હાઇડ્રોજન આયન (hydrogen ion)

February, 2009

હાઇડ્રોજન આયન (hydrogen ion) : પાણીના અણુઓ સાથે સંયોજિત હાઇડ્રોજન નાભિક (nucleus) અથવા પ્રોટૉન. આમ તો હાઇડ્રોજન કેટાયન (cation) એ હાઇડ્રોજન પરમાણુ પોતાનો એક ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવી દે ત્યારે ઉદભવતો ખુલ્લો (bare) પ્રોટૉન છે જે અજોડ (unique) ગુણધર્મો ધરાવે છે; જેમ કે, પાણી (H2O) માટે તેને એટલું પ્રબળ આકર્ષણ હોય છે કે તે જલીય દ્રાવણમાં સ્વતંત્ર અસ્તિત્વ ધરાવવાને બદલે પાણીના એક અથવા વધુ અણુઓ સાથે જોડાઈ જાય છે. આથી ઘણી વાર તેને H3O+ તરીકે ઉલ્લેખવામાં આવે છે.

આને હાઇડ્રૉનિયમ (hydronium) અથવા ઓનિયમ (onium) અથવા હાઇડ્રૉક્સોનિયમ (hydroxonium) આયન કહે છે; પરંતુ ખરેખર તો તેને પાણીના ચાર અણુઓના સમચતુષ્ફલકીય (tetrahedral) સમૂહ પર આવેલ વધારાના પ્રોટૉન રૂપે ગણવામાં આવે છે અને તેને તરીકે દર્શાવવો જોઈએ; પરંતુ સરળતા ખાતર તેને H+(aq) તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે.

રાસાયણિક ક્રિયાશીલતા : હાઇડ્રોજન આયન નીચે દર્શાવ્યા મુજબ પાણીના સ્વત: આયનીકરણ (self ionization) દ્વારા ઉદભવતો હોવાથી બધાં જલીય દ્રાવણોમાં તેની હાજરી હોય છે.

H2O ⇌ H+(aq) + OH–(aq) ……………………………………………………………………………………………(i)

આ દર્શાવે છે કે H+(aq) એ OH–(aq)ની સાથે સાથે જોવા મળે છે. આ બે આયનોની સાંદ્રતા વચ્ચેનો સંબંધ એ પાણીનો એક અગત્યનો ગુણધર્મ છે અને 25° સે.એ તેને નીચેના સમીકરણ વડે દર્શાવાય છે.

Kw = [H+(aq)] [OH–(aq)] = 10–14 ………………………………………………………………………………….(ii)

જ્યાં Kw એ પાણી માટેનો સમતોલન અચળાંક છે જ્યારે [ ] એ જે તે આયનની સાંદ્રતા દર્શાવે છે. સાંખ્યિક દૃષ્ટિએ પાણીમાં આવાં આયનો ઉત્પન્ન થવાનું પ્રમાણ ઘણું જૂજ (rare) હોય છે. (55.6 કરોડ અણુઓમાંથી એકનું આયનીકરણ થાય છે.)

પ્રક્રિયા (i) અને સમીકરણ (ii) દર્શાવે છે કે શુદ્ધ પાણીમાં H+(aq) અને OH–(aq)ની સાંદ્રતા સરખી (10–7 મોલ/લિટર) હોય છે. કોઈ પણ જલીય દ્રાવણ H+(aq)ની આ સાંદ્રતા ધરાવતું હોય તેને તટસ્થ (neutral) દ્રાવણ કહે છે. જે દ્રાવણમાં H+(aq)ની સાંદ્રતા 10–7 મોલ/લિટર કરતાં વધુ હોય તેને ઍસિડી અથવા ઍસિડિક દ્રાવણ કહે છે. બેઝિક (basic) દ્રાવણમાં H+(aq)ની સાંદ્રતા 10–7 મોલ/લિટર કરતાં ઓછી હોય છે. સમીકરણ (ii) પરથી એ સ્પષ્ટ થાય છે કે જ્યારે H+(aq)ની સાંદ્રતામાં વધારો થાય ત્યારે OH–(aq)ની સાંદ્રતા ઘટવી જોઈએ અને તેથી ઊલટું પણ ખરું છે. આમ ઍસિડ એવા પદાર્થો છે કે જે H+(aq)ને સ્વીકારે છે; જેમ કે,

HCl(aq)  H+(aq) + Cl–(aq) …………………………………………………………………………………….(iii)

NH3(aq) + H+(aq) →  …………………………………………………………………………………..(iv)

ધાતુ-આયનો પણ, ખાસ કરીને તેઓનાં આયનો નાનાં હોય અને ઊંચો ધનવીજભાર ધરાવતાં હોય ત્યારે ઍસિડ તરીકે વર્તે છે; દા. ત.,

Al3+(aq) ⇌ Al(OH–)2+(aq) + H+(aq) ……………………………………………………………………………(v)

ઍસિડ અને બેઝ વચ્ચેની પ્રક્રિયાને તટસ્થીકરણ (neutralization) કહે છે. આથી તટસ્થીકરણની પ્રક્રિયાને એકંદરે

H+(aq) + OH–(aq) = H2O ……………………………………………………………………………………….(vi)

વડે દર્શાવાય છે. આ પ્રક્રિયાની ઉષ્મા (તટસ્થીકરણની ઉષ્મા) 13.36 કિ.કૅલરી/મોલ હોય છે.

બાઇકાર્બોનેટ, કાર્બોનેટ, સલ્ફાઇટ, બાઇસલ્ફાઇટ અને સલ્ફાઇડ સંયોજનો સાથે H+(aq)ની પ્રક્રિયા અનુક્રમે કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ, સલ્ફર ડાયૉક્સાઇડ અને હાઇડ્રોજન સલ્ફાઇડ જેવા બાષ્પશીલ વાયુઓ ઉત્પન્ન કરે છે. વીજરાસાયણિક શ્રેણીમાં જે ધાતુઓ હાઇડ્રોજનની ઉપર હોય (દા. ત., ઝિંક) તેમની સાથે પણ હાઇડ્રોજન આયન પ્રક્રિયા કરે છે અને હાઇડ્રોજન વાયુ તથા ધાતુનો કેટાયન ઉત્પન્ન કરે છે :

Zn(s) + 2H+(aq) → H2(g) + Zn2+(aq) …………………………………………………………………………(vii)

સંક્ષારણ (corrosion), ઍસિડ-વર્ષા વગેરેમાં તેની ઉપસ્થિતિ કારણભૂત હોય છે.

હાઇડ્રોજન આયનની સાંદ્રતા : હાઇડ્રોજન આયનની સાંદ્રતા 10 ઉપર 14ની ઘાતમાં (1014) બદલાઈ શકે છે. આવાં ઘાતાંકીય સ્વરૂપો સાથે કામ પાડવાનું ટાળવા એસ.પી.એલ. સોરેન્સને 1909માં pH માપક્રમનો ખ્યાલ રજૂ કર્યો હતો. તે મુજબ

pH = –log [H+(aq)] ………………………………………………………………………………………………..(viii)

વધુ ચોકસાઈ જરૂરી હોય ત્યાં આ સમીકરણમાં સાંદ્રતાને બદલે સક્રિયતા (activity) પદનો ઉપયોગ થાય છે. બધાં જલીય દ્રાવણો હાઇડ્રોજન આયન અને હાઇડ્રૉક્સાઇડ આયન એમ બંને આયનો ધરાવતાં હોવાથી pH માપક્રમ પર ઍસિડિકતા અને બેઝિકતાની સઘળી માત્રા (degrees) દર્શાવવાનું શક્ય બને છે.

સારણી : પાણીમાં H+(aq) અને OH–(aq) આયનોની સાંદ્રતા અને દ્રાવણના pH મૂલ્ય વચ્ચેનો સંબંધ

[H+(aq)] [OH–(aq)] pH
1 1 × 10–14 0
1 × 10–1 1 × 10–13 1
1 × 10–2 1 × 10–12 2
1 × 10–3 1 × 10–11 3
1 × 10–4 1 × 10–10 4
1 × 10–5 1 × 10–9 5
1 × 10–6 1 × 10–8 6
1 × 10–7 1 × 10–7 7
1 × 10–8 1 × 10–6 8
[H+(aq)] [OH(aq)] pH
1 × 10–9 1 × 10–5 9
1 × 10–10 1 × 10–4 10
1 × 10–11 1 × 10–3 11
1 × 10–12 1 × 10–2 12
1 × 10–14 1 14

pH માપક્રમ પર એક એકમનો ફેરફાર એ ઍસિડિકતામાં 10 ગણા ફેરફારને અનુવર્તી છે. આ માપક્રમ પ્રબળ અને નિર્બળ ઍસિડો વચ્ચેનો તફાવત દર્શાવવામાં ઉપયોગી છે; દા. ત., હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડ જેવા પ્રબળ ઍસિડનું જલીય દ્રાવણમાં સંપૂર્ણ (100 %) વિયોજન થાય છે.

HCl(aq) + H2O → H+(aq) + Cl–(aq) …………………………………………………………………………….(ix)

અને તેથી તેના 0.1m દ્રાવણનું pH મૂલ્ય 1.0 હશે. એસેટિક ઍસિડ (સરકાનો તેજાબ) જેવા નિર્બળ ઍસિડનું વિયોજન સીમિત પ્રમાણમાં થતું હોવાથી તેના 0.1 m દ્રાવણનું pH મૂલ્ય 2.9 જોવા મળે છે એટલે કે એસેટિક ઍસિડ હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડ કરતાં લગભગ 100 ગણો ઓછો ઍસિડિક છે.

હાઇડ્રોજન આયન સાંદ્રતાનું માપન : આને માટે બે સામાન્ય પદ્ધતિઓ છે. બહુ ચોક્સાઈ જરૂરી ન હોય ત્યાં રંગમિતીય (colorimetric) પદ્ધતિનો ઉપયોગ થાય છે. કેટલાક કુદરતી અને સંશ્લેષિત રંગકો(dyer)નો રંગ હાઇડ્રોજન આયનની સાંદ્રતા પર આધાર રાખે છે. આથી ગાળણપત્રનો ટુકડો આવા રંગકના દ્રાવણ વડે સંસેચિત (impregnated) કરવામાં આવે છે. આવા કાગળના ટુકડાને કસોટી હેઠળના દ્રાવણમાં ડુબાડવામાં આવે ત્યારે દ્રાવણની ઍસિડિકતાને કારણે તેના રંગ બદલાય છે. આ ઉદભવેલા રંગને માનક રંગની શ્રેણી સાથે સરખાવવાથી દ્રાવણના pH મૂલ્યનો અંદાજ મળી શકે છે.

વધુ ચોક્સાઈભર્યાં મૂલ્યો માટે પોટેન્શિયોમિતીય પદ્ધતિનો ઉપયોગ થાય છે. આમાં એક વીજધ્રુવ એવો હોય છે કે જેનો વિભવ (potential) હાઇડ્રોજન આયન સાંદ્રતા પ્રત્યે સંવેદી હોય છે. સામાન્ય રીતે આ માટે કાચનો વીજધ્રુવ વપરાય છે. બીજા સંદર્ભ વીજધ્રુવ તરીકે કેલોમલ વીજધ્રુવ વપરાય છે. દ્રાવણમાં બંને વીજધ્રુવો મૂકી વીજરાસાયણિક કોષનો વિભવ માપી pH મૂલ્ય ગણી શકાય છે. જો કે હવે તો સીધું pH મૂલ્ય દર્શાવી શકે તે પ્રકારનાં pH-મીટર પ્રાપ્ય છે.

જીવંત સજીવો (living organisms) અને રાસાયણિક ઉદ્યોગમાં થતી ઘણી રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓનો પ્રવાહ (course) હાઇડ્રોજન- આયન નક્કી કરે છે. જીવંત સજીવોમાં અને પ્રયોગશાળામાં હાઇડ્રોજન-આયનની સાંદ્રતાનું નિયંત્રણ બફર (buffer) પ્રણાલીઓ દ્વારા થાય છે. નિસ્રવન (મદ્યીકરણ, brewing), ઔષધોનાં ઉત્પાદન, વીજઢોળ ચઢાવવો, કાપડ-ઉદ્યોગ વગેરેમાં ઍસિડની સાંદ્રતાનું સંભાળપૂર્વકનું નિયંત્રણ અગત્યનું હોય છે.

ઇન્દ્રવદન મનુભાઈ ભટ્ટ