Frost diagram
ફ્રોસ્ટ આકૃતિ અથવા ફ્રોસ્ટ-ઇબ્સવર્થ આકૃતિ એ એક પ્રકારનો આલેખ છે જેનો ઉપયોગ ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રીમાં અકાર્બનિક રસાયણશાસ્ત્રીઓ દ્વારા ચોક્કસ પદાર્થની સંખ્યાબંધ વિવિધ ઓક્સિડેશન સ્થિતિઓની સંબંધિત સ્થિરતાને સમજાવવા માટે થાય છે. આલેખ રાસાયણિક પ્રજાતિઓની મુક્ત ઊર્જા વિરુદ્ધ ઓક્સિડેશન સ્થિતિને સમજાવે છે. આ અસર pH પર આધારિત છે, તેથી આ પરિમાણનો પણ સમાવેશ કરવો આવશ્યક છે. મુક્ત ઊર્જા ઓક્સિડેશન-ઘટાડો અર્ધ-પ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા નક્કી થાય છે. ફ્રોસ્ટ આકૃતિ અગાઉ રચાયેલ લેટિમર આકૃતિ કરતાં આ ઘટાડાની ક્ષમતાની સરળ સમજણ આપે છે, કારણ કે "ક્ષમતાની ઉમેરણનો અભાવ" મૂંઝવણભર્યો હતો. મુક્ત ઊર્જા ΔG° એ સૂત્ર દ્વારા આલેખમાં દર્શાવેલ ઘટાડાની ક્ષમતા E સાથે સંબંધિત છેઃ અથવા, જ્યાં n એ સ્થાનાંતરિત ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા છે, અને F એ ફેરાડે અચળાંક છે). ફ્રોસ્ટ આકૃતિનું નામ તેમના નામ પરથી રાખવામાં આવ્યું છે, જેમણે મૂળરૂપે 1951ના પેપરમાં "મુક્ત ઊર્જા અને ઓક્સિડેશન સંભવિત માહિતી બંનેને સરળતાથી બતાવવાની" રીત તરીકે તેની શોધ કરી હતી. pH અવલંબન pH અવલંબન પરિબળ-0.059m/n પ્રતિ pH એકમ દ્વારા આપવામાં આવે છે, જ્યાં m સમીકરણમાં પ્રોટોનની સંખ્યા સાથે સંબંધિત છે, અને n વિનિમયિત ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા છે. ઇલેક્ટ્રોન હંમેશા ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રીમાં આદાનપ્રદાન થાય છે, પરંતુ જરૂરી નથી કે પ્રોટોન હોય. જો પ્રતિક્રિયાના સંતુલનમાં કોઈ પ્રોટોન વિનિમય ન હોય, તો પ્રતિક્રિયાને pH-સ્વતંત્ર કહેવામાં આવે છે. આનો અર્થ એ છે કે રેડોક્સ અર્ધ-પ્રતિક્રિયામાં પ્રસ્તુત ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પોટેન્શિયલ માટેના મૂલ્યો, જેમાં પ્રશ્નમાં રહેલા ઘટકો ઓક્સિડેશનની સ્થિતિને બદલે છે, તે પ્રક્રિયા જે પણ pH શરતો હેઠળ હાથ ધરવામાં આવે છે તે સમાન છે. ફ્રોસ્ટ આકૃતિ એસિડિક અને મૂળભૂત ઉકેલોના પ્રમાણભૂત સંભવિત (ઢોળાવ) ના વલણોની સરખામણી કરવા માટે પણ ઉપયોગી સાધન છે. શુદ્ધ, તટસ્થ તત્વ વિવિધ સંયોજનોમાં સંક્રમણ કરે છે તેના આધારે કે શું પ્રજાતિ એસિડિક અને બેઝિક પીએચમાં છે. ઓક્સિડેશન સ્થિતિઓનું મૂલ્ય અને માત્રા અપરિવર્તિત રહે છે, તેમ છતાં મુક્ત ઊર્જા મોટા પ્રમાણમાં બદલાઈ શકે છે. ફ્રોસ્ટ આકૃતિ સરળ અને અનુકૂળ સરખામણી માટે એસિડિક અને મૂળભૂત આલેખના સુપરઇમ્પોઝિશનને મંજૂરી આપે છે. એકમ અને સ્કેલ પ્રમાણભૂત મુક્ત-ઊર્જા સ્કેલને ઇલેક્ટ્રોન-વોલ્ટમાં માપવામાં આવે છે, અને nE ° = 0 મૂલ્ય સામાન્ય રીતે શુદ્ધ, તટસ્થ તત્વ હોય છે. ફ્રોસ્ટ આકૃતિ સામાન્ય રીતે nE ° = 0 ની ઉપર અને નીચે મુક્ત-ઊર્જા મૂલ્યો દર્શાવે છે અને પૂર્ણાંકોમાં માપવામાં આવે છે. આલેખની y અક્ષ મુક્ત ઊર્જા દર્શાવે છે. ગ્રાફ પર વધતી સ્થિરતા (ઓછી મુક્ત ઊર્જા) ઓછી હોય છે, તેથી ગ્રાફ પર જેટલી વધુ મુક્ત ઊર્જા અને તત્વ જેટલું ઊંચું હોય છે, તે વધુ અસ્થિર અને પ્રતિક્રિયાશીલ હોય છે. તત્વની ઓક્સિડેશન સ્થિતિ ફ્રોસ્ટ આકૃતિના x અક્ષ પર દર્શાવવામાં આવી છે. ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ એકમ વિનાની હોય છે અને હકારાત્મક અને નકારાત્મક પૂર્ણાંકોમાં પણ માપવામાં આવે છે. મોટેભાગે, ફ્રોસ્ટ આકૃતિ ઓક્સિડેશનની સંખ્યા વધતા ક્રમમાં દર્શાવે છે, પરંતુ કેટલાક કિસ્સાઓમાં તે ઘટતા ક્રમમાં દર્શાવવામાં આવે છે. શૂન્ય (nE° = 0) ની મુક્ત ઊર્જા ધરાવતો તટસ્થ, શુદ્ધ તત્વ પણ શૂન્યની બરાબર ઓક્સિડેશન સ્થિતિ ધરાવે છે. જો કે, કેટલાક એલોટ્રોપ્સની ઊર્જા શૂન્ય ન પણ હોઈ શકે. તેથી રેખાનો ઢોળાવ બે ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ વચ્ચેની પ્રમાણભૂત ક્ષમતાને રજૂ કરે છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, રેખાની તીવ્રતા તે બે પ્રતિક્રિયાકારકોની પ્રતિક્રિયા કરવાની અને સૌથી ઓછી ઊર્જાનું ઉત્પાદન બનાવવાની વૃત્તિ દર્શાવે છે. હકારાત્મક કે નકારાત્મક ઢાળ હોવાની શક્યતા છે. બે પ્રજાતિઓ વચ્ચેનો હકારાત્મક ઢોળાવ ઓક્સિડેશન પ્રતિક્રિયાનું વલણ સૂચવે છે, જ્યારે બે પ્રજાતિઓ વચ્ચેનો નકારાત્મક ઢોળાવ ઘટાડાનું વલણ સૂચવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો [HMnO4] માં મેંગેનીઝ + 6 અને nE ° = 4 ની ઓક્સિડેશન સ્થિતિ ધરાવે છે, અને MnO2 માં ઓક્સિડેશન સ્થિતિ + 4 અને nE ° = 0 છે, તો પછી ઢાળ αy/αx 4/2 = 2 છે, જે + 2 ની પ્રમાણભૂત સંભવિતતા આપે છે. કોઈપણ શરતોની સ્થિરતા સમાન રીતે આ આલેખ દ્વારા શોધી શકાય છે. ઢાળ ફ્રોસ્ટ આકૃતિ પરના કોઈપણ બે બિંદુઓ વચ્ચેની રેખાનો ઢાળ પ્રતિક્રિયા માટે સંભવિતતા આપે છે. એક પ્રજાતિ જે બંને બાજુના બે બિંદુઓના ઢાળની ઉપર ટોચ પર આવેલી હોય છે, તે અપ્રમાણસરતાના સંદર્ભમાં અસ્થિર પ્રજાતિને સૂચવે છે, અને એક બિંદુ જે તેના બે નજીકના બિંદુઓને જોડતી રેખાના ઢાળથી નીચે આવે છે તે થર્મોડાયનેમિક સિંકમાં આવેલું છે, અને આંતરિક રીતે સ્થિર છે. અક્ષો ફ્રોસ્ટ આકૃતિના અક્ષો (આડી રીતે) પ્રશ્નમાં પ્રજાતિઓની ઓક્સિડેશન સ્થિતિ દર્શાવે છે અને (ઊભી રીતે) ઇલેક્ટ્રોન વિનિમય સંખ્યાને વોલ્ટેજ (એન. ઇ.) અથવા ફેરાડે અચળાંકના એકમ દીઠ ગિબ્સ મુક્ત ઊર્જા દ્વારા ગુણાકાર કરવામાં આવે છે. અપ્રમાણસરતા અને પ્રમાણસરતા વિદ્યુતરાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓના સંદર્ભમાં, ફ્રોસ્ટ આકૃતિના ઉપયોગથી બે મુખ્ય પ્રકારની પ્રતિક્રિયાઓ જોઈ શકાય છે. પ્રમાણ એ છે કે જ્યારે એક તત્વના બે સમકક્ષ, ઓક્સિડેશન સંખ્યામાં અલગ પડે છે, મધ્યવર્તી ઓક્સિડેશન નંબર સાથે ઉત્પાદન રચવા માટે ભેગા થાય છે. અપ્રમાણસરતા એ વિપરીત પ્રતિક્રિયા છે, જેમાં એક તત્વના બે સમકક્ષ, ઓક્સિડેશન સંખ્યામાં સમાન, પ્રતિક્રિયા કરીને વિવિધ ઓક્સિડેશન સંખ્યાઓના બે ઉત્પાદનો બનાવે છે. અપ્રમાણસરતાઃ 2 એમએન + → એમએમ + + એમપી +. પ્રમાણઃ Mm + + Mp + → 2 Mn +. બંને ઉદાહરણોમાં 2 n = m + p. ફ્રોસ્ટ ડાયાગ્રામનો ઉપયોગ કરીને, કોઈ આગાહી કરી શકે છે કે શું એક ઓક્સિડેશન નંબર અપ્રમાણસરમાંથી પસાર થશે અથવા બે ઓક્સિડેશન નંબરો અપ્રમાણસરમાંથી પસાર થશે. આકૃતિ પર ત્રણ ઓક્સિડેશન સંખ્યાઓના સમૂહ વચ્ચેના બે ઢોળાવોને જોતાં, એમ ધારીને કે બે પ્રમાણભૂત પોટેન્શિયલ (ઢોળાવ) સમાન નથી, મધ્યમ ઓક્સિડેશન કાં તો "ટેકરી" અથવા "ખીણ" સ્વરૂપમાં હશે. જ્યારે ડાબો ઢોળાવ જમણી બાજુ કરતાં ઊંચો હોય ત્યારે એક ટેકરી રચાય છે, અને જ્યારે જમણો ઢોળાવ ડાબી બાજુ કરતાં ઉંચો હોય ત્યારે ખીણ રચાય છે. ઓક્સિડેશન સંખ્યા જે "ટેકરીની ટોચ" પર હોય છે તે નજીકની ઓક્સિડેશન સ્થિતિઓમાં અપ્રમાણસરતાની તરફેણ કરે છે. જો મધ્યમ ઓક્સિડેશન સ્થિતિ "ખીણના તળિયે" હોય તો અડીને આવેલી ઓક્સિડેશન સ્થિતિ, જોકે, કોમ્પ્રોપોર્શનની તરફેણ કરશે. ટીકાઓ/વિસંગતતાઓ આર્થર ફ્રોસ્ટે પોતાના મૂળ પ્રકાશનમાં જણાવ્યું હતું કે તેમના ફ્રોસ્ટ આકૃતિ માટે સંભવિત ટીકા થઈ શકે છે. તેઓ આગાહી કરે છે કે "ઢોળાવોને સરળતાથી અથવા સચોટ રીતે ઓળખી શકાતા નથી કારણ કે તે [લેટિમર આકૃતિના] ઓક્સિડેશન પોટેન્શિયલના સીધા આંકડાકીય મૂલ્યો છે". ઘણા અકાર્બનિક રસાયણશાસ્ત્રીઓ માત્રાત્મક માહિતી માટે લેટિમરનો ઉપયોગ કરીને લેટિમર અને ફ્રોસ્ટ આકૃતિઓ બંનેનો ઉપયોગ કરે છે, અને પછી તે માહિતીને વિઝ્યુલાઇઝેશન માટે ફ્રોસ્ટ આકૃતિમાં રૂપાંતરિત કરે છે. ફ્રોસ્ટે સૂચવ્યું હતું કે પૂરક માહિતી પ્રદાન કરવા માટે ઢોળાવની બાજુમાં પ્રમાણભૂત ક્ષમતાના આંકડાકીય મૂલ્યો ઉમેરી શકાય છે. જર્નલ ઓફ કેમિકલ એજ્યુકેશનમાં પ્રકાશિત થયેલા એક પેપરમાં, માર્ટિનેઝ ડી ઇલાર્ડુયા અને વિલાફેને (1994) ફ્રોસ્ટ આકૃતિઓના વપરાશકર્તાઓને આકૃતિઓ બનાવવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી મુક્ત ઊર્જાની વ્યાખ્યાથી વાકેફ રહેવાની ચેતવણી આપી છે. એસિડ-સોલ્યુશન આલેખમાં, પ્રમાણભૂત nE° = − ΔG/F નો સાર્વત્રિક ઉપયોગ થાય છે; તેથી તમામ સ્રોતોના એસિડ-સોલ્યુશન ફ્રોસ્ટ આકૃતિઓ સમાન હશે. જો કે, વિવિધ પાઠ્યપુસ્તકો ઊર્જાના સંદર્ભમાં તત્વના ફ્રોસ્ટ આકૃતિમાં વિસંગતતાઓ દર્શાવે છે. કેટલાક પાઠ્યપુસ્તકો ઘટાડાની ક્ષમતા, E° (2 + 2/H2) નો ઉપયોગ કરે છે, જે મૂળભૂત-ઉકેલ માટે એસિડ-દ્રાવણમાં વ્યાખ્યાયિત થયેલ છે. ફિલિપ્સ અને વિલિયમ્સ અકાર્બનિક રસાયણશાસ્ત્રના પાઠ્યપુસ્તકમાં, જોકે, નીચે આપેલા સૂત્ર દ્વારા આપવામાં આવેલા મૂળભૂત ઉકેલો માટે અન્ય ઘટાડાની ક્ષમતાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છેઃ E° (OH) = E° b − E° (2 H2O + 2/H2 + 2 OH −) = E° b + 0.828 V. ઘટાડાની ક્ષમતાને રજૂ કરવાની આ અન્ય રીતનો ઉપયોગ કેટલાક પાઠ્યપુસ્તકોમાં થાય છે અને અન્યમાં નહીં, પરંતુ ગ્રાફ પર હંમેશા સ્પષ્ટ રીતે દર્શાવવામાં આવતી નથી, જે વાચક માટે મૂંઝવણ પેદા કરે છે. તેથી, ફ્રોસ્ટ આકૃતિના વપરાશકર્તાઓએ સમસ્યા વિશે જાગૃત રહેવું જોઈએ, અને હંમેશા સ્પષ્ટ રીતે જાણ કરવી જોઈએ કે તેમના આકૃતિઓ કયા મુક્ત-ઊર્જા સ્કેલ પર આધારિત છે. પોરબૈક્સ આકૃતિ એલિંગહામ આકૃતિ સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ આકૃતિઓ જે ઉપયોગી ઓક્સિડેશન-રિડક્શન માહિતી ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી પ્રદાન કરે છે તે પણ જુઓ.