फ्रॉस्ट आरेख

एक फ्रॉस्ट आरेख या फ्रॉस्ट-एब्सवर्थ आरेख एक विशेष पदार्थ के विभिन्न ऑक्सीकरण राज्यों की सापेक्ष स्थिरता को दर्शाने के लिए इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री में अकार्बनिक रसायनज्ञों द्वारा उपयोग किया जाने वाला एक प्रकार का ग्राफ है। ग्राफ एक रासायनिक प्रजाति के गिब्स मुक्त ऊर्जा बनाम ऑक्सीकरण अवस्था को दिखाता है। यह प्रभाव पीएच पर निर्भर है, इसलिए यह पैरामीटर भी शामिल होना चाहिए। मुक्त ऊर्जा ऑक्सीकरण-कमी अर्ध-प्रतिक्रियाओं द्वारा निर्धारित की जाती है। फ्रॉस्ट आरेख पहले से डिज़ाइन किए गए लेटिमर आरेख की तुलना में इन कमी की संभावनाओं को आसानी से समझने की अनुमति देता है, क्योंकि "संभावनाओं की एडिटिविटी की कमी" भ्रामक थी। मुक्त ऊर्जा ΔG° सूत्र द्वारा ग्राफ़ में दिखाए गए कमी क्षमता E से संबंधित है: ΔG° = −nFE° या nE° = −ΔG°/F, जहाँ n स्थानान्तरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या है, और F फैराडे स्थिरांक है = 96,485 Coulomb). फ्रॉस्ट आरेख का नाम किसके नाम पर रखा गया है Arthur Atwater Frost, जिन्होंने मूल रूप से 1951 के पेपर में मुक्त ऊर्जा और ऑक्सीकरण संभावित डेटा दोनों को आसानी से दिखाने के तरीके के रूप में इसका आविष्कार किया था।

पीएच निर्भरता
पीएच निर्भरता कारक -0.059m/n प्रति pH इकाई द्वारा दी गई है, जहाँ m समीकरण में प्रोटॉन की संख्या से संबंधित है, और n इलेक्ट्रॉनों की संख्या का आदान-प्रदान होता है। इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री में हमेशा इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान होता है, लेकिन जरूरी नहीं कि प्रोटॉन हों। अगर प्रतिक्रिया संतुलन में कोई प्रोटॉन विनिमय नहीं होता है, तो प्रतिक्रिया को पीएच-स्वतंत्र कहा जाता है। इसका मतलब यह है कि एक रेडॉक्स अर्ध-प्रतिक्रिया में प्रदान की गई विद्युत रासायनिक क्षमता के मान, जिससे प्रश्न में रासायनिक तत्व ऑक्सीकरण राज्यों को बदलते हैं, पीएच की स्थिति जो भी होती है, जिसके तहत प्रक्रिया की जाती है।

फ्रॉस्ट आरेख भी अम्लीय और बुनियादी समाधानों की मानक क्षमता (ढलान) के रुझानों की तुलना करने के लिए एक उपयोगी उपकरण है। शुद्ध, तटस्थ तत्व अलग-अलग यौगिकों में संक्रमण करता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि प्रजाति अम्लीय और बुनियादी पीएच में है या नहीं। हालांकि ऑक्सीकरण राज्यों का मूल्य और मात्रा अपरिवर्तित रहती है, मुक्त ऊर्जा बहुत भिन्न हो सकती है। फ़्रॉस्ट आरेख आसान और सुविधाजनक तुलना के लिए अम्लीय और मूल ग्राफ़ के अध्यारोपण की अनुमति देता है।

इकाई और पैमाना
मानक मुक्त-ऊर्जा पैमाने को इलेक्ट्रॉन-वोल्ट में मापा जाता है, और nE° = 0 मान आमतौर पर शुद्ध, तटस्थ तत्व होता है। फ़्रॉस्ट आरेख सामान्यतः nE° = 0 के ऊपर और नीचे मुक्त-ऊर्जा मान दिखाता है और इसे पूर्णांकों में स्केल किया जाता है। ग्राफ का y अक्ष मुक्त ऊर्जा प्रदर्शित करता है। बढ़ती स्थिरता (कम मुक्त ऊर्जा) ग्राफ पर कम है, इसलिए उच्च मुक्त ऊर्जा और ग्राफ पर उच्च एक तत्व है, यह अधिक अस्थिर और प्रतिक्रियाशील है।

फ्रॉस्ट आरेख के एक्स अक्ष पर तत्व का ऑक्सीकरण राज्य दिखाया गया है। ऑक्सीकरण राज्य इकाई रहित होते हैं और सकारात्मक और नकारात्मक पूर्णांकों में भी मापे जाते हैं। अक्सर, फ्रॉस्ट आरेख ऑक्सीकरण संख्या को बढ़ते क्रम में प्रदर्शित करता है, लेकिन कुछ मामलों में यह घटते क्रम में प्रदर्शित होता है। शून्य (nE ° = 0) की मुक्त ऊर्जा वाले तटस्थ, शुद्ध तत्व में भी ऑक्सीकरण अवस्था शून्य के बराबर होती है। हालाँकि, कुछ अलॉट्रोप्स की ऊर्जा शून्य नहीं हो सकती है। रेखा का ढलान इसलिए दो ऑक्सीकरण राज्यों के बीच मानक क्षमता का प्रतिनिधित्व करता है। दूसरे शब्दों में, रेखा की ढलान उन दो अभिकारकों की प्रतिक्रिया करने और सबसे कम ऊर्जा वाले उत्पाद बनाने की प्रवृत्ति को दर्शाती है। सकारात्मक या नकारात्मक ढलान होने की संभावना है। दो प्रजातियों के बीच एक सकारात्मक ढलान ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया की प्रवृत्ति को इंगित करता है, जबकि दो प्रजातियों के बीच एक नकारात्मक ढलान कमी की प्रवृत्ति को इंगित करता है। उदाहरण के लिए, यदि मैंगनीज [HMnO4]− की ऑक्सीकरण अवस्था +6 और nE° = 4 है, और MnO में है2 ऑक्सीकरण स्थिति +4 और nE ° = 0 है, तो ढलान Δy/Δx 4/2 = 2 है, जो +2 की मानक क्षमता प्रदान करता है। इसी प्रकार इस ग्राफ द्वारा किसी भी पद की स्थिरता का पता लगाया जा सकता है।

ग्रेडिएंट
फ्रॉस्ट आरेख पर किन्हीं दो बिंदुओं के बीच की रेखा का ढाल प्रतिक्रिया की क्षमता देता है। एक प्रजाति जो किसी भी तरफ दो बिंदुओं के ढाल के ऊपर चोटी में स्थित है, असमानता के संबंध में अस्थिर प्रजाति को दर्शाती है, और एक बिंदु जो रेखा के ढाल से नीचे गिरती है, जो इसके दो आसन्न बिंदुओं में शामिल होती है, thermodynamic  सिंक में होती है, और आंतरिक रूप से स्थिर है।

अक्ष
फ्रॉस्ट आरेख के अक्ष (क्षैतिज रूप से) प्रश्न में प्रजातियों के ऑक्सीकरण राज्य और (लंबवत) इलेक्ट्रॉन विनिमय संख्या को वोल्टेज (nE) या फैराडे स्थिरांक की प्रति यूनिट गिब्स मुक्त ऊर्जा, ΔG/F से गुणा करते हैं।

अनुपातहीनता और अनुपातहीनता
इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं के संबंध में, फ्रॉस्ट आरेख का उपयोग करके दो मुख्य प्रकार की प्रतिक्रियाओं की कल्पना की जा सकती है। समनुपात तब होता है जब एक तत्व के दो समकक्ष, ऑक्सीकरण संख्या में भिन्न होते हैं, एक मध्यवर्ती ऑक्सीकरण संख्या के साथ एक उत्पाद बनाने के लिए गठबंधन करते हैं। अनुपातहीनता विपरीत प्रतिक्रिया है, जिसमें एक तत्व के दो समकक्ष, ऑक्सीकरण संख्या में समान होते हैं, अलग-अलग ऑक्सीकरण संख्या के दो उत्पाद बनाने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं।

अनुपातहीनता: 2 एमn+ → एमm+ + एमp+.

अनुपात: एमm+ + एमp+ → 2 एमn+.

2 एन = एम + पी दोनों उदाहरणों में।

फ्रॉस्ट आरेख का उपयोग करके, यह अनुमान लगाया जा सकता है कि क्या एक ऑक्सीकरण संख्या अनुपातहीनता से गुजरेगी या दो ऑक्सीकरण संख्याएं अनुपातहीनता से गुजरेंगी। आरेख पर तीन ऑक्सीकरण संख्याओं के एक सेट के बीच दो ढलानों को देखते हुए, दो मानक क्षमता (ढलान) समान नहीं हैं, मध्य ऑक्सीकरण या तो "पहाड़ी" या "घाटी" रूप में होगा। एक पहाड़ी का निर्माण तब होता है जब बायाँ ढलान दाएँ से अधिक तीव्र होता है, और एक घाटी का निर्माण होता है जब दायाँ ढलान बाएँ से अधिक तीव्र होता है। एक ऑक्सीकरण संख्या जो "पहाड़ी की चोटी" पर है, आसन्न ऑक्सीकरण राज्यों में अनुपातहीनता का पक्ष लेती है। आसन्न ऑक्सीकरण राज्य, तथापि, यदि मध्य ऑक्सीकरण राज्य "घाटी के तल" में है, तो अनुपातीकरण का पक्ष लेंगे।

आलोचना/विसंगतियां
आर्थर फ्रॉस्ट ने अपने स्वयं के मूल प्रकाशन में कहा कि उनके फ्रॉस्ट आरेख के लिए संभावित आलोचना हो सकती है। वह भविष्यवाणी करता है कि "ढलानों को आसानी से या सटीक रूप से पहचाना नहीं जा सकता क्योंकि वे ऑक्सीकरण क्षमता के प्रत्यक्ष संख्यात्मक मान हैं [लैटिमर आरेख के]"। कई अकार्बनिक रसायनज्ञ मात्रात्मक डेटा के लिए लैटिमर का उपयोग करते हुए लैटीमर और फ्रॉस्ट आरेख दोनों का उपयोग करते हैं, और फिर उन डेटा को विज़ुअलाइज़ेशन के लिए फ्रॉस्ट आरेख में परिवर्तित करते हैं। फ्रॉस्ट ने सुझाव दिया कि पूरक जानकारी प्रदान करने के लिए ढलानों के बगल में मानक क्षमता के संख्यात्मक मान जोड़े जा सकते हैं।

जर्नल ऑफ केमिकल एजुकेशन में प्रकाशित एक पेपर में, मार्टिनेज डी इलारडुआ और विलफाने (1994) फ्रॉस्ट आरेखों के उपयोगकर्ताओं को आरेखों के निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली मुक्त ऊर्जा की परिभाषा से अवगत होने के लिए चेतावनी दें। अम्ल-विलयन ग्राफ़ में, मानक nE° = -ΔG/F सार्वभौमिक रूप से उपयोग किया जाता है; इसलिए सभी स्रोतों के एसिड-सॉल्यूशन फ्रॉस्ट आरेख समान होंगे। हालाँकि, विभिन्न पाठ्यपुस्तकें ऊर्जा के संबंध में एक तत्व के फ्रॉस्ट आरेख में विसंगतियां दिखाती हैं। कुछ पाठ्यपुस्तकें अपचयन क्षमता का उपयोग करती हैं, E°(2 + 2 /एच2), मूल-समाधान के लिए एक एसिड-समाधान में परिभाषित। फिलिप्स और विलियम्स अकार्बनिक रसायन विज्ञान की पाठ्यपुस्तक में, हालांकि, निम्न सूत्र द्वारा दिए गए बुनियादी समाधानों के लिए एक और कमी क्षमता का उपयोग किया जाता है: ई डिग्री (ओएच) = ई °b - ई डिग्री (2 एच2द + 2 /एच2 + 2 ओह−) = ई °b + 0.828 वी। कटौती क्षमता को प्रस्तुत करने का यह दूसरा तरीका कुछ पाठ्यपुस्तकों में उपयोग किया जाता है और दूसरों में नहीं, लेकिन हमेशा ग्राफ़ पर स्पष्ट रूप से इंगित नहीं किया जाता है, जिससे पाठक के लिए भ्रम पैदा होता है। इसलिए, फ्रॉस्ट आरेख के उपयोगकर्ताओं को समस्या के बारे में पता होना चाहिए, और हमेशा स्पष्ट रूप से सूचित किया जाना चाहिए कि उनके आरेख किस मुक्त-ऊर्जा पैमाने पर आधारित हैं।

यह भी देखें

 * पौरबाइक्स आरेख
 * एलिंघम आरेख

बाहरी संबंध

 * Diagrams That Provide Useful Oxidation-Reduction Information