उभयप्रतिरोधी विद्राव

(बफर). पाण्यात एखादे अम्ल मिसळले तर त्या विद्रावातील H+ आयनांची (आयन म्हणजे विद्युत् भारित अणू, रेणू वा अणुगट) संहती (एकक घनफळातील दिलेल्या पदार्थाच्या रेणूंची किंवा आयनांची संख्या) वाढते व क्षारक (अम्लाशी विक्रिया झाल्यास लवण देणारे संयुग) मिसळले तर ती कमी होते. ज्या विद्रावातील H+ किंवा O H- आयनांची संहंती, त्यामध्ये अम्ले किंवा क्षारके मिसळली तरीही, फारसा बदल न होता, कायम राहते त्या विद्रावाला उभयप्रतिरोधी विद्राव असे म्हणतात. अम्ले आणि क्षारके या उभयतांच्या क्रियेने स्वतःची H+ संहती बदलण्याच्या प्रवृत्तीला असा विद्राव प्रतिरोध करतो म्हणून त्याला उभयप्रतिरोधी विद्राव असे म्हणतात. असे विद्राव मुद्दाम तयार करावे लागतात. H+ किंवा OH- ह्यांच्या संहतीमध्ये फारसा बदल होणार नाही अशी स्थिती टिकविणे याला काही रासायनिक उद्योगांमध्ये व शरीरक्रियाविज्ञानामध्ये फार महत्व आहे.

प्रयोगशाळेमध्ये हे उभयप्रतिरोधी विद्राव, दुर्बल (H+ आयनांचे प्रमाण कमी असलेली) अम्ले व त्यांची लवणे किंवा दुर्बल (OH- आयनांचे प्रमाण कमी असलेली) क्षारके व त्यांची लवणे ह्यांचे विद्राव मिसळून तयार करता येतात.

स्थिर H+ संहती असलेले विद्राव, शुद्ध अम्ले किंवा क्षारके ह्यांचे पाण्यामध्ये विद्राव करून बनविणे कठीण आहे. कारण हवेतील कार्बन डाय-ऑक्साइडामुळे किंवा अम्लाचा एखादा थेंब जास्त पडल्यामुळे विद्रावाच्या H+ संहतीमध्ये बराच बदल होतो. उभयप्रतिरोधी विद्रावांच्या बाबतीत हा बदल होत नाही.

उभयप्रतिरोधी विद्राव तयार करण्याचे दोन हेतू असतात. H+ ची विशिष्ट संहती असलेला विद्राव तयार करणे अथवा एखाद्या विद्रावाची H+ संहती किती आहे हे ठरविणे. एखादे अम्ल व त्याचे लवण ह्यांच्या विद्रावांचे विशिष्ट प्रमाणात मिश्रण करून आपल्याला पाहिजे ती H+ संहती किंवा pH मूल्य [विद्रावाची अम्लता किंवा क्षारकीयता दर्शविणारे परिमाण, → पीएच मूल्य] मिळविता येते. दुर्बल अम्लाचे विगमन (रेणूंचे साध्या रेणूंमध्ये किंवा अणूंमध्ये तात्पुरते विभाजन होणे) पुष्कळच कमी असते व त्यामध्ये त्याच अम्लाचे लवण घातले, तर ते विगमन आणखीच कमी होते. उदाहरण म्हणून अ‍ॅसिटिक अम्लाचे विगमन घेऊ. ते पुढीलप्रमाणे होते : HAc ⇌ H+ + Ac- [Ac- = CH3COO-, अ‍ॅसिटेट आयन] ही संतुलित विगमन विक्रिया आहे.

सोडियम अ‍ॅसिटेट हे अ‍ॅसिटिक अम्लाचे लवण आहे. ह्या लवणाचे विगमन जवळजवळ पूर्ण होते. NaAc ⇌  Na+ + Ac- अ‍ॅसिटिक अम्लाच्या विद्रावामध्ये हे लवण मिसळले तर अम्लाच्या विगमनावर त्यातील Na+ आयनांचा परिणाम होत नाही. परंतु Ac- आयनांची संहती फार वाढल्याने त्याचा अ‍ॅसिटिक अम्लाच्या विगमनावर परिणाम होतो. म्हणजेच ही विगमन क्रिया पश्चगामी (उलट दिशेने) होते. त्यामुळे H+ संहती पुष्कळच घटते. दुर्बल अम्ले व त्यांची लवणे ह्यांच्या मिश्रणाची H+ संहती किंवा pH मूल्य किती असते हे पुढील समीकरणांवरून कळून येईल :

HAc ⇌ Na+ + Ac-

 

[ H+ ]  [ Ac- ]

Ka = --------------------- , (Ka =विगमन स्थिरांक)

[HAc]

Ka [ HAc ]

[H+] = ---------------------

[ Ac- ]

= Ka [अम्ल] / [ लवण ]  , , कारण लवणाचे विगमन पूर्ण झालेले असते.

आयन, अम्ल, लवण इत्यादींची ग्रॅम अणुभार संहती [ ] अशा कंसात लिहिण्याचा संकेत आहे. उदा., [H+] = हायड्रोजन आयनांची ग्रॅम अणुभार संहती. Ka = विगमन स्थिरांक किंवा अम्ल स्थिरांक, हा pKa या चिन्हानेही दर्शवितात. अम्लाच्या मूळ विगमनाचा स्थिरांक Ka तेवढाच राहतो; परंतु लवणाच्या मिश्रणामुळे दुर्बल अम्लाचे आणखीच घटलेले विगमन व लवणाचे जवळ जवळ पूर्ण झालेले विगमन लक्षात घेता, वरील समीकरणामध्ये अ‍ॅसिटेट आयनांची Ac- संहती [Ac-] लवणाच्या संहती एवढीच होते व त्याचप्रमाणे विगमन न झालेल्या अम्लाची संहती [HAc] मूळ अम्लाच्या संहती एवढी असते, असे स्थूलमानाने मानता येईल. वरील शेवटच्या समीकरणावरून अम्ल लवणाच्या मिश्रणाचे pH हे अम्लाच्या pKa वर लवणाची संहती व अम्लाची संहती ह्यांच्या गुणोत्तराच्या लॉगरिथमावर अवलंबून असते, हे स्पष्ट झाले आहे. या समीकरणात वर दिलेल्या परिस्थितीत [लवण] / [अम्ल] या राशीचे मूल्य एक होते म्हणून लॉगरिथमाचे मूल्य शून्य होते. त्यामुळे pH मूल्य सर्वस्वी pKa वर अवलंबून राहते. लवण अम्ल ह्यांच्या अशा मिश्रणाला उभयप्रतिरोधी विद्राव का म्हणतात किंवा त्याच्या हायड्रोजन आयन संहती [H+] अथवा pH मूल्य ह्यामध्ये बाहेरून अम्ल किंवा क्षारक घातले, तरी म्हणण्यासारखा फरक का पडत नाही, ह्याचे कारण पुढील उदाहरणावरून स्पष्ट होईल. सोडियम अ‍ॅसिटेट व अ‍ॅसिटिक अम्ल यांचे मिश्रण ह्या उभयप्रतिरोधी विद्रावामध्ये HCl किंवा तत्सम प्रबल अम्ल घातले, तर Na+ + Ac- + H+ + Cl- → Na+ + Cl- + HAc अशी विक्रिया होते. ह्या विक्रियेमध्ये हायड्रोक्लोरिक अम्लाऐवजी अ‍ॅसिटिक अम्ल तयार होते. त्याचे विगमन अत्यंत अल्प असते म्हणून H+ ची संहती फारशी वाढत नाही. त्याचप्रमाणे ह्या उभयप्रतिरोधी विद्रावामध्ये सोडियम हायड्रॉक्साइड सारखा प्रबल क्षारक घातला, तर HAc + Na+ + OH- ⇌ Na+ + AC- + HOH ही विक्रिया होते. ह्यामध्ये HAc ची संहती कमी होते हे खरे, परंतु अ‍ॅसिटिक अम्लाचे विगमन अल्प असल्यामुळे, मिश्रणातील H+ संहतीवर त्याचा म्हणण्यासारखा परिणाम होत नाही. अशा तऱ्हेने उभयप्रतिरोधी विद्राव आपली H+ संहती अथवा pH मूल्य जवळजवळ स्थिर राखू शकतात.

pH = pKa log [लवण]

--------------

[अम्ल]

ह्या समीकरणामध्ये लवण व अम्ल ह्या प्रत्येकाची संहती दुप्पट केली किंवा १/१० केली तरी त्याचे गुणोत्तर तेवढेच राहते. त्यामुळे त्या उभयप्रतिरोधी विद्रावात पाणी घातले तरी त्याच्या pH मूल्यामध्ये बदल होत नाही. अम्ले व क्षारके यांच्यामुळे उभयप्रतिरोधी विद्रावाच्या pH मूल्यावर परिणाम होतो, परंतु तो उपेक्षा करता येईल इतका कमी असल्यामुळे, उभयप्रतिरोधी विद्रावाची H+ संहती ही सामान्यपणे स्थिर राहते असे म्हणता येईल. ह्यावरच उभयप्रतिरोधी विद्रावांची उपयुक्तता आधारलेली आहे.

बाहेरून अम्ल किंवा क्षारक घातले तरी उभयप्रतिरोधी विद्रावाचे pH मूल्य स्थिर राहते, असे म्हणणे मर्यादित अर्थानेच बरोबर आहे. म्हणजेच pH न बदलण्याची क्षमता ही जास्तीत जास्त ठेवावयाची, तर [लवण] / [अम्ल] हे गुणोत्तर काही मर्यादेपर्यंत राखावे लागते. उभयप्रतिरोधी विद्रावाची जास्तीत जास्त क्षमता, लवण व अम्ल ह्यांची संहती एकच असते तेव्हा, म्हणजे [लवण] / [अम्ल] या गुणोत्तराचे मूल्य १ येते तेव्हा असते. अशावेळी pH = pKa + O असे समीकरण मिळते. ह्यावरून उभयप्रतिरोधी विद्रावाची जास्तीत जास्त क्षमता ही त्याचे pH मूल्य pKa बरोबर असते तेव्हा येते.

परंतु निरनिराळ्या pH चे उभयप्रतिरोधी विद्राव तयार करावयाचे तर जास्त क्षमतेचीही मर्यादा गैरसोयीची होते. म्हणून क्षमतेमध्ये विशेष घट होणार नाही इतपत उभयप्रतिरोधी विद्राव करावयाचे, तर [लवण] / [अम्ल] या गुणोत्तराचे मूल्य काही प्रमाणातच वाढवणे किंवा कमी करणे शक्य असते. उदा., हे मूल्य १ ते १० पर्यंत वाढवून किंवा १ ते १/१० एवढे कमी करून उभयप्रतिरोधी विद्रावाच्या क्षमतेमध्ये बदल होतो. परंतु हा बदल फार नसल्यामुळे उभयप्रतिरोधी विद्रावाची उपयोक्तता कायम राहते. हे गुणोत्तर १० होते तेव्हा log [लवण] / [अम्ल] ह्याचे मूल्य अधिक एक (+ १) एवढे होते व १/१० असेल, तेव्हा त्याचे मूल्य उणे एक (-१) एवढे होते. ह्यावरून pH = pKa + १ ह्या उभयप्रतिरोधी विद्रावाच्या मर्यादा ठरतात. कोणत्याही pH चे उभयप्रतिरोधी विद्राव तयार करावयाचे, तर pKaचे मूल्य अथवा Kaह्या स्थिरांकाचे मूल्य ह्याला फार मोठे महत्त्व आहे. सामान्यतः pH = १ ते pH = १२ ह्या मर्यादेमध्ये उभयप्रतिरोधी विद्राव तयार करता येतात. त्यासाठी निरनिराळ्या Ka मूल्यांची अम्ले व त्यांची लवणे वापरावी लागतात. खालील कोष्टकामध्ये सर्वसाधारण रूढ असलेल्या उभयप्रतिरोधी विद्रावांची मिश्रणे दिलेली आहेत. दुसऱ्या स्तंभामध्ये त्यांच्या उभयप्रतिरोधी क्षमतेच्या मर्यादा दिलेल्या आहेत.

काही उभयप्रतिरोधी विद्राव

घटक

pH मूल्यांची व्याप्ती

ग्लायसीन व ग्लायसीन हायड्रोक्लोराइड ------------१·० ते ३·७

थॅलिक अम्ल व पोटॅशियम अ‍ॅसिड थॅलेट -----------२·२ ते ३·८

अ‍ॅसिटिक अम्ल व सोडियम अ‍ॅसिटेट ---------------३·७ ते ५·६

डायसोडियम सायट्रेट व ट्रायसोडियम सायट्रेट-------५·० ते ६·३

मोनोसोडियम फॉस्फेट व डायसोडियम फॉस्फेट-----५·८ ते ८·०

बोरिक अम्ल व बोरॅक्स (टाकणखार)---------------६·८ ते ९·२

बोरक्स व सोडियम हायड्रॉक्साइड ------------------९·२ ते ११·०

डायसोडियम फॉस्फेट व ट्रायसोडियम फॉस्फेट-----११·० ते १२·०

या कोष्टकावरून कोणत्या pH मूल्यासाठी कोणते उभयप्रतिरोधी मिश्रण वापरावयाचे हे ठरविता येते. ठरविलेल्या मर्यादेमधील pH असलेले उभयप्रतिरोधी विद्राव तयार करताना [लवण] / [अम्ल] हे गुणोत्तर योग्य प्रमाणात वाढवून किंवा कमी करून घ्यावे लागते. प्रत्येक उभयप्रतिरोधी विद्रावाची व्याप्ती सु. दोन एकक असते हे कोष्टकावरून दिसून येईल. परंतु दोन किंवा अधिक उभय प्रतिरोधी विद्राव एकत्रित केल्यास मिश्रणाची व्याप्ती त्यांच्या एकत्रित व्याप्तीइतकी होईल. मात्र मिसळावयाच्या उभयप्रतिरोधी विद्रावांची परस्परांशी रासायनिक विक्रिया होत असता कामा नये.

अज्ञात H+ संहती असलेल्या विद्रावाची H+ संहती किंवा pH मूल्य शोधून काढण्यासाठी उभयप्रतिरोधी विद्रावाचा उपयोग होतो. प्रथमतः बहुव्याप्ती असलेल्या (pH मूल्याची व्याप्ती विस्तृत प्रमाणावर शोधून काढणाऱ्या) दर्शकाचे (ज्या पदार्थांचा रंग, तो ज्या विद्रावात टाकलेला आहे त्याच्या अम्लतेवर किंवा क्षारकीयतेवर अवलंबून असतो अशा पदार्थाचे) काही थेंब त्या विद्रावात घालतात. त्या दर्शकाला आलेल्या रंगावरून अज्ञात विद्रावाचे स्थूल pH मूल्य शोधून काढतात. सामान्यतः pH मूल्याच्या दोन एकक एवढ्या फरकाने बहुव्याप्ती दर्शकाच्या रंगामध्ये बदल होतो. हा दर्शक अज्ञात विद्रावाचे pH २ ते ४, ४ ते ६, ६ ते ८ इ. असे स्थूलमानाने दाखवितो. ह्यापुढे जाऊन निश्चित pH मूल्य ठरविण्यासाठी त्या मर्यादा असलेल्या उभयप्रतिरोधी विद्रावाचा उपयोग करतात. ह्यासाठी pH मूल्य १/१० किंवा १/१०० एकक एवढा सूक्ष्म फरक असलेले उभयप्रतिरोधी विद्राव तयार करावे लागतात. [लवण] / [अम्ल] या गुणोत्तरामध्ये थोडा थोडा बदल करून हे साध्य होते. अशा तऱ्हेने थोडा थोडा pH बदल असलेले उभयप्रतिरोधी विद्राव प्रयोगशाळेमध्ये तयार करतात व ते ठराविक आकाराच्या नलिकांमध्ये भरून, त्यांत त्या मर्यादेमध्ये जास्तीत जास्त कार्यक्षम असणाऱ्या एखाद्या दर्शक विद्रावाचे ठराविक थेंब घालतात. दर्शकाच्या विशिष्ट गुणानुरूप प्रत्येक उभयप्रतिरोधी विद्रावामध्ये दर्शकाची रंगछटा अगदी सूक्ष्मपणे बदलते. नंतर तोच दर्शक विद्राव तेवढ्याच प्रमाणात अज्ञात H+ संहती किंवा pH मूल्य असलेल्या विद्रावात टाकतात. ह्या अज्ञात विद्रावामध्ये तयार झालेली दर्शकाच्या रंगाची विशिष्ट छटा ही कोणत्या उभयप्रतिरोधी विद्रावातील रंगछटेशी मिळतीजुळती आहे हे बारकाईने पाहून, अज्ञात विद्रावाची H+ संहती किंवा pH मूल्य निश्चित करतात.

ह्याशिवाय उभयप्रतिरोधी विद्रावाचा प्रयोग शाळेमध्ये व काही उद्योगधंद्यांमध्ये उपयोग होतो. जीव रसायनशास्त्रामध्ये उभयप्रतिरोधी विद्रावाचे विशेष महत्त्व आहे. प्रायोगिक रसायनशास्त्रामध्ये निरनिराळी रासायनिक द्रव्ये एकत्र असली, तर ती एकमेकांपासून अलग करण्यासाठी जी पद्धती वापरली जाते, त्यामध्ये विद्रावाची H+ संहती किंवा pH मूल्य ह्याला महत्त्व आहे. शिसे, पारा, तांबे वगैरे धातूंची सल्फाइडे ही pH ०·४ ते ०·६ एवढ्या H+ संहतीमध्ये विद्राव्य (विरघळणारी) नाहीत. परंतु जस्त, कोबाल्ट वगैरे धातूंची सल्फाइडे मात्र विद्राव्य आहेत. याचा फायदा त्यांच्या अलगीकरणामध्ये होतो. त्याचप्रमाणे NH4Cl + NH4OH ह्या उभयप्रतिरोधी विद्रावात अ‍ॅल्युमिनियम, क्रोमियम व लोह ह्यांची हायड्रॉक्साइडे अवक्षेपित होतात (साका खाली बसतो). परंतु जस्त, कोबाल्ट किंवा कॅल्शियम व मॅग्नेशियम ह्यांची हायड्रॉक्साइडे अवक्षेपित होत नाहीत. असेच तंत्र वापरून बऱ्याच धातूंची लवणे एकमेकांपासून अलग करता येतात. विद्युत् विलेपन पद्धतीप्रमाणे निकेल धातूचा मुलामा द्यावयाच्या विद्रावाला विशिष्ट pH मूल्य लागते. तेवढे नसेल तर निकेलाचा मुलामा समाधानकारक होत नाही. साखरेचे चांगले व टिकाऊ स्फटिक मिळविण्यासाठी पाकाचे pH मूल्य ७ एवढे ठेवावे लागते.

जीवरसायनशास्त्रीय विक्रियांसाठी pH मूल्य स्थिर राखणे फार महत्त्वाचे असते. किण्वनाने (सूक्ष्मजीवांच्या किंवा नायट्रोजनयुक्त जटिल कार्बनी संयुगांच्या द्वारे होणाऱ्या विघटन क्रियेने) यीस्ट तयार होत असताना किंवा सायट्रिक अम्ल व लॅक्टिक अम्ल ह्याच्या निर्मितीसाठी किण्वन होत असलेल्या द्रव्यामध्ये H+ संहती साधारण स्थिर राखावी लागते. त्यामध्ये विशेष बदल झाला, तर सूक्ष्मजीवांचे कार्य होतच नाही किंवा कमी कार्यक्षमतेने कसेबसे होत असते. म्हणून H+ संहती साधारणपणे स्थिर ठेवण्याच्या दृष्टीने योग्य असे घटक निवडावे लागतात. उदा., यीस्टची मोठ्या प्रमाणावर निर्मिती करावयाची असली, तर कच्च्या द्रव्याचे pH मूल्य ४ ते ५·५ एवढे ठेवावे लागते. सायट्रिक अम्लाची निर्मिती योग्य प्रकारे होण्यासाठी लागणाऱ्या द्रव्यांचे pH मूल्य ५ ते ५·८ ह्या मर्यादेत ठेवावे लागते.

शरीरक्रियाविज्ञानाच्या दृष्टीने शारीरिक द्रवाचे pH मूल्य साधारण उदासीन बिंदूच्या म्हणजे pH मूल्य ७ च्या जवळपास (pH ५ ते pH ८ ह्यांच्या दरम्यान) असते. रक्ताचे pH मूल्य ७·१५ ते ७·४५ स्थिर राखण्याचे कार्य हीमोग्लोबिन (रक्तातील तांबड्या पेशीतील रंगद्रव्य) उभयप्रतिरोधी विद्राव करतात. लाळेचे pH मूल्य ६·३५ ते ६·८५ एवढे असते. मूत्राचे pH मूल्य मात्र आहारावर थोड्या प्रमाणात अवलंबून असते. काही शारीरिक विकृतींमध्ये मूत्राचे pH मूल्य बदलते. त्यातील H+ संहतीच्या मर्यादा pH मूल्य ४·८ ते ७·५ एवढ्या आहेत.

संदर्भ: Glasstone, S. Textbook of Physical Chemistry, London, 1964.

लेखक : प.म.बर्वे

स्त्रोत : मराठी विश्वकोश