अध्याय 8: रेडॉक्स अभिक्रियाएँ (Redox Reactions)

परिचय

हमारे दैनिक जीवन में होने वाली कई रासायनिक अभिक्रियाएँ, जैसे जंग लगना, ईंधन का जलना, बैटरियों का काम करना, और यहाँ तक कि श्वसन भी, **रेडॉक्स अभिक्रियाओं** के उदाहरण हैं। रेडॉक्स अभिक्रियाएँ वे रासायनिक अभिक्रियाएँ हैं जिनमें परमाणुओं की ऑक्सीकरण अवस्थाएँ बदलती हैं। इस अध्याय में, हम ऑक्सीकरण और अपचयन की अवधारणाओं को विस्तार से समझेंगे, ऑक्सीकरण संख्या निर्धारित करना सीखेंगे, और रेडॉक्स अभिक्रियाओं को संतुलित करने के विभिन्न तरीकों का अध्ययन करेंगे। हम रेडॉक्स अभिक्रियाओं के प्रकार और दैनिक जीवन में उनके अनुप्रयोगों पर भी चर्चा करेंगे।

8.1 ऑक्सीकरण और अपचयन की अवधारणाएँ (Concepts of Oxidation and Reduction)

ऑक्सीकरण और अपचयन की अवधारणा को समय के साथ विकसित किया गया है।

8.1.1 पारंपरिक अवधारणा (Classical Concept)

• ऑक्सीकरण (Oxidation): किसी पदार्थ में ऑक्सीजन का जुड़ना या हाइड्रोजन का निकलना।
  • उदाहरण: $2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$ (मैग्नीशियम का ऑक्सीकरण)
  • उदाहरण: $\text{H}_2\text{S} + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl} + \text{S}$ (हाइड्रोजन सल्फाइड से हाइड्रोजन का निकलना)
• अपचयन (Reduction): किसी पदार्थ में हाइड्रोजन का जुड़ना या ऑक्सीजन का निकलना।
  • उदाहरण: $\text{CuO} + \text{H}_2 \rightarrow \text{Cu} + \text{H}_2\text{O}$ (कॉपर ऑक्साइड से ऑक्सीजन का निकलना)
  • उदाहरण: $\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{S} \rightarrow 2\text{HCl} + \text{S}$ (क्लोरिन में हाइड्रोजन का जुड़ना)
• रेडॉक्स अभिक्रिया (Redox Reaction): वह अभिक्रिया जिसमें ऑक्सीकरण और अपचयन एक साथ होते हैं।

8.1.2 इलेक्ट्रॉनिक अवधारणा (Electronic Concept)

यह अवधारणा इलेक्ट्रॉनों के स्थानांतरण पर आधारित है और आधुनिक रसायन विज्ञान में अधिक व्यापक रूप से उपयोग की जाती है।

• ऑक्सीकरण: वह प्रक्रिया जिसमें एक परमाणु, आयन या अणु इलेक्ट्रॉन खोता है।
  • उदाहरण: $\text{Na} \rightarrow \text{Na}^+ + e^-$
  • उदाहरण: $\text{Fe}^{2+} \rightarrow \text{Fe}^{3+} + e^-$
• अपचयन: वह प्रक्रिया जिसमें एक परमाणु, आयन या अणु इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है।
  • उदाहरण: $\text{Cl} + e^- \rightarrow \text{Cl}^-$
  • उदाहरण: $\text{Fe}^{3+} + e^- \rightarrow \text{Fe}^{2+}$
• ऑक्सीकरण अभिकर्मक (Oxidizing Agent) / ऑक्सीकारक: वह पदार्थ जो दूसरे पदार्थ को ऑक्सीकृत करता है और स्वयं अपचयित होता है (अर्थात् इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है)।
• अपचायक अभिकर्मक (Reducing Agent) / अपचायक: वह पदार्थ जो दूसरे पदार्थ को अपचयित करता है और स्वयं ऑक्सीकृत होता है (अर्थात् इलेक्ट्रॉन खोता है)।

8.2 ऑक्सीकरण संख्या (Oxidation Number / Oxidation State)

ऑक्सीकरण संख्या एक अणु या आयन में एक परमाणु पर काल्पनिक आवेश है, यदि सभी बंध आयनिक होते। यह रेडॉक्स अभिक्रियाओं को पहचानने और उनका विश्लेषण करने के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है।

ऑक्सीकरण संख्या के नियम (Rules for Assigning Oxidation Numbers):

1. मुक्त अवस्था में तत्वों की ऑक्सीकरण संख्या: किसी भी तत्व की मुक्त या अनकंबाइंड अवस्था में ऑक्सीकरण संख्या **शून्य** होती है।
   • उदाहरण: $\text{H}_2$, $\text{O}_2$, $\text{Cl}_2$, $\text{Na}$, $\text{Fe}$ की ऑक्सीकरण संख्या 0 है।
2. एकपरमाणुक आयनों की ऑक्सीकरण संख्या: एकपरमाणुक आयनों (जैसे $\text{Na}^+, \text{Mg}^{2+}, \text{Cl}^-$) की ऑक्सीकरण संख्या उनके आवेश के बराबर होती है।
3. हाइड्रोजन की ऑक्सीकरण संख्या: अधिकांश यौगिकों में हाइड्रोजन की ऑक्सीकरण संख्या **+1** होती है।
   • धातु हाइड्राइड (जैसे $\text{NaH}$, $\text{CaH}_2$) में यह **-1** होती है।
4. ऑक्सीजन की ऑक्सीकरण संख्या: अधिकांश यौगिकों में ऑक्सीजन की ऑक्सीकरण संख्या **-2** होती है।
   • परॉक्साइड (जैसे $\text{H}_2\text{O}_2$, $\text{Na}_2\text{O}_2$) में यह **-1** होती है।
   • सुपरॉक्साइड (जैसे $\text{KO}_2$) में यह **-1/2** होती है।
   • ऑक्सीजन फ्लोराइड ($\text{OF}_2$) में यह **+2** होती है।
5. समूह 1 के तत्वों (क्षार धातुएँ) की ऑक्सीकरण संख्या: हमेशा **+1** होती है।
6. समूह 2 के तत्वों (क्षारीय मृदा धातुएँ) की ऑक्सीकरण संख्या: हमेशा **+2** होती है।
7. हैलोजन की ऑक्सीकरण संख्या: फ्लोरीन की ऑक्सीकरण संख्या हमेशा **-1** होती है। अन्य हैलोजनों की ऑक्सीकरण संख्या -1 होती है जब वे अन्य हैलोजनों से अधिक विद्युतऋणात्मक तत्वों के साथ बंधे होते हैं, लेकिन वे +1, +3, +5, +7 जैसी धनात्मक ऑक्सीकरण संख्याएँ भी प्रदर्शित कर सकते हैं जब वे ऑक्सीजन या अधिक विद्युतऋणात्मक हैलोजन के साथ बंधे होते हैं।
8. उदासीन अणु में ऑक्सीकरण संख्याओं का योग: एक उदासीन अणु में सभी परमाणुओं की ऑक्सीकरण संख्याओं का बीजगणितीय योग **शून्य** होता है।
9. बहुपरमाणुक आयन में ऑक्सीकरण संख्याओं का योग: एक बहुपरमाणुक आयन में सभी परमाणुओं की ऑक्सीकरण संख्याओं का बीजगणितीय योग आयन के **कुल आवेश** के बराबर होता है।

8.3 रेडॉक्स अभिक्रियाओं के प्रकार (Types of Redox Reactions)

रेडॉक्स अभिक्रियाओं को कई प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है:

• संयोजन अभिक्रियाएँ (Combination Reactions): दो या दो से अधिक अभिकारक मिलकर एक एकल उत्पाद बनाते हैं। अक्सर यह रेडॉक्स अभिक्रिया होती है।
  • उदाहरण: $\text{C(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CO}_2\text{(g)}$ (C: 0 से +4, O: 0 से -2)
• अपघटन अभिक्रियाएँ (Decomposition Reactions): एक एकल अभिकारक दो या दो से अधिक उत्पादों में टूट जाता है।
  • उदाहरण: $2\text{H}_2\text{O(l)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)}$ (O: -2 से 0, H: +1 से 0)
• विस्थापन अभिक्रियाएँ (Displacement Reactions): एक तत्व दूसरे तत्व को उसके यौगिक से विस्थापित करता है।
  • धातु विस्थापन: $\text{CuSO}_4\text{(aq)} + \text{Zn(s)} \rightarrow \text{ZnSO}_4\text{(aq)} + \text{Cu(s)}$ (Zn: 0 से +2, Cu: +2 से 0)
  • अधातु विस्थापन: $2\text{NaBr(aq)} + \text{Cl}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{NaCl(aq)} + \text{Br}_2\text{(l)}$ (Cl: 0 से -1, Br: -1 से 0)
• विषमानुपातन अभिक्रियाएँ (Disproportionation Reactions): एक ही तत्व एक साथ ऑक्सीकृत और अपचयित होता है।
  • उदाहरण: $2\text{H}_2\text{O}_2\text{(aq)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O(l)} + \text{O}_2\text{(g)}$ (ऑक्सीजन -1 से -2 और 0)

8.4 रेडॉक्स अभिक्रियाओं का संतुलन (Balancing Redox Reactions)

रेडॉक्स अभिक्रियाओं को संतुलित करने के लिए दो मुख्य विधियाँ हैं:

8.4.1 ऑक्सीकरण संख्या विधि (Oxidation Number Method)

इस विधि में ऑक्सीकरण संख्या में परिवर्तन का उपयोग करके समीकरण को संतुलित किया जाता है।

1. असंतुलित समीकरण लिखें।
2. उन परमाणुओं को पहचानें जिनकी ऑक्सीकरण संख्या बदल रही है।
3. प्रत्येक परमाणु के लिए ऑक्सीकरण संख्या में परिवर्तन को निर्धारित करें।
4. ऑक्सीकरण और अपचयन में कुल वृद्धि और कमी को बराबर करने के लिए गुणांक (coefficients) का उपयोग करें।
5. आवेश को संतुलित करने के लिए $\text{H}^+$ (अम्लीय माध्यम में) या $\text{OH}^-$ (क्षारीय माध्यम में) जोड़ें।
6. हाइड्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं को संतुलित करने के लिए $\text{H}_2\text{O}$ जोड़ें।

8.4.2 अर्ध-अभिक्रिया विधि (Half-Reaction Method) / आयन-इलेक्ट्रॉन विधि (Ion-Electron Method)

यह विधि अभिक्रिया को दो अर्ध-अभिक्रियाओं (एक ऑक्सीकरण और एक अपचयन) में विभाजित करती है, जिन्हें अलग-अलग संतुलित किया जाता है और फिर जोड़ा जाता है।

1. असंतुलित समीकरण को आयनिक रूप में लिखें।
2. ऑक्सीकरण और अपचयन अर्ध-अभिक्रियाओं में विभाजित करें।
3. प्रत्येक अर्ध-अभिक्रिया को परमाणुओं और आवेश के लिए अलग-अलग संतुलित करें:
   • परमाणुओं को संतुलित करें:
     • O परमाणुओं को संतुलित करने के लिए $\text{H}_2\text{O}$ जोड़ें।
     • H परमाणुओं को संतुलित करने के लिए $\text{H}^+$ जोड़ें (अम्लीय माध्यम में)।
     • क्षारीय माध्यम में: $\text{H}^+$ को संतुलित करने के बाद, $\text{H}^+$ के समान संख्या में दोनों तरफ $\text{OH}^-$ जोड़ें। $\text{H}^+$ और $\text{OH}^-$ को $\text{H}_2\text{O}$ के रूप में संयोजित करें।
   • आवेश को संतुलित करें: इलेक्ट्रॉन जोड़कर आवेश को संतुलित करें।
4. दोनों अर्ध-अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉनों की संख्या को बराबर करने के लिए उपयुक्त गुणांकों से गुणा करें।
5. दोनों अर्ध-अभिक्रियाओं को जोड़ें और सामान्य पदों को रद्द करें।
6. यदि आवश्यक हो तो दर्शक आयनों (spectator ions) को जोड़कर पूर्ण समीकरण प्राप्त करें।

8.5 रेडॉक्स अभिक्रियाओं के अनुप्रयोग (Applications of Redox Reactions)

रेडॉक्स अभिक्रियाओं का जीवन और उद्योग में व्यापक अनुप्रयोग है:

• ऊर्जा उत्पादन: ईंधन का जलना (जैसे कोयला, प्राकृतिक गैस) ऊर्जा जारी करने वाली रेडॉक्स अभिक्रियाएँ हैं।
• बैटरियाँ और सेल: इलेक्ट्रोकेमिकल सेल (जैसे गैल्वेनिक सेल) रेडॉक्स अभिक्रियाओं के माध्यम से विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करते हैं।
• जंग (Corrosion): धातुओं का वातावरण में ऑक्सीकरण, जैसे लोहे में जंग लगना, एक रेडॉक्स प्रक्रिया है।
• धातु निष्कर्षण: अयस्कों से धातुओं को निकालना अक्सर रेडॉक्स अभिक्रियाओं के माध्यम से होता है (उदाहरण: $\text{Fe}_2\text{O}_3$ से Fe का अपचयन)।
• ब्लिचिंग: ब्लिचिंग एजेंट कपड़ों से दाग हटाने के लिए ऑक्सीकरण का उपयोग करते हैं।
• जैविक प्रक्रियाएँ: श्वसन, प्रकाश संश्लेषण और पाचन जैसी कई जैविक प्रक्रियाएँ रेडॉक्स अभिक्रियाओं पर आधारित होती हैं।