Ünite 4: Karışımlar

Giriş

Birden fazla maddenin, kendi özellikleri değişmeden bir araya gelmesiyle oluşturdukları sisteme karışım denir. Karışımı oluşturan maddelere bileşen denir. Karışımlar homojen ya da heterojen olabilir. Heterojen karışımlar genellikle homojen karışımlardan kolaylıkla ayırt edilir. Homojen karışımlar, çözeltiler olarak adlandırılır. Çözeltiler katı, sıvı veya gaz fazında olabilir.

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 , 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. Çözeltideki çözünen madde miktarı, doymuş çözeltidekinden daha fazla ise, bu tür çözeltilere aşırı doymuş çözelti denir.

Çözünme

Çözelti oluşumu sırasında çözücü ve çözünen molekülleri arasında bir etkileşim söz konusudur. Çözünen taneciklerin etrafının su molekülleri ile çevrilmesine hidratasyon , eğer çözücü su değilse aynı olaya solvatasyon denir. Genellikle polar maddeler polar çözücülerde, apolar maddeler ise apolar çözücülerde çözünürler. Buradaki kural “benzer benzeri çözer” olarak ifade edilebilir. Birbirlerinden farklı yapıda olan bileşiklerin çözelti oluşturması mümkün değildir. İyonik bileşiklerin çözünmesi sonucu oluşan çözelti içindeki iyonların varlığı elektrik akımının iletilmesini sağlar. Böyle çözeltilere elektrolit çözeltiler denir. Buna karşın çözeltiler, moleküller halde çözünmüş maddelerden oluşuyorsa elektrik akımını iletmezler. Bu çözeltiler ise elektrolit olmayan çözeltiler olarak adlandırılır. İyonik ve polar bileşikler için en iyi çözücü, su gibi polar maddelerdir. Çözelti oluşurken saf çözücü ve saf çözünen moleküllerinin kendi aralarındaki çekim kuvvetlerinin yerini, çözücü-çözünen çekim kuvvetleri alır. Benzer benzeri çözer kuralı buradan çıkar. 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.

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. Bu derişim birimi, tıp ve eczacılıkla ilgili alanlarda sıklıkla kullanılır.

Milyonda Bir Kısım ve Milyarda Bir Kısım

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, M ile gösterilir. Molalite (m), 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 . Bununla birlikte, derişimi daha fazla artmasa da mevcut katı çözünmeye devam eder, ama çözünme hızı çözünenin katıya dönüş hızı ile aynıdır.

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. Uçucu olmayan iyonik bileşiklerin çözeltileri için, çözünürlüğe basıncın etkisi yoktur. Bir gazın bir sıvı içindeki çözünürlüğü, genellikle gaz basıncıyla doğru orantılı olarak artar (Henry Yasası). Gazların çözünürlüğünün basınç ile artmasına örnek olarak gazoz verilebilir. İçeceğin üzerine uygulanan basınç ne kadar artarsa çözünen karbondioksit oranı da o kadar artar. Gazozun kapağı açıldığında gaz çıkışı gözlenir. Çözelti üzerindeki basınç kalktığında çözünmüş karbondioksit hızlı bir şekilde açığa çıkar ve aynı zamanda köpürmeye de neden olur. Gazların çözünürlüğüne sıcaklığın etkisi için bir genelleme yapmak zor olsa da, çoğu gazın sudaki çözünürlüğü sıcaklık arttıkça azalır.

Kolligatif Özellikler

Bir çözeltide çözünmüş maddenin yapısına bağlı olmayıp, tanecik sayısına bağlı olan özelliklere kolligatif özellikler (sayısal özellikler) denir. Çözüneni uçucu olmayan çözeltilerin kolligatif özellikleri;

• buhar basıncı düşmesi,
• kaynama noktası yükselmesi,
• donma noktası alçalması
• osmotik basınçtır.

Osmoz

Su molekülleri membrandan her iki tarafa da geçebilirken, çözelti içinde bulunan su moleküllerinin 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 yükseldiği gözlenir. Saf çözücüden, çözücü moleküllerinin çözeltiye geçişinin önlenebilmesi için çözelti üzerine uygulanması gereken basınca osmotik basınç denir ve ? ile gösterilir. Osmotik basınç çözücünün yarı geçirgen zardan çözeltiye akışıdır. Osmotik basıncın büyüklüğü sadece çözeltinin birim hacminde çözünen tanecik sayısına bağlıdır. Çözelti tarafına osmotik basınçtan daha büyük bir basınç uygulanırsa, çözücü moleküllerinin çözeltiden, çözücüye geçiş hızları artar ve saf su tarafındaki sıvı seviyesi yükselir. Bu olaya ters osmoz denir. Ters osmoz, deniz suyundan saf su elde edilmesinde veya atıksuların çevreye verilmeden önce içindeki çözünmüş zararlı maddelerin arıtılmasında kullanılmaktadır. Osmoz olayının hücre zarlarından su moleküllerinin geçişinde önemli bir rolü vardır. Biyolojik hücre zarları suyun, küçük moleküllerin ve hidratlaşmış iyonların geçmesine izin veren yarı geçirgen bir membrandır. Bu zar, hücre içinde sentezlenen enzimlerin ve proteinlerin geçişini engeller. Hücre içindeki ve dışındaki çözünenin derişimlerindeki fark osmotik basıncın meydana gelmesine neden olur ve su, hücrenin içindeki daha derişik çözeltiye geçerken beraberinde daha küçük besin moleküllerini de taşır. Suyun içeri girişi aynı zamanda hücrenin şişkin olarak kalmasını da sağlar. Hücreye geçiş durdurulduğu zaman, şişkinlik de kaybolur ve hücre su kaybeder. Bu durum bitkilerde solmaya neden olur. Tuzlanmış et, bakteri etkisinden osmoz yoluyla korunur. Bu durumda derişik tuz çözeltisi hücreden su çeker ve bakteri hücreleri de su kaybettiği için bakteri ölür.

Donma Noktası Alçalması ve Kaynama Noktası Yükselmesi

Donma noktası saf maddeler için ayırt edici bir özelliktir ve sabit bir değerdedir. Çözeltiler de bir karışım olduğundan, çözeltilerin de sabit bir donma noktası yoktur. Çözeltilerin donma noktasındaki azalma o çözeltideki çözünmüş maddenin tanecik sayısına bağlı olarak değişir. Uçucu olmayan maddeler, çözeltinin kaynama noktasını yükseltir. Kaynama noktası yükselmesi sabiti ebuliyoskopi sabiti olarak da bilinir. Çözeltilerin kaynama noktasındaki yükselme de o çözeltideki çözünmüş maddenin tanecik sayısına bağlı olarak değişir. Elektrolit olmayan çözeltiler için çözeltideki çözünenin mol kütlesi, donma noktası alçalması veya kaynama noktası yükselmesi yoluyla belirlenebilir. Çözeltilerin donma noktasının düşürülmesi veya kaynama noktasının yükseltilmesiyle günlük hayatta karşılaşılan zorlukların üstesinden gelinebilir. Örneğin; otomobillerin soğutma sistemlerine konulan etilen glikol-su karışımı hava koşullarının olumsuz etkilerine karşı koruma sağlar. Karışım kış aylarında suyun donma noktasını düşürerek daha düşük sıcaklıklarda dahi soğutma sistemindeki suyun donmasını önlerken, yaz aylarında suyun kaynama noktasını yükselttiği için soğutma sistemini aşırı ısınmaya karşı korur.

Kolloidal Karışımlar

Kolloidler, mikroskopla görülemeyecek kadar küçük fakat ışığı saçacak kadar büyük taneciklerin oluşturduğu süspansiyonlardır. Kil tanecikleri, duman ve canlı hücrelerdeki sıvılar gibi pek çok yiyecek de kolloidal halde olup, kendiliğinden düzenli yapılar oluştururlar.

Kolloidler kendilerini oluşturan bileşenlerin fazlarına göre sınıflandırılırlar. Örnek verirsek;

• Dağılan Faz: katı
• Dağılma Ortamı: gaz
• Tür: Aerosol
• Örnek: Duman

• Dağılan Faz: sıvı
• Dağılma Ortamı: sıvı
• Tür: Emülsiyon
• Örnek: Süt ve mayonez

Bir katının bir sıvı içinde dağılmasıyla oluşan süspansiyona sol ve bir sıvının diğer bir sıvı içinde dağılmasıyla oluşan yapıya ise emülsiyon denir. Bir katı emülsiyon, bir sıvı veya katı fazın bir katı içinde oluşturduğu süspansiyondur. Jelatinli tatlılar bir tür katı emülsiyondur. Sulu kolloidler dağıtılan madde ve su arasındaki moleküler etkileşimlerin kuvvetine bağlı olarak hidrofilik ve hidrofobik olarak sınıflandırılabilir. Yağ molekülleri ile su molekülleri arasında çok az bir çekim kuvveti olduğundan, su içinde yağ (süt gibi) ve yağ içinde su (mayonez gibi) süspansiyonları hidrofobik kolloidlerdir. Kolloidal tanecikler farklı şekillerde bulunabilirler. Örneğin; kolloidal silika küre şeklinde iken insan plazmasındaki gama globülin disk şeklindedir. Selüloz gibi bazı kolloidler, gelişigüzel kıvrılmış iplik yumakları şeklindedir. Koagülasyona neden olan iyonlar kolloidal tanecikler üzerindeki yüke karşı zıt yük taşıyan iyonlardır. Diyaliz, osmoza benzer bir işlem olup, kolloidal bir karışımdaki iyonların fazlasını uzaklaştırmak için kullanılır.

Brown Hareketi

Zsigmondy tarafından mikroskop altında kolloidal partiküllerin gelişigüzel hareketi olarak tanımlamıştır. Bir çözelti veya süspansiyon içindeki küçük parçacıkların, su moleküllerine gelişi güzel çarpmasından ileri gelen hareketlere Brown hareketleri denir. Bu hareketler, taneciklerin hızları ve boyutları ile ters orantılı olup ortamın viskozitesine bağlıdır. Partikül büyüklüğünün düşürülmesi ile hareket hızı artarken, viskozitenin arttırılması ile de azalır.

Difüzyon

Brown hareketlerinin doğrudan bir sonucudur. Difüzyon, gaz veya sıvı moleküllerin sahip oldukları kinetik enerji yardımıyla rastgele yer değiştirmesidir. Kolloidal partiküller, yüksek derişimli bir bölgeden, düşük derişimli bir bölgeye doğru her iki bölgedeki derişimler eşitlenene kadar difüze olurlar. Moleküllerin difüzyon hızı maddenin haline bağlıdır. Hücre zarında difüzyon, aynı molekülün sudaki difüzyonundan çok daha yavaştır. Oksijen akciğerlerdeki alveollerden, difüzyon ile kana geçer.

Kandan da oksijen yoğunluğunun düşük olduğu hücrelere taşınır.

Donnan Dengesi

Bir membranla ayrılmış iki çözeltideki iyonlardan bazıları membrandan geçebilirken, bazıları geçmiyorsa bir Donnan dengesi oluşur, bu elektrokimyasal bir dengedir. Elektrostatik Donnan dengesinin çeşitli ölçeklerde oluşması, hücre içi ve hücreler arası iyonik maddelerin taşınımında ve dağılımında önemli rol oynar.