ÇÖZELTİLER VE FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ

ÇÖZELTİ TÜRLERİ: BAZI TERİMLERÇözelti: İki veya daha fazla maddenin tepkime vermeksizin oluşturduğu

homojen bir karışımıdır.Çözücü: Çözeltinin miktarca fazla olan ve halini (fazını) belirleyen bileşenidir. Çözünen: Çözücüye göre daha az miktarda bulunan çözelti bileşenidir.Derişik çözelti: Çözünen madde veya maddeleri fazla olan çözeltidir. Seyreltik çözelti: Çözücü madde veya maddeleri fazla olan çözeltidir.Çözünürlük: Belirli bir sıcaklıkta 100 ml suda çözünen maksimum madde

miktarına çözünürlük denir.Doymuş çözelti: Sabit basınç ve sıcaklıkta çözebileceği en fazla maddeyi çözmüş

çözeltiye verilen addırAşırı doymuş çözelti: Sabit basınç ve sıcaklıkta çözebileceği en fazla maddeden

daha fazla çözüneni bulunan çözeltiye aşırı doymuş çözelti denir. Alaşım: bir metal elementin başka metaller ya da herhangi başka elementler ile

homojen karışımıdır. Alaşımlar karışımdaki metallerin özelliklerinden farklı özellikler gösterirler. En bilinen alaşımlara; tunç (bakır-kalay), pirinç (bakır-çinko), lehim (kalay-kurşun)

Bazı Bilinen ÇözeltilerÇözünen

Çözelti örnekleri

Gaz Sıvı Katı

Gaz Azotta oksijen ve diğer gazlar (hava)

Sıvı Suda karbondioksit (Soda)

Suda etanol (alkol); çok hidrokarbon beraber (petrol)

Suda sakkaroz (şeker); suda sodyum klorür (tuz); cıvada altın (→ amalgamlar)

Çözücü

Katı Metallerde (örneğin platin) hidrojen

parafinde hekzan, altında cıva.

tunç (bakır-kalay), pirinç (bakır-çinko), lehim (kalay-kurşun)

Çözelti Derişimleri

Belirli miktar çözeltide veya çözücüde çözünmüş olarak bulunan madde miktarına derişim (konsantrasyon) denir. Derişim, birçok şekilde ifade edilebilir. Çözünen madde miktarının belirtilmediği bir ifade şekli olan doymuş, doymamış, aşırı doymuş, seyreltik veya derişik gibi ifadelerin yanında çözünen madde miktarının nicel olarak ifade edildiği yüzde derişim, molarite, ppt, ppm ve ppb, molalite, normalite gibi ifadeler de kullanılabilir. Bunlardan başka mol kesri, mol yüzdesi gibi derişim tanımları da kullanılabilir.

ÇÖZELTİ DERİŞİMLERİ

• Kütle Yüzdesi, Hacim Yüzdesi ve Kütle/Hacim Yüzdesi

Kütlece % (m/m) = mçözünen/mçözelti

5,00 g NaCl, 95 g suda çözüldüğünde kütlece % 5,00 lik NaCl çözeltisi hazırlanmış olur.

% Hacim (V/V) = Vçözünen/Vçözelti

25,0 mL metil alkol 75,0 mL sudan oluşan çözelti hacimce % 25,0 lik çözeltidir.

Kütle/Hacim % (m/V) = mçözünen/Vçözelti

100 mL çözeltide 0,9 g NaCl içeren sulu çözeltinin derişimi % 0,9 (kütle/hacim)’dur.

Çözelti Derişimleri

Mol Kesri ve Mol Yüzdesi

Mol kesrii bileşeninin mol cinsinden miktarı

t

ii n

n Çözeltideki tüm bileşenlerin

mol cinsinden toplam miktarı

Mol yüzdesi 100% t

ii n

n

Molarite ve Molalite

MolariteÇözünenin mol sayısı

çözelti

çözünen

V

nM

Çözelti hacmi (L)

MolaliteÇözünenin mol sayısı

çözücü

çözünen

m

nM

Çözücünü kütlesi Kg cinsinden

Çözelti Derişimleri ile ilgili örnekler

Çözelti Derişiminin Değişik Birimlerle verilmesine örnek:

10,00 mL etil alkol, C2H5OH (d=0,789 g/mL) suda çözülüyor ve hacmi 100 mL’ye tamamlanarak yoğunluğu 0,982 g/mL olan bir etil-alkol su çözeltisi hazırlanıyor. Bu çözeltide alkolün (a) hacimce yüzdesi (b) kütlece yüzdesi (c) Kütle/Hacim yüzdesi (d) mol kesri (e) mol yüzdesi (f) molaritesi (g) molalitesi nedir?

a) 00,10%100çözelti mL 100,0

etanol00,10(hacim) etanol%

mL

etanol89,7etanol mL 1

etanol789,000,10etanol g

gmLm b)

çözelti2,98çözelti mL 1

çözelti982,0çözelti0,100çözelti g

gmLm

03,8%100çözelti g 98,2

etanol89,7)etanol(m/m%

g

ÇÖZELTİ DERİŞİMLERİ

c) 89,7%100çözelti mL 100,0

etanol89,7(m/V) etanol%

g

d) Önce etanolün mol sayısını bulalım

OHHCmolOHHC

OHHCmolOHHCgn 52

52

5252etanol 171,0

g46,07

189,7

100,0 mL çözelti 98,2 g ise suyun kütlesi 98,2 - 7,89 = 90,3g sudur.

OHmolOH

OHmolOHgn 2

2

22su 01,5

g02,81

13,90

0330,001,5HC mol0,171

HC171,0

252

52etanol

OHmolOH

OHmol

Etanolün mol kesri

ÇÖZELTİ DERİŞİMLERİ

e) Etanolün mol yüzdesi = 30,3%100etanol

OHHCMOH

OHHCmolM 52

2

52 71,1L1,0

171,0f)

g) OHkgOH

OHkgOHgkgm 2

2

22su 0903,0

g1000

13,90)(

“Etanolün molalitesi”

OHHCmOHg

OHHCmolM 52

2

52 189,0k0903,0

171,0

m: molalite birimi (mol/kg)

MOLEKÜLLER ARASI KUVVETLER ve ÇÖZÜNMEBu bölümde moleküllerin çözelti içindeki davranışlarını ve özellikle de moleküller arası kuvvetleri inceleyeceğiz. Şimdi çözelti oluşumunu üç aşamalı bir sistem olarak düşünelim:

I. aşama

II. aşama

III. aşama

KARIŞIMLARDA MOLEKÜLLER ARASI KUVVETLER

• ΔHa, ΔHb, and ΔHc’nın büyüklüğü moleküller arası çekim kuvvetlerine bağlıdır.

• Moleküller arası çekim kuvvetleri yaklaşık olarak aynı büyüklükte ise bu tür moleküller gelişigüzel karışır ve çözelti homojen olur, bu tip çözeltiler ideal çözeltiler denir.

• ΔHa + ΔHb ~ -ΔHc ΔHç ~ 0, Çözeltide bulunan moleküller arası kuvvetler :

ΔHa = A çözücü molekülleri arasındaki kuvvetler,

ΔHb = B çözünen molekülleri arasındaki kuvvetler,

ΔHc = A ve B çözeltideki moleküller arasındaki kuvvetler.

İDEAL ÇÖZELTİ

Molekül büyüklükleri birbirine yakın apolar bileşikler arasında İDEAL ÇÖZELTİLER oluşur. Sıvı hidrokarbonların çözeltileri (Benzen Tolüen Karışımı) böyledir. Bu tür çözeltiler oluşurken ısı alışverişi olsa da çok zayıftır. ΔHç ~ 0 olur.

İDEAL OLMAYAN ÇÖZELTİLER

• Aynı moleküller arası kuvvetler, A-A veya B-B (çözücü veya çözünen molekülleri arasındaki kuvvetler), farklı moleküller arası kuvvetlerden, A-B, (çözücü ve çözünen molekülleri arasındaki kuvvetler) daha KÜÇÜK ise çözelti oluşur, fakat özellikleri önceden bilinemez. Bu tür çözeltilere ideal olmayan çözeltiler denir. Çözücü ve çözünen molekülleri arasındaki etkileşimden açığa çıkan ısı ΔHc çözücü ve çözünen

moleküllerinin birbirinden ayrılması için gereken ısıdan (ΔHa + ΔHb) daha büyüktür.

Çözünme işi ekzotermiktir (ΔHç < 0).

A-A < A-Bveya

B-B < A-B

CHCl3 Kloroform -- (CH3)2CO Aseton

(CH3)2CO Aseton ----- CS2 Karbon Sülfür arasındaki dipol dipol kuvvetler farklı olup ideal olmayan çözelti olur.

• Aynı moleküller arası kuvvetler, A-A veya B-B (çözücü veya çözünen molekülleri arasındaki kuvvetler), farklı moleküller arası kuvvetlerden, A-B, (çözücü ve çözünen molekülleri arasındaki kuvvetler) biraz BÜYÜK ise tam karışma olur, fakat çözelti ideal değildir. Çözücü ve çözünen molekülleri arasındaki etkileşimden açığa çıkan ısı ΔHc

çözücü ve çözünen moleküllerinin birbirinden ayrılması için gereken ısıdan (ΔHa + ΔHb)

daha küçüktür. Yani, çözünme işi endotermiktir (ΔHç > 0).

A-A > A-Bveya

B-B > A-B

İDEAL OLMAYAN ÇÖZELTİLER

İDEAL OLMAYAN ÇÖZELTİLER

• Aynı moleküller arası kuvvetler, A-A veya B-B (çözücü veya çözünen molekülleri arasındaki kuvvetler), farklı moleküller arası kuvvetlerden, A-B, (çözücü ve çözünen molekülleri arasındaki kuvvetler) çok BÜYÜK ise karışma olmaz ve çözünme çok azdır, bileşenler ayrı ayrı kalır. Bu tür karışımlar heterojendirler. Su ile oktan karışımında, su molekülleri kuvvetli H bağları ile bir arada tutuldukları için apolar oktan molekülleri bu bağları kıramaz ve çözelti oluşmaz.

A-A >> A-Bveya

B-B >> A-B

Su molekülleri

Oktan molekülü

Kuvvetli H bağları

İYONİK ÇÖZELTİLER

• Eğer iyon dipol çekim kuvvetleri kristaldeki iyonlar arası çekim kuvvetlerinden daha büyük ise çözünme olur. İyonun etrafının su molekülleriyle sarılmasına hidratlaşma denir.

a)Seyreltik b)Derişik c) Doymuş Çözelti Çözelti Çözelti

ÇÖZELTİ OLUŞUMU ve DENGE• Çözücü ile çözünen karıştırıldığında;

• a) İlk çözünme olayı gerçekleşir,

• b) Hemen ardından çökelme başlar ve zamanla artar,

• c) Bir süre sonra çözünme ve çökelme hızları birbirine eşit olur. Bu durumda çözünenin çözeltideki derişimi sabit kalır.

• İçinde bir miktar çözünmemiş madde içeren, çözünme ve çökelme hızlarının birbirine eşit olduğu çözeltilere doygun (doymuş) çözeltiler denir.• Doygun çözeltinin derişimine, verilen çözücü içinde çözünen maddenin çözünürlüğü denir. Molarite veya kütlece yüzde olarak verilebilir.

• Çözünürlük sıcaklığa bağlıdır.

ÇÖZELTİ OLUŞUMU ve DENGE• Çözelti içinde o sıcaklıkta çözebileceğinden az madde çözünmüşse bu çözeltilere doymamış çözeltiler denir.

• Doygun bir çözelti soğutulduğunda çökelme olur.

• Kimi durumlarda sıcaklık düşmesine rağmen çökelme olmaz ve çözücü o sıcaklıkta çözemeyeceğinden fazla maddeyi çözer. Bu tür çözeltilere aşırı doymuş çözeltiler denir.

• KNO3 , 100 g suda ve 30oC sıcaklıkta ~32g çözünür. Bu çözelti doygun çözeltidir. Aynı sıcaklıkta 30g KNO3 çözünmüşse doymamış, 35g KNO3 çözünmüşse aşırı doymuş çözeltidir. Çeşitli tuzların çözünürlüklerinin sıcaklıkla

değişimi

ÇÖZELTİ OLUŞUMU ve DENGE• İyonik bileşiklerin çözünürlüğü genellikle sıcaklıkla artar. Ancak, SO3

2-, SO42-, SeO4

2-, AsO4

3-, PO43- anyonları bu kurala uymazlar.

• Çözünme entalpisi endotermik olan bir çözelti için, Hç > 0, çözünme sıcaklık arttırıldığında artar.

• Çözünme entalpisi ekzotermik olan bir çözelti için, Hç > 0, çözünme sıcaklık arttırıldığında azalır.• Yüksek sıcaklıkta hazırlanan doygun bir çözeltinin soğutulması ile kristallendirilerek saflaştırma işlemine ayrımsal kristallendirme denir.

GAZLARIN ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ

• Gazların çözünürlüğüne sıcaklığın etkisi Gaz molekülleri arası mesafeler katı ve sıvılarınkine oranla çok çok büyük olduğu için gazların çözünmesi katılarınkinden farklıdır. Gazlar önce yoğunlaşıp sonra çözüneceği için gazların çözünmeleri ekzotermik bir

olaydır, yani “Sıcaklık arttıkça gazların çözünürlüğü azalır”. Ör: Gazlı içecekler çözünmüş CO2 içerdikleri için soğuk tüketilirler.

• Gazların çözünürlüğüne basıncın etkisi ve Henry Yasası

Bir gazın çözünürlüğü gaz basıncıyla doğru orantılıdır. Buna Henry yasası denir. C = gazın çözünürlüğü mL/Lk = orantı sabiti

gazPkC Gazın basıncı arttıkça

çözünürlüğü artar.

Çözünürlük miktar olarak kütle, hacim veya mol cinsinden olabilir. Eğer gaz çözücü ile tepkime veriyorsa veya iyonlaşıyorsa Henry Kanununa uymaz.

Çözünürlük: 0oC de 1 atm gaz basıncında 1L suda çözünebilen mL gaz miktarıdır.

GAZLARIN ÇÖZÜNÜRLÜĞÜSoru: 0oC de 1 atm basınçta N2 gazının sudaki çözünürlüğü 23,54 mL N2/L’dir. N2 gazının çözünürlüğünü 100,0 mL yapmak için 0oC’deki basıncı kaç atm olmalıdır?

2

/0,100

00,1

/54,23 22

Ngaz P

LNmL

atm

LNmL

P

Ck atmPN 25,4

2

Soru: 0oC de 1 atm basınçta O2 gazının sudaki çözünürlüğü 48,9 mL O2/L’dir. O2 gazının havadaki normal kısmi basıncında (0,2095 atm) sudaki doygun çözeltisinin molaritesi nedir?

0oC de 1 atm basınçta O2 gazının Molaritesi

242

3

1057,42095,000,1

1018,2OMC

atm

C

atm

OM

P

Ck

gaz

232

22

1018,21

)(4,221

0489,0

2OM

ÇözeltiL

NKOLOmol

OL

M O

ÇÖZELTİLERİN BUHAR BASINÇLARI

Ayrımsal damıtma

Ayrımsal damıtmada (uçucu sıvıların karışımlarının damıtma yolu ile ayrılmasında) hangi sıvının öncelikle damıtılacağı karışımdaki sıvıların buhar basınçlarına bağlıdır. Kaynama noktası ve osmotik basınç gibi özellikler de buhar basıncı ile ilgilidir. Çözüneninin içinde çözündüğü çözücünün buhar basıncını düşürdüğü 1880’de Raoult tarafından keşfedildi.

Çözücüsü A, çözüneni B olan iki bileşenli bir çözelti için; ideal bir çözeltide çözücünü buhar basıncı, PA, verilen sıcaklıkta saf çözücünün buhar basıncıyla, PA

o, çözücünün çözeltideki mol kesrinin, XA, çarpımıdır.

oAAA PP Raoult Yasası:

ÇÖZELTİLERİN BUHAR BASINÇLARIİdeal çözeltilerde buhar basınçlarını bulunması

Soru: Saf benzen ve toluenin 25 oC da buhar basınçları sırasıyla 95,1 ve 28,4 mmHg dır. Benzen ve toluenin her ikisinin de mol kesirlerinin 0,500 olduğu bir çözelti hazırlanıyor. Bu çözeltide benzen ve toluenin kısmi basunçları nedir? Toplam buhar basıncı nedir? Benzen-toluen çözeltisi ile dengede olan buharın bileşimi nedir?

230,08,61

2,14

770,08,61

6,47

8,61

2,146,47

2,144,28500,0

6,471,95500,00

0

mmHg

mmHg

P

P

mmHg

mmHg

P

P

mmHgP

mmHgmmHgP

mmHgmmHgPP

mmHgmmHgPP

top

toltol

top

benzbenz

top

top

toltoltol

benzbenzbenz

Çözelti bileşimi

Buhar bileşimi

SIVI BUHAR DENGESİ - İDEAL ÇÖZELTİLER

3 - 4 noktalarını birleştiren çizgi “buhar-sıvı bağlantı çizgisi”dir. Bu çizgilerin buhar uçları yeşil çizgiyi oluşturur. Sıvı ve buhar eğrilerinin bağıl yerlerinden, iki bileşenli ideal çözeltiler için buhar fazının sıvı faza göre uçuculuğu yüksek bileşence zengin olduğu görülür.

500,0ben

Yukarıdaki buhar yoğunlaştırılıp tekrar buharlaştırıldığında;

Buharlaştırıp yoğunlaş-tırma işlemi tekrarlanarak uçucu bileşen saflaş-tırılabilir. Buna ayrımsal damıtma denir.

Buhar bileşimi

920,0ben080,0tol

500,0benÇözelti bileşimi

500,0tol

Buhar bileşimi 770,0ben230,0tol

iken

SIVI BUHAR DENGESİ :İDEAL OLMAYAN ÇÖZELTİLER

Propanol-Su karışımının Azeotrop Hali % 71,69 propanol ve %28,31 su’dur.

İdeal olmayan çözeltilerde sapma yeterince büyükse, çözeltiler buharlaştırıldığında oluşan buhar sıvı ile aynı bileşimdedir. Bu çözeltiler sabit sıcaklıkta kaynar ve azeotrop olarak isimlendirilir.

Azeotropik Karışımlarda Sıvı Buhar Eğrileri

Elektrolit Olmayan Çözeltilerde Donma Noktası Alçalması ve Kaynama Noktası Yükselmesi

Bir çözücünün, içinde bir maddenin çözünmesiyle buhar basıncının düşmesi çözücünün özellikleriyle ilgili değildir. Aynı zamanda donma noktası alçalması, kaynama noktası yükselmesi osmotik basınç gibi özellikler de çözücünün özellikleriyle ilgili değildir. Bu özellikler çözeltideki tanecik derişimine bağlı olup çözünenin cinsinden bağımsızdır. Bu özelliklere tanecik özellikleri denir.

mKT DNDN Donma noktası alçalması

DNDNDN TTT 0

mKT KNKN Kaynama noktası yükselmesi

0KNKNKN TTT

DNT

0DNTDNTKNT

KNT0KNT

Sıcaklık

Bas

ınç

Donma Noktası Verilerinden Molekül Formüllerinin Bulunması: Nikotin, tütün yapraklarından özütlenen bir sıvı olup 60 oC nin altında suda her oranda çözünür. (a) -0,450 oC da donan bir sulu çözeltide nikotinin molalitesi nedir? (b) Bu çözelti 48,92 g suda 1,921 g nikotinin çözünmesi ile hazırlanmışsa, nikotinin mol kütlesi nedir? KDN=1,86 oC/m

a) mCC

K

Tm

mC

DN

DN 242,086,1

)450,0(0

b)sukg

mol

sukg

MAg

m

nm nikotin

su

242,004892,0

/921,1

molgmol

gMAnikotin /162

)242,004892,0(

921,1

Elektrolit Olmayan Çözeltilerde Donma Noktası Alçalması ve Kaynama Noktası Yükselmesi

Osmotik Basınç

Uzun cam boru içine konan sulu sakkaroz çözeltisi, yarı geçirgen bir zar vasıtasıyla saf sudan ayrılmıştır. Su molekülleri zarda her iki tarafa geçebilmektedir. Saf sudaki su derişimi çözeltideki su derişiminden fazla olduğu için saf sudan çözeltiye doğru net bir su geçişi olur, bu geçişe osmoz adı verilir. Osmoz saf suyun boruda yükselmesini sağlar.

Çözelti üzerine basınç uygulanırsa, su moleküllerinin çözeltiye geçiş hızı azalır. Çözelti üzerine osmotik geçişi durduracak kadar uygulanması gereken basınca çözeltinin osmotik basıncı denir ve ile gösterilir. Bu basınç %20 lik sakkaroz çözeltisi için 15 atm dir. Osmotik basınç tanecik özelliğidir, çözünenin cinsine bağlı değildir.

Osmotik Basınç

Osmotik Basınç ()

TRc

TRV

n

R(gaz sabiti) = 0,08206 L atm/(mol K)

c = Çözeltinin molaritesi

Osmotik BasınçOsmotik basıncın hesaplanması: 25 oC 0,0010 M C12H22O11 (sakkaroz) çözeltisinin osmotik basıncı nedir?

)18(024,01

298)/(08206,00010,0mmHgatm

L

KKmolatmLmol

Osmotik basınç ölçümlerinden mol kütlesinin hesaplanması: 1,08 g kan plazma proteini (insan serum albümini) içeren 50,0 mL sulu çözelti hazırlanmıştır. Çözeltinin osmotik basıncı, 298 K de 5,85 mmHg dır. Albüminin mol kütlesi nedir?

atmmmHg

atmmmHgPalb

31070,7760

185,5

V

mRTMA

V

RTMAm

)/(

molgL

KKmolatmLgMAalb /1086,6

050,01070,7

298)/(08206,008,1 43

Elektrolit Çözeltilerde Donma Noktası Alçalması ve Kaynama Noktası Yükselmesi

Bazı çözünenler beklenenden daha fazla tanecik özellik gösterirler. Örneğin, 0,0100 m lık bir sulu çözeltinin donma noktası düşmesi;

Eğer çözelti 0,0100 m üre ise donma noktası -0,0186 ölçülür iken, eğer çözelti 0,0100 m NaCl (elektrolit) ise ölçülen donma noktası -0,0361 olur. Çözünenin ölçülen tanecik özelliği değerini beklene değere bölerek elde edilen faktöre Van’t Hoff faktörü (i) denir.

CmmCmKT DNDN 0186,00100,0/86,1

292,10186,0

0361,0

)(

)(

C

C

T

Ti

beklenenDN

ölçülenDN

Van’t Hoff faktörü

Elektrolit olmayan bir çözelti için i = 1

NaCl için i = 2

MgCl2 için i = 3

Elektrolitler için tanecik özellikleri eşitlikleri

mKiT DNDN

mKiT KNKN

TRci

Elektrolit Çözeltilerde Donma Noktası Alçalması ve Kaynama Noktası Yükselmesi

Elektrolit çözeltiler için tanecik özelliklerinin hesaplanması: 0,00145 m MgCl2 ün sulu çözeltisinin donma noktasını bulunuz. KDN = 1,86 oC/m

MgCl2 (aq) Mg2+(aq) + 2Cl-

(aq) Van’t Hoff faktör, i = 3 ise

CT

mmCT

mKiT

DN

DN

DNDN

0081,0

00145,0/86,13

TERS OSMOZ - DESALİNASYON

Burada Membran sadece su moleküllerini geçirir,tuz iyonlarını geçirmez. NŞ.da OSMOZ olayında saf sudan tuzlu suya doğru bir su girişi olur. B tarafına suyun Pos’dan > P uygulanırsa B tuzlu sudan A saf suya su geçişi olur ki, bu olaya TERS OSMOZ denir. DESALİNASYON usulüyle bu yolla deniz suyundan içme suyu elde edilebilmekte ve atık sularda bu yolla kullanma suyu haline dönüştürülebilmektedir.

PRATİKTE UYGULAMALAR-DN DÜŞMESİ