एसिड और बेस: पार्टिकल के नज़रिए से

पानी पर आधारित कुछ घोल कटने पर जलन पैदा करते हैं, धातु के साथ बुलबुले बनाते हैं, या इंडिकेटर पेपर का रंग बदल देते हैं। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि घुले हुए पार्टिकल बदल जाते हैं। खास तौर पर, एसिड और बेस पानी में हाइड्रोनियम और हाइड्रॉक्साइड आयनों की सांद्रता (concentration) को बदलते हैं। pH हाइड्रोनियम सांद्रता का एक लॉगरिदमिक माप है, इसलिए एसिडिटी असल में $[H_3O^+]$ की सांद्रता की बात है।

आप अक्सर किसी बड़े स्तर पर दिखने वाले संकेत को पार्टिकल स्तर के कारण से जोड़ सकते हैं।

• इंडिकेटर का रंग इसलिए बदलता है क्योंकि इंडिकेटर के अणु (molecules) प्रोटॉन लेते या छोड़ते हैं, जिससे उनका इलेक्ट्रॉन वितरण और प्रकाश अवशोषण बदल जाता है।
• जब ज़्यादा आयन मौजूद होते हैं तो कंडक्टिविटी (चालकता) बढ़ जाती है, क्योंकि गति करते हुए आयन घोल में चार्ज ले जाते हैं।
• कुछ धातुओं के साथ रिएक्शन तब होता है जब $H_3O^+$ उपलब्ध होता है और $H_2(g)$ में रिड्यूस हो जाता है, जबकि धातु के परमाणु ऑक्सीडाइज़ होकर धातु आयन बन जाते हैं।

सुरक्षा सीमा एसिड या बेस की पहचान के लिए स्वाद चखना या सीधे त्वचा पर टेस्ट करना सही तरीका नहीं है, क्योंकि नुकसान पहुँचाने वाले (corrosive) घोल बिना चेतावनी के टिशू को चोट पहुँचा सकते हैं।

पानी में प्रोटॉन का ट्रांसफर

ब्रॉन्स्टेड-लोरी मॉडल में, एक एसिड प्रोटॉन $H^+$ देता है और एक बेस प्रोटॉन लेता है। प्रोटॉन ट्रांसफर का मतलब यह नहीं है कि कोई प्रोटॉन पानी में लंबे समय तक स्वतंत्र रूप से घूमता रहे। प्रोटॉन अणुओं के बीच ट्रांसफर होता है, और पानी में यह हाइड्रोनियम, $H_3O^+$ के रूप में ले जाया जाता है।

पार्टिकल के नज़रिए से समझने का एक उपयोगी तरीका पानी को एक सक्रिय भागीदार मानना है। जब एक एसिड अणु $HA$ पानी में जाता है, तो पानी का एक अणु उसका प्रोटॉन लेकर $H_3O^+$ और कॉन्जुगेट बेस $A^-$ बना सकता है। पार्टिकल स्तर पर संतुलित इक्वेशन यह है:

$$HA(aq)+H_2O(l)\rightleftharpoons H_3O^+(aq)+A^-(aq)$$

परमाणु और चार्ज की गिनती संरक्षण (conservation) की पुष्टि करती है।

• बाईं ओर के परमाणु: $H$ है $1+2=3$, $A$ है 1, $O$ है 1
• दाईं ओर के परमाणु: $H$ है 3, $A$ है 1, $O$ है 1
• बाईं ओर का चार्ज: 0
• दाईं ओर का चार्ज: $(+1)+(-1)=0$

इसी तरह, एक बेस $B$ पानी से प्रोटॉन ले सकता है, जिससे $BH^+$ और $OH^-$ बनते हैं। मुख्य बात यह है कि एसिड और बेस को इस आधार पर परिभाषित किया जाता है कि वे प्रोटॉन ट्रांसफर में क्या करते हैं, और पानी अक्सर वह अणु होता है जो उस प्रोटॉन को लेता है या देता है।

पानी में प्रोटॉन ट्रांसफ़र के पार्टिकल मॉडल की कल्पना करें।

तीन परिभाषाएँ और उनका महत्व

अलग-अलग परिभाषाएँ अलग-अलग सबूतों और प्रतिक्रियाओं के प्रकारों पर ज़ोर देती हैं। अरेनियस एसिड पानी में $[H_3O^+]$ की मात्रा बढ़ाता है और अरेनियस बेस पानी में $[OH^-]$ की मात्रा बढ़ाता है। यह $HCl(aq)$ और $NaOH(aq)$ जैसे कई जलीय मामलों के लिए तो ठीक काम करता है, लेकिन उन बेस को शामिल नहीं कर पाता जिनमें $OH^-$ नहीं होता।

ब्रॉन्स्टेड-लोरी परिभाषा ज़्यादा व्यापक है क्योंकि यह प्रोटॉन के ट्रांसफर पर ध्यान देती है, भले ही बेस के फ़ॉर्मूले में $OH^-$ मौजूद न हो। उदाहरण के लिए, $NH_3$ एक ब्रॉन्स्टेड-लोरी बेस है क्योंकि यह पानी से प्रोटॉन स्वीकार करता है।

लुईस एसिड इलेक्ट्रॉन पेयर स्वीकार करता है और लुईस बेस इलेक्ट्रॉन पेयर दान करता है, इसलिए यह प्रोटॉन ट्रांसफर से आगे की बात करता है। $BF_3$ जैसा अणु एक लुईस एसिड है क्योंकि बोरॉन में एक खाली ऑर्बिटल होता है जो लोन पेयर स्वीकार कर सकता है, भले ही $BF_3$ में दान करने के लिए कोई हाइड्रोजन न हो।

आइए देखें कि कैसे कई जाने-पहचाने पदार्थ एक परिभाषा में तो फिट बैठते हैं, लेकिन दूसरी में नहीं।