पदार्थों का क्षरण: संक्षारण तथा बहुलक अपघटन

अभ्यास प्रश्न (17)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

1. जस्ता (E° = −0.76 V) और ताँबा (E° = +0.34 V) विद्युत रूप से जुड़े हैं और एक ही वायुमिश्रित जलीय विद्युत-अपघट्य में डूबे हैं। कौन-सा कथन सही है?

   1. ताँबा एनोड है और घुलता है, क्योंकि उसका विभव अधिक है
   2. कोई भी धातु संक्षारित नहीं होती, क्योंकि दोनों धातुएँ हैं और इलेक्ट्रॉन चालित करती हैं
   3. जस्ता एनोड है और संक्षारित होता है, जबकि ताँबा कैथोड है
   4. दोनों समान दर से संक्षारित होते हैं क्योंकि प्रत्येक से समान धारा बहती है
   उत्तर देखें

   उत्तर: C — जस्ता एनोड है और संक्षारित होता है, जबकि ताँबा कैथोड है

   अधिक ऋणात्मक विभव वाली धातु एनोड होती है और ऑक्सीकृत होती है; जस्ता घुलता है और इलेक्ट्रॉन ताँबे की ओर बहते हैं जहाँ ऑक्सीजन अपचयित होती है। ताँबे को एनोड बताना नियम उलट देता है। दोनों से समान धारा बहती तो है, पर धातु को घोलने वाली एनोडी धारा है, जो पूरी जस्ते पर है।

2. एक ताँबे की छड़ CuSO₄ विलयन में डूबी है। नर्न्स्ट समीकरण के अनुसार, यदि 25 °C पर Cu²⁺ सांद्रता 1 M से घटाकर 0.001 M की जाए, तो इलेक्ट्रोड विभव

   1. लगभग 0.09 V बढ़ता है, अतः ताँबा अधिक उत्कृष्ट हो जाता है
   2. लगभग 0.09 V घटता है, अतः ताँबा अधिक सक्रिय हो जाता है
   3. लगभग 0.18 V घटता है क्योंकि सांद्रता के तीन दशक सम्मिलित हैं
   4. नहीं बदलता, क्योंकि धातु का विभव केवल E° तय करता है
   उत्तर देखें

   उत्तर: B — लगभग 0.09 V घटता है, अतः ताँबा अधिक सक्रिय हो जाता है

   E = E° + (0.0592/2) log₁₀[Cu²⁺]। 1 M से 0.001 M पर 0.0296 × (−3) = −0.089 V, अर्थात् लगभग 0.09 V की गिरावट, अतः ताँबा अधिक सक्रिय हो जाता है। विभव सांद्रता बढ़ने पर बढ़ता है, घटाने पर नहीं। 0.18 V का आँकड़ा n = 2 से भाग देना भूल जाता है, और केवल E° इकाई सक्रियता पर ही लागू होता है।

3. स्टेनलेस स्टील अनेक परिवेशों में संक्षारण का प्रतिरोध मुख्यतः इसलिए करता है क्योंकि

   1. क्रोमियम उसके मानक इलेक्ट्रोड विभव को लोहे के विभव से कहीं अधिक धनात्मक बना देता है
   2. वह पतली, चिपकी हुई व स्वयं-मरम्मत करने वाली क्रोमियम-समृद्ध ऑक्साइड फ़िल्म बनाता है जो एनोडी विलयन रोकती है
   3. इस्पात का कार्बन लोहे के लिए बलि एनोड का काम करता है
   4. उसमें लोहा नहीं होता, अतः उसकी सतह पर कोई एनोडी अभिक्रिया नहीं हो सकती
   उत्तर देखें

   उत्तर: B — वह पतली, चिपकी हुई व स्वयं-मरम्मत करने वाली क्रोमियम-समृद्ध ऑक्साइड फ़िल्म बनाता है जो एनोडी विलयन रोकती है

   क्रोमियम (लगभग 12 wt% से अधिक) सुरक्षात्मक निष्क्रिय फ़िल्म बनाता है जो खरोंच पर फिर बन जाती है और एनोडी धारा को बहुत छोटे निष्क्रिय मान तक गिरा देती है। क्रोमियम स्वयं ऋणात्मक E° की सक्रिय धातु है, अतः emf श्रेणी में विभव का धनात्मक खिसकना कारण नहीं है। इस्पात का कार्बन लोहे की रक्षा नहीं करता, और स्टेनलेस स्टील अधिकांशतः लोहा ही है।

4. मृदु इस्पात उदासीन जल में संक्षारित होता है, और कैथोडी अभिक्रिया O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ सतह तक घुली ऑक्सीजन के विसरण से सीमित है। यदि जल को अधिक ज़ोर से विलोड़ित किया जाए, तो संक्षारण धारा से अपेक्षित है कि वह

   1. अपरिवर्तित रहे, क्योंकि केवल एनोडी अभिक्रिया दर तय करती है
   2. घटे, क्योंकि विलोड़न धातु आयनों को सतह से हटा देता है
   3. शून्य हो जाए, क्योंकि ऑक्सीजन धातु से दूर बह जाती है
   4. बढ़े, क्योंकि ऑक्सीजन अपचयन की सीमांत धारा घनत्व बढ़ जाती है
   उत्तर देखें

   उत्तर: D — बढ़े, क्योंकि ऑक्सीजन अपचयन की सीमांत धारा घनत्व बढ़ जाती है

   विलोड़न विसरण परत को पतला करता है और ऑक्सीजन की सीमांत धारा बढ़ाता है। जब कैथोडी अभिक्रिया दर नियंत्रित करती है, तब बड़ी कैथोडी सीमांत धारा संक्षारण धारा को उतना ही बढ़ाती है। कैथोड सीमक चरण हो तो केवल एनोडी अभिक्रिया दर तय नहीं कर सकती, और विलोड़न ऑक्सीजन को सतह से दूर नहीं बल्कि उसकी ओर लाता है।

5. एक गैल्वेनिक सेल Zn | Zn²⁺ (0.01 M) || Cu²⁺ (1.0 M) | Cu 25 °C पर कार्य करती है। E°(Zn²⁺/Zn) = −0.76 V, E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 V तथा 2.303RT/F = 0.0592 V लें। सेल विभव ____ V है (दो दशमलव स्थान तक)।

   संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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   उत्तर: 1.16

   E°_सेल = 0.34 − (−0.76) = 1.10 V। Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu हेतु Q = 0.01/1.0 तथा n = 2, अतः E = 1.10 − (0.0592/2) log₁₀(0.01) = 1.10 + 0.0592 = 1.159, अर्थात् 1.16 V। Q को उलटने पर 1.04 V मिलता।

6. लोहा Fe²⁺ के रूप में घुलते हुए 50 μA/cm² धारा घनत्व पर समरूप संक्षारित होता है। M = 55.85 g/mol, घनत्व 7.87 g/cm³, F = 96 485 C/mol तथा 1 वर्ष = 3.1536 × 10⁷ s लें। भेदन (मोटाई क्षय) दर ____ mm प्रति वर्ष है (दो दशमलव स्थान तक)।

   संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

   उत्तर देखें

   उत्तर: 0.58

   प्रति क्षेत्र व समय द्रव्यमान क्षय: w = iM/(nF) = (5 × 10⁻⁵ × 55.85)/(2 × 96 485) = 1.447 × 10⁻⁸ g cm⁻² s⁻¹। मोटाई दर = w/ρ = 1.839 × 10⁻⁹ cm/s; इसे 3.1536 × 10⁷ s से गुणा करने पर 0.0580 cm = 0.58 mm/yr। n = 3 लेने पर 0.39 मिलता।

7. गैल्वेनिक संक्षारण व इलेक्ट्रोड विभवों के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

   1. गैल्वेनिक श्रेणी किसी निर्दिष्ट परिवेश, जैसे समुद्री जल, में मापी जाती है और उसमें मिश्रधातुएँ व निष्क्रिय धातुएँ सम्मिलित होती हैं
   2. बड़े कैथोड क्षेत्र से जुड़ा छोटा एनोड क्षेत्र उच्च एनोडी धारा घनत्व व तेज़ क्षरण देता है
   3. E_सेल = E_एनोड − E_कैथोड है, अतः स्वतः प्रवर्तित सेल का विभव ऋणात्मक होता है
   4. मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड emf श्रेणी में 0 V मानी गई संदर्भ है
   उत्तर देखें

   उत्तर: A — गैल्वेनिक श्रेणी किसी निर्दिष्ट परिवेश, जैसे समुद्री जल, में मापी जाती है और उसमें मिश्रधातुएँ व निष्क्रिय धातुएँ सम्मिलित होती हैं; B — बड़े कैथोड क्षेत्र से जुड़ा छोटा एनोड क्षेत्र उच्च एनोडी धारा घनत्व व तेज़ क्षरण देता है; D — मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड emf श्रेणी में 0 V मानी गई संदर्भ है

   गैल्वेनिक श्रेणी परिवेश-विशिष्ट है और मिश्रधातुओं को शामिल करती है, क्षेत्र अनुपात एनोड पर धारा घनत्व तय करता है, और हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड 0 V परिभाषित करता है। सेल विभव का संबंध उलटा है: E_सेल = E_कैथोड − E_एनोड, जो स्वतः प्रवर्तित सेल हेतु धनात्मक होता है।

8. 0.08 wt% C वाले वेल्डित ऑस्टेनिटी स्टेनलेस स्टील में वेल्ड के निकट, लगभग 500 से 800 °C पर रहे क्षेत्र में, कण-सीमाओं के साथ क्षरण दिखता है। सबसे संभावित कारण है

   1. सीमाओं पर क्रोमियम कार्बाइड का अवक्षेपण, जो पास की पट्टियों को क्रोमियम-अल्प छोड़ देता है
   2. वेल्ड छींटों के नीचे विभेदी वातन, जो भीतरी भाग को एनोड बना देता है
   3. मिश्रधातु से निकल का वरणात्मक निष्कासन जिससे सरंध्र अवशेष बचे
   4. वेल्ड धातु में बड़े एनोड के संपर्क में छोटा कैथोड
   उत्तर देखें

   उत्तर: A — सीमाओं पर क्रोमियम कार्बाइड का अवक्षेपण, जो पास की पट्टियों को क्रोमियम-अल्प छोड़ देता है

   यह सुग्राहीकरण है: सीमाओं पर Cr₂₃C₆ प्रकार का कार्बाइड बनता है और पास का क्षेत्र निष्क्रियता हेतु आवश्यक Cr स्तर से नीचे चला जाता है, अतः सीमाएँ संक्षारित होती हैं। दरार क्षरण भिन्न रूप है जिसकी जगह भिन्न होती है। यहाँ निकल का कोई वरणात्मक निक्षालन नहीं होता, और बड़े एनोड पर छोटा कैथोड स्थानीय क्षरण बढ़ाता नहीं, घटाता है।

9. वायुमिश्रित समुद्री जल में किसी अन्य सतह से बोल्ट से जुड़ी स्टेनलेस स्टील पट्टिका के दरार संक्षारण में जो क्षेत्र एनोड का कार्य करता है, वह है

   1. खुली बाहरी सतह, जहाँ ऑक्सीजन प्रचुर है
   2. संकरे अंतराल के भीतर का ऑक्सीजन-अल्प धातु
   3. बोल्ट, क्योंकि बन्धक सदा पट्टिकाओं के प्रति एनोडी होते हैं
   4. पूरी पट्टिका समान रूप से, क्योंकि विभव एकसमान है
   उत्तर देखें

   उत्तर: B — संकरे अंतराल के भीतर का ऑक्सीजन-अल्प धातु

   अंतराल के भीतर उपभुक्त ऑक्सीजन की पूर्ति नहीं होती, अतः भीतरी भाग ऑक्सीजन-अल्प होकर एनोड बनता है और खुली सतह कैथोड। ऑक्सीजन-समृद्ध बाहरी सतह कैथोड है। बन्धक एनोडी है या नहीं यह धातुओं पर निर्भर है, बन्धक होने पर नहीं, और एकसमान विभव स्थानीय क्षरण नहीं देता।

10. एक पीतल घटक आर्द्र अमोनिया-युक्त वातावरण में, अभिकल्प भार प्रवाह-सीमा से बहुत कम होने पर भी, दरार से विफल होता है। कौन-सा परिवर्तन विफलता रोकने में सर्वाधिक निश्चित है?

    1. भाग पर पेंट करना, क्योंकि दरारें सामान्य सतही जंग से आरंभ होती हैं
    2. अवशिष्ट तनन प्रतिबल हटाने हेतु प्रतिबल-निर्मुक्ति तापानुशीतन, या परिवेश से अमोनिया हटाना
    3. अनुप्रस्थ काट बड़ी करना ताकि आरोपित प्रतिबल सहनशीलता सीमा से कम रहे
    4. भाग को अधिक उत्कृष्ट धातु से जोड़ना ताकि पीतल कैथोड बन जाए
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — अवशिष्ट तनन प्रतिबल हटाने हेतु प्रतिबल-निर्मुक्ति तापानुशीतन, या परिवेश से अमोनिया हटाना

    प्रतिबल संक्षारण दरार के लिए तनन प्रतिबल (आरोपित या अवशिष्ट) तथा विशिष्ट परिवेश, यहाँ पीतल के साथ अमोनिया, दोनों चाहिए। एक भी हटाने पर यह रुकती है, और प्रतिबल-निर्मुक्ति तापानुशीतन अवशिष्ट प्रतिबल हटाता है। बड़ी काट केवल आरोपित प्रतिबल घटाती है; अवशिष्ट प्रतिबल बना रहता है और दरार कम प्रतिबल पर भी बढ़ सकती है। पेंट टूट सकता है, और उत्कृष्ट धातु से जोड़ने पर पीतल कैथोड नहीं, एनोड बनता।

11. संक्षारण निवारण के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. इस्पात हेतु बलि एनोड का विभव इस्पात से अधिक ऋणात्मक होना चाहिए, जैसा मैग्नीशियम या जस्ते का है
    2. आरोपित धारा पद्धति को बाह्य DC स्रोत तथा लगभग अक्रिय एनोड, जैसे ग्रेफ़ाइट, चाहिए
    3. कैथोडी संरक्षण संरचना को सेल का एनोड बनाकर काम करता है
    4. एनोडी संदमक धातु पर निष्क्रिय फ़िल्म को सुदृढ़ करके कार्य करते हैं
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — इस्पात हेतु बलि एनोड का विभव इस्पात से अधिक ऋणात्मक होना चाहिए, जैसा मैग्नीशियम या जस्ते का है; B — आरोपित धारा पद्धति को बाह्य DC स्रोत तथा लगभग अक्रिय एनोड, जैसे ग्रेफ़ाइट, चाहिए; D — एनोडी संदमक धातु पर निष्क्रिय फ़िल्म को सुदृढ़ करके कार्य करते हैं

    एनोड इस्पात से अधिक सक्रिय होना चाहिए, आरोपित धारा पद्धति को DC आपूर्ति तथा अक्रिय एनोड चाहिए, और एनोडी संदमक निष्क्रियता बढ़ाते हैं। कैथोडी संरक्षण संरचना को एनोड बनाने के दावे का उलटा करता है: वह संरचना को कैथोड बनाता है, और बलि या अक्रिय एनोड कहीं और रहता है।

12. एक जस्ता बलि एनोड (M = 65.4 g/mol, Zn²⁺ के रूप में घुलता है) पाइपलाइन को 365 दिन (3.1536 × 10⁷ s) के एक वर्ष तक 0.5 A की स्थिर धारा देता है। F = 96 485 C/mol लें। सारा आवेश जस्ते के घुलने से आता मानकर, खपत हुए जस्ते का द्रव्यमान ____ kg है (दो दशमलव स्थान तक)।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 5.34

    आवेश = 0.5 × 3.1536 × 10⁷ = 1.5768 × 10⁷ C। Zn के मोल = Q/(nF) = 1.5768 × 10⁷/(2 × 96 485) = 81.71 mol। द्रव्यमान = 81.71 × 65.4 = 5344 g = 5.34 kg। n = 2 भूलने पर 10.69 kg मिलता।

13. एक इस्पात चादर पर एक मामले में जस्ते का और दूसरे में टिन का लेप है। वायुमिश्रित उदासीन जल में प्रत्येक में खरोंच से इस्पात खुल जाता है। कौन-सा कथन सही है?

    1. जस्ता अपने संक्षारण द्वारा इस्पात की रक्षा करता है; टिन की खरोंच पर इस्पात नंगे इस्पात से भी तेज़ संक्षारित होता है
    2. दोनों लेप खुले इस्पात की समान रक्षा करते हैं, क्योंकि प्रत्येक अधिकांश सतह ढकता है
    3. टिन खुले इस्पात की रक्षा करता है क्योंकि टिन लोहे से उत्कृष्ट है, जबकि जस्ता इस्पात का क्षरण तेज़ करता है
    4. कोई भी लेप खुले इस्पात को प्रभावित नहीं करता, क्योंकि पानी में उसकी संक्षारण दर केवल नंगी धातु ही तय करती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — जस्ता अपने संक्षारण द्वारा इस्पात की रक्षा करता है; टिन की खरोंच पर इस्पात नंगे इस्पात से भी तेज़ संक्षारित होता है

    जस्ता (−0.76 V) लोहे (−0.44 V) से अधिक सक्रिय है, अतः एनोड बनकर खरोंच की कैथोडी रक्षा करता है। टिन (−0.14 V) लोहे से उत्कृष्ट है, अतः टूटने पर इस्पात बड़े टिन कैथोड के सामने छोटा एनोड बनकर तेज़ी से संक्षारित होता है। समान रक्षा का कथन विभवों की उपेक्षा करता है, और टिन द्वारा रक्षा का दावा एनोड किस धातु को माना जाए यह उलट देता है।

14. एक वल्कनित (क्रॉस-लिंक्ड) रबर खंड तथा उसी बहुलक का बिना क्रॉस-लिंक का नमूना, दोनों बहुलक के अच्छे विलायक में रखे जाते हैं। कौन-सा वर्णन सही है?

    1. दोनों एक परिमित साम्य मात्रा तक स्फीत होते हैं और कोई नहीं घुलता
    2. क्रॉस-लिंक्ड रबर तेज़ घुलता है क्योंकि उसकी शृंखलाएँ छोटी हैं
    3. क्रॉस-लिंक्ड रबर साम्य मात्रा तक स्फीत होता है, जबकि रैखिक बहुलक स्फीत होकर फिर घुल जाता है
    4. कोई स्फीत नहीं होता, क्योंकि अच्छा विलायक सघन बहुलक में प्रवेश नहीं कर सकता
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — क्रॉस-लिंक्ड रबर साम्य मात्रा तक स्फीत होता है, जबकि रैखिक बहुलक स्फीत होकर फिर घुल जाता है

    विलायक दोनों में विसरित होकर उन्हें स्फीत करता है। जालक में क्रॉस-लिंक शृंखलाओं को साथ बाँधे रखते हैं, जिससे स्फीति साम्य मान तक सीमित रहती है; रैखिक शृंखलाएँ सुलझकर विलयन में जा सकती हैं, अतः वह बहुलक घुल जाता है। क्रॉस-लिंक शृंखलाओं को प्रभावी रूप से छोटा नहीं, लंबा बनाते हैं, और विलायक प्रवेश करता है, इसीलिए स्फीति होती है।

15. बहुलक अपघटन के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. PMMA गर्म करने पर अपबहुलकित होकर अपना मोनोमर लौटा सकता है
    2. तनन विकृति में पड़े असंतृप्त रबर ओज़ोन द्वारा C=C आबंधों पर आक्रमण से दरारित होते हैं
    3. पॉलिएस्टर व पॉलिएमाइड गरम, आर्द्र परिस्थितियों से अप्रभावित रहते हैं क्योंकि उनकी मुख्य शृंखलाएँ केवल कार्बन–कार्बन आबंधों की हैं
    4. पराबैंगनी फ़ोटॉन सहसंयोजी आबंध तोड़ सकते हैं क्योंकि उनकी प्रति मोल ऊर्जा सामान्य C–C आबंध ऊर्जा से अधिक है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — PMMA गर्म करने पर अपबहुलकित होकर अपना मोनोमर लौटा सकता है; B — तनन विकृति में पड़े असंतृप्त रबर ओज़ोन द्वारा C=C आबंधों पर आक्रमण से दरारित होते हैं; D — पराबैंगनी फ़ोटॉन सहसंयोजी आबंध तोड़ सकते हैं क्योंकि उनकी प्रति मोल ऊर्जा सामान्य C–C आबंध ऊर्जा से अधिक है

    PMMA गर्म करने पर ज़िप-सा खुलता है, ओज़ोन विकृत असंतृप्त रबर में दरार डालता है, और 300 nm के UV फ़ोटॉन लगभग 399 kJ/mol ले जाते हैं, जो C–C आबंध की लगभग 350 kJ/mol से अधिक है। पॉलिएस्टर व पॉलिएमाइड वाला कथन ग़लत है: उनके एस्टर व एमाइड बंधन गरम, आर्द्र परिस्थितियों में जल-अपघटित होते हैं, और उनकी मुख्य शृंखलाएँ केवल कार्बन–कार्बन नहीं हैं।

16. 300 nm तरंगदैर्घ्य का एक पराबैंगनी फ़ोटॉन किसी बहुलक द्वारा अवशोषित होता है। h = 6.626 × 10⁻³⁴ J s, c = 3.00 × 10⁸ m/s तथा N_A = 6.022 × 10²³ mol⁻¹ लें। ऐसे एक मोल फ़ोटॉनों की ऊर्जा ____ kJ/mol है (निकटतम पूर्णांक)।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 399

    E = N_A hc/λ = 6.022 × 10²³ × 6.626 × 10⁻³⁴ × 3.00 × 10⁸/(300 × 10⁻⁹) = 3.99 × 10⁵ J/mol = 399 kJ/mol। N_A भूलने पर प्रति फ़ोटॉन केवल 6.6 × 10⁻¹⁹ J मिलता; 300 को मीटर लेने पर 10⁹ गुना की भूल होती।

17. बाहर लगी पॉलिएथिलीन पाइप वर्षों धूप में रहने पर चाकी व भंगुर हो जाती है, और क्षति खुली सतह से आरंभ होती है। कौन-सा योजक इस अपक्षय को सबसे सीधे धीमा करता है?

    1. सुघट्यकारक, जो T_g घटाकर शृंखलाओं को अधिक गतिशील बनाता है
    2. UV अवशोषक सहित कार्बन ब्लैक वर्णक, जो पराबैंगनी प्रकाश को रोकता है
    3. खड़िया चूर्ण भराव, जो नमी से अभिक्रिया हेतु कैल्सियम आयन देता है
    4. विलायक, जो शृंखलाओं को स्फीत कर ऑक्सीजन को बाहर निकलने देता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — UV अवशोषक सहित कार्बन ब्लैक वर्णक, जो पराबैंगनी प्रकाश को रोकता है

    अपक्षय मुख्यतः ऑक्सीजन व नमी के साथ UV प्रकाश से चलता है; कार्बन ब्लैक व UV अवशोषक आबंध टूटने से पहले प्रकाश को रोकते या अवशोषित करते हैं, और प्रतिऑक्सीकारक मूलक शृंखला रोकते हैं। सुघट्यकारक गतिशीलता बढ़ाता है और प्रकाश-ऑक्सीकरण नहीं रोकता। खड़िया इस प्रकार UV रोधक का काम नहीं करती, और विलायक पाइप को स्फीत कर दुर्बल करता।