Brønsted-Lowry asit-baz tanımı

Cumartesi öğleden sonra Koray ile ablası Mine salonun camlarını siliyordu. Mine'nin sıktığı temizlik spreyinden keskin bir amonyak kokusu yayılınca Koray TYT'den aklında kalanı söyledi: «Bu bir baz; amonyak suya karışınca OH⁻ salıyor.» Mine bezini pervaza bıraktı ve etiketteki «amonyak» sözcüğünü gösterdi: «NH₃. Bir azot, üç hidrojen; oksijeni yok ki. Elinde olmayan bir iyonu nasıl salsın?» Koray cebinden çıkardığı kâğıda NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻ yazıp atomları tek tek saydı. Hidroksitteki oksijen sudan geliyordu; amonyumun dördüncü hidrojeni de. Demek ki bu denklemde bir şeyi kaybeden su olmuştu. Oysa defterinde su hep «nötr çözücü» diye geçiyordu. Koray kâğıdı ablasına uzattı: bu tepkimede asıl işi kim yapıyordu?

• Brønsted-Lowry tanımıyla bir tepkimedeki proton vericiyi ve proton alıcıyı belirlersin.
• Bir türün konjuge asidini ve konjuge bazını yazar, bir denklemdeki iki konjuge çifti eşleştirirsin.
• Amfoter (amfiprotik) türleri tanır, suyun eşine göre asit ya da baz gibi davrandığını denklemle gösterirsin.
• Asit kuvveti ile konjuge baz kuvveti arasındaki ters ilişkiyi kullanarak bir proton aktarımının hangi yana yatkın olduğunu yorumlarsın.

Arrhenius tanımı nerede yetmiyor

TYT'deki «Asit ve baz tanımları» dersinde asidi ve bazı, suda çözündüklerinde hangi iyonun derişimini artırdıklarına göre ayırdık. Bu ölçüt hidroklorik asitte, sodyum hidroksitte, sülfürik asitte sorunsuz işler. Amonyakta ise yalnız sonucu söyler, nasılını saklar. Amonyak suda OH⁻ derişimini artırdığı için Arrhenius bazıdır; ama Koray'ın saydığı atomlar, o hidroksitin amonyaktan değil sudan çıktığını gösterir. Amonyak elinde olmayan bir iyonu bırakmaz, su molekülünden bir proton koparır; geriye kalan parça hidroksit iyonudur. Arrhenius'un dilinde su yalnız ortamdır. Tepkimenin içinde ise proton veren taraftır.

Tanımın ikinci açığı, su hiç bulunmadığında ortaya çıkar. Laboratuvarda çeker ocak altında yapılan bilinen bir gösteride, derişik amonyak ve derişik hidroklorik asit şişelerinden yükselen gazlar havada karşılaşır ve beyaz bir duman oluşur. Bu duman katı amonyum klorürün çok ince tanecikleridir: NH₃(g) + HCl(g) → NH₄Cl(k). Ortamda çözelti yoktur, dolayısıyla Arrhenius'un aradığı H₃O⁺ ve OH⁻ iyonları da yoktur. Yine de oluşan katı NH₄⁺ ve Cl⁻ iyonlarından kuruludur; yani hidrojen klorürden amonyağa bir proton geçmiştir. Sulu çözeltideki asit-baz olayıyla aynı aktarım, Arrhenius tanımının dışında kalır.

Brønsted ve Lowry'nin ölçütü

1923'te Danimarkalı kimyacı Johannes Brønsted ile İngiliz kimyacı Thomas Lowry birbirlerinden bağımsız olarak bu boşluğu kapatan tanımı önerdi. Brønsted-Lowry asidi proton (H⁺) veren, Brønsted-Lowry bazı proton alan türdür. Hidrojenin en yaygın izotopunda çekirdek tek bir protondan oluşur; atom elektronunu kaybedince geriye çıplak bir proton kalır. H⁺ yazısı bu yüzden «proton» diye okunur.

Yeni tanımın bakış açısı farklıdır. Arrhenius tek bir maddeye bakıp «bu suda ne verir?» diye sorar. Brønsted-Lowry tanımı ise bir tepkimeye bakar: proton bir türden ötekine geçer, veren asit, alan baz olur. Bir asit, karşısında protonu alacak bir baz olmadan asitliğini gösteremez. Asit-baz tepkimesi bu bakışla bir proton aktarımıdır.

Proton alacak türün, protonu bağlayacak bir ortaklanmamış elektron çiftine ihtiyacı vardır. «Lewis yapıları» dersinde çizdiğimiz yapılar bu çiftleri gösterir: amonyaktaki azotun bir, su molekülündeki oksijenin iki, hidroksit iyonundaki oksijenin üç ortaklanmamış çifti vardır. Amonyum iyonunda (NH₄⁺) ise azotun dört elektron çiftinin hepsi bağ yapmıştır; bu iyon proton alamaz.

Arrhenius tanımıyla sınıflanan maddeler yeni tanımda yerini korur. Hidroklorik ve nitrik asit suya proton verdikleri için Brønsted-Lowry asididir. Sodyum hidroksitte protonu alan tür hidroksit iyonudur; sodyum iyonu aktarıma katılmaz. Yeni tanım eskisini silmez, kapsamını genişletir. Elektron çiftinin kendisine odaklanan daha da geniş bir tanım (Lewis tanımı) vardır; bu modüldeki hesaplar Brønsted-Lowry diliyle kurulur.

Hidronyum: suda protonun adresi

Çıplak bir proton suda serbestçe dolaşamaz; bir su molekülünün ortaklanmamış çiftine bağlanarak hidronyum iyonuna (H₃O⁺) dönüşür. Nitrik asidin suda iyonlaşması bu nedenle şöyle yazılır:

HNO₃ + H₂O → H₃O⁺ + NO₃⁻

Bu denklemde proton nitrik asitten suya geçmiştir: nitrik asit Brønsted asidi, su Brønsted bazıdır. AYT kimyasında denklemleri H₃O⁺ ile yazmak bu yüzden tercih edilir; suyun aktarımdaki rolü ancak bu yazımla görünür. H⁺(suda) yazımı aynı şeyin kısaltmasıdır ve hesaplarda iki gösterim de kullanılır.

Geri yöne bakmak: konjuge çiftler

Zayıf bir asit olan hidrojen florür suda kısmen iyonlaşır ve tepkime iki yönde yürür:

HF + H₂O ⇌ H₃O⁺ + F⁻

İleri yönde HF protonunu suya verir. Geri yönde ise hidronyum iyonu bir protonu florür iyonuna geri verebilir; geri tepkimede H₃O⁺ asit, F⁻ baz olarak davranır. HF proton verince F⁻ olur, F⁻ proton alınca yeniden HF olur. Birbirinden yalnız bir protonla ayrılan böyle iki türe konjuge asit–baz çifti denir. F⁻, HF'nin konjuge bazı; HF de F⁻'nin konjuge asididir. Aynı denklemdeki öteki çift H₃O⁺/H₂O'dur.

Her Brønsted-Lowry tepkimesinde iki konjuge çift bulunur. Çiftlerden biri soldaki asit ile sağdaki konjuge bazından, öteki soldaki baz ile sağdaki konjuge asidinden oluşur. Proton bir çiftin asit üyesinden kopar, öteki çiftin baz üyesine bağlanır. Bu yüzden bir çiftin iki üyesi okun hep karşı yanlarında durur; okun aynı tarafında konjuge çift aranmaz.

Konjuge türü yazmanın kuralı kısadır. Konjuge baz için formülden bir H çıkarılır ve yük bir birim azaltılır; konjuge asit için bir H eklenir ve yük bir birim artırılır.

Tablonun en sık karıştırılan noktası ilk satırdadır: H₃O⁺ ile OH⁻ arasında iki proton fark vardır, bu ikisi bir çift oluşturmaz. Aynı nedenle H₂SO₄ ile SO₄²⁻ ve H₃PO₄ ile HPO₄²⁻ de konjuge değildir.

Bir denklemde çiftleri adım adım bulmak

Sınavda en sık istenen beceri, verilmiş bir denklemdeki rolleri ve çiftleri okumaktır. Şu tepkimeyi ele alalım:

H₂PO₄⁻ + NH₃ ⇌ HPO₄²⁻ + NH₄⁺

Soldaki her türü, sağda kendisinden tek bir H ve tek bir yük birimiyle ayrılan türle eşleştir. H₂PO₄⁻ sağda HPO₄²⁻ olarak görünür: bir hidrojen eksilmiş, yük −1'den −2'ye inmiştir. Bu tür proton vermiştir, yani asittir. NH₃ sağda NH₄⁺ olmuştur: hidrojen ve yük birer artmıştır; proton alan bazdır. Çiftler H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻ ve NH₄⁺/NH₃'tür. Geri yönde HPO₄²⁻ baz, NH₄⁺ asit rolünü üstlenir.

Formüldeki her hidrojen verilebilir bir proton değildir. Asetik asidin (CH₃COOH) dört hidrojeninden yalnız oksijene bağlı olanı proton olarak ayrılır; karbona bağlı üç hidrojen bu aktarıma katılmaz:

CH₃COOH + H₂O ⇌ H₃O⁺ + CH₃COO⁻

Asetik asidin konjuge bazı bu yüzden asetat iyonudur (CH₃COO⁻). TYT'de metanın asit sayılmadığını görmüştük; hangi hidrojenin proton olarak ayrılabildiği formülün harflerinden değil, molekülün yapısından okunur. Sorularda bu bilgi ya açıkça verilir ya da bilinen asitlerle sınırlı tutulur.

Amfoter (amfiprotik) türler

Su, nitrik asit karşısında proton almış, yani baz olmuştu. Kancadaki amonyak karşısında ise proton veren taraftır:

NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻

Burada H₂O asit, NH₃ bazdır; çiftler NH₄⁺/NH₃ ve H₂O/OH⁻'dir. Bir türün asit mi baz mı davranacağını çoğu zaman karşısındaki tür belirler. Hem proton verebilen hem proton alabilen türlere amfiprotik denir; Türkçe ders kitaplarında bunlar çoğunlukla amfoter adıyla da geçer. TYT'deki «Metallerle tepkimeler ve amfoterlik» dersinde çinko ve alüminyum, hem asitlerle hem bazlarla tepkimeye girdikleri için amfoter sayılmıştı; burada ölçüt dardır ve yalnız proton alışverişine bakar.

Bir türün amfiprotik olabilmesi için iki şeye birlikte sahip olması gerekir: verebileceği bir hidrojen ve protonu bağlayabileceği bir ortaklanmamış çift. Hidrojen karbonat iyonu bu koşulları taşır:

HCO₃⁻ + H₃O⁺ → H₂CO₃ + H₂O (HCO₃⁻ baz gibi davranır)

HCO₃⁻ + OH⁻ → CO₃²⁻ + H₂O (HCO₃⁻ asit gibi davranır)

H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻ ve HSO₄⁻ de aynı gruptadır. HSO₄⁻'nin baz yönü çok zayıftır, çünkü konjuge asidi H₂SO₄ kuvvetli bir asittir; ama ilke olarak proton alabilir. Hidrojeni olmayan SO₄²⁻, CO₃²⁻, PO₄³⁻ ve Cl⁻ yalnız baz olarak davranabilir. Ortaklanmamış çifti kalmamış NH₄⁺ ise yalnız asittir.

Su kendi protonunu kendine aktarır

Suyun amfiprotik olmasının bir sonucu, saf suda bile proton aktarımının sürmesidir. İki su molekülünden biri asit, öteki baz gibi davranır:

H₂O + H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻

Bu olaya suyun öziyonlaşması denir. Çiftler H₃O⁺/H₂O ve H₂O/OH⁻'dir. Aktarım su moleküllerinin yalnız çok küçük bir bölümünde gerçekleşir; denge büyük ölçüde soldadır. Her aktarımda bir hidronyum ile bir hidroksit iyonu birlikte oluştuğundan saf suda bu iki iyonun sayısı eşittir ve su nötrdür. Saf suyun elektriği çok zayıf iletmesi de bu küçük iyon miktarından kaynaklanır.

Kuvvetli asidin konjuge bazı zayıftır

Hidroklorik asit suda neredeyse tamamen iyonlaşır: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻. İleri yön bu kadar baskınsa geri yön, yani Cl⁻ iyonunun hidronyumdan proton geri alması, ihmal edilecek kadar azdır. Klorür iyonu protonu tutmakta son derece isteksiz, çok zayıf bir bazdır. Hidrojen florür ise kısmen iyonlaşır; çözeltide HF molekülleri bol kalır, çünkü F⁻ iyonu protonu geri çekmeye belirgin biçimde yatkındır. F⁻ bu yüzden Cl⁻'den kuvvetli bir bazdır.

Buradan çıkan nitel kural şudur: bir asit ne kadar kuvvetliyse konjuge bazı o kadar zayıftır. Bazlar için de aynı ters ilişki geçerlidir: amonyak zayıf bir baz olduğundan konjuge asidi NH₄⁺ ölçülebilir bir asitlik gösterir.

Bu ilişki, iki asit-baz çiftinin karşılaştığı bir tepkimenin hangi yöne yatkın olduğunu da söyler. Proton, daha kuvvetli asitten daha kuvvetli baza geçme eğilimindedir; denge, daha zayıf asit ile daha zayıf bazın bulunduğu tarafta toplanır. Hidrojen florür asetik asitten kuvvetli bir asittir. Öyleyse

HF + CH₃COO⁻ ⇌ F⁻ + CH₃COOH

tepkimesinde sağ taraf, daha zayıf asidi (CH₃COOH) ve daha zayıf bazı (F⁻) içerir; denge sağa yatkındır. Asitlerin ve bazların kuvvetini bir sayıyla ölçen Ka ve Kb değerleri bu modülün ilerleyen derslerinde gelecek; buradaki sıralamalar nitel kalır.

Hidronyum ile hidroksit arasındaki bağ

Suyun öziyonlaşmasında H₃O⁺ ile OH⁻ aynı aktarımdan birlikte doğuyordu. Saf suda eşit olan bu iki iyonun miktarı, suya bir asit katıldığında birlikte mi değişir, yoksa biri artarken öteki azalır mı? Bir de bu derişimler çok küçük sayılardır; günlük kullanımda onları nasıl okunur hâle getiririz? İki iyonun derişimini birbirine bağlayan su iyonlaşma dengesi ve bu derişimleri tek bir sayıya çeviren pH ile pOH ölçekleri, sıradaki dersin konusu.

Örnek 1 — Bisülfat ile amonyağın karşılaşması

Soru: HSO₄⁻ + NH₃ ⇌ SO₄²⁻ + NH₄⁺ tepkimesindeki konjuge çiftleri doğru eşleştiren seçenek hangisidir?

• A) HSO₄⁻/NH₄⁺ ve NH₃/SO₄²⁻
• B) HSO₄⁻/NH₃ ve SO₄²⁻/NH₄⁺
• C) HSO₄⁻/SO₄²⁻ ve NH₄⁺/NH₃
• D) H₂SO₄/SO₄²⁻ ve NH₄⁺/NH₃
• E) HSO₄⁻/SO₄²⁻ ve NH₃/OH⁻

Çözüm: HSO₄⁻ sağda SO₄²⁻ olarak görünür; bir hidrojen ve bir yük birimi eksilmiştir, demek ki proton vermiştir. NH₃ sağda NH₄⁺ olmuş, protonu almıştır. Çiftler HSO₄⁻/SO₄²⁻ ve NH₄⁺/NH₃'tür. A seçeneği iki asidi ve iki bazı birbiriyle eşler; B okun aynı tarafındaki türleri çift sayar. D denklemde hiç bulunmayan H₂SO₄'ü katar, E ise suyu olmayan bir tepkimeye OH⁻ yazar. Cevap: C.

Örnek 2 — Hangisi iki yöne de çalışabilir?

Soru: NH₄⁺, SO₄²⁻, Cl⁻, H₂PO₄⁻ ve CO₃²⁻ türlerinden hangisi sulu ortamda hem Brønsted asidi hem Brønsted bazı gibi davranabilir?

• A) NH₄⁺
• B) SO₄²⁻
• C) Cl⁻
• D) H₂PO₄⁻
• E) CO₃²⁻

Çözüm: Amfiprotik bir türün hem verebileceği bir hidrojeni hem de protonu bağlayacağı ortaklanmamış bir çifti olmalıdır. NH₄⁺'ın hidrojeni vardır ama azotun bütün çiftleri bağ yapmıştır; yalnız asittir. SO₄²⁻, Cl⁻ ve CO₃²⁻ hidrojen taşımaz; yalnız baz olabilirler. H₂PO₄⁻ proton vererek HPO₄²⁻'ye, proton alarak H₃PO₄'e dönüşebilir. Cevap: D.

Örnek 3 — Suyun iki yüzü

Soru: Aşağıdaki iki tepkime veriliyor:

(1) CH₃COOH + H₂O ⇌ H₃O⁺ + CH₃COO⁻

(2) CO₃²⁻ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + OH⁻

Bu tepkimelerle ilgili hangisi doğrudur?

• A) Su birinci tepkimede baz, ikincide asit gibi davranır.
• B) Su iki tepkimede de asittir.
• C) İkinci tepkimede CO₃²⁻ proton verir.
• D) Birinci tepkimedeki çiftlerden biri H₃O⁺/OH⁻'dir.
• E) Asetik asidin konjuge bazı CH₂COOH⁻'dir.

Çözüm: Birinci tepkimede su asetik asitten proton alır ve H₃O⁺ olur; bazdır. İkincide suyun bir protonu karbonata geçer, su OH⁻'ye dönüşür; asittir. CO₃²⁻ proton almıştır, C yanlıştır. H₃O⁺ ile OH⁻ arasında iki proton fark vardır, D çift olamaz. Asetik asitte proton oksijene bağlı hidrojenden ayrılır ve konjuge baz CH₃COO⁻'dir; E karbona bağlı hidrojeni koparır. Cevap: A.

Örnek 4 — Proton hangi yöne akar?

Soru: Hidroklorik asit suda neredeyse tamamen, hidrojen florür ise kısmen iyonlaşır. HF + Cl⁻ ⇌ F⁻ + HCl tepkimesi için hangisi doğrudur?

• A) Cl⁻, F⁻'den daha kuvvetli bir bazdır; tepkime sağa yatkındır.
• B) Daha zayıf asit HF ve daha zayıf baz Cl⁻ soldadır; denge sola yatkındır.
• C) İki çift de aynı kuvvette olduğu için denge tam ortadadır.
• D) HF kuvvetli asit olduğu için denge sağa yatkındır.
• E) Cl⁻ amfiprotik olduğundan tepkimede asit gibi davranır.

Çözüm: HCl, HF'den kuvvetli bir asittir; kuvvetli asidin konjuge bazı zayıf olduğundan Cl⁻, F⁻'den zayıf bir bazdır. Sol tarafta daha zayıf asit (HF) ile daha zayıf baz (Cl⁻) bulunur, sağ tarafta ise daha kuvvetli olanlar. Proton daha kuvvetli asitten daha kuvvetli baza akma eğiliminde olduğundan denge sola yatkındır. A ilişkiyi ters kurar, D HF'yi yanlış sınıflar, E hidrojeni olmayan bir iyona proton verdirir. Cevap: B.

• Bazın OH⁻'yi kendi formülünden verdiğini sanmak. Koray'ın ilk cümlesi budur. Amonyak sudan proton koparır; hidroksitin oksijeni sudan gelir.
• H₃O⁺ ile OH⁻'yi konjuge çift saymak. İkisi arasında iki proton fark vardır. Çift, tek protonla ayrılan iki türdür: H₃O⁺/H₂O ya da H₂O/OH⁻.
• Konjuge türü yazarken yükü güncellememek. HCO₃⁻'den bir proton çıkınca CO₃²⁻ olur; «CO₃⁻» yazmak hidrojeni çıkarıp yükü unutmaktır.
• Okun aynı tarafındaki iki türü çift sanmak. Çiftin bir üyesi girenlerde, öteki ürünlerde durur; soldaki asit sağdaki konjuge bazıyla eşleşir.
• Kuvvetli asidin konjuge bazını da kuvvetli sanmak. İlişki terstir: HCl çok kuvvetli olduğu için Cl⁻ çok zayıf bir bazdır.
• Suyu her tepkimede aynı rolde düşünmek. Su, nitrik asit karşısında baz, amonyak karşısında asittir; rolü eşi belirler.