Self-ionization of water
پانی کی سیلف آئنائزیشن (پانی کی آٹو آئنائزیشن، اور پانی کی آٹو ڈس ایسوسی ایشن، یا صرف پانی کی علیحدگی) خالص پانی میں یا آبی محلول میں آئنائزیشن کا ایک رد عمل ہے، جس میں پانی کا ایک مالیکیول، H2O، ڈیپروٹونیٹ (اپنے ہائیڈروجن ایٹموں میں سے ایک کا نیوکلئس کھو دیتا ہے) ہائیڈرو آکسائیڈ آئن، OH− بننے کے لیے ہوتا ہے۔ ہائیڈروجن نیوکلئس، H +، فوری طور پر پانی کے ایک اور مالیکیول کو پروٹونیٹ کر کے ہائیڈرونیم کیشن، H3O + بناتا ہے۔ یہ آٹوپروٹولیسس کی ایک مثال ہے، اور پانی کی ایمفوٹیریک نوعیت کی مثال ہے۔ تاریخ اور اشارے پانی کی سیلف آئنائزیشن کی تجویز سب سے پہلے 1884 میں سوانٹے آرہینیئس نے آئنک ڈس ایسوسی ایشن کے نظریہ کے حصے کے طور پر پیش کی تھی جس میں انہوں نے پانی سمیت الیکٹرولائٹس کی چالکتا کی وضاحت کرنے کی تجویز پیش کی تھی۔ آرہینیئس نے سیلف آئنائزیشن کو H2O <=> H + + OH-کے طور پر لکھا۔ اس وقت، جوہری ساخت یا ذیلی جوہری ذرات کے بارے میں ابھی تک کچھ معلوم نہیں تھا، اس لیے اس کے پاس برقی تجزیہ پر ہائیڈروجن ایٹم سے H + آئن کی تشکیل کو سوڈیم ایٹم سے Na + آئن کی تشکیل سے کم امکان سمجھنے کی کوئی وجہ نہیں تھی۔ 1923 میں جوہانس نکولس برونسٹڈ اور مارٹن لوری نے تجویز پیش کی کہ پانی کی سیلف آئنائزیشن میں دراصل پانی کے دو مالیکیول شامل ہیں: H2O + H2O <=> H3O + + OH -۔ اس وقت تک الیکٹران اور نیوکلئس دریافت ہو چکے تھے اور ردرفورڈ نے دکھایا تھا کہ نیوکلئس ایٹم سے بہت چھوٹا ہوتا ہے۔ اس میں ایک خالی آئن H + شامل ہوگا جو صفر الیکٹرانوں والے پروٹون سے مطابقت رکھتا ہے۔ برونسٹڈ اور لوری نے تجویز پیش کی کہ یہ آئن حل میں آزاد نہیں ہے، لیکن ہمیشہ ہائیڈرونیم آئن H3O + (یا دیگر پروٹونٹڈ سالوینٹ) بنانے کے لیے خود کو پانی (یا دیگر سالوینٹ) کے مالیکیول سے جوڑتا ہے۔ بعد میں سپیکٹروسکوپک شواہد سے پتہ چلا ہے کہ بہت سے پروٹون دراصل پانی کے ایک سے زیادہ مالیکیول کے ذریعے ہائیڈریٹ ہوتے ہیں۔ ہائیڈریٹڈ آئن کے لیے سب سے زیادہ وضاحتی اشارہ H + (aq) ہے، جہاں aq (آبی کے لیے) پانی کے مالیکیولز کی غیر معینہ مدت یا متغیر تعداد کی نشاندہی کرتا ہے۔ تاہم اشارے H + اور H3O + اب بھی اپنی تاریخی اہمیت کی وجہ سے بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔ یہ مضمون زیادہ تر ہائیڈریٹڈ پروٹون کو H3O + کے طور پر پیش کرتا ہے، جو پانی کے ایک واحد مالیکیول کے ذریعہ ہائیڈریشن سے مطابقت رکھتا ہے۔ توازن مستقل کیمیائی طور پر خالص پانی میں برقی چالکتا 0.055 μS/cm ہوتی ہے۔ سوانٹے آرہینیئس کے نظریات کے مطابق، یہ آئنوں کی موجودگی کی وجہ سے ہونا چاہیے۔ آئن پانی کے سیلف آئنائزیشن رد عمل سے پیدا ہوتے ہیں، جو خالص پانی اور کسی بھی آبی محلول پر لاگو ہوتا ہے: H2O + H2O H3O + + OH-کیمیائی سرگرمیوں کے ساتھ اظہار کیا جاتا ہے، ارتکاز کے بجائے، پانی کے آئنائزیشن رد عمل کے لیے تھرموڈینامک توازن مستقل ہے: جو عددی طور پر زیادہ روایتی تھرموڈینامک توازن مستقل کے برابر ہے: اس مفروضے کے تحت کہ H + اور H3O + کی کیمیائی صلاحیتوں کا مجموعہ رسمی طور پر ایک ہی درجہ حرارت اور دباؤ پر H2O کی کیمیائی صلاحیت سے دوگنا ہے۔ کیونکہ زیادہ تر ایسڈ بیس حل عام طور پر بہت پتلے ہوتے ہیں، پانی کی سرگرمی کو عام طور پر اتحاد کے برابر ہونے کے طور پر تخمینہ لگایا جاتا ہے، جو پانی کے آئنک پروڈکٹ کو اس طرح ظاہر کرنے کی اجازت دیتا ہے: پتلے آبی حل میں، سالیوٹس (تحلیل شدہ پرجاتیوں جیسے آئن) کی سرگرمیاں تقریبا ان کے ارتکاز کے برابر ہوتی ہیں۔ اس طرح، پانی کا آئنائزیشن مستقل، علیحدگی مستقل، سیلف آئنائزیشن مستقل، واٹر آئن پروڈکٹ مستقل یا آئنک پروڈکٹ، جس کی علامت Kw ہے، اس طرح دیا جا سکتا ہے: جہاں [H3O +] ہائیڈروجن کیشن یا ہائیڈرونیم آئن کی مولاریٹی (مولر حراستی) ہے، اور [OH−] ہائیڈرو آکسائیڈ آئن کا ارتکاز ہے۔ جب توازن مستقل کو ارتکاز کی پیداوار کے طور پر لکھا جاتا ہے (سرگرمیوں کے برخلاف) تو آئنک طاقت اور دیگر عوامل پر منحصر ہونے کی قدر میں اصلاحات کرنا ضروری ہے (نیچے دیکھیں)۔ 24.87 °C اور صفر آئنک طاقت پر، Kw کے برابر ہے۔ نوٹ کریں کہ تمام توازن مستقل کے ساتھ، نتیجہ بے جہتی ہے کیونکہ ارتکاز درحقیقت معیاری حالت سے متعلق ایک ارتکاز ہے، جو کہ H + اور OH-دونوں کے لیے 1 مولل (= 1 مول/کلوگرام) جب مولالیٹی استعمال کی جاتی ہے یا 1 مولر (= 1 مول/L) جب مولر ارتکاز استعمال کیا جاتا ہے۔ بہت سے عملی مقاصد کے لیے، مولالیٹی (مول سولیوٹ/کلو گرام پانی) اور مولر (مول سولیوٹ/ایل سولیوشن) کے ارتکاز کو ماحول کے درجہ حرارت اور دباؤ پر تقریبا برابر سمجھا جا سکتا ہے اگر محلول کی کثافت ایک کے قریب رہے (یعنی، کافی حد تک پتلا حل اور درجہ حرارت میں تبدیلیوں کا نہ ہونے والا اثر)۔ مولل کنسنٹریشن یونٹ (مول/کلوگرام پانی) کا بنیادی فائدہ مستحکم اور مضبوط کنسنٹریشن ویلیوز کا نتیجہ ہے جو محلول کی کثافت اور حجم کی تبدیلیوں (پانی کی نمکیات (آئنک طاقت)، درجہ حرارت اور دباؤ پر منحصر کثافت) سے آزاد ہیں۔ لہذا، مولالیٹی ترجیحی یونٹ ہے جو تھرموڈینامک حسابات میں یا عین مطابق یا کم معمول کے حالات میں استعمال ہوتی ہے، مثال کے طور پر، سمندری پانی کے لیے جس کی کثافت خالص پانی سے نمایاں طور پر مختلف ہے، یا بلند درجہ حرارت پر، جیسے تھرمل پاور پلانٹس میں موجود ہے۔ ہم pKw − log10 Kw کی بھی وضاحت کر سکتے ہیں (جو 25 ڈگری سیلسیس پر تقریبا 14 ہے)۔ یہ ایسڈ ڈس ایسوسی ایشن مستقل کے لیے پی ایچ اور پی کے اے کے اشارے سے مشابہت رکھتا ہے، جہاں علامت پی کولوگرتھم کی نشاندہی کرتا ہے۔ توازن مستقل مساوات کی لوگرتھمک شکل pKw = pH + pOH ہے۔ درجہ حرارت، دباؤ اور آئنک طاقت پر انحصار درجہ حرارت اور دباؤ پر پانی کے آئنائزیشن کے انحصار کی اچھی طرح سے تفتیش کی گئی ہے۔ پی کے ڈبلیو کی قیمت کم ہوتی جاتی ہے کیونکہ درجہ حرارت برف کے پگھلنے کے مقام سے کم از کم 250 ڈگری سیلسیس تک بڑھتا ہے، جس کے بعد یہ پانی کے نازک مقام 374 ڈگری سیلسیس تک بڑھ جاتا ہے۔ یہ بڑھتے ہوئے دباؤ کے ساتھ کم ہوتا ہے۔ الیکٹرولائٹ حل کے ساتھ، پی کے ڈبلیو کی قیمت الیکٹرولائٹ کی آئنک طاقت پر منحصر ہوتی ہے۔ سوڈیم کلورائد کی اقدار 1:1 الیکٹرولائٹ کے لیے عام ہیں۔ 1: 2 الیکٹرولائٹس کے ساتھ، ایم ایکس 2، پی کے ڈبلیو آئنک طاقت میں اضافے کے ساتھ کم ہوتا ہے۔ Kw کی قدر عام طور پر مائع مرحلے میں دلچسپی کی حامل ہوتی ہے۔ میز میں انتہائی گرم بھاپ (گیس) اور انتہائی اہم پانی کے سیال کی مثالیں دی گئی ہیں۔ {| کلاس = "ویکیٹیبل" سٹائل = "ٹیکسٹ-الائن: سینٹر" | + مائع پانی، سپر ہیٹڈ بھاپ، اور سپر کریٹیکل پانی کے لیے پی کے ڈبلیو اقدار کا موازنہ۔ |-! ! ! 350 ڈگری سیلسیس! ! 400 ڈگری سیلسیس! ! 450 ڈگری سیلسیس! ! 500 ڈگری سیلسیس! ! 600 ڈگری سیلسیس! ! 800 ڈگری سیلسیس۔-! دائرہ کار = "صف" |0.1 MPa | | 47.961b | | 47.873b | | 47.638b | | 46.384b | | 40.785b |-! دائرہ کار = "صف" |17 MPa۔ 11.920 (مائع) a | | | | | | | | | |-! دائرہ کار = "صف" |25 MPa۔ 11.551 (مائع) c | | 16.566 | | 18.135 | | 18.758 | | 19.425 | | 20.113 |-! دائرہ کار = "صف" |100 MPa۔ 10.600 (مائع) c | | 10.744 | | 11.005 | | 11.381 | | 12.296 | | 13.544 |-! دائرہ کار = "صف" |1000 MPa۔ 8.311 (مائع) c | | 8.178 | | 8.084 | | 8.019 | | 7.952 | | 7.957 |} میز پر نوٹ۔ اقدار سپر کریٹیکل سیال کے لیے ہیں سوائے ان کے جو نشان زد ہیں: a 350°C کے مطابق سنترپتی دباؤ پر۔ بی سپرہیٹڈ بھاپ۔ سی کمپریسڈ یا سب کولڈ مائع۔ آاسوٹوپ اثرات بھاری پانی، D2O، عام پانی سے کم سیلف آئنائز کرتا ہے، H2O ؛ D2O + D2O D3O + + OD-یہ توازن آاسوٹوپ اثر کی وجہ سے ہے، ایک کوانٹم مکینیکل اثر جو آکسیجن سے منسوب ہوتا ہے جو ڈیوٹیریم کے ساتھ قدرے مضبوط بانڈ بناتا ہے کیونکہ ڈیوٹیریم کی بڑی کمیت کے نتیجے میں صفر پوائنٹ توانائی کم ہوتی ہے۔ ارتکاز کے بجائے سرگرمیوں a کے ساتھ اظہار کیا جاتا ہے، بھاری پانی کے آئنائزیشن رد عمل کے لیے تھرموڈینامک توازن مستقل ہے: D2O کی سرگرمی کو 1 فرض کرتے ہوئے، اور یہ فرض کرتے ہوئے کہ D3O + اور OD-کی سرگرمیاں ان کی ارتکاز سے قریب سے لگ بھگ ہیں۔ مندرجہ ذیل جدول H2O اور D2O کے لیے pKw کی اقدار کا موازنہ کرتا ہے۔ {| کلاس = "ویکیٹیبل" سٹائل = "ٹیکسٹ-الائن: سینٹر" | + خالص پانی کے لیے پی کے ڈبلیو ویلیوز |-! دائرہ کار = "صف" |T °C |10 | |20 | | 25 | |30 | | 40 | | 50 |-! دائرہ کار = "صف" |H2O | 14.535 | | 14.167 | | 13.997 | | 13.830 | | 13.535 | | 13.262 |-! گنجائش = "قطار" |D2O | 15.439 | | 15.049 | | 14.869 | | 14.699 | | 14.385 | | 14.103 |} پانی کے بھاری پانی کے مرکب میں آئنائزیشن کا توازن پانی کے بھاری مرکب میں توازن میں کئی انواع شامل ہیں: H2O، HEO، D2O، H3O +، D3O +، H2DO +، H2O +، H2O +، HO−، DO−۔ میکانزم آئنائزیشن رد عمل 2 H2O → H3O + + OH − کے رد عمل کی شرح ایکٹیویشن انرجی، ΔE ‡ پر منحصر ہے۔ بولٹزمین تقسیم کے مطابق پانی کے مالیکیولز کا تناسب جو تھرمل آبادی کی وجہ سے کافی توانائی رکھتے ہیں، اس سے دیا جاتا ہے جہاں k بولٹزمین مستقل ہے۔ اس طرح کچھ علیحدگی ہو سکتی ہے کیونکہ کافی تھرمل توانائی دستیاب ہے۔ مائع پانی میں برقی میدان کے اتار چڑھاؤ کی بنیاد پر واقعات کا درج ذیل سلسلہ تجویز کیا گیا ہے۔ سالماتی حرکتوں میں بے ترتیب اتار چڑھاؤ کبھی کبھار (تقریبا ہر 10 گھنٹے فی پانی کے مالیکیول میں ایک بار) آکسیجن ہائیڈروجن بانڈ کو توڑنے کے لیے کافی مضبوط برقی میدان پیدا کرتا ہے، جس کے نتیجے میں ہائیڈروکسائڈ (OH−) اور ہائیڈرونیم آئن (H3O +) پیدا ہوتا ہے۔ ہائیڈرونیم آئن کا ہائیڈروجن نیوکلئس گروتھس میکانزم کے ذریعے پانی کے مالیکیولز کے ساتھ سفر کرتا ہے اور سالوینٹ میں ہائیڈروجن بانڈ نیٹ ورک میں تبدیلی دو آئنوں کو الگ کرتا ہے، جو حل کے ذریعے مستحکم ہوتے ہیں۔ تاہم، 1 پکسیکنڈ کے اندر، ہائیڈروجن بانڈ نیٹ ورک کی دوسری تنظیم نو برقی صلاحیت کے فرق اور اس کے بعد آئنوں کے دوبارہ امتزاج میں تیزی سے پروٹون کی منتقلی کی اجازت دیتی ہے۔ یہ ٹائم اسکیل ہائیڈروجن بانڈز کو پانی میں خود کو دوبارہ ترتیب دینے میں لگنے والے وقت کے مطابق ہے۔ الٹا ریکومبینیشن رد عمل H3O + + OH−2H2O معلوم تیز ترین کیمیائی رد عمل میں سے ایک ہے، جس کے رد عمل کی شرح کمرے کے درجہ حرارت پر مستقل ہوتی ہے۔ اس طرح کی تیز رفتار شرح پھیلاؤ پر قابو پانے والے رد عمل کی خصوصیت ہے، جس میں شرح سالماتی پھیلاؤ کی رفتار سے محدود ہوتی ہے۔ پانی کے غیر جانبدار نقطہ کے ساتھ تعلق پانی کے مالیکیول H3O + اور OH− کی مساوی مقدار میں جدا ہو جاتے ہیں، اس لیے ان کی ارتکاز تقریبا بالکل 25 ڈگری سیلسیس اور 0.1 ایم پی اے پر ہوتی ہے۔ ایک ایسا حل جس میں H3O + اور OH-ارتکاز ایک دوسرے کے برابر ہوں، غیر جانبدار حل سمجھا جاتا ہے۔ عام طور پر، غیر جانبدار نقطہ کا پی ایچ عددی طور پر پی کے ڈبلیو کے برابر ہوتا ہے۔ خالص پانی غیر جانبدار ہوتا ہے، لیکن زیادہ تر پانی کے نمونوں میں نجاست ہوتی ہے۔ اگر کوئی نجاست تیزاب یا بیس ہے، تو یہ ہائیڈرونیم آئن اور ہائیڈرو آکسائیڈ آئن کی تعداد کو متاثر کرے گا۔ پانی کے نمونے جو ہوا کے سامنے آتے ہیں وہ کچھ کاربن ڈائی آکسائیڈ کو جذب کر کے کاربونک ایسڈ (H2CO3) بنائیں گے اور H2CO3 + H2O = HCO3− + H3O + رد عمل کی وجہ سے H3O + کا ارتکاز بڑھ جائے گا۔ OH− کا ارتکاز اس طرح کم ہو جائے گا کہ پیداوار [H3O +] [OH−] مقررہ درجہ حرارت اور دباؤ کے لیے مستقل رہے۔ اس طرح پانی کے یہ نمونے قدرے تیزابی ہوں گے۔ اگر بالکل 7 پی ایچ کی ضرورت ہو تو اسے مناسب بفر حل کے ساتھ برقرار رکھا جانا چاہیے۔ ایسڈ بیس رد عمل کیمیائی توازن مالیکیولر آٹو آئنائزیشن (مختلف سالوینٹس کا) معیاری ہائیڈروجن الیکٹروڈ حوالہ جات بیرونی روابط عمومی کیمسٹری-پانی کی آٹو آئنائزیشن پانی کی کیمسٹری توازن کیمسٹری پانی ڈی: Protolyse#Autoprotolyse