KARIŞIMLAR HOMOJEN KARŞIMLAR 1.ÇÖZÜCÜLER VE ÇÖZELTİLER: - PDF
Download "KARIŞIMLAR HOMOJEN KARŞIMLAR 1.ÇÖZÜCÜLER VE ÇÖZELTİLER:"
1 KARIŞIMLAR HOMOJEN KARŞIMLAR 1.ÇÖZÜCÜLER VE ÇÖZELTİLER: Kimyasal tepkimeler arasında, çözelti ve çözelti tepkimeleri önemli yer tutmaktadır. Bir maddenin başka bir madde içinde, gözle görülemeyecek kadar küçük tanecikler halinde dağılmasıyla oluşan homojen karışıma, çözelti denir. Çözeltilerde, genellikle miktarca çok olana, çözücü (çözen); az olana ise çözünen denir. TUZ + SU (çözünen) (çözücü) TUZLU SU (çözelti) Maddenin üç fiziksel halinin değişik şekillerde bir araya gelmesiyle; katı-katı, katı-sıvı, katı-gaz, sıvı-sıvı, gaz-sıvı ve gaz-gaz şeklinde çözelti türleri oluşur. Biz bunlardan sadece çözücüsü sıvı olan çözeltileri inceleyeceğiz. Çözeltiler, bir çözücü içinde çözünen madde miktarının az veya çok olmasına göre ikiye ayrılır: 1.Seyreltik çözeltiler (Çözeni çok çözüneni az olan çözeltidir.) 2.Derişik çözeltiler (Çözüneni çok olan çözeltilerdir.) Çözeltiler içerdikleri çözünen madde miktarına göre de üçe ayrılır: 1.Doymamış çözelti 2.Doymuş çözelti 3.Aşırı doymuş çözelti 1.Doymamış çözelti: Belirli bir sıcaklıkta, belirli bir miktar çözücünün çözebileceğinden daha az çözünen madde içeren çözeltiye DOYMAMIŞ ÇÖZELTİ denir. 20 C ta 100 ml (100 gram) su, en fazla 36 gram NaCl çözebilir. 20 C ta 100 gram suya 36 gramdan az (örneğin 15 gram) NaCl ekleyerek elde ettiğimiz çözelti doymamış çözeltidir. 2.Doymuş çözelti: Belirli bir sıcaklıkta, belirli bir miktar çözücünün, çözebileceği en fazla miktarda maddeyi çözmüş olan çözeltiye DOYMUŞ ÇÖZELTİ denir. 20 C ta 100 gram suya 36 gram NaCl ekleyerek elde ettiğimiz çözelti doymuş çözeltidir. 3.Aşırı doymuş çözelti: Belirli bir sıcaklıkta, belirli bir miktar çözücünün çözebileceğinden daha fazla çözünen madde içeren çözeltiye AŞIRI DOYMUŞ ÇÖZELTİ denir. Aşırı doymuş çözeltiler soğutulduklarında, çözünmüş olan maddenin bir miktarı dibe çöker, çözelti doymuş hale gelir. Çözeltiler elektrik akımını iletiyorsa, ELEKTROLİT ÇÖZELTİLER; elektrik akımını iletmiyorsa ELEKTROLİT OLMAYAN ÇÖZELTİLER adını alır. Elektrolit çözelti Tuzlu su Elektrolit olmayan çözelti Şekerli su Hava bir çözeltidir. Çünkü, havayı oluşturan azot, oksijen, karbon dioksit ve diğer gazlar birbiri içerisinde homojen bir şekilde dağılmıştır. Bu durum bütün gaz karışımları için geçerlidir. O halde bütün gaz karışımlarının birer çözelti olduğunu söyleyebiliriz. Sıvı karışımları için bu kural geçerli değildir. Örneğin zeytinyağı-su karışımı homojen olmadığı için çözelti değildir. Aynı şekilde karbontetraklorür-su karışımı da çözelti değildir. Metaller birbirleriyle homojen karışımlar yaparak alaşımları meydana getirebilir. Alaşımları genel olarak çözelti kabul edebiliriz. ÇÖZÜCÜ ÇÖZÜNEN ÇÖZELTİ KATI KATI Alaşımlar (Bronz=Bakır+Kalay+Kurşun) (Pirinç=Bakır+Çinko) KATI SIVI Amalgam KATI GAZ Oluşmaz SIVI KATI Tuzlu-su SIVI SIVI Alkol-Su SIVI GAZ Gazoz GAZ KATI Oluşmaz GAZ SIVI Nem GAZ GAZ Temiz Hava, Doğal Gaz
2 2.ÇÖZELTİLERİN ÖZELLİKLERİ: Saf bir sıvının belli bir basınçtaki kaynama sıcaklığı sabit olup, kaynama süresince sıcaklık değişmez. Çözeltilerin belirli bir kaynama sıcaklıkları yoktur. Kaynama sıcaklıkları saf çözücününkinden daha yüksektir ve kaynama sırasında sıcaklık sürekli artar. Saf sıvıların, sabit basınçta belli bir donma sıcaklıkları olmasına rağmen; çözeltilerin belli bir donma sıcaklıkları yoktur. Donma sırasında sıcaklık sürekli düşer. Sulu çözeltilerin tamamı 0 C ın altında donar. Çözeltilerde kaynama noktasının yükselmesi ile donma noktasının düşmesi, çözünen madde miktarına ve bunun çözeltide oluşturacağı tanecik (molekül veya iyon) sayısına bağlıdır; maddenin türüne bağlı değildir. Günlük hayatta homojen gördüğümüz her şey göründüğü gibi (gözün seçtiği en küçük boyut: 10-4 m) olmayabilir. Bunlara büyüteç, mikroskop, dürbün vb. ile baktığımızda bazılarının heterojen olduğunu fark ederiz. Su içerisine şeker veya tuz atılıp karıştırıldığında katı madde suda kaybolur, çıplak gözle ya da mikroskopla bakıldığında çözünen görünmez. Diğer yandan içerisinde asılı halde çok küçük madde parçaları bulunan bir sıvıdan (örneğin, tebeşir tozu-su karışımı) ışık geçirildiğinde parçacıklar, ışığı yansıtarak görünür hale gelir. Oysa aynı ışık demeti şeker ya da tuz içeren sudan geçirildiğinde hiçbir şey görünmez. O halde su ile şeker veya tuz karışımında su molekülleri ile şeker molekülleri ya da tuz iyonları tamamıyla karışmış (homojen) durumdadır. Homojenliğin anlamı, "boyutu 10 nanometreden (nm) daha küçük olacak şekilde dağılmış maddelerin oluşturduğu homojen karışım" şeklinde tanımlayabiliriz. 3.SIVI ÇÖZELTİLERDE ÇÖZÜCÜ VE ÇÖZÜNEN ARASINDAKİ ETKİLEŞİM: Apolar moleküller arasındaki çekim kuvveti yalnızca London kuvvetleridir. London kuvvetleri, çekirdek etrafındaki elektron bulutunun herhangi bir anda simetrik olmamasından kaynaklanır. Dipol-dipol etkileşimi; su, kloroform, hidrojen florür gibi polar sıvılarda ve polar moleküllü katılarda görülür. Polar sıvıların birbirleri içinde çözünmeleri moleküllerin bu etkileşimin sonucudur. Dipol-dipol etkileşimi, iyon-dipol etkileşiminden daha zayıftır. Etkileşim, moleküller arası uzaklığa daha çok bağlıdır. Polar moleküller arasındaki dipol-dipol kuvvetleri London kuvvetlerinden çok daha güçlüdür. Güçlü dipoldipol etkilere ilave olarak bazı moleküllerde hidrojen bağlarından dolayı moleküller arası güçlü çekim kuvvetleri görülebilir. Apolar ve polar maddeler genellikle birbirleri ile karışmaz. Örneğin, CCI 4 (karbontetraklorür) polar bir madde olan su ile karışmaz. Çünkü su moleküllerinin kendi arasındaki çekim kuvveti, su ve CCI 4 moleküllerinin çekim kuvvetinden çok daha fazladır. Su molekülleri CCI 4 moleküllerini çekmeyi tercih etmez. Oluşan bu karışım da yoğunluğu fazla olan CCI 4 dibe çöker, su üstte kalır. Böylece iki ayrı bileşenli iki saf faz içeren bir sistem elde edilmiş olur. Apolar yapıya sahip I 2 (iyot) apolar CCl 4 'de rahatlıkla çözünür. Katı I 2 ta moleküller arası çekim kuvveti, sıvı CCI4 molekülleri arasındaki çekim kuvvetine oldukça yakındır. Dolayısıyla katı I 2 ve sıvı CCI 4 molekülleri rahatlıkla karışabilir. Polar moleküllerin su ile karışma isteği çok yüksektir. Örneğin, etanol su ile her oranda rahatlıkla karışabilir. Etanol polar olmayan çözücülerde genelde çözünmez. Genellikle polar maddeler yalnızca polar çözücülerde, apolar maddeler apolar çözücülerde çözünür. Bir başka deyişle benzer benzeri çözer. NaCl kristalindeki Na + iyonu Cl - iyonları tarafından her yöne eşit ölçüde çekilmektedir. Aynı şekilde her bir Cl - iyonuda Na + iyonu tarafından her yöne eşit ölçüde çekilmektedir. Yüzeydeki iyonlarda ise elektrostatik çekim kuvvetleri denkliği yoktur. Su molekülleri, bu yüzey iyonlarının artı olanlarını (Na + ) eksi uçlarıyla, eksi olanlarını (Cl - ) da artı uçlarıyla çekerek katı fazdan çözeltiye taşır. Böylece iyon-dipol etkileşmesinin, iyonları kristal yüzeyinden uzaklaştırarak çözeltiye geçirecek güçte olduğu görülür. Çözünen iyonların su molekülleri ile çevrilmesi sonucunda oluşan çözünmeye hidratlaşma(hidratasyon) denir. Eğer su yerine başka bir çözücü tercih edilirse hidratlaşma yerine solvatasyon(solvatize olma) kelimesi kullanılır.
3 4.ÇÖZÜNME ENTALPİSİ: Bir çözelti oluşumu sırasında çözücü ve çözünen tanecikler arasında etkileşim kuvvetleri ortaya çıkacağından enerji değişimi de kaçınılmazdır. Çözünme sürecinin üç ayrı basamakta gerçekleştiğini söyleyebiliriz. Birinci basamak;çözücü moleküllerinin ayrılması, İkinci basamak; çözünen moleküllerinin ayrılmasıdır. Bu basamaklarda moleküllerarası çekim kuvvetlerini yenmek için bir miktar enerji gerekir. Dolayısıyla bu basamaklar endotermiktir. Üçüncü basamakta; çözücü ve çözünen molekülleri karışır. Bu basamak endotermik veya ekzotermik olabilir. Çözeltinin ısısına ΔH çözelti dersek, çözelti ısısı bu üç basamağın ısıları toplamına eşittir. ΔH çözelti =ΔH 1 +ΔH 2 +ΔH 3 Eğer çözünen ile çözücü tanecikleri arasındaki etkileşim, çözünen ve çözücünün kendi tanecikleri arasındaki etkileşimden daha kuvvetli ise çözünme işlemi (çözelti oluşumu) ekzotermik olarak gerçekleşir. (ΔH çözelti <O). Eğer çözünen ile çözücü etkileşimi, çözünen ve çözücünün kendi tanecikleri arasındaki etkileşimden daha zayıf ise çözünme işlemi (çözelti oluşumu) endotermiktir. (ΔH çözelti >O). Çözünen iyonların su molekülleri ile çevrilmesi sonucunda oluşan çözünmeye hidratlaşma (hidratasyon) denir. Eğer su yerine başka bir çözücü tercih edilirse hidratlaşma yerine solvatasyon (solvatize olma) kelimesi kullanılır.
4 ÇÖZELTİLERİN DERİŞİMİ 1.ÇÖZELTİLER: Çözücü ve çözünenin oluşturduğu homojen karışımlara çözelti denir. Çözücüsü su olan çözeltilere sulu çözeltiler denir. 2.ÇÖZELTİ DERİŞİMLERİ: Derişim, verilen bir çözücüde ya da çözeltide bulunan çözünen miktarının bir ölçüsüdür. Derişimin değişik amaçlar için değişik birimlerle verilmesi mümkündür. Kütlece Yüzde Derişim Çözeltinin 100 gramında çözünmüş olarak bulunan maddenin gram cinsinden madde miktarına, kütlece yüzde derişim denir. Çözünenin kütlesi Kütlece yüzde derişim = x 100 Çözeltinin kütlesi SORU: 135 gram su içinde 15 gram şeker çözülerek hazırlanan çözelti kütlece yüzde kaçlıktır? Hacimce yüzde derişim Sıvı-sıvı çözeltiler hacim olarak ölçülebildiğinden bazı çözeltilerin derişimleri hacim yüzdesine göre hazırlanır. Örneğin;-15,6 C'ta donan ve antifiriz olarak da kullanılan metanol çözeltisinde hacimce %25 metanol bulunur. 100ml'lik antifiriz çözeltisi 25ml CH 3 OH bulunduruyor demektir. Kütle(g)/hacim(ml) Bu derişim birimi de çözünen kütlesinin çözeltinin hacme oranıyla verilir. Örneğin;100 ml çözeltide 0,9 g NaCl içeren sulu çözeltinin derişimi %0,9'dur (Kütle/Hacim). Bu birim genellikle tıp ve eczacılıkta kullanılır. ppm ve ppb ppm, (parts per million) milyonda bir birime verilen isimdir. Çok düşük değerleri ifade etmek için kullanılır. Herhangi bir karışımda toplam madde miktarının milyonda 1 birimlik maddesine 1 ppm denir. Ppm derişim birimi olarak kullanılır. Her üç harfi de küçük olarak "ppm" şeklinde yazılır. Herhangi bir şeyin milyonda birini de ifade edebilir. ppb=parts per billion, milyarda bir gibi daha küçük birimleri ifade eder. ppm ve ppb orantı ifade ettikleri için boyutsuz niceliklerdir. ÇÖZÜNME HIZINA ETKİ EDEN FAKTÖRLER: 1.Çözücü Çözünenin Cinsi: Genel olarak benzer maddeler birbiri içinde daha iyi çözünürler. 2.Temas Yüzeyi: Temas yüzeyinin artırılması çözünme hızını artırır. 3.Karıştırmak: Çözeltinin karıştırılması çözünme hızını artırır. 4.Sıcaklık: Çözeltinin sıcaklığının artırılması katı ve sıvıların hem çözünme hızını hem de çözünürlüğünü artırır. 5.Basınç:Çözeltinin basıncının artırılması gazların hem çözünme hızını hem de çözünürlüğünü artırır.
5 ÇÖZELTİLERİN DERİŞİME BAĞLI (KOLİGATİF) ÖZELLİKLERİ 1.ÇÖZELTİLERİN DERİŞİME BAĞLI ÖZELLİKLERİ: Çözünen taneciklerinin kimyasal özelliklerine değil sayılarına (derişimlerine) bağlı olan özelliklere koligatif özellikler adı verilir. Burada ele alacağımız koligatif özellikler çözücünün buhar basıncının düşmesi, kaynama sıcaklığının yükselmesi, donma sıcaklığının alçalması ve bir zar (membran) dan farklı derişimdeki çözelti içine geçme eğilimidir. Koligatif özellikler, çözünenin cinsine bağlı olmayıp yalnızca çözeltide bulunan taneciklerin derişimine bağlıdır ve taneciklerin molekül, anyon veya katyon oluşlarından bağımsızdır. BUHAR BASINCININ DÜŞMESİ: Çözeltilerin buhar basınçları saf sıvıların buhar basıncından farklıdır. (a)saf olan çözücüde (b)çözeltideki buharlaşma miktarının karşılaştırılması Tuz, suyun buhar buhar basıncını düşürmüş kaynama sıcaklığını yükseltmiştir. Çünkü çözeltideki tuz tanecikleri yüzeydeki çözücü taneciklerinin sayısını azaltır. Bu durum suyun daha az buharlaşmasına neden olur. Çözünen derişimi ile çözeltinin buhar basıncı arasındaki ilişki Fransız kimyacı F.M.RAULT tarafından bulunmuştur. Buna göre uçucu bileşeni bulunmayan bir çözeltideki buhar basıncı düşmesi, çözeltideki çözünenin mol kesriyle orantılıdır. Herhangi bir çözeltinin buhar basıncı (P T ), çözeltiyi oluşturan bileşenlerin buhar basınçlarının (P A, P B... ) toplamına eşittir. Çözücüsü A, çözüneni B olan iki bileşenli bir ideal çözeltide; P A çözücünün kısmi buhar basıncı, P B çözünenin kısmi buhar basıncıdır. Çözücünün kısmi buhar basıncını hesaplamak için saf çözücünün belirli bir sıcaklıktaki buhar basıncı (P A ) ile çözeltideki mol kesri çarpılır. DONMA NOKTASI ALÇALMASI ve KAYNAMA NOKTASI YÜKSELMESİ: Saf sıvıların, sabit basınçta belli bir donma sıcaklıkları olmasına rağmen çözeltilerin belli bir donma sıcaklıkları yoktur. Çözeltiler saf çözücülerden daha düşük sıcaklıklarda donar. Donma, düzensiz bir durumdan düzenli bir duruma geçişi içermektedir ve bu geçişte donmanın olduğu sistemden enerji dışarıya verilir. Çözelti, çözücüden daha düzensiz olduğundan düzenli hale gelmesi için saf çözücüye oranla daha fazla enerjinin uzaklaştırılması gerekir. Bu yüzden, çözelti çözücüden daha düşük bir donma noktasına sahiptir. Bir çözeltinin donması sırasında sıcaklık, doymuş çözelti oluncaya kadar sürekli düşer.
6 Açık bir kapta ısıtılan suyun buhar basıncı gittikçe artar. Bu artış, buhar basıncı dış basınca eşit oluncaya kadar sürer. Buhar basıncı dış basınca eşit olunca su kaynamaya başlar. Buna göre bir sıvının kaynama noktası, sıvının denge buhar basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklıktır. Diğer bir deyişle gaz halindeki moleküllerin sıvı üzerine yaptığı basınçtır. Grafiği incelendiğinde çözeltinin kaynama noktasının saf suyun kaynama noktasından daha yüksek olduğu görülmektedir. Dolayısıyla çözeltilerin kaynama noktası daha yüksek sıcaklıkta gerçekleşir. Saf bir sıvının belli bir basınçta kaynama noktası sabittir (kaynama süresince değişmez). Çözeltilerin belirli sabit bir kaynama noktaları yoktur. Kaynama noktaları saf çözücününkinden daha yüksektir ve kaynama sırasında sürekli artar. Bu artış doymuş çözelti oluncaya kadar devam eder. Sıcaklığın sabit kalması sonucunda tuzun çökmeye başlaması doymuş çözeltinin oluştuğunu gösterir. Donma sıcaklığı alçalması ölçülerek mol kütlesi belirlenmesi yöntemine kriyoskopi, kaynama sıcaklığı yükselmesi ölçülerek mol kütlesi belirlenmesi yöntemine ise ebülyoskopi denir. ΔTd = -Kd.i.m ΔTd = Donma Noktası Alçalması Kd= Molal Donma Noktası Alçalma Sabiti (ksu:1,86 ) m = Tanecikleri Toplam Molalitesi (m= n / 1kg Çözücü) i = İyon yada Molekül sayısı. ΔTk = Kk.i.m ΔTk= Kaynama Noktası Yükselmesi Kk= Molal Kaynama Noktası Yükselme Sabiti (ksu:0.52) m= Tanecikleri Toplam Molalitesi (m= n / 1kg Çözücü) i = İyon yada Molekül sayısı. Tabloyu inceleyerek verilen tuzların donma noktasının nasıl düşürdüğü ve kaynama noktasının nasıl yükselttiği durumlarını inceleyiniz.
7 OZMOS: Yaşamın temeliolan hücreye, madde girişlerinin bir kısmı ozmos sayesinde olur. Ozmosta suda çözünmüş maddelerin çok olduğu kısım, suda çözünmüş maddelerin az olduğu kısma bir emme kuvveti uygular. Bu emme kuvveti ozmotik basınç olarak tanımlanır. Tabiatta, bitkilerin, topraktan su emişi de bu şekilde gerçekleşir. Selüloz asetat zar yarı geçirgendir yani sadece belli tür moleküller ya da iyonlar buradan geçebilir. Selüloz asetat, çözücü(su)moleküllerin geçişini engellemez. Bazı molekül ve iyonların geçmesine izin verdiği halde bazılarının geçmesine izin vermeyen zara yarı geçirgen zar (membran) denir. Ozmotik geçişi durdurmak için çözeltiye uygulanması gereken basınca çözeltinin ozmotik basıncı denir. Ozmotik basınçta bir tanecik özelliğidir. Çünkü bu basıncın büyüklüğü yalnızca çözeltinin birim hacminde çözünmüş olan çözünenin tanecik sayısına bağlıdır. Yani, çözünenin cinsine bağlı değildir. Tuzlu sudan saf su elde edilmesinde geçiş ters yönde olduğu için bu olaya ters ozmos denir. Ozmotik basınç ne kadar büyükse yoğun ortama akışı durdurmak için gerekli olan çözeltinin yüksekliği de o kadar büyüktür. Sulu çözelti ya da su dolu bir kolonun, kabın çeperlerine uygulayacağı basınca hidrostatik basınç denir.