Asitler, Bazlar, pH 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 demektir${}^1$‍.

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:

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:

${\text{H}}_2$‍$\text{O}$‍ $\text{(l)}$‍ $\rightleftharpoons$‍ ${\text{H}}^{+}$‍ $\text{(aq)}$‍ + ${\text{OH}}^{-}$‍ $\text{(aq)}$‍

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${}^{+}$‍) iyonlarının ve hidroksit (OH${}^{-}$‍) iyonlarının sayıları eşittir. Hidroksit iyonları çözeltide hidroksit iyonları halinde dolaşabilirken hidrojen iyonları, hidronyum iyonları (H${}_3$‍O${}^{+}$‍) oluşturmak için etraflarında bulunan bir su molekülüne aktarılır. Bu da, suda serbest halde dolaşan H${}^{+}$‍ 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${}^{-7}$‍ 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 33.460.000.000.000.000.000.000.000'dır${}^{2,3}$‍. (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${}^{+}$‍ derişimine sahipken; asidik çözeltiler sudan daha yüksek H${}^{+}$‍ derişimine sahiptir (1 × 10${}^{-7}$‍ M'dan fazla). Bir çözeltinin hidrojen iyonu derişimi, tipik olarak pH ile ifade edilir. pH bir çözeltinin hidrojen iyonu derişiminin negatif logaritması olarak hesaplanır:

H${}^{+}$‍ etrafındaki köşeli parantezler, bu iyonun derişimini ifade eder. Eğer suyun hidrojen iyonu derişimini (1 × 10${}^{-7}$‍ 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${}^{+}$‍ derişimi nötr olmaktan çıkar. Asit, çoğunlukla kendi içindeki hidrojen atomlarından birini ayrışma yoluyla vererek bir çözeltideki hidrojen iyonu derişimini (H${}^{+}$‍) artıran maddelerdir. Buna karşın baz ise, hidrojen iyonlarını toplayıp onları çözeltiden alacak, hidroksit (OH${}^{-}$‍) 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${}^{+}$‍ 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${}^{+}$‍'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${}^{+}$‍ 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${}^{+}$‍ iyon derişimlerini sabit tutmak için temel bir görev görürler. Bir tampon, çok fazla H${}^{+}$‍ 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${}^{+}$‍ 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 (H${}_2$‍CO${}_3$‍) ve konjüge bazı olan bikarbonat iyonu (HCO${}_3$‍${}^{-}$‍) 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 CO${}_2$‍'ye dönüştürüldüğü yer) arasında, kanda dolaştığı asıl formdur.

Eğer çok fazla H${}^{+}$‍ iyonu oluşursa, yukarıdaki denklem sağa doğru ilerleyecek ve bikarbonat iyonları karbonik asit üretmek için H${}^{+}$‍ absorbe edecektir. Buna benzer olarak, H${}^{+}$‍ derişimleri çok düşerse de, bu denklem sola doğru ilerleyecek ve karbonik asit bikarbonata dönüşecek ve böylece çözeltiye H${}^{+}$‍ iyonları katılacaktır. Tampon sistemleri olmazsa vücuttaki pH, yaşamı tehlikeye sokacak derecede değişebilir.