्वलन से ऊर्जा प्राप्त करने के लिए; विद्युत् रासायनिक प्रक्रमों आदि में; अति क्रियाशील धातुओं तथा अधातुओं के निष्कर्षण, धातु-संक्षारण, रासायनिक यौगिकों (जैसे-क्लोरीन तथा कास्टिक सोडा) के निर्माण में तथा शुष्क एवं गीली बैटरियों के चालन में होता है। आजकल हाइड्रोजन मितव्ययिता (द्रव हाइड्रोजन का उपयोग ईंधन के रूप में) तथा ओज्ञोन छिद्र जैसे वातावरणी विषयों में भी अपचयोपचय अभिक्रियाएँ दिखती हैं।
7.1 अपचयोपचय अभिक्रियाएँ
मूल रूप से ऑक्सीकरण शब्द का प्रयोग तत्वों तथा यौगिकों के ऑक्सीजन से संयोग के लिए होता था। वायुमंडल में लगभग 20 प्रतिशत डाइऑक्सीजन की उपस्थिति के कारण बहुत से तत्व इससे संयोग कर लेते हैं। यही कारण है कि पृथ्वी पर तत्व सामान्य रूप से ऑक्साइड रूप में ही पाए जाते हैं। आंक्सीकरण की इस सीमित परिभाषा के अंतर्गत निम्नलिखित अभिक्रियाओं को दर्शाया जा सकता है-
$$2 \mathrm{Mg}(\mathrm{s})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{MgO}(\mathrm{s}) \tag{7.1}$$
$$\mathrm{S}(\mathrm{s})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{SO_2}(\mathrm{~g}) \tag{7.2}$$
अभिक्रिया 7.1 तथा 7.2 में मैग्नीशियम और सल्फर तत्त्वों का ऑक्सीजन से मिलकर ऑक्सीकरण हो जाता है। समान रूप से ऑक्सीजन से संयोग के कारण मेथैन का ऑक्सीकरण हो जाता है।
$$\mathrm{CH} _{4}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{CO} _{2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \tag{7.3}$$
यदि ध्यान से देखें, तो अभिक्रिया 7.3 में मेथैन में हाइड्रोजन के स्थान पर ऑक्सीजन आ गया है। इससे रसायनशास्त्रियों को प्रेरणा मिली कि हाइड्रोजन के निष्कासन को ‘ऑक्सीकरण’ कहा जाए। इस प्रकार ऑक्सीकरण पद को विस्तृत करके पदार्थ से हाइड्रोजन के निष्कासन को भी ‘ऑक्सीकरण’ कहते हैं। निम्नलिखित अभिक्रिया में भी हाइड्रोजन का निष्कासन ऑक्सीकरण का उदाहरण है-
$$ \begin{equation*} 2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{~S}(\mathrm{~g})+\mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{~S}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \tag{7.4} \end{equation*} $$
रसायनशास्त्रियों के ज्ञान में जैसे-जैसे वृद्धि हुई, वैसे-वैसे उन अभिक्रियाओं, जिनमें 7.1 से 7.4 की भाँति ऑक्सीजन के अलावा अन्य ऋणविद्युती तत्त्वों का समावेश होता है, को वे ‘ऑक्सीकरण’ कहने लगे। मैग्नीशियम का ऑक्सीकरण फ्लुओरीन, क्लोरीन तथा सल्फर द्वारा निम्नलिखित अभिक्रियाओं में दर्शाया गया है-
$$\operatorname{Mg}(\mathrm{s})+\mathrm{F_2} (\mathrm{~g}) \rightarrow \operatorname{MgF_2} (s) \tag{7.5}$$
$$\mathrm{Mg}(\mathrm{s})+\mathrm{Cl_2} (g) \rightarrow \mathrm{MgCl_2} (s) \tag{7.6}$$
$$\mathrm{Mg}(\mathrm{s})+\mathrm{S} (s) \rightarrow \operatorname{MgS}(\mathrm{s}) \tag{7.7}$$
7.5 से 7.7 तक की अभिक्रियाएँ ऑक्सीकरण अभिक्रिया समूह में शामिल करने पर रसायनशास्त्रियों को प्रेरित किया कि वे हाइड्रोजन जैसे अन्य धनविद्युती तत्त्वों के निष्कासन को भी ‘ऑक्सीकरण’ कहने लगे। इस प्रकार अभिक्रिया-
$$ 2 \mathrm{~K} _{4}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right] (aq) +\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} _{2}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{~K} _{3}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right] (aq) +2 \mathrm{KOH}(\mathrm{aq}) $$
को धनविद्युती तत्त्व $\mathrm{K}$ के निष्कासन के कारण ‘पोटैशियम फैरोसाइनाइड का ऑक्सीकरण’ कह सकते हैं। सारांश में ऑक्सीकरण पद की परिभाषा इस प्रकार है- किसी पदार्थ में ऑक्सीजन / ऋणविद्युती तत्त्व का समावेश या हाइड्रोजन / धनविद्युती तत्त्व का निष्कासन ऑक्सीकरण कहलाता है।
पहले किसी यौगिक से ऑक्सीजन का निष्कासन अपचयन माना जाता था, लेकिन आजकल अपचयन पद को विस्तृत करके पदार्थ से ऑक्सीजन / ऋणविद्युती तत्त्व के निष्कासन को या हाइड्रोजन / धनविद्युती तत्त्व के समावेश को अपचयन कहते हैं।
उपरोक्त परिभाषा के अनुसार निम्नलिखित अभिक्रिया अपचयन प्रक्रम का उदाहरण है-
$$2 \mathrm{HgO}(\mathrm{s}) \xrightarrow{\Delta} 2 \mathrm{Hg}(\mathrm{l})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \tag{7.8}$$
(मरक्यूरिक ऑक्साइड से ऑक्सीजन का निष्कासन)
$$2 \mathrm{FeCl_3}(\mathrm{aq})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{FeCl_2}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{HCl}(\mathrm{aq}) \tag{7.9}$$
(विद्युत्ऋणी तत्त्व क्लोरीन का फेरिक क्लोराइड से निष्काषन)
$$\mathrm{CH_2}=\mathrm{CH_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{H_3} \mathrm{C}-\mathrm{CH_3}(\mathrm{~g})\tag{7.10}$$
(हाइड्रोजन का योग)
$$2 \mathrm{HgCl_2}(\mathrm{aq})+\mathrm{SnCl_2}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Hg_2} \mathrm{Cl_2}(\mathrm{~s})+\mathrm{SnCl_4}(\mathrm{aq})\tag{7.11}$$
(मरक्युरिक क्लोराइड से योग)
क्योंकि अभिक्रिया 7.11 में स्टैनसक्लोराइड में वैद्युत ॠणी तत्त्व क्लोरीन का योग हो रहा है, इसलिए साथ-साथ स्टैनिक क्लोराइड के रूप में इसका ऑक्सीकरण भी हो रहा है। उपरोक्त सभी अभिक्रियाओं को ध्यान से देखने पर शीघ्र ही इस बात का आभास हो जाता है कि ऑक्सीकरण तथा अपचयन हमेशा साथ-साथ घटित होते हैं। इसीलिए इनके लिए अपचयोपचय शब्द दिया गया।
उदाहरण 7.1
नीचे दी गई अभिक्रियाओं में पहचानिए कि किसका ऑक्सीकरण हो रहा है और किसका अपचयन-
(i) $\mathrm{H} _{2} \mathrm{~S}$ (g) $+\mathrm{Cl} _{2}$ (g) $\rightarrow 2 \mathrm{HCl}$ (g) $+\mathrm{S}$ (s)
(ii) $3 \mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}$ (s)+ (s) $8 \mathrm{Al}$ (s) $\rightarrow 9 \mathrm{Fe}$ (s) $ +4 \mathrm{Al} _{2} \mathrm{O} _{3}(\mathrm{~s}) $
(iii) $2 \mathrm{Na}$ (s) $+\mathrm{H} _{2}$ (g) $\rightarrow 2 \mathrm{NaH}$ (s)
हल
(i) $\mathrm{H} _{2} \mathrm{~S}$ का ऑक्सीकरण हो रहा है, क्योंकि हाइड्रोजन से ऋणविद्युती तत्त्व क्लोरीन का संयोग हो रहा है या धनविद्युती तत्त्व हाइड्रोजन का सल्फर से निष्कासन हो रहा है। हाइड्रोजन के संयोग के कारण क्लोरीन का अपचयन हो रहा है।
(ii) ऑक्सीजन के संयोग के कारण ऐलुमीनियम का ऑक्सीकरण हो रहा है। ऑक्सीजन के निष्कासन के कारण फैरस फैरिक ऑक्साइड $\left(\mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}\right)$ का अपचयन हो रहा है।
(iii) विद्युत्ऋणता की अवधारणा के सावधानीपूर्वक अनुप्रयोग से हम यह निष्कर्ष निकालते हैं कि सोडियम ऑक्सीकृत तथा हाइड्रोजन अपचयित होता है।
अभिक्रिया (iii) का चयन यहाँ इसलिए किया गया है, ताकि हम अपचयोपचय अभिक्रियाओं को अलग तरह से परिभाषित कर सकें।
7.2 इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण अभिक्रियाओं के रूप में अपचयोपचय अभिक्रियाएँ
हम यह जान चुके हैं कि निम्नलिखित सभी अभिक्रियाओं में या तो ऑक्सीजन या अधिक ऋणविद्युती तत्त्व के संयोग के कारण सोडियम का ऑक्सीकरण हो रहा है;
$$2 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{NaCl}(\mathrm{s})\tag{7.12}$$
$$4 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{Na_2} \mathrm{O}(\mathrm{s})\tag{7.13}$$
$$2 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{S}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{Na_2} \mathrm{~S}(\mathrm{~s}) \tag{7.14}$$
साथ-साथ क्लोरीन, ऑक्सीजन तथा सल्फर का अपचयन भी हो रहा है, क्योंकि इन तत्त्वों से धनविद्युती तत्त्व सोडियम का संयोग हो रहा है - रासायनिक आबंध के नियमों के आधार पर सोडियम क्लोराइड, सोडियम ऑक्साइड तथा सोडियम सल्फाइड हमें आयनिक यौगिकों के रूप में विदित हैं। इन्हें $\mathrm{Na}^{+} \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{s})$, $\left(\mathrm{Na}^{+}\right) _{2} \mathrm{O}^{2-}(\mathrm{s})$ तथा $\left(\mathrm{Na}^{+}\right) _{2} \mathrm{~S}^{2-}(\mathrm{s})$ के रूप में लिखना ज्यादा उचित होगा। विद्युत् आवेश उत्पन्न होने के कारण 7.12 से 7.14 तक की अभिक्रियाओं को हम यों लिख सकते हैं-
सुविधा के लिए उपरोक्त अभिक्रियाओं को दो चरणों में लिखा जा सकता है। एक में इलेक्ट्रॉनों का निष्कासन तथा दूसरे में इलेक्ट्रॉनों की प्राप्ति होती है। दृष्टांत रूप में सोडियम क्लोराइड के संभवन को अधिक परिष्कृत रूप में इस प्रकार भी लिख सकते हैं-
$2 \mathrm{Na}(\mathrm{s}) \rightarrow 2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{g})+2 \mathrm{e}^{-}$
$\mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 2 \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{g})$
उपरोक्त दोनों चरणों को ‘अर्द्ध अभिक्रिया’ कहते हैं, जिनमें इलेक्ट्रॉनों की अभिलिप्तता साफ-साफ दिखाई देती है। दो अर्द्धक्रियाओं को जोड़ने से एक पूर्ण अभिक्रिया प्राप्त होती है-
$2 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{Na}^{+} \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{s})$ or $2 \mathrm{NaCl}(\mathrm{s})$
7.12 से 7.14 तक की अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉन निष्कासन वाली अर्द्धअभिक्रियाओं को ‘ऑक्सीकरण अभिक्रिया’ तथा इलेक्ट्रॉन ग्रहण करनेवाली अर्द्धअभिक्रिया को ‘अपचयन अभिक्रिया’ कहते हैं। यहाँ यह बताना प्रासंगिक होगा कि स्पीशीज़ के आपसी व्यवहार की पारंपरिक अवधारणा तथा इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के परस्पर मिलाने से ही ऑक्सीकरण और अपचयन की नई परिभाषा प्राप्त हुई है। 7.12 से 7.14 तक की अभिक्रियाओं में सोडियम, जिसका ऑक्सीकरण होता है, अपचायक के रूप में कार्य करता है, क्योंकि यह क्रिया करनेवाले प्रत्येक तत्त्व को इलेक्ट्रॉन देकर अपचयन में सहायता देता है। क्लोरीन, ऑक्सीजन तथा सल्फर अपचयित हो रहे हैं और ऑक्सीकारक का कार्य करते हैं, क्योंकि ये सोडियम द्वारा दिए गए इलेक्ट्रॉन स्वीकार करते हैं। सारांश रूप में हम यह कह सकते हैं-
ऑक्सीकरण : किसी स्पीशीज़ द्वारा इलेक्ट्रॉन का निष्कासन
अपचयन : किसी स्पीशीज़ द्वारा इलेक्ट्रॉन की प्राप्ति
ऑक्सीकारक: इलेक्ट्रॉनग्राही अभिकारक
अपचायक : इलेक्ट्रॉनदाता अभिकारक
उदाहरण 7.2
निम्नलिखित अभिक्रिया एक अपचयोपचय अभिक्रिया है, औचित्य बताइए- $2 \mathrm{Na}(\mathrm{s})+\mathrm{H_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{NaH}$
हल
क्योंकि उपरोक्त अभिक्रिया में बननेवाला यौगिक एक आयनिक पदार्थ है, जिसे $\mathrm{Na}^{+} \mathrm{H}^{-}$से प्रदर्शित किया जा सकता है, अतः इसकी अर्द्धअभिक्रिया इस प्रकार होगी
$2 \mathrm{Na}(\mathrm{s}) \rightarrow 2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{g})+2 \mathrm{e}^{-}$
तथा दूसरी
$\mathrm{H} _{2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 2 \mathrm{H}^{-}(\mathrm{g})$
इस अभिक्रिया का दो अर्द्धअभिक्रियाओं में विभाजन, सोडियम के ऑक्सीकरण तथा हाइड्रोजन के अपचयन का प्रदर्शन करता है। इस पूरी अभिक्रिया को अपचयोपचय अभिक्रिया कहते हैं।
7.2.1 प्रतियोगी इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण अभिक्रियाएँ
जैसा चित्र 7.1 में दर्शाया गया है, ज़िक धातु की एक पट्टी को एक घंटे के लिए कॉपर नाइट्रेट के जलीय विलयन में रखा गया है। आप देखेंगे कि धातु की पट्टी पर कॉपर धातु की लाल रंग की परत जम जाती है तथा विलयन का नीला रंग गायब हो जाता है। ज़िक आयन $\mathrm{Zn}^{2+}$ का उत्पाद के रूप में बनना $\mathrm{Cu}^{2+}$ के रंग के विलुप्त होने से लिया जा सकता है। यदि $\mathrm{Zn}^{2+}$ वाले रंगहीन घोल में हाइड्रोजन सल्फाइड गैस गुजारें, तो ज़िंक सल्फाइड $\mathrm{ZnS}$ अवक्षेप का सफेद रंग अमोनिया द्वारा विलयन को क्षारीय करके देखा जा सकता है।
ज़िंक धातु तथा कॉपर नाइट्रेट के जलीय घोल के बीच होनेवाली अभिक्रिया निम्नलिखित है-
$\mathrm{Zn}(\mathrm{s})+\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cu}(\mathrm{s})$
अभिक्रिया 7.15 में ज़िंक से इलेक्ट्रॉनों के निष्कासन से $\mathrm{Zn}^{2+}$ बनता है। इसलिए ज़िक का ऑक्सीकरण होता है। स्पष्ट है कि इलेक्ट्रॉनों के निष्कासन से ज़िंक का ऑक्सीकरण हो रहा है, तो किसी वस्तु का इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करने से अपचयन भी हो रहा है। ज़िंक द्वारा दिए गए इलेक्ट्रॉनों की प्राप्ति से कॉपर आयन अपचयित हो रहा है।
अभिक्रिया 7.15 को हम इस प्रकार दुबारा लिख सकते हैं-
अब हम समीकरण 7.15 द्वारा दर्शाई गई अभिक्रिया की साम्यावस्था का अध्ययन करेंगे। इसके लिए हम कॉपर धातु की पट्टी को ज़िक सल्फेट के घोल में डुबोकर रखते हैं। कोई भी प्रतिक्रिया दिखलाई नहीं देती और न ही $\mathrm{Cu}^{2+}$ का वह परीक्षण सफल होता है, जिसमें विलयन में $\mathrm{H} _{2} \mathrm{~S}$ गैस प्रवाहित करने पर क्युपरिक सल्फाइड $\mathrm{CuS}$ अवक्षेप का काला रंग मिलता है। यह परीक्षण बहुत संवेदनशील है, परंतु फिर भी $\mathrm{Cu}^{2+}$ आयन का बनना नहीं देखा जा सकता है। इससे हम यह निष्कर्ष निकालते हैं कि अभिक्रिया 7.15 की साम्यावस्था की अनुकूलता उत्पादों की ओर है।
आइए, अब हम कॉपर धातु तथा सिल्वर नाइट्रेट के जलीय विलयन के बीच होनेवाली अभिक्रिया को चित्र 7.2 में दर्शाई गई व्यवस्था के अनुसार घटित करें। आयन बनने के कारण घोल का रंग नीला हो जाता है, जो निम्नलिखित अभिक्रिया के कारण है-
यहाँ $\mathrm{Cu}(\mathrm{s})$ का $\mathrm{Cu}^{2+}$ में ऑक्सीकरण होता है तथा $\mathrm{Ag}^{+}$ का $\mathrm{Ag}(\mathrm{s})$ में अपचयन हो रहा है। साम्यावस्था $\mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})$ तथा $\mathrm{Ag}(\mathrm{s})$ उत्पादों की दिशा में बहुत अनुकूल है।
विषमता के तौर पर निकैल सल्फेट के घोल में रखी गई कोबाल्ट धातु के बीच अभिक्रिया का तुलनात्मक अध्ययन करें। यहाँ निम्नलिखित अभिक्रिया घटित हो रही है-
चित्र 7.1 बीकर में रखे कॉपर नाइट्रेट तथा ज़िंक के बीच होनेवाली अपचयोपचय अभिक्रिया
चित्र 7.2 एक बीकर में कॉपर धातु व सिल्वर नाइट्रेट के जलीय विलयन के बीच होने वाली अपचयोपचय अभिक्रिया
रासायनिक परीक्षणों से यह विदित होता है कि साम्यावस्था की स्थिति में $\mathrm{Ni}^{2+}(\mathrm{aq})$ व $\mathrm{Co}^{2+}(\mathrm{aq})$ दोनों की सांद्रता मध्यम होती है। यह परिस्थिति न तो अभिकारकों ( $\mathrm{Co}(\mathrm{s})$, न $\mathrm{Ni}^{2+}$ $(\mathrm{aq}))$, न ही उत्पादों $\left(\mathrm{Co}^{2+}(\mathrm{aq})\right.$ और न $\left.\mathrm{Ni}(\mathrm{s})\right)$ के पक्ष में है।
इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने के लिए यह प्रतियोगिता प्रसंगवश हमें अम्लों के बीच होनेवाली प्रोटॉन निष्कासन की प्रतियोगिता की याद दिलाती है। इस समरूपता के अनुसार इलेक्ट्रॉन निष्कासन की प्रवृत्ति पर आधारित धातुओं तथा उनके आयनों की एक सूची उसी प्रकार तैयार कर सकते हैं, जिस प्रकार अम्लों की प्रबलता की सूची तैयार की जाती है। वास्तव में हमने कुछ तुलनाएँ भी की हैं। हम यह जान गए हैं कि ज़िक कॉपर को तथा कॉपर सिल्वर को इलेक्ट्रॉन देता है। इसलिए इलेक्ट्रॉन निष्कासन-क्षमता का क्रम $\mathrm{Zn}>\mathrm{Cu}>\mathrm{Ag}$ हुआ। हम इस क्रम को विस्तृत करना चाहेंगे, ताकि धातु सक्रियता सीरीज़ अथवा विद्युत् रासायनिक सीरीज़ बना सकें। विभिन्न धातुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों की प्रतियोगिता की सहायता से हम ऐसे सेल बना सकते हैं, जो विद्युत् ऊर्जा का स्रोत हों। इन सेलों को ‘गैलवेनिक सेल’ कहते हैं। इनके बारे में हम अगली कक्षा में विस्तार से पढ़ेंगे।
7.3 ऑक्सीकरण-संख्या
निम्नलिखित अभिक्रिया, जिसमें हाइड्रोजन ऑक्सीजन से संयोजन करके जल बनाता है, इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण का एक अल्पविदित उदाहरण है-
$$2 \mathrm{H_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})\tag{7.18}$$
यद्यपि यह एक सरल तरीका तो नहीं है, फिर भी हम यह सोच सकते हैं कि $\mathrm{H} _{2}$ अणु में $\mathrm{H}$ परमाणु उदासीन (शून्य) स्थिति से $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ में धन् स्थिति प्राप्त करता है। ऑक्सीजन परमाणु $\mathrm{O} _{2}$ में शून्य स्थिति से द्विऋणी स्थिति प्राप्त करते हैं। यह माना गया है कि $\mathrm{H}$ से $\mathrm{O}$ की ओर इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित हो गया है। परिणामस्वरूप $\mathrm{H} _{2}$ का ऑक्सीकरण तथा $\mathrm{O} _{2}$ का अपचयन हो गया है। बाद में हम यह पाएँगे कि यह आवेश स्थानांतरण आंशिक रूप से ही होता है।
यह बेहतर होगा कि इसे इलेक्ट्रॉन विस्थापन (शिफ्ट) से दर्शाया जाए, न कि $\mathrm{H}$ द्वारा इलेक्ट्रॉन निष्कासन तथा $O$ द्वारा इलेक्ट्रॉन की प्राप्ति। यहाँ समीकरण 7.18 के बारे में जो कुछ कहा गया है, वही अन्य सहसंयोजक यौगिकों वाली अन्य अभिक्रियाओं के बारे में कहा जा सकता है। इनके दो उदाहरण हैं-
$$\mathrm{H_2}(\mathrm{~s})+\mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{HCl}(\mathrm{g})\tag{7.19}$$
और
$$\mathrm{CH_4}(\mathrm{~g})+4 \mathrm{Cl_2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{CCl_4}(\mathrm{l})+4 \mathrm{HCl}(\mathrm{g})\tag{7.20}$$
सहसंयोजक यौगिकों के उत्पाद की अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉन विस्थापन को ध्यान में रखकर ऑक्सीकरण-संख्या विधि का विकास किया गया है, ताकि अपचयोपचय अभिक्रियाओं का रिकॉर्ड रखा जा सके। इस विधि में यह माना गया है कि कम ऋणविद्युत् परमाणु से अधिक ऋणविद्युत् तथा इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण पूरी तरह से हो जाता है। उदाहरणार्थ-7.18 से 7.20 तक के समीकरणों को हम दोबारा इस प्रकार लिखते हैं। यहाँ के सभी परमाणुओं पर आवेश भी दर्शाया गया है-
$$ \begin{array}{cccc} 2 \stackrel{0}{\mathrm{H_2}}(\mathrm{~g}) + \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}(\mathrm{~g}) & \rightarrow & 2 \stackrel{+1}{\mathrm{H_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O}}(\mathrm{l}) \tag{7.21} \end{array} $$
$$ \begin{array}{llll} \stackrel {0}{\mathrm{H_2}}(\mathrm{~s}) + \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}(\mathrm{~g}) & \rightarrow & 2 \stackrel{+1-1}{\mathrm{HCl}}(\mathrm{g}) \tag{7.22} \end{array} $$
$$ \begin{array}{cccc} \stackrel{-4 +1}{\mathrm{CH_4}}(\mathrm{~g}) + & 4 \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}(\mathrm{~g}) \rightarrow & \stackrel{+4 -1}{\mathrm{C}\mathrm{Cl_4}} (\mathrm{l})+4 \stackrel{+1 -1 }{\mathrm{H } \mathrm{Cl}} (\mathrm{g})\tag{7.23} \end{array} $$
इसपर बल दिया जाए कि इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण की कल्पना केवल लेखा-जोखा रखने के लिए की गई है। इस एकक में आगे चलने पर स्पष्ट हो जाएगा कि यह अपचयोपचय अभिक्रियाओं को सरलता से दर्शाती है।
किसी यौगिक में तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या उसकी ऑक्सीकरण स्थिति को दर्शाती है, जिसे इस नियम के आधार पर किया जाता है कि सहसंयोजक आबंधन में इलेक्ट्रॉन युगल केवल अधिक वैद्युत-ऋणी तत्त्व से संबद्ध होता है।
इसे हमेशा याद रखना या जान लेना संभव नहीं है कि यौगिक में कौन सा तत्त्व अधिक वैद्युत-ऋणी है। इसलिए यौगिक/आयन के किसी तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या का मान जानने के लिए कुछ नियम बनाए गए हैं। यदि किसी अणु/ आयन में किसी तत्त्व के दो अथवा दो से अधिक परमाणु उपस्थित हों, (जैसे $\mathrm{Na} _{2} \mathrm{~S} _{2} \mathrm{O} _{3} / \mathrm{Cr} _{2} \mathrm{O} _{7}^{2-}$ ) तो उस तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या उसके सभी परमाणुओं की ऑक्सीकरणसंख्या की औसत होगी। अब हम ऑक्सीकरण-संख्या की गणना के निम्नलिखित नियमों को बताएँगे-
1. तत्त्वों में स्वतंत्र या असंयुक्त दशा में प्रत्येक परमाणु की ऑक्सीकरण-संख्या शून्य होती है। प्रत्यक्षतः $\mathrm{H} _{2}, \mathrm{O} _{2}, \mathrm{Cl} _{2}$, $\mathrm{O} _{3}, \mathrm{P} _{4}, \mathrm{~S} _{8}, \mathrm{Na}, \mathrm{Mg}$ तथा $\mathrm{Al}$ में सभी परमाणुओं की ऑक्सीकरण-संख्या समान रूप से शून्य है।
2. केवल एक परमाणु वाले आयनों में परमाणु की ऑक्सीकरणसंख्या उस आयन में स्थित आवेश का मान है। इस प्रकार $\mathrm{Na}^{+}$आयन की ऑक्सीकरण-संख्या $+1, \mathrm{Mg}^{2+}$ आयन की $+2, \mathrm{Fe}^{3+}$ आयन की $+3, \mathrm{Cl}^{-}$आयन की -1 तथा $\mathrm{O}^{2-}$ आयन की -2 है। सभी क्षार धातुओं की उनके यौगिकों में ऑक्सीकरण-संख्या +1 होती है तथा सभी क्षारीय मृदा धातुओं की ऑक्सीकरण-संख्या +2 होती है। ऐलुमीनियम की उसके यौगिकों में ऑक्सीकरण-संख्या सामान्यतः +3 मानी जाती है।
3. अधिकांश यौगिकों में ऑक्सीजन की ऑक्सीकरणसंख्या -2 होती है। हमें दो प्रकार के अपवाद मिलते हैं। पहला-परॉक्साइडों तथा सुपर ऑक्साइडों में और उन यौगिकों में, जहाँ ऑक्सीजन के परमाणु एक-दूसरे से सीधे-सीधे जुड़े रहते हैं। परॉक्साइडों ( $ै$ से $-\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} _{2}$, $\mathrm{NO} _{2} \mathrm{O} _{2}$ ) में प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु ऑक्सीकरणसंख्या -1 है। सुपर ऑक्साइड (जैसे $-\mathrm{KO} _{2} \mathrm{RbO} _{2}$ में प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु के लिए ऑक्सीकरण-संख्या $-1 / 2$ निर्धारित की गई है। दूसरा अपवाद बहुत दुर्लभ है, जिसमें ऑक्सीजन डाइफ्लुओराइड $\left(\mathrm{OF} _{2}\right)$ तथा डाइऑक्सीजन डाइफ्लुओराइड $\left(\mathrm{O} _{2} \mathrm{~F} _{2}\right)$ जैसे यौगिकों में ऑक्सीजन की ऑक्सीकरण-संख्या क्रमशः +2 तथा +1 है। यह संख्या ऑक्सीजन की आबंधन स्थिति पर निर्भर है, लेकिन यह सदैव धनात्मक ही होगी।
4. हाइड्रोजन की ऑक्सीकरण-संख्या +1 होती है। केवल उस दशा को छोड़कर, जहाँ धातुएँ इससे द्विअंगी यौगिक बनाती हैं (केवल दो तत्त्वों वाले यौगिक)। उदाहरण के लिए $\mathrm{LiH}$, $\mathrm{NaH}$ तथा $\mathrm{CaH} _{2}$ में हाइड्रोजन की ऑक्सीकरणसंख्या 1 है।
5. सभी यौगिकों में फ्लुओरीन की ऑक्सीकरण-संख्या 1 होती है। यौगिकों में हैलाइड आयनों के अन्य हैलोजनों $(\mathrm{Cl}, \mathrm{Br}$, तथा $\mathrm{I})$ की ऑक्सीकरण-संख्या भी -1 है। क्लोरीन, ब्रोमीन तथा आयोडीन जब ऑक्सीजन से संयोजित होते हैं, तो इनकी ऑक्सीकरण-संख्या धनात्मक होती है। उदाहरणार्थ-ऑक्सीअम्लों तथा ऑक्सीएनायनों में।
6. यौगिक में सभी परमाणुओं की ऑक्सीकारक-संख्याओं का बीजीय योग शून्य ही होता है। बहुपरमाणुक आयनों में इसके सभी परमाणुओं की ऑक्सीकरण-संख्या का बीजीय योग उस आयन के आवेश के बराबर होता है। इस तरह $\left(\mathrm{CO} _{3}\right)^{2-}$ में तीनों ऑक्सीजन तथा एक कार्बन परमाणु की ऑक्सीकरण-संख्याओं का योग -2 ही होगा।
इन नियमों के अनुपालन से अणु या आयन में उपस्थित अपेक्षित इच्छित तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या हम ज्ञात कर सकते हैं। यह स्पष्ट है कि धात्विक तत्त्वों की ऑक्सीकरण-संख्या धनात्मक होती है तथा अधात्विक तत्त्वों की ऑक्सीकरण-संख्या धनात्मक या ऋणात्मक होती है। संक्रमण धातु तत्त्व अनेक धनात्मक ऑक्सीकरण-संख्या दर्शाते हैं। पहले दो वर्गों के परमाणुओं के लिए उनकी वर्ग-संख्या ही उनकी उच्चतम ऑक्सीकरण-संख्या होगी तथा अन्य वर्गो में यह वर्ग-संख्या में से 10 घटाकर होगी। इसका अर्थ यह है कि किसी तत्त्व के परमाणु की उच्चतम ऑक्सीकरण-संख्या आवर्तसारणी में आवर्त में सामान्यतः बढ़ती जाती है। तीसरे आवर्त में ऑक्सीकरण-संख्या 1 से 7 तक बढ़ती है, जैसा निम्नलिखित यौगिकों के तत्त्वों द्वारा इंगित किया गया है।
ऑक्सीकरण-संख्या के स्थान पर ऑक्सीकरण-अवस्था पद का प्रयोग भी कई बार किया जाता है। अतः $\mathrm{CO} _{2}$ में कार्बन की ऑक्सीकरण-अवस्था +4 है, जो इसकी ऑक्सीकरणसंख्या भी है। इसी प्रकार ऑक्सीजन की ऑक्सीकरण अवस्था -2 है। इसका तात्पर्य यह है कि तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या
वर्ग | $\mathbf{1}$ | $\mathbf{2}$ | $\mathbf{1 3}$ | $\mathbf{1 4}$ | $\mathbf{1 5}$ | $\mathbf{1 6}$ | $\mathbf{1 7}$ |
---|---|---|---|---|---|---|---|
तत्त्व | $\mathrm{Na}$ | $\mathrm{Mg}$ | $\mathrm{Al}$ | $\mathrm{Si}$ | $\mathrm{P}$ | $\mathrm{S}$ | $\mathrm{Cl}$ |
यौगिक | $\mathrm{NaCl}$ | $\mathrm{MgSO} _{4}$ | $\mathrm{AlF} _{3}$ | $\mathrm{SiCl} _{4}$ | $\mathrm{P} _{4} \mathrm{O} _{10}$ | $\mathrm{SF} _{6}$ | $\mathrm{HClO} _{4}$ |
तत्त्व की अधिकतम समूह ऑक्सीकरण-संख्या/अवस्था |
+1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 | +7 |
उसकी ऑक्सीकरण-अवस्था को दर्शाती है। जर्मन रसायनज्ञ अल्फ्रेड स्टॉक के अनुसार यौगिकों में धातु की ऑक्सीकरणअवस्था को रोमन संख्यांक में कोष्ठक में लिखा जाता है। इसे स्टॉक संकेतन कहा जाता है। इस प्रकार ऑरस क्लोराइड तथा ऑरिक क्लोराइड को $\mathrm{Au}(\mathrm{I}) \mathrm{Cl}$ और $\mathrm{Au}(\mathrm{III}) \mathrm{Cl} _{3}$ लिखा जाता है। इसी प्रकार स्टेनस क्लोराइड तथा स्टेनिक क्लोराइड को $\mathrm{Sn}(\mathrm{II}) \mathrm{Cl} _{2}$ और $\mathrm{Sn}(\mathrm{IV}) \mathrm{Cl} _{4}$ लिखा जाता है। ऑक्सीकरण-संख्या में परिवर्तन को ऑक्सीकरण अवस्था में परिवर्तन के रूप में माना जाता है, जो यह पहचानने में भी सहायता देता है कि स्पीशीज़ ऑक्सीकृत अवस्था में है या अपचित अवस्था में इस प्रकार $\mathrm{Hg}(\mathrm{II}) \mathrm{Cl} _{2}$ की अपचित अवस्था $\mathrm{Hg} _{2}(\mathrm{I}) \mathrm{Cl} _{2}$ है।
उदाहरण 7.3
स्टॉक संकेतन का उपयोग करते हुए निम्नलिखित यौगिकों को निरूपित कीजिए- $\mathrm{HAuCl} _{4}, \mathrm{Tl} _{2} \mathrm{O}, \mathrm{FeO}, \mathrm{Fe} _{2} \mathrm{O} _{3}$, CuI, CuO, MnO तथा $\mathrm{MnO} _{2}$
हल
ऑक्सीकरण-संख्या की गणना के विभिन्न नियमों के अनुसार प्रत्येक धातु की ऑक्सीकरण-संख्या इस प्रकार है-
$ \begin{array}{ccc} \mathrm{HAuCl_4} & \rightarrow & \mathrm{Au} \text{ की } 3 \\ \mathrm{Tl_2} \mathrm{O} & \rightarrow & \mathrm{Tl} \text{ की } 1 \\ \mathrm{FeO} & \rightarrow & \mathrm{Fe} \text{ की } 2 \\ \mathrm{Fe_2} \mathrm{O_3} & \rightarrow & \mathrm{Fe} \text{ की } 3 \\ \mathrm{CuI} & \rightarrow & \mathrm{Cu} \text{ की } 1 \\ \mathrm{CuO} & \rightarrow & \mathrm{Cu} \text{ की } 2 \\ \mathrm{MnO} & \rightarrow & \mathrm{Mn} \text{ की } 2 \\ \mathrm{MnO_2} & \rightarrow & \mathrm{Mn} \text{ की } 4 \\ \end{array} $
इसलिए इन यौगिकों का निरूपण इस प्रकार है-
$\mathrm{HAu}(\mathrm{III}) \mathrm{Cl} _{4}, \mathrm{Tl} _{2}$ (I)O, $\mathrm{Fe}(\mathrm{II}) \mathrm{O}, \mathrm{Fe} _{2}$ (III) $\mathrm{O} _{3}, \mathrm{Cu}$ (I)I, $\mathrm{Cu}(\mathrm{II}) \mathrm{O}, \mathrm{Mn}(\mathrm{II}) \mathrm{O}, \mathrm{Mn}\left(\mathrm{IV} _{2} \mathrm{O} _{2}\right.$ ऑक्सीकरण-संख्या के विचार का प्रयोग ऑक्सीकरण, अपचयन, ऑक्सीकारक, अपचायक तथा अपचयोपचय अभिक्रिया को परिभाषित करने के लिए होता है। संक्षेप में हम यह कह सकते हैं-
- ऑक्सीकरण : दिए गए पदार्थ में तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या में वृद्धि।
- अपचयन : दिए गए पदार्थ में तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या में ह्रास।
- ऑक्सीकारक : वह अभिकारक, जो दिए गए पदार्थ में तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या में वृद्धि करे। ऑक्सीकारकों को ‘ऑक्सीडेंट’ भी कहते हैं।
- अपचायक : वह अभिकारक, जो दिए गए पदार्थ में तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या में कमी करे। इन्हें रिडक्टेंट भी कहते हैं।
उदाहरण 7.4
सिद्ध कीजिए कि निम्नलिखित अभिक्रिया अपचयोपचय अभिक्रिया है- $2 \mathrm{Cu} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{Cu} _{2} \mathrm{~S}(\mathrm{~s}) \rightarrow 6 \mathrm{Cu}(\mathrm{s})+\mathrm{SO} _{2}(\mathrm{~g})$ उन स्पीशीज़ की पहचान कीजिए, जो ऑक्सीकृत तथा अपचयित हो रही हैं, जो ऑक्सीडेंट और रिडक्टेंट की तरह कार्य कर रही हैं।
हल
आइए, इस अभिक्रिया के सभी अभिकारकों की ऑक्सीकरण-संख्या लिखें, जिसके परिणामस्वरूप हम पाते हैं-
$$ \begin{aligned} & 2 \stackrel{+1}{\mathrm{Cu_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O}}(\mathrm{s})+\stackrel{+1}{\mathrm{Cu_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{~S}}(\mathrm{~s}) \rightarrow 6 \stackrel{0}{\mathrm{Cu}}(\mathrm{s})+\stackrel{+4-2}{\mathrm{SO_2}} \end{aligned} $$
इससे हम यह निष्कर्ष निकालते हैं कि इस अभिक्रिया में कॉपर का +1 अवस्था से शून्य ऑक्सीकरण अवस्था तक अपचयन तथा सल्फर का -2 से +4 तक ऑक्सीकरण हो रहा है। इसलिए उपरोक्त अभिक्रिया अपचयोपचय अभिक्रिया है।
इसके अतिरिक्त $\mathrm{Cu} _{2} \mathrm{~S}$ में सल्फर की ऑक्सीकरण-संख्या की वृद्धि में $\mathrm{Cu} _{2} \mathrm{O}$ सहायक है। अतः $\mathrm{Cu}(\mathrm{I})$ ऑक्सीडेंट हुआ तथा $\mathrm{Cu} _{2} \mathrm{~S}$ का सल्फर स्वयं $\mathrm{Cu} _{2} \mathrm{~S}$ और $\mathrm{Cu} _{2} \mathrm{O}$ में कॉपर की ऑक्सीकरणसंख्या की कमी में सहायक है। अतः $\mathrm{Cu} _{2} \mathrm{~S}$ रिडक्टेंट हुआ।
7.3.1 अपचयोपचय अभिक्रियाओं के प्रारूप
1. योग अभिक्रियाएँ
योग अभिक्रिया को इस प्रकार लिखा जाता है-
$$\mathrm{A}+\mathrm{B} \rightarrow \mathrm{C}$$
ऐसी अभिक्रियाओं की अपचयोपचय अभिक्रिया होने के लिए $A$ या $B$ में से एक को या दोनों को तत्त्व रूप में ही होना चाहिए। ऐसी सभी दहन अभिक्रियाएँ, जिनमें तत्त्व रूप में ऑक्सीजन या अन्य अभिक्रियाएँ संपन्न होती है तथा ऐसी अभिक्रियाएँ, जिनमें डाइऑक्सीजन से अतिरिक्त दूसरे तत्त्वों का उपयोग हो रहा है, ‘अपचयोपचय अभिक्रियाएँ’ कहलाती हैं। इस श्रेणी के कुछ महत्त्वपूर्ण उदाहरण हैं-
$$\stackrel{0}{\mathrm{C}}(\mathrm{s}) + \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+4-2}{\mathrm{CO_2}} (\mathrm{~g}) \tag{7.24} $$
$$3 \stackrel{0}{\mathrm{Mg}}(\mathrm{s})+ \stackrel{0}{\mathrm{N_2}}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+2}{\mathrm{Mg_3}} \stackrel{-3}{\mathrm{~N_2}}(\mathrm{~s}) \tag{7.25}$$
$$\stackrel{-4+1}{\mathrm{CH_4}}(\mathrm{~g})+2 \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}(\mathrm{~g}) \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+4-2}{\mathrm{CO_2}}(\mathrm{~g})+2 \stackrel{+1}{\mathrm{H_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O}}(\mathrm{l})$$
2. अपघटन अभिक्रियाएँ
अपघटन अभिक्रियाएँ संयोजन अभिक्रियाओं के विपरीत होती हैं। विशुद्ध रूप से अपघटन अभिक्रियाओं के अंतर्गत यौगिक दो या अधिक भागों में विखंडित होता है, जिसमें कम से कम एक तत्त्व रूप में होता है। इस श्रेणी की अभिक्रियाओं के उदाहरण हैं-
$$2 \stackrel{+1}{\mathrm{H_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O}}(\mathrm{l}) \xrightarrow{\Delta} 2 \stackrel{0}{\mathrm{H_2}}(\mathrm{~g}) + \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}(\mathrm{~g})\tag{7.26}$$
$$\stackrel{+1-1}{\mathrm{NaH}}(\mathrm{s}) \xrightarrow{\Delta} 2 \stackrel{0}{\mathrm{Na}}(\mathrm{s})+ \stackrel{0}{\mathrm{H_2}} (\mathrm{~g}) \tag{7.27}$$
$$ 2 \stackrel{+1+5}{\mathrm{KCl}}\stackrel{-2}{\mathrm{O_3}}(\mathrm{~s}) \xrightarrow{\Delta} 2 \stackrel{+1-1}{\mathrm{KCl}}(\mathrm{s})+3 \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}(\mathrm{~g}) \tag{7.28}$$
ध्यान से देखने पर हम पाते हैं कि योग अभिक्रियाओं में मेथैन के हाइड्रोजन की तथा अभिक्रिया (7.28) में पोटैशियम क्लोरेट के पोटैशियम की ऑक्सीकरण-संख्या में कोई परिवर्तन नहीं होता। यहाँ यह बात भी ध्यान देने योग्य है कि सभी अपघटन अभिक्रियाएँ अपचयोपचय नहीं होती हैं, जैसे-
$$\stackrel{+2}{\mathrm{Ca}}\stackrel{+4}{\mathrm{C}}\stackrel{-2}{\mathrm{O_3}} \mathrm{(s)} \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+2-2}{\mathrm{CaO}} + \stackrel{+4-2}{\mathrm{CO_2}}\mathrm{(g)}$$
3. विस्थापन अभिक्रियाएँ
विस्थापन अभिक्रियाओं में यौगिक के आयन (या परमाणु) दूसरे तत्त्व के आयन (या परमाणु) द्वारा विस्थापित हो जाते हैं। इसे इस प्रकार प्रदर्शित किया जाता है-
$$ \mathrm{X}+\mathrm{YZ} \rightarrow \mathrm{XZ}+\mathrm{Y} $$
विस्थापन अभिक्रियाएँ दो प्रकार की होती हैं- धातु विस्थापन तथा अधातु विस्थापन।
(अ) धातु विस्थापन : यौगिक में एक धातु दूसरी धातु को मुक्त अवस्था में विस्थापित कर सकती है। खंड 7.2.1 के अंत्तगत हम इस प्रकार की अभिक्रियाओं का अध्ययन कर चुके हैं। धातु विस्थापन अभिक्रियाओं का उपयोग धातुकर्मीय प्रक्रमों में, अयस्कों में यौगिकों से शुद्ध धातु प्राप्त करने के लिए होता है। इनके कुछ उदाहरण हैं-
$$\stackrel{+2+6-2}{\mathrm{CuSO_4}}(\mathrm{aq})+ \stackrel{0}{\mathrm{Zn}}(\mathrm{s}) \rightarrow \stackrel{0}{\mathrm{Cu}}(\mathrm{s})+\stackrel{+2+6-3}{\mathrm{ZnSO_4}}(\mathrm{aq}) \tag{7.29}$$
$$\stackrel{+5-2}{\mathrm{V_2O_5}}\mathrm{(s)} + 5 \stackrel{0}{\mathrm{Ca}}\mathrm{(s)} \xrightarrow{\Delta} 2 \stackrel{0}{\mathrm{V}} \mathrm{(s)} + 5 \stackrel{+2-2}{\mathrm{CaO}}\mathrm{(s)} \tag{7.30}$$
$$\stackrel{+4-1}{\mathrm{TiCl_4}}\mathrm{(l)} + 2 \stackrel{0}{\mathrm{Mg}}\mathrm{(s)} \xrightarrow{\Delta} \stackrel{0}{\mathrm{Ti}} \mathrm{(s)} + 2\stackrel{+2-1}{\mathrm{MgCl_2}}\mathrm{(s)} \tag{7.31}$$
$$\stackrel{+3-2}{\mathrm{Cr_2O_3}}\mathrm{(l)} + 2 \stackrel{0}{\mathrm{Al}}\mathrm{(s)} \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+3-2}{\mathrm{Al_2O_3}} \mathrm{(s)} + 2\stackrel{0}{\mathrm{Cr}}\mathrm{(s)} \tag{7.32}$$
इन सभी में अपचायक धातु अपचित धातु की अपेक्षा श्रेष्ठ अपचायक है, जिनकी इलेक्ट्रॉन निष्कासन-क्षमता अपचित धातु की तुलना में अधिक है।
(ब) अधातु विस्थापन : अधातु विस्थापन अपचयोपचय अभिक्रियाओं में हाइड्रोजन विस्थापन, ऑक्सीजन विस्थापन आदि दुर्लभ अभिक्रियाएँ शामिल हैं।
सभी क्षार धातुएँ तथा कुछ क्षार मृदा धातुएँ ( $\mathrm{Ca}, \mathrm{Sr}$ या $\mathrm{Ba})$ श्रेष्ठ रिडक्टेंट हैं, जो शीतल जल से हाइड्रोजन का विस्थापन कर देती हैं।
$$2 \stackrel{0}{\mathrm{Na}}\mathrm{(s)} + 2 \stackrel{+1-2}{\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} \rightarrow 2 \stackrel{+1-2+1}{\mathrm{NaOH}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{Hg}}\mathrm{(g)} \tag{7.33}$$
$$ \stackrel{0}{\mathrm{2Ca}}\mathrm{(s)} + 2 \stackrel{+1-2}{\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} \rightarrow 2 \stackrel{+2-2+1}{\mathrm{Ca(OH)_2}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{Hg}}\mathrm{(g)} \tag{7.34}$$
मैग्नीशियम, आयरन आदि कम सक्रिय धातुएँ भाप से डाइहाइड्रोजन गैस का उत्पादन करती हैं।
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Mg}}\mathrm{(s)} + \stackrel{+1-2}{2\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+2-2+1}{\mathrm{Mg(OH)_2}} \mathrm{(s)} + \stackrel{0}{\mathrm{Hg}}\mathrm{(g)} \tag{7.35}$$
$$ \stackrel{0}{2\mathrm{Fe}}\mathrm{(s)} + \stackrel{+1-2}{3\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} \xrightarrow{\Delta} \stackrel{+3-2}{\mathrm{Fe_2O_3}} \mathrm{(s)} + \stackrel{0}{3\mathrm{Hg}}\mathrm{(g)} \tag{7.36}$$
बहुत सी धातुएँ, जो शीतल जल से क्रिया नहीं करतीं, अम्लों से हाइड्रोजन को विस्थापित कर सकती हैं। अम्लों से डाइहाइड्रोजन उन धातुओं द्वारा भी उत्पादित होती हैं, जो भाप से क्रिया नहीं करती। केडमियम तथा टिन इसी प्रकार की धातुओं के उदाहरण हैं। अम्लों से हाइड्रोजन के विस्थापन के कुछ उदाहरण हैं-
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Zn}}\mathrm{(s)} + \stackrel{+1-1}{2\mathrm{HCl}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+2-1}{\mathrm{ZnCl_2}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{H_2}}\mathrm{(g)} \tag{7.37}$$
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Mg}}\mathrm{(s)} + \stackrel{+1-1}{2\mathrm{HCl}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+2-1}{\mathrm{MgCl_2}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{H_2}}\mathrm{(g)} \tag{7.38}$$
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Fe}}\mathrm{(s)} + \stackrel{+1-1}{2\mathrm{HCl}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+2-1}{\mathrm{FeCl_2}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{H_2}}\mathrm{(g)} \tag{7.39}$$
7.37 से 7.39 तक की अभिक्रियाएँ प्रयोगशाला में डाइहाइड्रोजन गैस तैयार करने में उपयोगी हैं। हाइड्रोजन गैस की निकास की गति धातुओं की सक्रियता की परिचायक है, जो $\mathrm{Fe}$ जैसी कम सक्रिय धातुओं में न्यूनतम तथा $\mathrm{Mg}$ जैसी अत्यंत सक्रिय धातुओं के लिए उच्चतम होती है। सिल्वर (Ag), गोल्ड $(\mathrm{Au})$ आदि धातुएँ, जो प्रकृति में प्राकृत अवस्था में पाई जाती हैं, हाइड्रोक्लोरिक अम्ल से भी क्रिया नहीं करती हैं।
खंड 7.2.1 में हम यह चर्चा कर चुके हैं कि ज़िक $(\mathrm{Zn})$, कॉपर $(\mathrm{Cu})$ तथा सिल्वर $(\mathrm{Ag})$ धातुओं की इलेक्ट्रॉन त्यागने की प्रवृत्ति उनका अपचायक क्रियाशीलता-क्रम $\mathrm{Zn}>\mathrm{Cu}>\mathrm{Ag}$ दर्शाती है। धातुओं के समान हैलोजनों की सक्रियता श्रेणी का अस्तित्त्व है। आवर्त सारणी के 17 वें वर्ग में फ्लुओरीन से आयोडीन तक नीचे जाने पर इन तत्त्वों की ऑक्सीकारक क्रियाशीलता शिथिल होती जाती है। इसका अर्थ यह हुआ कि फ्लुओरीन इतनी सक्रिय है कि यह विलयन से क्लोराइड, ब्रोमाइड या आयोडाइड आयन विस्थापित कर सकती है। वास्तव में फ्लुओरीन की सक्रियता इतनी अधिक है कि यह जल से क्रिया करके उससे ऑक्सीजन विस्थापित कर देती है।
$$ \stackrel{+1-2}{2\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} + \stackrel{0}{2\mathrm{F_2}}\mathrm{(g)} \rightarrow \stackrel{+1-1}{4\mathrm{HF}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}\mathrm{(g)} \tag{7.40}$$
यही कारण है कि क्लोरीन, ब्रोमीन तथा आयोडीन की फ्लुओरीन द्वारा विस्थापन अभिक्रियाएँ सामान्यतः जलीय विलयन में घटित नहीं करते हैं। दूसरी ओर ब्रोमाइड तथा आयोडाइड आयनों को उनके जलीय विलयनों से क्लोरीन इस प्रकार विस्थापित कर सकती है-
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}\mathrm{(g)} + \stackrel{+1-1}{2\mathrm{KBr}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+1-1}{2\mathrm{KCl}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{Br_2}}\mathrm{(l)} \tag{7.41}$$
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}\mathrm{(g)} + \stackrel{+1-1}{2\mathrm{KI}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+1-1}{2\mathrm{KCl}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{I_2}}\mathrm{(s)} \tag{7.42}$$
$\mathrm{Br} _{2}$ तथा $\mathrm{I} _{2}$ के रंगीन तथा $\mathrm{CCl} _{4}$ में विलेय होने के कारण इनको विलयन के रंग द्वारा आसानी से पहचाना जा सकता है। उपरोक्त अभिक्रियाओं को आयनिक रूप में इस प्रकार लिख सकते हैं-
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}\mathrm{(g)} + \stackrel{-1}{2\mathrm{Br^-}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{-1}{2\mathrm{Cl^-}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{Br_2}}\mathrm{(s)} \tag{7.41a}$$
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}\mathrm{(g)} + \stackrel{-1}{2\mathrm{I^-}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{-1}{2\mathrm{Cl^-}} \mathrm{(aq)} + \stackrel{0}{\mathrm{I_2}}\mathrm{(s)} \tag{7.42a}$$
प्रयोगशाला में $\mathrm{Br}^{-}$तथा $\mathrm{I}^{-}$की परीक्षण-विधि, जिसका प्रचलित नाम ‘परत परीक्षण’ (Layer test) है, का आधार अभिक्रियाएँ 7.41 तथा 7.42 हैं। यह बताना अप्रासंगिक नहीं होगा कि इसी प्रकार विलयन में ब्रोमीन आयोडाइड आयन का विस्थापन कर सकती है।
$$ \stackrel{0}{\mathrm{Br_2}(\mathrm{l})}+\stackrel{-1}{2 \mathrm{I}^{-}}(\mathrm{aq}) \rightarrow \stackrel{-1}{2 \mathrm{Br}^{-}} (\mathrm{aq})+ \stackrel{0}{\mathrm{I_2}} (\mathrm{~s}) \tag{7.43} $$
हैलोजेन विस्थापन की अभिक्रियाओं का औद्योगिक अनुप्रयोग होता है। हैलाइडों से हैलोजेन की प्राप्ति के लिए ऑक्सीकरण विधि की आवश्यकता होती है, जिसे निम्नलिखित अभिक्रिया से दर्शाते हैं-
$$2 \mathrm{X}^{-} \rightarrow \mathrm{X_2}+2 \mathrm{e}^{-} \tag{7.44}$$
यहाँ $\mathrm{X}$ हैलोजेन तत्त्व को प्रदर्शित करता है। यद्यपि रासायनिक साधनों द्वारा $\mathrm{Cl}^{-}, \mathrm{Br}^{-}$तथा $\mathrm{I}^{-}$को ऑक्सीकृत करने के लिए शक्तिशाली अभिकारक फ्लुओरीन उपलब्ध है, परंतु $\mathrm{F}$ को $\mathrm{F} _{2}$ में बदलने के लिए कोई भी रासायनिक साधन संभव नहीं है। $\mathrm{F}^{-}$से $\mathrm{F} _{2}$ प्राप्त करने के लिए केवल विद्युत्-अपघटन द्वारा ऑक्सीकरण ही एक साधन है, जिसका अध्ययन आप आगे चलकर करेंगे।
4. असमानुपातन अभिक्रियाएँ
असमानुपातन अभिक्रियाएँ विशेष प्रकार की अपचयोपचय अभिक्रियाएँ हैं। असमानुपातन अभिक्रिया में तत्त्व की एक ऑक्सीकरण अवस्था एक साथ ऑक्सीकृत तथा अपचयित होती है। असमानुपातन अभिक्रिया में सक्रिय पदार्थ का एक तत्त्व कम से कम तीन ऑक्सीकरण अवस्थाएँ प्राप्त कर सकता है। क्रियाशील पदार्थ में यह तत्त्व माध्यमिक ऑक्सीकरण अवस्था में होता है तथा रासायनिक परिवर्तन में उस तत्त्व की उच्चतर तथा निम्नतर ऑक्सीकरण अवस्थाएँ प्राप्त होती हैं। हाइड्रोजन परॉक्साइड का अपघटन एक परिचित उदाहरण है, जहाँ ऑक्सीजन तत्त्व का असमानुपातन होता है।
$$\stackrel{+1-1}{2\mathrm{H_2O_2}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+1-2}{2\mathrm{H_2O}} \mathrm{(l)} + \stackrel{0}{\mathrm{O_2}}\mathrm{(g)} \tag{7.45}$$
यहाँ परॉक्साइड की ऑक्सीजन, जो -1 अवस्था में है, $\mathrm{O} _{2}$ में शून्य अवस्था में तथा $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ में -2 अवस्था में परिवर्तित हो जाती है ।
फॉस्फोरस, सल्फर तथा क्लोरीन का क्षारीय माध्यम में असमानुपातन निम्नलिखित ढंग से होता है -
$$\stackrel{0}{\mathrm{P_4}}\mathrm{(s)}+ \stackrel{}{3\mathrm{OH^-}}\mathrm{(aq)} + \stackrel{}{3\mathrm{H_2O}}\mathrm{(l)} \rightarrow \stackrel{-3}{2\mathrm{P}} \mathrm{H_3} \mathrm{(g)} + 3\mathrm{H_2P}\stackrel{+1}{\mathrm{O_2^-}}\mathrm{(aq)} \tag{7.46}$$
$$\stackrel{0}{\mathrm{S_8}}\mathrm{(s)}+ \stackrel{}{12\mathrm{OH^-}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{-2}{4\mathrm{S}^{2-}}\mathrm{(aq)} + \stackrel{+2}{2\mathrm{S_2O_3}^{2-}} \mathrm{(aq)} + 6\mathrm{H_2O}\mathrm{(l)} \tag{7.47}$$
$$\stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}\mathrm{(g)}+ \stackrel{}{2\mathrm{OH^-}}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+1}{4\mathrm{ClO^-}}\mathrm{(aq)} + \stackrel{-1}{2\mathrm{Cl^-}} \mathrm{(aq)} + \mathrm{H_2O}\mathrm{(l)} \tag{7.48}$$
अभिक्रिया 7.48 घरेलू विरंजक के उत्पाद को दर्शाती है। अभिक्रिया में बननेवाला हाइपोक्लोराइट आयन $\left(\mathrm{ClO}^{-}\right)$रंगीन धब्बों को ऑक्सीकृत करके रंगहीन यौगिक बनाता है।
यह बताना रुचिकर होगा कि ब्रोमीन तथा आयोडीन द्वारा वही प्रकृति प्रदर्शित होती है, जो क्लोरीन द्वारा अभिक्रिया 7.48 में प्रदर्शित होती है, लेकिन क्षार से फ्लुओरीन की अभिक्रिया भिन्न ढंग से, अर्थात् इस प्रकार होती है-
$$2 \mathrm{~F_2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{~F}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{OF_2}(\mathrm{~g})+\mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \tag{7.49}$$
यह ध्यान देने की बात है कि अभिक्रिया 7.49 में निस्संदेह फ्लुओरीन जल से क्रिया करके कुछ ऑक्सीजन भी देती है। फ्लुओरीन द्वारा दिखाया गया भिन्न व्यवहार आश्चर्यजनक नहीं है, क्योंकि हमें ज्ञात है कि फ्लुओरीन सर्वाधिक विद्युत् ऋणी तत्त्व होने के कारण धनात्मक ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित नहीं कर सकती। इसका तात्पर्य यह हुआ कि हैलोजनों में फ्लुओरीन असमानुपातन प्रवृत्ति नहीं दर्शा सकती।
उदाहरण 7.5
इनमें से कौन सा स्पीशीज़ असमानुपातन प्रवृत्ति नहीं दर्शाती और क्यों?
$\mathrm{ClO}^{-}, \mathrm{ClO} _{2}^{-}, \mathrm{ClO} _{3}^{-}$तथा $\mathrm{ClO} _{4}^{-}$
उन सभी स्पीशीज़ की अभिक्रियाएँ भी लिखिए, जो असमानुपातन दर्शाती है।
हल
क्लोरीन के उपरोक्त ऑक्सीजन आयनों में $\mathrm{ClO} _{4}^{-}$ असमानुपातन नहीं दर्शाती, क्योंकि इन ऑक्सोएनायनों में क्लोरीन अपनी उच्चतर ऑक्सीकरण अवस्था +7 में उपस्थित है। शेष तीनों ऑक्सोएनायनों की असमानुपातन अभिक्रियाएँ इस प्रकार हैं-
$\stackrel{+1}{2\mathrm{ClO^-}} \longrightarrow \stackrel{-1}{2\mathrm{Cl^-}}+ \stackrel{+5}{\mathrm{ClO_3^-}}$
$\stackrel{+}{6\mathrm{Cl}} \mathrm{O_2}^- \xrightarrow{hv} \stackrel{+5}{4\mathrm{Cl}} \mathrm{C_3}^- + \stackrel{-1}{2\mathrm{Cl^-}}$
$\stackrel{+5}{4\mathrm{Cl}} \mathrm{O_3}^- \longrightarrow \stackrel{-1}{\mathrm{Cl^-}} + 3\stackrel{+7}{\mathrm{Cl}}\mathrm{O_4}^-$
उदाहरण 7.6
निम्नलिखित अपचयोपचय अभिक्रियाओं को वर्गीकृत कीजिए -
(क) $\mathrm{N} _{2}$ (g) $+\mathrm{O} _{2}$ (g) $\rightarrow 2 \mathrm{NO}$ (g)
(ख) $2 \mathrm{~Pb}\left(\mathrm{NO} _{3}\right) _{2}$ (s) $\rightarrow 2 \mathrm{PbO}(\mathrm{s})+4 \mathrm{NO} _{2}$ $(g) +\mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g}) $
( ग) $\mathrm{NaH}$ (s) $+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ (l) $\rightarrow \mathrm{NaOH}(\mathrm{aq})+\mathrm{H} _{2}$ (g)
(घ) $2 \mathrm{NO} _{2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{NO} _{2}^{-}(\mathrm{aq})+$ $\mathrm{NO} _{3}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) $
हल
अभिक्रिया ‘क’ का यौगिक नाइट्रिक ऑक्साइड तत्त्वों के संयोजन द्वारा बनता है। यह संयोजन अभिक्रिया का उदाहरण है। अभिक्रिया ‘ख’ में लेड नाइट्रेट तीन भागों में अपघटित होता है। इसलिए इस अभिक्रिया को अपघटन श्रेणी में वर्गीकृत करते हैं। अभिक्रिया ‘ग’ में जल में उपस्थित हाइड्रोजन का विस्थापन हाइड्राइड आयन द्वारा होने के फलस्वरुप डाइहाइड्रोजन गैस बनती है। इसलिए इसे ‘विस्थापन अभिक्रिया’ कहते हैं। अभिक्रिया ‘घ’ में $\mathrm{NO} _{2}$ (+4 अवस्था) का $\mathrm{NO} _{2}^{-}$(+3 अवस्था) तथा $\mathrm{NO} _{3}^{-}$(+5 अवस्था) में असमानुपातन होता है। इसलिए यह अभिक्रिया असमानापातन अपचयोपचय अभिक्रिया है।
भिन्नात्मक ऑक्सीकरण-संख्या विरोधाभास
कभी-कभी हमें कुछ ऐसे यौगिक भी मिलते हैं, जिनमें किसी एक तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या भिन्नात्मक होती है। उदाहरणार्थ
$\mathrm{C} _{3} \mathrm{O} _{2}$ (जहाँ कार्बन की ऑक्सीकरण-संख्या $4 / 3$ है)
$\mathrm{Br} _{3} \mathrm{O} _{8}$ (जहाँ ब्रोमीन की ऑक्सीकरण-संख्या $16 / 3$ है)
तथा $\mathrm{Na} _{2} \mathrm{~S} _{4} \mathrm{O} _{6}$ (जहाँ सल्फर की ऑक्सीकरण-संख्या $5 / 2$ है)।
हमें यह ज्ञात है कि भिन्नात्मक ऑक्सीकरण-संख्या स्वीकार्य नहीं है, क्योंकि इलेक्ट्रॉनों का सहभाजन/स्थानांतरण आंशिक नहीं हो सकता। वास्तव में भिन्नात्मक ऑक्सीकरण अवस्था प्रेक्षित किए जा रहे तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्याओं का औसत है तथा संरचना प्राचलों से ज्ञात होता है कि वह तत्त्व, जिसकी भिन्नात्मक ऑक्सीकरण अवस्था होती है, अलग-अलग ऑक्सीकरण अवस्था में उपस्थित है। $\mathrm{C} _{3} \mathrm{O} _{2}, \mathrm{Br} _{3} \mathrm{O} _{8}$ तथा $\mathrm{S} _{4} \mathrm{O} _{6}^{2-}$ स्पीशीज़ की संरचनाओं में निम्नलिखित परिस्थितियाँ दिखती हैं(कार्बन सबॉक्साइड) $\mathrm{C} _{3} \mathrm{O} _{2}$ की संरचना है-
प्रत्येक स्पीशीज़ के तारांकित परमाणु उसी तत्त्व के अन्य परमाणुओं से अलग ऑक्सीकरण अवस्था दर्शाता है। इससे यह प्रतीत होता है कि $\mathrm{C} _{3} \mathrm{O} _{2}$ में दो कार्बन परमाणु +2 ऑक्सीकरण अवस्था में तथा तीसरा शून्य ऑक्सीकरण अवस्था में है और इनकी औसत संख्या $4 / 3$ है। वास्तव में किनारे वाले दोनों कार्बनों की ऑक्सीकरण-संख्या +2 तथा बीच वाले कार्बन की शून्य है। इसी प्रकार $\mathrm{Br} _{3} \mathrm{O} _{8}$ में किनारे वाले दोनों प्रत्येक ब्रोमीन की ऑक्सीकरण अवस्था +6 है तथा बीच वाले ब्रोमीन परमाणु की ऑक्सीकरण अवस्था +4 है। एक बार फिर औसत संख्या $16 / 3$ वास्तविकता से दूर है। इसी प्रकार से स्पीशीज़ $\mathrm{S} _{4} \mathrm{O} _{6}^{2-}$ में किनारे वाले दोनों सल्फर +5 ऑक्सीकरण अवस्था तथा बीच वाले दोनों सल्फर परमाणु शून्य दर्शाते हैं। चारों सल्फर परमाणु की ऑक्सीकरण-संख्या का औसत $5 / 2$ होगा, जबकि वास्तव में प्रत्येक सल्फर परमाणु की ऑक्सीकरण-संख्या क्रमशः $+5,0,0$ तथा +5 है।
इस प्रकार हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि भिन्नात्मक ऑक्सीकरण अवस्था को हमें सावधानी से लेना चाहिए तथा वास्तविकता ऑक्सीकरण-संख्या उसकी संरचना से ही प्रदर्शित होती है। इसके अतिरिक्त जब भी हमें किसी विशेष तत्त्व की भिन्नात्मक ऑक्सीकरण अवस्था दिखे, तो हमें समझ लेना चाहिए कि यह केवल औसत ऑक्सीकरण अवस्था है। वास्तव में इस स्पीशीज़ विशेष में एक से अधिक पूर्णाक ऑक्सीकरण अवस्थाएँ हैं (जो केवल संरचना द्वारा दर्शाई जा सकती है)। $\mathrm{Fe} _{3} \mathrm{O} _{4}, \mathrm{Mn} _{3} \mathrm{O} _{4}, \mathrm{~Pb} _{3} \mathrm{O} _{4}$ कुछ अन्य ऐसे यौगिक हैं, जो मिश्र ऑक्साइड हैं, जिनमें प्रत्येक धातु की भिन्नात्मक ऑक्सीकरण होती हैं। $\mathrm{O} _{2}^{+}$एवं $\mathrm{O} _{2}^{-}$में भी भिन्नात्मक ऑक्सीकरण अवस्था पाई जाती है। यह क्रमशः $+1 / 2$ तथा $-1 / 2$ है।
उदाहरण 7.7
निम्नलिखित अभिक्रियाएँ अलग ढंग से क्यों होती हैं?
$$ \begin{array}{r} \mathrm{Pb_3} \mathrm{O_4}+8 \mathrm{HCl} \rightarrow 3 \mathrm{PbCl_2}+\mathrm{Cl_2}+4 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \text { and } \\ \mathrm{Pb_3} \mathrm{O_4}+4 \mathrm{HNO_3} \rightarrow 2 \mathrm{~Pb}\left(\mathrm{NO_3}\right)_{2}+\mathrm{PbO_2}+ 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}\\ \end{array} $$
हल
वास्तव में $\mathrm{Pb} _{3} \mathrm{O} _{4}, 2$ मोल $\mathrm{PbO}$ तथा 1 मोल $\mathrm{PbO} _{2}$ का रससमीकरणमिती मिश्रण है। $\mathrm{PbO} _{2}$ में लेड की ऑक्सीकरण अवस्था +4 है, जबकि $\mathrm{PbO}$ में लेड की स्थायी ऑक्सीकरण अवस्था +2 है। $\mathrm{PbO} _{2}$ इस प्रकार ऑक्सीडेंट (ऑक्सीकरण के रूप में) की भाँति अभिक्रिया कर सकता है। इसलिए $\mathrm{HCl}$ के क्लोराइड आयन को क्लोरीन में ऑक्सीकृत कर सकता है। हमें यह भी ध्यान में रखना चाहिए कि $\mathrm{PbO}$ एक क्षारीय ऑक्साइड है। इसलिए अभिक्रिया-
$\mathrm{Pb} _{3} \mathrm{O} _{4}+8 \mathrm{HCl} \rightarrow 3 \mathrm{PbCl} _{2}+\mathrm{Cl} _{2}+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ को दो भागों में विभक्त कर सकते हैं। जैसे-
$$ \begin{aligned} & 2 \mathrm{PbO}+4 \mathrm{HCl} \rightarrow 2 \mathrm{PbCl_2}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \\ & \text { (अम्ल-क्षार अभिक्रिया) } \\ \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} & & \stackrel{+4}{\mathrm{Pb}} \mathrm{O_2} +4 \stackrel{-1}{\mathrm{HCl}} \rightarrow \stackrel{+2}{\mathrm{PbCl_2}} + \stackrel{0}{\mathrm{Cl_2}}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \\ & &\text { (अपचयोपचय अभिक्रिया) } \end{aligned} $$
चूँकि $\mathrm{HNO} _{3}$ स्वयं एक ऑक्सीकारक है, अतः $\mathrm{PbO} _{3}$ तथा $\mathrm{HNO} _{3}$ के बीच होने वाली अम्ल-क्षार अभिक्रिया है-
$$ 2 \mathrm{PbO}+4 \mathrm{HNO} _{3} \rightarrow 2 \mathrm{~Pb}\left(\mathrm{NO} _{3}\right) _{2}+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} $$
इस अभिक्रिया में $\mathrm{PbO} _{2}$ की $\mathrm{HNO} _{3}$ के प्रति निष्क्रियता HCI से होने वाली अभिक्रिया से अलग होती है।
7.3.2 अपचयोपचय अभिक्रियाओं का संतुलन
अपचयोपचय अभिक्रियाओं के संतुलन के लिए दो विधिओं का प्रयोग होता है। इनमें से एक विधि अपचायक की ऑक्सीकरण-संख्या में परिवर्तन पर आधारित है तथा दूसरी विधि में अपचयोपचय अभिक्रिया को दो भागों में विभक्त किया जाता है-एक में ऑक्सीकरण तथा दूसरे में अपचयन। दोनों ही विधिओं का प्रचलन है तथा व्यक्ति-विशेष अपनी इच्छानुसार इनका प्रयोग करता है।
(क) ऑक्सीकरण-संख्या विधि : अन्य अभिक्रियाओं की भाँति ऑक्सीकरण-अपचयन अभिक्रियाओं के लिए भी क्रिया में भाग लेने वाले पदार्थों तथा बनने वाले उत्पादों के सूत्र ज्ञात होने चाहिए। इन पदों द्वारा ऑक्सीकरण-संख्या विधि को हम प्रदर्शित करते हैं-
पद 1 : सभी अभिकारकों तथा उत्पादों के सही सूत्र लिखिए।
पद 2 : अभिक्रिया के सभी तत्त्वों के परमाणुओं को लिखकर उन परमाणुओं को पहचानिए, जिनकी ऑक्सीकरण-संख्या में परिवर्तन हो रहा है।
पद 3 : प्रत्येक परमाणु तथा पूरे अणु/आयन की ऑक्सीकरणसंख्या में वृद्धि या ह्रास की गणना कीजिए। यदि इनमें समानता न हो, तो उपयुक्त संख्या से गुणा कीजिए, ताकि ये समान हो जाएँ (यदि आपको लगे कि दो पदार्थ अपचयित हो रहे हैं तथा दूसरा कोई ऑक्सीकृत नहीं हो रहा है या विलोमतः हो रहा है, तो समझिए कि कुछ न कुछ गड़बड़ है। या तो अभिकारकों तथा उत्पादों के सूत्र में त्रुटि है या ऑक्सीकरण-संख्याएँ ठीक प्रकार से निर्धारित नहीं की गई हैं।
पद 4 : यह भी निश्चित कर लें कि यदि अभिक्रिया जलीय माध्यम में हो रही है, तो $\mathrm{H}^{+}$या $\mathrm{OH}^{-}$आयन उपयुक्त स्थान पर जोड़िए, ताकि अभिकारकों तथा उत्पादों का कुल आवेश बराबर हो। यदि अभिक्रिया अम्लीय माध्यम में संपन्न होती है, तो $\mathrm{H}^{+}$ आयन का उपयोग कीजिए। यदि क्षारीय माध्यम हो, तो $\mathrm{OH}^{-}$ आयन का उपयोग कीजिए।
पद 5 : अभिकारकों या उत्पादों में जल-अणु जोड़कर, व्यंजक से दोनों ओर हाड्रोजन परमाणुओं की संख्या एक समान बनाइए। अब ऑक्सीजन के परमाणुओं की संख्या की भी जाँच कीजिए। यदि अभिकारकों तथा उत्पादों में (दोनों ओर) ऑक्सीजन परमाणुओं की संख्या एक समान है, तो समीकरण संतुलित अपचयोपचय अभिक्रिया दर्शाता है।
आइए, हम कुछ उदाहरणों की सहायता से इन पदों को समझाएँ-
उदाहरण 7.8
पोटैशियम डाइक्रोमेट (VI), $\mathrm{K} _{2} \mathrm{Cr} _{2} \mathrm{O} _{7}$ की सोडियम सल्फाइट, $\mathrm{Na} _{2} \mathrm{SO} _{3}$ से अम्लीय माध्यम में क्रोमियम (III) आयन तथा सल्फेट आयन देने वाली नेट आयनिक अभिक्रिया लिखिए।
हल
पद 1 : अभिक्रिया का ढाँचा इस प्रकार है-
$$\mathrm{Cr} _{2} \mathrm{O} _{7}^{2-}(\mathrm{aq})+\mathrm{SO} _{3}{ }^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+\mathrm{SO} _{4}^{2-} (aq) $$
पद 2: $\mathrm{Cr}$ एवं $\mathrm{S}$ की ऑक्सीकरण-संख्या लिखिए
$\stackrel{+6}{\mathrm{Cr_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O_7}^{2-}}(\mathrm{aq})+\stackrel{+4-2}{\mathrm{SO_3}^{2-}}(\mathrm{aq}) \rightarrow \stackrel{+3}{\mathrm{Cr}}(\mathrm{aq})+ \stackrel{+6-2}{\mathrm{SO_4}{ }^{2-}}(\mathrm{aq})$
यह इस बात का सूचक है कि डाइक्रोमेट आयन ऑक्सीकारक तथा सल्फाइट आयन अपचायक है।
पद 3 : ऑक्सीकरण-संख्याओं की वृद्धि और ह्रास की गणना कीजिए तथा इन्हें एक समान बनाइए- पद 2 से हम देख सकते हैं कि क्रोमियम और सल्फर की ऑक्सीकरण संख्या में परिवर्तन हुआ है। क्रोमियम की आक्सीकरण संख्या +6 से +3 में परिवर्तित होती है। अभिक्रिया में दाई ओर क्रोमियम की ऑक्सीकरण संख्या में +3 की कमी आई है। सल्फर की आक्सीकरण संख्या +4 से +6 में परिवर्तित हो जाती है। दाई ओर सल्फर की ऑक्सीकरण संख्या में +2 की वृद्धि हुई है। वृद्धि और ह्रास को एक समान बनाने के लिए दाई ओर क्रोमियम आयन के सम्मुख संख्या 2 लिखिए और सल्फेट आयन के सम्मुख संख्या 3 लिखिए। अब समीकरण के दोनों ओर परमाणुओं की संख्या संतुलित कीजिए। इस प्रकार हम प्राप्त करते हैं -
$\stackrel{+6}{\mathrm{Cr_2}} \stackrel{-2}{\mathrm{O_7}^{2-}}(\mathrm{aq})+3\stackrel{+4-2}{\mathrm{SO_3}^{2-}}(\mathrm{aq}) \rightarrow \stackrel{+3}{\mathrm{Cr^{3+}}}(\mathrm{aq})+ 3\stackrel{+6-2}{\mathrm{SO_4}{ }^{2-}}(\mathrm{aq})$
पद 4 : क्योंकि यह अभिक्रिया अम्लीय माध्यम में संपन्न हो रही है तथा दोनों ओर के आयनों का आवेश एक समान नहीं है। इसलिए बाईं ओर $8 \mathrm{H}^{+}$जोड़िए, जिससे आयनिक आवेश एक समान हो जाए।
$$ \mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq})+3\mathrm{SO_3}^{2-}(\mathrm{aq}) + 8\mathrm{H^+} \rightarrow 2\mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq}) + 3\mathrm{SO_4}^{2-}(\mathrm{aq}) $$
पद 5 : अंत में हाड्रोजन अणुओं की गणना कीजिए। संतुलित अपचयोपचय अभिक्रिया प्राप्त करने के लिए दाईं ओर उपयुक्त संख्या में जल के अणुओं (यानी $4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ ) को जोड़िए-
$$ \begin{aligned} & \mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{SO_3}{ }^{2-}(\mathrm{aq})+8 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \\ & \quad 2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{SO_4}{ }^{2-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \end{aligned} $$
उदाहरण 7.9
क्षारीय माध्यम में परमैंगनेट आयन ब्रोमाइड आयन से संतुलित आयनिक अभिक्रिया समीकरण लिखिए।
हल
पद 1 : समीकरण का ढाँचा इस प्रकार से है-
$\mathrm{MnO} _{4}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{MnO} _{2}(\mathrm{~s})+\mathrm{BrO} _{3}^{-}(\mathrm{aq})$
पद 2: $\mathrm{Mn}$ व $\mathrm{Br}$ की ऑक्सीकरण-संख्या लिखिए।
$\stackrel{+7}{\mathrm{Mn}} \mathrm{O_4}^{-} (\mathrm{aq})+\stackrel{-1}{\mathrm{Br^-}}(\mathrm{aq}) \longrightarrow \stackrel{+4}{\mathrm{Mn}} \mathrm{O_2}(\mathrm{s})+\stackrel{+5}{\mathrm{BrO_3}^{-}}(\mathrm{aq})$
यह इस बात का सूचक है कि परमैंगनेट आयन ऑक्सीकारक है तथा ब्रोमाइड आयन अपचायक है।
पद 3 : ऑक्सीकरण-संख्या में वृद्धि और ह्रास की गणना कीजिए तथा वृद्धि और ह्रास को एक समान बनाइए।
$\stackrel{+7}{2 \mathrm{Mn}} \mathrm{O_4}^{-} (\mathrm{aq})+\stackrel{-1}{\mathrm{Br}}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \stackrel{+4}{\mathrm{Mn}} \mathrm{O_2}(\mathrm{~s})+ \stackrel{+5}{\mathrm{Br}} \mathrm{O_3}^{-}(\mathrm{aq})$
पद 4 : क्योंकि अभिक्रिया क्षारीय माध्यम में संपन्न हो रही है तथा आयनिक आवेश एक समान नहीं है, इसलिए आयनिक आवेश एक समान बनाने के लिए दाईं ओर $2 \mathrm{OH}^{-}$आयन जोड़िए-
$2 \mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s})+ \mathrm{BrO_3}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})$
पद 5 : अंत में हाइड्रोजन परमाणुओं की गणना कीजिए तथा बाईं ओर उपयुक्त संख्या में जल-अणुओं (यानी एक $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ अणु) को जोड़िए, जिससे संतुलित अपचयोपचय अभिक्रिया प्राप्त हो जाए-
$2 \mathrm{MnO} _{4}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{MnO} _{2}(\mathrm{~s}) +\mathrm{BrO} _{3}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})$
( ख) अर्द्ध-अभिक्रिया विधि: इस विधि द्वारा दोनों अर्द्ध-अभिक्रियाओं को अलग-अलग संतुलित करते हैं तथा बाद में दोनों को जोड़कर संतुलित अभिक्रिया प्राप्त करते हैं।
मान लीजिए कि हमें $\mathrm{Fe}^{2+}$ आयन से $\mathrm{Fe}^{3+}$ आयन में डाइक्रोमेट आयन $\left(\mathrm{Cr} _{2} \mathrm{O} _{7}\right)^{2-}$ द्वारा अम्लीय माध्यम में ऑक्सीकरण अभिक्रिया संपन्न करनी है, जिसमें $\mathrm{Cr} _{2} \mathrm{O} _{7}^{2-}$ आयनों का $\mathrm{Cr}^{3+}$ आयन में अपचयन होता है। इसके लिए हम निम्नलिखित कदम उठाते हैं-
पद 1 : असंतुलित समीकरण को आयनिक रूप में लिखिए-
$$\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq}) \tag{7.50}$$
पद 2 : इस समीकरण को दो अर्द्ध-अभिक्रियाओं में विभक्त कीजिए-
ऑक्सीकरण अर्द्ध :
$$\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})$$
अपचयन अर्द्ध :
$$\mathrm{Cr}^{+6}{ } _{2} \mathrm{O} _{7}^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cr}^{+3}(\mathrm{aq})$$
पद 3 : प्रत्येक अर्द्ध-अभिक्रिया के $O$ तथा $H$ में अतिरिक्त सभी परमाणुओं को संतुलित कीजिए। अर्द्ध-अभिक्रिया में अतिरिक्त परमाणुओं को संतुलित करने के लिए $\mathrm{Cr}^{3+}$ को 2 से गुणा करते हैं। ऑक्सीकरण अर्द्ध-अभिक्रिया $\mathrm{Fe}$ परमाणु के लिए पहले ही संतुलित है-
$$\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq}) \tag{7.53}$$
पद 4 : अम्लीय माध्यम में संपन्न होनेवाली अर्द्ध-अभिक्रिया में $\mathrm{O}$ परमाणु के संतुलन के लिए $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ तथा $\mathrm{H}$ परमाणु के संतुलन के लिए $\mathrm{H}^{+}$जोड़िए।
इस प्रकार हमें निम्नलिखित अभिक्रिया मिलती है-
$$\mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq})+14 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+7 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})\tag{7.54}$$
पद 5 : अर्द्ध-अभिक्रियाओं में आवेशों के संतुलन के लिए इलेक्ट्रॉन जोड़िए। दोनों अर्द्ध-अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉनों की संख्या एक जैसी रखने के लिए आवश्कतानुसार किसी एक को या दोनों को उपयुक्त संख्या से गुणा कीजिए।
आवेश को संतुलित करते हुए ऑक्सीकरण को दोबारा इस प्रकार लिखते हैं-
$$\mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+\mathrm{e}^{-} \tag{7.55}$$
अब अपचयन अर्द्ध-अभिक्रिया की बाईं ओर 12 धन आवेश हैं, 6 इलेक्ट्रॉन जोड़ देते हैं-
$$ \begin{equation*} \mathrm{Cr_2} \mathrm{O_7}^{2-}(\mathrm{aq})+14 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+6 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+ 7\mathrm{H_2O} \tag{7.56} \end{equation*} $$
दोनों अर्द्ध-अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान बनाने के लिए ऑक्सीकरण अर्द्ध-अभिक्रिया को 6 से गुणा करके इस प्रकार लिखते हैं-
$$6 \mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow 6 \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+6 \mathrm{e}^{-} \tag{7.57}$$
पद 6 : दोनों अर्द्ध-अभिक्रियाओं को जोड़ने पर हम पूर्ण अभिक्रिया प्राप्त करते हैं तथा दोनों ओर के इलेक्ट्रॉन निरस्त कर देते हैं।
$6 \mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{Cr} _{2} \mathrm{O} _{7}^{2-}(\mathrm{aq})+14 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow 6 \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+$ $2 \mathrm{Cr}^{3+}(\mathrm{aq})+7 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) $
पद 7 : सत्यापित कीजिए कि समीकरण के दोनों ओर परमाणुओं की संख्या तथा आवेश समान हैं। यह अंतिम परीक्षण दर्शाता है कि समीकरण में परमाणुओं की संख्या तथा आवेश का पूरी तरह संतुलन है।
क्षारीय माध्यम में अभिक्रिया को पहले तो उसी प्रकार संतुलित कीजिए, जैसे अम्लीय माध्यम में करते हैं। बाद में समीकरण के दोनों ओर $\mathrm{H}^{+}$आयन की संख्या के बराबर $\mathrm{OH}^{-}$ जोड़ दीजिए। जहाँ $\mathrm{H}^{+}$तथा $\mathrm{OH}^{-}$समीकरण एक ओर साथ हों, वहाँ दोनों को जोड़कर $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ लिख दीजिए।
उदाहरण 7.10
परमैंगनेट (VII) आयन क्षारीय माध्यम में आयोडाइड आयन, $\mathrm{I}^{-}$आण्विक आयोडीन $\mathrm{I} _{2}$ तथा मैंग्नीज (IV) ऑक्साइड $\left(\mathrm{MnO} _{2}\right)$ में ऑक्सीकृत करता है। इस अपचयोपचय अभिक्रिया को दर्शाने वाली संतुलित आयनिक अभिक्रिया लिखिए।
हल
पद 1 : पहले हम ढाँचा समीकरण लिखते हैं-
$\mathrm{MnO} _{4}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{MnO} _{2}(\mathrm{~s})+\mathrm{I} _{2}(\mathrm{~s})$
पद 2 : दो अर्द्ध-अभिक्रियाएँ इस प्रकार हैं-
$$ \begin{aligned} & \text { ऑक्सीकरण अर्द्ध-अभिक्रिया } \stackrel{-1}{\mathrm{I^-}} \mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{0}{\mathrm{I_3}}(\mathrm{s}) \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} & \text { अपचयन अर्द्ध-अभिक्रिया } \stackrel{+7}{\mathrm{Mn}} \mathrm{O_4}^{-}\mathrm{(aq)} \rightarrow \stackrel{+4}{\mathrm{Mn}} \mathrm{O_2}(\mathrm{s}) \end{aligned} $$
पद 3 : ऑक्सीकरण अर्द्ध-अभिक्रिया में I परमाणु का संतुलन करने पर हम लिखते हैं-
$$2 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{I} _{2}(\mathrm{~s})$$
पद 4: $O$ परमाणु के संतुलन के लिए हम उपचयन अभिक्रिया में दाईं ओर 2 जल-अणु जोड़ते हैं-
$\mathrm{MnO} _{4}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{MnO} _{2}$ (s) $+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ (l)
$\mathrm{H}$ परमाणु के संतुलन के लिए हम बाईं ओर चार $\mathrm{H}^{+}$ आयन जोड़ देते हैं।
$\mathrm{MnO} _{4}^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{MnO} _{2}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
क्योंकि अभिक्रिया क्षारीय माध्यम में होती है, इसलिए $4 \mathrm{H}^{+}$के लिए समीकरण के दोनों ओर हम $4 \mathrm{OH}^{-}$जोड़ देते हैं।
$\mathrm{MnO} _{4}^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow$ $\mathrm{MnO} _{2}$ (s) $+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})$
$\mathrm{H}^{+}$आयन तथा $\mathrm{OH}^{-}$आयन के योग को $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ से बदलने पर परिणामी समीकरण बन गए-
$\mathrm{MnO} _{4}^{-}$(aq) $+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ (l) $\rightarrow \mathrm{MnO} _{2}$ (s) $+4 \mathrm{OH}$ (aq)
पद 5 : इस पद में हम दोनों अर्द्ध-अभिक्रियाओं में आवेश का संतुलन दर्शाई गई विधि द्वारा करते हैं।
$$ \begin{gathered} 2 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{I_2}(\mathrm{~s})+2 \mathrm{e}^{-} \\ \mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+3 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s}) +4 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \end{gathered} $$
इलेक्ट्रॉनों की संख्या एक समान बनाने के लिए ऑक्सीकरण अर्द्ध-अभिक्रिया को 3 से तथा अपचयन अर्द्ध-अभिक्रिया को 2 से गुणा करते हैं।
$6 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 3 \mathrm{I_2}$ (s) $+6 \mathrm{e}^{-}$
$2 \mathrm{MnO_4}^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ (l) $+6 \mathrm{e}^{-} \rightarrow 2 \mathrm{MnO_2}(\mathrm{~s})+8 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})$
पद 6 : दोनों अर्द्ध-अभिक्रियाओं को जोड़कर दोनों ओर के इलेक्ट्रॉनों को निरस्त करने पर यह समीकरण प्राप्त होता है-
$6 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{MnO} _{4}^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 3 \mathrm{I} _{2}(\mathrm{~s})+$ $2 \mathrm{MnO} _{2}(\mathrm{~s})+8 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})$
पद 7 : अंतिम सत्यापन दर्शाता है कि दोनों ओर के परमाणुओं की संख्या तथा आवेश की दृष्टि से समीकरण संतुलित है।
7.3.3 अपचयोपचय अभिक्रियाओं पर आधारित अनुमापन
अम्लक्षार निकाय में हम ऐसी अनुमापन विधि के संपर्क में आते हैं, जिससे एक विलयन की प्रबलता $\mathrm{pH}$ संवेदनशील संसूचक का प्रयोग कर दूसरे विलयन से ज्ञात करते हैं। समान रूप से अपचयोपचयन निकाय में अनुमापन विधि अपनाई जा सकती है, जिसमें अपचयोपचय संवेदनशील संसूचक का प्रयोग कर रिडक्टेंट/ऑक्सीडेंट की प्रबलता ज्ञात की जा सकती है। अपचयोपचय अनुमापन में संसूचक का प्रयोग निम्नलिखित उदाहरण द्वारा निरूपित किया गया है-
(i) यदि कोई अभिकारक (जो स्वयं किसी गहरे रंग का हो, जैसे-परमैंगनेट आयन $\mathrm{MnO} _{4}^{-}$) स्वयंसूचक (Self indicator) की भाँति कार्य करता है। जब अपचायक $\left(\mathrm{Fe}^{2+}\right.$ या $\mathrm{C} _{2} \mathrm{O} _{4}^{2-}$ ) का अंतिम भाग ऑक्सीकृत हो चुका हो, तो दृश्य अंत्यबिंदु प्राप्त होता है। $\mathrm{MnO} _{4}^{-}$आयन की सांद्रता $10^{-6} \mathrm{~mol} \mathrm{dm}^{-3}\left(10^{-6} \mathrm{~mol} \mathrm{~L}^{-1}\right)$ से कम होने पर भी गुलाबी रंग की प्रथम स्थायी झलक दिखती है। इससे तुल्यबिंदु पर रंग न्यूनता से अतिलंघित हो जाता है, जहाँ अपचायक तथा ऑक्सीकारक अपनी मोल रससमीकरणमिति के अनुसार समान मात्रा में होते हैं।
(ii) जैसा $\mathrm{MnO} _{4}^{-}$के अनुमापन में होता है, यदि वैसा कोई रंगपरिवर्तन स्वतः नहीं होता है, तो ऐसे भी सूचक हैं, जो अपचायक के अंतिम भाग के उपभोगित हो जाने पर स्वयं ऑक्सीकृत होकर नाटकीय ढंग से रंग-परिवर्तन करते हैं। इसका सर्वोत्तम उदाहरण $\mathrm{Cr} _{2} \mathrm{O} _{7}^{2-}$ द्वारा दिया जाता है, जो स्वयं सूचक नहीं है, लेकिन तुल्यबिंदु के बाद यह डाइफेनिल एमीन सूचक को ऑक्सीकृत करके गहरा नीला रंग प्रदान करता है। इस प्रकार यह अंत्यबिंदु का सूचक होता है।
(iii) एक अन्य विधि भी उपलब्ध है, जो रोचक और सामान्य भी है। इसका प्रयोग केवल उन अभिकारकों तक सीमित है, जो $\mathrm{I}^{-}$आयनों को ऑक्सीकृत कर सकते हैं। उदाहरण के तौर पर-
$$\mathrm{Cu}(\mathrm{II}) : 2 \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cu_2} \mathrm{I_2}(\mathrm{~s})+\mathrm{I_2}(\mathrm{aq}) \tag{7.59}$$
इस विधि का आधार आयोडीन का स्टार्च के साथ गहरा नीला रंग देना तथा आयोडीन की थायोसल्फेट आयन से विशेष अभिक्रिया है, जो अपचयोपचय अभिक्रिया भी है।
$$\mathrm{I_2}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{~S_2} \mathrm{O_3}^{2-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{S_4} \mathrm{O_6}{ }^{2-}(\mathrm{aq}) \tag{7.60}$$
यद्यपि $\mathrm{I} _{2}$ जल में अविलेय है, $\mathrm{KI}$ के विलयन में $\mathrm{KI} _{3}$ के रूप में विलेय है।
अंत्यबिंदु को स्टार्च डालकर पहचाना जाता हैं। शेष स्टाइकियोमिती गणनाएँ ही हैं।
7.3.4 ऑक्सीकरण अंकधारणा की सीमाएँ
उपरोक्त विवेचना से आप यह जान गए हैं कि उपचयोपचय विधियों का विकास समयानुसार होता गया है। विकास का यह क्रम अभी जारी है। वास्तव में कुछ समय पहले तक ऑक्सीकरण पद्धति को अभिक्रिया में संलग्न परमाणु (एक या अधिक) के चारों ओर इलेक्ट्रॉन घनत्व में ह्रास के रूप में तथा अपचयन पद्धति को इलेक्ट्रॉन घनत्व-वृद्धि के रूप में देखा जाता था।
7.4 अपचयोपचन अभिक्रियाएँ तथा इलेक्ट्रोड प्रक्रम
यदि ज़िक की छड़ को कॉपर सल्फेट के विलयन में डुबोएँ, तो अभिक्रिया (7.15) के अनुसार संगत प्रयोग दिखाई देता है। इस अपचयोपचय अभिक्रिया के दौरान ज़िंक से कॉपर पर इलेक्ट्रॉन के प्रत्यक्ष स्थानांतरण द्वारा ज़िक का ऑक्सीकरण ज़िंक आयन के रूप में होता है तथा कॉपर आयनों का अपचयन कॉपर धातु के रूप में होता है। इस अभिक्रिया में ऊष्मा का उत्सर्जन होता है। अभिक्रिया की ऊष्मा विद्युत् ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इसके लिए कॉपर सल्फेट विलयन से ज़िक धातु का पृथक्करण करना आवश्यक हो जाता है। हम कॉपर सल्फेट घोल को एक बीकर में रखते हैं, कॉपर की छड़ या पत्ती को इसमें डाल देते हैं। एक दूसरे बीकर में ज़िक सल्फेट घोल डालते हैं तथा ज़िक की छड़ या पत्ती इसमें डालते हैं। किसी भी बीकर में कोई भी अभिक्रिया नहीं होती तथा दोनों बीकरों में धातु और उसके लवण के घोल के अंतरापृष्ठ पर एक ही रसायन के अपचयित और ऑक्सीकृत रूप एक साथ उपस्थित होते हैं। ये अपचयन तथा ऑक्सीकरण अर्द्ध-अभिक्रियाओं में उपस्थित स्पीशीज़ को दर्शाते हैं। ऑक्सीकरण तथा अपचयन अभिक्रियाओं में भाग ले रहे पदार्थों के ऑक्सीकृत तथा अपचयित स्वरूपों की एक साथ उपस्थिति से रेडॉक्स युग्म को परिभाषित करते हैं।
इस ऑक्सीकृत स्वरूप को अपचयित स्वरूप से एक सीधी रेखा या तिरछी रेखा द्वारा पृथक् करना दर्शाया गया है, जो अंतरापृष्ठ (जैसे-ठोस/घोल) को दर्शाती है। उदाहरण के लिए, इस प्रयोग में दो रेडॉक्स युग्मों को $\mathrm{Zn}^{2+} / \mathrm{Zn}$ तथा $\mathrm{Cu}^{2+} / \mathrm{Cu}$ द्वारा दर्शाया गया है। दोनों में ऑक्सीकृत स्वरूप को अपचयित स्वरूप से पहले लिखा जाता है।
चित्र 7.3 डेनियल सेल की आयोजना। ऐनोड पर $\mathrm{Zn}$ के ऑक्सीकरण द्वारा उत्पन्न इलेक्ट्रॉन बाहरी परिपथ से कैथोड तक पहुँचते हैं। सेल के अंदर का परिपथ लवण-सेतु के माध्यम से आयनों के विस्थापन द्वारा पूरा होता है। ध्यान दीजिए कि विद्युत्-प्रवाह की दिशा इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह की दिशा के विपरीत है।
अब हम कॉपर सल्फेट घोल वाले बीकर को ज़िंक सल्फेट घोल वाले बीकर के पास रखते हैं (चित्र 7.3)। दोनों बीकरों के घोलों को लवण-सेतु द्वारा जोड़ते हैं (लवण-सेतु $U$ आकृति की एक नली है, जिसमें पोटैशियम क्लोराइड या अमोनियम नाइट्रेट के घोल को सामान्यतया ‘ऐगर-ऐगर’ के साथ उबालकर $U$ नली में भरकर तथा ठंडा करके जेली बना देते हैं)। इन दोनों विलयनों को बिना एक-दूसरे से मिलाए हुए वैद्युत् संपर्क प्रदान किया जाता है। ज़िक तथा कॉपर की छड़ों को ऐमीटर तथा स्विच के प्रावधान द्वारा धातु के तार से जोड़ा जाता है। चित्र 7.3, पृष्ठ 252 में दर्शाई गई व्यवस्था को ‘डेनियल सेल’ कहते हैं। जब स्विच ‘ऑफ’ (बंद) स्थिति में होता है, तो किसी बीकर में कोई भी अभिक्रिया नहीं होती और धातु के तार से विद्युत्-धारा प्रवाहित नहीं होती है। स्विच को ऑन करते ही हम पाते हैं कि-
1. $\mathrm{Zn}$ से $\mathrm{Cu}^{2+}$ तक इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण प्रत्यक्ष रूप से न होकर दोनों छड़ों को जोड़ने वाले धात्विक तार के द्वारा होता है, जो तीर द्वारा विद्युत्-धारा में प्रवाह के रूप में दर्शाया गया है।
2. एक बीकर में रखे घोल से दूसरे बीकर के घोल की ओर लवण-सेतु के माध्यम से आयनों के अभिगमन द्वारा विद्युत् प्रवाहित होती है। हम जानते हैं कि कॉपर और ज़िक की छड़ों, जिन्हें ‘इलेक्ट्रोड’ कहते हैं, में विभव का अंतर होने पर ही विद्युत्-धारा का प्रवाह संभव है।
प्रत्येक इलेक्ट्रोड के विभव को ‘इलेक्ट्रोड विभव’ कहते हैं। यदि इलेक्ट्रोड अभिक्रिया में भाग लेने वाले सभी स्पीशीज़ की इकाई सांद्रता हो (यदि इलेक्ट्रोड अभिक्रिया में कोई गैस निकलती है, तो उसे एक वायुमंडलीय दाब पर होना चाहिए) तथा अभिक्रिया $298 \mathrm{~K}$ पर होती हो, तो प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर विभव को मानक इलेक्ट्रोड विभव कहते हैं। मान्यता के अनुसार, हाइड्रोजन का मानक इलेक्ट्रोड विभव 0.00 वोल्ट होता है। प्रत्येक इलेक्ट्रोड अभिक्रिया के लिए इलेक्ट्रोड विभव का मान सक्रिय स्पीशीज़ की ऑक्सीकृत/अपचयित अवस्था की आपेक्षिक प्रवृत्ति का माप है। $E^{\circ}$ के ॠणात्मक होने का अर्थ है कि रेडॉक्स युग्म $\mathrm{H}^{+} / \mathrm{H} _{2}$ की तुलना में अधिक शक्तिशाली अपचायक है। धनात्मक $E^{\circ}$ का अर्थ यह है कि $\mathrm{H}^{+} / \mathrm{H} _{2}$ की तुलना में एक दुर्बल अपचायक है। मानक इलेक्ट्रोड विभव बहुत महत्त्वपूर्ण है। इनसे हमें बहुत सी दूसरी उपयोगी जानकारियाँ भी मिलती हैं। कुछ चुनी हुई इलेक्ट्रोड अभिक्रियाओं (अपचयन अभिक्रिया) के मानक इलेक्ट्रोड विभव के मान तालिका 7.1 में दिए गए हैं। इलेक्ट्रोड अभिक्रियाओं तथा सेलों के बारे में और अधिक विस्तार से आप अगली कक्षा में पढ़ेंगे।
तालिका $7.1298 \mathrm{~K}$ पर मानक इलेक्ट्रोड विभव-आयन
आयन जलीय स्पीशीज़ के रूप में तथा जल द्रव के रूप में उपस्थित हैं: गैस तथा ठोस को $\mathrm{g}$ तथा $\mathrm{s}$ द्वारा दर्शाया गया है।
-
ॠणात्मक $\mathrm{E}^{\ominus}$ का अर्थ यह है कि रेडॉक्स युग्म $\mathrm{H}^{+} / \mathrm{H} _{2}$ की तुलना में प्रबल अपचायक है।
-
धनात्मक $\mathrm{E}^{\ominus}$ का अर्थ यह है कि रेडॉक्स युग्म $\mathrm{H}^{+} / \mathrm{H} _{2}$ की तुलना में दुर्बल अपचायक है।
सारांश
अभिक्रियाओं का एक महत्त्वपूर्ण वर्ग अपचयोपचय अभिक्रिया है, जिसमें ऑक्सीकरण तथा अपचयन साथ-साथ होते हैं। इस पाठ में तीन प्रकार की संकल्पनाएँ विस्तार से दी गई हैं-चिर्रतिष्ठित (Classical), इलेक्ट्रॉनिक तथा ऑक्सीकरण-संख्या। इन संकल्पनाओं के आधार पर ऑक्सीकरण, अपचयन, ऑक्सीकारक (ऑक्सीडेंट) तथा अपचायक (रिडक्टेंट) को समझाया गया है। संगत नियमों के अंतर्गत ऑक्सीकरण-संख्या का निर्धारण किया गया है। ये दोनों ऑक्सीकरण-संख्या तथा आयन इलेक्ट्रॉन विधियाँ अपचयोपचय अभिक्रियाओं के समीकरण लिखने में उपयोगी हैं। अपचयोपचय अभिक्रियाओं को चार वर्गों में विभाजित किया गया है-योग, अपघटन, विस्थापन तथा असमानुपातन। रिडॉक्स युग्म तथा इलेक्ट्रॉड प्रक्रम की अवधारणा को प्रस्तुत किया गया है। रेडॉक्स अभिक्रियाओं का इलेक्ट्रोड अभिक्रियाओं तथा सेलों के अध्ययन में व्यापक अनुप्रयोग होता है।
अभ्यास
7.1 निम्नलिखित स्पीशीज़ में प्रत्येक रेखांकित तत्त्व की ऑक्सीकरण-संख्या का निर्धारण कीजिए-
(क) $\mathrm{NaH} _{2} \mathrm{PO} _{4} \quad$
(ख) $\mathrm{NaH} \underline{S }O _{4}\quad$
(ग) $\mathrm{H} _{4} \underline{\mathrm{P}} _{2} \mathrm{O} _{7} \quad$
(घ) $\mathrm{K} _{2} \underline{\mathrm{Mn}O _{4}}$
(ङ) $\mathrm{Ca} \underline{O} _{2} \quad$
(च) $\mathrm{Na} \underline{B }H _{4}\quad$
(छ) $\mathrm{H} _{2} \underline{\mathrm{S}} _{2} \mathrm{O} _{7} \quad$
(ज) $\mathrm{KAl}\left(\underline{ \mathrm{S}}O _{4}\right) _{2} .12 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$
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7.2 निम्नलिखित यौगिकों के रेखांकित तत्त्वों की ऑक्सीकरण-संख्या क्या है तथा इन परिणामों को आप कैसे प्राप्त करते हैं?
(क) $\mathrm{K} \underline{I} _{3}\quad$
(ख) $\mathrm{H} _{2} \underline{\mathrm{S}} _{4} \mathrm{O} _{6}\quad$
(ग) $\mathrm{F} \underline{e} _{3} \mathrm{O} _{4}\quad$
(घ) $\mathrm{\underline{C}H} _{3} \mathrm{\underline{C}H} _{2} \mathrm{OH}\quad$
(ङ) $\mathrm{\underline{C}H} _{3} \underline{\mathrm{C}}\mathrm{OOH}$
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7.3 निम्नलिखित अभिक्रियाओं का अपचयोपचय अभिक्रियाओं के रूप में औचित्य स्थापित करने का प्रयास करें-
(क) $\mathrm{CuO}$ (s) $+\mathrm{H} _{2}$ (g) $\rightarrow \mathrm{Cu}$ (s) $+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ (g)
(ख) $\mathrm{Fe} _{2} \mathrm{O} _{3}(\mathrm{~s})+3 \mathrm{CO}(\mathrm{g}) \rightarrow 2 \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+3 \mathrm{CO} _{2}(\mathrm{~g})$
(ग) $4 \mathrm{BCl} _{3}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{LiAlH} _{4}(\mathrm{~s}) \rightarrow 2 \mathrm{~B} _{2} \mathrm{H} _{6}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{LiCl}(\mathrm{s})+3 \mathrm{AlCl} _{3}(\mathrm{~s})$
(घ) $2 \mathrm{~K}(\mathrm{~s})+\mathrm{F} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{~K}^{+} \mathrm{F}^{-}$(s)
(ङ) $4 \mathrm{NH} _{3}(\mathrm{~g})+5 \mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 4 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+6 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})$
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7.4 फ्लुओरीन बर्फ से अभिक्रिया करके यह परिवर्तन लाती है-
$\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{F} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{HF}(\mathrm{g})+\mathrm{HOF}(\mathrm{g})$
इस अभिक्रिया का अपचयोपचय औचित्य स्थापित कीजिए।
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7.5 $\mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{5}, \mathrm{Cr} _{2} \mathrm{O}^{2-}$ तथा $\mathrm{NO} _{3}^{-}$में सल्फर, क्रोमियम तथा नाइट्रोजन की ऑक्सीकरण-संख्या की गणना कीजिए। साथ ही इन यौगिकों की संरचना बताइए तथा इसमें हेत्वाभास (Fallacy) का स्पष्टीकरण दीजिए।
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7.6 निम्नलिखित यौगिकों के सूत्र लिखिए-
(क) मरक्यूरी (II) क्लोराइड
(ख) निकल (II) सल्फेट
(ग) टिन (IV) ऑक्साइड
(घ) थेलियम (I) सल्फेट
(ङ) आयरन (III) सल्फेट
(च) क्रोमियम (III) ऑक्साइड
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7.7 उन पदार्थों की सूची तैयार कीजिए, जिनमें कार्बन -4 से +4 तक की तथा नाइट्रोजन -3 से +5 तक की ऑक्सीकरण अवस्था होती है।
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7.8 अपनी अभिक्रियाओं में सल्फर डाइऑक्साइड तथा हाइड्रोजन परॉक्साइड ऑक्सीकारक तथा अपचायक-दोनों ही रूपों में क्रिया करते हैं, जबकि ओज़ोन तथा नाइट्रिक अम्ल केवल ऑक्सीकारक के रूप में ही। क्यों?
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7.9 इन अभिक्रियाओं को देखिए-
(क) $6 \mathrm{CO} _{2}(\mathrm{~g})+6 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{12} \mathrm{O} _{6}(\mathrm{aq})+6 \mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g})$
(ख) $\mathrm{O} _{3}(\mathrm{~g})+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} _{2}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+2 \mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g})$
बताइए कि इन्हें निम्नलिखित ढंग से लिखना ज्यादा उचित क्यों है?
(क) $6 \mathrm{CO} _{2}$ (g) $+12 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{12} \mathrm{O} _{6}$ (aq) $+6 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+6 \mathrm{O} _{2}$(g)
(ख) $\mathrm{O} _{3}(\mathrm{~g})+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} _{2}$ (l) $\rightarrow \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g})+\mathrm{O} _{2}(\mathrm{~g})$
उपरोक्त अपचयोपचय अभिक्रियाओं (क) तथा (ख) के अन्वेषण की विधि सुझाइए।
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7.10 $\mathrm{AgF} _{2}$ एक अस्थिर यौगिक है। यदि यह बन जाए, तो यह यौगिक एक अति शक्तिशाली ऑक्सीकारक की भाँति कार्य करता है। क्यों?
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7.11 “जब भी एक ऑक्सीकारक तथा अपचायक के बीच अभिक्रिया संपन्न की जाती है, तब अपचायक के आधिक्य में निम्नतर ऑक्सीकरण अवस्था का यौगिक तथा ऑक्सीकारक के आधिक्य में उच्चतर ऑक्सीकरण अवस्था का यौगिक बनता है।” इस वक्तव्य का औचित्य तीन उदाहरण देकर दीजिए।
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7.12 इन प्रेक्षणों की अनुकूलता को कैसे समझाएँगे?
(क) यद्यपि क्षारीय पोटैशियम परमैंगनेट तथा अम्लीय पोटैशियम परमैंगनेट-दोनों ही ऑक्सीकारक हैं। फिर भी टॉलुइन से बेंजोइक अम्ल बनाने के लिए हम एल्कोहॉलक पोटैशियम परमैंगनेट का प्रयोग ऑक्सीकारक के रूप में क्यों करते हैं? इस अभिक्रिया के लिए संतुलित अपचयोपचय समीकरण दीजिए।
(ख) क्लोराइडयुक्त अकार्बनिक यौगिक में सांद्र सल्फ्युरिक अम्ल डालने पर हमें तीक्ष्ण गंध वाली $\mathrm{HCl}$ गैस प्राप्त होती है, परंतु यदि मिश्रण में ब्रोमाइड उपस्थित हो, तो हमें ब्रोमीन की लाल वाष्प प्राप्त होती है, क्यों?
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7.13 निम्नलिखित अभिक्रियाओं में ऑक्सीकृत, अपचयित, ऑक्सीकारक तथा अपचायक पदार्थ पहचानिए-
(क) $2 \mathrm{AgBr}(\mathrm{s})+\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{6} \mathrm{O} _{2}$ (aq) $\rightarrow 2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+2 \mathrm{HBr}(\mathrm{aq})+\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{4} \mathrm{O} _{2}$ (aq)
(ख) $\mathrm{HCHO}(\mathrm{l})+2\left[\mathrm{Ag}\left(\mathrm{NH} _{3}\right) _{2}\right]^{+}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow 2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+\mathrm{HCOO}^{-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{NH} _{3}(\mathrm{aq})$ $+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(1)$
(ग) $\mathrm{HCHO}$ (l) $+2 \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+5 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cu} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{HCOO}^{-}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
(घ) $\mathrm{N} _{2} \mathrm{H} _{4}(\mathrm{l})+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} _{2}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{N} _{2}(\mathrm{~g})+4 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
(ङ) $\mathrm{Pb}$ (s) $+\mathrm{PbO} _{2}$ (s) $+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ (aq) $\rightarrow 2 \mathrm{PbSO} _{4}$ (s) $+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ (l)
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7.14 निम्नलिखित अभिक्रियाओं :
$2 \mathrm{~S} _{2} \mathrm{O} _{3}^{2-}(\mathrm{aq})+\mathrm{I} _{2}(\mathrm{~s}) \rightarrow \mathrm{S} _{4} \mathrm{O} _{6}^{2-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq})$
$\mathrm{S} _{2} \mathrm{O} _{3}^{2-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Br} _{2}(\mathrm{l})+5 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{SO} _{4}^{2-}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq})+1 \mathrm{OH}^{+}(\mathrm{aq})$
एक ही अपचायक थायोसल्फेट, आयोडीन तथा ब्रोमीन से अलग-अलग प्रकार से अभिक्रिया क्यों करता है?
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7.15 अभिक्रिया देते हुए सिद्ध कीजिए कि हैलोजनों में फ्लुओरीन श्रेष्ठ ऑक्सीकारक तथा हाइड्रोहैलिक यौगिकों में हाइड्रोआयोडिक अम्ल श्रेष्ठ अपचायक है।
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7.16 निम्नलिखित अभिक्रिया क्यों होती है-
$\mathrm{XeO} _{6}^{4-}$ (aq) $+2 \mathrm{~F}^{-}$(aq) $+6 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{XeO} _{3}(\mathrm{~g})+\mathrm{F} _{2}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
यौगिक $\mathrm{Na} _{4} \mathrm{XeO} _{6}$ (जिसका एक भाग $\mathrm{XeO} _{6}^{4-}$ है) के बारे में आप इस अभिक्रिया में क्या निष्कर्ष निकाल सकते हैं?
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7.17 निम्नलिखित अभिक्रियाओं में
(क) $\mathrm{H} _{3} \mathrm{PO} _{2}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{AgNO} _{3}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{H} _{3} \mathrm{PO} _{4}(\mathrm{aq})+4 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+4 \mathrm{HNO} _{3}(\mathrm{aq})$
(ख) $\mathrm{H} _{3} \mathrm{PO} _{2}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{CuSO} _{4}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{H} _{3} \mathrm{PO} _{4}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Cu}(\mathrm{s})+\mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4}(\mathrm{aq})$
(ग) $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5} \mathrm{CHO}(\mathrm{l})+2\left[\mathrm{Ag}\left(\mathrm{NH} _{3}\right) _{2}\right]^{+}(\mathrm{aq})+3 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5} \mathrm{COO}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})+$ $4 \mathrm{NH} _{3}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})$
(घ) $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5} \mathrm{CHO}(\mathrm{l})+2 \mathrm{Cu}^{2+}(\mathrm{aq})+5 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow$ कोई परिवर्तन नहीं।
इन अभिक्रियाओं से $\mathrm{Ag}^{+}$तथा $\mathrm{Cu}^{2+}$ के व्यवहार के विषय में निष्कर्ष निकालिए।
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7.18 आयन इलेक्ट्रॉन विधि द्वारा निम्नलिखित रेडॉक्स अभिक्रियाओं को संतुलित कीजिए -
(क) $\mathrm{MnO} _{4}^{-}$(aq) $+\mathrm{I}^{-}$(aq) $\rightarrow \mathrm{MnO} _{2}$ (s) $+\mathrm{I} _{2}$ (s) ( क्षारीय माध्यम)
(ख) $\mathrm{MnO} _{4}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{SO} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{Mn}^{2+}(\mathrm{aq})+\mathrm{HSO} _{4}^{-}(\mathrm{aq})$ (अम्लीय माध्यम)
(ग) $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} _{2}$ (aq) $+\mathrm{Fe}^{2+}$ (aq) $\rightarrow \mathrm{Fe}^{3+}$ (aq) $+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ (l) (अम्लीय माध्यम)
(घ) $\mathrm{Cr} _{2} \mathrm{O} _{7}^{2-}+\mathrm{SO} _{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{Cr}^{3+}$ (aq) $+\mathrm{SO} _{4}^{2-}$ (aq) (अम्लीय माध्यम)
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7.19 निम्नलिखित अभिक्रियाओं के समीकरणों को आयन इलेक्ट्रॉन तथा ऑक्सीकरण-संख्या विधि (क्षारीय माध्यम में) द्वारा संतुलित कीजिए तथा इनमें ऑक्सीकरण और अपचायकों की पहचान कीजिए-
(क) $\mathrm{P} _{4}$ (s) $+\mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{PH} _{3}(\mathrm{~g})+\mathrm{HPO} _{2}^{-}(\mathrm{aq})$
(ख) $\mathrm{N} _{2} \mathrm{H} _{4}(\mathrm{l})+\mathrm{ClO} _{3}^{-}$(aq) $\rightarrow \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{g})$
( ग) $\mathrm{Cl} _{2} \mathrm{O} _{7}$ (g) $+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O} _{2}$ (aq) $\rightarrow \mathrm{ClO} _{2}^{-}$(aq) $+\mathrm{O} _{2}$ (g) $+\mathrm{H}^{+}$
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7.20 निम्नलिखित अभिक्रिया से आप कौन सी सूचनाएँ प्राप्त कर सकते हैं-
$\left(\mathrm{CN} _{2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{CN}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{CNO}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}(\mathrm{l})\right.$
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7.21 $\mathrm{Mn}^{3+}$ आयन विलयन में अस्थायी होता है तथा असमानुपातन द्वारा $\mathrm{Mn}^{2+}, \mathrm{MnO} _{2}$ और $\mathrm{H}^{+}$आयन देता है। इस अभिक्रिया के लिए संतुलित आयनिक समीकरण लिखिए-
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7.22 $\mathrm{Cs}, \mathrm{Ne}, \mathrm{I}$, तथा $\mathrm{F}$ में ऐसे तत्त्व की पहचान कीजिए, जो
(क) केवल ॠणात्मक ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित करता है।
(ख) केवल धनात्मक ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित करता है।
(ग) ऋणात्मक तथा धनात्मक दोनों ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित करता है।
(घ) न ऋणात्मक और न ही धनात्मक ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित करता है।
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7.23 जल के शुद्धिकरण में क्लोरीन को प्रयोग में लाया जाता है। क्लोरीन की अधिकता हानिकारक होती है। सल्फरडाइऑक्साइड से अभिक्रिया करके इस अधिकता को दूर किया जाता है। जल में होने वाले इस अपचयोपचय परिवर्तन के लिए संतुलित समीकरण लिखिए।
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7.24 इस पुस्तक में दी गई आवर्त सारणी की सहायता से निम्नलिखित प्रश्नों के उत्तर दीजिए-
(क) संभावित अधातुओं के नाम बताइए, जो असमानुपातन की अभिक्रिया प्रदर्शित कर सकती हों।
(ख) किन्हीं तीन धातुओं के नाम बताइए, जो असमानुपातन अभिक्रिया प्रदर्शित कर सकती हों।
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7.25 नाइट्रिक अम्ल निर्माण की ओस्टवाल्ड विधि के प्रथम पद में अमोनिया गैस के ऑक्सीजन गैस द्वारा ऑक्सीकरण से नाइट्रिक ऑक्साइड गैस तथा जलवाष्प बनती है। 10.0 ग्राम अमोनिया तथा 20.00 ग्राम ऑक्सीजन द्वारा नाइट्रिक ऑक्साइड की कितनी अधिकतम मात्रा प्राप्त हो सकती है?
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7.26 सारणी 7.1 में दिए गए मानक विभवों की सहायता से अनुमान लगाइए कि क्या इन अभिकारकों के बीच अभिक्रिया संभव है?
(क) $\mathrm{Fe}^{3+}$ तथा $\mathrm{I}^{-}(\mathrm{aq})$
(ख) $\mathrm{Ag}^{+}$तथा $\mathrm{Cu}(\mathrm{s})$
(ग) $\mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})$ तथा $\mathrm{Br}^{-}(\mathrm{aq})$
(घ) $\mathrm{Ag}(\mathrm{s})$ तथा $\mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})$
(ङ) $\mathrm{Br} _{2}(\mathrm{aq})$ तथा $\mathrm{Fe}^{2+}$
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7.27 निम्नलिखित में से प्रत्येक के विद्युत्-अपघटन से प्राप्त उत्पादों के नाम बताइए-
(क) सिल्वर इलेक्ट्रोड के साथ $\mathrm{AgNO} _{3}$ का जलीय विलयन
(ख) प्लैटिनम इलेक्ट्रोड के साथ $\mathrm{AgNO} _{3}$ का जलीय विलयन
(ग) प्लैटिनम इलेक्ट्रोड के साथ $\mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ का तनु विलयन
(घ) प्लैटिनम इलेक्ट्रोड के साथ $\mathrm{CuCI} _{2}$ का जलीय विलयन
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7.28 निम्नलिखित धातुओं को उनके लवणें के विलयन में से विस्थापन की क्षमता के क्रम में लिखिए-
$\mathrm{Al}, \mathrm{Cu}, \mathrm{Fe}, \mathrm{Mg}$ तथा $\mathrm{Zn}$
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7.29 मानक इलेक्ट्रोड क्षमता को देखते हुए,
$\mathrm{K}^{+} / \mathrm{K}=-2.93 \mathrm{~V}, \mathrm{Ag}^{+} / \mathrm{Ag}=0.80 \mathrm{~V}$,
$\mathrm{Hg}^{2+} / \mathrm{Hg}=0.79 \mathrm{~V}$
$\mathrm{Mg} 2+/ \mathrm{Mg}=-2.37 \mathrm{~V}, \mathrm{Cr}^{3+} / \mathrm{Cr}=-0.74 \mathrm{~V}$
इन धातुओं को उनकी घटती हुई शक्ति के बढ़ते क्रम में व्यवस्थित करें।
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7.30 उस गैल्वेनी सेल को चित्रित कीजिए, जिसमें निम्नलिखित अभिक्रिया होती है- $\mathrm{Zn}(\mathrm{s})+2 \mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})$ अब बताइए कि-
(क) कौन सा इलेक्ट्रोड ऋण आवेशित है?
(ख) सेल में विद्युत्धारा के वाहक कौन हैं?
(ग) प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर होने वाली अभिक्रियाएँ क्या हैं?
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