SU VE ÇÖZELTİLER

Dr. Sedat TÜRE

SU

Su, bir inorganik maddedir

Su, H2O molekül yapısındadır

Su molekülünün oksijen tarafı elektronlardan zengindir ve lokal bir negatif () yüklü bölge oluşturur; hidrojen tarafı da elektronlardan fakirdir ve lokal bir pozitif (+) yüklü bölge oluşturur

Su molekülleri, hem katı halde hem de sıvı halde iken, birbirlerine hidrojen köprüsü bağlarla bağlanma yeteneğindedirler. Su moleküllerinin buzda %100’ü, oda sıcaklığındaki suda %70’i, 100oC’deki suda %50’si hidrojen bağlarıyla art arda birbirlerine bağlanmışlardır

Su, polar bir çözücüdür (solvent). Su içindeki katyonlar su molekülünün negatif yük merkezini çekerler; anyonlar da su molekülünün pozitif yük merkezini çekerler

Polar biyomoleküller su içerisinde rahatça çözünürler (hidrofilik-suyu seven-). Nonpolar biyomoleküller su içerisinde zayıf çözünürler ki suda çözünmeyen ve suyla etkileşimden kaçınan maddeler hidrofobik-su sevmez- olarak tanımlanırlar

Hidrofobik etkileşimler canlıların oluşmasında önemli role sahiptirler

Polar ve nonpolar bölgeleri aynı zamanda bulunduran yapılara amfipatik yapılar denir. Amfipatik yapılar, suda misel, çift tabaka, vezikül oluştururlar

Çözücü (solvent) denen dağıtıcı bir faz ile bir veya birçok dağıtılmış fazdan (çözünen, solüt) kurulan sıvı bir örnek durum çözelti (solüsyon) olarak tanımlanır

ÇÖZELTİLER

Partiküllerin yapısına göre çözeltiler

1) Monodispers çözeltide parçacıkların boyutu aynıdır. Polidispers çözeltide parçacıkların boyutu farklıdır ve analitik tekniklerle ayrılabilirler

2) Moleküler çözeltiler (gerçek çözeltiler) çözünenlerin mol kütlesi 10000’in altında iyon ve moleküllerden kurulmuş çözeltilerdir. Makromoleküler çözeltiler çözünenleri büyük moleküllü olanlardır

3) Misel çözeltiler çözünenleri hacimli parçacıklardan veya moleküllerin yığışmasından (agregasyon) kurulur

Makromoleküler çözeltiler ve misel çözeltilere kolloidal çözeltiler veya sol denir

Ortam sıcaklığında suyla çalkalamakla bazı yapılar bir çözelti oluşturmazlar; çabuk çöken, dayanıksız, heterojen ve süspansiyon denen bir durumu yaparlar

Peltemsi bir şekil alan ve katı maddelerin bir çok özelliklerine sahip olan kolloidal sisteme jel denir

Çözünen madde konsantrasyonuna göre çözeltiler

1) Dilüe çözeltiler (seyreltik çözeltiler)

2) Konsantre çözeltiler (derişik çözeltiler)

3) Doymuş çözeltiler (satüre çözeltiler)

Dilüe çözeltiler (seyreltik çözeltiler), çözünmüş madde miktarının az olduğu çözeltilerdir (konsantrasyonu düşük çözeltiler)

Konsantre çözeltiler (derişik çözeltiler), çözünmüş madde miktarının fazla olduğu çözeltilerdir (konsantrasyonu yüksek çözeltiler)

Doymuş çözeltiler (satüre çözeltiler), çözünmüş madde miktarının maksimum olduğu çözeltilerdir

Çözelti konsantrasyonları

Bir çözeltinin konsantrasyonu, çözeltinin belirli bir volümü içinde çözünmüş olan madde (substrat) miktarıdır

-Yüzde (% )

-Molarite (M)

-Molalite (m)

-Normalite (N)

çözelti konsantrasyonlarını anlatmak için kullanılan ifadelerdir

Yüzde (%) konsantrasyonlar

Çözeltinin konsantrasyonu %8w/w deyince, 8 g çözünenin 100 g çözeltide bulunduğu anlaşılır

Çözeltinin konsantrasyonu %70v/v deyince, 70 mL çözünenin 100 mL çözeltide bulunduğu anlaşılır

Hem çözücünün hem çözünenin sıvı olduğu çözelti konsantrasyonunu ifade etmek için kullanılır

%15’lik 500 mL etanol çözeltisi hazırlamak için

0,15x500=75 mL etanol 500 mL’lik balon jojede total volüm 500 mL olacak şekilde distile su ile karıştırılır

H2SO4 gibi asitlerin çözünmeleri sırasında açığa

çıkan fazla miktarda ısı balonun aşırı ısınma ile çatlamasına neden olabilir. Bu durumda soğutmak amacıyla balonun dışı, akan çeşme suyu altında tutulmalı, fakat bu sırada balonun içine çeşme suyu kaçmamasına dikkat etmelidir

Ayrıca asit üzerine su eklenmemelidir

Asit sulandırmalarında daima su üzerine asit eklemelidir

%w/v, genellikle g/dL (g/100mL)’ye karşılık gelir

Çözeltinin konsantrasyonu %8w/v deyince, 8 g çözünenin 100 mL çözeltide bulunduğu anlaşılır

%8= 8g/100mL= 8g/dL=80g/L

=8000mg/100mL=8000mg/dL=80000mg/L

%20’lik 250 mL üre çözeltisi hazırlamak için

-0,20x250=50 g üre 250 mL’lik balon jojeye konur

-önce bu miktar üre çözünecek kadar distile su eklenerek bilekten seri hareketlerle çalkalanarak çözünme sağlanır

-sonra total hacim distile su ile 250 mL’ye tamamlanır

KOH ve NaOH gibi bazların çözünmeleri sırasında açığa çıkan fazla miktarda ısı balonun aşırı ısınma ile çatlamasına neden olabilir. Bu durumda soğutmak amacıyla balonun dışı, akan çeşme suyu altında tutulmalı; fakat bu sırada balonun içine çeşme suyu kaçmamasına dikkat etmelidir

Molarite (M)

Polarite, 1 L çözeltideki mol sayısıdır

Molaritenin ölçüm birimi mol/litre ve sembolü M’dir

1 M çözelti deyince çözeltinin 1 litresinde 1 mol çözünen bulunduğu anlaşılır

1 M=1 mol/L=1000 mM=1000000 M

1 mM=1 mmol/L= 0,001 M

1M=1 µmol/L= 0,001 mM

1 mol glukoz=180 g glukoz 180 g glukoz=1 mol glukoz

1 mol NaCl=58,5 g NaCl 58,5 g NaCl=1 mol NaCl

1mol CaCl2=111 g CaCl2 111 g CaCl2=1 mol CaCl2

1 L 0,1 M’lık CuSO4 (molekül ağırlığı 160) çözeltisi için 1x0,1x250=25 gram CuSO4·5H2O gerekir

25 g CuSO4·5H2O= 16 g CuSO4= 0,1 mol CuSO4

Dansitesi 1,19 olan % 38’lik konsantre HCl’den (HCl’nin molekül ağırlığı 36,46) 500 mL 2M’lık HCl çözeltisinin, hazırlamak için

gerekir

Molalite (m)

Ağırlık/ağırlık ölçümüdür

1 molal çözelti deyince 1000 g (1 kg) çözücüde 1 mol çözünen çözündüğü anlaşılır

1 molal=1000 mmolal1 mmolal=0,001 molal

Molalite, sıcaklık değişimine bağımlı değildir

Konsantrasyon birimi olarak molariteye oranla daha duyarlıdır. Buna rağmen klinik laboratuvarlarda kullanımı yaygın değildir

Klinik laboratuvarlarda kullanılan çözeltiler sulu çözeltiler olduklarından molalite ile molarite arasında pek büyük fark yoktur

Normalite (N)

Normalite, 1 L çözeltideki ekivalan ağırlık sayısıdır

Normalitenin ölçüm birimi Eq/litre ve sembolü N’dir

1 N çözelti deyince çözeltinin 1 litresinde 1 Eq (1000 mEq) çözünen bulunduğu anlaşılır

1 N=1 Eq/L=1000 mEq/L=1000000 Eq/L

1 mN=0,001 N=1000 N=1 mEq/L

500 mL 2,5 N’lik NaOH (molekül ağırlığı 40) çözeltisi hazırlamak için

gerekir

Dansitesi 1,19 olan %38’lik konsantre HCl’den (HCl’nin molekül ağırlığı 36,46) 250 mL 0,1N’lik HCl çözeltisini hazırlamak için

gerekir

Konsantrasyon birimlerinin birbirine çevrilmesi

Çözeltilerin seyreltilmesi

Konsantre bir çözeltiden dilüe bir çözelti hazırlanmasına seyreltme (dilusyon) denir

Biyokimyada yapılan seyreltmeler, toplam çözeltinin bütün özelliklerini içerecek şekilde hazırlanır

1:100’luk seyreltme yapılırken konsantre çözeltiden 1 birim alınarak toplam hacim olan 100 birime tamamlanır

25 µL serum ile 25 µL tuz çözeltisi karıştırılırsa, serum 25:50= 1/2 oranında seyreltilmiş olur

Sabit konsantrasyondan bir alt düşük konsantrasyona ulaşmak için seri seyreltmeler yapılır

Çözeltilerde C molarite veya normalite olarak ifade edildiği zaman

Hidratlı maddeler

Bir kimyasal molekül üretildiğinde, tuz moleküllerine bağlı, değişen miktarlarda su molekülleri (hidrat suyu) içerir

CuSO4 molekül ağırlığı 160

CuSO4H2O molekül ağırlığı 178

CuSO45H2O molekül ağırlığı 250

Hidratlı maddelerdeki su molekülleri, çözelti hesaplamalarında dikkate alınır. Örneğin; 250 mL %10’luk CuSO4 çözeltisini hidrasyon suyu olmayan bakır

sülfattan (CuSO4, molekül ağırlığı 160) değil de 1 molekül

hidrasyon suyu olan bakır sülfattan (CuSO4H2O,

molekül ağırlığı 178) ile hazırlayacaksak tartacağımız CuSO4H2O miktarı

Bir su molekülü, çok az sayıda bile olsa komşu su molekülü lehine bir proton yitirebilir ve böylece bir hidronyum iyonu (H3O+) oluşturabilir. Su, az da olsa hidronyum ve hidroksil iyonlarına ayrışır

pH, ASİTLER VE BAZLAR

Sulu çözeltilerde, saf suda olduğu gibi H+ ile OH’nin konsantrasyonları eşit olduğunda, çözeltinin nötral pH’ da olduğu ifade edilir

Bir çözeltideki H+ iyonları konsantrasyonunun eksi logaritması çözeltinin pH’ı olarak ifade edilir

Nötral pH’da H+ ile OH’nin konsantrasyonu birbirine eşit ve 10-7M’dır

25oC’de nötral bir çözeltinin pH’ı 7’dir

Bir çözeltinin pH’ı 7’den küçükse (H+ iyonu konsantrasyonu daha yüksek), çözelti asidiktir

Bir çözeltinin pH’ı 7’den büyükse (H+ iyonu konsantrasyonu daha düşük), çözelti alkali veya baziktir

Yüksek konsantrasyonda H+ iyonu (proton) içeren sulu çözeltiler asitlerdir

Yüksek konsantrasyonda OH¯ iyonu içeren sulu çözeltiler bazlardır

Asitler proton vericisi (donör), bazlar proton alıcısıdırlar (akseptör)

Hem proton vericisi (donör), hem proton alıcısı (akseptör) olan maddelere amfoter maddeler denir

Bir proton donörü ve ona uygun proton akseptörü, bir konjuge asit-baz çifti oluştururlar

Asit ve bazların suda çözündüklerinde iyonize oluşları faklıdır. Buna göre zayıf asit – kuvvetli asit veya zayıf baz – kuvvetli baz tanımı yapılır

Biyokimyacılar için, suda çözündüklerinde tamamen iyonize olmayan zayıf asit ve bazların davranışı önemlidir

Zayıf asit ve bazlar, biyolojik sistemlerde bulunurlar; metabolizmada ve metabolizmanın düzenlenmesinde önemli rol oynarlar

Suda çözündüklerinde büyük oranda iyonize olan asitler kuvvetli asitlerdir (Ka değerleri büyük, pKa değerleri küçük)

Suda çözündüklerinde az miktarda iyonize olan asitler zayıf asitlerdir (Ka değerleri küçük, pKa değerleri büyük)

Zayıf asidin pKa değerine eşit pH’da, zayıf asit ve bunun konjuge bazı eşit konsantrasyonlarda bulunur

Daha düşük pH’larda asit konsantrasyonu fazladır

Daha yüksek pH’larda ise asidin konjuge bazının konsantrasyonu fazladır

Zayıf asitlerin pKa değerleri, titrasyon grafiği çizilerek bulunabilir. Bunun için, belirli volümdeki asit örneği, konsantrasyonu bilinen kuvvetli bir baz (genellikle NaOH) çözeltisi ile titre edilir

NaOH, bir indikatör boya veya bir pH metre ile nötralizasyon sağlandığı anlaşılıncaya kadar, aside yavaş yavaş ilave edilir

Asidin belirli bir volümüne belirli miktarlarda NaOH eklendikçe pH ölçümü yapılır

Eklenen NaOH miktarlarına karşılık pH değerlerinin grafiği çizilir. Buradaki grafikte bulunan pH değeri, zayıf asidin pKa değeridir

Zayıf bir asit (proton donörü) ve onun konjuge bazını (proton akseptörü) eşit miktarlarda içeren karışımlar tampon sistemi olarak bilinirler

Tamponlar

Tamponlar, küçük miktarlarda asit (H+) veya baz (OH) eklendiğinde pH değişikliklerine karşı koyma eğiliminde olan sulu sistemlerdir

Bir tampon sisteminin tamponlama özelliği, iki reverzibl reaksiyonun sonucudur

pH, zayıf asit ile onun konjuge bazının bir karışımının tamponlama etkisi ve zayıf asidin pKa’sı arasındaki

kantitatif ilişki, Henderson-Hasselbalch denklemi ile ifade edilir

Henderson-Hasselbalch denklemi, her hangi bir pH’da proton donör ve proton akseptörün molar oranını hesaplamaya yarar

Örneğin; asetik asidin pKa değeri 4,76 olduğuna göre asetat ve asetik asitten pH’ı 5,30 olan asetat tamponu hazırlamak için gerekli asetat ve asetik asidin molar konsantrasyon oranı

Henderson-Hasselbalch denklemi, verilen bir pKa ve

molar orana göre bir asit-baz çifti için pH’ı hesaplamaya yarar. Örneğin; kanda önemli bir tampon sistemi olan bikarbonat/karbonik asit tampon sistemi için

Hem asitlerle hem bazlarla tuz oluşturabilen maddelere amfolitler veya amfoter elektrolitler denir

Amfolitler, amfolitin izoelektrik noktası denen bir pH ortamında, eşit sayıda negatif () ve pozitif (+) yük içerirler (H+A)

izoelektrik noktadan düşük pH ortamında (asit ortam), katyon (pozitif yüklü iyon; H+

2A) halinde bulunurlar

izoelektrik noktadan yüksek pH ortamında (bazik ortam) ise anyon (negatif yüklü iyon; A) halinde bulunurlar

Sulu çözeltide ortamın H+ iyonu konsantrasyonuna (pH’ına) göre renk değiştiren maddeler indikatör olarak tanımlanırlar

İndikatörler, genellikle amfoter maddelerdir

İndikatörler, titrasyonlarda sık kullanılırlar

Litmus, zayıf bir asittir; iyonlaşmamış halde kırmızı, iyonlanmış halde mavi renklidir

Methyl orange zayıf bir asittir; iyonlaşmamış halde kırmızı, iyonlanmış halde sarı renklidir

Phenolphthalein, zayıf bir asittir; iyonlaşmamış halde renksiz, iyonlanmış halde pembe renklidir

İndikatörün renk değiştirdiği noktaya dönüm noktası denir

Sulu çözeltilerin pH’ı, genellikle bir amfolit olan ve ortamın H+ iyonu konsantrasyonuna (pH’ına) göre renk değiştiren indikatör boyalar yardımıyla ölçülebilir

Sulu çözeltilerin pH’ını ortamın H+ iyonu konsantrasyonuna (pH’ına) göre renk değiştiren indikatör boyalar yardımıyla ölçme yöntemlerine kolorimetrik yöntemler denir

Sulu çözeltilerin pH’ı, elektrometrik yöntemler denen, iki elektrot arasındaki potansiyel farkının bir galvanometre ile ölçülmesi esasına dayanan yöntemlerle daha hassas olarak ölçülebilir

pH metre denen aletlerde elektrottan çıkan sinyal, şiddetlendirilir ve pH’ı bilinen bir çözelti tarafından oluşturulan sinyal ile karşılaştırılır