उदासीनीकरण (रसायन विज्ञान)

एक मजबूत एसिड-मजबूत आधार न्यूट्रलाइजेशन अनुमापन का एनीमेशन (phenolphthalein का उपयोग करके)। तुल्यता बिंदु लाल रंग में चिह्नित है.

रसायन विज्ञान में, उदासीनीकरण या उदासीनीकरण (अमेरिकी और ब्रिटिश अंग्रेजी वर्तनी अंतर देखें) एक रासायनिक प्रतिक्रिया है जिसमें एसिड और क्षार (रसायन विज्ञान) एक दूसरे के बराबर मात्रा के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। पानी में एक प्रतिक्रिया में, उदासीनीकरण के परिणामस्वरूप घोल में हाइड्रोजन या हाइड्रॉक्साइड आयनों की कोई अधिकता नहीं होती है। उदासीन विलयन का pH अभिकारकों की अम्ल शक्ति पर निर्भर करता है।

निष्क्रियीकरण का अर्थ

रासायनिक प्रतिक्रिया के संदर्भ में न्यूट्रलाइजेशन शब्द का उपयोग एसिड और बेस (रसायन विज्ञान) या क्षार के बीच प्रतिक्रिया के लिए किया जाता है। ऐतिहासिक रूप से, इस प्रतिक्रिया को इस प्रकार दर्शाया गया था

अम्ल + क्षार (क्षार) → नमक + पानी

उदाहरण के लिए:

HCl + NaOH → NaCl + H₂हे

यह कथन तब तक मान्य है जब तक यह समझा जाता है कि जलीय घोल में शामिल पदार्थ अलग हो जाते हैं, जो पदार्थों की आयनीकरण स्थिति को बदल देता है। तीर चिह्न, → का उपयोग इसलिए किया जाता है क्योंकि प्रतिक्रिया पूर्ण होती है, अर्थात उदासीनीकरण एक मात्रात्मक प्रतिक्रिया है। एक अधिक सामान्य परिभाषा ब्रोंस्टेड-लोरी एसिड-बेस सिद्धांत पर आधारित है।

एएच + बी → ए + बीएच

इस तरह की सामान्य अभिव्यक्तियों से विद्युत आवेश हटा दिए जाते हैं, क्योंकि प्रत्येक प्रजाति ए, एएच, बी, या बीएच में विद्युत आवेश हो भी सकता है और नहीं भी। सल्फ्यूरिक एसिड का उदासीनीकरण एक विशिष्ट उदाहरण प्रदान करता है। इस उदाहरण में दो आंशिक उदासीनीकरण प्रतिक्रियाएँ संभव हैं।

एच₂इसलिए₄ + ओह⁻→ HSO⁻
₄ + एच₂हे

HSO⁻
₄ + ओह⁻→ SO²⁻
₄ + एच₂हे

कुल मिलाकर: एच₂इसलिए₄ + 2 ओह⁻→ SO²⁻
₄+ 2 एच₂हे

एसिड एएच के निष्प्रभावी हो जाने के बाद घोल में एसिड का कोई अणु (या अणु के पृथक्करण से उत्पन्न हाइड्रोजन आयन) नहीं बचता है।

जब किसी अम्ल को उदासीन किया जाता है तो उसमें जोड़े गए क्षार की मात्रा प्रारंभ में मौजूद अम्ल की मात्रा के बराबर होनी चाहिए। आधार की यह मात्रा समतुल्य (रसायन) मात्रा कहलाती है। क्षार के साथ अम्ल के अनुमापन में उदासीनीकरण बिंदु को तुल्यता बिंदु भी कहा जा सकता है। उदासीनीकरण प्रतिक्रिया की मात्रात्मक प्रकृति को अम्ल और क्षार की सांद्रता के संदर्भ में सबसे आसानी से व्यक्त किया जाता है। तुल्यता बिंदु पर:

आयतन (अम्ल) × सांद्रता (H⁺पृथक्करण से आयन) = आयतन (आधार) × सांद्रता (OH⁻आयन)

सामान्य तौर पर, एक एसिड एएच के लिए_n एकाग्रता पर सी₁ आधार B(OH) के साथ प्रतिक्रिया करना_m एकाग्रता पर सी₂ वॉल्यूम इससे संबंधित हैं:

एन वी₁ c₁ = एम वी₂ c₂

किसी अम्ल द्वारा क्षार को उदासीन किये जाने का एक उदाहरण इस प्रकार है।

बा(OH)₂ + 2 एच⁺→ क्या?²⁺+2 एच₂हे

अम्ल और क्षार की सांद्रता से संबंधित वही समीकरण लागू होता है। उदासीनीकरण की अवधारणा समाधान में प्रतिक्रियाओं तक ही सीमित नहीं है। उदाहरण के लिए, सल्फ्यूरिक एसिड जैसे एसिड के साथ चूना पत्थर की प्रतिक्रिया भी एक उदासीनीकरण प्रतिक्रिया है।

[Ca,Mg]CO₃(s) + एच₂इसलिए₄(aq) → (सीए²⁺, एमजी²⁺)(aq) + SO²⁻
₄(aq) + सीओ₂(g) + एच₂हे

मृदा रसायन विज्ञान में ऐसी प्रतिक्रियाएँ महत्वपूर्ण हैं।

प्रबल अम्ल और प्रबल क्षार

एक मजबूत एसिड वह है जो जलीय घोल में पूरी तरह से पृथक्करण (रसायन विज्ञान) करता है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोक्लोरिक एसिड, एचसीएल, एक मजबूत एसिड है।

एचसीएल(aq) → एच⁺(aq) + सीएल⁻(aq)

एक मजबूत आधार वह है जो जलीय घोल में पूरी तरह से पृथक्करण (रसायन विज्ञान) है। उदाहरण के लिए, सोडियम हाइड्रॉक्साइड, NaOH, एक मजबूत आधार है।

NaOH(aq) → बस इतना ही⁺(aq) + ओह⁻(aq)

इसलिए, जब एक मजबूत अम्ल एक मजबूत आधार के साथ प्रतिक्रिया करता है तो उदासीनीकरण प्रतिक्रिया को इस प्रकार लिखा जा सकता है

एच⁺ +ओह⁻→ एच₂हे

उदाहरण के लिए, हाइड्रोक्लोरिक एसिड और सोडियम हाइड्रॉक्साइड के बीच प्रतिक्रिया में सोडियम और क्लोराइड आयन, Na⁺और सीएल⁻प्रतिक्रिया में भाग न लें। प्रतिक्रिया ब्रोंस्टेड-लोरी परिभाषा के अनुरूप है क्योंकि वास्तव में हाइड्रोजन आयन हाइड्रोनियम आयन के रूप में मौजूद है, ताकि तटस्थीकरण प्रतिक्रिया को इस प्रकार लिखा जा सके

एच₃O⁺ +ओह⁻→ एच₂ओ + एच₂हे

जब एक मजबूत एसिड को एक मजबूत आधार द्वारा बेअसर किया जाता है तो घोल में कोई अतिरिक्त हाइड्रोजन आयन नहीं बचते हैं। इस घोल को तटस्थ घोल कहा जाता है क्योंकि यह न तो अम्लीय है और न ही क्षारीय। ऐसे घोल का pH मान 7 के करीब होता है; सटीक pH मान घोल के तापमान पर निर्भर करता है।

उदासीनीकरण एक ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रिया है। प्रतिक्रिया के लिए मानक एन्थैल्पी परिवर्तन H⁺ + OH⁻ → H₂O -57.30 kJ/mol है।

मात्रात्मक उपचार

पूरी तरह से विघटित शब्द किसी विलेय पर तब लागू होता है जब असंबद्ध विलेय की सांद्रता पता लगाने की सीमा से कम होती है, अर्थात, जब असंबद्ध विलेय की सांद्रता मापी जाने के लिए बहुत कम होती है। मात्रात्मक रूप से इसे इस प्रकार व्यक्त किया जाता है log K < −2, या कुछ ग्रंथों में log K < −1.76. इसका मतलब यह है कि पृथक्करण स्थिरांक का मान प्रयोगात्मक माप से प्राप्त नहीं किया जा सकता है। हालाँकि, मूल्य का अनुमान सैद्धांतिक रूप से लगाया जा सकता है। उदाहरण के लिए का मूल्य log K ≈ −6 कमरे के तापमान पर जलीय घोल में हाइड्रोजन क्लोराइड का अनुमान लगाया गया है।<रेफ नाम = ट्रम्मल 3663-3669 >Trummal, Aleksander; Lipping, Lauri; Kaljurand, Ivari; Koppel, Ilmar A.; Leito, Ivo (2016-05-06). "पानी और डाइमिथाइल सल्फ़ोक्साइड में मजबूत एसिड की अम्लता". The Journal of Physical Chemistry A (in English). 120 (20): 3663–3669. Bibcode:2016JPCA..120.3663T. doi:10.1021/acs.jpca.6b02253. ISSN 1089-5639. PMID 27115918. S2CID 29697201.</ref> एक रासायनिक यौगिक घोल में एक मजबूत एसिड के रूप में व्यवहार कर सकता है जब इसकी सांद्रता कम हो और जब इसकी सांद्रता बहुत अधिक हो तो एक कमजोर एसिड के रूप में व्यवहार कर सकता है। सल्फ्यूरिक एसिड ऐसे यौगिक का एक उदाहरण है।

कमजोर अम्ल और मजबूत क्षार

एक कमजोर एसिड HA वह है जो पानी में घुलने पर पूरी तरह से अलग नहीं होता है। इसके बजाय एक संतुलन रसायन मिश्रण बनता है:

एचए + एच₂O ⇌ एच₃O⁺ + ए⁻

एसिटिक अम्ल कमजोर अम्ल का उदाहरण है। परिणामित उदासीन विलयन का pH

हा + ओह⁻→ एच₂ओ + ए⁻

एक मजबूत एसिड की तरह, 7 के करीब नहीं है, लेकिन एसिड पृथक्करण स्थिरांक, K पर निर्भर करता है_a, अम्ल का। अनुमापन में अंतिम बिंदु या समतुल्य बिंदु पर पीएच की गणना निम्नानुसार की जा सकती है। अंत-बिंदु पर एसिड पूरी तरह से बेअसर हो जाता है इसलिए विश्लेषणात्मक हाइड्रोजन आयन एकाग्रता, टी_H, शून्य है और संयुग्म आधार की सांद्रता, ए⁻, विश्लेषणात्मक या औपचारिक एकाग्रता टी के बराबर है_A अम्ल का: [ए⁻] = टी_A. जब एसिड, HA का एक घोल रासायनिक संतुलन पर होता है, तो परिभाषा के अनुसार सांद्रता अभिव्यक्ति से संबंधित होती है

[ए⁻][एच⁺] = के_a [एचए]; पक_a = −लघुगणक K_a

विलायक (उदाहरण के लिए पानी) को इस धारणा पर परिभाषित अभिव्यक्ति से हटा दिया गया है कि इसकी एकाग्रता भंग एसिड की एकाग्रता से बहुत अधिक है, [एच₂ओ] ≫ टी_A. हाइड्रोजन आयनों में द्रव्यमान-संतुलन के समीकरण को इस प्रकार लिखा जा सकता है

टी_H = [एच⁺] + [ए⁻][एच⁺]/के_a − K_w/[H⁺]

पीके के साथ एक कमजोर अम्ल में एक मजबूत आधार जोड़ने के लिए अनुमापन वक्र_a 4.85 का. वक्रों को एसिड की सांद्रता के साथ लेबल किया जाता है।

जहां के_w जल के स्व-आयनीकरण | जल के स्व-पृथक्करण स्थिरांक का प्रतिनिधित्व करता है। चूंकि के_w = [एच⁺][ओह⁻], शब्द K_w/[H⁺] [OH के बराबर है⁻], हाइड्रॉक्साइड आयनों की सांद्रता। तटस्थीकरण पर, टी_H शून्य है. समीकरण के दोनों पक्षों को [H से गुणा करने के बाद⁺], बन जाता है

[एच⁺]²+टी_A[एच⁺]²/K_a − के_w = 0

और, पुनर्व्यवस्था और लघुगणक लेने के बाद,

पीएच = 1/2 पक_w + 1/2 लॉग (1+ T_A/K_a)

कमजोर अम्ल के तनु विलयन के साथ, पद 1+ T_A/K_a के बराबर है T_A/K_a एक अच्छे सन्निकटन के लिए। यदि पी.के_w = 14,

पह = 7 + (पक_a + लॉग टी_A)/2

यह समीकरण निम्नलिखित तथ्यों की व्याख्या करता है:

• अंत-बिंदु पर पीएच मुख्य रूप से एसिड, पीके की ताकत पर निर्भर करता है_a.
• अंतिम बिंदु पर पीएच 7 से अधिक है और एसिड, टी की बढ़ती सांद्रता के साथ बढ़ता है_A, जैसा कि चित्र में देखा गया है।

एक मजबूत आधार के साथ कमजोर एसिड के अनुमापन में जैसे-जैसे अंतिम बिंदु करीब आता है पीएच अधिक तेजी से बढ़ता है। अंतिम बिंदु पर, टाइट्रेट करना की मात्रा के संबंध में pH के वक्र का ढलान अधिकतम होता है। चूंकि अंतिम बिंदु 7 से अधिक पीएच पर होता है, इसलिए उपयोग करने के लिए सबसे उपयुक्त पीएच संकेतक फिनोलफथेलिन की तरह एक है, जो उच्च पीएच पर रंग बदलता है।

कमजोर क्षार और मजबूत अम्ल

स्थिति कमजोर अम्ल और मजबूत क्षार के समान है।

बी + एच₃O⁺ ⇌ बीएच⁺ +एच₂हे

ऐमीन कमज़ोर क्षारकों के उदाहरण हैं। निष्प्रभावी घोल का पीएच प्रोटोनेटेड बेस, पीके के एसिड पृथक्करण स्थिरांक पर निर्भर करता है_a, या, समकक्ष, आधार एसोसिएशन स्थिरांक, पीके पर_b. इस प्रकार के अनुमापन के लिए उपयोग करने के लिए सबसे उपयुक्त संकेतक मिथाइल नारंगी है, जो कम पीएच पर रंग बदलता है।

कमजोर अम्ल और कमजोर क्षार

जब एक कमजोर अम्ल कमजोर क्षार के बराबर मात्रा के साथ प्रतिक्रिया करता है,

एचए + बी ⇌ ए⁻ + BH⁺

पूर्ण निराकरण हमेशा नहीं होता है। एक दूसरे के साथ संतुलन में प्रजातियों की सांद्रता प्रतिक्रिया के लिए संतुलन स्थिरांक, K पर निर्भर करेगी, जिसे निम्नानुसार परिभाषित किया गया है:

[ए⁻][BH⁺] = के [एचए][बी]।

उदासीनीकरण प्रतिक्रिया को निम्नलिखित दो अम्ल पृथक्करण प्रतिक्रियाओं का अंतर माना जा सकता है

हा ⇌ एच⁺ + ए⁻  क_a,A = [ए⁻][एच^{+</सुप>]/[है]}

बह⁺ ⇌ बी + एच⁺  क_a,B = [बी][एच^{+</सुप>]/[बह+]}

पृथक्करण स्थिरांक K के साथ_a,A और के_a,B अम्ल HA और BH का⁺, क्रमशः। प्रतिक्रिया भागफल के निरीक्षण से यह पता चलता है

के = K_a,A/K_a,B.

एक कमजोर एसिड को हमेशा कमजोर आधार द्वारा बेअसर नहीं किया जा सकता है, और इसके विपरीत। हालाँकि, बेंज़ोइक एसिड (K_a,A = 6.5 × 10⁻⁵) अमोनिया के साथ (K_a,B = 5.6 × 10^{-अमोनियम के लिए −10}), K = 1.2×10⁵>>1, और 99% से अधिक बेंजोइक एसिड बेंजोएट में परिवर्तित हो जाता है।

अनुप्रयोग

अज्ञात सांद्रता निर्धारित करने के लिए अम्ल या क्षार का विश्लेषण करने के लिए रासायनिक अनुमापन विधियों का उपयोग किया जाता है। या तो एक पीएच मीटर या एक पीएच संकेतक जो एक अलग रंग परिवर्तन द्वारा तटस्थता के बिंदु को दर्शाता है, को नियोजित किया जा सकता है। अज्ञात की ज्ञात मात्रा और जोड़े गए रसायन की ज्ञात मात्रा और मोलर सांद्रता के साथ सरल स्तुईचिओमेटरी गणना अज्ञात की मात्रा बताती है।

जल उपचार में, किसी अपशिष्ट पदार्थ को पर्यावरण में छोड़े जाने पर होने वाले नुकसान को कम करने के लिए अक्सर रासायनिक तटस्थीकरण विधियों का उपयोग किया जाता है। पीएच नियंत्रण के लिए, लोकप्रिय रसायनों में कैल्शियम कार्बोनेट, कैल्शियम ऑक्साइड, मैग्नेशियम हायड्रॉक्साइड और सोडियम बाईकारबोनेट शामिल हैं। उपयुक्त उदासीनीकरण रसायन का चयन विशेष अनुप्रयोग पर निर्भर करता है।

उदासीनीकरण प्रतिक्रियाओं के कई उपयोग हैं जो अम्ल-क्षार प्रतिक्रियाएं हैं। अम्लनाशक गोलियों का उपयोग बहुत आम है। इन्हें पेट में अतिरिक्त गैस्ट्रिक अम्ल (हाइड्रोक्लोरिक एसिड) को बेअसर करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो पेट या निचले अन्नप्रणाली में असुविधा पैदा कर सकता है। इसे सोडियम बाइकार्बोनेट (NaHCO) के सेवन से भी ठीक किया जा सकता है₃). सोडियम बाइकार्बोनेट का उपयोग आमतौर पर प्रयोगशालाओं में एसिड फैलने के साथ-साथ रासायनिक जलन को बेअसर करने के लिए भी किया जाता है।

नैनोमटेरियल्स के रासायनिक संश्लेषण में, धातु अग्रदूतों की रासायनिक कमी को सुविधाजनक बनाने के लिए तटस्थता प्रतिक्रिया की गर्मी का उपयोग किया जा सकता है। इसके अलावा पाचन तंत्र में, जब भोजन को पेट से आंतों में ले जाया जाता है तो तटस्थीकरण प्रतिक्रियाओं का उपयोग किया जाता है। आंतों की दीवार के माध्यम से पोषक तत्वों को अवशोषित करने के लिए, एक क्षारीय वातावरण की आवश्यकता होती है, इसलिए अग्न्याशय इस परिवर्तन को करने के लिए एक एंटासिड बाइकार्बोनेट का उत्पादन करता है।

एक अन्य आम उपयोग, हालांकि शायद उतना व्यापक रूप से ज्ञात नहीं है, उर्वरकों और मिट्टी पीएच के नियंत्रण में है। बुझे हुए चूने (कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड) या चूना पत्थर (कैल्शियम कार्बोनेट) को मिट्टी में मिलाया जा सकता है जो पौधों के विकास के लिए बहुत अम्लीय है। पौधों की वृद्धि में सुधार करने वाले उर्वरक सल्फ्यूरिक एसिड (एच) को निष्क्रिय करके बनाए जाते हैं₂इसलिए₄) या नाइट्रिक एसिड (HNO₃) अमोनिया गैस (एनएच) के साथ₃), अमोनियम सल्फेट या अमोनियम नाइट्रेट बनाना। ये उर्वरक में उपयोग किये जाने वाले लवण हैं।

औद्योगिक रूप से, कोयलायले के जलने का एक उप-उत्पाद, सल्फर डाइऑक्साइड गैस, हवा में जल वाष्प के साथ मिलकर अंततः सल्फ्यूरिक एसिड का उत्पादन कर सकती है, जो अम्लीय वर्षा के रूप में गिरती है। सल्फर डाइऑक्साइड को निकलने से रोकने के लिए, स्क्रबर नामक एक उपकरण धुएं के ढेर से गैस इकट्ठा करता है। यह उपकरण सबसे पहले कैल्शियम कार्बोनेट को दहन कक्ष में प्रवाहित करता है जहां यह कैल्शियम ऑक्साइड (चूना) और कार्बन डाइऑक्साइड में विघटित हो जाता है। यह चूना फिर उत्पादित सल्फर डाइऑक्साइड के साथ प्रतिक्रिया करके कैल्शियम सल्फाइट बनाता है। फिर घोल बनाने के लिए मिश्रण में चूने का एक सस्पेंशन डाला जाता है, जो कैल्शियम सल्फाइट और बचे हुए अप्रयुक्त सल्फर डाइऑक्साइड को हटा देता है।

अग्रिम पठन

Neutralization is covered in most general chemistry textbooks. Detailed treatments may be found in textbooks on analytical chemistry such as

• Skoog, D.A; West, D.M.; Holler, J.F.; Crouch, S.R. (2004). Fundamentals of Analytical Chemistry (8th ed.). Thomson Brooks/Cole. ISBN 0-03-035523-0. Chapters 14, 15 and 16

Applications

• Stumm, W.; Morgan, J.J. (1996). Water Chemistry. New York: Wiley. ISBN 0-471-05196-9.
• Snoeyink, V.L.; Jenkins, D. (1980). Aquatic Chemistry: Chemical Equilibria and Rates in Natural Waters. New York: Wiley. ISBN 0-471-51185-4.
• Millero, F.J. (2006). Chemical Oceanography (3rd ed.). London: Taylor and Francis. ISBN 0-8493-2280-4.
• Metcalf & Eddy. Wastewater Engineering, Treatment and Reuse. 4th ed. New York: McGraw-Hill, 2003. 526-532.