ब्रोंस्टेड-लोरी अम्ल-क्षार सिद्धांत

ब्रोंस्टेड-लोरी सिद्धांत (जिसे अम्ल और क्षार का प्रोटॉन सिद्धांत भी कहा जाता है ) एक अम्ल-क्षार अभिक्रिया सिद्धांत है जिसे 1923 में जोहान्स निकोलस ब्रोंस्टेड और थॉमस मार्टिन लोरी द्वारा स्वतंत्र रूप से प्रस्तावित किया गया था। इस सिद्धांत की मूलभूत अवधारणा यह है कि जब एक अम्ल और एक क्षार एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, तो अम्ल अपना संयुग्मित अम्ल बनाता है, और क्षार एक प्रोटॉन (हाइड्रोजन धनायन, या H⁺) के आदान-प्रदान द्वारा अपना संयुग्मित अम्ल बनाता है। यह सिद्धांत अरहेनियस सिद्धांत का सामान्यीकरण है।

अम्ल और क्षार की परिभाषा

जोहान्स निकोलस ब्रोंस्टेड और थॉमस मार्टिन लोरी ने स्वतंत्र रूप से, इस विचार को सूत्रबद्ध किया कि अम्ल प्रोटॉन (H+) दाता हैं जबकि आधार प्रोटॉन स्वीकारकर्ता हैं।

अरहेनियस सिद्धांत में, अम्ल को ऐसे पदार्थों के रूप में परिभाषित किया जाता है जो H⁺ देने के लिए जलीय घोल में अलग हो जाते हैं (हाइड्रोजन आयन या प्रोटॉन), जबकि क्षारों को ऐसे पदार्थों के रूप में परिभाषित किया जाता है जो जलीय घोल में अलग होकर OH⁻ देते हैं (हाइड्रॉक्साइड आयन)।

1923 में भौतिक रसायन विज्ञान में डेनमार्क में जोहान्स निकोलस ब्रोंस्टेड और इंग्लैंड में थॉमस मार्टिन लोरी दोनों ने स्वतंत्र रूप से उस सिद्धांत को प्रस्तावित किया जो उनके नामों को वहन करता है। ब्रोंस्टेड-लोरी सिद्धांत में अम्ल और क्षार एक दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करने के तरीके से परिभाषित होते हैं, जो अधिक व्यापकता की अनुमति देता है। परिभाषा एक संतुलन अभिव्यक्ति के संदर्भ में व्यक्त की गई है

अम्ल + क्षार (रसायन विज्ञान) ⇌ संयुग्मी क्षार + संयुग्मी अम्ल।

एक अम्ल, HA के साथ, समीकरण को प्रतीकात्मक रूप से इस प्रकार लिखा जा सकता है:

${\ce {HA + B <=> A- + HB+}}$

संतुलन चिह्न, ⇌, का उपयोग किया जाता है क्योंकि प्रतिक्रिया आगे और पीछे दोनों दिशाओं में हो सकती है। अम्ल, HA, एक प्रोटॉन दाता है जो अपना संयुग्म क्षार, A− बनने के लिए एक प्रोटॉन खो सकता है। क्षार, B, एक प्रोटॉन स्वीकर्ता है जो इसका संयुग्मी अम्ल, HB+ बन सकता है। अधिकांश अम्ल-क्षार प्रतिक्रियाएं तीव्र होती हैं, इसलिए प्रतिक्रिया के घटक सामान्यतः एक दूसरे के साथ गतिशील संतुलन में होते हैं

जलीय घोल

सिरका अम्ल, CH₃COOH, एक मिथाइल समूह CH₃ से बना है , रासायनिक रूप से एक कार्बोक्सिलेट समूह के लिए बाध्य, −COOH. कार्बोक्सिलेट समूह एक प्रोटॉन खो सकता है और इसे पानी के अणु को दान कर सकता है, H₂O, एक एसीटेट ऋणायन को पीछे छोड़ते हुए CH₃COO⁻ और हाइड्रोनियम केशन H₃O⁺ बनाता है। यह एक संतुलन प्रतिक्रिया है, इसलिए विपरीत प्रक्रिया भी हो सकती है। एक शक्तिहीन अम्ल, एसीटेट आयन और हाइड्रोनियम आयन देने के लिए एक संतुलन प्रतिक्रिया में पानी को एक प्रोटॉन (हाइड्रॉन (रसायन विज्ञान)) दान करता है।

  Oxygen

  Carbon

  Hydrogen

  Proton (hydron)

निम्नलिखित अम्ल-क्षार प्रतिक्रिया पर विचार करें:

${\ce {CH3 COOH + H2O <=> CH3 COO- + H3O+}}$

सिरका अम्ल, CH₃COOH, एक अम्ल है क्योंकि यह पानी (H₂O) को एक प्रोटॉन दान करता है और इसका संयुग्म क्षार, एसीटेट आयन (CH₃COO⁻) बन जाता है। H₂O एक क्षार है क्योंकि यह एक प्रोटॉन CH₃COOH ग्रहण करता है और इसका संयुग्मी अम्ल, हाइड्रोनियम आयन (H₃O⁺) बन जाता है।

अम्ल-क्षार अभिक्रिया का उल्टा पहली प्रतिक्रिया में क्षार के संयुग्मन अम्ल और अम्ल के संयुग्मन क्षार के बीच भी अम्ल-क्षार अभिक्रिया होता है। उपरोक्त उदाहरण में, एसीटेट विपरीत अभिक्रिया का क्षार है और हाइड्रोनियम आयन अम्ल है।

${\ce {H3O+ + CH3 COO- <=> CH3COOH + H2O}}$

अरहेनियस सिद्धांत के विपरीत ब्रोंस्टेड-लोरी सिद्धांत की एक पहचान यह है कि इसे अलग करने के लिए अम्ल की आवश्यकता नहीं होती है।

उभयधर्मी पदार्थ

जल की उभयधर्मी प्रकृति

ब्रोंस्टेड-लोरी सिद्धांत का सार यह है कि एक अम्ल केवल एक क्षार के संबंध में उपस्थित होता है, और इसके विपरीत होता है। जल उभयधर्मी है क्योंकि यह अम्ल या क्षार के रूप में कार्य कर सकता है। दाईं ओर दिखाई गई छवि में एक अणु H₂O क्षार और लाभ H⁺ के रूप में H₃O⁺ बनने के लिए कार्य करता है जबकि दूसरा अम्ल के रूप में कार्य करता है और OH⁻ बनने के लिए H⁺ खो देता है।

एक अन्य उदाहरण [[एल्यूमीनियम हाइड्रोक्साइड |एल्यूमीनियम हाइड्रोक्साइड Al(OH)₃]] जैसे पदार्थों द्वारा प्रस्तुत किया गया है

${\ce {{\overset {(acid)}{Al(OH)3}}{}+ OH- <=> Al(OH)4^-}}$

${\ce {3H+{}+ {\overset {(base)}{Al(OH)3}}<=> 3H2O{}+ Al_{(aq)}^3+}}$

अजल समाधान

हाइड्रोजन आयन, या हाइड्रोनियम आयन, जलीय घोल में ब्रोन्स्टेड-लोरी अम्ल है, और हाइड्रॉक्साइड आयन स्व-पृथक्करण प्रतिक्रिया के क्षार पर एक क्षार है।

${\ce {H2O + H2O <=> H3O+ + OH-}}$

तरल अमोनिया में एक समान प्रतिक्रिया होती है

${\ce {NH3 + NH3 <=> NH4+ + NH2-}}$

इस प्रकार, अमोनियम आयन, NH+4, तरल अमोनिया में वही भूमिका निभाता है जो पानी में हाइड्रोनियम आयन करता है और एमाइड आयन, NH−2, हाइड्रॉक्साइड आयन के अनुरूप होता है। अमोनियम लवण अम्ल के रूप में व्यवहार करते हैं, और एमाइड क्षार के रूप में व्यवहार करते हैं।

ब्रोंस्टेड-लोरी अम्ल के संबंध में कुछ अजल विलायक क्षार के रूप में व्यवहार कर सकते हैं, अर्थात प्रोटॉन स्वीकर्ता हैं।

${\ce {HA + S <=> A- + SH+}}$

जहाँ S विलायक के अणु को दर्शाता है। इस तरह के सबसे महत्वपूर्ण विलायक डाइमिथाइलसल्फॉक्साइड, डीएमएसओ और एसीटोनिट्राइल, CH₃CN हैं, क्योंकि इन विलायक का व्यापक रूप से कार्बनिक अणुओं के अम्ल पृथक्करण स्थिरांक को मापने के लिए उपयोग किया जाता है। क्योंकि DMSO H₂O की तुलना में एक शक्तिशाली प्रोटॉन स्वीकर्ता है, इस विलायक में अम्ल पानी की तुलना में एक शक्तिशाली अम्ल बन जाता है। वस्तुतः, कई अणु अजल घोल में अम्ल के रूप में व्यवहार करते हैं जो जलीय घोल में ऐसा नहीं करते हैं। कार्बन अम्ल के साथ एक चरम स्थिति होती है, जहां C-H बंध से एक प्रोटॉन निकाला जाता है।

कुछ अजल विलायक अम्ल के रूप में व्यवहार कर सकते हैं। एक अम्लीय विलायक उसमें घुले पदार्थों की क्षारकता बढ़ा देगा। उदाहरण के लिए, यौगिक CH₃COOH पानी में अम्लीय व्यवहार के कारण इसे सिरका अम्ल के रूप में जाना जाता है। हालाँकि यह तरल हाइड्रोजन क्लोराइड में एक क्षार के रूप में व्यवहार करता है, जो कि अधिक अम्लीय विलायक है।

${\ce {HCl + CH3COOH <=> Cl- + CH3C(OH)2+}}$

लुईस अम्ल-क्षार सिद्धांत के साथ तुलना

See also: लुईस अम्ल और क्षार

उसी वर्ष ब्रोंस्टेड और लोरी ने अपने सिद्धांत को प्रकाशित किया, जब जी.एन. लुईस ने अम्ल-क्षार प्रतिक्रियाओं का एक वैकल्पिक सिद्धांत प्रस्तावित किया। लुईस सिद्धांत इलेक्ट्रॉनिक संरचना पर क्षारित है। एक लुईस क्षार को एक यौगिक के रूप में परिभाषित किया गया है जो एक इलेक्ट्रॉन जोड़ी को लुईस अम्ल को दान कर सकता है, एक यौगिक जो एक इलेक्ट्रॉन जोड़ी को स्वीकार कर सकता है। लुईस का प्रस्ताव इलेक्ट्रॉनिक संरचना के संदर्भ में ब्रोंस्टेड-लोरी वर्गीकरण का स्पष्टीकरण देता है।

${\ce {HA + B <=> A- + BH+}}$

इस प्रतिनिधित्व में दोनों क्षार, B, और संयुग्मित क्षार, A⁻, इलेक्ट्रॉनों के एक अकेले जोड़े को ले जाते हुए दिखाए गए हैं और प्रोटॉन, जो एक लुईस अम्ल है, उनके बीच स्थानांतरित हो जाता है।

अमोनिया और बोरॉन ट्राइफ्लोराइड का योग

लुईस ने बाद में लिखा था कि अम्ल के समूह को उन पदार्थों तक सीमित करने के लिए जिनमें हाइड्रोजन सम्मिलित है, रसायन विज्ञान की व्यवस्थित समझ के साथ गंभीरता से हस्तक्षेप करता है जैसे ऑक्सीजन युक्त पदार्थों के ऑक्सीकरण अभिकर्ता शब्द का प्रतिबंध है। लुईस सिद्धांत में अम्ल A, और क्षार B, एक जोड़, AB बनाता है, जिसमें इलेक्ट्रॉन जोड़ी का उपयोग A और B के बीच एक संयोजी सहसंयोजक बंधन बनाने के लिए किया जाता है। यह जोड़ अमोनिया और बोरॉन ट्राइफ्लोराइड से H₃N−BF₃ के गठन के साथ चित्रित किया गया है, एक प्रतिक्रिया जो जलीय घोल में नहीं हो सकती क्योंकि बोरॉन ट्राइफ्लोराइड हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया में पानी के साथ हिंसक रूप से प्रतिक्रिया करता है।

${\ce {BF3 + 3H2O -> B (OH)3 + 3HF}}$

${\ce {HF <=> H+ + F-}}$

ये प्रतिक्रियाएँ बताती हैं कि BF₃ लुईस और ब्रोंस्टेड-लोरी दोनों वर्गीकरणों में एक अम्ल है और दोनों सिद्धांतों के बीच निरंतरता पर जोर देता है।

प्रतिक्रिया के क्षार पर बोरिक अम्ल को लुईस अम्ल के रूप में पहचाना जाता है

${\ce {B(OH)3 + H2O <=> B(OH)4- + H+}}$

इस स्तिथि में अम्ल अलग नहीं होता है; यह क्षार है, H₂O जो अलग हो जाता है। B(OH)₃ का एक विलयन अम्लीय है क्योंकि इस अभिक्रिया में हाइड्रोजन आयन मुक्त होते हैं।

इस बात के प्रबल प्रमाण हैं कि अमोनिया के जलीय घोल में अमोनियम आयन की नगण्य मात्रा होती है

${\ce {H2O + NH3 -> OH- + NH+4}}$

और यह कि जब पानी में घोला जाता है, तो अमोनिया लुईस क्षार के रूप में कार्य करता है।

लक्स-फ्लड सिद्धांत के साथ तुलना

ठोस या तरल अवस्था में आक्साइड के बीच की प्रतिक्रिया ब्रोंस्टेड-लोरी सिद्धांत में सम्मिलित नहीं है। उदाहरण के लिए, प्रतिक्रिया

${\ce {2MgO + SiO2 -> Mg2 SiO4}}$

अम्ल और क्षार की ब्रोंस्टेड-लोरी परिभाषा के कार्यक्षेत्र में नहीं आता है। दूसरी ओर, मैग्नीशियम ऑक्साइड एक क्षार के रूप में कार्य करता है जब यह एक अम्ल के जलीय घोल के साथ प्रतिक्रिया करता है।

${\ce {2H+ + MgO(s) -> Mg^{2+}(aq) + H2O}}$

भंग SiO₂ ब्रोंस्टेड-लोरी अर्थ में एक शक्तिहीन अम्ल होने की भविष्यवाणी की गई है।

${\ce {SiO2(s) + 2H2O <=> Si(OH)4 (solution)}}$

${\ce {Si(OH)4 <=> Si(OH)3O- + H+}}$

लक्स-फ्लड सिद्धांत के अनुसार, MgO और SiO₂ जैसे यौगिक ठोस अवस्था में अम्ल या क्षार के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, खनिज ओलिविन को एक अम्लीय ऑक्साइड, सिलिका, SiO के साथ एक मूल ऑक्साइड, MgO₂ के यौगिक के रूप में माना जा सकता है। भू-रसायन में यह वर्गीकरण महत्वपूर्ण है।

ग्रन्थसूची

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