Ünite 4: Karışımlar

Giriş

Birden fazla maddenin, kendi özellikleri değişmeden bir araya gelmesiyle oluşturdukları sisteme karışım denir. Karışımı oluşturan maddelere bileşen denir. Bileşimi her tarafta aynı olan karışımlar homojen; bileşimi her yerinde aynı olmayan karışımlar ise heterojen karışım olarak adlandırılır. Homojen karışımlar, çözeltiler olarak adlandırılır.

Çözeltiler

Çözeltiyi oluşturan bileşenlerden çok olana çözücü, bu çözücü içinde çözünmüş az olan bileşene ise çözünen denir. Çözeltinin birim hacminde veya çözücünün birim kütlesinde çözünen maddenin miktarına derişim denir. Derişimin düşük olduğu çözeltilere seyreltik çözeltiler, yüksek olduğu çözeltilere ise derişik çözeltiler denir.

Bir çözelti hazırlarken doymuş bir çözeltide bulunması gereken çözünenden, daha az miktarda bir çözünenin çözünmesi durumunda doymamış çözelti oluşur. Diğer taraftan belli bir sıcaklıkta doymuş bir çözelti hazırlandıktan sonra bazı durumlarda çözünenin fazlası çökebilir. Bu çözeltideki çözünen madde miktarı, doymuş çözeltidekinden daha fazladır. Bu tür çözeltilere aşırı doymuş çözelti denir.

Çözünme: Su moleküllerinin çekim kuvveti daha büyükse yüzeydeki sakkaroz molekülleri kristalden ayrılır ve çözücüye geçerek etrafı su molekülleriyle sarılır (hidratasyon). Çözünen taneciklerin su dışında başka bir çözücü ile sarılmasına ise solvatasyon denir.

Genellikle polar maddeler polar çözücülerde, apolar maddeler ise apolar çözücülerde çözünürler. Buradaki kural “benzer benzeri çözer” olarak ifade edilebilir. Buna göre benzer molekül yapısındaki bileşikler, benzer moleküller arası kuvvetlere sahiptirler ve birbirleri içinde çözünürler.

İyonik ve polar bileşikler için en iyi çözücü, su gibi polar maddelerdir. Su molekülleri ile hidrojen bağları kurarak suda çözünen moleküllere suyu seven, hidrofilik moleküller denir. Apolar moleküller ise suda çözünmezler. Bunlara suyu sevmeyen, hidrofobik moleküller denir. Sabunlar ve deterjanlar hem hidrofilik hem de hidrofobik uçlara sahip yüzey aktif maddeler içerirler.

Çözelti Derişimi: Derişim; bir çözücü veya çözeltide çözünen madde miktarının bir ölçüsüdür. Bir çözeltinin derişimi farklı şekillerde tanımlanabilir:

Kütle yüzdesi, hacim yüzdesi ve kütle/hacim yüzdesi, Kütle yüzdesi birimi çözelti hazırlamalarında sıklıkla kullanılan bir derişim birimidir. Sıvıların hacimleri kolaylıkla ölçülebildiği için, bazı çözeltiler hacim yüzdesinde hazırlanır. Çözeltinin derişimi kütle/hacim yüzdesi olarak da verilebilir.

Milyonda bir kısım ve milyarda bir kısım, 1 mg/L’lik

bir çözeltide çözünen maddenin miktarı yani çözeltinin derişimi milyonda bir kısım (ppm) olarak belirtilir. Bir litre çözeltide sadece 1 µg çözünen madde içeren bir çözeltideki çözünen derişimi ise milyarda bir kısım (ppb) şeklinde ifade edilir.

Molarite ve molalite, bir çözeltinin molaritesi, 1 L çözeltide çözünen maddenin mol sayısı olarak ifade edilir ve M ile gösterilir. Molalite (m) ise, çözünenin mol sayısının çözücünün kg cinsinden miktarına oranıdır.

Çözünürlük: Belli bir miktar çözücü ancak sınırlı miktarda madde çözebilir. Bir maddenin molar çözünürlüğü onun doygun çözeltideki molar derişimidir.

Çözünürlüğe basıncın ve sıcaklığın etkisi, genel olarak iyonik bileşiklerin çözünürlüğü sıcaklıkla artar. Denge konumunda bulunan bir sisteme ısı verilirse, ısı alan (endotermik) bir tepkime için sıcaklık artınca, çözünenin çözünürlüğü artar. Buna karşın ısı veren (ekzotermik) bir tepkime için ise sıcaklık artışı ile çözünürlük azalır. Bir gazın bir sıvı içindeki çözünürlüğü, genellikle gaz basıncıyla doğru orantılı olarak artar (Henry Yasası). Basınç arttıkça gazın çözücü ile etkileşimi artar, böylece gazın çözünürlüğü de artmış olur.

Kolligatif Özellikler

Çözeltilerin özellikleri, çözeltiyi oluşturan maddelerin özelliklerinden farklıdır ve çözu¨nen maddenin tu¨ru¨ne ve derişimine bağlıdır. Bir çözeltide çözu¨nmu¨ş maddenin yapısına bağlı olmayıp, tanecik sayısına bağlı olan özelliklere kolligatif özellikler (sayısal özellikler) denir. Çözu¨neni uçucu olmayan çözeltilerin kolligatif özellikleri; buhar basıncı du¨şmesi, kaynama noktası yu¨kselmesi, donma noktası alçalması ve osmotik basınçtır.

Osmoz: Uzun bir cam boru içine şeker (sakkaroz) çözeltisi ve saf su konulduğunu ve bu iki sıvı yu¨zeyinin yarı geçirgen bir membran (sadece suyun geçişine izin veren) ile ayrıldığında su moleku¨lleri membrandan her iki tarafa da geçebilirken, çözelti içinde bulunan su moleku¨llerinin sayısı saf sudan daha az olduğu için saf sudan çözeltiye doğru net bir akış söz konusudur (osmoz). Başlangıçta sıvı seviyeleri aynı olmasına karşın zamanla çözeltinin boru içinde yu¨kseldiği gözlenir. Çözelti seviyesinin yu¨kselmesiyle yu¨kselen sıvının yaptığı hidrostatik basınçtan dolayı çözelti tarafına geçiş hızı azalırken çözu¨cu¨ tarafına geçiş hızı artar ve sonuçta her iki hız da birbirine eşit olduğu anda, her iki geçiş arasında dinamik bir denge kurulur. Dinamik dengenin kurulduğu anda sıvı seviyeleri sabit kalır. Saf çözu¨cu¨den, çözu¨cu¨ moleku¨llerinin çözeltiye geçişinin önlenebilmesi için çözelti u¨zerine uygulanması gereken basınca osmotik basınç denir ve ? ile gösterilir. Çözelti tarafına osmotik basınçtan daha bu¨yu¨k bir basınç uygulanırsa, çözu¨cu¨ moleku¨llerinin çözeltiden, çözu¨cu¨ye geçiş hızları artar ve saf su tarafındaki sıvı seviyesi yu¨kselir. Bu olaya ters osmoz denir.

Ters osmoz, saf çözu¨cu¨den çözeltiye çözu¨cu¨ moleku¨llerinin geçmesine neden olan ozmotik basıncın u¨zerinde bir basıncın çözeltiye uygulanması sonucu, çözu¨cu¨ akışının ters yöne çevrilmesi ile çözeltiden çözu¨cu¨nu¨n ayrılması olayıdır.

Osmotik basıncın bu¨yu¨klu¨ğu¨ sadece çözeltinin birim hacminde çözu¨nen tanecik sayısına bağlıdır. Çözu¨cu¨nu¨n cinsine bağlı değildir. Bu tu¨r özellikler, kolligatif (sayısal) özellikler olarak adlandırılır.

Hu¨cre içindeki ve dışındaki çözu¨nenin derişimlerindeki fark osmotik basıncın meydana gelmesine neden olur ve su, hu¨crenin içindeki daha derişik çözeltiye geçerken beraberinde daha ku¨çu¨k besin moleku¨llerini de taşır. Suyun içeri girişi aynı zamanda hu¨crenin şişkin olarak kalmasını da sağlar.

Hu¨crelerin içindeki sıvının osmotik basıncı, %0,92 (ku¨tle/hacim)’lik NaCl çözeltisinin yaptığı basınca eşittir. Bu nedenle, hu¨creler bu derişimdeki bir NaCl çözeltisi içine konulursa, hu¨cre çeperinden içeriye doğru net bir su geçişi olmaz ve hu¨creler dengede kalır. Vu¨cut sıvısı ile aynı osmotik basınca sahip böyle bir çözeltiye izotonik çözelti denir. Eğer bu kırmızı kan hu¨creleri, derişimi %0,92’den fazla olan bir NaCl çözeltisine konulursa su, hu¨crelerin içinden dışarıya doğru akar ve hu¨creler bu¨zu¨lu¨r. Böyle çözeltilere de hipertonik çözeltiler adı verilir. Hipotonik çözeltiler ise içinde bulunduğu hu¨creye göre yoğunluğu daha az olan çözeltidir.

Donma Noktası Alçalması ve Kaynama Noktası Yükselmesi: Donma noktası saf maddeler için ayırt edici bir özelliktir ve sabit bir değerdedir, ancak saf olmayan maddelerin sabit bir donma noktası yoktur. Çözeltilerin donma noktası saf çözu¨cu¨nu¨nkinden daha du¨şu¨ktu¨r ve sabit değildir. Bir çözeltinin donma noktası alçalması (?Td), molalitesi (m) ile doğru orantılıdır.

Çözu¨cu¨nu¨n çözeltideki buhar basıncı, aynı sıcaklıkta saf çözu¨cu¨nu¨nkinden daha du¨şu¨k olduğundan, kaynamayı başlatmak u¨zere buhar basıncını atmosfer basıncına yu¨kseltmek için daha yu¨ksek sıcaklık gereklidir. Çözeltilerin kaynama noktasındaki yu¨kselme de o çözeltideki çözu¨nmu¨ş maddenin tanecik sayısına bağlı olarak değişir. Bir çözeltinin kaynama noktası yu¨kselmesi (?Tk ), molalitesi (m) ile doğru orantılıdır.

Elektrolit olmayan çözeltiler için çözeltideki çözu¨nenin mol ku¨tlesi, donma noktası alçalması veya kaynama noktası yu¨kselmesi yoluyla belirlenebilir.

Kolloidal Karışımlar

Kolloid; çapları 1 nm ila 1 mm arasındaki taneciklerin (dağılan faz) başka bir madde içinde (dağılma ortamı) dağılmasıyla oluşmuş bir karışımdır. Bir katının bir sıvı içinde dağılmasıyla oluşan su¨spansiyona sol ve bir sıvının diğer bir sıvı içinde dağılmasıyla oluşan yapıya ise emu¨lsiyon denir.

Bir katı emu¨lsiyon, bir sıvı veya katı fazın bir katı içinde oluşturduğu su¨spansiyondur.

Kolloidal haldeki ku¨çu¨k tanecikler Brown hareketleri nedeniyle çökmeden kalırlar. Bir kolloidin kararlılığında elektriksel yu¨k önemli olmasına karşın, yu¨ksek iyon derişimleri de koagu¨lasyona (pıhtılaşma) veya kolloidin çökmesine neden olur.

Brown Hareketi: İlk defa 1827 yılında Robert Brown tarafından ortaya atılmıştır. Daha sonra Zsigmondy, bu olayı mikroskop altında kolloidal partiku¨llerin gelişigu¨zel hareketi olarak tanımlamıştır. Partiku¨l bu¨yu¨klu¨ğu¨nu¨n du¨şu¨ru¨lmesi ile hareket hızı artarken, viskozitenin arttırılması ile de azalır.

Difüzyon: Difu¨zyon, Brown hareketlerinin doğrudan bir sonucudur. Difu¨zyon, gaz veya sıvı moleku¨llerin sahip oldukları kinetik enerji yardımıyla rastgele yer değiştirmesidir. Kolloidal partiku¨ller, yu¨ksek derişimli bir bölgeden, du¨şu¨k derişimli bir bölgeye doğru her iki bölgedeki derişimler eşitlenene kadar difu¨ze olurlar.

Difu¨zyonun bu¨yu¨klu¨ğu¨ çeşitli faktörlere bağlı olarak değişir. Bunlar; derişim farkı, sıcaklık, moleku¨lu¨n ku¨tlesi, yu¨zey alanı ve ortam halidir. Sıcaklık arttıkça difu¨zyon artar. Ku¨çu¨k moleku¨ller bu¨yu¨k moleku¨llerden daha hızlı difu¨zlenir.

Donnan Dengesi: Bir membranla ayrılmış iki çözeltideki iyonlardan bazıları membrandan geçebilirken, bazıları geçmiyorsa bir Donnan dengesi oluşur, bu elektrokimyasal bir dengedir. Donnan dengesinin ayırt edici temel özelliği, hareketi sağlayan difu¨zyon potansiyel farkının membranın bir tarafındaki sulu çözelti ile membranın diğer tarafta kalan yu¨zu¨ arasında oluşmasıdır.