બ્રૂન્સ્ટેડ-લૉરી સિદ્ધાંત

બ્રૂન્સ્ટેડ-લૉરી સિદ્ધાંત : ડેન્માર્કના જોહાન્સ નિકોલસ બ્રૂન્સ્ટેડ અને ઇંગ્લૅન્ડના થૉમસ માર્ટિન લૉરીએ 1923માં રજૂ કરેલો ઍસિડ અને બેઝ અંગેનો પ્રોટૉન-સ્થાનાંતરણ (proton-transfer) સિદ્ધાંત. તે અગાઉ અર્હેનિયસની વ્યાખ્યા મુજબ, ઍસિડ એવું સંયોજન ગણાતું કે જે દ્રાવણમાં વિયોજન પામીને હાઇડ્રોજન આયન (H⁺) આપે; જ્યારે બેઝ એવું સંયોજન ગણાતું જે હાઇડ્રૉક્સિલ આયન (OH^–) આપે. આમ તટસ્થીકરણ એ ફકત, H⁺ + OH^– → H₂O જેવી સાદી પ્રક્રિયા હતી. જલીય દ્રાવણો માટે આ બરાબર હતું. પણ વ્યાખ્યાને વધુ વિસ્તારવાની જરૂર જણાતી હતી.

1923માં બ્રૂન્સ્ટેડ અને લૉરીએ આ અંગે નવાં અભિલક્ષણો (criteria) રજૂ કર્યાં. તે મુજબ ઍસિડ એ એવું સંયોજન છે, જે પ્રોટૉન ગુમાવે છે, જ્યારે બેઝ એવું સંયોજન છે, જે પ્રોટૉન સ્વીકારે છે.

 A              ↔     H⁺     +       B

ઍસિડ                  પ્રોટૉન          બેઝ

સમીકરણમાંના સંયોજન Bને ઍસિડ Aના સંયુગ્મી (conjugate) બેઝ તરીકે ઓળખવામાં આવ્યું, દા.ત.,

HAC (એસેટિક ઍસિડ)   →    H⁺  +  AC^–

NH₄⁺ (એમોનિયમ આયન)   →    H⁺  +  NH₃

ઍસિડ અને બેઝ એ તટસ્થ અણુઓ અથવા આયનો હોઈ શકે. મુક્ત પ્રોટૉન દ્રાવણમાં અસ્તિત્વ ધરાવી શકતો ન હોવાથી દ્રાવક પોતે તેના સ્વીકારક અથવા બેઝ તરીકે વર્તે છે. ઉદાહરણ રૂપે કેટલીક પ્રક્રિયાઓને સમમિતીય અથવા સપ્રમાણ (symmetrical) રૂપમાં નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય.

ઍસિડ–A               બેઝ–B         ઍસિડ–B               બેઝ–A

અથવા                 અથવા ↔      અથવા                 અથવા

ઍસિડ (I)      +       બેઝ (II)        ઍસિડ (II)      +       બેઝ (I)

HAc            +       H₂O    ↔     OH₃⁺           +       Ac^–

NH₄⁺           +       H₂O    ↔     OH₃⁺           +       NH₃

H₂O            +       CN^–    ↔     HCN           +       OH^–

આમ તેના જોડીદાર પ્રમાણે પાણી જેવું સંયોજન ઍસિડ અથવા બેઝ તરીકે વર્તી શકે. આ અર્થમાં મિથેન (CH₄) બ્રૂન્સ્ટેડ ઍસિડ નથી, કારણ કે તે હાઇડ્રોજન ધરાવતો હોવા છતાં પ્રોટૉનદાતા નથી. અહીં ઍસિડ-A પ્રોટૉન ગુમાવી સંયુગ્મી બેઝ-A બને છે. તથા બેઝ-B પ્રોટૉન સ્વીકારી ઍસિડ–B બને છે. જો ઍસિડ-Aની પ્રોટૉન ગુમાવવાની ક્ષમતા ઍસિડ-Bના મુકાબલે વધુ હોય તો પ્રક્રિયા ડાબેથી જમણી બાજુ તરફની થશે. બીજી રીતે કહીએ તો સમતોલન-સ્થિતિએ નિર્બળ ઍસિડ તથા નિર્બળ બેઝની પ્રચુરતા વધુ હશે.

પાણી પોતે બ્રૂન્સ્ટેડ ઍસિડ તેમજ બ્રૂન્સ્ટેડ બેઝ એમ બંને રીતે વર્તી શકે. આનો અર્થ એ કે પાણીમાં કોઈ દ્રાવ્ય પદાર્થ ઓગળેલો ન હોય તોપણ સ્વયં-પ્રોટૉનીકરણને કારણે તેમાં હાઇડ્રોનિયમ (H₃O⁺) અને હાઇડ્રૉક્સાઇડ (OH^–) આયન અસ્તિત્વમાં હોય છે, કારણ કે તેમાં નજીકના (પાણીના) અણુઓ સાથે પ્રોટૉનનું સ્થાનાંતરણ થાય છે.

H₂O (l) + H₂O (l)  ↔   H₃O⁺ (aq) + OH^– (aq)

ઍસિડ-1    બેઝ-2     ઍસિડ-2      બેઝ-2

પાણીમાં ઉપરનું સમતોલન હંમેશા અસ્તિત્વમાં હોય છે. 25° સે. તાપમાને પાણીના આ સ્વયંપ્રોટૉનીકરણ (autoprotolysis) સમતોલનને કારણે હાઇડ્રોનિયમ (અને હાઇડ્રોક્સિલ) આયનોની મોલર સાંદ્રતા 1 × 10^–7 મોલ.લિ1 હોય છે. એટલે કે કોઈ એક ક્ષણે 55 કરોડ H₂O અણુઓમાંથી એક અણુપ્રોટૉન આપે છે. આ અલ્પ પ્રમાણ પણ ઍસિડ, બેઝ અને ક્ષારનાં જલીય દ્રાવણોના ગુણધર્મો માટે અગત્યનું છે. પાણીનું pH મૂલ્ય 7.0 આને કારણે જોવા મળે છે. સ્વયંપ્રોટૉનીકરણની પ્રક્રિયા ઉષ્માશોષક (endothermic) પ્રકારની હોઈ તાપમાન વધતાં H₃O⁺ આયનોની ઉત્પત્તિ વધે છે. 37° સે. (શરીરના) તાપમાને આ સાંદ્રતા 1.5 × 10^–7 મોલ લિ^–1 અને તટસ્થ દ્રાવણનું pH મૂલ્ય 6.82 જોવા મળે છે.

બ્રૂન્સ્ટેડ-લોરી સિદ્ધાંત મુજબ HCl એ ઍસિડ છે, કારણ કે તે પ્રોટૉન આપી શકે છે :

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl^–

સમતોલન જમણી તરફ ખસેલું હોઈ એમ કહી શકાય કે HCl એક પ્રબળ ઍસિડ છે. અને H₃O⁺ની તુલનામાં તે ખૂબ પ્રબળ છે. Cl^–ને બેઝ ગણી શકાય અને અહીં તે નિર્બળ બેઝ તરીકે વર્તે છે. H₃O⁺ અને Cl આયનો ધરાવતા હાઇડ્રૉક્લોરિક ઍસિડના જલીય દ્રાવણમાં એમોનિયા (NH₃) ઉમેરવામાં  આવે તો Cl પ્રક્રિયામાં ભાગ લેશે નહિ. આથી પ્રક્રિયાને નીચે મુજબ દર્શાવી શકાય :

H₃O⁺ + NH₃ → NH₄⁺ + H₂O

અહીં NH₄⁺ ઍસિડ ગણાશે [ખરેખર પ્રવાહી એમોનિયામાં NH₄⁺ (એમોનિયમ આયન) ઍસિડિક ગુણધર્મો દર્શાવે છે.]. NH₄⁺ એ H₃O⁺ને મુકાબલે (જલીય દ્રાવણમાં) ખૂબ નિર્બળ ઍસિડ છે; પરંતુ ખૂબ પ્રબળ બેઝ (OH^–)ને તે પ્રોટૉન આપી શકે છે :

NH₄⁺ + OH^– ↔ NH₃ + H₂O

બ્રૂન્સ્ટેડ-લૉરીના ખ્યાલનો રસપ્રદ ઉપયોગ પરક્લોરિક (HClO₄), નાઇટ્રિક (HNO₃), હાઇડ્રોબ્રોમિક (HBr) જેવા પ્રબળ ઍસિડના અભ્યાસમાં થઈ શકે. જલીય દ્રાવણમાં આ બધા ઍસિડ સરખા પ્રબળ જણાય છે એટલે કે દરેકના કિસ્સામાં પ્રોટૉનની ઊંચી જલાન્વીકરણ ઊર્જાને કારણે સમતોલન

HX + H₂O  ↔  OH₃⁺ + X^–

જમણી બાજુ વધુ ખસેલું હોય છે; પણ જો આવા ઍસિડને હિમાની (glacial) એસેટિક ઍસિડમાં ઓગાળવામાં આવે તો તેમની પ્રબળતામાં સ્પષ્ટ તફાવત જોવા મળે છે.

HX + CH₃COOH ↔ CH₃COOH₂⁺ + X^–

અહીં એસેટિક ઍસિડનો અણુ પ્રોટૉન સ્વીકારવા  બહુ આતુર ન હોવાથી જ્યારે અન્ય ઍસિડ પ્રોટૉન આપવા આગ્રહી હોય ત્યારે જ સમતોલન જમણી તરફ ખસે છે અને ગણનાપાત્ર સંખ્યામાં આયનો ઉત્પન્ન કરે છે; દા.ત., એસેટિક ઍસિડમાં HClO₄ના 0.005 મોલર દ્રાવણની તુલ્યવાહકતા HNO₃ કરતાં પચાસ ગણી હોય છે. આમ જો પાણી જેવા દ્રાવકની સમતલક (levelling) અસર દૂર કરવામાં આવે તો HClO₄ એ HNO₃ કરતાં વધુ પ્રબળ ઍસિડ તરીકે વર્તે છે.

ઍસિડ બેઝના સંયુગ્મી યુગલો

ઍસિડ	બેઝ	pK
HCl પ્રબળ	Cl– નિર્બળ	–7
H2SO4	HSO4–	ઋણ
HNO3	NO3–	ઋણ
H3O+	H2O	–1.74
HSO4 –	SO42–	+1.7
H3PO4	H2PO4–	2.15
CH3COOH	CH3COO–	4.73
H2CO3	HCO3–	6.5
H2S	HS–	7.1
H2PO4–	HPO42–	7.2
HCN	CN–	9.2
H3BO3	H2BO43–	9.2
NH4+	NH3	9.3
HCO3–	CO32–	10.3
HPO42–	PO43–	12.3
HS–	S2–	12.9
H2O	OH–	15.8
OH– નિર્બળ	O2– પ્રબળ	24.0

સારણીમાં વિવિધ ઍસિડ-બેઝનાં સંયુગ્મી યુગલો (pairs) દર્શાવ્યાં છે. ઍસિડના ખાનામાં સૌથી પ્રબળ ઍસિડ મથાળે તથા બેઝના ખાનામાં સૌથી પ્રબળ બેઝ નીચે દર્શાવ્યો છે. જે પદાર્થ ઍસિડ તથા બેઝ એમ બંને રીતે વર્તી શકે તેને ઉભયગુણી (ઉભયગુણધર્મી amphoteric) કહે છે.

બ્રૂન્સ્ટેડનો ખ્યાલ એ ઍસિડ-બેઝ ઘટનાને સર્વસામાન્ય રીતે રજૂ કરતો નથી. ક્રૉસ અને ફ્રેન્કલિને અજલીય દ્રાવણોના અભ્યાસ દ્વારા સ્પષ્ટ કર્યું કે જે દ્રાવણો પ્રોટૉન ધરાવતા ન હોય તે પણ ઍસિડ-બેઝ ગુણધર્મો દર્શાવે છે; દા.ત., ક્લોરોબેન્ઝિન દ્રાવકમાં નીચેની તટસ્થીકરણ-પ્રક્રિયા ક્રિસ્ટલ વાયોલેટ સૂચક (indicator) વાપરીને થઈ શકે :

BCl₃ + (C₂H₅)₃N → C₂H₅N:BCl₃

ઍસિડ     બેઝ

(વધુ ઍસિડની હાજરીમાં સૂચક પીળો રંગ જ્યારે બેઝિક દ્રાવણમાં વાયોલેટ રંગ ધરાવે છે.)

1923માં લ્યુઇસે સંયોજકતા અંગેના ઇલેક્ટ્રૉનીય સિદ્ધાંત ઉપરથી ઍસિડ-બેઝ અંગેનો નવો ખ્યાલ રજૂ કર્યો. આ સિદ્ધાંત એટલો વ્યાપક હતો કે તે આયનોનાં રસાયણ પૂરતો સીમિત ન રહેતાં સહસંયોજક-બંધની ઉત્પત્તિને પણ આવરી લેતો હતો. લ્યુઇસના મત પ્રમાણે ઍસિડ એ એવો પદાર્થ છે, જે બેઝ જેવા દાતા (પદાર્થ) પાસેથી ઇલેક્ટ્રૉનની જોડ સ્વીકારી શકે.

જ. પો. ત્રિવેદી