डाइहाइड्रोजन, $\mathrm{H}_2$ की तैयारी

प्रयोगशाला में डाइहाइड्रोजन की तैयारी

(i) दानेदार जिंक के साथ तनु हाइड्रोक्लोरिक एसिड की अभिक्रिया द्वारा।

$$ \mathrm{Zn}+2 \mathrm{H}^{+} \rightarrow \mathrm{Zn}^{2+}+\mathrm{H}_2 $$

(ii) जिंक की जलीय क्षार के साथ अभिक्रिया द्वारा।

$$ \mathrm{Zn}+2 \mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{Na}_2 \mathrm{ZnO}_2+\mathrm{H}_2 $$

डाइहाइड्रोजन का व्यावसायिक उत्पादन

(i) प्लैटिनम इलेक्ट्रोडों का उपयोग करके अम्लित जल का विद्युत-अपघटन हाइड्रोजन देता है।

$$ 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) \xrightarrow[\text { थोड़ी मात्रा में अम्ल/क्षार }]{\text { विद्युत-अपघटन }} 2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) $$

(ii) उच्च शुद्धता (>99.95 %) वाला डाइहाइड्रोजन निकल इलेक्ट्रोडों के बीच गर्म जलीय बेरियम हाइड्रॉक्साइड विलयन के विद्युत-अपघटन द्वारा प्राप्त किया जाता है।

(iii) ब्राइन विलयन के विद्युत-अपघटन द्वारा

ऐनोड पर: $2 \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g})+2 \mathrm{e}^{-}$

कैथोड पर: $2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$ (l) $+2 \mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+2 \mathrm{OH}^{-}$(aq)

कुल अभिक्रिया है

$$ \begin{gathered} 2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Cl}^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) \ \downarrow \ \mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+2 \mathrm{Na}^{+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) \end{gathered} $$

(iv) उच्च तापमान पर हाइड्रोकार्बन या कोक पर भाप की अभिक्रिया उत्प्रेरक की उपस्थिति में हाइड्रोजन उत्पन्न करती है।

भौतिक गुण

डाइहाइड्रोजन एक रंगहीन, गंधहीन, स्वादहीन, दहनशील गैस है। यह वायु से हल्की है और पानी में अघुलनशील है।

रासायनिक गुण

• H–H बंध विघटन एन्थैल्पी किसी भी तत्व के दो परमाणुओं के बीच एकल बंध के लिए सबसे अधिक है (क्योंकि डाइहाइड्रोजन के परमाणुओं में विघटन केवल ~0.081% लगभग 2000K पर होता है जो 5000K पर बढ़कर 95.5% हो जाता है)।

• हैलोजनों के साथ अभिक्रिया: यह हैलोजनों, $\mathrm{X}_2$ के साथ अभिक्रिया करके हाइड्रोजन हैलाइड, $\mathrm{HX}$ देता है,

$$ \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{X}_2(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{HX}(\mathrm{g}) \quad(\mathrm{X}=\mathrm{F}, \mathrm{Cl}, \mathrm{Br}, \mathrm{I}) $$

जबकि फ्लोरीन के साथ अभिक्रिया अंधेरे में भी होती है, आयोडीन के साथ इसके लिए उत्प्रेरक की आवश्यकता होती है। डाइऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया: यह डाइऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया करके जल बनाता है। यह अभिक्रिया अत्यधिक ऊष्माक्षेपी है।

$$ \begin{aligned} 2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{O}_2 \text { (g) } \xrightarrow{\text { उत्प्रेरक या ताप }} & 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) ; \ \Delta H^{\ominus} & =-285.9 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol}^{-1} \end{aligned} $$

• डाइनाइट्रोजन के साथ अभिक्रिया: डाइनाइट्रोजन के साथ यह अमोनिया बनाता है।

$$ \begin{aligned} & 3 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{N}_2(\mathrm{~g}) \xrightarrow[\mathrm{Fe}]{673 \mathrm{~K}, 200 \mathrm{~atm}} 2 \mathrm{NH}_3(\mathrm{~g}) \text {; } \ & \Delta H^{\ominus}=-92.6 \mathrm{~kJ} \mathrm{~mol}^{-1} \ & \end{aligned} $$

यह हेबर प्रक्रिया द्वारा अमोनिया के निर्माण की विधि है।

• धातुओं के साथ अभिक्रियाएँ: कई धातुओं के साथ यह उच्च तापमान पर संयुक्त होकर संगत हाइड्राइड देता है

$$ \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+2 \mathrm{M}(\mathrm{g}) \rightarrow 2 \mathrm{MH}(\mathrm{s}) \text {; } $$

जहाँ $\mathrm{M}$ एक क्षारीय धातु है

• धातु आयनों और धातु ऑक्साइडों के साथ अभिक्रियाएँ: यह जलीय विलयन में कुछ धातु आयनों और (लोहे से कम सक्रिय) धातुओं के ऑक्साइडों को संगत धातुओं में अपचयित करता है।

$$\mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{Pd}^{2+}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{Pd}(\mathrm{s})+2 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})$$

$$\mathrm{yH}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{M} _{\mathrm{x}} \mathrm{O} _{\mathrm{y}}(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{xM}(\mathrm{s})+\mathrm{yH} _2 \mathrm{O}(\mathrm{l})$$

• कार्बनिक यौगिकों के साथ अभिक्रियाएँ: यह उत्प्रेरकों की उपस्थिति में कई कार्बनिक यौगिकों के साथ अभिक्रिया कर व्यावसायिक महत्व के उपयोगी हाइड्रोजनीकृत उत्पाद देता है। उदाहरण के लिए :

(i) निकेल को उत्प्रेरक के रूप में प्रयोग कर वनस्पति तेलों के हाइड्रोजनीकरण से खाद्य वसाएँ (मार्जरीन और वनस्पति घी) प्राप्त होते हैं

(ii) ओलेफिनों की हाइड्रोफॉर्मिलेशन से एल्डिहाइड प्राप्त होते हैं जो आगे अपचयन से एल्कोहल देते हैं।

$$\mathrm{H}_2+\mathrm{CO}+\mathrm{RCH}=\mathrm{CH}_2 \rightarrow \mathrm{RCH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CHO}$$

$$ \mathrm{H}_2+\mathrm{RCH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CHO} \rightarrow \mathrm{RCH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{OH} $$

डाइहाइड्रोजन के उपयोग

• अमोनिया के संश्लेषण में, जिसका उपयोग नाइट्रिक अम्ल और नाइट्रोजनयुक्त उर्वरकों के निर्माण में होता है।
• वनस्पति वसा के निर्माण में, बहु-असंतृप्त वनस्पति तेलों जैसे सोयाबीन, कपास के बीज आदि के हाइड्रोजनीकरण द्वारा।
• यह थोक कार्बनिक रसायनों, विशेष रूप से मेथानॉल के निर्माण में प्रयुक्त होता है।

$$ \mathrm{CO}(\mathrm{g})+2 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g}) \xrightarrow[\text { उत्प्रेरक }]{\text { कोबाल्ट }} \mathrm{CH}_3 \mathrm{OH}(1) $$

• यह धातु हाइड्राइड्स के निर्माण में व्यापक रूप से प्रयुक्त होता है।
• यह अत्यंत उपयोगी रसायन, हाइड्रोजन क्लोराइड की तैयारी में प्रयुक्त होता है।
• धातुकर्म प्रक्रमों में, यह भारी धातु ऑक्साइडों को धातुओं में अपचयित करने के लिए प्रयुक्त होता है।
• यह अंतरिक्ष अनुसंधान में रॉकेट ईंधन के रूप में प्रयुक्त होता है।
• डाइहाइड्रोजन विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए ईंधन सेलों में प्रयुक्त होता है।

हाइड्राइड्स

कुछ प्रतिक्रिया परिस्थितियों के अंतर्गत, $\mathrm H_2$ लगभग सभी तत्वों के साथ, नोबल गैसों को छोड़कर, संयोजित होकर हाइड्राइड्स बनाता है। $\mathrm{EH} _{\mathrm{x}}$ (उदा., $\mathrm{MgH} _2$ ) या $\mathrm{E} _{\mathrm{m}} \mathrm{H} _{\mathrm{n}}$ (उदा., $\mathrm{B} _2 \mathrm{H} _6$ )।

प्रकार:

(i) आयनिक या लवणीय या लवणसदृश हाइड्राइड्स

(ii) सहसंयोजी या आण्विक हाइड्राइड्स

(iii) धात्विक या अ-स्टॉइकियोमीट्रिक हाइड्राइड्स

पानी

पानी के भौतिक गुण

• यह एक रंगहीन और स्वादहीन द्रव है।

• अन्य द्रवों की तुलना में, पानी में विशिष्ट ऊष्मा, ऊष्मीय चालकता, सतह तनाव, द्विध्रुव आघूर्ण और परावैद्युतांक आदि अधिक होते हैं।

बर्फ की संरचना

बर्फ में अत्यधिक क्रमबद्ध त्रिविमीय हाइड्रोजन बंधित संरचना होती है जैसा कि दिखाया गया है।

बर्फ क्रिस्टलों की एक्स-रे से जांच करने पर दिखता है कि प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु चार अन्य ऑक्सीजन परमाणुओं से 276 pm की दूरी पर चतुष्फलकीय रूप से घिरा होता है। हाइड्रोजन बंधन बर्फ को एक खुली प्रकार की संरचना देता है जिसमें चौड़े छिद्र होते हैं। ये छिद्र उपयुक्त आकार के कुछ अन्य अणुओं को अंतरस्थ रूप से रख सकते हैं।

पानी के रासायनिक गुण

• उभयधर्मी प्रकृति:

इसमें अम्ल के रूप में तथा क्षार के रूप में कार्य करने की क्षमता होती है, अर्थात् यह एक उभयधर्मी पदार्थ के समान व्यवहार करता है।

$$\mathrm{H}_2 \mathrm{O}(1)+\mathrm{NH}_3(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{NH}_4^{+}(\mathrm{aq})$$

$$\mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{H}_2 \mathrm{~S}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{H}_3 \mathrm{O}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{HS}^{-}(\mathrm{aq})$$

पानी का स्व-प्रोटोनीकरण (स्व-आयनन) इस प्रकार होता है :

$$ \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(1)+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}(1) \rightarrow \quad \mathrm{H}_3 \mathrm{O}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{OH}^{-}(\mathrm{aq}) $$

जल से संबंधित ऑक्सी-अपचयन (रेडॉक्स) अभिक्रियाएँ:

जल को अत्यधिक धनायन धातुओं द्वारा सरलता से डाइहाइड्रोजन में अपचयित किया जा सकता है।

$$ 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})+2 \mathrm{Na}(\mathrm{s}) \rightarrow 2 \mathrm{NaOH}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_2(\mathrm{~g}) $$

इस प्रकार, यह डाइहाइड्रोजन का एक उत्कृष्ट स्रोत है।
प्रकाश-संश्लेषण के दौरान जल को ऑक्सीकृत करके (\mathrm{O}_2) बनाया जाता है।

$$ 6 \mathrm{CO} _2(\mathrm{~g})+12 \mathrm{H} _2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow \mathrm{C} _6 \mathrm{H} _{12} \mathrm{O}_6(\mathrm{aq})+ 6 \mathrm{H} _2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) +6 \mathrm{O} _2(\mathrm{~g}) $$

फ्लुओरीन के साथ भी यह (\mathrm{O}_2) में ऑक्सीकृत होता है।

$$ 2 \mathrm{~F}_2(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 4 \mathrm{H}^+(\mathrm{aq})+4 \mathrm{~F}^{-}(\mathrm{aq})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) $$

जल-अपघटन (हाइड्रोलिसिस) अभिक्रिया:

उच्च डाइइलेक्ट्रिक नियतांक के कारण इसमें अत्यंत प्रबल जलयोजन प्रवृत्ति होती है। यह अनेक आयनिक यौगिकों को विलेय बनाता है। तथापि, कुछ सहसंयोजी तथा कुछ आयनिक यौगिक जल में हाइड्रोलिसित हो जाते हैं।

$$ \mathrm{P} _4 \mathrm{O} _{10}(\mathrm{~s})+6 \mathrm{H} _2 \mathrm{O}(1) \rightarrow 4 \mathrm{H} _3 \mathrm{PO} _4(\mathrm{aq})$$

$$ \mathrm{SiCl} 4(1)+2 \mathrm{H} 2 \mathrm{O}(1) \rightarrow \mathrm{SiO} 2(\mathrm{~s})+4 \mathrm{HCl}(\mathrm{aq})$$

हाइड्रोजन पेरॉक्साइड (\left(\mathrm{H} 2 \mathrm{O} 2\right))

हाइड्रोजन पेरॉक्साइड एक महत्वपूर्ण रसायन है जिसका उपयोग प्रदूषण नियंत्रण तथा घरेलू और औद्योगिक अपशिष्टों के उपचार में होता है।

तैयारी

(i) बेरियम पेरॉक्साइड को अम्लीय बनाकर और घटित दबाव में वाष्पीकरण द्वारा अतिरिक्त जल हटाने पर हाइड्रोजन पेरॉक्साइड प्राप्त होता है।

$$ \begin{array}{r} \mathrm{BaO} 2 \cdot 8 \mathrm{H} 2 \mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{H} 2 \mathrm{SO} 4(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{BaSO} 4(\mathrm{~s})+ \ \mathrm{H} 2 \mathrm{O} 2(\mathrm{aq})+8 \mathrm{H} 2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) \end{array} $$

(ii) परऑक्सोडाइसल्फेट, जो अम्लीय सल्फेट विलयनों की उच्च धारा घनत्व पर विद्युत-अपघटनीय ऑक्सीकरण द्वारा प्राप्त होता है, जलअपघटन पर हाइड्रोजन पेरॉक्साइड देता है।

$$ \begin{aligned} & 2 \mathrm{HSO}_4^{-}(\mathrm{aq}) \xrightarrow{\text { Electrolysis }} \mathrm{HO}_3 \mathrm{SOOSO}_3 \mathrm{H}(\mathrm{aq}) \ & \xrightarrow{\text { Hydrolysis }} 2 \mathrm{HSO}_4^{-}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2(\mathrm{aq}) \ & \end{aligned} $$

इस विधि का उपयोग अब प्रयोगशाला में $\mathrm{D}_2 \mathrm{O}_2$ की तैयारी के लिए किया जाता है।

$$ \mathrm{K}_2 \mathrm{~S}_2 \mathrm{O}_8(\mathrm{~s})+2 \mathrm{D}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{KDSO}_4(\mathrm{aq})+\mathrm{D}_2 \mathrm{O}_2(\mathrm{l}) $$

(iii) औद्योगिक रूप से इसे 2-एल्किलऐन्थ्राक्विनॉल्स के स्व-ऑक्सीकरण द्वारा तैयार किया जाता है।

भौतिक गुण

• शुद्ध अवस्था में $\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2$ लगभग बिना रंग का (बहुत हल्का नीला) द्रव होता है।
• $\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2$ जल के साथ सभी अनुपातों में मिश्रणीय है और एक हाइड्रेट $\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2 \cdot \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$ (गलनांक $221 \mathrm{~K}$) बनाता है।
• $\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2$ का $30 %$ विलयन ‘100 वॉल्यूम’ हाइड्रोजन परॉक्साइड के रूप में बाज़ार में बेचा जाता है। इसका अर्थ है कि $30 % \mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2$ विलयन का एक मिलीलीटर STP पर $100 \mathrm{~mL}$ ऑक्सीजन देगा। व्यावसायिक रूप से बेचा गया नमूना $10 \mathrm{~V}$ होता है, जिसका अर्थ है कि नमूने में $3 % \mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2$ है।

संरचना

इकी संरचना समतलीय नहीं होती है।

रासायनिक गुण

• यह अम्लीय और क्षारीय दोनों माध्यमों में ऑक्सीकारक तथा अपचायक दोनों के रूप में कार्य करता है।

(i) अम्लीय माध्यम में ऑक्सीकारक क्रिया

$$ 2 \mathrm{Fe}^{2+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H}^{+}(\mathrm{aq})+ \mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2(\mathrm{aq}) \rightarrow \ 2 \mathrm{Fe}^{3+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})$$

$$\mathrm{PbS}(\mathrm{s})+4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{PbSO}_4(\mathrm{~s})+4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})$$

(ii) अम्लीय माध्यम में अपचायक क्रिया

$$2 \mathrm{MnO}_4^{-}+6 \mathrm{H}^{+}+5 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2 \rightarrow 2 \mathrm{Mn}^{2+}+8 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+5 \mathrm{O}_2$$

$$\mathrm{HOCl}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{H}_3 \mathrm{O}^{+}+\mathrm{Cl}^{-}+\mathrm{O}_2$$

(iii) क्षारीय माध्यम में ऑक्सीडाइजिंग क्रिया

$$2 \mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2 \rightarrow 2 \mathrm{Fe}^{3+}+2 \mathrm{OH}^{-}$$

$$\mathrm{Mn}^{2+}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{Mn}^{4+}+2 \mathrm{OH}^{-}$$

(iv) क्षारीय माध्यम में रिड्यूसिंग क्रिया

$$\mathrm{I}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2+2 \mathrm{OH}^{-} \rightarrow 2 \mathrm{I}^{-}+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+\mathrm{O}_2$$

$$2 \mathrm{MnO}_4^{-}+3 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2 \rightarrow 2 \mathrm{MnO}_2+3 \mathrm{O}_2+ \ 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+2 \mathrm{OH}^{-}$$

भंडारण

$\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2$ प्रकाश के संपर्क में आने पर धीरे-धीरे अपघटित होता है।

$$ 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2(\mathrm{l}) \rightarrow 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) $$

धातु की सतहों या कांच के बर्तनों में मौजूद क्षार के अंशों की उपस्थिति में उपरोक्त अभिक्रिया उत्प्रेरित होती है। इसलिए इसे मोम-लाइन किए गए कांच या प्लास्टिक के बर्तनों में अंधेरे में संग्रहित किया जाता है। यूरिया को स्थिरीकरण के लिए मिलाया जा सकता है। इसे धूल से दूर रखा जाता है क्योंकि धूल इस यौगिक के विस्फोटक अपघटन को उत्प्रेरित कर सकती है।

उपयोग

• दैनिक जीवन में इसे बालों को ब्लीच करने और हल्के डिसइन्फेक्टेंट के रूप में प्रयोग किया जाता है। एक एंटीसेप्टिक के रूप में इसे बाज़ार में पर्हाइड्रोल के नाम से बेचा जाता है।
• इसका उपयोग सोडियम परबोरेट और पर-कार्बोनेट जैसे रसायनों के निर्माण के लिए किया जाता है, जो उच्च गुणवत्ता वाले डिटर्जेंट्स में प्रयोग होते हैं।
• इसका उपयोग हाइड्रोक्विनोन, टारटरिक एसिड और कुछ खाद्य उत्पादों तथा फार्मास्यूटिकल्स (सेफेलोस्पोरिन) आदि के संश्लेषण में होता है।

भारी जल ($\mathrm{D}_2 \mathrm{O}$)

• इसे परमाणु रिएक्टरों में मॉडरेटर के रूप में और अभिक्रिया के तंत्रों के अध्ययन के लिए विनिमय अभिक्रियाओं में व्यापक रूप से प्रयोग किया जाता है।
• इसे जल के विस्तृत विद्युत-विश्लेषण द्वारा या कुछ उर्वरक उद्योगों में उप-उत्पाद के रूप में तैयार किया जा सकता है।
• इसका उपयोग अन्य ड्यूटेरियम यौगिकों की तैयारी के लिए किया जाता है, उदाहरण के लिए:

$$\mathrm{CaC}_2+2 \mathrm{D}_2 \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{C}_2 \mathrm{D}_2+\mathrm{Ca}(\mathrm{OD})_2$$

$$\mathrm{SO}_3+\mathrm{D}_2 \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{D}_2 \mathrm{SO}_4$$

$$\mathrm{Al}_4 \mathrm{C}_3+12 \mathrm{D}_2 \mathrm{O} \rightarrow 3 \mathrm{CD}_4+4 \mathrm{Al}(\mathrm{OD})_3 $$