MP Board Class 12 Chemistry Corrosionसंक्षारण - वैद्युतरासायनिक सिद्धांत, क्रियाविधि और बचाव के उपाय

MP Board Class 12 Chemistry Corrosion : कक्षा 12 रसायन विज्ञान (Chemistry) के लिए ‘संक्षारण’ (Corrosion) और ‘जंग लगने की वैद्युतरासायनिक क्रियाविधि’ (Electrochemical Theory of Rusting) का विस्तृत अध्ययन। इस आर्टिकल MP Board Class 12 Chemistry Corrosion में संक्षारण को प्रभावित करने वाले कारक, बचाव के उपाय (Galvanization, Cathodic Protection) और बोर्ड परीक्षा के लिए महत्वपूर्ण हल सहित प्रश्न शामिल हैं।

MP Board Class 12 Chemistry Corrosion

1. संक्षारण की प्रस्तावना और परिभाषा (Introduction and Definition of Corrosion)

प्रकृति में अधिकांश धातुएं (Metals) स्वतंत्र या शुद्ध अवस्था में स्थायी नहीं होती हैं। वे अपने आस-पास के वातावरण में मौजूद वायु (ऑक्सीजन), नमी (जल) और अन्य गैसों (जैसे $CO_2, SO_2, H_2S$ ) के साथ रासायनिक अभिक्रिया करके अधिक स्थायी यौगिकों जैसे— ऑक्साइड, सल्फाइड, कार्बोनेट या सल्फेट में परिवर्तित होने की प्रवृत्ति रखती हैं।

परिभाषा (Definition):

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वायुमंडल में उपस्थित नमी (Moisture) और गैसों की धीमी रासायनिक अभिक्रिया के कारण धातुओं की सतह का धीरे-धीरे नष्ट होना या क्षय होना संक्षारण (Corrosion) कहलाता है।

संक्षारण एक स्वतः प्रवर्तित (Spontaneous) और बहुत धीमी रेडॉक्स (Redox) प्रक्रिया है। यह धातुओं को उनके शुद्ध रूप से वापस उसी रूप (खनिजों/अयस्कों) में ले जाने की एक प्राकृतिक प्रक्रिया है, जिससे धातुएं प्राप्त की गई थीं।

संक्षारण के कारण होने वाली आर्थिक हानि:

संक्षारण के कारण पूरी दुनिया में हर साल अरबों डॉलर का नुकसान होता है। पुलों (Bridges), जहाजों (Ships), वाहनों, पाइपलाइनों और इमारतों के लोहे के ढांचे संक्षारण के कारण कमजोर हो जाते हैं, जिससे न केवल आर्थिक क्षति होती है, बल्कि कई बार बड़ी दुर्घटनाएं भी हो जाती हैं। अतः रसायन विज्ञान में संक्षारण को समझना और इसे रोकने के उपाय खोजना अत्यंत महत्वपूर्ण है।

2. संक्षारण के सामान्य उदाहरण (Common Examples of Corrosion)

संक्षारण केवल लोहे तक सीमित नहीं है, बल्कि यह कई अन्य धातुओं में भी देखा जाता है। इसके कुछ प्रमुख उदाहरण निम्नलिखित हैं:

लोहे पर जंग लगना (Rusting of Iron): लोहे की सतह पर लाल-भूरे (Reddish-brown) रंग की परत का निर्माण होना। (लोहे के संक्षारण को विशेष रूप से ‘जंग लगना’ या Rusting कहते हैं)।
तांबे और पीतल पर हरी परत (Green coating on Copper and Brass): कॉपर जब हवा में मौजूद नमी और कार्बन डाइऑक्साइड से क्रिया करता है, तो उस पर बेसिक कॉपर कार्बोनेट ( $CuCO_3 \cdot Cu(OH)_2$ ) की हरे रंग की परत जम जाती है।
चांदी का काला पड़ना (Tarnishing of Silver): वायुमंडल में उपस्थित हाइड्रोजन सल्फाइड ( $H_2S$ ) गैस के साथ क्रिया करके चांदी के आभूषणों या बर्तनों पर सिल्वर सल्फाइड ( $Ag_2S$ ) की काली परत का निर्माण होता है।

3. लोहे पर जंग लगने का वैद्युतरासायनिक सिद्धांत (Electrochemical Theory of Rusting of Iron)

कक्षा 12वीं की बोर्ड परीक्षा के लिए संक्षारण की क्रियाविधि (Mechanism) सबसे महत्वपूर्ण विषय है। आधुनिक विज्ञान के अनुसार, लोहे पर जंग लगना एक वैद्युतरासायनिक घटना (Electrochemical Phenomenon) है।

जब लोहे की सतह पर पानी की कोई बूंद (नमी) ठहरती है और उसमें वायुमंडल की ऑक्सीजन ( $O_2$ ) या कार्बन डाइऑक्साइड ( $CO_2$ ) घुल जाती है, तो वह पानी की बूंद एक लघु गैल्वैनी सेल (Miniature Galvanic Cell) की तरह व्यवहार करने लगती है।

इस लघु सेल में लोहे का एक हिस्सा ऐनोड (Anode) बन जाता है और दूसरा हिस्सा कैथोड (Cathode) बन जाता है। इस सेल की कार्यप्रणाली निम्नलिखित चरणों में संपन्न होती है:

3.1 ऐनोड पर अभिक्रिया (Reaction at Anode – ऑक्सीकरण)

लोहे की सतह का वह स्थान जहाँ खुरदरापन या कोई दरार होती है, वह ऐनोड (Anode) की तरह कार्य करता है। यहाँ लोहे ( $Fe$ ) के परमाणु ऑक्सीकृत होकर फेरस आयनों ( $Fe^{2+}$ ) के रूप में जल (नमी) में चले जाते हैं और इलेक्ट्रॉन धातु की सतह पर ही छूट जाते हैं।

$Fe(s) \rightarrow Fe^{2+}(aq) + 2e^-$

इस अर्ध-अभिक्रिया का मानक इलेक्ट्रोड विभव (Standard Electrode Potential) निम्नलिखित है:

$E^\circ_{(Fe^{2+}/Fe)} = -0.44 \text{ V}$

3.2 कैथोड पर अभिक्रिया (Reaction at Cathode – अपचयन)

ऐनोड पर मुक्त हुए इलेक्ट्रॉन लोहे की धातु के भीतर से होते हुए सतह के किसी अन्य स्थान पर पहुँचते हैं, जहाँ पानी और घुली हुई ऑक्सीजन उपस्थित होती है। यह स्थान कैथोड की तरह कार्य करता है। यहाँ वायुमंडलीय ऑक्सीजन ( $O_2$ ) जल में उपस्थित हाइड्रोजन आयनों ( $H^+$ ) की उपस्थिति में इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करके जल ( $H_2O$ ) में अपचित हो जाती है।

नोट: $H^+$ आयन जल में घुली हुई $CO_2$ (जो कार्बोनिक अम्ल $H_2CO_3$ बनाती है) या वातावरण के अन्य अम्लीय प्रदूषकों से प्राप्त होते हैं।

$O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^- \rightarrow 2H_2O(l)$

इस अपचयन अर्ध-अभिक्रिया का मानक इलेक्ट्रोड विभव है:

$E^\circ = 1.23 \text{ V}$

3.3 समग्र सेल अभिक्रिया (Overall Cell Reaction)

ऐनोड और कैथोड की अर्ध-अभिक्रियाओं को जोड़ने पर (इलेक्ट्रॉनों को संतुलित करने के लिए ऐनोड अभिक्रिया को 2 से गुणा करके), हमें जंग लगने वाले इस लघु सेल की समग्र अभिक्रिया प्राप्त होती है:

$2Fe(s) + O_2(g) + 4H^+(aq) \rightarrow 2Fe^{2+}(aq) + 2H_2O(l)$

इस सेल का समग्र मानक विभव (Overall Standard Cell Potential) होगा:

$E^\circ_{\text{cell}} = E^\circ_{\text{कैथोड}} - E^\circ_{\text{ऐनोड}}$

$E^\circ_{\text{cell}} = 1.23 \text{ V} - (-0.44 \text{ V}) = 1.67 \text{ V}$

धनात्मक सेल विभव यह सिद्ध करता है कि जंग लगने की यह प्रक्रिया स्वतः प्रवर्तित (Spontaneous) है।

3.4 जंग (Rust) का निर्माण

समग्र सेल अभिक्रिया में बने फेरस आयन ( $Fe^{2+}$ ) पानी की बूंद में घुल जाते हैं। वायुमंडल की अतिरिक्त ऑक्सीजन इन फेरस आयनों ( $Fe^{2+}$ ) को और अधिक ऑक्सीकृत करके फेरिक आयनों ( $Fe^{3+}$ ) में बदल देती है।

ये फेरिक आयन जल के साथ मिलकर हाइड्रेटेड फेरिक ऑक्साइड (Hydrated ferric oxide) का निर्माण करते हैं, जिसे हम जंग (Rust) कहते हैं।

$2Fe^{2+}(aq) + \frac{1}{2}O_2(g) + 2H_2O(l) \rightarrow Fe_2O_3(s) + 4H^+(aq)$

$Fe_2O_3(s) + xH_2O(l) \rightarrow Fe_2O_3 \cdot xH_2O(s)$

(जंग का रासायनिक सूत्र: $Fe_2O_3 \cdot xH_2O$ )

यहाँ उत्पन्न हुए $H^+$ आयन पुनः कैथोड अभिक्रिया में भाग लेते हैं, जिससे संक्षारण की प्रक्रिया लगातार चलती रहती है।

4. संक्षारण को प्रभावित करने वाले कारक (Factors Affecting Corrosion)

सभी धातुएं समान गति से संक्षारित नहीं होती हैं। संक्षारण की दर निम्नलिखित कारकों पर निर्भर करती है:

धातु की क्रियाशीलता (Reactivity of Metal): जो धातुएं वैद्युतरासायनिक श्रेणी (Electrochemical series) में हाइड्रोजन से ऊपर स्थित हैं (जिनका मानक अपचयन विभव अधिक ऋणात्मक है), वे अधिक क्रियाशील होती हैं और उनका संक्षारण उतनी ही तेजी से होता है। (जैसे— लोहा, जिंक)। सोना (Au) और प्लैटिनम (Pt) जैसी उत्कृष्ट धातुएं संक्षारित नहीं होती हैं।
अशुद्धियों की उपस्थिति (Presence of Impurities): शुद्ध धातु में संक्षारण बहुत धीमा होता है, लेकिन यदि धातु में अशुद्धियां मौजूद हैं, तो वे अशुद्धियां शुद्ध धातु के साथ मिलकर छोटे-छोटे गैल्वैनी सेल बना लेती हैं, जिससे संक्षारण की गति बढ़ जाती है।
वायु और नमी (Air and Moisture): संक्षारण के लिए ऑक्सीजन और जल दोनों की उपस्थिति अनिवार्य है। निर्वात (Vacuum) या पूरी तरह से शुष्क हवा (Dry air) में धातुएं संक्षारित नहीं होती हैं।
विद्युत अपघट्यों की उपस्थिति (Presence of Electrolytes): यदि जल में नमक या अन्य आयन घुले हों, तो जल की चालकता बढ़ जाती है, जिससे आयनों का प्रवाह आसान हो जाता है और संक्षारण बहुत तेजी से होता है। यही कारण है कि समुद्र के खारे पानी में लोहे के जहाजों में जंग बहुत जल्दी लगता है।
वायुमंडल का pH (pH of environment): अम्लीय वातावरण (कम pH) में $H^+$ आयनों की अधिकता होती है, जो कैथोडिक अपचयन अभिक्रिया को तेज कर देती है, जिससे संक्षारण तेजी से होता है।

5. संक्षारण (जंग लगने) से बचाव के उपाय (Prevention of Corrosion)

लोहे और अन्य धातुओं को संक्षारण से बचाने के लिए रसायन विज्ञान और इंजीनियरिंग में कई विधियां विकसित की गई हैं। इन सभी विधियों का मुख्य उद्देश्य धातु की सतह का संपर्क वायु और नमी से तोड़ना या वैद्युतरासायनिक सेल के निर्माण को रोकना है।

5.1 रोधी रक्षण (Barrier Protection)

यह सबसे सरल और सामान्य विधि है। इसमें धातु की सतह और वायु/नमी के बीच एक अभेद्य दीवार (Barrier) खड़ी कर दी जाती है, जिससे धातु सुरक्षित रहती है। यह निम्न प्रकार से किया जा सकता है:

पेंट करना (Painting): लोहे के दरवाजों, पुलों और वाहनों पर पेंट करके उन्हें जंग से बचाया जाता है।
तेल या ग्रीस लगाना (Oiling and Greasing): मशीनों के पुर्जों पर तेल या ग्रीस की परत चढ़ाकर नमी को दूर रखा जाता है।
असंक्षारक धातुओं की परत चढ़ाना (Electroplating): लोहे पर टिन (Sn), क्रोमियम (Cr) या निकेल (Ni) जैसी धातुओं की पतली परत विद्युत लेपन द्वारा चढ़ा दी जाती है (जैसे साइकिल के हैंडल और रिम पर)।

5.2 बलिदानी रक्षण (Sacrificial Protection)

इस विधि में लोहे की सतह को लोहे से अधिक क्रियाशील (More reactive) किसी अन्य धातु से ढक दिया जाता है। चूँकि ऊपरी धातु अधिक क्रियाशील होती है, इसलिए लोहे से पहले उसका ऑक्सीकरण (संक्षारण) होने लगता है। वह धातु खुद का बलिदान देकर लोहे को बचाती है।

यशद लेपन (Galvanization): लोहे की चादरों पर पिघले हुए जिंक (Zinc) की परत चढ़ाने की प्रक्रिया को यशद लेपन या गैल्वेनाइजेशन कहते हैं। जिंक, लोहे से अधिक क्रियाशील है ( $E^\circ_{Zn} = -0.76 \text{ V}$ , जबकि $E^\circ_{Fe} = -0.44 \text{ V}$ )। यदि जिंक की परत में कहीं खरोंच भी आ जाए, तो भी जिंक ही ऐनोड का कार्य करेगा और लोहे (जो कैथोड बन जाता है) की रक्षा करेगा।

5.3 कैथोडी रक्षण (Cathodic Protection / Electrical Protection)

यह विधि विशेष रूप से भूमिगत पाइपलाइनों (Underground pipelines) और समुद्र में चलने वाले जहाजों के पेंदे को जंग से बचाने के लिए उपयोग की जाती है।

प्रक्रिया: लोहे की पाइपलाइन को एक तार के माध्यम से मैग्नीशियम (Mg) या जिंक (Zn) जैसे अधिक क्रियाशील धातु के बड़े ब्लॉक से जोड़ दिया जाता है और उसे भी जमीन में गाड़ दिया जाता है।
सिद्धांत: अधिक क्रियाशील होने के कारण Mg या Zn ऐनोड (Anode) बन जाता है और इलेक्ट्रॉन त्यागकर स्वयं संक्षारित होने लगता है। लोहे की पाइपलाइन कैथोड (Cathode) बन जाती है और सुरक्षित रहती है। जब Mg या Zn का ब्लॉक पूरी तरह नष्ट हो जाता है, तो उसे बदलकर नया ब्लॉक लगा दिया जाता है।

5.4 जंग-रोधी विलयनों का उपयोग (Use of Anti-rust Solutions)

कारों के रेडिएटरों और अन्य बंद प्रणालियों में क्षारीय क्रोमेट या क्षारीय फॉस्फेट (Alkaline chromates or phosphates) के विलयनों का उपयोग किया जाता है। ये विलयन $H^+$ आयनों को उदासीन (Neutralize) कर देते हैं, जिससे जंग लगने की कैथोडिक अभिक्रिया अवरुद्ध हो जाती है। इसके अलावा, ये धातु की सतह पर एक अघुलनशील सुरक्षात्मक परत भी बना लेते हैं।

5.5 मिश्र धातु बनाना (Alloying)

लोहे में कुछ अन्य धातुओं को मिलाकर उसे जंग-रोधी मिश्र धातु में बदला जा सकता है। उदाहरण के लिए, लोहे में क्रोमियम (Cr) और निकेल (Ni) मिलाने पर ‘स्टेनलेस स्टील’ (Stainless Steel) प्राप्त होता है, जिस पर जंग नहीं लगता।

6. परीक्षा के लिए महत्वपूर्ण हल सहित प्रश्न (Solved Theoretical Questions)

बोर्ड परीक्षा में संक्षारण विषय से सैद्धांतिक (Theoretical) और कारण बताओ (Reasoning) वाले प्रश्न बहुत पूछे जाते हैं।

प्रश्न 1: लोहे पर जंग लगने की क्रियाविधि को वैद्युतरासायनिक सिद्धांत के आधार पर समझाइए। (दीर्घ उत्तरीय प्रश्न)

उत्तर: लोहे पर जंग लगना एक वैद्युतरासायनिक घटना है। जब लोहे पर पानी और ऑक्सीजन मौजूद होती है, तो सतह पर एक लघु गैल्वैनी सेल बन जाता है।

ऐनोड अभिक्रिया: लोहे की सतह ऑक्सीकृत होकर $Fe^{2+}$ आयन बनाती है: $Fe(s) \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-$
कैथोड अभिक्रिया: पानी में घुली $O_2$ , अम्लीय $H^+$ आयनों की उपस्थिति में इलेक्ट्रॉनों को ग्रहण करके जल बनाती है: $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$
ये $Fe^{2+}$ आयन वायुमंडलीय ऑक्सीजन द्वारा $Fe^{3+}$ में ऑक्सीकृत हो जाते हैं और जलयोजित फेरिक ऑक्साइड बनाते हैं, जिसे जंग कहते हैं: $Fe_2O_3 \cdot xH_2O$

प्रश्न 2: लोहे के संक्षारण को रोकने के लिए ‘यशद लेपन’ (Galvanization) क्या है? यदि जिंक की परत टूट भी जाए, तब भी लोहे पर जंग क्यों नहीं लगता?

उत्तर: लोहे पर जिंक (Zn) धातु की परत चढ़ाने की प्रक्रिया को यशद लेपन कहते हैं। जिंक का मानक अपचयन विभव (-0.76 V) लोहे (-0.44 V) की तुलना में अधिक ऋणात्मक होता है, अर्थात् जिंक लोहे से अधिक क्रियाशील है। यदि परत टूट भी जाती है, तो जिंक ऐनोड की तरह कार्य करके स्वयं ऑक्सीकृत होता रहता है ( $Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-$ ), और लोहे को कैथोड बना देता है, जिससे लोहे का ऑक्सीकरण (जंग लगना) रुक जाता है। इसे बलिदानी रक्षण कहते हैं।

प्रश्न 3: लोहे को जंग से बचाने के लिए कैथोडी रक्षण (Cathodic Protection) किस प्रकार किया जाता है?

उत्तर: भूमिगत लोहे के पाइपों या जहाजों को संक्षारण से बचाने के लिए उन्हें तार द्वारा मैग्नीशियम (Mg) या जिंक जैसे अधिक क्रियाशील धातु के ब्लॉक से जोड़ दिया जाता है। अधिक क्रियाशील धातु ऐनोड बनकर स्वयं नष्ट होती रहती है (बलिदानी ऐनोड), और पूरा लोहे का ढांचा कैथोड का कार्य करता है, जिससे वह सुरक्षित रहता है।

प्रश्न 4: समुद्र के पानी में रखे लोहे में, सामान्य पानी की तुलना में अधिक तेजी से जंग क्यों लगता है?

उत्तर: समुद्र के पानी में सोडियम क्लोराइड (NaCl) और अन्य लवण घुले होते हैं, जो मजबूत वैद्युत अपघट्य (Electrolytes) का कार्य करते हैं। ये लवण पानी की विद्युत चालकता (Conductivity) को बहुत अधिक बढ़ा देते हैं। इसके कारण वैद्युतरासायनिक सेल के भीतर आयनों का प्रवाह तेजी से होता है, जिससे जंग लगने की दर सामान्य पानी की तुलना में कई गुना बढ़ जाती है।

7. कक्षा 12वीं के छात्रों के लिए परीक्षा टिप्स (Exam Tips for 12th Students)

रासायनिक समीकरण अवश्य लिखें: संक्षारण के प्रश्न में, केवल थ्योरी (हिंदी) लिखने से पूरे अंक नहीं मिलते। आपको ऐनोड, कैथोड और समग्र सेल की रासायनिक अभिक्रियाएं (Reactions) स्पष्ट रूप से लिखनी चाहिए।
मानक विभव ( $E^\circ$ ) के मान याद रखें: यदि आप ऐनोड ( $Fe \rightarrow Fe^{2+}$ ) के लिए $E^\circ = -0.44 \text{ V}$ और कैथोड के लिए $E^\circ = 1.23 \text{ V}$ लिखते हैं, तो परीक्षक पर गहरा प्रभाव पड़ता है और आपको पूरे अंक मिलने की संभावना बढ़ जाती है।
जंग का सूत्र: बहुविकल्पीय प्रश्नों (MCQs) में अक्सर जंग (Rust) का रासायनिक सूत्र पूछा जाता है। इसे कंठस्थ कर लें: $Fe_2O_3 \cdot xH_2O$ (हाइड्रेटेड फेरिक ऑक्साइड)।
बलिदानी रक्षण की अवधारणा: गैल्वेनाइजेशन (यशद लेपन) और टिनिंग (Tinning – टिन की परत चढ़ाना) में अंतर स्पष्ट रखें। टिन लोहे से कम क्रियाशील होता है, इसलिए टिन की परत टूटने पर लोहे में जंग बहुत तेजी से लगता है। लेकिन जिंक की परत टूटने पर भी लोहे की रक्षा होती है।

8. अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQs)

प्रश्न 1: संक्षारण (Corrosion) और जंग लगने (Rusting) में क्या अंतर है?

उत्तर: संक्षारण एक व्यापक शब्द है जो किसी भी धातु (जैसे तांबा, चांदी, एल्युमिनियम) के क्षरण के लिए उपयोग किया जाता है। जबकि ‘जंग लगना’ (Rusting) शब्द का उपयोग विशेष रूप से केवल लोहे (Iron) के संक्षारण के लिए किया जाता है, जिसमें लाल-भूरे रंग का फेरिक ऑक्साइड बनता है।

प्रश्न 2: लोहे के पाइपों को जंग से बचाने के लिए उन पर मैग्नीशियम का ब्लॉक क्यों जोड़ा जाता है?

उत्तर: मैग्नीशियम (Mg) लोहे से अधिक क्रियाशील (Electropositive) धातु है। जब इसे लोहे से जोड़ा जाता है, तो यह ऐनोड का काम करता है और लोहे की रक्षा करते हुए स्वयं का संक्षारण करा लेता है। इस विधि को कैथोडी रक्षण कहते हैं।

प्रश्न 3: क्या सभी धातुओं का संक्षारण उनके लिए हानिकारक होता है?

उत्तर: नहीं, एल्युमिनियम (Aluminium) एक अपवाद है। जब एल्युमिनियम वायु के संपर्क में आता है, तो उस पर एल्युमिनियम ऑक्साइड ( $Al_2O_3$ ) की एक बहुत पतली, कठोर और पारदर्शी परत बन जाती है। यह परत इतनी मजबूत होती है कि यह अंदर के एल्युमिनियम को आगे संक्षारित होने से पूरी तरह बचा लेती है। इसे स्वयं-रक्षण (Self-protection) कहते हैं।

प्रश्न 4: निर्वात (Vacuum) या उबले हुए पानी में लोहे पर जंग क्यों नहीं लगता?

उत्तर: लोहे पर जंग लगने के लिए ऑक्सीजन (वायु) और नमी (जल) दोनों का एक साथ होना आवश्यक है। निर्वात में हवा और नमी दोनों नहीं होते। इसी तरह, उबले हुए पानी में घुली हुई ऑक्सीजन पूरी तरह बाहर निकल जाती है, इसलिए ऑक्सीजन की अनुपस्थिति के कारण उबले हुए पानी में डूबे लोहे पर जंग नहीं लगता।