AYT Kimya Çözeltiler: Derişim, Çözünürlük ve Hesaplamalar

Çözelti, çözücü ve çözünen

Çözelti, iki ya da daha fazla maddenin tanecik düzeyinde homojen olarak dağıldığı karışımdır. Çözeltide miktarı genellikle daha fazla olan ve diğer maddeyi dağıtan bileşene çözücü, dağılan bileşene ise çözünen denir. Örneğin tuzlu suda su çözücü, tuz çözünen ve oluşan homojen karışım çözeltidir. Bir çözeltinin fiziksel hâli, çoğunlukla çözücünün fiziksel hâliyle ifade edilir.

Çözücü yalnızca su olmak zorunda değildir. Alkol-su karışımında her iki sıvı da birbiri içinde çözünür; hangi bileşenin çözücü olduğu, karışımda daha fazla bulunan bileşene göre belirlenir. Katı çözeltilere alaşımlar, gaz çözeltilere ise havadaki gazların homojen karışımı örnek verilebilir. Böylece çözeltiler çözücünün katı, sıvı veya gaz olmasına göre sınıflandırılabilir.

Çözelti oluşurken çözünen tanecikleri çözücü tanecikleri arasında dağılır. İyonlar, moleküller ya da atomlar çözücü tarafından çevrelenebilir; bu taneciklerin gözle görülmemesi, çözeltinin homojen yapısını değiştirmez. Suda iyon oluşturan çözeltiler elektrolit, iyon oluşturmayanlar elektrolit olmayan çözelti olarak adlandırılır; bu ayrım elektrik iletimiyle ilgilidir.

Çözünme olayı ve tanecik düzeyi

Çözünme, çözünen maddenin taneciklerinin çözücü tanecikleri arasına dağılmasıdır. Bu sırada çözünenin kendi tanecikleri arasındaki çekimler zayıflar, çözücü ile çözünen tanecikleri arasında yeni etkileşimler kurulur. Bu etkileşimler yeterince elverişliyse madde çözeltide dağılmış hâlde kalır; çözünme, maddenin yok olması değil taneciklerinin çözücü içinde ayrılıp çevrelenmesidir.

İyonik bir katı suya atıldığında kristal örgüsündeki iyonlar birbirinden ayrılır ve su molekülleri tarafından çevrelenir. Bu fiziksel ayrışma ve iyonların çözelti boyunca dağılması dissosiyasyon olarak adlandırılır. Moleküler maddelerde ise moleküller çoğu zaman kimyasal bileşimlerini koruyarak çözücü içinde dağılır. Örneğin şeker suda şeker molekülleri olarak dağılırken, iyonik bir tuz suda iyonlarına ayrılabilir. Dipte katı kalması, o sıcaklıkta çözücünün daha fazla taneciği kararlı biçimde dağıtamadığını gösterebilir.

Derişim kavramı ve derişim birimleri

Derişim, belirli miktardaki çözelti veya çözücü içinde bulunan çözünen miktarını gösterir. Çözünen miktarı arttıkça, aynı miktardaki çözelti için derişim artar. Buna karşılık aynı çözünen miktarına daha fazla çözücü eklenirse derişim azalır. Bu nedenle bir derişim ifadesinde pay ve paydanın neyi temsil ettiği dikkatle okunmalıdır.

AYT düzeyinde en sık kullanılan birim molaritedir. Molarite, çözünenin mol sayısının çözeltinin litre cinsinden hacmine oranıdır. Örneğin 0,50 mol çözünen içeren 2,0 L çözeltinin molaritesi 0,25 M olur. Burada paydada çözücünün hacmi değil, son çözeltinin toplam hacmi bulunur.

Molalite, çözünenin mol sayısının kilogram cinsinden çözücü kütlesine oranıdır. Kütlece yüzde, çözünen kütlesinin çözeltinin toplam kütlesine; hacimce yüzde ise çözünen hacminin çözeltinin toplam hacmine oranının yüzde olarak yazılmasıdır. Mol kesri, bir bileşenin mol sayısının çözeltideki tüm bileşenlerin toplam mol sayısına oranıdır. Çok küçük derişimler için ppm, çözünen miktarının çözeltinin toplam miktarına milyonda oranı olarak kullanılır.

Örneğin 10 g tuz ile 90 g su karıştırılırsa çözeltinin toplam kütlesi 100 g olur ve kütlece tuz yüzdesi %10'dur. Aynı örnekte molarite hesaplanacaksa tuzun molü bulunmalı ve son çözeltinin litre cinsinden hacmi bilinmelidir; yalnızca suyun hacmi kullanılamaz. Derişim hesabında kütle, mol ve hacim birimleri birbirine dönüştürülmeden işlem yapılmamalıdır.

Çözelti hazırlama, seyreltme ve çözeltileri karıştırma

Belirli derişimde çözelti hazırlarken önce gereken çözünen miktarı derişim bağıntısından bulunur. Katı çözünen kullanılacaksa mol kütlesiyle kütleye çevrilir; ardından çözücü eklenerek son çözelti hacmi istenen değere tamamlanır. Çözücü miktarı ile çözelti hacmi aynı şey değildir. Örneğin 1,0 M derişimde 0,50 L çözelti hazırlamak için 0,50 mol çözünen gerekir; çözücü, başlangıçta 0,50 L alınmak yerine son hacim 0,50 L olacak şekilde eklenir.

Seyreltmede çözünenin mol sayısı korunur, yalnızca çözelti hacmi artırılır. Bu nedenle M1V1 = M2V2 bağıntısı kullanılabilir. 2,0 M derişimli çözeltiden 0,50 L 0,40 M çözelti hazırlanacaksa alınacak derişik çözelti hacmi V1 = (0,40 × 0,50) / 2,0 = 0,10 L olur; üzerine çözücü eklenerek toplam hacim 0,50 L'ye tamamlanır.

Farklı derişimlerde çözeltiler aynı çözüneni içeriyorsa, karıştırma sorularında toplam çözünen molü toplanır ve toplam çözelti hacmine bölünür. Hacimlerin toplanabildiği kabul edilen durumlarda son derişim Mson = (M1V1 + M2V2) / (V1 + V2) şeklinde yazılır. Su gibi yalnızca çözücü eklenen bir işlemde ise çözünen molü değişmez; yeni hacim, yeni derişimin paydasını oluşturur.

Çözünürlük ve doymuş-doymamış çözeltiler

Çözünürlük, belirli sıcaklık ve basınç koşullarında belirli miktardaki çözücü içinde çözünebilen en fazla çözünen miktarıdır. Bu nedenle çözünürlük, bir maddenin çözünmeye elverişliliğini gösteren sınır değerdir; derişim ise o anda çözeltide bulunan çözünen miktarını belirtir. Bir çözeltinin derişimi, çözünürlük sınırına ulaşmamış olabilir.

Bir çözeltideki çözünen miktarı o koşullardaki çözünürlükten azsa çözelti doymamıştır. Çözünen miktarı ulaşılabilecek en yüksek değere eşitse doymuş çözelti oluşur. Doymuş çözeltide daha fazla çözünen eklenirse eklenen madde çözünmeden kalabilir veya katı faz oluşturabilir. Çözünürlük, sıcaklık ve basınç sabitken çözeltide bulunabilecek maksimum çözünen derişimini sınırlar.

Örneğin belirli sıcaklıkta 100 g suda en fazla 20 g tuz çözünebiliyorsa 10 g tuz içeren çözelti doymamış, 20 g tuz içeren çözelti doymuştur. 25 g tuz eklenirse 5 g tuzun çözünmeden kalması beklenir. Sıcaklık değiştirilirse bu sınır da değişebileceğinden, doymuşluk değerlendirmesi her zaman verilen sıcaklık ve basınç koşullarıyla birlikte yapılır.

Çözünürlüğe etki eden faktörler

Çözünürlüğü etkileyen temel faktörler çözünenin ve çözücünün türü, sıcaklık ve gazlar için basınçtır. Çözünme sırasında çözünen tanecikleri arasındaki ve çözücü tanecikleri arasındaki etkileşimlerin yerini çözünen-çözücü etkileşimleri alır. Bu yeni etkileşimler yeterince güçlü ve uygun olduğunda çözünme kolaylaşır. Bu yüzden her madde her çözücüde aynı miktarda çözünmez; benzer türde etkileşimlere sahip maddeler genellikle birbirinde daha kolay çözünür.

Katıların sıvılardaki çözünürlüğünde sıcaklık etkisi maddeye göre değişebilir. Bir katının çözünmesi ısı alan bir süreçse sıcaklık artışı çözünürlüğü artırabilir; ısı veren bir süreçte artışın etkisi ters yönde olabilir. Bu nedenle katılar için sıcaklık etkisi her madde adına ayrıca değerlendirilir. Katıyı daha küçük parçalara ayırmak veya karıştırmak ise çoğunlukla çözünme hızını değiştirir; denge koşullarındaki maksimum çözünürlükle aynı kavram değildir.

Gazların sıvılardaki çözünürlüğü sıcaklık arttıkça genellikle azalır, basınç arttıkça artar. Gazın sıvı üzerindeki kısmi basıncı yükseldiğinde sıvıya geçen gaz taneciklerinin sayısı artabilir. Gazlı içeceğin kapağı açıldığında basınç azalır ve çözünmüş gazın bir bölümü kabarcıklar hâlinde ayrılır. Bu olay, gaz çözünürlüğünde basıncın önemini gösterir. Buna karşılık bir katıyı toz hâline getirmek, gazlarda olduğu gibi doğrudan çözünürlük sınırını artırmaz; yalnızca temas alanını büyütüp çözünme hızını etkileyebilir.

Çözeltilerin koligatif özellikleri

Koligatif özellikler, çözünen maddenin kimliğinden çok çözeltideki taneciklerin toplam derişimine bağlı özelliklerdir. Çözünen tanecikler, çözücünün buharlaşma ve katılaşma davranışını değiştirir. Çözeltiye uçucu olmayan bir çözünen eklendiğinde çözücünün yüzeyden kaçabilen taneciklerinin oranı azalır; bu durum buhar basıncının düşmesine yol açar. Buhar basıncı düşen sıvının kaynaması için daha yüksek sıcaklığa ulaşması gerektiğinden kaynama noktası yükselir.

Aynı nedenle çözünen tanecikleri, çözücü taneciklerinin düzenli katı yapıya geçmesini zorlaştırır ve donma noktası düşer. Çözünen taneciklerinin sayısı arttıkça bu etkiler genellikle büyür. İyonik maddeler çözeltide birden fazla iyon oluşturabildiğinden, aynı mol miktarındaki moleküler bir maddeye göre daha fazla tanecik meydana getirebilir. Temel bağıntılar ΔTb = i × Kb × m ve ΔTf = i × Kf × m biçimindedir; burada m molaliteyi, i ise çözelti taneciklerinin formül birimine oranını gösterir.

Örneğin aynı miktarda çözücü içeren iki çözeltiden daha fazla çözünen taneciği bulunduranın kaynama noktası daha yüksek, donma noktası daha düşük olur. Osmotik basınç ise yarı geçirgen zardan çözücü geçişini durdurmak için gereken karşı basınçla ilgilidir; ayrıntılı osmoz uygulamaları ayrı bir başlıkta incelenir. İleri koligatif özellik hesaplamaları için ilgili konuya geçilebilir.