कक्षा 9 विज्ञान अध्याय 11: विद्युत धारा के रासायनिक प्रभाव – पूर्ण समाधान के साथ महत्वपूर्ण प्रश्न

CBSE कक्षा 9 विज्ञान पाठ्यक्रम (2024–25 तर्कसंगत पाठ्यक्रम) अवधारणात्मक समझ के साथ-साथ अनुप्रयोग-आधारित सीखने पर बल देती है। अध्याय 11, विद्युत् धारा के रासायनिक प्रभाव, सामान्यतः वार्षिक बोर्ड परीक्षा में 6–8 अंक का योगदान देता है। हाल के पेपर संतुलित विभाजन दिखाते हैं: ~40% वस्तुनिष्ठ प्रश्न (MCQ, रिक्त स्थान भरना), ~35% लघु उत्तर (2–3 अंक), और ~25% दीर्घ उत्तर (5 अंक)। परीक्षक व्यावहारिक परिस्थितियों पर ध्यान केंद्रित करते हैं—चाँदी की वस्तुओं को विद्युत्-लेपन क्यों किया जाता है, यह परीक्षण कैसे करें कि कोई तरल विद्युत् का सुचालक है या नहीं, विद्युत्-अपघटन के समय इलेक्ट्रोड पर होने वाली अभिक्रियाएँ। परिभाषाओं को याद रखना अपर्याप्त है; छात्रों को यह समझाना चाहिए कि घोल विद्युत् का सुचालन क्यों करता है (आयन गति), विद्युत्-लेपन धातु को कैसे जमा करता है, और विशिष्ट तरलों के विद्युत्-अपघटन से क्या उत्पाद बनते हैं। इस मार्गदर्शिका के प्रश्न इन पैटर्नों को ठीक-ठीक दर्शाते हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि आप कक्षा परीक्षाओं और अंतिम बोर्ड मूल्यांकन के लिए तैयार हैं।

**प्रश्न 1:** निम्नलिखित में से कौन सी तरल विद्युत् की सर्वोत्तम सुचालक है? (a) आसुत जल (b) नल का जल (c) मिट्टी का तेल (d) एसीटोन **उत्तर:** (b) नल का जल **व्याख्या:** नल के जल में घुले हुए लवण और खनिज होते हैं जो आयनित होते हैं और मुक्त आयन उत्पन्न करते हैं। ये आयन विद्युत् आवेश को ले जाते हैं, जिससे नल का जल सुचालक बन जाता है। आसुत जल में कोई आयन नहीं होते, इसलिए यह एक कमजोर सुचालक है। मिट्टी का तेल और एसीटोन गैर-ध्रुवीय कार्बनिक तरलें हैं जिनमें नगण्य आयनिक सामग्री होती है। --- **प्रश्न 2:** जल के विद्युत्-अपघटन के समय एनोड पर विकसित होने वाली गैस है: (a) हाइड्रोजन (b) ऑक्सीजन (c) क्लोरीन (d) नाइट्रोजन **उत्तर:** (b) ऑक्सीजन **व्याख्या:** एनोड (धनात्मक इलेक्ट्रोड) पर, ऋणावेशित हाइड्रॉक्साइड आयन (OH⁻) इलेक्ट्रॉन खोते हैं और ऑक्सीजन गैस में ऑक्सीकृत होते हैं: 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻। कैथोड पर हाइड्रोजन गैस बनती है। --- **प्रश्न 3:** विद्युत्-अपघटन द्वारा किसी वस्तु को धातु की एक परत से लेपित करने की प्रक्रिया को कहा जाता है: (a) आयनीकरण (b) विद्युत्-लेपन (c) ऑक्सीकरण (d) अपचयन **उत्तर:** (b) विद्युत्-लेपन **व्याख्या:** विद्युत्-लेपन विद्युत्-अपघटन का उपयोग करके एक धातु की पतली, समान परत को दूसरी धातु पर जमा करता है। लेपित की जाने वाली वस्तु कैथोड है, लेपन धातु एनोड है, और विद्युत्-अपघट्य लेपन धातु का एक लवण घोल है। --- **प्रश्न 4:** विद्युत्-अपघटन में, कौन सा इलेक्ट्रोड बैटरी का धनात्मक टर्मिनल है? (a) एनोड (b) कैथोड (c) एनोड और कैथोड दोनों (d) न तो एनोड और न ही कैथोड **उत्तर:** (a) एनोड **व्याख्या:** एनोड धनात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है और ऋणायनों (ऋणात्मक आयनों) को आकर्षित करता है। कैथोड ऋणात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है और धनायनों (धनात्मक आयनों) को आकर्षित करता है। --- **प्रश्न 5:** विद्युत् का सुचालन करने वाली एक तरल को कहा जाता है: (a) विद्युत्-अपघट्य (b) अविद्युत्-अपघट्य (c) विद्युत् रोधक (d) अर्धचालक **उत्तर:** (a) विद्युत्-अपघट्य **व्याख्या:** विद्युत्-अपघट्य एक तरल या घोल है जिसमें मुक्त आयन होते हैं जो विद्युत् का सुचालन कर सकते हैं। उदाहरण: तनु अम्ल, क्षार और लवण घोल।

**प्रश्न 1:** आसुत जल विद्युत् का कमजोर सुचालक क्यों है, जबकि नल का जल एक अच्छा सुचालक है? व्याख्या करें। **उत्तर:** आसुत जल शुद्ध H₂O है जिसमें लगभग कोई आयन नहीं होते। आवेश वाहकों की अनुपस्थिति में, यह विद्युत् धारा का सुचालन नहीं कर सकता। हालांकि, नल के जल में NaCl, CaSO₄ और खनिजों जैसे घुले हुए लवण होते हैं। ये लवण आयनों में विघटित होते हैं (Na⁺, Cl⁻, Ca²⁺, SO₄²⁻, आदि)। मुक्त आयन इलेक्ट्रोड की ओर चलते हैं और विद्युत् आवेश को ले जाते हैं, जिससे नल का जल सुचालक बन जाता है। --- **प्रश्न 2:** तांबे के इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हुए तांबा सल्फेट (CuSO₄) घोल के विद्युत्-अपघटन में, प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर क्या होता है? समीकरण लिखें। **उत्तर:** - **कैथोड (−) पर:** Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (तांबा जमा होता है) - **एनोड (+) पर:** Cu − 2e⁻ → Cu²⁺ (तांबा घुल जाता है) एनोड धीरे-धीरे घुलता है, Cu²⁺ आयनों की आपूर्ति करता है, जबकि शुद्ध तांबा कैथोड पर जमा होता है। --- **प्रश्न 3:** विद्युत्-लेपन का उद्देश्य क्या है? दो वास्तविक जीवन के अनुप्रयोग दें। **उत्तर:** विद्युत्-लेपन एक आधार धातु की वस्तु पर एक कीमती या जंग-रोधक धातु की पतली परत जमा करता है। यह उपस्थिति में सुधार करता है और जंग को रोकता है। **अनुप्रयोग:** (1) कार के बम्पर पर क्रोम लेपन जंग को रोकने और चमक बढ़ाने के लिए। (2) तालिका के सामान और गहनों पर चाँदी का लेपन सौंदर्यात्मक मूल्य और स्थायित्व के लिए। --- **प्रश्न 4:** तनु हाइड्रोक्लोरिक एसिड के विद्युत्-अपघटन के समय, हाइड्रोजन गैस कैथोड पर मुक्त होती है लेकिन क्लोरीन गैस नहीं। क्यों समझाइए। **उत्तर:** तनु HCl घोल में H⁺ और Cl⁻ आयन दोनों मौजूद हैं, साथ ही H₂O भी है। कैथोड पर, H⁺ आयन और जल के अणु इलेक्ट्रॉनों के लिए प्रतिस्पर्धा करते हैं। चूँकि H⁺ आयनों में Cl⁻ आयनों की तुलना में कम अपचयन विभव होता है, H⁺ को प्राथमिकता से अपचयित किया जाता है: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂। क्लोरीन एनोड पर जारी होता है, जहाँ Cl⁻ आयनों को जल की तुलना में अधिक आसानी से ऑक्सीकृत किया जाता है। --- **प्रश्न 5:** विद्युत्-अपघटन और विद्युत्-लेपन के बीच इलेक्ट्रोड और उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोड के संदर्भ में अंतर समझाइए। **उत्तर:** | पहलू | विद्युत्-अपघटन | विद्युत्-लेपन | |--------|--------------|----------------| | **उद्देश्य** | यौगिक को तत्वों या नए यौगिकों में तोड़ना | एक धातु को दूसरे से लेपित करना | | **एनोड** | निष्क्रिय (प्लैटिनम, ग्रेफाइट) या सक्रिय | सक्रिय (लेपन धातु) | | **कैथोड** | जिस वस्तु को तोड़ा जा सकता है | जिस वस्तु को लेपित करना है | | **विद्युत्-अपघट्य** | यौगिक का घोल | लेपन धातु का लवण घोल | | **उत्पाद** | गैसें या नए यौगिक | कैथोड पर पतली धातु की परत |

**प्रश्न 1:** तांबे की पट्टी को 100 mL तांबा सल्फेट घोल में रखा जाता है। जब विद्युत् धारा को दो तांबे की पट्टियों को इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोग करके घोल से गुजारा जाता है, तो तांबे के कैथोड का द्रव्यमान 3.2 g बढ़ता है। एनोड पर द्रव्यमान की हानि की गणना करें। **समाधान:** कैथोड पर: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (द्रव्यमान बढ़ता है) एनोड पर: Cu − 2e⁻ → Cu²⁺ (द्रव्यमान घटता है) Cu का दाढ़ द्रव्यमान = 64 g/mol कैथोड पर जमा Cu के मोल = 3.2 ÷ 64 = 0.05 mol समीकरण से, प्रत्येक 1 मोल Cu जो कैथोड पर जमा होता है, 1 मोल Cu एनोड पर ऑक्सीकृत होता है। एनोड पर ऑक्सीकृत Cu के मोल = 0.05 mol एनोड पर द्रव्यमान की हानि = 0.05 × 64 = **3.2 g** एनोड समान द्रव्यमान खोता है जो कैथोड प्राप्त करता है क्योंकि समान अभिक्रियाएँ (विपरीत दिशाओं में) होती हैं। --- **प्रश्न 2:** तनु सल्फ्यूरिक एसिड का घोल विद्युत् का सुचालन करता है लेकिन शुद्ध सल्फ्यूरिक एसिड नहीं। समझाइए। **समाधान:** शुद्ध सल्फ्यूरिक एसिड (H₂SO₄) एक सहसंयोजक यौगिक है। यद्यपि यह एक प्रबल अम्ल है, शुद्ध तरल में ज्यादातर तटस्थ अणु होते हैं जिनमें बहुत कम मुक्त आयन होते हैं, इसलिए यह विद्युत् का सुचालन नहीं कर सकता। जब तनु सल्फ्यूरिक एसिड तैयार किया जाता है (H₂SO₄ को जल में जोड़ा जाता है), तो आयनीकरण होता है: H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻ (संपूर्ण विघटन) मुक्त आयनों (H⁺ और SO₄²⁻) की उच्च सांद्रता विद्युत् आवेश वाहकों को घोल के माध्यम से स्वतंत्र रूप से चलने की अनुमति देती है। ये आयन विपरीत इलेक्ट्रोड की ओर विस्थापित होते हैं, एक विद्युत् धारा स्थापित करते हैं। इस प्रकार, तनु सल्फ्यूरिक एसिड एक उत्कृष्ट विद्युत्-अपघट्य है और अच्छी तरह से विद्युत् का सुचालन करता है। --- **प्रश्न 3:** जब तांबा सल्फेट घोल के विद्युत्-अपघटन में एक निष्क्रिय इलेक्ट्रोड (ग्रेफाइट) का उपयोग किया जाता है, तो दोनों इलेक्ट्रोड पर अभिक्रियाओं के लिए समीकरण लिखें और उत्पादों की पहचान करें। **समाधान:** **कैथोड पर (−, अपचयन):** Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu **उत्पाद:** कैथोड पर लाल रंग की तांबे की धातु जमा होती है। **एनोड पर (+, ऑक्सीकरण):** 2H₂O − 4e⁻ → O₂ + 4H⁺ (जल ऑक्सीकृत होता है क्योंकि ग्रेफाइट अभिक्रिया नहीं करता; Cu²⁺ को आगे ऑक्सीकृत नहीं किया जा सकता) **उत्पाद:** ऑक्सीजन गैस के बुलबुले जारी होते हैं। **घोल में समग्र अभिक्रिया:** Cu²⁺ + 2H₂O → Cu + O₂ + 4H⁺ (विद्युत् धारा की उपस्थिति में) नोट: घोल अधिक अम्लीय हो जाता है (pH घटता है) H⁺ आयन के गठन के कारण। कैथोड का द्रव्यमान बढ़ता है जबकि एनोड अपरिवर्तित रहता है (निष्क्रिय होने के कारण)। --- **प्रश्न 4:** विद्युत्-लेपन में, लेपित की जाने वाली वस्तु को कैथोड से जोड़ा जाता है न कि एनोड से। एक उदाहरण के साथ समझाइए कि क्यों। **समाधान:** वस्तु को कैथोड (ऋणात्मक इलेक्ट्रोड) से जोड़ा जाता है क्योंकि वांछित धातु इस पर जमा (अपचयित) होनी चाहिए। कैथोड पर, लेपन धातु के धनायन अपचयित होते हैं: M⁺ⁿ + ne⁻ → M (धातु जमा होती है) यदि वस्तु एनोड से जोड़ी जाती, तो यह ऑक्सीकृत हो जाती और लेपन प्राप्त करने के बजाय घुल जाती। **उदाहरण: तांबे के चम्मच पर चाँदी का लेपन** - **कैथोड:** तांबे का चम्मच (लेपित की जाने वाली वस्तु) - **एनोड:** चाँदी की पट्टी या चाँदी की प्लेट - **विद्युत्-अपघट्य:** सिल्वर नाइट्रेट (AgNO₃) घोल कैथोड पर (चम्मच): Ag⁺ + e⁻ → Ag (चम्मच पर रजत रंग की परत जमा होती है) एनोड पर (चाँदी की पट्टी): Ag − e⁻ → Ag⁺ (चाँदी की पट्टी घुलती है, Ag⁺ आयनों को पुनः भरती है) यह सुनिश्चित करता है कि चम्मच को एक समान, चिपकने वाली चाँदी की परत बिना क्षति के मिलती है।

**केस स्टडी: चाँदी के गहनों का निर्माण** एक गहनों का निर्माता 500 पीतल के ब्रोच (तांबा–जस्ता मिश्र धातु) प्राप्त करता है जिन्हें एक प्रीमियम संग्रह के लिए चाँदी से प्लेट करना होता है। इलेक्ट्रोप्लेटिंग टैंक में 2 L AgNO₃ समाधान होता है (सांद्रता: 0.5 M)। प्रत्येक ब्रोच का कुल सतह क्षेत्र 8 cm² है। एक शुद्ध चाँदी का एनोड (क्षेत्र 50 cm²) का उपयोग किया जाता है, और 2 A की विद्युत धारा लागू की जाती है। **दिया गया डेटा:** - Ag का मोलर द्रव्यमान = 108 g/mol - फैराडे स्थिरांक (F) = 96,500 C/mol - Ag की घनत्व = 10.5 g/cm³ - आवश्यक कोटिंग मोटाई = 0.02 mm प्रति ब्रोच **प्रश्न:** **(a)** एक ब्रोच पर जमा की गई चाँदी का द्रव्यमान और 500 ब्रोच के लिए कुल द्रव्यमान की गणना करें। **(b)** सभी 500 ब्रोच को प्लेट करने के लिए आवश्यक समय (घंटों में) का अनुमान लगाएँ। **(c)** क्या AgNO₃ समाधान सभी 500 ब्रोच को प्लेट करने के लिए पर्याप्त होगा? उपलब्ध Ag⁺ के मोल और आवश्यक मोल की गणना करें। **(d)** शुद्ध चाँदी का एनोड आवश्यक क्यों है? यदि तांबे का एनोड उपयोग किया जाए तो क्या होगा? --- **समाधान चरण:** **(a) ब्रोच पर चाँदी का द्रव्यमान:** **प्रति ब्रोच चाँदी कोटिंग का आयतन:** आयतन = सतह क्षेत्र × मोटाई V = 8 cm² × 0.02 mm = 8 cm² × 0.002 cm = 0.016 cm³ **प्रति ब्रोच चाँदी का द्रव्यमान:** m = घनत्व × आयतन m = 10.5 g/cm³ × 0.016 cm³ = 0.168 g ≈ 0.17 g **500 ब्रोच के लिए कुल द्रव्यमान:** कुल द्रव्यमान = 0.17 g × 500 = **85 g** --- **(b) इलेक्ट्रोप्लेटिंग के लिए आवश्यक समय:** **जमा की जाने वाली Ag के मोल:** n(Ag) = कुल द्रव्यमान ÷ मोलर द्रव्यमान n(Ag) = 85 g ÷ 108 g/mol ≈ 0.787 mol **कैथोड पर अपचयन प्रतिक्रिया:** Ag⁺ + e⁻ → Ag Ag का प्रत्येक मोल 1 मोल इलेक्ट्रॉन की आवश्यकता है। **आवश्यक कुल आवेश (कूलॉम):** Q = n × F = 0.787 mol × 96,500 C/mol = 75,955.5 C **Q = I × t का उपयोग करके समय की गणना:** t = Q ÷ I t = 75,955.5 C ÷ 2 A = 37,977.75 seconds **घंटों में परिवर्तित करें:** t = 37,977.75 s ÷ 3,600 s/h ≈ **10.5 घंटे** (या लगभग 10 घंटे 30 मिनट) --- **(c) AgNO₃ समाधान की पर्याप्तता:** **टैंक में उपलब्ध Ag⁺ के मोल:** n(Ag⁺) = सांद्रता × आयतन n(Ag⁺) = 0.5 M × 2 L = **1 mol** **प्लेटिंग के लिए आवश्यक Ag⁺ के मोल:** भाग (a) से: n(Ag⁺) आवश्यक = 0.787 mol **तुलना:** उपलब्ध = 1 mol आवश्यक = 0.787 mol **हाँ, समाधान पर्याप्त है** क्योंकि 1 mol > 0.787 mol। लगभग 0.213 mol (या 23 g) अतिरिक्त Ag⁺ रहता है। हालांकि, जैसे-जैसे चाँदी जमा होती है, समाधान की सांद्रता घटती है, जिससे प्रक्रिया धीमी हो सकती है। शुद्ध चाँदी का एनोड भी लगातार घुलता है, जिससे Ag⁺ निकलता है: Ag − e⁻ → Ag⁺ यह इलेक्ट्रोलाइट को फिर से भरता है, प्लेटिंग के दौरान पर्याप्त आयन सांद्रता सुनिश्चित करता है। --- **(d) शुद्ध चाँदी एनोड की भूमिका और तांबे के एनोड के परिणाम:** **शुद्ध चाँदी का एनोड आवश्यक क्यों है:** 1. **आयन पुनःपूर्ति:** जैसे-जैसे Ag⁺ आयन कैथोड पर अपचयित होते हैं, चाँदी का एनोड घुलता है और समाधान में Ag⁺ को फिर से भरता है, इलेक्ट्रोलाइट सांद्रता और धारा दक्षता को स्थिर रखता है। 2. **समान कोटिंग सुनिश्चित करता है:** Ag⁺ की सतत आपूर्ति सभी ब्रोच पर चिकनी, समान जमावट का उत्पादन करती है। 3. **इलेक्ट्रोड ध्रुवीकरण को रोकता है:** एनोड घुलने के बिना, Ag⁺ सांद्रता तेजी से गिरेगी, विद्युत प्रवाह को बनाए रखने के लिए उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होगी, जिससे साइड प्रतिक्रियाएँ और खुरदरी जमावट होगी। **यदि तांबे का एनोड उपयोग किया जाए:** 1. **एनोड पर गलत प्रतिक्रिया:** Ag⁺ को घुलाने और निकालने के बजाय, तांबा ऑक्सीकृत होगा: Cu − 2e⁻ → Cu²⁺ 2. **Ag⁺ की कमी:** इलेक्ट्रोलाइट बिना पुनःपूर्ति के तेजी से Ag⁺ खो देगा, प्लेटिंग दक्षता को कम करेगा और वोल्टेज ड्रॉप को बढ़ाएगा। 3. **संदूषण:** Cu²⁺ आयन समाधान में मिल जाएँगे।

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