Sulu çözeltilerde gerçekleşen asit-baz tepkimeleri, iyonlaşma dengeleri ve çözeltinin asitlik/bazlık derecesi, kimyasal dengenin doğrudan sulu ortama uyarlanmış hâlidir.

1. Brønsted-Lowry Asit-Baz Tanımı ve Eşlenik (Konjuge) Çiftler

• Brønsted-Lowry Asidi: Sulu çözeltiye proton ($\text{H}^+$ iyonu) veren maddedir.

• Brønsted-Lowry Bazı: Sulu çözeltiden proton ($\text{H}^+$ iyonu) alan maddedir.

• Eşlenik (Konjuge) Asit-Baz Çifti: Aralarında yalnızca bir $\text{H}^+$ farkı bulunan asit-baz ikilisidir:

• $\text{NH}_3$ proton alarak $\text{NH}_4^+$‘ya dönüştüğü için bazdır. $\text{NH}_4^+$ ise proton verebildiği için onun konjuge asididir ($\text{NH}_3 / \text{NH}_4^+$ çifti).

• $\text{H}_2\text{O}$ proton verdiği için asittir. $\text{OH}^-$ ise onun konjuge bazıdır ($\text{H}_2\text{O} / \text{OH}^-$ çifti).

• Amfoter Madde: Hem aside karşı baz, hem baza karşı asit gibi davranan maddelerdir (örneğin $\text{H}_2\text{O}$ veya $\text{HCO}_3^-$).

2. Suyun Otoiyonizasyonu (Kendi Kendine İyonlaşması) ve $K_{su}$

Saf su son derece az da olsa kendi kendine iyonlaşarak dinamik bir denge oluşturur:

(veya kısaca: $\text{H}_2\text{O}_{(s)} + \text{Isı} \rightleftharpoons \text{H}^+_{(suda)} + \text{OH}^-_{(suda)}$)

• Saf sıvılar denge bağıntısına yazılmadığından suyun denge sabiti ($K_{su}$):

  $$K_{su} = [\text{H}^+] \cdot [\text{OH}^-]$$

• $25\text{ }^\circ\text{C}$ Standart Koşullarda:

  $$K_{su} = 1 \times 10^{-14}$$
  $$[\text{H}^+] = [\text{OH}^-] = 10^{-7}\text{ M (Nötr ortam)}$$

• Suyun iyonlaşması endotermiktir ($\Delta H > 0$). Sıcaklık artırılırsa denge ürünler lehine kayar ve $K_{su}$ değeri büyür (örneğin $50\text{ }^\circ\text{C}$‘de $K_{su} > 10^{-14}$ olur).

3. $\text{pH}$ ve $\text{pOH}$ Kavramları

Derişimlerdeki çok küçük sayısal değerleri ifade etmek için Danimarkalı kimyager Sørensen tarafından logaritmik ölçek geliştirilmiştir:

$25\text{ }^\circ\text{C}$‘de $K_{su} = [\text{H}^+] \cdot [\text{OH}^-] = 10^{-14}$ eşitliğinin eksi logaritması alındığında:

• Nötr Çözelti: $[\text{H}^+] = [\text{OH}^-] = 10^{-7}\text{ M} \implies \text{pH} = 7, \quad \text{pOH} = 7$

• Asidik Çözelti: $[\text{H}^+] > [\text{OH}^-] \implies [\text{H}^+] > 10^{-7}\text{ M} \implies \text{pH} < 7, \quad \text{pOH} > 7$

• Bazik Çözelti: $[\text{OH}^-] > [\text{H}^+] \implies [\text{OH}^-] > 10^{-7}\text{ M} \implies \text{pOH} < 7, \quad \text{pH} > 7$

4. Kuvvetli ve Zayıf Asit/Baz Ayrımı

5. Zayıf Asit ve Bazlarda Denge Hesaplamaları ($K_a$ ve $K_b$)

Zayıf tek protonlu bir asit olan $\text{HA}$‘nın suda iyonlaşması:

• Başlangıç derişimi $C_a$ ve iyonlaşan miktar $x$ olmak üzere:

  • Başlangıç: $[\text{HA}] = C_a$

  • Değişim: $-x$, $+x$, $+x$

  • Denge: $[\text{HA}] = C_a – x \approx C_a$ (Çünkü zayıf asitlerde $x$ değeri $C_a$‘nın yanında ihmal edilecek kadar küçüktür)

    $$K_a = \frac{x^2}{C_a} \implies [\text{H}^+] = \sqrt{K_a \cdot C_a}$$

• Benzer şekilde zayıf bir baz ($\text{B}$) için:

  $$K_b = \frac{[\text{BH}^+] \cdot [\text{OH}^-]}{[\text{B}]} \implies [\text{OH}^-] = \sqrt{K_b \cdot C_b}$$

• Eşlenik Çiftlerde: Bir asit ile onun konjuge bazının denge sabitleri çarpımı daima $K_{su}$‘ya eşittir:

  $$K_a \cdot K_b = K_{su} = 10^{-14} \quad (25\text{ }^\circ\text{C’de})$$

Çözümlü Sorular

Soru 1: Eşlenik Asit-Baz Çifti Belirleme

Aşağıdaki tepkimede yer alan Brønsted-Lowry konjuge asit-baz çiftlerini eşleştiriniz:

Çözüm:

• $\text{HSO}_4^-$, $\text{CO}_3^{2-}$‘ye bir proton ($\text{H}^+$) vererek $\text{SO}_4^{2-}$‘ye dönüşür. Proton verdiği için Asit 1‘dir.

• $\text{SO}_4^{2-}$, geri tepkimede proton alabildiği için $\text{HSO}_4^-$‘nin konjuge bazıdır (Baz 1).

• $\text{CO}_3^{2-}$ proton aldığı için Baz 2‘dir.

• $\text{HCO}_3^-$ proton vererek geriye dönebildiği için $\text{CO}_3^{2-}$‘nin konjuge asididir (Asit 2).

• Eşlenik Çiftler: $(\text{HSO}_4^- / \text{SO}_4^{2-})$ ve $(\text{HCO}_3^- / \text{CO}_3^{2-})$

Soru 2: Zayıf Asitte $\text{pH}$ ve İyonlaşma Yüzdesi Hesabı

$25\text{ }^\circ\text{C}$‘de $0{,}1\text{ M}$ $\text{HCN}$ (siyanik asit) sulu çözeltisinin denge sabiti $K_a = 1 \times 10^{-9}$‘dur.

Buna göre çözeltinin:

a) $[\text{H}^+]$ derişimini ve $\text{pH}$ değerini bulunuz.

b) $\text{HCN}$ asidinin iyonlaşma yüzdesini hesaplayınız.

Çözüm:

• a) İyonlaşma denklemini kuralım:

  $$\text{HCN}_{(suda)} \rightleftharpoons \text{H}^+_{(suda)} + \text{CN}^-_{(suda)}$$

  • Başlangıçta: $[\text{HCN}] = 0{,}1\text{ M}$, ürünler $0$.

  • İyonlaşan: $x\text{ M}$

  • Dengede: $[\text{HCN}] = 0{,}1 – x \approx 0{,}1\text{ M}$ (ihmal), $[\text{H}^+] = x$, $[\text{CN}^-] = x$.

  $$K_a = \frac{[\text{H}^+] \cdot [\text{CN}^-]}{[\text{HCN}]} \implies 1 \times 10^{-9} = \frac{x^2}{0{,}1}$$
  $$x^2 = 1 \times 10^{-10} \implies x = [\text{H}^+] = \mathbf{1 \times 10^{-5}\text{ M}}$$
  $$\text{pH} = -\log[\text{H}^+] = -\log(10^{-5}) = \mathbf{5}$$

• b) İyonlaşma yüzdesi:

  $$0{,}1\text{ M HCN çözeltisinde } 1 \times 10^{-5}\text{ M iyonlaşıyorsa,}$$
  $$100\text{ M’de } Y \text{ iyonlaşır.}$$
  $$Y = \frac{100 \times 10^{-5}}{0{,}1} = \frac{10^{-3}}{10^{-1}} = 10^{-2} = \mathbf{\%0{,}01}$$

  (Görüldüğü üzere zayıf asitlerin yalnızca çok küçük bir bölümü iyonlaşır).