Kaynama Noktası Yükselmesi: Buhar Basıncı, Tanecik Sayısı ve Hesaplama

Kaynama noktası yükselmesinin tanımı

Bir sıvının kaynama noktası, denge buhar basıncının sıvının üzerindeki dış basınca eşit olduğu sıcaklıktır. Saf bir çözücüye uçucu olmayan bir çözünen eklendiğinde, çözeltinin kaynama noktası saf çözücünün kaynama noktasından daha yüksek olur. Saf çözücü ile çözelti arasındaki bu sıcaklık farkına kaynama noktası yükselmesi denir ve ΔTb ile gösterilir.

Olayın temelinde, çözünen taneciklerinin çözücünün yüzeyinden gaz fazına geçebilecek çözücü moleküllerinin oranını azaltması bulunur. Çözeltinin belirli bir dış basınca ulaşabilmesi için daha fazla ısıtılması gerekir. Örneğin aynı dış basınç altında saf su kaynarken, suya uçucu olmayan bir madde eklenmesiyle oluşan çözelti aynı koşullarda daha yüksek sıcaklığa ulaşmadan kaynamaz. Yükselmenin miktarı çözünenin gram olarak kütlesiyle doğrudan belirlenmez; çözelti içinde bulunan etkili taneciklerin miktarı önemlidir.

Uçucu olmayan çözünen varsayımında çözünenin kendisinin buhar fazına anlamlı biçimde geçmediği kabul edilir. Böylece buhar basıncındaki değişim, esas olarak çözücü moleküllerinin davranışı üzerinden açıklanır.

Buhar basıncı ile kaynama noktası arasındaki ilişki

Buhar basıncı, bir sıvının buhar fazının uyguladığı basınçtır. Kaynama, sıvının denge buhar basıncının çevresindeki dış basınca eşit olduğu sıcaklıkta gerçekleşir. Açık bir kapta bu dış basınç genellikle atmosfer basıncıdır; dış basınç 1 atm olduğunda ölçülen kaynama sıcaklığı normal kaynama noktası olarak adlandırılır.

Uçucu olmayan çözünen eklendiğinde çözeltinin buhar basıncı, aynı sıcaklıktaki saf çözücünün buhar basıncından daha düşük olur. Bu nedenle çözeltinin buhar basıncı atmosfer basıncına ulaşabilmesi için sıcaklığın artırılması gerekir. Başka bir ifadeyle, saf çözücü belirli bir buhar basıncına daha düşük sıcaklıkta ulaşırken çözelti aynı basınca daha yüksek sıcaklıkta ulaşır. Bu sıcaklık farkı kaynama noktası yükselmesidir.

Örneğin saf çözücü ile çözünen içeren bir çözelti aynı sıcaklıkta karşılaştırılırsa, çözeltinin buhar basıncı daha düşük kabul edilir. Isıtma sürdürüldüğünde çözeltinin buhar basıncı yükselir ve dış basınca ulaştığı anda kaynama başlar. Buhar basıncı düşmesinin ayrıntılı açıklaması ve Raoult yasası ayrı bir konudur.

Etkili tanecik sayısının rolü

Kaynama noktası yükselmesi, çözünen maddenin kimyasal adından veya tartılan kütlesinden çok çözeltide oluşturduğu etkili tanecik sayısına bağlıdır. Etkili tanecik sayısı, çözünenin çözeltide kaç ayrı parçacık olarak bulunduğunu ifade eder. Bir çözünen çözeltide tek bir tanecik olarak kalabilir ya da iyonlarına ayrılarak birden fazla tanecik oluşturabilir.

Tanecik sayısı arttıkça çözücü moleküllerinin buhar fazına kaçma olasılığı daha fazla engellenir. Bunun sonucu olarak buhar basıncı daha çok azalır ve dış basınca ulaşmak için gereken sıcaklık artışı büyür. Bu nedenle aynı molal derişime sahip iki çözeltinin kaynama noktası yükselmeleri, oluşturdukları etkili tanecik sayıları farklıysa aynı olmak zorunda değildir.

Kütlenin tek başına yeterli bir ölçü olmadığını görmek için farklı mol kütleli iki madde karşılaştırılabilir. Bir kilogram çözücüde birer mol tanecik oluşturan sakkaroz ve etilen glikol çözeltilerinin kaynama noktaları aynı olur; çünkü her iki çözeltide de çözünen taneciklerinin molal miktarı aynıdır. Maddelerin gram cinsinden kütleleri ise mol kütleleri farklı olduğu için aynı değildir.

Kaynama noktası yükselmesi bağıntısı ve değişkenleri

Kaynama noktası yükselmesi şu bağıntıyla hesaplanır:

ΔTb = i·Kb·m

Burada ΔTb, saf çözücü ile çözeltinin kaynama noktaları arasındaki sıcaklık farkıdır. i, çözünenin çözeltide oluşturduğu etkili tanecik sayısını dikkate alan faktördür. Elektrolit olmayan ve çözeltide parçalanmadan tek tanecik olarak bulunan bir çözünen için i değeri 1 alınır. İyonlarına ayrılan bir elektrolitte i, oluşan tanecik sayısına göre daha büyük olabilir.

Kb, çözücüye özgü ebülyoskopik sabittir. Bu nedenle aynı çözünen kullanılsa bile çözücü değişirse Kb de değişebilir. m ise çözünen taneciklerinin molalitesidir. Bağıntı, kaynama noktası yükselmesinin molalite ve etkili tanecik sayısıyla doğru orantılı olduğunu gösterir: i veya m arttığında, diğer büyüklükler sabitken ΔTb artar.

Molalite, çözünenin mol sayısının çözücünün kilogram cinsinden kütlesine oranıdır. Formülü m = çözünen molü / çözücü kütlesi (kg) şeklindedir. Kb’nin birimi soruda verilen birimle uyumlu olmalıdır; örneğin Kb °C·kg/mol olarak verilmişse molalite mol/kg alınır. Kaynama noktası yükselmesi hesaplandıktan sonra çözeltinin kaynama noktası, saf çözücünün kaynama noktasına bu fark eklenerek bulunur.

Örnek olarak i = 1, Kb = 2,00 °C·kg/mol ve m = 0,50 mol/kg verilen bir çözelti düşünelim. ΔTb = 1·2,00·0,50 = 1,00 °C olur. Saf çözücünün kaynama noktası 80,00 °C ise çözeltinin kaynama noktası 81,00 °C bulunur. Bu örnekte Kb, kullanılan çözücü için soruda verilmiş bir değerdir; her çözücü için aynı kabul edilmez.

Elektrolit ve elektrolit olmayan çözeltilerin karşılaştırılması

Elektrolit olmayan bir çözünen, çözeltide moleküller hâlinde tek tek tanecikler olarak bulunur. Bu durumda çözünenin mol sayısı ile etkili taneciklerin mol sayısı aynı kabul edilir ve i genellikle 1 alınır. Elektrolit çözünen ise çözeltide iyonlarına ayrılabildiği için başlangıçtaki her bir çözünen birimi birden fazla etkili tanecik oluşturabilir. Bu nedenle elektrolit çözeltilerde i değeri 1’den büyük olabilir.

Aynı çözücüde, aynı molaliteye sahip ve aynı Kb değeriyle karşılaştırılan iki çözeltiden etkili tanecik sayısı daha fazla olanın kaynama noktası yükselmesi daha büyük olur. Örneğin bir elektrolit olmayan çözeltide i = 1, elektrolit çözeltide ise i = 3 ve her ikisinde m = 0,50 mol/kg olsun. Kb = 2,00 °C·kg/mol verildiğinde elektrolit olmayan için ΔTb = 1,00 °C, elektrolit için ΔTb = 3,00 °C bulunur. Fark, çözünenlerin kütlesinden değil, çözeltide oluşturdukları tanecik sayısındaki farktan kaynaklanır.

Gerçek bir çözeltide ayrışma tam olmayabileceğinden i değeri, soruda verilen veya koşullara göre kabul edilen etkili tanecik sayısını temsil eder. Lise düzeyindeki temel sorularda, parçalanmayan maddeler için i = 1; iyonlaşan maddeler için ise oluşan tanecik sayısına uygun değer kullanılır.