उदासीनीकरण (रसायन विज्ञान)

एक प्रबल अम्ल -प्रबल आधार न्यूट्रलाइजेशन अनुमापन का एनीमेशन (फिनोलफथेलिन का उपयोग करके)। तुल्यता बिंदु लाल रंग में चिह्नित है.

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

निष्क्रियीकरण का अर्थ

इस प्रकार के रासायनिक प्रतिक्रिया के संदर्भ में न्यूट्रलाइजेशन शब्द का उपयोग अम्ल और क्षार (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 + H₂O

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

AH + B → A + BH

इस तरह की सामान्य अभिव्यक्तियों से विद्युत आवेश हटा दिए जाते हैं, क्योंकि प्रत्येक प्रजाति A, AH, B, या BH में विद्युत आवेश हो भी सकता है और नहीं भी होता है। जहाँ ऐसे सल्फ्यूरिक अम्ल का उदासीनीकरण विशिष्ट उदाहरण प्रदान करता है। इस उदाहरण में दो आंशिक उदासीनीकरण प्रतिक्रियाएँ संभव हैं।

H₂SO₄ + OH⁻ → HSO⁻
₄ + H₂O

HSO⁻
₄ + OH⁻→ SO²⁻
₄ + H₂O

कुल मिलाकर: H₂SO₄ + 2 OH⁻ → SO²⁻
₄+ 2 H₂O

इस प्रकार के अम्ल AH के निष्प्रभावी हो जाने के पश्चात् घोल में अम्ल 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 उपस्थित अम्ल की मात्रा के समान होनी चाहिए। जिसमे 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 सरलता से व्यक्त किया जाता है। तुल्यता बिंदु पर:

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

सामान्य रूप से पर, अम्ल AH_n के लिए एकाग्रता पर c₁ आधार B(OH)_m के साथ प्रतिक्रिया करना है जो कि एकाग्रता पर c₂ वॉल्यूम इससे संबंधित हैं:

n v₁ c₁ = m v₂ c₂

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

Ba(OH)₂ + 2 H⁺ → Ba²⁺ + 2 H₂O

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

[Ca,Mg]CO₃(s) + H₂SO₄(aq) → (Ca²⁺, Mg²⁺)(aq) + SO²⁻
₄(aq)+ CO₂(g) + H₂O

ऐसी प्रतिक्रियाएँ मृदा रसायन विज्ञान में महत्वपूर्ण हैं।

प्रबल अम्ल और प्रबल क्षार

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

HCl(aq) → H⁺(aq) + Cl⁻(aq)

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

NaOH(aq) → Na⁺(aq) + OH⁻(aq)

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

H⁺ + OH⁻ → H₂O

उदाहरण के लिए, हाइड्रोक्लोरिक अम्ल और सोडियम हाइड्रॉक्साइड के बीच प्रतिक्रिया में सोडियम और क्लोराइड आयन, Na⁺और Cl⁻ प्रतिक्रिया में भाग न लें। प्रतिक्रिया ब्रोंस्टेड-लोरी परिभाषा के अनुरूप है क्योंकि वास्तव में हाइड्रोजन आयन हाइड्रोनियम आयन के रूप में उपस्थित है, जिससे तटस्थीकरण प्रतिक्रिया को इस प्रकार लिखा जा सकता है

H₃O⁺ + OH⁻ → H₂O + H₂O

जब प्रबल अम्ल को प्रबल आधार द्वारा अप्रभावी 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 होता है। तो ऐसे घोल का pH मान 7 के निकट होता है; जो कि स्पष्ट pH मान घोल के तापमान पर निर्भर करता है।

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

मात्रात्मक उपचार

यह पूरी तरह से विघटित शब्द किसी विलेय पर तब प्रयुक्त 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 log K < −2 या कुछ पाठों में log K < −1.76 के रूप में व्यक्त किया जाता है। इसका अर्थ यह है कि पृथक्करण स्थिरांक का मान प्रयोगात्मक माप से प्राप्त नहीं किया जा सकता है। चूँकि, इसका मूल्य का अनुमान सैद्धांतिक रूप से लगाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, कमरे के तापमान पर जलीय घोल में हाइड्रोजन क्लोराइड के लिए log K ≈ −6 का मान अनुमानित किया गया है रासायनिक यौगिक घोल में प्रबल अम्ल के रूप में व्यवहार कर सकता है जब इसकी सांद्रता कम हो और जब इसकी सांद्रता बहुत अधिक हो तो अशक्त अम्ल के रूप में व्यवहार कर सकता है। सल्फ्यूरिक अम्ल ऐसे यौगिक का उदाहरण है।

अशक्त अम्ल और प्रबल क्षार

एक अशक्त अम्ल HA वह है जो पानी में घुलने पर पूरी तरह से अलग नहीं होता है। इसके अतिरिक्त संतुलन रसायन मिश्रण बनता है:

HA + H₂O ⇌ H₃O⁺ + A⁻

इस प्रकार का एसिटिक अम्ल अशक्त अम्ल का उदाहरण है। परिणामित उदासीन विलयन का pH

HA + OH⁻ → H₂O + A⁻

एक प्रबल अम्ल की तरह, 7 के निकट नहीं है, किन्तु अम्ल के अम्ल पृथक्करण स्थिरांक, K_a , पर निर्भर करता है। अनुमापन में अंतिम बिंदु या समतुल्य बिंदु पर pH की गणना निम्नानुसार की जा सकती है। जो कि अंत-बिंदु पर अम्ल पूरी तरह से अप्रभाव हो जाता है इसलिए विश्लेषणात्मक हाइड्रोजन आयन एकाग्रता, T_H, शून्य है और संयुग्म आधार की सांद्रता, A⁻, विश्लेषणात्मक या औपचारिक एकाग्रता T_A के समान है जिसमे अम्ल का: [A⁻] = T_A जब अम्ल , HA का घोल रासायनिक संतुलन पर होता है, तो परिभाषा के अनुसार सांद्रता अभिव्यक्ति से संबंधित होती है

[A⁻][H⁺] = K_a [HA]; pK_a = −log K_a

ऐसे विलायक (उदाहरण के लिए पानी) को इस धारणा पर परिभाषित अभिव्यक्ति से हटा दिया गया है कि इसकी एकाग्रता भंग अम्ल की एकाग्रता से बहुत अधिक है, ऐसे [H₂O] ≫ T_A हाइड्रोजन आयनों में द्रव्यमान-संतुलन के समीकरण को इस प्रकार लिखा जा सकता है

T_H = [H⁺] + [A⁻][H⁺]/K_a − K_w/[H⁺]

4.85 pK_a वाले अशक्त अम्ल में प्रबल आधार जोड़ने के लिए अनुमापन वक्र। वक्रों को एसिड की सांद्रता के साथ लेबल किया जाता है।

जहां K_w जल के स्व-आयनीकरण या जल के स्व-पृथक्करण स्थिरांक का प्रतिनिधित्व करता है। चूंकि K_w = [H⁺][OH⁻], शब्द K_w/[H⁺] [OH⁻], के समान है, इस प्रकार के हाइड्रॉक्साइड आयनों की सांद्रता तटस्थीकरण पर, T_H शून्य है. ऐसे समीकरण के दोनों पक्षों को [H⁺], से गुणा करने के पश्चात् बन जाता है

[H⁺]² + T_A[H⁺]²/K_a − K_w = 0

और, पुनर्व्यवस्था और लघुगणक लेने के पश्चात् ,

pH = 1/2 pK_w + 1/2 log (1+ T_A/K_a)

इस प्रकार के अशक्त अम्ल के तनु विलयन के साथ, अच्छे सन्निकटन के लिए पद 1+ T_A/K_a , T_A/K_a के समान होता है। यदि pK_w = 14

pH = 7 + (pK_a + log T_A)/2

यह समीकरण निम्नलिखित तथ्यों की व्याख्या करता है:

• अंत-बिंदु पर pH मुख्य रूप से अम्ल , pK_a की शक्ति पर निर्भर करता है.
• अंतिम बिंदु पर pH 7 से अधिक है और अम्ल , T_A की बढ़ती सांद्रता के साथ बढ़ता है, जैसा कि चित्र में देखा गया है।

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

अशक्त क्षार और प्रबल अम्ल

स्थिति अशक्त अम्ल और प्रबल क्षार के समान है।

B + H₃O⁺ ⇌ BH⁺ + H₂O

ऐमीन अशक्त क्षारकों के उदाहरण हैं। निष्प्रभावी घोल का pH प्रोटोनेटेड बेस, pK_a के अम्ल पृथक्करण स्थिरांक पर निर्भर करता है, या, समकक्ष, आधार एसोसिएशन स्थिरांक, pK_b पर है इस प्रकार के अनुमापन के लिए उपयोग करने के लिए सबसे उपयुक्त संकेतक मिथाइल नारंगी है, जो कम pH पर रंग बदलता है।

अशक्त अम्ल और अशक्त क्षार

जब अशक्त अम्ल अशक्त क्षार के समान मात्रा के साथ प्रतिक्रिया करता है,

HA + B ⇌ A⁻ + BH⁺

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

[A⁻][BH⁺] = K [HA][B].

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

HA ⇌ H⁺ + A⁻  K_a,A = [A⁻][H⁺]/[HA]

BH⁺ ⇌ B + H⁺  K_a,B = [B][H⁺]/[BH⁺]

इस प्रकार के पृथक्करण स्थिरांक K_a,A and K_a,B के साथ अम्ल HA और BH⁺ का, क्रमशः है जो प्रतिक्रिया भागफल के निरीक्षण से यह पता चलता है

k = K_a,A/K_a,B.

एक अशक्त अम्ल को सदैव अशक्त आधार द्वारा अप्रभाव नहीं किया जा सकता है, और इसके विपरीत है। चूँकि , बेंजोइक अम्ल (K_a,A = 6.5 × 10⁻⁵)को अमोनिया (K_a,B = 5.6 × 10⁻¹⁰ अमोनियम के लिए) के साथ उदासीन करने के लिए, K = 1.2×10⁵>>1, और 99% से अधिक बेंजोइक अम्ल बेंजोएट में परिवर्तित हो जाता है।

अनुप्रयोग

ऐसे अज्ञात सांद्रता निर्धारित करने के लिए अम्ल या क्षार का विश्लेषण करने के लिए रासायनिक अनुमापन विधियों का उपयोग किया जाता है। या तो pH मीटर या pH संकेतक जो अलग रंग परिवर्तन द्वारा तटस्थता के बिंदु को दर्शाता है,जिसको नियोजित किया जा सकता है। जो 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 हानि को कम करने के लिए अधिकांशत: रासायनिक तटस्थीकरण विधियों का उपयोग किया जाता है। जिसका pH नियंत्रण के लिए, लोकप्रिय रसायनों में कैल्शियम कार्बोनेट, कैल्शियम ऑक्साइड, मैग्नेशियम हायड्रॉक्साइड और सोडियम बाईकारबोनेट सम्मिलित हैं। उपयुक्त उदासीनीकरण रसायन का चयन विशेष अनुप्रयोग पर निर्भर करता है।

उदासीनीकरण प्रतिक्रियाओं के अनेक उपयोग हैं जो अम्ल-क्षार प्रतिक्रियाएं हैं। अम्लनाशक गोलियों का उपयोग बहुत समान्य है। इन्हें पेट में अतिरिक्त गैस्ट्रिक अम्ल (हाइड्रोक्लोरिक अम्ल ) को अप्रभाव करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो पेट या निचले अन्नप्रणाली में असुविधा उत्पन्न कर सकता है। इसे सोडियम बाइकार्बोनेट (NaHCO)₃) के सेवन से भी ठीक किया जा सकता है.इस प्रकार के सोडियम बाइकार्बोनेट का उपयोग समान्प्रय रूप से योगशालाओं में अम्ल फैलने के साथ-साथ रासायनिक जलन को अप्रभाव 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 अतिरिक्त पाचन तंत्र में, जब भोजन को पेट से आंतों में ले जाया जाता है तो तटस्थीकरण प्रतिक्रियाओं का उपयोग किया जाता है। जिसमे आंतों की दीवार के माध्यम से पोषक तत्वों को अवशोषित करने के लिए, क्षारीय वातावरण की आवश्यकता होती है, इसलिए अग्न्याशय इस परिवर्तन को करने के लिए एंटासिड बाइकार्बोनेट का उत्पादन करता है।

एक अन्य समान्य उपयोग, चूँकि संभवतः उतना व्यापक रूप से ज्ञात नहीं है, जो कि उर्वरकों और मिट्टी pH के नियंत्रण में है। जिसमे 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। इस प्रकार के पौधों की वृद्धि में सुधार करने वाले उर्वरक सल्फ्यूरिक अम्ल (H₂SO₄) को निष्क्रिय करके बनाए जाते है जिसका नाइट्रिक अम्ल (HNO₃) अमोनिया गैस (NH₃) के साथ, अमोनियम सल्फेट या अमोनियम नाइट्रेट बनाना ये उर्वरक में उपयोग किये जाने वाले लवण हैं।

औद्योगिक रूप से, कोयलायले के जलने का उप-उत्पाद, सल्फर डाइऑक्साइड गैस, हवा में जल वाष्प के साथ मिलकर अंततः सल्फ्यूरिक अम्ल का उत्पादन कर सकती है, जो अम्लीय वर्षा के रूप में गिरती है। जिसमें सल्फर डाइऑक्साइड को निकलने से रोकने के लिए, स्क्रबर नामक उपकरण धुएं के ढेर से गैस संग्रह 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 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.