Kuvvetli asit ve bazlar

Şule, çalışma grubu için bir hesap tablosu kuruyordu: ilk hücreye bazın molaritesini yazınca yan hücre pH'ı kendiliğinden veriyordu, çünkü formülü «14 eksi, molaritenin eksi logaritması» diye girmişti. 0,01 M NaOH satırında 12 çıktı. 0,01 M Ba(OH)₂ satırında da 12. Tabloyu gruba gönderirken altına bir not ekledi: «Molarite aynıysa pH da aynı; hangi baz olduğu fark etmiyor.» Birkaç dakika sonra Reşat'tan sesli mesaj geldi. «Karıştırma ödevini hatırla. 100 mL 0,01 M NaOH'yi nötrleştirmek için kaç mililitre 0,01 M HCl gerekiyordu? Aynı hacimdeki Ba(OH)₂ için kaç?» Şule ödev defterini açtı. Birincisi 100 mL istiyordu, ikincisi 200 mL. İki kat asit harcatan bir çözeltinin ötekiyle aynı bazlıkta olması mümkün müydü? Şule tablonun molarite sütunuyla pH sütunu arasına yeni bir sütun açtı ve başlığına [OH⁻] yazdı.

• Kuvvetli asitleri ve kuvvetli bazları tanır, tam iyonlaşma kabulüyle bir formül biriminin verdiği iyon sayısından H₃O⁺ ya da OH⁻ derişimini bulursun.
• Kuvvetli asit ve baz çözeltilerinin pH ve pOH değerlerini verilen logaritma değerleriyle hesaplar, pH'tan çözeltinin molaritesine geri dönersin.
• Seyreltmenin pH'ı kaç birim değiştireceğini öngörür, çok seyreltik çözeltide formülün neden 7'nin öbür yanına geçen sonuç verdiğini açıklarsın.
• Kuvvetli asit ile kuvvetli baz karıştırıldığında artan iyonu, onun derişimini ve karışımın pH'ını bulursun.

Etiketteki sayı ile çözeltideki iyon

Bir şişenin etiketindeki «0,02 M HCl» ifadesi, bir litre çözeltiyi hazırlamak için 0,02 mol hidrojen klorürün kullanıldığını söyler. pH ise çözeltide o anda bulunan hidronyum iyonlarını sayar. İki sayı arasındaki köprü, asidin suda ne kadar iyonlaştığıdır. Hidrojen klorür suya girdiğinde moleküllerin hepsi protonunu suya bırakır:

H₂O(s) + HCl(g) → Cl⁻(suda) + H₃O⁺(suda)

Okun tek yönlü yazılması bilinçlidir. Klorür iyonunun protonu geri almakta son derece isteksiz bir baz olduğunu, Brønsted-Lowry tanımını işlediğimiz derste konjuge çiftler üzerinden görmüştük; geri tepkime ihmal edilecek kadar azdır. Çözeltide HCl molekülü kalmaz, her molekül bir hidronyum iyonuna dönüşür. Suda bu biçimde tamamen iyonlaştığı kabul edilen asitlere kuvvetli asit, tamamen iyonlarına ayrıştığı kabul edilen bazlara kuvvetli baz denir. Bu kabulle hesap tek adıma iner: 0,02 M HCl çözeltisinde [H₃O⁺] = 0,02 M olur.

Kuvvet ile derişimin ayrımı, «Asit ve baz tanımları» başlıklı TYT dersinde kurulmuştu. Kuvvet, çözünen moleküllerin ne kadarının iyonlaştığını; derişim, ne kadar madde çözündüğünü söyler. 10⁻⁴ M HCl seyreltiktir ama yine kuvvetli bir asittir.

Kuvvetli asitlerin kısa listesi

Lise kimyasında kuvvetli kabul edilen asitler azdır ve ezberlenebilir:

Halojenli asitlerin listede HF'yi içermediğine dikkat et. Hidrojen florür aynı gruptandır, ama suda kısmen iyonlaşır ve zayıf asittir. Bir listeyi aile adıyla değil, tek tek formülleriyle hatırlamak bu yüzden daha güvenlidir. Listede olmayan asitler (sirkedeki asetik asit, karbonik asit, fosforik asit gibi) bu derste zayıf sayılır.

Sülfürik asidin iki basamağı

Sülfürik asit bir formül biriminde iki proton taşır, ama iki protonu aynı kolaylıkla bırakmaz. İlk basamak tamdır:

H₂O(s) + H₂SO₄(s) → HSO₄⁻(suda) + H₃O⁺(suda)

İkinci basamakta proton artık eksi yüklü bir iyondan koparılır; bu daha zordur ve tepkime bir dengede kalır:

HSO₄⁻(suda) + H₂O(s) ⇌ H₃O⁺(suda) + SO₄²⁻(suda)

Gerçek bir sülfürik asit çözeltisinde hidronyum derişimi bu yüzden molaritenin bir katından büyük, iki katından küçüktür. Hesabı sadeleştirmek için bu derste ve alıştırmalarında, soru aksini söylemedikçe, sülfürik asidin iki protonunu da tamamen verdiği kabul edilecek: [H₃O⁺] = 2 · M. «Seyreltme ve karıştırma» dersindeki nötralleşme soruları da sülfürik asidi bu kabulle iki H⁺ veren asit saymıştı.

Kuvvetli bazlar ve formüldeki hidroksit sayısı

Kuvvetli bazlar iyonik katılardır; suda çözünen kısım iyonlarına tamamen ayrışır. Lise düzeyinde iki aile bu listeyi oluşturur:

• 1A grubu metallerinin hidroksitleri: LiOH, NaOH, KOH (RbOH ve CsOH de bu ailedendir). Bir formül birimi bir OH⁻ verir.
• 2A grubunun alt sıralarındaki hidroksitler: Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂. Bir formül birimi iki OH⁻ verir. Kalsiyum hidroksit suda az çözünür; çözünebilen kısmı ise tamamen ayrışır.

Ayrışma denklemini yazmak, katsayıyı gözden kaçırmamanın en kısa yoludur:

NaOH(k) → Na⁺(suda) + OH⁻(suda)

Ba(OH)₂(k) → Ba²⁺(suda) + 2OH⁻(suda)

Şule'nin tablosundaki eksik buydu. 0,01 M Ba(OH)₂ çözeltisinin her litresinde 0,01 mol baryum iyonu ama 0,02 mol hidroksit iyonu bulunur. Hidroksit derişimi iki katına çıktığı için pOH, «pH ve pOH» dersindeki kurala göre 0,3 birim azalır: pOH = 2 − 0,3 = 1,7 ve pH = 12,3. NaOH'nin 12'si ile arada küçük görünen ama iki kat hidroksit anlamına gelen bir fark vardır; nötrleştirmek için iki kat asit gerekmesi de buradan gelir. Amonyak ise bu listede yoktur; suyla tepkimesi bir dengede kaldığı için zayıf bazdır.

Hesap akışı: molariteden pH'a, pH'tan molariteye

Her kuvvetli asit ya da baz sorusu aynı üç adımla çözülür: formül biriminin kaç iyon verdiğini yaz, molariteyi bu sayıyla çarparak iyon derişimini bul, sonra pH ya da pOH'a geç. Aşağıdaki tablo dört çözeltiyi 25 °C'de bu akışla gösteriyor (log 2 = 0,3 ve log 5 = 0,7):

Ters yönde akış ters sırayla yürür. pH'ı 13 olan bir Ba(OH)₂ çözeltisinde pOH 1'dir ve [OH⁻] = 0,1 M bulunur; bir formül birimi iki hidroksit verdiğine göre bazın molaritesi bunun yarısı, 0,05 M'dir. Aynı pH'ı veren NaOH çözeltisi ise 0,1 M olmalıdır. Kütle verilen sorularda önce mol bulunur: bir mol NaOH 40 gram geldiğinden 0,4 g NaOH 0,01 mol eder ve 250 mL çözeltide 0,04 M'lik bir hidroksit derişimi oluşturur.

Seyreltme: on kat su, bir birim pH

Kuvvetli bir asidi seyreltmek iyonların mol sayısını değiştirmez, yalnız hacmi büyütür; «Seyreltme ve karıştırma» dersindeki M₁V₁ = M₂V₂ bağıntısı iyon derişimi için de geçerlidir. Hacim on katına çıkınca hidronyum derişimi onda birine iner ve pH bir birim yükselir. Yüz kat seyreltme iki birim demektir. pH'ı 2 olan 10 mL HCl çözeltisi suyla 1 L'ye tamamlanırsa hacim yüz katına çıkar ve pH 4 olur. Bazda aynı akıl yürütme hidroksit derişimine uygulanır: pOH yükselir, pH düşer. pH'ı 12 olan bir NaOH çözeltisi bin kat seyreltilirse pH 9'a iner.

Formülün çöktüğü yer

Seyreltmeyi sürdürelim. 0,01 M HCl çözeltisini milyon kat seyreltirsek etiketteki molarite 10⁻⁸ M olur ve pH = −log[H₃O⁺] formülü 8 verir: asidik bir çözeltinin bazik çıktığı saçma bir sonuç. Hata formülde değil, kabuldedir. Şimdiye kadar hidronyum iyonlarının hepsini asitten geliyor saydık ve suyun kendi öziyonlaşmasından gelen 10⁻⁷ M'yi ihmal ettik. Asidin katkısı 10⁻² M iken bu ihmal zararsızdı; 10⁻⁸ M'de ise suyun katkısı asidinkinden on kat büyüktür. Çözelti saf suya çok yaklaşmıştır ve pH'ı 7'nin hemen altındadır, 8 değil. Pratik bir ölçü olarak, asidin ya da bazın verdiği iyon derişimi 10⁻⁶ M ve üstündeyse basit hesap güvenle kullanılır; 10⁻⁷ M civarına ve altına inildiğinde pH 7'ye yaklaşır ama öbür yana geçmez.

Kuvvetli asit ile kuvvetli baz bir arada

Bir kuvvetli asit ile bir kuvvetli baz karıştırıldığında hidronyum ve hidroksit iyonları bire bir harcanır:

H₃O⁺(suda) + OH⁻(suda) → 2H₂O(s)

Hesap derişim üzerinden değil, mol üzerinden yürür. Önce her çözeltinin getirdiği iyon molü bulunur; mililitre ile molaritenin çarpımı doğrudan milimol verir ve hesabı kısaltır. Az olan iyon tamamen tükenir, çok olandan fark kadarı artar. Artan iyon iki çözeltinin toplam hacmine dağılır; pH bu son derişimden hesaplanır.

Bir örnekle: 100 mL 0,03 M HCl ile 100 mL 0,01 M Ba(OH)₂ karıştırılsın. Asit 3 mmol H₃O⁺, baz 2 mmol OH⁻ getirir. Hidroksitin tamamı harcanır, 1 mmol hidronyum artar ve 200 mL'ye dağılır: [H₃O⁺] = 0,005 M. log 5 = 0,7 ile pH = 3 − 0,7 = 2,3 olur. İki iyonun mol sayısı eşit çıkarsa artan iyon kalmaz; geride yalnız kuvvetli bir asit ile kuvvetli bir bazdan türemiş tuz bulunur ve pH, 25 °C sıcaklıkta 7 olur. Nötralleşmenin her zaman pH 7 vermediği, «pH sezgisi ve nötralleşme» başlıklı TYT dersinin uyarısıydı; pH 7'nin güvenle söylenebildiği durum, iki tarafın da kuvvetli olduğu bu durumdur.

Aynı molaritede zayıf bir asit

0,1 M HCl ile 0,1 M asetik asidi yan yana düşünelim. Hidroklorik asitte her molekül iyonlaşır ve [H₃O⁺] = 0,1 M olur, pH 1'dir. Asetik asitte ise moleküllerin yalnız küçük bir kesri protonunu bırakır; hidronyum derişimi 0,1 M'nin çok altında kalır ve pH 1'den belirgin biçimde büyüktür. Yine de iki çözeltinin eşit hacimleri, nötralleşmeye kadar eşit mol baz harcar: hidroksit eklendikçe asetik asidin henüz iyonlaşmamış molekülleri de protonlarını sırayla verir. Aynı molarite aynı nötralleşme kapasitesi demektir, aynı pH demek değildir.

Zayıf asitte hidronyum derişimi molariteden tek adımda okunamaz; kaç molekülün iyonlaştığına bir denge sabiti karar verir. Bu yüzden bu derste yüz kat seyreltmenin pH'ı iki birim yükselttiğini söyleyen hesap da zayıf asitte şaşar. «Zayıf asit ve bazlar, Ka ve Kb» dersinde asitlik ve bazlık sabitlerini tanıyacak, hidronyum ya da hidroksit derişimini sabit ile molaritenin çarpımından karekök alarak bulacak ve seyreltildikçe iyonlaşan kesrin neden büyüdüğünü göreceğiz.

Örnek 1 — İki hidroksitli baz

Soru: 25 °C'de 0,01 M Ba(OH)₂ çözeltisinin pH'ı kaçtır? (log 2 yerine 0,3 kullanınız.)

• A) pH = 12,0
• B) pH = 1,7
• C) pH = 12,3
• D) pH = 11,7
• E) pH = 2,0

Çözüm: Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻ ayrışmasına göre [OH⁻] = 2 × 0,01 = 0,02 M. log 0,02 = 0,3 − 2 = −1,7 olduğundan pOH = 1,7 ve pH = 14 − 1,7 = 12,3. A seçeneği hidroksit sayısını bir alır, yani Şule'nin tablosundaki hatayı yapar. B ara adımdaki pOH'ta durur. D çarpmak yerine molariteyi ikiye böler: 0,005 M hidroksitten pOH 2,3, pH 11,7 çıkar. E bazı asit gibi işleyip molaritenin eksi logaritmasını doğrudan pH sayar. Cevap: C.

Örnek 2 — Seyreltilmiş sülfürik asit

Soru: 40 mL 0,25 M H₂SO₄ çözeltisi saf suyla son hacim 2 L olacak biçimde seyreltiliyor. Sülfürik asidin iki protonunu da tamamen verdiği kabul edilirse 25 °C'de yeni çözeltinin pH'ı kaçtır? (log 2 yerine 0,3 kullanınız.)

• A) pH = 2,3
• B) pH = 2,0
• C) pH = 0,3
• D) pH = 0,6
• E) pH = 12,0

Çözüm: Hacim 40 mL'den 2000 mL'ye, yani elli katına çıkar; asidin molaritesi 0,25 / 50 = 0,005 M olur. İki proton kabulüyle [H₃O⁺] = 2 × 0,005 = 0,01 M ve pH = 2. A seçeneği seyreltmeyi doğru yapıp ikinci protonu unutur. C ikinci protonu sayar ama seyreltmeyi atlar: 0,5 M hidronyumdan 0,3 çıkar. D hem seyreltmeyi hem ikinci protonu atlar ve 0,25 M'den 0,6 bulur. E pOH ile pH'ı karıştırır. Cevap: B.

Örnek 3 — Karışımda artan hidroksit

Soru: 25 °C'de 200 mL 0,05 M HNO₃ ve 300 mL 0,02 M baryum hidroksit çözeltileri aynı kaba boşaltılıyor. Hacimler toplanırsa karışımın pH'ı kaçtır? (log 2 yerine 0,3 kullanınız.)

• A) pH = 2,1
• B) pH = 2,4
• C) pH = 7,0
• D) pH = 12,0
• E) pH = 11,6

Çözüm: Asit 200 × 0,05 = 10 mmol H₃O⁺ getirir. Baryum hidroksit iki hidroksit verdiğinden 300 × 0,02 × 2 = 12 mmol OH⁻ gelir. Hidronyumun tamamı harcanır, 2 mmol hidroksit artar ve 500 mL'ye dağılır: [OH⁻] = 0,004 M. log 4 = 0,6 olduğundan pOH = 3 − 0,6 = 2,4 ve pH = 11,6. A seçeneği iki çarpanını unutur; bu durumda hidroksit 6 mmol sanılır, asit artar gibi görünür ve [H₃O⁺] = 0,008 M'den 2,1 bulunur. B pOH'ta durur. C artan iyonu hiç hesaplamadan karışımı nötr sayar. D artan 2 mmolü yalnız asidin 200 mL'sine böler. Cevap: E.

Örnek 4 — Seyreltmenin sınırı

Soru: 25 °C'de 0,001 M HCl çözeltisi önce suyla 100 kat, ardından elde edilen çözelti yeniden 1000 kat seyreltiliyor. Hangisi doğrudur?

• A) İlk seyreltmeden sonra pH 5 olur; ikinciden sonra çözelti pH'ı 8 olan bazik bir çözeltiye dönüşür.
• B) İlk seyreltmeden sonra pH 5 olur; ikinciden sonra pH 7'nin biraz altında kalır.
• C) Kuvvetli asidin iyonları seyreltmeyle değişmediği için iki adımda da pH 3 kalır.
• D) İlk seyreltmeden sonra pH 5 olur; ikinciden sonra çözelti saf suya dönüşür ve pH tam 7 olur.
• E) İlk seyreltmeden sonra pH 1 olur; ikinciden sonra pH 7'ye eşit olur.

Çözüm: Yüz kat seyreltme hidronyum derişimini 10⁻³ M'den 10⁻⁵ M'ye indirir ve pH iki birim yükselerek 5 olur. İkinci adımda asidin katkısı 10⁻⁸ M'ye düşer; bu değer suyun öziyonlaşmasından gelen 10⁻⁷ M'nin onda biridir. Çözelti saf suya çok yakındır ama hâlâ biraz fazla hidronyum içerir, pH 7'nin hemen altındadır. A seçeneği formülü suyun katkısını unutarak sürdürür. C mol sayısının korunmasını derişimin korunması sanır. E seyreltmenin yönünü ters çevirip pH'ı düşürür. D sınıra doğru yaklaşır ama asidin bıraktığı küçük katkıyı tamamen siler; 10⁻⁸ M'lik hidronyum fazlası pH'ı 7'nin hemen altında tutar. Cevap: B.

• Formüldeki hidroksit ya da proton sayısını atlamak. Ba(OH)₂, Sr(OH)₂ ve Ca(OH)₂ molaritenin iki katı OH⁻ verir; sülfürik asit bu derste iki katı H₃O⁺ verir. Örnek 1'deki A seçeneği ile Örnek 3'teki A seçeneği bu tek atlamadan doğar.
• HF'yi halojen olduğu için kuvvetli saymak. Kuvvetli asitler aile adıyla değil, formülleriyle bilinir: HCl, HBr, HI, HNO₃, HClO₄, H₂SO₄. HF zayıftır.
• Karışımda derişimleri doğrudan çıkarmak. 100 mL 0,05 M HCl ile 100 mL 0,04 M NaOH karışınca artan hidronyum 0,01 M değil, 0,005 M'dir: 1 mmol fazlalık iki katı hacme yayılır. Önce milimol bul, artanı toplam hacme böl.
• Artan iyonu yalnız bir çözeltinin hacmine bölmek. Karışım iki çözeltinin toplam hacmini kaplar. Örnek 3'teki D seçeneği bu hatadır.
• Seyreltme formülünü sınırsız uygulamak. 10⁻⁸ M HCl pH 8 vermez. İyon derişimi 10⁻⁷ M'ye yaklaşınca suyun kendi iyonları baskın olur ve pH 7'ye yaklaşır, öbür yana geçmez.
• Aynı molaritede kuvvetli ve zayıf asidin pH'ını eşit sanmak. Zayıf asidin hidronyum derişimi molaritesinden küçüktür, pH'ı daha büyüktür; nötralleştirdiği baz miktarı ise aynıdır.