Asitlik, bazlık, proton yoğunluğu, pH ölçeği ve tampon sistemleri.
Daha önce bir kimya laboratuvarına hiç adım atmamış olsanız bile asitler ve bazlar hakkında bir iki şey biliyorsunuzdur. Örneğin; daha önce portakal suyu veya kola içtiniz mi? İçtiyseniz, asidik çözeltilerin bazı yaygın örneklerine aşinasınız demektir. Daha önce mutfakta kabartma tozu veya yumurta akı kullandıysanız da, bazı bazlara da aşinasınız demektir1start superscript, 1, end superscript.
Asidik şeylerin tadının biraz ekşi olduğunu veya sabun ve çamaşır suyu gibi bazik şeylerin biraz kaygan olduğunu fark etmişsinizdir, fakat bir şeyin asidik veya bazik olması tam olarak ne anlama gelir? Bu soruyu kısaca yanıtlamamızı isterseniz, size şunu söyleyebiliriz:
Asidik bir çözeltide bulunan hidrojen iyonu (H+start superscript, plus, end superscript) yoğunluğu, saf suda bulunan hidrojen iyonu yoğunluğundan daha fazladır.
Bazik bir çözelti ise, saf sudan daha düşük bir H+start superscript, plus, end superscript yoğunluğuna sahiptir.
Bu tanımın nereden geldiğini anlamak için gelin birlikte suyun asit-baz özelliklerini inceleyelim.
Hidrojen iyonları, saf suda bulunan su moleküllerinin küçük bir kısmının anlık olarak ayrışmasıyla (iyonlaşma) oluşur. Bu süreç, suyun otoiyonizasyonu olarak adlandırılır:
H2start text, H, end text, start subscript, 2, end subscriptOstart text, O, end text(l)start text, left parenthesis, l, right parenthesis, end text⇌\rightleftharpoonsH+start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript(aq)start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text + OH−start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript(aq)start text, left parenthesis, a, q, right parenthesis, end text
Parantez içindeki harfler suyun sıvı (l) (ingilizce liquid kelimesinden gelir) olduğunu ve iyonların sulu çözeltide (aq) (ingilizce aqueous kelimesinden gelir) bulunduğunu ifade eder.
Denklemde de görüldüğü gibi ayrışma sonucu oluşan hidrojen (H+start superscript, plus, end superscript) iyonlarının ve hidroksit (OH−start superscript, minus, end superscript) iyonlarının sayıları eşittir. Hidroksit iyonları çözeltide hidroksit iyonları halinde dolaşabilirken hidrojen iyonları, hidronyum iyonları (H3start subscript, 3, end subscriptO+start superscript, plus, end superscript) oluşturmak için etraflarında bulunan bir su molekülüne aktarılır. Bu da, suda serbest halde dolaşan H+start superscript, plus, end superscript iyonlarının olmadığı anlamına gelir. Ancak bilim insanları, hidrojen iyonlarını ve bunların derişimini anlatabilmek için, bu iyonların serbest dolaştıklarını ve hidronyum formunda olmadıklarını varsayıyorlar. Başka bir deyişle, bu herkesçe kabul edilen bir durumdur.
Pekala, bir sürahi suda bulunan su molekülleri ne kadarı ayrışır? Saf suda ayrışmayla elde edilen hidrojen iyonlarının derişimi şudur: 1 × 10−7start superscript, minus, 7, end superscript M (bir litre su başına düşen mol sayısı).
Bu çok mu yoksa az mı? Bir litre saf suyun içerisindeki hidrojen iyonlarının sayısı genelde düşündüğümüz orana göre çok olsa da (katrilyon olarak), bir litredeki su moleküllerinin toplam sayısı – ayrışmış ve ayrışmamış– yaklaşık 'dır2,3start superscript, 2, comma, 3, end superscript. (İşte bir daha su içerken düşünebileceğiniz bir şey!) Dolayısıyla, otoiyonlaşmış su molekülleri herhangi bir saf su hacmindeki toplam moleküllerin arasında çok küçük bir miktardır.
Çözeltiler, saf suya kıyasla hidrojen iyonu derişimine göre asidik veya bazik olarak sınıflandırılırlar. Bazik (alkali) çözeltiler daha düşük H+start superscript, plus, end superscript derişimine sahipken; asidik çözeltiler sudan daha yüksek H+start superscript, plus, end superscript derişimine sahiptir (1 × 10−7start superscript, minus, 7, end superscript M'dan fazla). Bir çözeltinin hidrojen iyonu derişimi, tipik olarak pH ile ifade edilir. pH bir çözeltinin hidrojen iyonu derişiminin negatif logaritması olarak hesaplanır:
pH =−log10start text, p, H, space, =, end text, minus, l, o, g, start subscript, 10, end subscript[Hstart text, open bracket, H, end text+start superscript, plus, end superscript]start text, close bracket, end text
H+start superscript, plus, end superscript etrafındaki köşeli parantezler, bu iyonun derişimini ifade eder. Eğer suyun hidrojen iyonu derişimini (1 × 10−7start superscript, minus, 7, end superscript M) bu denkleme koyarsanız, nötr pH olarak da bilinen 7,0 değerini elde edersiniz. İnsan vücudunda, hücre içindeki kan ve hücre sıvısı (su gibi yapışkan madde) nötre yakın pH değerlerine sahiptir.
Bir asit ya da baz, sulu bir çözeltiye eklendiğinde H+start superscript, plus, end superscript derişimi nötr olmaktan çıkar. Asit, çoğunlukla kendi içindeki hidrojen atomlarından birini ayrışma yoluyla vererek bir çözeltideki hidrojen iyonu derişimini (H+start superscript, plus, end superscript) artıran maddelerdir. Buna karşın baz ise, hidrojen iyonlarını toplayıp onları çözeltiden alacak, hidroksit (OH−start superscript, minus, end superscript) veya başka bir iyon ya da molekül sağlayarak pH değerini artırır. (Bu, biyolojinde önemli bir konu olan asit ve bazları anlatan basitleştirilmiş bir tanımdır. Diğer asit ve baz tanımlarını incelemek için kimya bölümünü ziyaret edebilirsiniz.
Asit ne kadar kuvvetli olursa o kadar kolay ayrışıp H+start superscript, plus, end superscript üretebilir. Örneğin, hidroklorik asit (HCl) suya konulduğunda tamamen hidrojen ve klorür iyonlarına ayrışır bu yüzden kuvvetli asit olarak sınıflandırılır. Öte yandan, domates suyundaki ya da sirkedeki asit suda tamamen çözünmediğinden ötürü, bu maddeler zayıf asit olarak adlandırılır. Bbenzer olarak, sodyum hidroksit (NaOH) gibi kuvvetli bazlar, suda tamamen çözünerek, H+start superscript, plus, end superscript'yı yakalayan hidroksit iyonları (başka bazik iyonlar da olabilir) bırakırlar.
pH ölçeği asitlik ve bazlık (alkalilik) açısından çözeltileri derecelendirmek için kullanılır. Ölçek pH değerlerini baz aldığı için, logaritmiktir yani 1 birim pH değişimi, H+start superscript, plus, end superscript iyon derişiminde on katlık bir değişime denk gelir. 0’ın altında ya da 14’ün üzerinde bir pH değeri elde etmek mümkün olsa da, pH ölçeği genellikle 0’dan 14’e kadar derecelendirilir ve pek çok çözelti zaten bu aralıkta yer alır. 7,0’nin altındaki herşey asidik, 7,0’nin üstündeki herşey de alkali ya da bazik kabul edilir.
İnsan hücrelerindeki pH değeri (6,8) ile kandaki pH değeri (7,4) nötre çok yakındır. 7,0’nin altında ya da üzerindeki aşırı pH değerleri yaşam için genellikle olumsuz kabul edilir. Yine de midenizin içi, 1 ile 2 arasında pH değerine sahip olup fazlaca asidiktir. Peki midemiz bu sorunu nasıl çözüyor? Cevap: Kullan-at hücreler! Mide hücreleri, özellikle de midedeki gıdalarla ve mide asidiyle doğrudan temasa geçenler; süreki ölür ve yenileriyle değişir. Hatta insan vücudundaki mide zarı yedi ile on günde bir tamamen yenilenir.
İnsan dahil çoğu organizma hayatta kalabilmek için belirli bir pH değerini korumaya ihtiyaç duyar. Örneğin, insan kanındaki pH oranının 7,4 civarında olması gerekir ve kan dolaşımına asidik ya da bazik maddeler girip çıksa bile; kanın pH değerinin, bu oranın çok üstünde ya da çok altında olmaması gerekir.
pH değerindeki değişikliklere dayanabilen tampon çözeltiler biyolojik sistemlerde H+start superscript, plus, end superscript iyon derişimlerini sabit tutmak için temel bir görev görürler. Bir tampon, çok fazla H+start superscript, plus, end superscript iyonu bulunduğunda, pH değerini eski seviyeye getirmek için bu iyonların bir kısmını absorbe edecek; sayı çok az olduğunda ise pH değerini düşürmek için kendisinde bulunan H+start superscript, plus, end superscript iyonlarını verecektir. Tamponlar genelikle, aralarında bir proton fark olan bir asit-baz çiftinden oluşurlar (konjuge asit-baz çifti).
Örneğin, insan kanındaki pH değerini koruyan tamponlardan birinde karbonik asit (H2start subscript, 2, end subscriptCO3start subscript, 3, end subscript) ve konjüge bazı olan bikarbonat iyonu (HCO3start subscript, 3, end subscript−start superscript, minus, end superscript) bulunur. Karbonik asit, kan dolaşımına karbondioksit girdiğinde ve suyla karıştığında oluşur. Karbonik asit, zamanda karbondioksidin, kas (oluştuğu yer) ve akciğerler (tekrar suya ve atık ürün olarak salınan CO2start subscript, 2, end subscript'ye dönüştürüldüğü yer) arasında, kanda dolaştığı asıl formdur.
Eğer çok fazla H+start superscript, plus, end superscript iyonu oluşursa, yukarıdaki denklem sağa doğru ilerleyecek ve bikarbonat iyonları karbonik asit üretmek için H+start superscript, plus, end superscript absorbe edecektir. Buna benzer olarak, H+start superscript, plus, end superscript derişimleri çok düşerse de, bu denklem sola doğru ilerleyecek ve karbonik asit bikarbonata dönüşecek ve böylece çözeltiye H+start superscript, plus, end superscript iyonları katılacaktır. Tampon sistemleri olmazsa vücuttaki pH, yaşamı tehlikeye sokacak derecede değişebilir.