फैराडे के विद्युद्धारा अपघटन के नियम

फैराडे के विद्युद्धारा अपघटन के नियम विद्युरसायन के क्षेत्र में मौलिक हैं और विद्युद्धारा अपघटन के अध्ययन और अनुप्रयोग के लिए एक मात्रात्मक आधार प्रदान करते हैं। ये नियम माइकल फैराडे द्वारा विकसित किए गए थे, जो 19वीं सदी के एक प्रमुख वैज्ञानिक थे। फैराडे का कार्य आधुनिक विद्युरसायन और विद्युद्धारा अपघटन से जुड़े औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए आधार तैयार करता है।

विद्युद्धारा अपघटन का परिचय

विद्युद्धारा अपघटन एक रासायनिक प्रक्रिया है जो विद्युत ऊर्जा का उपयोग करके एक अनाआवश्यक रासायनिक प्रतिक्रिया को रोकता है। इस प्रक्रिया का सामान्यतः उद्योगों में धातुओं को निकालने और शुद्ध करने, इलेक्ट्रोप्लेटिंग और रासायनिक यौगिकों के उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है।

विद्युद्धारा अपघटन के दौरान, इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एक विद्युत धारा प्रवाहित की जाती है, जिससे यह विघटित हो जाती है। इलेक्ट्रोलाइट सामान्यतः एक आयनिक यौगिक होता है जो पिघला हुआ रूप में या पानी में घुला होता है, जिससे आयनों को स्वतंत्र रूप से चलने की अनुमति मिलती है। विद्युद्धारा अपघटन में दो प्रकार के इलेक्ट्रोड होते हैं: एनोड (धनात्मक) और कैथोड (ऋणात्मक)।

फैराडे का विद्युद्धारा अपघटन का पहला नियम

विद्युद्धारा अपघटन का पहला नियम कहता है कि विद्युद्धारा अपघटन के दौरान इलेक्ट्रोड पर उत्पादित पदार्थ की मात्रा उस विद्युत की मात्रा के सीधे समानुपाती होती है जो इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से प्रवाहित की जाती है। गणितीय दृष्टि से, यह निम्नलिखित रूप में व्यक्त किया जा सकता है:

m = Z * Q

जहाँ:
m – पदार्थ की मात्रा (ग्राम में)
Z - विद्युरासायनिक समतुल्य (ग्राम प्रति कूलॉम्ब में)
Q - सामग्री के माध्यम से प्रवाहित कुल विद्युत चार्ज (कूलॉम्ब में)

विद्युरासायनिक समतुल्य (Z) प्रत्येक पदार्थ के लिए विशेष होता है और इसे निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके गणना की जाती है:

Z = M / (n * F)

जहाँ:
M - पदार्थ का मोलर द्रव्यमान (ग्राम प्रति मोल में)
n - इलेक्ट्रॉनों के मोल की संख्या का अदला-बदली
F - फैराडे का स्थिरांक (लगभग 96485 कूलॉम्ब प्रति मोल)

ध्यान दें एक विद्युद्धारा अपघटनीय कोष्ठक जिसमें ताम्र सल्फेट का एक विलयन होता है जिसमें ताम्र इलेक्ट्रोड होते हैं। जब इसमें विद्युत धारा प्रवाहित की जाती है, तो कैथोड पर ताम्र धातु जम जाती है।

उदाहरण और गणना

हमें 1 घंटे के लिए 2 एम्पीयर की विद्युत धारा का उपयोग करके ताम्र के जमाव का विचार करना चाहिए:

    धारा (I) = 2 A
    समय (t) = 1 घंटा = 3600 सेकेंड
  
    Q = I * T = 2A * 3600 s = 7200 C

    ताम्र का मोलर द्रव्यमान (Cu) = 63.5 g/mol
    n (ताम्र के लिए) = 2

    विद्युरासायनिक समतुल्य, Z = M / (n * F)
                                = 63.5 g/mol / (2 * 96485 C/mol)
                                = 0.000329 g/c

    जमा हुई मात्रा, m = Z * Q
                      = 0.000329 g/C * 7200 C
                      = 2.37 ग्राम

इस प्रकार, कैथोड पर 2.37 ग्राम ताम्र जमा होगा।

फैराडे का विद्युद्धारा अपघटन का दूसरा नियम

विद्युद्धारा अपघटन का दूसरा नियम कहता है कि जब एक ही विद्युत चार्ज विभिन्न पदार्थों के माध्यम से प्रवाहित किया जाता है, तो इनमें से उत्पन्न पदार्थों का द्रव्यमान उनके समतुल्य भारों के समानुपाती होता है। समतुल्य भार को मोलर द्रव्यमान को संयोजन आयनों की क्षमता से विभाजित करके गणना की जाती है।

m1/m2 = E1/E2

जहाँ:
m1, m2 उत्पादित पदार्थों के द्रव्यमान हैं
E1, E2 समतुल्य भार हैं

मान लीजिए कि एक सेटअप में ताम्र और चांदी आयनों को एक ही विद्युत चार्ज का उपयोग करके जमा किया जाता है। आइए प्रत्येक धातु के जमा द्रव्यमान की गणना करें।

ताम्र और चांदी का उदाहरण

प्राप्त:

• ताम्र का मोलर द्रव्यमान (Cu) = 63.5 g/mol, क्षमता = 2
• चांदी का मोलर द्रव्यमान (Ag) = 107.9 g/mol, क्षमता = 1

965 मोल इलेक्ट्रॉनों द्वारा जमा किया गया द्रव्यमान (m₁ ताम्र के लिए, m₂ चांदी के लिए) गणना करें।

    E1 (Cu) = 63.5 g/mol / 2 = 31.75 g/equiv
    E2 (Ag) = 107.9 g/mol / 1 = 107.9 g/equivalent

    फैराडे का दूसरा नियम उपयोग करके:

    m1/m2 = e1/e2
    m1/m2 = 31.75 g/equivalent / 107.9 g/equivalent 
    m1/m2 ≈ 0.294

    यदि 31.75 g ताम्र जमा होता है, 
    तो 31.75 / 0.294 = 107.9 ग्राम चांदी विद्युत चार्ज एक समान होने पर जमा हो सकती है।

यह दर्शाता है कि कैसे विभिन्न पदार्थ, समतुल्य भार पर निर्भर करते हुए, विभिन्न द्रव्यमान उत्पन्न करते हैं जब उन्हें समान विद्युत चार्ज के तहत लाया जाता है।

फैराडे के नियमों के अनुप्रयोग

फैराडे के नियम विद्युत और औद्योगिक प्रक्रियाओं के डिजाइन और अनुकूलन में महत्वपूर्ण हैं, जिनमें शामिल हैं:

• इलेक्ट्रोप्लेटिंग: सतह पर धातु की एक पतली परत जमा करने के लिए विद्युतीय अपघटन का उपयोग, जंग से सुरक्षा या सौंदर्य उद्देश्यों के लिए।
• इलेक्ट्रो रिफाइनिंग: नियंत्रित विद्युतीय अपघटन के माध्यम से अशुद्धियों को हटाकर धातुओं का शुद्धिकरण।
• इलेक्ट्रोमेटलर्जी: विद्युत कोशिकाओं का उपयोग करके अयस्कों से धातुओं का निष्कर्षण, जो धातुकर्म उद्योगों के लिए महत्वपूर्ण है।

निष्कर्ष

फैराडे के विद्युद्धारा अपघटन के नियम विद्युत चार्ज और रासायनिक पदार्थों के बीच बातचीत के तरीके को समझने के लिए एक गणितीय और वैचारिक ढांचा प्रदान करते हैं। ये सिद्धांत न केवल शैक्षणिक संदर्भों में मूल होते हैं, बल्कि विभिन्न उद्योगों में कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों में भी होते हैं।

विद्युत चार्ज, द्रव्यमान और भौतिक गुणों के बीच संबंध को समझकर, वैज्ञानिक और अभियंता विद्युत अपघटन प्रक्रियाओं के परिणामों को उच्च सटीकता के साथ पूर्वानुमानित कर सकते हैं।

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