Saf Suyun Otoiyonizasyonu

Saf Su İyonlaşabilir mi?

Saf su çok az da olsa iyonlaşabilir. Bu iyonlaşma sonucu H₃O⁺ ve OH⁻ iyonları oluşur. Saf suyun iyonlaşması pH skalasının ve asitlik-bazlık kavramlarının temelini oluşturur; sulu çözeltilerde gerçekleşen hidroliz ve esterleşme gibi tepkimelerde H₃O⁺ ve OH⁻ iyonları katalizör görevi görerek tepkimeleri hızlandırabilir. Saf suyun kendi kendine iyonlaşmasına otoiyonizasyon denir ve 2H₂O(s) + ısı ⇌ H₃O⁺(suda) + OH⁻(suda) şeklinde gösterilir.

Saf suyun iyonlaşması; su moleküllerinin bazılarının proton (H⁺) vermesi, bazılarının da proton alması ile gerçekleşir. Bir su molekülü başka bir su molekülüne proton verir; proton alan su molekülü hidronyum iyonuna (H₃O⁺), proton veren su molekülü hidroksit iyonuna (OH⁻) dönüşür. H₃O⁺ iyonu H⁺ sembolü ile de gösterilebildiği için otoiyonizasyon kısaca H₂O(s) + ısı ⇌ H⁺(suda) + OH⁻(suda) şeklinde de yazılabilir.

Otoiyonizasyonun Kanıtları

Saf suyun otoiyonizasyonu iletkenlik ve pH ölçümü ile belirlenebilir. Saf suyun iletkenlik değeri 0,055 mS/cm olarak ölçülmüştür; iletkenlik için serbest dolaşabilen elektronlar ya da iyonlar gereklidir, saf su moleküllerinde serbest elektron bulunmadığından az da olsa iletken olması saf suyun iyonlaştığını gösterir. Saf suyun pH değeri 25°C'ta 7 olarak ölçülmüştür; pH değerinin ölçülebilmesi suda hidronyum ve hidroksit iyonları bulunduğunu gösterir. Ayrıca 25°C'ta yapılan deneylerle saf suyun otoiyonizasyonuna ait denge sabiti değeri Ksu = 1×10⁻¹⁴ olarak hesaplanmıştır; bu değerin deneyle belirlenmesi de saf suyun iyonlaştığını kanıtlar.

pH ve pOH Kavramları

Saf suyun otoiyonizasyonu sonucu oluşan H₃O⁺ ve OH⁻ derişimleri çok küçük olduğundan, bu sayılarla işlem yapmak güçtür; bu nedenle hidrojenin gücü anlamına gelen pH kavramı geliştirilmiştir. Hidronyum iyonu derişiminin negatif logaritması pH değerini verir: pH = −log[H₃O⁺]. 25°C'ta saf suda H₃O⁺ derişimi 1×10⁻⁷ M olduğundan bu sıcaklıkta saf suyun pH değeri pH = −log(1×10⁻⁷) = 7 olarak hesaplanır.

Benzer şekilde hidroksit iyonu derişiminin negatif logaritması pOH değerini verir: pOH = −log[OH⁻]. 25°C'ta saf suda OH⁻ derişimi de 1×10⁻⁷ M olduğundan saf suyun pOH değeri de 7'dir.

Ksu Denge Sabiti

2H₂O(s) ⇌ H₃O⁺(suda) + OH⁻(suda) denge tepkimesine göre saf suyun otoiyonizasyonuna ait denge sabiti Ksu ile gösterilir ve Ksu = [H₃O⁺][OH⁻] şeklinde yazılır. Ksu, denge sabiti Kc'nin genel özelliklerini taşır; tıpkı Kc gibi sıcaklığa bağlı olarak değişir ve Le Chatelier ilkesine uyar. Saf suyun otoiyonizasyonunda H₃O⁺ derişimi OH⁻ derişimine her zaman eşittir. 25°C'ta saf suda bulunan H₃O⁺ ve OH⁻ derişimleri 1×10⁻⁷ M olduğundan Ksu = (1×10⁻⁷)(1×10⁻⁷) = 1×10⁻¹⁴ sonucuna ulaşılır.

Ksu değeri sıcaklığa bağlı olarak değişir: 0°C'ta yaklaşık 1,14×10⁻¹⁵, 25°C'ta 1×10⁻¹⁴, 37°C'ta 2,4×10⁻¹⁴, 50°C'ta 5,48×10⁻¹⁴, 100°C'ta 5,13×10⁻¹³'tür. Ksu değerine bağlı olarak 25°C'ta pH ölçeği 0-14 aralığında iken pH=7 değeri saf suyun nötr olduğunu ifade eder; ancak farklı sıcaklıklarda Ksu değeri değiştiği için pH ölçeği aralıkları ve saf suyun nötr olduğunu ifade eden pH değeri de değişir.

Özet

• Saf su az miktarda kendi kendine iyonlaşır (otoiyonizasyon): 2H₂O(s)+ısı⇌H₃O⁺(suda)+OH⁻(suda); bu tersinir ve endotermik bir olaydır, iletkenlik ve pH ölçümüyle kanıtlanır.
• pH=−log[H₃O⁺] ve pOH=−log[OH⁻] bağıntılarıyla hesaplanır; 25°C'ta saf suda [H₃O⁺]=[OH⁻]=1×10⁻⁷ M olduğundan pH=pOH=7'dir.
• Otoiyonizasyonun denge sabiti Ksu=[H₃O⁺][OH⁻] şeklinde yazılır; 25°C'ta Ksu=1×10⁻¹⁴'tür ve sıcaklık arttıkça Ksu değeri de artar (Le Chatelier ilkesine uyar).