ÇÖZELTİLERİN GÜNLÜK HAYATTAKİ ÖRNEKLERİ

İki ya da daha fazla kimyasal maddenin herhangi bir oranda bir araya gelerek oluşturdukları homojen karışıma çözelti denir. Diğer bir deyişle, bir maddenin başka bir madde içinde gözle g y örülemeyecek kadar küçük tanecikler halinde dağılarak, homojen bir karışım oluşturması olayına çözünme, elde edilen bu karışıma da çözelti denir. Bir çözeltiyi oluşturan maddelerden genellikle miktarı fazla olana keyfi olarak çözücü, az olana ise çözünen denir. Sulu tuz ile tuzlu su arasında miktarla değişen bir farklılık vardır. Doğada bir çok çözücü ve bu çözücüler içerisinde çözünen bir çok madde vardır. Bilinen en i i y çöüü z c sudur. Bir çok k t a ı, sıvı ve gaz madde suda çöüü z n r. Çay, deniz suyu, kola, mürekkepli su, alkollü su vb. çözeltiye örnek verilebilir verilebilir. Çözünme Çözünme olayı için bazen kimya ve onun terminolojisini terminolojisini bilmeyen kişiler tarafından yanlış olarak erime terimi kullanılır. Çözeltilerin içerisinde çözünen madde nedeniyle buhar bas ınçlar ı azal ı r ve bu azalmala r çözeltilerin donma ve ka ynama noktalar ı n ı etkilerler. Bir çözeltinin çözeltinin donma ve kaynama kaynama noktas ı saf çözücüye çözücüye göre fakl ı d ı r. Çözeltilerin çözünen madde nedeniyle donma noktalar ı alçal ır, kaynama noktalar ı yine çözünen madde nedeniyle yükselir. SBir çözeltinin sadece içerisinde çözünen taneciklerin say ı s ına b a ğ l ı olan öe e e z ellikl erin e k o gli gatif öe e z ellikler deni r. Çö e de z eltide çö ü e z ü n e n tanecikler (atomlar, iyonlar, moleküller) nedeniyle buhar bas ınc ı n ı n azalmas ı, dolay ı s ıyla da donma noktas ı n ın alçal ıp, kaynama noktas ı n ın yükselmesi koligatif özelli ğe örne k olara k verilebilir. Bir çözünen etkisi ile buhar bas ınc ı dü şen çözeltinin, buhar bas ınc ı n ı atmosferik bas ınca e şit yapabilmek için daha yüksek s ıcakl ı ğ a ihtiyac ı vard ır. Bu etki çözeltilerde kaynama noktas ı yükselmesi ş ekli dn de or taya ç ı kar. Kaynama noktas ı yük l i se lmes i, ∆ T k= Kk . m iyonik çözünenler için ∆ T k= Kk . i. m şeklinde ifade edilir. E şitlikte kullan ılan ∆ T k, kaynama noktas ındaki yükselme miktar ı, m, molalite, Kk ise molal kaynama noktas ı yükselmesi (ebuliyoskopi) sabiti olup her çözücüye has bir de ğerdir. E şitlikteki i ise vant Hoff faktörüdür ve molekül ba ş ına olu şan iyon say ı s ı n ı göt i s ter ir. K d ğ i ö ğ i i i 0 512 ° C (k H O)/ l k d e ğer i örne ğ in, su i ç i n 0.512 ° C (k g H 2O)/mo l, karbon tetra klorür için 5.02 °C (kgH 2O)/mol olarak verilir. Çözeltide çözünmüş madde aynı zamanda çözeltinin donma noktasının da alçalmas alçalmasına sebep olur, yani çözelti çözelti daha düşük sıcaklıkta donar (veya erir). Donma noktasındaki alçalma, ∆Td= Kd . m iyonik çözünenler için iyonik çözünenler için ∆Td= Kd . i m. şeklinde ifade edilir. ∆Td, donma sıcaklığındaki alçalma, m, molalite, K i l l d k l l (k i k i) bi i l i d ise molal donma noktası alçalması (kriyoskopi) sabiti olup yine çözücünün bir özelliğidir. Su için Kd değeri -1.86 °C (kgH2O)/mol, karbon tetra klorür için -29.8 °C (kgH2O)/mol olarak verilir 2O)/mol olarak verilir. Örnek: 1.0 molal şekerli su çözeltisinin normal kaynama noktası sıcaklığını bulunuz bulunuz. kadar yükselmiş olarak bulunur. 1 Atmosferde saf suyun kaynama noktası 100 °C olduğuna göre, bu çözelti çözelti 100.512 °C yani yaklaşık 100.5 °C sıcaklıkta kaynayacaktır. Örnek: 1.0 molal şekerli su çözeltisinin normal donma noktasını bulunuz. kadar alçalmış olarak bulunur bulunur. 1 Atmosferde Atmosferde saf suyun donma noktası 0 °C olduğuna göre, bu çözelti -1.86 °C yani yaklaşık -1.9 °C sıcaklıkta donacaktır. Örnek: Erzurum’da ortalama kışın sıcaklık -30 °C, Urfa’da ise ortalama yazın sıcaklık 50 °C olmaktadır. Erzurum-Urfa arası çalışan bir minibüsün radyatörünün bu sıcaklıklardan etkilenmemesi için en az kaç gram etilen glikol (62 g/mol) 1 kg suda çözülmelidir. -30 °C= -1.86 x m ⇒ m = 16.13 mol/kg H2O veya 16.13 mol x 62 g/mol = 1000 g bulunur. Bu çözelti kaç derecede kaynar? ΔTk = 0.512 °C (k Hg 2O)/ l mo x 16.13 mol/k Hg 2O = 8.26 °C veya 100+8.3=108.3 °C sıcaklıkta kaynar. Örnek: 75 g benzen içerisinde 2.40 g bifenil (C12H10, 154 g/mol) çözülerek çözülerek hazırlanmış olan çözeltinin çözeltinin donma ve kaynama kaynama noktalar noktalarını bulunuz. Benzen için Kk ve Kd değerleri sırasıyla 2.53 ve -5.12 °C (kgBenzen)/mol dür. a gram b / MA 75 g çözücüde 2.40 g /154 gmol-1 75 g çözücüde 2.40 g /154 gmol = 0.016 mol 1000 g çözücüde ? mol b x 1000 m = (1000 x 0.016)/75 = 0.208 m olarak bulunur. MA a x m = k l o 0 53 C kgH O mol x0.208 mol C kgH O ΔT 2.53 2 2 k o o = = . 1 07 C kgH O mol x 0.208 mol C kgH O ΔT 5 12 2 2 d o o = − . = − . Tk = 80.1+0.53 = 80.6 °C Td = 5.5-1.1 = 4.4 °C g 2 Örnek: 125 g su içerisinde 7.85 g tuz (NaCl, 58.5 g/mol) çözülerek hazırlanmış olan çözeltinin çözeltinin donma ve kaynama kaynama noktalar noktalarını bulunuz bulunuz. Su için Kk ve Kd değerleri sırasıyla 0.52 ve -1.86 °C (kgH2O)/mol dür. a gram b / MA 12 g çözücüde 7.85 g /58.5 gmol-1= 0.134 mol 1000 g çözücüde ? mol a x M b x 1000 m = (1000 x 0.134)/125 = 1.07 m olarak bulunur. x MA a C kgH O mol o 1 12 C kgH O mol x 2 x 1.07 mol C kgH O ΔT 0 52 2 2 k o = . = . C k H O l o NaCl iyonlarına ayrışır. i=2 3 98 C kgH O mol x 2 x 1.07 mol C kgH O ΔT 1 86 2 2 d o o = − . = − . Tk = 100+1.12 = 101.12°C Td = 0-3.98 = -3.98 °C Çözeltilerin diğer bir koligatif özelliği de ozmotik basınçtır. Ozmos olayı, çözünen çözünen taneciklerin taneciklerin geçemedi geçemediği yarı geçirgen geçirgen bir zardan çözücü moleküllerinin, derişimi düşük olan bölgeye difüzyonu ile oluşur. Yarı geçirgen bir zarın iki tarafında farklı derişimde çözeltiler yer aldığında, çözücü daha seyreltik çözeltiden (daha fazla çözücü içeren) daha derişik çözeltiye (daha az çözücü içeren) doğru hareket eder. Ozmos olayı, derişik çözelti yeterince seyreltik olana k da ar veya çöüü z c mol küll i i leküllerinin zardan her iki yöne doğru geçiş hızı eşit olana kadar devam eder. Ozmotik basınç ise, ozmos sırasında derişik çözeltiden çözücü akışını durdurmak için gereken basınçtır. Ozmotik basınç da sadece çözünenin çözünenin parçacıklarının sayısına (sabit sıcaklıkta, hacimde) hacimde) bağlı olup koligatif bir özelliktir. Ozmotik basınç, tıpkı gaz moleküllerinin hareketi gibi düşünülerek hesaplanır. πV = nRT ⇒ π = n/V RT ⇒ π = M RT Eğer çözelti moleküler değil de iyonik ise, vant Hoff faktörü burada da kullanılır ve formül π = iMRT şeklinde eklinde modifiye modifiye edilir. Osmolarite: bir litre çözeltide çözünmüş olan taneciklerin toplam mol sayısını gösterir. CaCl2 için Molaritenin 3 katıdır. Şekilde yarı geçirgen zarla ayrılmış şekerli su (yeşil) ve saf su (mavi) bulunmaktad bulunmaktadır. Yarı geçirgen geçirgen zardan sadece su molekülleri molekülleri geçebilmekte, şeker molekülleri geçememektedir. Zaman geçtikçe şekerli su çözeltisinin seviyesi yükselir ve bir değerde sabit kalır. Bu sıvı yüksekliğinden doğan basınca ozmotik basınç denir. Bu basınca eşit basınç uygulanırsa şekerli su tarafından saf su yarı geçirgen zardan geçmeye zorlanır ve saf su b l u unan kısım artar ki, buna ters ozmos denir. Deniz suyundan tatlı su elde edilmesinde kullanılır. Ozmos olayı canlı fizyolojisinde önemli rol oynar. Canlı bir hücrenin ç pe erlerinden iyon veya molekül g çe işi, ağaçların özsuyu yukarıdaki dal ve yapraklarına taşıması, böbreklerin çalışması bunlara örnektir. Örnek: Kanın iyonlaşmadan çözünen çözünen bir maddenin maddenin 0.296 M lık bir çözeltisi olduğunu düşünerek 37°C sıcaklıkta ozmotik basıncını hesaplayınız. (gerçekte kan plazması 0.308 osmolardır). π= M RT ⇒ π = 0.296 mol/L x 0.0821 L atm/molK x310 K π = 7.53 atm b l u unur. Örnek: Sulu bir çözeltinin 1 L si 30 g protein içermektedir. Bu çözeltinin 25°C sıcaklıkta ozmotik basıncı 0.0167 atm olduğuna göre protein molekülünün molekül ağırlığı nedir? π= M RT ⇒ 0.0167 atm = (n/1 L) x 0.0821 L atm/molK x298 K n = 6.83x10-4 mol bulunur. n=m/MA ⇒ MA = 30/ 6.83x10-4 A MA= 43900 olarak hesaplanır. Uçucu olmayan bir maddenin çözeltisi kaynat ılarak basit bir dam ıtma i şlemi yle çözücü ve çözünen olara k bile şenlerine ayr ılabilir. Fakat bu çözeltiyi olu şturan her iki (veya çok) bile şen s ı v ı ise, ayr ımsal dam ıtma yap ılmas ı gerekecektir. Ayr ımsal dam ıtman ı n temeli, Da lton ve Raou lt yasas ı n ı n bi lr l e ş ti il i r mes ine dayan ır. Gazlar k ısm ında, bir gaz ın k ısmi bas ınc ı n ın, o gaz ın gaz fazdaki mol kesriyle toplam bas ınc ın çarp ı m ına e şit oldu ğunu görmü ş ve buna Dalton yasas ı demi ştik. İkili bir kar ı ş ım için, kar ı ş ıkl ık olmamas ı için gaz faz y A ve y B ile gösterilir. p A = x A PT B B PT p = x Raoult yasas ı ise bir çözeltinin üzerindeki buhar bas ınc ı n ın çözeltide çözünen maddelerle nas ıl ili şkili oldu ğunu göstermektedir. pA = xA PA 0 p B = x B P B 0 p B x B P B Bu k ısmi bas ınçlar birbirinden farkl ı m ı d ır? Kapalı bir kap içerisinde bulunan bir çözeltinin üzerindeki bu iki kısmi basınç birbiriyle aynıdır. Biri sıvı faz, yani çözeltide bulunan çözünenlerle, diğeri ise sıvı fazın üzerindeki gaz fazı oluşturan bileşenlerle ilgilidir. Birbirine eşit olan kısmi basınçlar birleştirilebilir. Örneğin a bileşeni i i ç n, PA = xA PA0 0 x APA xA PA0 = yA PT ⇒ PA= yA PT T A A A P x P y = Gaz faz daima daha uçucu (buhar basıncı yüksek) bileşence daha zengindir. Bunun tersine, sıvı faz daha az uçucu bileşence daha zengindir engindir. Eğer bir sıvı fazın ü erindeki üzerindeki b har u yoğunlaştırılıp a r y ılır, daha sonra tekrar buharlaştırılır, tekrar yoğunlaştırıp tekrar buharla buharlaştırılırsa ve böyle devam edilirse, edilirse, uçucu bileşeni saf olarak elde etmek mümkün olur. Buna ayrımsal (fraksiyonel) damıtma denir. Örneğin petrol ürünleri böyle bir damıtma sonucunda ayrımsal olarak elde edilir. Üzüm veya melastan fermantasyon yoluyla elde edilen etil alkol yine damıtma yoluyla su ve diğer bileşenlerden ayrılır. Bu olay bir örnek üzerinde gösterilirse daha iyi anla ş ılacakt ır. Örne ğin, elimizde A (x A=0.75) ve B (x B=0.25) bile şenlerinden olu şan bir çözelti olsun. Saf A ve B maddesinin deney s ıcakl ı ğ ındaki buhar bas ınçlar ı da s ıras ıyla 1.20 ve 0.40 atm olsun. Bu çözeltinin üzerindeki gaz faz ı n t l op lam b hu har bas ınc ı nd ki a bil e şi ii m i n i h ll esap laya l ım. Çözeltinin üzerindeki toplam bas ınç, 0 0 Ptop = x A PA 0 + x B P B 0 Pto p = 0.75 x 1.20 + 0.25 x 0.40 = 1.00 atm olur. Gaz faz ın bile şimi, 0 x P 0 75 x1 20 ⇒ T A A A P x P y = 0 90 1 0.75 x 1.20 y A = = . 0 x P 0 25 x 0 40 ⇒ G ld ğ ibi b f ğ l l A ( 0 90 ) T B B B P x P y = 0 10 1 0.25 x 0.40 y B = = . Görüldü ğü gibi bu gaz faz yo ğun l a ş t ı r ı l ırsa A ( x A = 0.90 ) ve B (x B=0.10) olan, yani zenginle şmi ş bir s ı v ı faz elde edilecektir. Şimdi bu sıvı fazın üzerinde oluşan buhar fazın toplam basıncı ve gaz faz bileşimi aynı şekilde bulunursa, bulunursa, Ptop = xA PA0 + xB PB0 Ptop = 0.90 x 1.20 + 0.10 x 0.40 = 1.12 atm olur. Gaz fazın bileşimi, ⇒ T 0 A A A P x P y = 0 964 1.12 0.90 x 1.20 yA = = . ⇒ T T 0 B B B P x P y = 0 036 1.12 0.10 x 0.40 yB = = . Görüldüğü gibi bu gaz faz yoğunlaştırılırsa A (xA=0.96) ve B (x =0 04) olan yani daha zenginleşmiş bir sıvı faz elde edilecektir PT 1.12 (xB 0.04) olan, yani daha zenginleşmiş bir sıvı faz elde edilecektir. Bu işlem bir kez daha tekrarlandığında, toplam buhar basıncı 1.17 atm, yA=0.985, yB=0.015 bulunacakt bulunacaktır. İşlem tekrarland tekrarlandıkça karışım uçucu bileşence git gide zenginleşecektir. Bu olaya ayrımsal damıtma denir. Sıvı-Buhar denge eğrisi Kademe sayısı hesaplanması Bir önceki örnekten de görüldü ğü gibi, ideal bir çözelti uçucu bile şence zen ginle ştik çe to plam buhar bas ınc ı artmaktad ır. Yani çözeltinin kaynama noktas ı dü şmektedirr. Kaynama noktas ı diyagram ına bak ıld ı ğ ında bu i şlemin saf (%100) A elde edilinceye k da dar devam e dece ği i n i ve sonun da uçucu bil e şen i n kaynama noktas ına ula ş ılaca ğ ı n ı göstermektedir. Raoult yasas ından sapma gösteren baz ı sistemlerin kaynama noktas ı diyagram ı, dolay ı s ıyla dam ıtma süreçleri ideal çözeltilerinkinden farkl ı d ı r. Bu tür çözeltilerde çözeltilerde kaynama kaynama s ıcakl ı ğ ı n ı n de ğ i şmedi ğ i, s ı v ı ve buhar faz ın bile şiminin ayn ı oldu ğu bir noktaya ula ş ı l ır. Bu noktadan sonra çö e y z elti y i buharla ş t ırma yo uy l la z eg e n ginl e ştirmek art ı k m ü ü mk n olmaz. Çünkü s ı v ı n ın ve buhar ın bile şimi ayn ı d ır. Bu tür çözeltilere azeotropik çözeltiler veya kar ı ş ımlar denir. Azeotropik kar ı ş ımlar minimum ve pozitif kaynama noktal ı azeotroplar olmak üzere iki türlüdür. Minimum kaynama noktal ı azeotroplar, her iki bile şenin kaynama s ıcakl ı ğ ından daha dü şük s ıcakl ıkta kaynayan bir çözelti olu ştururlar. Maksimum kaynama noktal ı azeotroplar ise, her iki bile şenin kaynama kaynama s ıcakl ı ğ ından daha yüksek s ıcakl ıkta kaynayan kaynayan bir çözelti çözelti olu ştururlar. Etil alkol ve su sistemi sistemi dam ıtmaya ba şlad ıktan sonra % 4 su içeren bir kar ı ş ım haline kadar zenginle ştirildikten sonra minimum kaynama noktal ı azeotro p i k bir kar ı ş ım olu şturur. Etil alkol ve su yun ka ynama noktalar ı s ıras ıyla 78.3 °C ve 100 °C olmas ına ra ğmen azeotrop 78.17 °C s ıcakl ıkta kaynar. HCl ve su içeren sistem dam ı t ılmaya ba şlad ıktan sonra %22.22 HCl içeren bir kar ı ş ım haline kadar zenginle ştirildikten sonra maksimum kaynama noktal ı azeotropi k bir kar ı ş ım olu şturur. HCl ve suyun kaynama noktalar ı s ıras ıyla -80 °C ve 100 °C olmas ına ra ğmen azeotrop azeotrop 108.6 ° C s ıcakl ıkta kaynar.