Çözünme süreci, çözünebilirlik, derişim birimleri, çözünürlüğe etki eden faktörler, çözeltilerin sınıflandırılması ve koligatif özellikler
Çözeltiler, iki ya da daha fazla maddenin birbiri içinde homojen olarak dağılmasıyla oluşan karışımlardır. Bir çözelti, çözücü ve çözünen olmak üzere iki ana bileşenden oluşur. Çözücü, çözeltide miktarı fazla olan ve çözeltinin fiziksel durumunu belirleyen bileşendir. Çözünen ise miktarı az olan ve çözücü içerisinde dağılan maddedir.
Sulu çözeltilerde çözücü sudur. Ancak tüm çözeltilerde çözücü su değildir; alkol, benzen, eter gibi maddeler de çözücü olarak kullanılabilir.
Çözücü moleküllerinin birbirinden ayrılması
Çözücü molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerini yenmek için enerji gerekir. Bu basamak endotermiktir (ısı alır).
Örnek: Su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarının kırılması.
Çözünen taneciklerinin birbirinden ayrılması
Çözünen maddenin tanecikleri arasındaki çekim kuvvetlerini yenmek için enerji gerekir. Bu basamak da endotermiktir.
Örnek: NaCl kristalindeki iyonik bağların kırılması.
Çözücü ve çözünen taneciklerinin karışması
Çözücü ve çözünen tanecikleri arasında yeni etkileşimler oluşur. Bu basamak endotermik (ısı alan) veya ekzotermik (ısı veren) olabilir.
Toplam çözünme entalpisi, bu üç basamağın enerji değişimlerinin toplamına eşittir. Eğer oluşan yeni etkileşimler, kırılan bağlardan daha güçlü ise enerji açığa çıkar (ekzotermik); daha zayıf ise enerji alınır (endotermik).
Bir maddenin başka bir madde içinde çözünüp çözünmemesi, tanecikler arası etkileşimlere bağlıdır. Çözünme olayının gerçekleşebilmesi için üç tür etkileşimin karşılaştırılması gerekir:
Polar maddeler polar çözücülerde, apolar maddeler ise apolar çözücülerde iyi çözünür. Bu kural, moleküller arası etkileşim türlerinin benzerliğine dayanır.
Her ikisinde de benzer türde moleküller arası etkileşimler (dipol-dipol, hidrojen bağı, iyon-dipol) bulunur. Çözünme gerçekleşir.
Örnekler:
Her ikisinde de London kuvvetleri (indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol) bulunur. Çözünme gerçekleşir.
Örnekler:
Etkileşim türleri farklıdır, çözünme genellikle gerçekleşmez.
Örnekler:
Çözünme, çözünen maddenin çözücü içerisindeki davranışına göre dört ana gruba ayrılır:
Bir maddenin çözücü içerisinde iyonlarına ayrışarak çözünmesidir. İyonik bileşiklerin (tuzlar, asitler, bazlar) suda çözünmesi bu olaya örnektir.
Örnekler:
Bir maddenin çözücü içerisinde moleküler halde dağılarak homojen karışım oluşturmasıdır. Kovalent bağlı bileşiklerin çoğu bu şekilde çözünür.
Örnekler:
Bir maddenin çözücü içerisinde herhangi bir kimyasal işlem olmadan, kimyasal özelliklerini koruyarak çözünmesidir. İyonik ve moleküler çözünmelerin çoğu fiziksel çözünmedir.
Örnekler:
Bir maddenin çözücü içerisinde kimyasal etkileşime girerek yeni kimyasal türlere dönüşmesidir. Çözünen maddenin kimyasal yapısı değişir.
Örnekler:
Bir çözeltideki çözünmüş madde miktarına derişim (konsantrasyon) denir. Derişim, farklı birimlerle ifade edilebilir. Kullanılacak birim, çözünen maddenin miktarına, fiziksel haline ve kullanım amacına bağlıdır.
Bir litre çözeltide çözünmüş olan maddenin mol sayısına molarite denir.
n: çözünen maddenin mol sayısı
V: çözeltinin hacmi (litre)
M: molarite (mol/L)
Örnek: 4 g NaOH ile hazırlanan 200 mL çözeltinin molaritesi kaçtır? (NaOH: 40 g/mol)
n = 4/40 = 0,1 mol
V = 200 mL = 0,2 L
M = 0,1/0,2 = 0,5 mol/L
Stok çözeltiden (derişik çözelti) daha düşük derişimli çözelti hazırlanmasına seyreltme denir. Seyreltmede çözünen madde miktarı değişmez, sadece çözücü miktarı artar.
M₁: başlangıç molaritesi
V₁: başlangıç hacmi
M₂: son molarite
V₂: son hacim
Örnek: 250 mL 4 M NaOH çözeltisine 150 mL su eklenirse son molarite nedir?
M₁ × V₁ = M₂ × V₂
4 × 250 = M₂ × (250 + 150)
1000 = M₂ × 400
M₂ = 2,5 M
Bir litre çözeltide (veya 1 kg çözeltide) çözünen maddenin miligram (mg) cinsinden kütlesidir. Çok seyreltik çözeltiler için kullanılır.
Belirli bir sıcaklık ve basınçta, belirli miktardaki bir çözücüde çözünebilen maksimum madde miktarına çözünürlük denir. Çözünürlük, maddeler için ayırt edici bir özelliktir. Genellikle "g/100 g su" veya "g/100 mL su" birimiyle ifade edilir.
Örnek: 20°C'de NaCl'nin çözünürlüğü 35,7 g/100 g su'dur. Bu ifade, 20°C'de 100 g suda en fazla 35,7 g NaCl çözünebileceği anlamına gelir. Bu miktardan fazla NaCl eklenirse çözünmez ve kabın dibinde kalır.
Belirli bir sıcaklık ve basınçta, çözebileceği maksimum miktarda maddeyi çözmüş olan çözeltidir. Doymuş çözeltiye aynı sıcaklıkta aynı maddeden eklenirse çözünme olmaz. Katısı ile dengede olan çözelti doymuş çözeltidir.
Birbiriyle her oranda karışabilen sıvılar (örneğin etil alkol ve su) ile doymuş çözelti hazırlanamaz.
Belirli bir sıcaklık ve basınçta, çözebileceği maksimum miktardan daha az madde içeren çözeltidir. Doymamış çözeltiye daha fazla çözünen eklenirse, doygunluğa ulaşana kadar çözünmeye devam eder.
Belirli bir sıcaklık ve basınçta, çözebileceğinden daha fazla maddeyi çözmüş olan kararsız çözeltidir. Aşırı doymuş çözelti kararsızdır; sallama, titreşim veya çözünen eklenmesi gibi bir dış etki ile fazla madde aniden çökerek doymuş hale geçer.
Seyreltik ve Derişik Kavramı: Seyreltik-derişik, çözeltideki çözünen miktarının az veya çok oluşunu ifade eden göreceli terimlerdir. Doymuş-doymamış ise çözeltinin çözebileceği maksimum miktara göre durumunu belirten mutlak terimlerdir. Bir çözelti seyreltik olabilir ama doymuş olabilir.
Katıların çözünürlüğü genellikle sıcaklık arttıkça artar. Çünkü sıcaklık artışı, çözücü ve çözünen taneciklerinin kinetik enerjisini artırır, tanecikler arası etkileşimler zayıflar ve çözünme hızlanır.
İstisnalar:
Gazların çözünürlüğü sıcaklık arttıkça azalır. Çünkü sıcaklık artışı gazların kinetik enerjisini artırır ve gaz molekülleri çözeltiyi terk eder. Bu nedenle sıcak suda gazlar daha az çözünür. Örneğin, sıcak suda balıkların yaşaması zordur çünkü çözünmüş oksijen miktarı azalır.
Basıncın katı ve sıvıların çözünürlüğüne etkisi ihmal edilecek kadar azdır.
Gazların çözünürlüğü basınç arttıkça artar (Henry Yasası). Basınç arttığında, gaz molekülleri çözücü yüzeyine daha fazla çarpar ve daha fazla molekül çözünür.
Örnekler:
Her maddenin çözünürlüğü kendine özgüdür. Çözünürlük, çözücü ve çözünenin molekül yapısına, polaritesine, moleküller arası etkileşim türlerine bağlıdır. Benzer benzeri çözer kuralı burada geçerlidir.
Ayrıca iyonik bileşiklerde iyon yükü ve iyon boyutu da çözünürlüğü etkiler:
Suda çözündüklerinde iyonlarına ayrışan maddelerin oluşturduğu, elektrik akımını ileten çözeltilerdir. Asitler, bazlar ve tuzların sulu çözeltileri elektrolit çözeltidir.
Örnekler:
Elektriksel iletkenlik, çözeltideki iyon sayısı ile doğru orantılıdır.
Suda moleküler halde çözünen ve elektrik akımını iletmeyen çözeltilerdir. Şeker, alkol, glikoz, üre gibi maddelerin sulu çözeltileri elektrolit değildir.
Örnekler:
Not: Saf su, çok az iyon içerdiği için çok zayıf bir iletkendir. Ancak iyonik bileşikler eklendiğinde iletkenlik artar.
Koligatif özellikler, bir çözeltinin fiziksel özelliklerinin, çözünen maddenin türüne değil, çözeltideki tanecik sayısına bağlı olarak değişmesidir.
Bu özellikler şunlardır:
Saf bir çözücüye uçucu olmayan bir katı eklendiğinde, çözeltinin donma noktası saf çözücüden daha düşük olur. Donma noktasındaki düşme, çözeltideki tanecik sayısı (molalite) ile doğru orantılıdır.
Saf bir çözücüye uçucu olmayan bir katı eklendiğinde, çözeltinin kaynama noktası saf çözücüden daha yüksek olur. Kaynama noktasındaki yükselme, çözeltideki tanecik sayısı (molalite) ile doğru orantılıdır.
Koligatif özellikler, çözeltideki toplam tanecik sayısına bağlıdır. Bu nedenle aynı mol sayısındaki farklı maddeler, farklı sayıda iyon oluşturuyorsa farklı koligatif etki gösterir.
Örnek: 0,1 mol NaCl suda çözündüğünde 0,2 mol iyon (Na⁺ ve Cl⁻) oluştururken, 0,1 mol glikoz 0,1 mol molekül olarak kalır. Bu nedenle NaCl çözeltisi, glikoz çözeltisine göre donma noktasını daha fazla düşürür ve kaynama noktasını daha fazla yükseltir.