ఆమ్లాలు - క్షారాలు

          రసాయన శాస్త్రంలో అధ్యయనం చేసే పదార్థాలను ఆమ్లాలు, క్షారాలుగా వర్గీకరించవచ్చు. ఆమ్లాలు అలోహ మూలకాల నుంచి, క్షారాలు లోహ మూలకాల నుంచి తయారవుతాయి. ఆమ్లం, క్షారం చర్యనొందినప్పుడు లవణాలు ఏర్పడతాయి. అర్హీనియస్, బ్రాన్‌స్టెడ్, లౌరి, లూయీ లాంటి శాస్త్రవేత్తలు ఆమ్లాలు, క్షారాల ధర్మాలను వివరించడానికి తమ సిద్ధాంతాలను ప్రతిపాదించారు. ప్రతి ఒక్కరి సిద్ధాంతంలోను లోపాలు ఉన్నప్పటికీ అవి అనేక అంశాల్లో ఆమ్ల, క్షార ధర్మాలను చక్కగా వివరించగలిగాయి.
 

ఆమ్లాల ధర్మాలు: రాబర్ట్ బాయిల్ అనే శాస్త్రవేత్త ఆమ్లాల ధర్మాలను మొదట ప్రతిపాదించాడు.
1) ఆమ్లాలు రుచికి పుల్లగా ఉంటాయి.
2) ఇవి నీలి లిట్మస్‌ను ఎర్రగా మారుస్తాయి.
3) సజల ఆమ్లాలు లోహాలతో చర్య జరిపి H₂ వాయువును వెలువరిస్తాయి.
4) ఇవి లోహ కార్బొనేట్‌లతో చర్య జరిపి CO₂ వాయువును వెలువరిస్తాయి.
జీవితంలో మనం వాడే నిమ్మరసం, చింతపండురసం, ఉసిరికాయ, వెనిగర్‌లు ఆమ్లాలను కలిగి ఉంటాయి. నిమ్మరసంలో సిట్రిక్ ఆమ్లం, చింతపండులో టార్టారిక్ ఉసిరికాయల్లో ఆస్కార్బిక్ ఆమ్లం, వెనిగర్‌లో ఎసిటిక్ ఆమ్లం ముఖ్యంగా ఉంటాయి. ఇవన్నీ రుచికి పుల్లగా ఉంటాయి. చీమకుట్టినప్పుడు మన శరీరంలోకి ఫార్మిక్ ఆమ్లం ప్రవేశిస్తుంది. రసాయనశాలలో కింది ఆమ్లాలను ఉపయోగిస్తాం.

రసాయనశాలలో కింది ఆమ్లాలను ఉపయోగిస్తాం.
   హైడ్రోక్లోరిక్ ఆమ్లం         HCl
   సల్ఫ్యూరిక్ ఆమ్లం         H₂SO₄
   నైట్రిక్ ఆమ్లం              HNO₃
   ఫాస్ఫారిక్ఆమ్లం           H₃PO₄
   ఎసిటిక్ఆమ్లంది            CH₃COOH
   ఆగ్జాలిక్ఆమ్లం             H₂C₂O₄2H₂

ఆమ్లాలను తయారు చేయడం: అలోహ ఆక్సైడ్‌లకు ఆమ్ల ధర్మం ఉంటుంది. వీటిని నీటిలో కరిగించినప్పుడు సంబంధిత ఆమ్లాలు ఏర్పడతాయి (పట్టిక - చూడండి).

        మనం ఉపయోగించే హైడ్రోక్లోరిక్, సల్ఫ్యూరిక్, పాస్ఫారిక్ ఆమ్లాలను గుర్తించడం కొంచెం కష్టమవుతుంది. భౌతికధర్మాలు తెలిసి ఉంటే వీటిని తేలికగా గుర్తించవచ్చు. ఈ మూడు ఆమ్లాలు ద్రవ స్థితిలోనే ఉంటాయి. కానీ సల్ఫ్యూరిక్ ఆమ్లం మాత్రం చిక్కని నూనె లాంటి ద్రవం. వీటిలో సల్ఫ్యూరిక్ ఆమ్లానికి మాత్రం వాసన ఉండదు. మిగిలిన రెండింటికి ఘాటైన వాసన ఉంటుంది. ఈ ఆమ్లాలు స్వచ్ఛమైన స్థితిలో రంగులేని ద్రవాలు. కానీ నైట్రిక్ ఆమ్లం మాత్రం NO₂ మలినాలు ఉండటం వల్ల పసుపురంగు కలిగి ఉంటుంది.
 

రసాయన ధర్మాలు: * సజల ఆమ్లాలు లోహలతో చర్య జరిపినప్పుడు హైడ్రోజన్ వాయువు వెలువడుతుంది.
                         Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ ↑
                         Mg + H₂SO₄ →  MgSO₄ + H₂ ↑
* ఆమ్లాలు లోహఆక్సైడ్‌లతో చర్య జరిపినప్పుడు లవణాలను ఏర్పరుస్తాయి. 
                         CuO + 2HCl →  CuCl₂ + H₂O
                         ZnO + 2HNO₃→  Zn(NO₃)₂ + H₂O 
* ఆమ్లాలు లోహ కార్బొనేట్‌లతోను, లోహ బైకార్బోనేట్‌లతో చర్య జరిపినప్పుడు CO₂ వాయువు వెలువడుతుంది. 
                          Na₂CO₃ + 2HCl →  2Nacl + CO₂ + H₂O 
                          NaHCO₃ + HCl →  NaCl + CO₂ + H₂O

4) ఆమ్లాలు క్షారాలతో చర్య జరిపినప్పుడు లవణం, నీరు ఏర్పడతాయి. 
                           HCl + NaOH _→ NaCl + H₂O 
                           CH₃COOH + KOH _→ CH₃COOK + H₂O
 

క్షారాల ధర్మాలు: వీటి ధర్మాలను మొదట రౌలే అనే శాస్త్రవేత్త ప్రతిపాదించాడు. 
* క్షారాలు రుచికి చేదుగా ఉంటాయి. 
* ఇవి ఎర్రలిట్మస్‌ను నీలిరంగుకు మారుస్తాయి. 
* వీటికి తాకితే జారిపోయే స్వభావం ఉంటుంది. 
* ఇవి నారింజ రంగుగల మిథైల్ ఆరంజి సూచికను పసుపు రంగుకు మారుస్తాయి. 
* వీటిని అమ్మోనియం లవణాలతో వేడిచేసినప్పుడు అమ్మోనియా వాయువు వెలువడుతుంది. నిత్యజీవితంలో వాడే దుస్తులసోడా ద్రావణం, సున్నపు నీరు, బూడిదనీరు క్షారాలకు ఉదాహరణలు.
రసాయనశాలలో కింది క్షారాలను ఉపయోగిస్తుంటాం. 
* సోడియం హైడ్రాక్సైడ్ (NaOH).  దీనిని దాహక సోడా లేదా కాస్టిక్ సోడా అంటారు.
* పొటాషియం హైడ్రాక్సైడ్ (KOH) దీనిని కాస్టిక్ పొటాష్ అని పిలుస్తారు 
* అమ్మోనియం హైడ్రాక్సైడ్ (NH₄OH) 
* కాల్షియం హైడ్రైడ్ Ca(OH)₂. దీనిని తడి సున్నం అంటారు.
క్షారాలను తయారుచేయడం: లోహ ఆక్సైడ్‌లకు క్షారస్వభావం ఉంటుంది. వీటిని నీటిలో కరిగించినప్పుడు సంబంధిత క్షారాలు ఏర్పడతాయి (పట్టిక చూడండి).

రసాయన ధర్మాలు: 
* క్షారాలను వేడిచేసినప్పుడు లోహ ఆక్సైడ్‌లను ఏర్పరుస్తాయి.
                                   Cu(OH)₂ →  CaO + H₂O 
                                   2Fe(OH)₃ →  Fe₂CO₃ + 3H₂O 

* క్షారాలు ఆమ్లాలతో చర్యజరిపి లవణం, నీరు ఏర్పరుస్తాయి.
                                   Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O 
                                   2KOH + H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2H₂O
ఆమ్లాలు, క్షారాల ధర్మాలను వివరించడానికి మూడు ముఖ్యమైన కింది సిద్ధాంతాలు ప్రతిపాదించారు.

అర్హీనియస్ సిద్ధాంతం: ఈ సిద్ధాంతం జల ద్రావణంలో పదార్థం ఆమ్ల, క్షార స్వభావాన్ని వివరిస్తుంది. దీని ప్రకారం
* జలద్రావణంలో H⁺ అయాన్‌లను ఏర్పరిచే పదార్థాన్ని ఆమ్లం అంటారు.  ఉదా:  HCl, CH₃COOH. 
* జల ద్రావణంలో OH^- అయాన్‌లను ఏర్పరిచే పదార్థాన్ని క్షారం అంటారు.  ఉదా:  NaOH, KOH మొదలైనవి. 
* తటస్థీకరణం అంటే ఆమ్లంలోని H⁺ అయాన్‌లు క్షారంలోని OH^- అయాన్‌లతో జల ద్రావణంతో చర్యనొంది నీరు ఏర్పడటం.  ఆమ్లం (H⁺) + క్షారం (OH^-) → H₂O (నీరు)
* బలమైన ఆమ్లం నీటిలో ఎక్కువ H⁺ అయాన్‌లను, బలమైన క్షారం నీటిలో ఎక్కువ OH^- అయాన్‌లను  ఏర్పరుస్తుంది.

లోపాలు: * ఈ సిద్ధాంతం CO₂, SO₂ల ఆమ్ల స్వభావాన్ని వివరించలేదు  (వీటిలో హైడ్రోజన్ అయాన్ H⁺ లేదు కాని ఇవి ఆమ్లాలే) 
* ఇది CaO, NH₃ లాంటి పదార్థాల క్షారధర్మాన్ని వివరించలేదు. (వీటిలో హైడ్రాక్సైడ్ అయాన్ OH^- లేదు).
* ఇది కొన్ని రకాల తటస్థీకరణాలను వివరించలేదు.  ఉదా:  HCl + NH₃ → NH₄Cl

II) బ్రాన్‌స్టెడ్ - లౌరి సిద్ధాంతం: ఇది అర్హీనియస్ సిద్ధాంతం కంటే మేలైంది. దీని ప్రకారం- 
* ప్రోటాన్‌ను దానం చేసే స్వభావం ఉన్న పదార్థాన్ని ఆమ్లం అంటారు. ఉదా: HCl, HNO₃ మొదలైనవి. 
* ప్రొటాన్‌ను స్వీకరించే స్వభావం ఉన్న పదార్థాన్ని క్షారం అంటారు. ఉదా: NH₃, Cl - మొదలైనవి. 
* ఆమ్లం నుంచి ప్రోటాన్ క్షారానికి బదిలీ జరగడాన్ని తటస్థీకరణం అంటారు. 
* బలమైన ఆమ్లానికి ప్రోటాన్‌ను దానంచేసే స్వభావం ఎక్కువగా ఉంటుంది. బలమైన క్షారానికి ప్రోటాన్‌ను స్వీకరించే స్వభావం ఎక్కువగా ఉంటుంది.
 

లోపాలు: * ఈ సిద్ధాంతం AlCl₃, BCl₃ లాంటి పదార్థాల ఆమ్లస్వభావాన్ని వివరించలేదు.
* ఇది విడిగా పదార్థం ఆమ్ల లేదా క్షార స్వభావాన్ని వివరించలేదు
 

III) లూయీ సిద్ధాంతం: దీనిని ఎలక్ట్రాన్ జంట సిద్ధాంతం అంటారు. దీని ప్రకారం 
* ఆమ్లం అంటే అది సంయోజనీయ బంధం ఏర్పడేటప్పుడు ఎలక్ట్రాన్ జంట స్వీకర్త. ఉదా: BCl₃, AlCl₃ లాంటివి. 
* క్షారం అంటే అది సమన్వయ సంయోజనీయ బంధం ఏర్పడేటప్పుడు ఎలక్ట్రాన్ జంట దాత. ఉదా: H₂O, NH₃ లాంటివి.
3) తటస్థీకరణం అంటే రెండు పదార్థాల మధ్య సమన్వయ సంయోజనీయ బంధం ఏర్పడటం.
 

లోపాలు: 1) ఈ సిద్ధాంతం ఆమ్లాలు, క్షారాల తారతమ్య బలాలను వివరించలేదు.
2) ఇది H⁺ అయాన్ ఉత్ప్రేరక స్వభావాన్ని వివరించలేదు.
నీటి అయానీకరణం: నీరు అధమ విద్యుత్‌వాహకం. ఇది చాలా స్వల్పంగా కిందివిధంగా అయనీకరణం చెందుతుంది.    H₂O  ⇒  H⁺ + OH^-
ఈ విధంగా అయానీకరణం చెందినప్పుడు నీటి అణువులకు ఏర్పడిన అయాన్‌లకు మధ్య సమతాస్థితి ఉంటుంది. 25^oC నది వద్ద శుద్ధ జలంలో H⁺ అయాన్‌ల గాఢత 1.0 × 10^-7 మోల్స్/ లీటరు, OH^- అయాన్‌ల గాఢత
1.0 × 10^-7 మోల్స్/ లీటరు ఉంటుంది. ఉష్ణోగ్రత పెరిగే కొద్దీ నీటి అయనీకరణం పెరుగుతుంది.

నీటి అయానిక లబ్ధం: ఒకమోల్ నీటిలో ఉన్నH⁺, OH^- అయాన్‌ల గాఢతల లబ్ధాన్ని నీటి అయానిక లబ్ధం అంటారు. దీనిని Kw అని సూచిస్తారు.  Kw  =  (H⁺) × (OH^-).   ఇక్కడ పలకల బ్రాకెట్లు గాఢతను సూచిస్తాయి.
25ºC వద్ద శుద్ధజలానికి నీటి అయానిక లబ్ధం విలువ 1.0 × 10^-14 మోల్స్²/ లీటర్² ఉంటుంది. H⁺ అయాన్‌ల గాఢత ఆధారంగా ద్రావణాలను మూడు రకాలుగా వర్గీకరించవచ్చు.
1) ఆమ్ల ద్రావణాలు: వీటిలో H⁺ అయాన్ గాఢత 10^-7 మో/లీ కంటే ఎక్కువగా, OH^- అయాన్ గాఢత 10^-7 /లీ కంటే తక్కువగా ఉంటుంది.
2) క్షార ద్రావణాలు: వీటిలో OH^- అయాన్ గాఢత 10^-7 మో/లీ కంటే ఎక్కువగా, H⁺ అయాన్ గాఢత 10^-7 మో/లీ కంటే తక్కువగా ఉంటుంది.
3) నీరు లాంటి తటస్థ ద్రావణంలో H⁺ అయాన్ గాఢత 10^-7 మో/లీ, OH^- అయాన్ గాఢత 10^-7 మో/లీ ఉంటుంది. 
 

pH మానం: ప్రయోగశాలల్లో సాధారణంగా తక్కువ గాఢతలున్న ఆమ్లాలు లేదా క్షారాలు ఉపయోగిస్తారు. ఈ గాఢతలను తెలిపేందుకు pH మానాన్ని ప్రతిపాదించారు. దీన్ని ఎస్.పి. సోరెన్‌సేన్ అనే శాస్త్రవేత్త ప్రతిపాదించాడు. pH అంటే ఒక ద్రావణంలోని H⁺ అయాన్ గాఢత రుణ సంవర్గమానం. pH = - log₁₀(H⁺) ద్రావణాల pH విలువలు 1 నుంచి 14 మధ్య అమరి ఉంటాయి. ఆమ్ల ద్రావణాలకు pH విలువ 7 కంటే తక్కువగా, క్షార ద్రావాణాలకు 7 కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది. నీరు లాంటి తటస్థ ద్రావణం pH విలువ 7 ఉంటుంది. నీటికి స్వల్పంగా ఆమ్లం కలిపితే ఆ ద్రావణం pH విలువ 7 కంటే తక్కువ ఉంటుంది. నీటికి స్వల్పంగా క్షారం కలిపితే ఆ ద్రావణం pH విలువ 7 కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది (పట్టిక చూడండి).

సమస్య: 0.01 M HNO₃ ద్రావణం pH విలువను లెక్కించండి.
సమాధానం: HNO₃  →  H+  + NO₃ 
           0.01        0.01   0.01
ఈ ద్రావణంలో H⁺ అయాన్ గాఢత = 0.01 = 10^-2 మోల్స్ / లీటరు.  
    ∴ pH =  -log (H⁺)  =  - log(10^-2)  =  - (-2) log 10
                                          =  2. log 10 = 2.
తటస్థీకరణం: ఆమ్లం క్షారంతో కలిసి జలద్రావణంలో నీరు ఏర్పడే చర్యను తటస్థీకరణం అంటారు. ఒక లవణం ఏర్పడాలంటే తప్పనిసరిగా ఒక ఆమ్లం, క్షారం కలవాలి. తటస్థీకరణ చర్య ఎప్పుడూ ఉష్ణమోచక చర్యే. బలమైన ఆమ్లం బలమైన క్షారంతో చర్య జరిపినప్పుడు అత్యధిక ప్రమాణంలో ఉష్ణం విడుదలవుతుంది. బలహీన ఆమ్లం బలహీన క్షారంతో చర్య జరిపినప్పుడు వెలువడే ఉష్ణం విలువ తక్కువగా ఉంటుంది.

తటస్థీకరణోష్ణం: ఒక మోల్ ఆమ్లం ఒక మోల్ క్షారంతో చర్య జరిపి లవణం, నీరు ఏర్పడేటప్పుడు వెలువడే ఉష్ణాన్ని తటస్థీకరణోష్ణం అంటారు. ఒక మోల్ బలహైన ఆమ్లం, ఒకమోల్ బలమైన క్షారంతో చర్య జరిపి తటస్థీకరణం జరిపినప్పుడు 13.7 కిలో కేలరీల ఉష్ణం వెలువడుతుంది.
                            HCl + NaOH → NaCl + H₂O + 13.7 కి.కేలరీలు/ మోల్.
అర్హీనియస్ సిద్ధాంతం ప్రకారం ఒక మోల్ ఆమ్లంలోని H⁺ అయాన్‌లు ఒక మోల్ క్షారంలోని OH^- అయాన్‌లతో చర్య జరిపి నీరు ఏర్పడేటప్పుడు విడుదలయ్యే ఉష్ణాన్ని తటస్థీకరణోష్ణం అంటారు.