DENEY 5 ASİDİK VE BAZİK ÇÖZELTİLER ph Skalası ve ph Ölçümleri AMAÇ: Çeşitli asit ve baz çözeltileri için ph nın ve ph skalasının ne olduğunun anlaşılması, ph kağıtları ve ph-metre yardımı ile hazırlanmış asidik ve bazik çözeltilerin ph larının saptanması. TEORİ Deney 4 de asit ve bazlarla ilgili teorik detaylı bilgiler verilmişti. Bu bilgiler burada tekrar edilmeyecektir. Bu nedenle aşağıdaki ph konusuna girmeden önce söz konusu bilgileri tekrarlamanız tavsiye edilmektedir. ph nedir? ph, bir çözeltinin asitliğini ya da bazikliğini (alkalinitesini) derecelendirmeye yarayan bir ölçü birimidir/skalasıdır. Kavram ilk kez 1909'da Danimarkalı kimyager Soren P. L. Sorensen tarafından ortaya atmıştır. İngilizce 'potential of hydrogen (hidrojenin potansiyeli)' veya 'power of hydrogen (hidrojenin gücü)' in kısaca gösterilimidir. Ayrıca ph şeklindeki kısaltmada; p eksi logaritmanın matematiksel sembolüdür, H ise hidrojen elementinin kimyasal gösterimidir. Yani; sulu ortamda hidrojen iyonu H + (veya hidronyum iyonu H 3 O + ) molar konsantrasyonun 10 tabanına göre eksi (-) logaritmasıdır. ph = - log [H + ] veya ph = - log [H 3 O + ] Suyun ph derecesi, içinde çözünmüş halde bulunan bütün asidik ve bazik maddelerden etkilenir. Suyun ph derecesiyle, bütün bu maddelerin toplam etkisi ölçülmüş olur. Suda ne kadar çok asidik madde varsa, ph değeri o kadar düşer. Başka bir ifade ile belirtilirse, asidik su elektron almaya, bazik su ise vermeye eğilimlidir. Aşağıdaki skalada günlük hayatta karşılaştığımız bazı maddelerin yaklaşık ph depğerleri görülmektedir.
ph Ölçeği /ph Skalası (ph Scale): 0-14 ph skalası Suyun ph derecesi, sudaki hidrojen (H + ) iyonları molar konsantrasyonunun negatif logaritmasıyla (10 tabanına göre) orantılıdır ve 0-14 aralığında bir skalayla ölçülür. Saf suyun hidrojen iyonları (H + ) konsantrasyonu, hidroksit (OH - ) iyonları konsantrasyonuna eşittir ve bu nedenle ph derecesi de nötr (neutral), yani 7'dir. Aşağıdaki her iki ph skalasında görüldüğü gibi; asidik özellikli sularda ph 0-7 aralığı geçerlidir ve H + iyonları OH - iyonlarından daha fazladır, bazik özellikli sularda ise OH - iyonları H + iyonlarından daha fazla bulunur ve ph 7-14 aralığındadır. ph ölçeği, (Almanca ph-wert, Fransızca Echelle ph, İngilizce. ph scale), sulu çözeltilerdeki H + ın (ve dolaylı olarak OH - ) molar konsantrasyonunun logaritmik olarak ifadesidir. Sulu çözeltilerin H + ve OH - konsantrasyonlarını tek bir skala ile ifade edebilmek için, H + iyonu molar konsantrasyonunun eksi logaritması alınır ve buna ph adı verilir: ph = - log [H + ]. Esasında H + iyonu suda serbest halde bulunmayıp daima bir su molekülüyle birleşmiş durumda, yani hidronyum iyonu (H 3 O + ) şeklindedir. Diğer taraftan istenirse OH - nin molar konsantrasyonunun eksi logaritmasının alınmasıyla da poh ifadesi elde edilir. Saf su, çok az olmakla birlikte dissosiye durumdadır ve suyun dissosiyasyon sabiti yaklaşık 1,0x10-14 tür. HOH H + + OH - Saf suda H + ve OH - iyonlarının hepsi su moleküllerinin ayrışmasından meydana gelmelidir. Bu durumda H + ve OH - iyonlarının mol sayıları birbirine eşit olur.
[H + ] [OH - ]= 1,0x10-14 [H + ] = [OH - ] = 1,0.10-7 M Yukarıdaki ph tanımından saf su için ph = 7 ve poh = 7 olarak bulunur. O halde seyreltik sulu çözeltide daima ph + poh = 14 'tür. Eğer suya asit ilâve edilirse hidrojen iyonu konsantrasyonu 1,0x10-7 M ın üstüne çıkar. İyonlar çarpımı 1,0x10-14 olarak sabit kalacağı için hidroksit iyonu konsantrasyonu 1,0x10-7 M ın altına düşer. Benzer şekilde suya baz eklenirse OH - konsantrasyonu 1,0x10-7 M ın üstüne çıkar ve H + konsantrasyonu 1,0x10-7 M ın altına düşer. Bütün nötr çözeltilerin ph'sı 7'dir. Düşük konsantrasyonlardaki sulu çözeltilerde ph, 0'dan 14'e kadar değişen değerler alır. Asitli çözeltilerin ph'sı 7'den küçük, bazik çözeltilerin ph'sı 7'den büyüktür. Asitler sulu çözeltide HCl (hidroklorik) asitte olduğu gibi; HCl H + + Cl - iyonlaşarak (dissosiye olarak) bir H + verirlerse bir değerlikli kuvvetli asit olarak tanımlanırlar. Ancak sülfirik asitte (H 2 SO 4 ) olduğu gibi; suda iyonlaştığında iki H + veren asitler de vardır, bunlara ise iki değerlikli kuvvetli asitler denir. H 2 SO 4 2 H + + SO 4-2 Bu durumda 1 M lık H 2 SO 4 sulu çözeltisinde 2 M H + varken, yine 1 M lık HCl sulu çözeltisinde 1M H + olur. Yani her ikisi de 1 M olan sulu asit çözeltilerinden H 2 SO 4, HCl in iki katı H + iyonu vermiş olur. ph hesaplamalarında bir karışıklığa meydan vermemek için; ph tanımının asit konsantrasyonu cinsinden değil de iyonlaşma (dissosiyasyon) sonucunda sudaki molar H + konsantrasyonu cinsinden ph = - log [H + ] şeklinde verildiğine dikkat edilmelidir. ph skalaları H + konsantrasyonlarını belirtmek için düzenlenmiştir. 10 tabanındaki logaritmik özelliğinden dolayı ph bir birim değiştiğinde H + konsantrasyonu 10 kat değişir. Örnek olarak, aşağıdaki Çizelge de görüldüğü gibi; ph = 0 bir değerlikli kuvvetli asidin 1 M lık çözeltisine, ph=1 aynı asidin desimolar yani 0,1 M lık çözeltisine, ph = 2 ise yine aynı asidin santimolar yani 0,01 M çözeltisine karşı gelir; ph = 7 nötr sulu çözeltiye, ph = 13 ise bir değerlikli (yani suda iyonlaştığında bir OH - veren) kuvvetli bir bazın desimolar yani 0,1 M çözeltisine; ph = 14 te bir değerlikli kuvvetli bazın 1 M lık çözeltisine karşı gelir.
ph ölçeği, kuvvetli asit ve bazların seyreltik çözeltileri ile zayıf asit ve baz çözeltilerinin konsantrasyonunu ifade etmede basitlik sağlar. Çünkü bu durumlarda H + konsantrasyonu genellikle 1'den küçük olup logaritmasının eksi (-) işareti alındığında pozitif ve basit bir sayı ele geçer. Yoksa örneğin, molaritesi 2 olan bir değerlikli kuvvetli bir asidik çözeltinin ph değeri negatif olur ki, bu şaşırtıcı olur. Yani 1 M dan daha konsantre kuvvetli asit ve baz çözeltileri için ph veya poh kullanımı anlamlı değildir. Normal bir suyun ph'sı 4 ile 9 arasında değişir. Suların arıtılmasında ph'nın büyük önemi vardır. ph'nın ölçülmesi Çözeltilerin ph'ları hakkında bir fikir edinmek için, H + konsantrasyonuna karşı hassas olan boyar maddeler kullanılır. Böyle maddelere indikatör adı verilir. Bu maddelerden çeşitli şekillerde örneğin kağıt şeritlere emdirilip kurutulmuş şekliyle faydalanılır. Bunlardan turnusol kağıdı çözeltiye daldırıldığında kırmızı renk alıyorsa çözeltinin asidik, mavi renk alıyorsa bazik olduğu anlaşılır. Metil oranj kuvvetli asitlerle temasta kırmızı renk alır. Fenol ftalein ise asidik çözeltide renksiz olup, ph'sı 8-10 arası olan bazik çözeltide pembe renk alır. Artık günümüzde yine indikatörlerin kullanımı ile hazırlanmış farklı ph larda farklı renkler alan ph kağıtları (şeritleri) vardır. Böyle bir kağıt şerit sulu asit veya baz çözeltisine daldırıldığında; aldığı rengin kağıtla birlikte verilmiş olan Renk- ph Skalası ile karşılaştırılmasından 1 birim hassasiyetle çözeltinin ph sını saptamak mümkün olabilmektedir. ph ölçümleri, ph metrelerle daha hassas ve pratik olarak yapılmaktadır. ph metre ilk defa Danimarkalı Sörensan tarafından yapılmıştır. Bunlar aslında; özel bir elektrot sistemi (cam elektrot- kalomel elektrot) ile cam elektrot ve çözelti arasındaki H + konsantrasyon farkından kaynaklanan potansiyel farkını ölçmeye dayanan aletlerdir. Bu fark H + konsantrasyonuna bağlı olduğundan, aynı zamanda çözeltinin ph'sı da ölçülmüş olmaktadır.
Günümüzde en çok kullanılan ölçü araçları cam elektrotlu olanlardır. Bunlar, içinde platin tel bulunan ince camdan yapılmışlardır. ph'sı zamanla değişmeyen bir asidik çözelti ihtiva ederler. APARAT VE MALZEMELER 100 ml lik beher, 50 ml lik büret, 250 ml lik erlenmayer, destile su, puar, çeşitli konsantasyonlarda seyreltik sulu asit ve baz çözeltileri, ph kağıdı, ph-metre. DENEYİN YAPILIŞI Deney sorumlusundan ph kağıdı ve ph-metre kullanımları ile ilgili bilgileri alıp öğrendikten sonra; 1) Günlük hayatımızdaki bazı içeceklerin (kola, sirke, limon suyu, meyva suyu, ayran, çay, süt vb.) ph larını; a. ph kağıdı kullanarak, b. ph-metre kullanarak saptayınız. 2) Size verilen konsantrasyonları ve cinsi bilinen çeşitli seyreltik asit ve baz sulu çözeltilerinin ph larını; a. ph kağıdı kullanarak, b. ph-metre kullanarak saptayınız. 3) Asit ve bazın kaç değerlikli olduğunu deney sorumlusundan öğreneceğiniz seyreltik bir asit çözeltisinin bir de baz çözeltisinin ph larını ph-metre ile ölçünüz. (Deney sonunda asit ve baz çözeltilerinin konsantrasyonlarını deney sorumlusundan öğrenip not ediniz.) RAPOR İÇİN İSTENENLER Raporunuzun ilgili bölümlerinde aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1) Deneyin 1. Kısmı nda çeşitli içecekler için saptadığınız ph değerlerini bir Çizelge halinde veriniz. Bulduğunuz ph değerleri sizce anlamlı mıdır, niçin? 2) Deneyin 2. Kısmı için; a- Aynı sulu çözelti için; ph kağıdı ve ph-metre ile saptadığınız ph değerlerini hazırlayacağınız bir Çizelge de karşılaştırınız, farklı iseler nedenini tartışınız, bu durumda hangisini daha doğru değer olarak alırsınız, neden? b-her sulu çözelti için; doğru olarak aldığınız ph değerini; konsantrasyonu bilinen çözeltinin hesapla bulacağınız ph değeri ile karşılaştırıp sonucu tartışınız. 3) Deneyin 2. Kısmı ile ilgili olarak; saptadığınız ph değerini kullanarak seyreltik asit ve baz çözeltisinin konsantrasyonlarını gerekli eşitlik ve bağıntıları yazarak hesaplayınız. Bulduğunuz konsantrasyon değerlerini deney sorumlusundan aldığınız değerlerle karşılaştırıp sonucu tartışınız.