उभयरोधी विलयन

एक उभयरोधी विलयन (अधिक सटीक, pH उभयरोधी या हाइड्रोजन आयन उभयरोधी) शक्तिहीन अम्ल या क्षार जलीय घोल होता है जिसमें एक शक्तिहीन अम्ल और उसके संयुग्म आधार का मिश्रण, या इसके विपरीत होता है। प्रबल अम्ल या क्षार (रसायन शास्त्र) की थोड़ी सी मात्रा इसमें मिलाने पर इसका pH बहुत कम बदलता है। विभिन्न प्रकार के रासायनिक अनुप्रयोगों में लगभग स्थिर मूल्य पर pH रखने के साधन के रूप में उभयरोधी विलयन का उपयोग किया जाता है। प्रकृति में, कई जीवित प्रणालियाँ हैं जो pH विनियमन के लिए उभयप्रतिरोधन का उपयोग करती हैं। उदाहरण के लिए, रक्त के pH को विनियमित करने के लिए [[बाइकार्बोनेट जीवित प्रणाली]] का उपयोग किया जाता है, और बाइकार्बोनेट भी महासागर अम्लीकरण के रूप में कार्य करता है।

उभयप्रतिरोधन के सिद्धांत

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चित्र 1. एक शक्तिहीन अम्ल के एक अम्लीय विलयन का नकली अनुमापन (pK_a = 4.7) क्षार के साथ

शक्तिहीन अम्ल एचए और इसके संयुग्मित आधार ए के बीच रासायनिक संतुलन के कारण उभयरोधी विलयन पीएच परिवर्तन का विरोध करते हैं:

HA ⇌ H⁺ + A⁻

जब शक्तिहीन अम्ल और उसके संयुग्मी क्षार के साम्य मिश्रण में कुछ प्रबल अम्ल मिलाया जाता है, तो हाइड्रोजन आयन (H⁺) जोड़े जाते हैं, और ले चेटेलियर के सिद्धांत के अनुसार संतुलन को बाईं ओर स्थानांतरित कर दिया जाता है। इस वजह से, हाइड्रोजन आयन की सांद्रता जोड़े गए शक्तिशाली अम्ल की मात्रा के लिए अपेक्षित मात्रा से कम बढ़ जाती है।

इसी तरह, यदि शक्तिशाली क्षार को मिश्रण में मिलाया जाता है, तो हाइड्रोजन आयन की सांद्रता जोड़े गए क्षार की मात्रा के लिए अपेक्षित मात्रा से कम हो जाती है। चित्र 1 में, अम्ल पृथक्करण स्थिरांक के साथ एक शक्तिहीन अम्ल के कृत्रिम अनुमापन द्वारा प्रभाव pK_a= 4.7 को चित्रित किया गया है। असंगठित अम्ल की सापेक्षिक सांद्रता नीले रंग में और इसके संयुग्मी क्षार की लाल रंग में दर्शाई गई है। उभयरोधी क्षेत्र pH = pK_a± 1 में pH अपेक्षाकृत धीरे-धीरे बदलता है, जो pH = 4.7 पर केंद्रित है, जहां [HA] = [A⁻] हाइड्रोजन आयन की सांद्रता अपेक्षित मात्रा से कम हो जाती है क्योंकि प्रतिक्रिया में जोड़े गए अधिकांश हाइड्रॉक्साइड आयन का सेवन किया जाता है

OH⁻ + HA → H₂O + A⁻

और निर्मूलीकरण प्रतिक्रिया में केवल थोड़ी सी खपत होती है (जो प्रतिक्रिया है जिसके परिणामस्वरूप pH में वृद्धि होती है)

OH⁻ + H⁺ → H₂O.

एक बार जब अम्ल 95% से अधिक अवक्षेपण हो जाता है, तो pH तीव्रता से बढ़ जाता है क्योंकि निर्मूलीकरण प्रतिक्रिया में अधिकांश अतिरिक्त क्षार का सेवन किया जाता है।

उभयरोधी क्षमता

उभयरोधी क्षमता अम्ल या क्षार एकाग्रता में परिवर्तन के संबंध में उभयप्रतिरोधन कर्मक युक्त विलयन के pH में परिवर्तन के प्रतिरोध का एक मात्रात्मक उपाय है। इसे इस प्रकार परिभाषित किया जा सकता है:

$$\beta ={\frac {dC_{b}}{d(\mathrm {pH} )}},$$

जहाँ $dC_{b}$ अतिरिक्त आधार की एक अतिसूक्ष्म राशि है, या

$$\beta =-{\frac {dC_{a}}{d(\mathrm {pH} )}},$$

जहाँ $dC_{a}$ अतिरिक्त अम्ल की एक अतिसूक्ष्म मात्रा है। pH को −log₁₀[H⁺] के रूप में परिभाषित किया गया है, और d(pH) pH में एक अतिसूक्ष्म परिवर्तन है।

किसी भी परिभाषा के साथ एक शक्तिहीन अम्ल HA के लिए पृथक्करण स्थिर K_a के साथ उभयरोधी क्षमता के रूप में व्यक्त किया जा सकता है

$$\beta =2.303\left([{\ce {H+}}]+{\frac {T_{{\ce {HA}}}K_{a}[{\ce {H+}}]}{(K_{a}+[{\ce {H+}}])^{2}}}+{\frac {K_{\text{w}}}{[{\ce {H+}}]}}\right),$$

जहां [H⁺] हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता है, और $T_{\text{HA}}$ जोड़े गए अम्ल की कुल सांद्रता है। K_w जल के स्व-आयनीकरण के लिए संतुलन स्थिरांक है, जो कि 1.0×10⁻¹⁴ के बराबर है। ध्यान दें कि विलयन में H⁺ हाइड्रोनियम आयन H₃O⁺ के रूप में उपस्थित है, और आगे हाइड्रोनियम आयन के जल का पृथक्करण संतुलन पर बहुत अधिक अम्ल सांद्रता को छोड़कर उपेक्षणीय प्रभाव पड़ता है,।

File:Buffer Capacity 2.png

चित्र 2.pK के साथ एक शक्तिहीन अम्ल के 0.1 m विलयन के लिए उभयरोधी क्षमता β_a = 7

यह समीकरण दर्शाता है कि बढ़ी हुई उभयरोधी क्षमता के तीन क्षेत्र हैं (चित्र 2 देखें)।

• वक्र के मध्य क्षेत्र में (आलेख पर हरे रंग का), दूसरा पद प्रभावी है, और
  $$\beta \approx 2.303{\frac {T_{{\ce {HA}}}K_{a}[{\ce {H+}}]}{(K_{a}+[{\ce {H+}}])^{2}}}.$$
  उभयरोधी क्षमता pH = pK_a पर एक स्थानीय अधिकतम तक बढ़ जाती है। इस शिखर की ऊँचाई pK_a के मान पर निर्भर करती है। उभयरोधी क्षमता उपेक्षणीय होती है जब उभयप्रतिरोधन कर्मक की एकाग्रता [HA] बहुत कम होती है और उभयप्रतिरोधन कर्मक की बढ़ती एकाग्रता के साथ बढ़ जाती है। कुछ लेखक केवल इस क्षेत्र को उभयरोधी क्षमता के लेखाचित्र में दिखाते हैं।
  बफर क्षमता pH = pK_a ± 1 पर अधिकतम मूल्य का 33%, pH = pK_a ± 1.5 पर 10% और pH = pK_a ± 2 पर 1% तक गिर जाती है। इस कारण से सबसे उपयोगी सीमा लगभग pK_a ± 1 है। किसी विशिष्ट pH पर उपयोग के लिए बफर चुनते समय, उस pH के जितना संभव हो उतना करीब pK_a मान होना चाहिए।
• दृढ़ता से अम्लीय विलयनों के साथ, pH लगभग 2 से कम (आलेख पर लाल रंग), समीकरण में पहला शब्द हावी है, और उभयरोधी क्षमता घटते pH के साथ तीव्रता से बढ़ती है:
  $$\beta \approx 10^{-\mathrm {pH} }.$$
  यह इस तथ्य का परिणाम है कि बहुत कम pH पर दूसरा और तीसरा पद उपेक्षणीय हो जाता है। यह शब्द रोधन कर्मक की उपस्थिति या अनुपस्थिति से स्वतंत्र है।
• दृढ़ता से क्षारीय विलयनों के साथ, pH लगभग 12 से अधिक (आलेख पर नीला रंग), समीकरण में तीसरा शब्द हावी है, और उभयरोधी क्षमता बढ़ती pH के साथ तीव्रता से बढ़ती है:
  $$\beta \approx 10^{\mathrm {pH} -\mathrm {p} K_{\text{w}}}.$$
  यह इस तथ्य का परिणाम है कि बहुत उच्च pH पर प्रथम और द्वितीय पद उपेक्षणीय हो जाते हैं। यह शब्द उभयप्रतिरोधन कर्मक की उपस्थिति या अनुपस्थिति से भी स्वतंत्र है।

उभयरोधी के अनुप्रयोग

उभयप्रतिरोधन कर्मक वाले विलयन का pH केवल एक संकीर्ण सीमा के भीतर भिन्न हो सकता है, भले ही विलयन में और क्या उपस्थित हो। जैविक प्रणालियों में किण्वक के सही ढंग से कार्य करने के लिए यह एक आवश्यक स्तिथि है। उदाहरण के लिए, रक्त में कार्बोनिक अम्ल (H2CO3) और बिकारबोनिट (HCO⁻
₃) रक्त प्लाज़्मा अंश में उपस्थित है; यह 7.35 और 7.45 के बीच रक्त के pH को बनाए रखने के लिए प्रमुख तंत्र का गठन करता है। इस संकीर्ण सीमा (7.40 ± 0.05 pH इकाई) के बाहर, अम्लरक्तता और क्षारीय चयापचय की स्थिति तीव्रता से विकसित होती है, यह अंतत: मृत्यु की ओर ले जाती है यदि सही उभयप्रतिरोधन क्षमता तीव्रता से बहाल नहीं होती है।

यदि किसी घोल का pH मान बहुत अधिक बढ़ जाता है या गिर जाता है, तो एक प्रक्रिया में एक किण्वक की प्रभावशीलता कम हो जाती है, जिसे विकृतीकरण (जैव रसायन) के रूप में जाना जाता है, जो सामान्यतः अपरिवर्तनीय होता है। अनुसंधान में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश जैविक प्रतिरूप एक उभयरोधी विलयन में रखे जाते हैं, प्रायः pH 7.4 पर फॉस्फेट उभयरोधी लवणयुक्त (पीबीएस) है।

उद्योग में, उभयप्रतिरोधन कर्मकों का उपयोग किण्वन (जैव रसायन) प्रक्रियाओं में और कपड़ों को रंगने में इस्तेमाल होने वाले रंगों के लिए सही स्थिति निर्धारित करने में किया जाता है। इनका उपयोग रासायनिक विश्लेषण और pH मीटर का अंशांकन में भी किया जाता है।

सरल उभयप्रतिरोधन कर्मक

उभयप्रतिरोधन कर्मक	pKa	उपयोगी pH श्रेणी
सिट्रिक अम्ल	3.13, 4.76, 6.40	2.1–7.4
सिरका अम्ल	4.8	3.8–5.8
KH2PO4	7.2	6.2–8.2
सीएचईएस	9.3	8.3–10.3
बोरेट	9.24	8.25–10.25

अम्ल क्षेत्रों में उभयरोधी के लिए, विशेष उभयप्रतिरोधन कर्मक के लिए हाइड्रोक्लोरिक अम्ल जैसे शक्तिशाली अम्ल को जोड़कर pH को वांछित मान में समायोजित किया जा सकता है। क्षारीय उभयरोधी के लिए, सोडियम हाइड्रॉक्साइड जैसे एक शक्तिशाली आधार को जोड़ा जा सकता है। वैकल्पिक रूप से, एक अम्ल और उसके संयुग्म आधार के मिश्रण से एक उभयरोधी मिश्रण बनाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, सिरका अम्ल और सोडियम एसिटेट के मिश्रण से एसीटेट उभयरोधी बनाया जा सकता है। इसी प्रकार, क्षार और उसके संयुग्मित अम्ल के मिश्रण से एक क्षारीय उभयरोधी बनाया जा सकता है।

सार्वभौमिक उभयरोधी मिश्रण

pK_a के साथ पदार्थों के संयोजन से मान केवल दो या उससे कम से भिन्न होते हैं और pH को समायोजित करके उभयरोधी की एक व