Self-ionization of water
પાણીનું સ્વ-આયનીકરણ (પાણીનું સ્વ-આયનીકરણ, અને પાણીનું સ્વ-વિઘટન, અથવા ફક્ત પાણીનું વિયોજન) એ શુદ્ધ પાણીમાં અથવા જલીય દ્રાવણમાં આયનીકરણ પ્રતિક્રિયા છે, જેમાં પાણીનો અણુ, H2O, ડિપ્રોટોનેટ થાય છે (તેના હાઇડ્રોજન પરમાણુમાંથી એકનું કેન્દ્રક ગુમાવે છે) જે હાઇડ્રોક્સાઇડ આયન, OH− બની જાય છે. હાઇડ્રોજન ન્યુક્લિયસ, H +, તરત જ પાણીના અન્ય પરમાણુને પ્રોટોનેટ કરીને હાઇડ્રોનિયમ કેટાયન, H3O + બનાવે છે. તે ઓટોપ્રોટોલિસિસનું ઉદાહરણ છે, અને પાણીની એમ્ફોટેરિક પ્રકૃતિનું ઉદાહરણ છે. ઇતિહાસ અને સંકેતલિપી પાણીના સ્વ-આયનીકરણની દરખાસ્ત સૌપ્રથમ 1884 માં સ્વાન્તે અર્હેનિયસ દ્વારા આયનીય વિયોજનના સિદ્ધાંતના ભાગ રૂપે કરવામાં આવી હતી, જેમાં તેમણે પાણી સહિત ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની વાહકતાને સમજાવવા માટે દરખાસ્ત કરી હતી. અર્હેનિયસે સ્વ-આયનીકરણને H2O <=> H + + OH-તરીકે લખ્યું હતું. તે સમયે, અણુ માળખા અથવા ઉપપરમાણ્વિક કણો વિશે હજુ સુધી કંઈ જ જાણીતું નહોતું, તેથી તેમની પાસે ઇલેક્ટ્રોલિસિસ પર હાઇડ્રોજન અણુમાંથી H + આયનની રચનાને ધ્યાનમાં લેવાનું કોઈ કારણ નહોતું, જેમ કે, કહો, સોડિયમ અણુમાંથી Na + આયનની રચના. 1923માં જોહાન્સ નિકોલસ બ્રોન્સ્ટેડ અને માર્ટિન લોરીએ પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતો કે પાણીના સ્વ-આયનીકરણમાં ખરેખર પાણીના બે અણુઓનો સમાવેશ થાય છેઃ H2O + H2O <=> H3O + + OH-. આ સમય સુધીમાં ઇલેક્ટ્રોન અને ન્યુક્લિયસની શોધ થઈ ગઈ હતી અને રધરફર્ડે બતાવ્યું હતું કે ન્યુક્લિયસ અણુ કરતાં ઘણું નાનું છે. આમાં ખાલી આયન H + નો સમાવેશ થાય છે જે શૂન્ય ઇલેક્ટ્રોનવાળા પ્રોટોનને અનુરૂપ હશે. બ્રોન્સ્ટેડ અને લોરીએ પ્રસ્તાવ મૂક્યો હતો કે આ આયન દ્રાવણમાં મુક્ત રીતે અસ્તિત્વમાં નથી, પરંતુ હંમેશા પોતાને પાણી (અથવા અન્ય દ્રાવક) પરમાણુ સાથે જોડે છે જેથી હાઇડ્રોનિયમ આયન H3O + (અથવા અન્ય પ્રોટોનેટેડ દ્રાવક) બને છે. પાછળથી સ્પેક્ટ્રોસ્કોપિક પુરાવા દર્શાવે છે કે ઘણા પ્રોટોન વાસ્તવમાં એક કરતાં વધુ પાણીના અણુ દ્વારા હાઇડ્રેટેડ હોય છે. હાઇડ્રેટેડ આયન માટે સૌથી વધુ વર્ણનાત્મક સંકેત H + (aq) છે, જ્યાં aq (જલીય માટે) પાણીના અણુઓની અનિશ્ચિત અથવા ચલ સંખ્યા સૂચવે છે. જો કે H + અને H3O + સંકેતો હજુ પણ તેમના ઐતિહાસિક મહત્વને કારણે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. આ લેખ મોટે ભાગે હાઇડ્રેટેડ પ્રોટોનને H3O + તરીકે રજૂ કરે છે, જે એક જ પાણીના અણુ દ્વારા હાઇડ્રેશનને અનુરૂપ છે. સંતુલન અચળાંક રાસાયણિક રીતે શુદ્ધ પાણીની વિદ્યુત વાહકતા 0.055 μS/cm હોય છે. સ્વાન્તે અર્હેનિયસના સિદ્ધાંતો અનુસાર, આ આયનોની હાજરીને કારણે હોવું જોઈએ. આયન જળ સ્વ-આયનીકરણ પ્રતિક્રિયા દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે, જે શુદ્ધ પાણી અને કોઈપણ જલીય દ્રાવણને લાગુ પડે છેઃ H2O + H2O H3O + + OH-રાસાયણિક પ્રવૃત્તિઓ સાથે અભિવ્યક્ત, સાંદ્રતાને બદલે, જળ આયનીકરણ પ્રતિક્રિયા માટે થર્મોડાયનેમિક સંતુલન અચળાંક છેઃ જે આંકડાકીય રીતે વધુ પરંપરાગત થર્મોડાયનેમિક સંતુલન અચળાંકની બરાબર છેઃ એવી ધારણા હેઠળ કે H + અને H3O + ની રાસાયણિક ક્ષમતાનો સરવાળો ઔપચારિક રીતે સમાન તાપમાન અને દબાણ પર H2O ની રાસાયણિક ક્ષમતાની બમણી બરાબર છે. કારણ કે મોટાભાગના એસિડ-બેઝ દ્રાવણો સામાન્ય રીતે ખૂબ જ પાતળા હોય છે, પાણીની પ્રવૃત્તિ સામાન્ય રીતે એકતાની સમાન હોવાનું અંદાજવામાં આવે છે, જે પાણીના આયનીય ઉત્પાદનને આ રીતે વ્યક્ત કરવાની મંજૂરી આપે છેઃ પાતળા જલીય દ્રાવણોમાં, દ્રાવકોની પ્રવૃત્તિઓ (જેમ કે આયન જેવી ઓગળેલી પ્રજાતિઓ) તેમની સાંદ્રતા લગભગ સમાન હોય છે. આમ, આયનીકરણ અચળાંક, વિયોજન અચળાંક, સ્વ-આયનીકરણ અચળાંક, જળ આયન-ઉત્પાદન અચળાંક અથવા પાણીનું આયનીય ઉત્પાદન, કેડબલ્યુ દ્વારા પ્રતીકિત, આના દ્વારા આપી શકાય છેઃ જ્યાં [H3O +] એ હાઇડ્રોજન કેટાયન અથવા હાઇડ્રોનિયમ આયનની મોલારિટી (મોલર સાંદ્રતા) છે, અને [OH−] એ હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનની સાંદ્રતા છે. જ્યારે સંતુલન અચળાંકને સાંદ્રતાના ઉત્પાદન તરીકે લખવામાં આવે છે (પ્રવૃત્તિઓના વિરોધમાં) ત્યારે આયનીય શક્તિ અને અન્ય પરિબળો (નીચે જુઓ) ના આધારે તેના મૂલ્યમાં સુધારો કરવો જરૂરી છે. 24.87 °C અને શૂન્ય આયનીય શક્તિ પર, Kw બરાબર છે. નોંધ કરો કે તમામ સંતુલન સ્થિરાંકોની જેમ, પરિણામ પરિમાણહીન છે કારણ કે સાંદ્રતા હકીકતમાં પ્રમાણભૂત સ્થિતિને સંબંધિત સાંદ્રતા છે, જે H + અને OH-બંને માટે 1 મોલલ (= 1 મોલ/કિગ્રા) તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે જ્યારે મોલાલિટીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે અથવા 1 મોલર (= 1 મોલ/એલ) જ્યારે મોલર સાંદ્રતાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ઘણા વ્યવહારુ હેતુઓ માટે, જો દ્રાવણની ઘનતા એકની નજીક રહે (એટલે કે, પૂરતા પ્રમાણમાં પાતળા દ્રાવણ અને તાપમાનમાં ફેરફારની નજીવી અસર) તો મોલાલિટી (મોલ દ્રાવણ/કિલોગ્રામ પાણી) અને મોલર (મોલ દ્રાવણ/એલ દ્રાવણ) સાંદ્રતાને આસપાસના તાપમાન અને દબાણ પર લગભગ સમાન ગણી શકાય. મોલલ સાંદ્રતા એકમ (મોલ/કિલો પાણી) નો મુખ્ય ફાયદો સ્થિર અને મજબૂત સાંદ્રતા મૂલ્યોમાં પરિણમે છે જે દ્રાવણની ઘનતા અને કદના ફેરફારો (પાણીની ખારાશ (આયનીય શક્તિ), તાપમાન અને દબાણને આધારે ઘનતા) થી સ્વતંત્ર હોય છે; તેથી, મોલાલિટી એ થર્મોડાયનેમિક ગણતરીઓમાં અથવા ચોક્કસ અથવા ઓછી સામાન્ય પરિસ્થિતિઓમાં ઉપયોગમાં લેવાતું પસંદગીનું એકમ છે, દા. ત., શુદ્ધ પાણી કરતાં નોંધપાત્ર રીતે અલગ ઘનતા ધરાવતા દરિયાઈ પાણી માટે, અથવા ઊંચા તાપમાને, જેમ કે થર્મલ પાવર પ્લાન્ટમાં પ્રવર્તમાન છે. આપણે pKw − log10 Kw ને પણ વ્યાખ્યાયિત કરી શકીએ છીએ (જે 25°C પર લગભગ 14 છે). આ એસિડ વિયોજન અચળાંક માટે pH અને pKa સંકેતો જેવું જ છે, જ્યાં પ્રતીક p એ કોલોગરિધમ સૂચવે છે. સંતુલન અચળાંક સમીકરણનું લઘુગણક સ્વરૂપ pKw = pH + pOH છે. તાપમાન, દબાણ અને આયનીય શક્તિ પર નિર્ભરતા તાપમાન અને દબાણ પર પાણીના આયનીકરણની નિર્ભરતાની સંપૂર્ણ તપાસ કરવામાં આવી છે. પી. કે. ડબલ્યુ. નું મૂલ્ય ઘટે છે કારણ કે તાપમાન બરફના ગલનબિંદુથી ઓછામાં ઓછું સી. 250 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી વધે છે, ત્યારબાદ તે પાણીના નિર્ણાયક બિંદુ સી. 374 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી વધે છે. તે વધતા દબાણ સાથે ઘટે છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સોલ્યુશન્સ સાથે, પી. કે. ડબલ્યુ. નું મૂલ્ય ઇલેક્ટ્રોલાઇટની આયનીય શક્તિ પર આધારિત છે. સોડિયમ ક્લોરાઇડના મૂલ્યો 1:1 ઇલેક્ટ્રોલાઇટ માટે લાક્ષણિક છે. 1:2 ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ સાથે, એમ. એક્સ. 2, પી. કે. ડબલ્યુ. વધતી આયનીય શક્તિ સાથે ઘટે છે. Kw નું મૂલ્ય સામાન્ય રીતે પ્રવાહી તબક્કામાં રસ ધરાવે છે. અતિઉષ્ણ વરાળ (ગેસ) અને અતિગંભીર જળ પ્રવાહી માટેના ઉદાહરણ મૂલ્યો કોષ્ટકમાં આપવામાં આવ્યા છે. {| વર્ગ = "વિકિટેબલ" શૈલી = "લખાણ-સંરેખિતઃ કેન્દ્ર" | + પ્રવાહી પાણી, અતિઉષ્ણ વરાળ અને અતિઉષ્ણ પાણી માટે પી. કે. ડબલ્યુ. મૂલ્યોની સરખામણી. |-! ! ! 350 ડિગ્રી સેલ્સિયસ! ! 400 ડિગ્રી સેલ્સિયસ! ! 450 ડિગ્રી સેલ્સિયસ! ! 500 ડિગ્રી સેલ્સિયસ! ! 600 ડિગ્રી સેલ્સિયસ! ! 800°C |-! અવકાશ = "પંક્તિ" |0.1 MPa | | 47.961b | | 47.873b | | 47.638b | | 46.384b | | 40.785b |-! અવકાશ = "પંક્તિ" |17 MPa | 11.920 (પ્રવાહી) a | | | | | | | | | |-! અવકાશ = "પંક્તિ" |25 MPa | 11.551 (પ્રવાહી) c | | 16.566 | | 18.135 | | 18.758 | | 19.425 | | 20.113 |-! અવકાશ = "પંક્તિ" |100 MPa | 10.600 (પ્રવાહી) c | | 10.744 | | 11.005 | | 11.381 | | 12.296 | | 13.544 |-! અવકાશ = "પંક્તિ" |1000 MPa | 8.311 (પ્રવાહી) c | | 8.178 | | 8.084 | | 8.019 | | 7.952 | | 7.957 | | કોષ્ટકની નોંધો. મૂલ્યો સુપરક્રિટિકલ પ્રવાહી માટે છે સિવાય કે જે ચિહ્નિત થયેલ છેઃ a 350°C ને અનુરૂપ સંતૃપ્તિ દબાણ પર. બી સુપરહીટેડ વરાળ. સી કોમ્પ્રેસ્ડ અથવા સબકૂલ્ડ પ્રવાહી. આઇસોટોપ અસરો ભારે પાણી, D2O, સામાન્ય પાણી કરતાં ઓછું સ્વ-આયનીકરણ કરે છે, H2O; D2O + D2O D3O + + OD-આ સંતુલન આઇસોટોપ અસરને કારણે છે, જે ક્વોન્ટમ યાંત્રિક અસર છે જે ઓક્સિજનને ડ્યુટેરિયમ સાથે સહેજ મજબૂત બંધન બનાવે છે કારણ કે ડ્યુટેરિયમનો મોટો જથ્થો નીચા શૂન્ય-બિંદુ ઊર્જામાં પરિણમે છે. સાંદ્રતાને બદલે પ્રવૃત્તિઓ a સાથે વ્યક્ત કરવામાં આવે છે, ભારે જળ આયનીકરણ પ્રતિક્રિયા માટે થર્મોડાયનેમિક સંતુલન અચળાંક છેઃ D2O ની પ્રવૃત્તિને 1 ધારીએ અને ધારીએ કે D3O + અને OD-ની પ્રવૃત્તિઓ તેમની સાંદ્રતા દ્વારા નજીકથી અંદાજવામાં આવે છે. {| વર્ગ = "વિકિટેબલ" શૈલી = "લખાણ-સંરેખિતઃ કેન્દ્ર" | + શુદ્ધ પાણી માટે pKw મૂલ્યો |-! અવકાશ = "પંક્તિ" |T °C |10 | |20 | | 25 | |30 | | 40 | | 50 |-! અવકાશ = "પંક્તિ" |H2O | 14.535 | | 14.167 | | 13.997 | | 13.830 | | 13.535 | | 13.262 |-! અવકાશ = "પંક્તિ" |D2O | 15.439 | | 15.049 | | 14.869 | | 14.699 | | 14.385 | | 14.103 |} પાણી-ભારે પાણીના મિશ્રણમાં આયનીકરણ સંતુલન જળ-ભારે પાણીના મિશ્રણમાં ઘણી પ્રજાતિઓ સામેલ છેઃ H2O, HEO, D2O, H3O +, D3O +, H2DO +, H2O +, H2O +, H2O +, HO −, DO −. મિકેનિઝમ આયનીકરણ પ્રતિક્રિયા 2 H2O → H3O + + OH − માટે પ્રતિક્રિયાનો દર સક્રિયકરણ ઊર્જા, ΔE‡ પર આધાર રાખે છે. બોલ્ટ્ઝમેન વિતરણ અનુસાર, થર્મલ વસ્તીને કારણે પૂરતા પ્રમાણમાં ઊર્જા ધરાવતા પાણીના અણુઓનું પ્રમાણ, જ્યાં k એ બોલ્ટ્ઝમેન અચળાંક છે તેના દ્વારા આપવામાં આવે છે. આમ કેટલાક પૃથક્કરણ થઈ શકે છે કારણ કે પૂરતી ઉષ્મીય ઊર્જા ઉપલબ્ધ છે. પ્રવાહી પાણીમાં વિદ્યુતક્ષેત્રના વધઘટને આધારે ઘટનાઓનો નીચેનો ક્રમ પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યો છે. પરમાણુ ગતિમાં અનિયમિત વધઘટ પ્રસંગોપાત (પાણીના અણુ દીઠ આશરે દર 10 કલાકે) ઓક્સિજન-હાઇડ્રોજન બંધને તોડવા માટે પૂરતું મજબૂત વિદ્યુત ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન કરે છે, જેના પરિણામે હાઇડ્રોક્સાઇડ (OH−) અને હાઇડ્રોનિયમ આયન (H3O +) થાય છે; હાઇડ્રોનિયમ આયનનું હાઇડ્રોજન ન્યુક્લિયસ ગ્રોથસ મિકેનિઝમ દ્વારા પાણીના અણુઓ સાથે પ્રવાસ કરે છે અને દ્રાવકમાં હાઇડ્રોજન બોન્ડ નેટવર્કમાં ફેરફાર બે આયનોને અલગ કરે છે, જે દ્રાવણ દ્વારા સ્થિર થાય છે. જો કે, 1 પિકોસેકન્ડની અંદર, હાઇડ્રોજન બોન્ડ નેટવર્કનું બીજું પુનર્ગઠન વિદ્યુત સંભવિત તફાવત અને આયનોના અનુગામી પુનઃસંયોજનને ઝડપથી પ્રોટોન ટ્રાન્સફર કરવાની મંજૂરી આપે છે. આ સમયમર્યાદા હાઇડ્રોજન બંધને પાણીમાં પોતાને પુનઃસ્થાપિત કરવામાં લાગતા સમય સાથે સુસંગત છે. વિપરીત પુનઃસંયોજન પ્રતિક્રિયા H3O + + OH − → 2 H2O એ જાણીતી સૌથી ઝડપી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓમાંની એક છે, જેમાં ઓરડાના તાપમાને પ્રતિક્રિયા દર અચળાંક હોય છે. આવા ઝડપી દર એ પ્રસરણ-નિયંત્રિત પ્રતિક્રિયાની લાક્ષણિકતા છે, જેમાં દર પરમાણુ પ્રસરણની ગતિ દ્વારા મર્યાદિત હોય છે. પાણીના તટસ્થ બિંદુ સાથેનો સંબંધ પાણીના અણુઓ H3O + અને OH-ની સમાન માત્રામાં વિખેરાય છે, તેથી તેમની સાંદ્રતા લગભગ બરાબર 25°C અને 0.1 MPa પર હોય છે. એક ઉકેલ જેમાં H3O + અને OH-સાંદ્રતા એકબીજાની સમાન હોય તેને તટસ્થ ઉકેલ માનવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે, તટસ્થ બિંદુનું pH આંકડાકીય રીતે pKw બરાબર હોય છે. શુદ્ધ પાણી તટસ્થ હોય છે, પરંતુ મોટાભાગના પાણીના નમૂનાઓમાં અશુદ્ધિઓ હોય છે. જો અશુદ્ધિ એસિડ અથવા બેઝ હોય, તો તે હાઇડ્રોનિયમ આયન અને હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનની સાંદ્રતાને અસર કરશે. હવાના સંપર્કમાં આવતા પાણીના નમૂનાઓ કેટલાક કાર્બન ડાયોક્સાઇડને શોષીને કાર્બોનિક એસિડ (H2CO3) બનાવશે અને H2CO3 + H2O = HCO3 − + H3O + પ્રતિક્રિયાને કારણે H3O + ની સાંદ્રતામાં વધારો થશે. OH-ની સાંદ્રતા એવી રીતે ઘટશે કે ઉત્પાદન [H3O +] [OH−] નિશ્ચિત તાપમાન અને દબાણ માટે સ્થિર રહે. આમ આ પાણીના નમૂનાઓ સહેજ એસિડિક હશે. જો બરાબર 7.0 નું pH જરૂરી હોય, તો તેને યોગ્ય બફર સોલ્યુશન સાથે જાળવવું આવશ્યક છે. એસિડ-બેઝ પ્રતિક્રિયા પણ જુઓ રાસાયણિક સંતુલન મોલેક્યુલર ઓટોયોનાઈઝેશન (વિવિધ દ્રાવકોનું) પ્રમાણભૂત હાઇડ્રોજન ઇલેક્ટ્રોડ સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ સામાન્ય રસાયણશાસ્ત્ર-જળ આયોનાઈઝેશનનું ઓટોયોનાઈઝેશન જળ રસાયણશાસ્ત્ર સંતુલન રસાયણશાસ્ત્ર પાણી ડીઃ Protolyse#Autoprotolyse