Self-ionization of water
पानी का स्व-आयनीकरण (पानी का स्व-आयनीकरण, और पानी का स्व-पृथक्करण, या बस पानी का पृथक्करण) शुद्ध पानी में या जलीय घोल में एक आयनीकरण प्रतिक्रिया है, जिसमें पानी का अणु, H2O, डिप्रोटोनेट (अपने हाइड्रोजन परमाणुओं में से एक के नाभिक को खो देता है) एक हाइड्रॉक्साइड आयन, OH− बनने के लिए। हाइड्रोजन नाभिक, एच +, तुरंत एक अन्य जल अणु को एक हाइड्रोनियम कैटायन, एच 3 ओ + बनाने के लिए प्रोटोनेट करता है। यह ऑटोप्रोटोलिसिस का एक उदाहरण है, और पानी की एम्फोटेरिक प्रकृति का उदाहरण है। इतिहास और संकेतन पानी के स्व-आयनीकरण का प्रस्ताव पहली बार 1884 में स्वांते अरहेनियस द्वारा आयनिक पृथक्करण के सिद्धांत के हिस्से के रूप में किया गया था, जिसे उन्होंने पानी सहित इलेक्ट्रोलाइट्स की चालकता की व्याख्या करने के लिए प्रस्तावित किया था। अरहेनियस ने स्व-आयनीकरण को H2O <=> H + + OH-के रूप में लिखा। उस समय, परमाणु संरचना या उपपरमाण्विक कणों के बारे में अभी तक कुछ भी ज्ञात नहीं था, इसलिए उनके पास इलेक्ट्रोलिसिस पर हाइड्रोजन परमाणु से एच + आयन के गठन पर विचार करने का कोई कारण नहीं था, क्योंकि सोडियम परमाणु से ना + आयन के गठन की संभावना कम थी। 1923 में जोहान्स निकोलस ब्रॉन्स्टेड और मार्टिन लॉरी ने प्रस्ताव दिया कि पानी के स्व-आयनीकरण में वास्तव में दो जल अणु शामिल हैंः H2O + H2O <=> H3O + + OH-। इस समय तक इलेक्ट्रॉन और नाभिक की खोज हो चुकी थी और रदरफोर्ड ने दिखाया था कि नाभिक परमाणु की तुलना में बहुत छोटा होता है। इसमें एक खाली आयन H + शामिल होगा जो शून्य इलेक्ट्रॉन वाले प्रोटॉन के अनुरूप होगा। ब्रॉन्स्टेड और लॉरी ने प्रस्ताव दिया कि यह आयन विलयन में स्वतंत्र रूप से मौजूद नहीं है, लेकिन हाइड्रोनियम आयन H3O + (या अन्य प्रोटोनेटेड विलायक) बनाने के लिए हमेशा खुद को पानी (या अन्य विलायक) अणु से जोड़ता है। बाद के स्पेक्ट्रोस्कोपिक साक्ष्यों से पता चला है कि कई प्रोटॉन वास्तव में एक से अधिक जल अणु द्वारा हाइड्रेटेड होते हैं। हाइड्रेटेड आयन के लिए सबसे वर्णनात्मक संकेतन H + (aq) है, जहाँ aq (जलीय के लिए) पानी के अणुओं की एक अनिश्चित या परिवर्तनीय संख्या को इंगित करता है। हालाँकि H + और H3O + संकेतन अभी भी अपने ऐतिहासिक महत्व के कारण बड़े पैमाने पर उपयोग किए जाते हैं। यह लेख ज्यादातर हाइड्रेटेड प्रोटॉन को H3O + के रूप में दर्शाता है, जो एक एकल जल अणु द्वारा हाइड्रेशन के अनुरूप है। संतुलन स्थिरांक रासायनिक रूप से शुद्ध पानी की विद्युत चालकता 0.055 μS/cm होती है। स्वांते अरहेनियस के सिद्धांतों के अनुसार, यह आयनों की उपस्थिति के कारण होना चाहिए। आयनों का उत्पादन जल स्व-आयनीकरण प्रतिक्रिया द्वारा किया जाता है, जो शुद्ध जल और किसी भी जलीय घोल पर लागू होता हैः H2O + H2O H3O + + OH-रासायनिक गतिविधियों के साथ अभिव्यक्त, सांद्रता के बजाय, जल आयनीकरण प्रतिक्रिया के लिए ऊष्मागतिकीय संतुलन स्थिरांक हैः जो संख्यात्मक रूप से अधिक पारंपरिक ऊष्मागतिकीय संतुलन स्थिरांक के बराबर हैः इस धारणा के तहत कि H + और H3O + की रासायनिक क्षमता का योग औपचारिक रूप से एक ही तापमान और दबाव पर H2O की रासायनिक क्षमता के दोगुने के बराबर है। क्योंकि अधिकांश अम्ल-क्षार विलयन आम तौर पर बहुत पतले होते हैं, पानी की गतिविधि को आम तौर पर एकता के बराबर होने के रूप में अनुमानित किया जाता है, जो पानी के आयनिक उत्पाद को इस प्रकार व्यक्त करने की अनुमति देता हैः पतले जलीय विलयनों में, विलायकों (घुलनशील प्रजातियों जैसे आयनों) की गतिविधियाँ उनकी सांद्रता के लगभग बराबर होती हैं। इस प्रकार, पानी का आयनीकरण स्थिरांक, पृथक्करण स्थिरांक, स्व-आयनीकरण स्थिरांक, जल आयन-उत्पाद स्थिरांक या आयनिक उत्पाद, जिसे Kw द्वारा दर्शाया गया है, निम्न द्वारा दिया जा सकता हैः जहाँ [H3O +] हाइड्रोजन कैटायन या हाइड्रोनियम आयन की मोलरिटी (मोलर सांद्रता) है, और [OH−] हाइड्रॉक्साइड आयन की सांद्रता है। जब संतुलन स्थिरांक को सांद्रता के उत्पाद के रूप में लिखा जाता है (गतिविधियों के विपरीत) तो आयनिक शक्ति और अन्य कारकों के आधार पर के मूल्य में सुधार करना आवश्यक है (नीचे देखें)। 24.87 °C और शून्य आयनिक शक्ति पर, Kw के बराबर है। ध्यान दें कि सभी संतुलन स्थिरांकों के साथ, परिणाम आयामहीन है क्योंकि सांद्रता वास्तव में मानक अवस्था के सापेक्ष एक सांद्रता है, जिसे H + और OH-दोनों के लिए 1 मोलल (= 1 मोल/किग्रा) के रूप में परिभाषित किया जाता है जब मोललिटी का उपयोग किया जाता है या 1 मोलर (= 1 मोल/एल) जब मोलर सांद्रता का उपयोग किया जाता है। कई व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, मोललिटी (मोल विलेय/किलोग्राम पानी) और मोलर (मोल विलेय/एल विलयन) सांद्रता को परिवेश के तापमान और दबाव पर लगभग बराबर माना जा सकता है यदि विलयन घनत्व एक के करीब रहता है (यानी, पर्याप्त रूप से पतला विलयन और तापमान परिवर्तन का नगण्य प्रभाव)। मोलल सांद्रता इकाई (मोल/किलोग्राम पानी) का मुख्य लाभ स्थिर और मजबूत सांद्रता मूल्यों में परिणाम है जो विलयन घनत्व और आयतन परिवर्तनों (पानी की लवणता (आयनिक शक्ति), तापमान और दबाव के आधार पर घनत्व) से स्वतंत्र हैं; इसलिए, मोललिटी थर्मोडायनामिक गणनाओं में या सटीक या कम सामान्य स्थितियों में उपयोग की जाने वाली पसंदीदा इकाई है, उदाहरण के लिए, शुद्ध पानी से काफी अलग घनत्व वाले समुद्री पानी के लिए, या ऊँचे तापमान पर, जैसे कि ताप विद्युत संयंत्रों में प्रचलित। हम pKw − log10 Kw (जो 25°C पर लगभग 14 है) को भी परिभाषित कर सकते हैं। यह एक अम्ल पृथक्करण स्थिरांक के लिए संकेतन pH और pKa के अनुरूप है, जहाँ प्रतीक p एक समगणक को दर्शाता है। संतुलन स्थिरांक समीकरण का लघुगणक रूप pKw = pH + pOH है। तापमान, दबाव और आयनिक शक्ति पर निर्भरता तापमान और दबाव पर जल आयनीकरण की निर्भरता की अच्छी तरह से जांच की गई है। पी. के. डब्ल्यू. का मूल्य कम हो जाता है क्योंकि तापमान बर्फ के पिघलने के बिंदु से न्यूनतम सी. 250 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है, जिसके बाद यह पानी के महत्वपूर्ण बिंदु सी. 374 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है। यह बढ़ते दबाव के साथ कम होता जाता है। इलेक्ट्रोलाइट समाधानों के साथ, पी. के. डब्ल्यू. का मान इलेक्ट्रोलाइट की आयनिक शक्ति पर निर्भर करता है। सोडियम क्लोराइड के मान 1:1 इलेक्ट्रोलाइट के लिए विशिष्ट हैं। 1:2 इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ, एम. एक्स. 2, पी. के. डब्ल्यू. आयनिक शक्ति बढ़ने के साथ कम हो जाता है। के. डब्ल्यू. का मान आमतौर पर तरल अवस्था में ब्याज का होता है। अतिउष्ण भाप (गैस) और अति गंभीर जल तरल के लिए उदाहरण मान तालिका में दिए गए हैं। {। वर्ग = "विकिटेबल" शैली = "पाठ-संरेखितः केंद्र"। + तरल पानी, अत्यधिक गर्म भाप और अत्यधिक महत्वपूर्ण पानी के लिए पी. के. डब्ल्यू. मानों की तुलना। ।-! ! ! 350 डिग्री सेल्सियस! ! 400 डिग्री सेल्सियस! ! 450 डिग्री सेल्सियस! ! 500 डिग्री सेल्सियस! ! 600 डिग्री सेल्सियस! ! 800 डिग्री सेल्सियस।-! स्कोप = "रो" |0.1 MPa।। 47.961b।। 47.873b।। 47.638b।। 46.384b।। 40.785b।-! स्कोप = "रो" |17 MPa। 11.920 (लिक्विड) a।।।।।।।।।।-! स्कोप = "रो" |25 MPa। 11.551 (लिक्विड) c।। 16.566।। 18.135।। 18.758।। 19.425।। 20.113।-! स्कोप = "रो" |100 MPa। 10.600 (लिक्विड) c।। 10.744।। 11.005।। 11.381।। 12.296।। 13.544।-! गुंजाइश = "पंक्ति" |1000 MPa। 8.311 (तरल) c।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।। मान सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ के लिए हैं, सिवाय उन लोगों के जिन्हें चिह्नित किया गया हैः 350 डिग्री सेल्सियस के अनुरूप संतृप्ति दबाव पर ए। बी सुपरहीटेड भाप। सी संपीड़ित या उप-ठंडा तरल। आइसोटोप प्रभाव भारी पानी, D2O, सामान्य पानी से कम स्व-आयनीकरण करता है, H2O; D2O + D2O D3O + + OD-यह संतुलन आइसोटोप प्रभाव के कारण होता है, एक क्वांटम यांत्रिक प्रभाव जो ऑक्सीजन को ड्यूटेरियम के साथ थोड़ा मजबूत बंधन बनाने के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है क्योंकि ड्यूटेरियम के बड़े द्रव्यमान के परिणामस्वरूप कम शून्य-बिंदु ऊर्जा होती है। भारी जल आयनीकरण प्रतिक्रिया के लिए सांद्रता के बजाय गतिविधियों a के साथ व्यक्त, ऊष्मागतिकीय संतुलन स्थिरांक हैः D2O की गतिविधि को 1 मानते हुए, और यह मानते हुए कि D3O + और OD-की गतिविधियाँ उनकी सांद्रता से निकटता से अनुमानित हैं निम्नलिखित तालिका H2O और D2O के लिए pKw के मूल्यों की तुलना करती है। {। वर्ग = "विकिटेबल" शैली = "पाठ-संरेखितः केंद्र"। + शुद्ध पानी के लिए पी. के. डब्ल्यू. मान।-! स्कोप = "रो" |T °C |10। |20।। 25। |30।। 40।।। 50।-! स्कोप = "रो" |H2O। 14.535।। 14.167।। 13.997।। 13.830।। 13.535।। 13.262।-! ।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।।। अयनीकरण अभिक्रिया 2 H2O → H3O + + OH-के लिए अभिक्रिया की दर सक्रियण ऊर्जा पर निर्भर करती है। बोल्ट्जमान वितरण के अनुसार तापीय जनसंख्या के कारण पर्याप्त ऊर्जा वाले जल अणुओं का अनुपात इस प्रकार दिया जाता है जहाँ k बोल्ट्जमान स्थिरांक है। इस प्रकार कुछ पृथक्करण हो सकता है क्योंकि पर्याप्त तापीय ऊर्जा उपलब्ध है। तरल जल में विद्युत क्षेत्र के उतार-चढ़ाव के आधार पर घटनाओं का निम्नलिखित क्रम प्रस्तावित किया गया है। कभी-कभी आणविक गतियों में यादृच्छिक उतार-चढ़ाव (लगभग हर 10 घंटे में एक बार प्रति पानी अणु) एक ऑक्सीजन-हाइड्रोजन बंधन को तोड़ने के लिए पर्याप्त मजबूत विद्युत क्षेत्र का उत्पादन करता है, जिसके परिणामस्वरूप एक हाइड्रॉक्साइड (OH−) और हाइड्रोनियम आयन (H3O +) होता है; हाइड्रोनियम आयन का हाइड्रोजन नाभिक ग्रोटथस तंत्र द्वारा पानी के अणुओं के साथ यात्रा करता है और विलायक में हाइड्रोजन बंधन नेटवर्क में परिवर्तन दो आयनों को अलग करता है, जो विलयन द्वारा स्थिर होते हैं। हालांकि, 1 पिकोसेकंड के भीतर, हाइड्रोजन बॉन्ड नेटवर्क का दूसरा पुनर्गठन विद्युत क्षमता अंतर और आयनों के बाद के पुनर्संयोजन में तेजी से प्रोटॉन हस्तांतरण की अनुमति देता है। यह समय-सीमा हाइड्रोजन बन्धों को पानी में खुद को फिर से व्यवस्थित करने में लगने वाले समय के अनुरूप है। व्युत्क्रम पुनर्संयोजन प्रतिक्रिया H3O + + OH−2H2O ज्ञात सबसे तेज़ रासायनिक प्रतिक्रियाओं में से एक है, जिसमें कमरे के तापमान पर प्रतिक्रिया दर स्थिरांक है। इस तरह की तीव्र दर एक प्रसार-नियंत्रित प्रतिक्रिया की विशेषता है, जिसमें दर आणविक प्रसार की गति से सीमित होती है। जल के तटस्थ बिंदु के साथ संबंध जल के अणु एच3ओ + और ओएच-की समान मात्रा में विघटित हो जाते हैं, इसलिए उनकी सांद्रता लगभग 25 डिग्री सेल्सियस और 0.1 एमपीए पर होती है। एक समाधान जिसमें H3O + और OH-सांद्रता एक दूसरे के बराबर होती है, एक तटस्थ समाधान माना जाता है। सामान्य तौर पर, तटस्थ बिंदु का pH संख्यात्मक रूप से pKw के बराबर होता है। शुद्ध जल तटस्थ होता है, लेकिन अधिकांश जल नमूनों में अशुद्धियाँ होती हैं। यदि अशुद्धता एक अम्ल या क्षार है, तो यह हाइड्रोनियम आयन और हाइड्रॉक्साइड आयन की सांद्रता को प्रभावित करेगा। हवा के संपर्क में आने वाले पानी के नमूने कुछ कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करके कार्बनिक एसिड (एच2सीओ3) बना लेंगे और एच2सीओ3 + एच2ओ = एचसीओ3− + एच3ओ + प्रतिक्रिया के कारण एच3ओ + की सांद्रता बढ़ जाएगी। OH की सांद्रता इस तरह से कम हो जाएगी कि उत्पाद [H3O +] [OH−] निश्चित तापमान और दबाव के लिए स्थिर रहता है। इस प्रकार ये पानी के नमूने थोड़े अम्लीय होंगे। यदि ठीक 7 का पी. एच. आवश्यक है, तो इसे एक उपयुक्त बफर समाधान के साथ बनाए रखा जाना चाहिए। एसिड-बेस प्रतिक्रिया भी देखें रासायनिक संतुलन आणविक स्व-आयनीकरण (विभिन्न विलायकों का) मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड संदर्भ बाहरी लिंक सामान्य रसायन विज्ञान-जल आयनीकरण का स्व-आयनीकरण जल रसायन संतुलन रसायन जल डीः Protolyse#Autoprotolyse