Saf su, elektrik akımını iletmeyen (yalıtkan) bir madde olarak kabul edilse de çok hassas ölçü aletleriyle incelendiğinde son derece az da olsa elektrik akımını ilettiği görülür. Bu durum, su moleküllerinin kendi aralarında proton ($\text{H}^+$) alışverişi yaparak az miktarda iyonlaşmasından kaynaklanır. Suyun kendi kendine iyon oluşturması olayına otoiyonizasyon (veya otoprotoliz) denir.

1. İyonlaşma Denklemi ve $K_{su}$ Bağıntısı

İki su molekülü çarpıştığında biri asit (proton veren), diğeri baz (proton alan) gibi davranır:

Genellikle işlemlerde kolaylık sağlaması açısından hidronyum iyonu ($\text{H}_3\text{O}^+$) yerine kısaca $\text{H}^+$ yazılarak şu şekilde gösterilir:

Denge bağıntısına saf sıvılar yazılmadığından, suyun denge sabiti ($K_{su}$) yalnızca iyonların derişimleri çarpımına eşittir:

2. Standart Koşullarda ($25\text{ }^\circ\text{C}$) $K_{su}$ Değeri

$25\text{ }^\circ\text{C}$ sıcaklık ve $1\text{ atm}$ basınçta yapılan deneysel ölçümlerde $K_{su}$ sabiti:

Saf suda her bir $\text{H}^+$ iyonuna karşılık bir $\text{OH}^-$ iyonu oluştuğundan:

• Saf suda $25\text{ }^\circ\text{C}$‘de:

  $$[\text{H}^+] = 10^{-7}\text{ M} \implies \text{pH} = -\log(10^{-7}) = 7$$
  $$[\text{OH}^-] = 10^{-7}\text{ M} \implies \text{pOH} = -\log(10^{-7}) = 7$$
  $$\text{pH} + \text{pOH} = 14$$

Önemli Kural: İçerisine asit veya baz eklenmiş olsa dahi, $25\text{ }^\circ\text{C}$‘deki tüm sulu çözeltilerde $[\text{H}^+] \cdot [\text{OH}^-] = 10^{-14}$ eşitliği mutlaka korunur. Örneğin ortama asit eklenip $[\text{H}^+] = 10^{-3}\text{ M}$ yapılırsa, denge gereği $[\text{OH}^-]$ derişimi $10^{-11}\text{ M}$‘a düşer.

3. Suyun Otoiyonizasyonuna Sıcaklığın Etkisi

Suyun iyonlaşması kimyasal bağların kopmasını gerektirdiğinden endotermiktir ($\Delta H > 0$):

Le Chatelier İlkesine göre sıcaklık değiştirildiğinde şu durumlar gerçekleşir:

• Sıcaklık Artırılırsa ($T > 25\text{ }^\circ\text{C}$):

  1. Sistem ısıyı harcamak için ürünler yönüne kayar.

  2. İyonlaşma yüzdesi artar, $[\text{H}^+]$ ve $[\text{OH}^-]$ derişimleri birlikte artar.

  3. Denge ürünlere kaydığı için $K_{su}$ değeri büyür ($K_{su} > 10^{-14}$ olur).

  4. $[\text{H}^+]$ arttığı için saf suyun $\text{pH}$ değeri $7$‘nin altına düşer; ancak $[\text{OH}^-]$ de aynı oranda arttığı için ($[\text{H}^+] = [\text{OH}^-]$) su kesinlikle asidik olmaz, yine NÖTR kalır.

  • Örneğin $60\text{ }^\circ\text{C}$‘de $K_{su} \approx 10^{-13}$ ise; $[\text{H}^+] = [\text{OH}^-] = 10^{-6{,}5}\text{ M}$ olur. Bu sıcaklıkta nötrlük noktası $\text{pH} = 6{,}5$‘tir.

• Sıcaklık Azaltılırsa ($T < 25\text{ }^\circ\text{C}$):

  1. Sistem girenler yönüne kayar.

  2. İyonlaşma yüzdesi azalır, $[\text{H}^+]$ ve $[\text{OH}^-]$ derişimleri düşer.

  3. $K_{su}$ değeri küçülür ($K_{su} < 10^{-14}$ olur).

  4. Saf suyun $\text{pH}$ değeri $7$‘nin üzerine çıkar ($\text{pH} > 7$); ortam yine nötrdür.

Sıcaklık Değişimi Özet Tablosu

Çözümlü Sorular

Soru 1: Farklı Sıcaklıkta Saf Su Yorumu

$50\text{ }^\circ\text{C}$ sıcaklıkta saf suyun iyonlaşma sabiti $K_{su} = 4 \times 10^{-14}$ olarak ölçülmüştür.

Buna göre aynı sıcaklıktaki saf su ile ilgili;

I. $[\text{H}^+] = 2 \times 10^{-7}\text{ M}$‘dir.

II. $\text{pH} < 7$‘dir.

III. Çözelti asidik özellik gösterir.

yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I

B) Yalnız II

C) I ve II

D) II ve III

E) I, II ve III

Çözüm:

• Saf suda her zaman $[\text{H}^+] = [\text{OH}^-]$ eşitliği vardır.

  $$K_{su} = [\text{H}^+] \cdot [\text{OH}^-] = 4 \times 10^{-14}$$
  $$[\text{H}^+]^2 = 4 \times 10^{-14} \implies [\text{H}^+] = 2 \times 10^{-7}\text{ M (I. öncül doğru).}$$

• $[\text{H}^+] = 2 \times 10^{-7}\text{ M} > 10^{-7}\text{ M}$ olduğundan eksi logaritması alındığında $\text{pH}$ değeri $7$‘den küçük çıkar ($\text{pH} \approx 6{,}7$) (II. öncül doğru).

• Bir çözeltinin asidik sayılabilmesi için $[\text{H}^+] > [\text{OH}^-]$ olmalıdır. Burada $[\text{H}^+] = [\text{OH}^-] = 2 \times 10^{-7}\text{ M}$ olduğu için çözelti nötrdür, asidik değildir (III. öncül yanlış).

Doğru Cevap: C (I ve II)

Soru 2: İyon Derişimleri Arasındaki Geçiş

$25\text{ }^\circ\text{C}$‘de hazırlanan bir sulu çözeltide $[\text{H}^+] / [\text{OH}^-] = 10^4$ oranının olduğu tespit edilmiştir.

Buna göre çözeltinin $\text{pH}$ değeri kaçtır?

Çözüm:

1. Verilen oranı yazalım:

   $$\frac{[\text{H}^+]}{[\text{OH}^-]} = 10^4 \implies [\text{H}^+] = 10^4 \cdot [\text{OH}^-]$$

2. $25\text{ }^\circ\text{C}$‘de geçerli olan $K_{su}$ bağıntısında yerine koyalım:

   $$[\text{H}^+] \cdot [\text{OH}^-] = 10^{-14}$$
   $$(10^4 \cdot [\text{OH}^-]) \cdot [\text{OH}^-] = 10^{-14}$$
   $$[\text{OH}^-]^2 = 10^{-18} \implies [\text{OH}^-] = 10^{-9}\text{ M}$$

3. Buradan $[\text{H}^+]$ derişimini ve $\text{pH}$‘ı bulalım:

   $$[\text{H}^+] = 10^4 \cdot (10^{-9}) = 10^{-5}\text{ M}$$
   $$\text{pH} = -\log[\text{H}^+] = -\log(10^{-5}) = \mathbf{5}$$