11. Sınıf Asit-Baz Dengesi — Konu Anlatımı

Aynı Derişim, Farklı pH

Laboratuvarda iki şişe var, ikisinin etiketinde de 0,1 M yazıyor. pH metre birinde 1,0, ötekinde 2,9 gösteriyor. Birincisi hidroklorik asit, ikincisi sirkenin asidi olan asetik asit.

1,9 birimlik fark küçük görünmesin: pH logaritmik olduğu için hidronyum derişiminde yaklaşık $10^{1{,}9} \approx 80$ kat fark demektir. Soru şu: aynı sayıda asit molekülü suya atıldıysa, neden birinde 80 kat fazla $\mathrm{H_3O^+}$ var?

Cevap bir dengede saklı. $\mathrm{HCl}$ suda neredeyse tümüyle iyonlaşır; asetik asit ise moleküllerinin çok küçük bir kısmını iyonlaştırıp dengede kalır.

Proton Alışverişi: Eşlenik Çiftler

Arrhenius tanımı yalnız sulu çözeltide işe yarar ve amonyağın neden bazik olduğunu açıklamakta zorlanır: $\mathrm{NH_3}$'ün yapısında $\mathrm{OH^-}$ yoktur. Brønsted-Lowry tanımı soruyu değiştirir: proton veren asit, proton alan bazdır.

$\mathrm{NH_3(suda)} + \mathrm{H_2O(s)} \rightleftharpoons \mathrm{NH_4^+(suda)} + \mathrm{OH^-(suda)}$

Burada su proton verir, yani asittir. Öte yandan su, $\mathrm{HCl}$ ile tepkimede proton alır ve baz olur. İki rolü de üstlenebilen maddelere amfoter denir.

Proton veren her asit geriye bir baz bırakır: $\mathrm{CH_3COOH}$'in eşlenik bazı $\mathrm{CH_3COO^-}$, $\mathrm{NH_4^+}$'nın eşlenik bazı $\mathrm{NH_3}$'tür. Kural: asit ne kadar kuvvetliyse eşlenik bazı o kadar zayıftır. $\mathrm{Cl^-}$ suda proton toplamaz; $\mathrm{CH_3COO^-}$ toplar.

Lewis tanımı bir adım daha genişler: elektron çifti alan asit, veren bazdır. $\mathrm{BF_3} + \mathrm{NH_3} \rightarrow \mathrm{F_3B{-}NH_3}$ tepkimesinde hiç proton yer değiştirmez ama $\mathrm{BF_3}$ asit gibi davranır.

Asitlik Sabiti ve Zayıf Asitte pH

Zayıf asidin iyonlaşması bir denge tepkimesidir; denge sabitine asitlik sabiti denir:

$\mathrm{HA} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{H_3O^+} + \mathrm{A^-} \qquad K_a = \dfrac{[\mathrm{H_3O^+}][\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]}$

Su ifadeye yazılmaz, çünkü saf sıvıdır. Asetik asit için 25 °C'de $K_a = 1{,}8 \times 10^{-5}$.

Çözümlü örnek: 0,1 M asetik asidin pH'ı kaçtır? İyonlaşan miktara $x$ diyelim. Asit zayıf olduğu için $0{,}1 - x \approx 0{,}1$ alınabilir:

$\dfrac{x^2}{0{,}1} = 1{,}8 \times 10^{-5} \Rightarrow x^2 = 1{,}8 \times 10^{-6} \Rightarrow x \approx 1{,}34 \times 10^{-3} \text{ M}$

$\mathrm{pH} = -\log(1{,}34 \times 10^{-3}) = 3 - 0{,}13 \approx 2{,}87$

Şişedeki 2,9 buradan geliyor. İyonlaşma yüzdesi ise $\dfrac{1{,}34 \times 10^{-3}}{0{,}1} \times 100 \approx \%1{,}3$. Yüz asetik asit molekülünden yalnız biri proton vermiş.

Yaklaşım hakkı nereden geliyor? $x$, 0,1'in yüzde 5'inden küçük kaldığı için ihmal edilebilir. Çok seyreltik ya da $K_a$'sı büyük asitlerde bu kontrol yapılmadan kısaltma kullanılmaz.

Tabloda Ka Karşılaştırmak

Büyük $K_a$ daha çok iyonlaşma, daha çok $\mathrm{H_3O^+}$, daha küçük pH demektir. Ters yönden bakınca: $\mathrm{HCN}$ en zayıf asit olduğu için $\mathrm{CN^-}$ bu üçlünün en kuvvetli eşlenik bazıdır.

Eşlenik çiftte iki sabit birbirine bağlıdır: $K_a \cdot K_b = K_{su} = 10^{-14}$. Asetat için $K_b = \dfrac{10^{-14}}{1{,}8 \times 10^{-5}} \approx 5{,}6 \times 10^{-10}$.

Zayıf bazda hesap aynı kalıpla, yalnız son adımda bir dönüşle yürür. 0,1 M amonyak için $K_b = 1{,}8 \times 10^{-5}$ ise $[\mathrm{OH^-}] \approx \sqrt{1{,}8 \times 10^{-6}} \approx 1{,}34 \times 10^{-3}$ M, $\mathrm{pOH} \approx 2{,}87$ ve $\mathrm{pH} = 14 - 2{,}87 = 11{,}13$. Rakamların asetik asitle aynı çıkması tesadüf; iki sabit 25 °C'de eşittir. Öğrencilerin çoğu burada pOH'u bulup pH diye işaretler; son çıkarma adımı puanı getiren adımdır.

Tuzun Asitliği ve Tampon

Sodyum asetat ($\mathrm{CH_3COONa}$) suda çözününce ne olur? $\mathrm{Na^+}$ seyirci kalır; asetat iyonu sudan proton koparır:

$\mathrm{CH_3COO^-} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{CH_3COOH} + \mathrm{OH^-}$

Ortamda $\mathrm{OH^-}$ artar, çözelti baziktir. Benzer mantıkla $\mathrm{NH_4Cl}$ asidik, $\mathrm{NaCl}$ nötr tepki verir. Kısa kural: tuzun hangi "ebeveyni" kuvvetliyse çözelti onun karakterini taşır.

Zayıf asit ile eşlenik bazı aynı kapta bulunursa tampon oluşur. Asit eklenince $\mathrm{CH_3COO^-}$ fazla protonu yakalar, baz eklenince $\mathrm{CH_3COOH}$ proton verir. Çözeltinin pH değeri değişmez değil, çok az değişir. Kanda bu işi karbonik asit ile bikarbonat çifti yapar:

$\mathrm{H_2CO_3} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-}$

Ağır egzersizde kaslardan asit gelse bile kan pH'ı 7,35-7,45 aralığından pek çıkmaz. Titrasyon ve nötralleşme hesapları ayrı bir anlatımda: "pH Hesaplamaları, Nötralleşme ve Titrasyon".

Yanılgılar ve Sınav Notu

Sık yapılan hata 1: Kuvvet ile derişimi aynı sanmak. 1 M asetik asidin pH'ı yaklaşık 2,4; 0,001 M $\mathrm{HCl}$'nin pH'ı 3. Derişik zayıf asit, seyreltik kuvvetli asitten daha asidik çıkabilir.

Sık yapılan hata 2: Seyreltince iyonlaşma yüzdesinin sabit kaldığını düşünmek. Seyreltmek dengeyi iyon tarafına iter: 0,1 M asetik asitte yüzde 1,3 olan iyonlaşma, 0,001 M'de yaklaşık yüzde 12,5'e çıkar (burada $x$ artık ihmal edilemez, tam denklem çözülür). Çözeltinin pH değeri yine de artar, çünkü toplam asit azalmıştır.

Sık yapılan hata 3: Her tuzun nötr olduğunu varsaymak. Asetat ve amonyum gibi zayıf ebeveynden gelen iyonlar suyla tepkimeye girer.

AYT notu: Soruda "iyonlaşma yüzdesi" geçiyorsa $\dfrac{[\mathrm{H_3O^+}]}{C_{\text{asit}}} \times 100$ yazın; 0,1 M ve $[\mathrm{H^+}] = 1{,}3 \times 10^{-3}$ verilmişse cevap yüzde 1,3'tür. Şıkta yüzde 13 varsa, derişimi 0,01 sanan öğrenci için konmuştur.

Sık sorulanlar