विलेयता

This article is about यह लेख एक रासायनिक गुणों के बारे में है।. For बीजगणितीय अवधारणा के लिए,, see हल करने योग्य समूह देखें।. For अन्य उपयोगों के लिए,, see समाधान (बहुविकल्पी) देखें।.

विलेये हुए ठोस का उदाहरण (बाएं)

4.2 मोलर सांद्रता वाले अमोनियम सल्फेट विलयन में क्रिस्टल का निर्माण। विलयन शुरू में 20 डिग्री सेल्सियस पर तैयार किया गया था और फिर 2 दिनों के लिए 4 डिग्री सेल्सियस पर संग्रहीत किया गया था।

रसायन विज्ञान में, विलेयता एक रासायनिक पदार्थ की क्षमता है, एक विलेय, दूसरे पदार्थ, विलायक के साथ मिलकर एक विलयन बनाता है। अविलेयता विलेयता के विपरीत है, इसमें विलेय विलायक के साथ विलयन बनाने में असमर्थता प्रदर्शित करता है।

एक विशिष्ट विलायक में किसी पदार्थ की विलेयता की सीमा को सामान्यतः संतृप्त विलयन में विलेय की सांद्रता के रूप में मापा जाता है, जिसमें कोई और विलेय नहीं किया जा सकता है। इस बिंदु पर, कहा जाता है की दो पदार्थों आपस में विलेयता साम्यावस्था में है। कुछ विलेय और विलायक के लिए, ऐसी कोई सीमा नहीं हो सकती है, जिस स्थिति में दो पदार्थों को "सभी अनुपातों में मिश्रणीय" (या केवल "विलेय") कहा जाता है।

विलेय ठोस, द्रव या गैस हो सकता है, जबकि विलायक सामान्यतः ठोस या द्रव होता है। दोनों शुद्ध पदार्थ हो सकते हैं, या स्वयं विलयन हो सकते हैं। अत्यधिक चरम स्थितियों को छोड़कर, गैसें हमेशा सभी अनुपातों में मिश्रणीय होती हैं।, और एक ठोस या द्रव गैस में गैसीय अवस्था में ही परिवर्तित होकर ही "विलेय" हो सकती है।

विलेयता मुख्य रूप से विलेय और विलायक की संरचना (उनके पीएच (pH)और अन्य विलेय हुई पदार्थों की उपस्थिति) के साथ-साथ तापमान और दबाव पर निर्भर करती है। निर्भरता को प्रायः दो पदार्थों के कणों (परमाणुओं, अणुओं, या आयनों) के बीच परस्पर क्रिया के रूप में और तापीय धारिता और एन्ट्रॉपी जैसी ऊष्मागतिकीय अवधारणाओं के संदर्भ में समझाया जा सकता है।

कुछ शर्तों के तहत, विलेय की सांद्रता इसकी सामान्य विलेयता सीमा से अधिक हो सकती है। जिसका परिणाम एक सुपरसैचुरेटेड विलयन है, जो मेटास्टेबल है और यदि एक उपयुक्त केंद्रक साइट दिखाई देती है तो यह अतिरिक्त विलेय को तेजी से बाहर कर देगा।

विलेयता की अवधारणा तब लागू नहीं होती है जब दो पदार्थों के बीच एक अपरिवर्तनीय रासायनिक अभिक्रिया होती है, जैसे कि हाइड्रोक्लोरिक अम्ल के साथ कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड की अभिक्रिया ; भले ही कोई कह सकता है, अनौपचारिक रूप से, कि एक ने दूसरे को "विलेय" कर दिया। विलेयता भी विलयन की दर के समान नहीं है, जो कि द्रव विलायक में एक ठोस विलेय कितनी तेजी से विलेय होता है उस पर निर्भर करती है। यह गुण कई अन्य चरों पर निर्भर करता है, जैसे कि दो पदार्थों का भौतिक रूप और मिश्रण का तरीका और तीव्रता।

रसायन विज्ञान के अलावा कई विज्ञानों में विलेयता की अवधारणा और विलेयता का पैमाना अत्यंत महत्वपूर्ण हैं, जैसे कि भूविज्ञान, जीव विज्ञान, भौतिकी और समुद्र विज्ञान, साथ ही साथ अभियांत्रिकी, चिकित्सा, कृषि और यहां तक ​​कि गैर-तकनीकी गतिविधियों जैसे चित्र, सफाई, खाना पकाना, और शराब बनाना। वैज्ञानिक, औद्योगिक, या व्यावहारिक हित की अधिकांश रासायनिक अभिक्रियाएँ तभी होती हैं जब अभिकर्मक को एक उपयुक्त विलायक में विलेय किया जाता है। जल अब तक का सबसे सामान्य विलायक है।

विलेयता शब्द का प्रयोग कभी-कभी उन सामग्रियों के लिए किया जाता है जो द्रव में बहुत महीन ठोस कणों के कोलाइड बना सकते हैं। हालांकि, ऐसे पदार्थों की मात्रात्मक विलेयता सामान्यतः अच्छी तरह से परिभाषित नहीं होती है।

विलेयता की मात्रा

एक विशिष्ट विलायक में एक विशिष्ट विलेय की विलेयता को सामान्यतः दो के संतृप्त विलयन की सान्द्रता के रूप में व्यक्त किया जाता है। विलयन की सान्द्रता को व्यक्त करने के कई तरीकों में से किसी का भी उपयोग किया जा सकता है, जैसे कि द्रव्यमान, आयतन, या किसी विशिष्ट द्रव्यमान, आयतन, विलायक या विलयन के मोल के लिए विलेय की मोल् में मात्रा।

विलायक की प्रति मात्रा

विशेष रूप से, रासायनिक पुस्तिकाएं प्रायः एक द्रव पदार्थ में पदार्थ की विलेयता को विलेय प्रति डेसी लीटर (100 मिली लीटर) विलायक (g/dL) के रूप में; या, सामान्यतः ग्राम प्रति लीटर (g/L) के रूप में व्यक्त करती हैं। इसके अतिरिक्त विलायक की मात्रा द्रव्यमान में व्यक्त की जा सकती है, जैसे ग्राम/100 ग्राम या ग्राम/किग्रा। इस मामले में संख्या को प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जा सकता है, और "भार प्रति भार" इंगित करने के लिए संक्षिप्त नाम w/w का उपयोग किया जा सकता है। (g/L और g/kg में मान व्यावहारिक रूप से जल के लिए समान हैं, लेकिन अन्य विलायक के लिए नहीं।)

वैकल्पिक रूप से, विलेय की मात्रा द्रव्यमान के अतिरिक्त मोल् में व्यक्त की जा सकती है; यदि विलायक की मात्रा किलोग्राम में दी गई है, तो विलयन की मोललता (mol/kg) होगी।

विलयन की प्रति मात्रा

किसी द्रव में किसी पदार्थ की विलेयता को विलायक के अतिरिक्त विलयन की प्रति मात्रा में उपस्थित विलेय की मात्रा के रूप में भी व्यक्त किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, अनुमापन में सामान्य अभ्यास के बाद, इसे विलयन मे उपस्थित विलेय के मोल प्रति लीटर (mol / L) के रूप में व्यक्त किया जा सकता है,

अधिक विशिष्ट संदर्भों में विलेयता मोल - प्रभाज (विलेय और विलायक के कुल मोल प्रति विलेय के मोल्) या द्रव्यमान अंश द्वारा साम्य (विलेय और विलायक के द्रव्यमान के प्रति द्रव्यमान का द्रव्यमान), दोनों 0 और 1 के बीच की संख्याएँ जिन्हें प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जा सकता है आयामी विश्लेषण द्वारा दी जा सकती है।

द्रव और गैसीय विलेय

द्रव पदार्थ या गैसों में उपस्थित द्रव पदार्थ के विलयन के लिए, दोनों पदार्थों की मात्राओं को द्रव्यमान या मोल राशि के अतिरिक्त दोनों पदार्थों की मात्रा को आयतन के रूप में दिया जा सकता है; जैसे कि प्रति लीटर विलायक की मात्रा लीटर में, या प्रति लीटर विलयन में विलेय की मात्रा। इसे मान प्रतिशत के रूप में दिया जा सकता है, और इस विकल्प को इंगित करने के लिए "आयतन प्रति आयतन" के लिए संक्षिप्त नाम "v/v" का उपयोग किया जा सकता है।

विलेयता मूल्यों का रूपांतरण

विलेयता को मापने के इन विभिन्न तरीकों के बीच रूपांतरण नगण्य नहीं हो सकता है, क्योंकि इसके लिए विलयन के घनत्व को जानने की आवश्यकता हो सकती है - जिसे प्रायः मापा नहीं जाता है, और इसकी भविष्यवाणी नहीं की जा सकती है। जबकि कुल द्रव्यमान को विघटन द्वारा संरक्षित किया जाता है, अंतिम मात्रा विलायक की मात्रा और दोनों मात्राओं के योग से भिन्न हो सकती है।

इसके अलावा, कई ठोस (जैसे अम्ल और लवण) विलेय होने पर गैर-मामूली तरीकों से पृथक्क किये जा सकता है; इसके विपरीत, विलायक विलेय के अणुओं या आयनों के साथ समन्वय संकुल बना सकता है। उन मामलों में, विलेय और विलायक के अणुओं के मोल् का योग वास्तव में स्वतंत्र कणों के विलयन का कुल मोल नहीं होता है। उस समस्या को दूर करने के लिए, विलयन के प्रति मोल की विलेयता की गणना सामान्यतः की जाती है और इसे इस तरह उद्धृत किया जाता है जैसे कि विलेय अलग नहीं होता है या कॉम्प्लेक्स नहीं बनाता है - अर्थात, यह दिखावा करके कि विलयन की मोल मात्रा दो पदार्थों की मोल मात्रा का योग है। .

विलेयता की सीमा का वर्णन करने के लिए प्रयुक्त क्वालिफायर्स

विलेयता की सीमा व्यापक रूप से, (बिना सीमा के, यानी मिश्रणीय) से होती है जैसे कि जल में विलेय इथेनॉल, अनिवार्य रूप से जल में अविलेय, टाइटेनियम डाइऑक्साइ किसी दिए गए अनुप्रयोगों के लिए विलेयता की सीमा को अर्हता प्राप्त करने के लिए कई अन्य वर्णनात्मक शर्तों का भी उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, यू.एस. फार्माकोपिया विलेय के द्रव्यमान msu की एक इकाई को विलेय करने के लिए आवश्यक विलायक के द्रव्यमान msv के अनुसार निम्नलिखित शर्तें देता है: (20-25 डिग्री सेल्सियस पर जल के लिए उदाहरणों की विलेयताएं अनुमानित है।)

अवधि	रेंज	उदाहरण	g/dL	msv/msu
अत्यधिक विलेय	<1	कैल्सियम नाइट्रेट	158.7	0.63
स्वतंत्र रूप से विलेय	1 to 10	कैल्सियम क्लोराइड	65	1.54
विलेय	10 to 30	सोडियम ऑक्सलेट	3.9	26
बहुत काम विलेय	30 to 100
अल्प विलेय	100 to 1000	कैल्सियम सल्फेट	0.21	490
बहुत कम विलेय	1000 to 10,000	डाइकैल्शियम फास्फेट	0.02	5000
वास्तव में अविलेय या अविलेय	≥ 10,000	बेरियम सल्फ़ेट	0.000245	409000

अविलेयता, या समान शर्तों के रूप में किसी चीज़ का वर्णन करने के लिए थ्रेसहोल्ड, अनुप्रयोग पर निर्भर हो सकता है। उदाहरण के लिए, एक स्रोत बताता है कि जब पदार्थों की विलेयता 0.1 ग्राम प्रति 100 एमएल विलायक से कम होती है तो पदार्थों को "अविलेय" के रूप में वर्णित किया जाता है।

आणविक दृश्य

विलेयता गतिशील साम्यावस्था के तहत होती है, जिसका अर्थ है कि विलेयता विघटन और अवस्था में सम्मिलित होने के साथ और विरोधी प्रक्रियाओं (जैसे ठोस पदार्थों के अवक्षेपण) से उत्पन्न होती है। विलेयता साम्यावस्था तब आती है जब दो प्रक्रियाएं समान और विपरीत दरों पर आगे बढ़ती हैं।

विलेयता शब्द का उपयोग कुछ क्षेत्रों में भी किया जाता है जहां विलेय को विलेयता द्वारा बदल दिया जाता है। उदाहरण के लिए, कई धातुओं और उनके ऑक्साइड को हाइड्रोक्लोरिक एसिड में विलेय किया जाता है, हालांकि वास्तव में जलीय अम्ल विलेय उत्पाद देने के लिए ठोस को अपरिवर्तनीय रूप से कम करता है। यह भी सच है कि अधिकांश आयनिक ठोस ध्रुवीय विलायकों द्वारा विलेय जाते हैं, लेकिन ऐसी प्रक्रियाएं उत्क्रमणीय होती हैं। उन मामलों में जहां विलायक के वाष्पीकरण पर विलेय को पुनर्प्राप्त नहीं किया जाता है, इस प्रक्रिया को सॉल्वोलिसिस कहा जाता है। विलेयता की थर्मोडायनामिक अवधारणा सीधे तौर पर सॉल्वोलिसिस पर लागू नहीं होती है।

जब एक पदार्थ विलेय किया जाता है, तो यह विलयन में कई प्रजातियाँ बना सकता है। उदाहरण के लिए, आयरन (आयरन(II) हाइड्रॉक्साइड Fe(OH)
₂ का एक जलीय निलंबन, इसमें ही सम्मिलित होंगी साथ ही अन्य प्रजातियां उदाहरण के लिए [Fe(H₂O)_x(OH)_x]^(2x)+सम्मिलित होंगी। इसके अलावा, फेरस हाइड्रॉक्साइड की विलेयता और इसके विलेय अवयवों की संरचना पीएच पर निर्भर करती है। सामान्यतः, विलायक अवस्था में विलेयता केवल एक विशिष्ट विलेय के लिए दी जा सकती है जो थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर है, और विलेयता के मान में सभी प्रजातियों को विलयन में सम्मिलित किया जाएगा (ऊपर के उदाहरण में, सभी लोहे युक्त संकुल)।

विलेयता को प्रभावित करने वाले कारक

विलेयता को विशिष्ट अवस्था के लिए परिभाषित किया गया है। उदाहरण के लिए, जल में एंरेगोनाइट और केल्साइट की विलेयता अलग-अलग होने की उम्मीद है, भले ही वे दोनों कैल्शियम कार्बोनेट के बहुरूप हैं और उनका रासायनिक सूत्र समान है।

एक पदार्थ की दूसरे में विलेयता विलायक और विलेय के बीच अंतर-आणविक बलों के साम्य और सॉल्वेशन के साथ होने वाले एन्ट्रापी परिवर्तन से निर्धारित होती है। तापमान और दबाव जैसे कारक इस साम्य को बदल देंगे, इस प्रकार विलेयता बदल जाएगी।

विलेयता विलायक में विलेय अन्य प्रजातियों की उपस्थिति पर भी दृढ़ता से निर्भर हो सकती है, उदाहरण के लिए, द्रव पदार्थों में संकुल बनाने वाले ऋणायन (लिगेंड)। विलेयता विलयन में एक सामान्य आयन की अधिकता या कमी पर भी निर्भर करेगी, जिसे सम-आयन प्रभाव के रूप में जाना जाता है। कुछ हद तक, विलेयता विलयनों की आयनिक शक्ति पर निर्भर करेगी। पिछले दो प्रभावों को विलेयता साम्यावस्था के समीकरण का उपयोग करके परिमाणित किया जा सकता है।

एक ठोस के लिए जो एक रेडॉक्स अभिक्रिया में विलेय हो जाता है, विलेयता विभव पर निर्भर करती है (विभव की सीमा में जिसके तहत ठोस ऊष्मागतिकीय रूप से स्थिर अवस्था में रहता है)। उदाहरण के लिए, उच्च तापमान वाले जल में सोने की विलेयता लगभग उच्च मैग्नीट्यूड पर देखी जाती है (यानी लगभग दस गुना अधिक) के रूप में देखी जाती है, जब रेडॉक्स क्षमता को अत्यधिक ऑक्सीकरण वाले Fe3O4-Fe2O3 रेडॉक्स बफर का उपयोग करके मध्यम ऑक्सीकरण वाले Ni-NiO बफर के साथ नियंत्रित किया जाता है।

विलेयता (मेटास्टेबल, संतृप्ति के करीब आने वाली सांद्रता पर) क्रिस्टल के भौतिक आकार या विलेय की छोटी बूंद, विशिष्ट सतह क्षेत्र या विलेय के मोलर सतह क्षेत्र पर निर्भर करता है। परिमाणीकरण के लिए, विलेयता साम्यावस्था पर लेख में समीकरण देखें। अत्यधिक दोषपूर्ण क्रिस्टल के लिए, जैसे विकार बढ़ेगा वैसे विलेयता बढ़ती है। ये दोनों प्रभाव क्रिस्टल की गिब्स ऊर्जा पर विलेयता स्थिरांक की निर्भरता के कारण उत्पन्न होते हैं। अंतिम दो प्रभाव, हालांकि मापना प्रायः मुश्किल होता है, व्यावहारिक महत्व के होते हैं। उदाहरण के लिए, वे ऑस्वाल्ड राइपनिंग के लिए प्रेरणा शक्ति प्रदान करते हैं (क्रिस्टल का आकार अनायास समय के साथ बढ़ता है)।

तापमान

किसी दिए गए विलायक में किसी दिए गए विलेय की विलेयता तापमान का फलन है। विघटन प्रतिक्रिया के तापीय धारिता (ΔH) में परिवर्तन के आधार पर, यानी, एंडोथर्मिक प्रक्रिया (ΔH > 0) या एक्ज़ोथिर्मिक प्रक्रिया (ΔH < 0) विघटन प्रतिक्रिया के लक्षण पर, किसी दिए गए यौगिक की विलेयता तापमान के साथ बढ़ या घट सकती है। वैन 'टी हॉफ समीकरण तापमान परिवर्तन और प्रतिक्रिया एन्थैल्पी परिवर्तन के लिए विलेयता साम्यावस्था स्थिरांक (केएसपी) के परिवर्तन से संबंधित है। अधिकांश ठोस और द्रव पदार्थों के लिए, तापमान के साथ उनकी विलेयता बढ़ जाती है क्योंकि उनकी विघटन अभिक्रिया एंडोथर्मिक (ΔH > 0) होती है। उच्च तापमान पर (जैसे कि महत्वपूर्ण तापमान के करीब), द्रव जल के गुणों और संरचना में परिवर्तन के कारण आयनिक विलेय की विलेयता कम हो जाती है; परावैद्युत स्थिरांक एक कम ध्रुवीय विलायक और जलयोजन ऊर्जा के परिवर्तन में विघटन अभिक्रिया के ΔG को प्रभावित करता है।

गैसीय विलेय तापमान के साथ अधिक जटिल व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, गैसें सामान्यतः जल में कम विलेय हो जाती हैं (उनके जलयोजन से संबंधित एक्ज़ोथिर्मिक विघटन अभिक्रिया) (न्यूनतम तक, जो अधिकांश स्थायी गैसों के लिए 120 डिग्री सेल्सियस से कम है), लेकिन कार्बनिक विलायक में अधिक विलेय होती है (उनके सॉल्वैंशन से संबंधित एंडोथर्मिक विघटन अभिक्रिया)।

चार्ट द्रव जल में कुछ विशिष्ट ठोस अकार्बनिक लवण के लिए विलेयता वक्र दिखाता है (तापमान डिग्री सेल्सीयस में है, यानी केल्विन माइनस 273.15)। कई लवण बेरियम नाइट्रेट और डाइसोडियम हाइड्रोजन आर्सेनेट की तरह व्यवहार करते हैं, और तापमान (ΔH > 0) के साथ विलेयता में बड़ी वृद्धि दिखाते हैं। कुछ विलेय (जैसे जल में सोडियम क्लोराइड) विलेयता प्रदर्शित करते हैं जो तापमान पर निर्भर नहीं करती (ΔH ≈ 0)। कुछ, जैसे कैल्शियम सल्फेट (जिप्सम) और सीरियम (III) सल्फेट, तापमान बढ़ने पर जल में कम विलेय हो जाते हैं (ΔH < 0)। यही स्थिति कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड (पोर्टलैंडर्स) की भी है, जिसकी 70 डिग्री सेल्सियस पर विलेयता 25 डिग्री सेल्सियस पर इसके मूल्य का लगभग आधा है। कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड का जल में विलेय भी एक एक्ज़ोथिर्मिक प्रक्रिया (ΔH < 0) है और वैन 'टी हॉफ़ समीकरण और ले चेटेलियर के सिद्धांत का पालन करता है। तापमान में कमी प्रणाली से विघटन ऊर्जा को हटाने के पक्ष में है और इस प्रकार Ca(OH)₂ के विघटन का पक्ष लेती है। इसलिए कम तापमान पर पोर्टलैंडाइट विलेयता बढ़ जाती है। इस तापमान निर्भरता को कभी-कभी "प्रतिगामी" या "प्रतिलोम" विलेयता कहा जाता है। कभी-कभी, एक अधिक जटिल पैटर्न देखा जाता है, जैसे कि सोडियम सल्फेट के साथ, जहां कम विलेय डिकाहाइड्रेट क्रिस्टल (मिराबिलिट) 32 डिग्री सेल्सियस पर क्रिस्टलीकरण के जल को खो देता है ताकि गिब्स मुक्त ऊर्जा में एक छोटे से बदलाव के साथ अधिक विलेय निर्जल अवस्था (थेनाडाइट) बन सके।

File:Temperature dependence solublity of solid in liquid water high temperature.svg

तापमान के साथ कार्बनिक यौगिकों की विलेयता लगभग हमेशा बढ़ जाती है। ठोस पदार्थों के शुद्धिकरण के लिए उपयोग की जाने वाली पुनर्क्रिस्टलीकरण की तकनीक गर्म और ठंडे विलायक में विलेय की विभिन्न विलेयताओं पर निर्भर करती है। कुछ अपवाद मौजूद हैं, जैसे कुछ साइक्लोडेक्सट्रिन।  

दबाव

संघनित अवस्थाओं (ठोस और द्रव पदार्थ) के लिए, विलेयता की दबाव निर्भरता सामान्यतः कमजोर होती है और सामान्यतः व्यवहार में उपेक्षित होती है। एक आदर्श विलयन मानते हुए, निर्भरता को इस प्रकार निर्धारित किया जा सकता है:

$\left({\frac {\partial \ln N_{i}}{\partial P}}\right)_{T}=-{\frac {V_{i,aq}-V_{i,cr}}{RT}}$

जहां सूचकांक $i$ घटकों को पुनरावृत्त करता है, $N_{i}$ $i$th विलयन का मोल प्रभाज है $P$ दबाव है, सूचकांक $T$ स्थिर तापमान को संदर्भित करता है, $V_{i,aq}$ $i$th विलयन का आंशिक मोलर आयतन है, $V_{i,cr}$ विलयन का आंशिक मोलर आयतन है, R सार्वत्रिक गैस नियतांक है।

विलेयता की दबाव निर्भरता का कभी-कभी व्यावहारिक महत्व होता है। उदाहरण के लिए, कैल्शियम सल्फेट (जो दबाव में कमी के साथ इसकी विलेयता को कम करता है) द्वारा तेल क्षेत्रों और कुओं के दूषित होने से समय के साथ उत्पादकता में कमी आ सकती है।

गैसों की विलेयता

विलायक में गैसों की विलेयता की मात्रा निर्धारित करने के लिए हेनरी के नियम का उपयोग किया जाता है। किसी विलायक में गैस की विलेयता विलायक के ऊपर उस गैस के आंशिक दबाव के समानुपाती हो�