Genel Çözünme ve Çözünürlük M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 1 ÇÖZÜNME ve ÇÖZÜNÜRLÜK Prof. Dr. Mustafa DEM İRM.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 2 Çözünme Olayı Analitik kimyada çözücü olarak genellikle su kullanılır. Su molekülleri, bir oksijen atomuna ba ğlı iki hidrojen atomundan meydana gelmi ştir ve molekülün şekli bir V harfine benzer. Molekülde oksijenin bulundu ğu kısım kısmen negatif, hidrojenin bulundu ğu kısım ise kısmen pozitif yüklüdür. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 3 Çözünme olayı -2 Bir molekül farklı atomlardan meydana gelmi şse her bir atomun elektronlara kar şı ilgisi farklı olur. Bunun sonucu olarak molekülün bir kısmında elektron fazlalı ğı ve bunun sonucu olarak da kısmi negatif yük, bir kısmında ise elektron noksanlı ğı ve bunun sonucu olarak da kısmi pozitif yük görülür. Bu şekildeki moleküllere polar moleküller denir. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 4 Su, bir polar moleküldür. Oksijen atomu bölgesi kısmen negatif, hidrojen atomları bölgesi ise kısmen pozitif yük gösterir. Öte yandan elektron da ğılımı yukarıda oldu ğu gibi kutupla şma göstermeyen moleküllere polar olmayan moleküller veya kısaca apolar moleküller denir. Aynı tür atomlardan meydana gelen moleküller apolar özelliktedir. Örne ğin H 2 apolar özellik gösterir.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 5 Çözünme Olayı –3 (Benzer Benzeri çözer) Çözeltiler için genel olarak şu kural söylenebilir: Benzer benzeri çözer; yani polar çözücüler polar çözünenleri , apolar çözücüler ise apolar çözünenleri çözer. Bunun nedeni şu şekilde açıklanabilir. Polar bile şiklerde moleküller arası çekim kuvveti oldukça kuvvetlidir. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 6 Molekülün negatif yüklü kısmı öteki molekülün pozitif yüklü kısmı tarafından çekilir. Böylece bütün moleküller arasında bir a ğ yapısı kurulur. Apolar bir molekül, polar bir moleküldeki bu a ğ yapısını bozarak çözemez. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 7 Çözünme olayı-4 Karbontetraklorür (CCl 4 ) bir apolar moleküldür ve polar bir molekül olan suda çözünmez. Çünkü su molekülleri arasındaki çekim kuvveti, karbontetraklorür ile su molekülü arasındaki çekim kuvvetinden çok daha fazladır. Bu iki sıvı birbiri ile karı şmaz, iki fazlı bir sistem meydana getirir.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 8 Çözünme olayı-5 İyot (I 2 ) bir apolar moleküldür ve yine apolar bir molekül olan karbontetraklorürde çözünür. Katı haldeki I 2 molekülleri arasındaki çekim kuvveti ile saf CCl 4 molekülleri arasındaki çekim kuvveti hemen hemen aynı büyüklüktedir. Dolayısı ile iyot - karbontetraklorür çekimi mümkündür. Bu çekim sonunda iyot molekülleri karbontetraklorür molekülleri ile karı şabilir.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 9 Çözünme Olayı-6 Bir katının sıvıda çözünmesi olayı da aynı şekilde açıklanabilir. Burada da polar çözücü için polar özelli ğe sahip bir katının olması gerekir. Buna en iyi örnek sodyum klorürün (NaCl) suda çözünmesidir. Sodyum klorür kristalinde pozitif yüklü sodyum iyonları (Na + ) ve negatif yüklü klorür iyonları vardır. Sodyum klorür kristalinin iç kısımlarında bütün iyonlar, kar şı yüklü iyonlar tarafından çevrilmi ş durumdadır. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 10 Dolayısıyla elektiriksel bir denge vardır. Kristalin yüzeyinde ise aynı denge yoktur. Kristal, suya atıldı ğında, suyun negatif yüklü oksijenleri ile yüzeydeki sodyum atomlarını, pozitif yüklü hidrojenleri ile ise klorür iyonlarını sarar ve bu iyonları kristalden koparıp alırlar.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 11 Hidrate İyonlar(Sulu iyonlar) Çözücünün su oldu ğu sistemlerde su molekülleri ile çevrilmi ş pozitif veya negatif yüklü iyonlara hidrate iyon denir. Örne ğin NaCl çözünmesinde, etrafı su molekülleri ile çevrilmi ş olan Na + ve Cl - iyonları birer hidrate iyondur. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 12 Pozitif veya negatif yüklü iyonların suda çözünmesi sırasında, etrafında yer alacak su moleküllerinin sayısı geli şigüzel olmayıp ço ğunlukla önceden bellidir. Örne ğin berilyum iyonları suda, dört su molekülü ile birlikte Be(H 2 O) 4 2+ halinde bulunur.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 13 Hidrate iyonlar-2 Sulu çözeltilerin ısıtılmasıyla, bazen, bile şiminde su bulunan kristal yapılı maddeler elde edilir. Örne ğin Fe 2+ ve Cl - iyonlarını içeren bir sulu çözelti buharla ştırılırsa FeCl 2 .6H 2 O bile şiminde bir katı bile şik elde edilir. Bu bile şik gerçekte [Fe(H 2 O) 6 ]Cl 3 yapısındadır. Yani bile şik [Fe(H 2 O 6 ] 2+ ve Cl - iyonlarını içerir. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 14 Bu tür bile şikleri Hidrate bile şikler veya kristal sulu bile şikler denir. Bunlara örnek olarak CoCl 2 .H 2 O, CrCl 3 .6H 2 O ve BeCl 2 .4H 2 O verilebilir. Hidrate bile şiklerin hepsinde su molekülleri pozitif yüklü iyona (katyona) ba ğlı olmayabilir.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 15 Örne ğin ZnSO 4 .7H 2 O bile şi ğinde su moleküllerinin altısı çinko iyonuna ba ğlı iken biri sülfat iyonuna ba ğlıdır, yani [Zn(H 2 O) 6 ].SO 4 H 2 O şeklindedir. NiSO 4 .7H 2 O, CaSO 4 .7H 2 O, CaSO 4 .5H 2 O gibi moleküllerde de durum aynıdır. Örne ğin son bile şik [Co(H 2 O) 4 ]SO 4 H 2 O şeklindedir.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 16 Çözünürlük Bir maddenin belli bir çözücünün belli bir miktarında, belli basınç ve sıcaklıkta çözünebilen en fazla miktarına o maddenin çözünürlü ğü denir. Her maddenin belli bir çözücüde çözünebilece ği madde miktarı yani, denge noktası farklıdır. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 17 Denge, dinamik bir olaydır. Yani bu noktada çözünme durmaz, devam eder. Ancak bunun kar şıtı, yani çözeltiden çözünenin ayrılarak katı üzerinde toplanması olayı da aynı miktarda ve zamanda olur. Böyle bir çözeltiye çözünenin kristali katılırsa kristalin büyüklü ğünün de ği şmedi ği ancak şeklinin de ği şti ği görülür.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 18 Çözünürlü ğe etki eden faktörler 1. Çözünen maddenin türü 2. Çözücünün türü 3. Sıcaklık 4. Basınç 3. Ortak iyon etkisi 4. Ortamın pH ı 5. Yabancı iyonlar 6. Kompleks olu şumuM.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 19 Çözünürlü ğe etki eden faktörler Genel olarak, bile şi ği olu şturan iyonların yarıçapları ne kadar küçük ve iyon yarıçapı küçük ve iyon yükü ne kadar büyükse bile şik o kadar zor çözünür. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 20 Nitel bir sınıflama ile çözünürlü ğü çözünmeyen, az çözünen çözünen olarak gruplandırmak mümkündür. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 21 Bir madde 25 o C’da(oda sıcaklı ğında) 1 litre çözücüde 10 gram veya daha fazla çözünüyorsa çözünen madde, 1 gramın altında çözünüyorsa çözünmeyen madde, bu iki de ğerin arasında çözünüyorsa az çözünen madde olarak tanımlamak mümkündür.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 22 Tanımından da anla şılabilece ği gibi çözünürlük; çözünen maddenin türüne, çözeltinin türüne, sıcaklı ğa, basınca ve yabancı iyon etkisine ba ğlı olarak de ği şir.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 23 Çözünen maddenin türü Her maddenin çözücü-çözünen dengesine ula şma noktası farklıdır. Örne ğin çözünürlü ğe etki eden di ğer faktörler sabit tutuldu ğunda bir litre suda 3,8 mol yani 1311 gram şeker çözünürken aynı miktar suda 5,3 mol yani 310 gram NaCl çözünür. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 24 Miktarlar gram olarak kar şıla ştırıldı ğında şekerin çözünürlü ğünün sofra tuzundan fazla oldu ğu dü şünülebilir. Ancak çözünürlü ğün fazla olması demek daha fazla sayıda molekülün çözeltiye geçmesi demektir. Bu açıdan kar şıla ştırma yapıldı ğında tuzun çözünürlü ğünün şekerden daha fazla oldu ğu görülür. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 25 Bu da beklenen bir olaydır. Çünkü sodyum klorür iyonik yapıdadır ve iyonların yarıçapları şeker moleküllerinden çok daha küçüktür. Dolayısıyla suyun daha fazla sayıda sodyum klorür molekülünü çözeltiye alması do ğaldırM.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 26 Çözücünün türü Çözücü ve çözünen maddelerin molekülleri birbirine ne kadar çok benzer ise çözünürlük o kadar yüksektir. Ba şka bir de ği şle polar yapıdaki bir madde ancak polar çözücülerde, apolar bir madde ise ancak apolar çözücülerde çözünür. Kısaca söylemek gerekirse benzer benzeri çözer. Gerek çözücü gerekse çözünen moleküllerinin özellikleri iki uç özelikten ne kadar farklı ise, çözünürlük o ölçüde de ği şir. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 27 Bazı çözücü molekülleri polarlıkve apolarlık özelliklerini birlikte gösterebilirler. Örne ğin etil alkol böyle bir moleküldür. Molekülün karbon - hidrojen ve karbon - karbon ba ğları apolar, oksijen - hidrojen ve karbon - oksijen ba ğları ise polar özelliktedir. Bir ba şka deyi şle molekülün bir ucu polar özellik, öteki ucu ise apolar özellik gösterir. Dolayısıyla etil alkol hem polar hem de apolar maddeler için iyi bir çözücüdür.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 28 Sıcaklık Sıcaklı ğın çözünürlü ğe etkisini gazlar ve katılar için ayrı ayrı incelemek gerekir. Gazların sıvılardaki çözünürlükleri genellikle sıcaklık arttıkça azalır. Katıların sıvılardaki çözünürlü ğü için ise kesin bir şey söylemek mümkün de ğildir. Çözünme olayının ekzotermik veya endotermik olu şuna ba ğlıdır.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 29 Örne ğin Çözünen+ Su + Enerji Doygun çözelti şeklinde gerçekle şen çözünme olayı için sıcaklı ğın artması çözünürlü ğüa r tt ırırken Çözünen + Su Doygun çözelti + Enerji şeklindeki bir çözünme olayında durum tam tersidir. Bu durum Le Chatelier ilkesine uygun bir sonuçtur. Çözünme olayındaki enerji etkisi (ister enerji veren isterse enerji alan yönde olsun) ne kadar büyük ise sıcaklıktan etkilenme o kadar belirgin olur. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 30 Basınç Basıncın sıvı ve katıların çözünürlü ğüne önemli bir etkisi yoktur. Şüphesiz bir gazın ba şka bir gaz içindeki çözünürlü ğüd e b a s ınca ba ğlı de ğildir. Gazların katı ve sıvılardaki çözünürlükleri ise basınçtan önemli ölçüde etkilenir.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 31 Gazların sıvılarda çözünmesi sırasında, katıların sıvılarda çözünmesinde oldu ğu gibi denge vardır. E ğer sıvı üzerindeki gazın basıncı artırılırsa denge bozulur ve daha fazla gaz sıvıda çözünür. Böylece gazın sıvıdaki çözünürlü ğü artmı ş olur. Gazların sıvılardaki çözünürlü ğünün basınçla olan de ği şimi Henry Yasası ifade edilir. Bu yasaya göre gazların sıvılardaki çözünürlü ğü, bu gazın sıvı üzerindeki kısmi basıncı ile do ğru orantılıdır.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 32 Basınç-2 Sıvı ile tepkime veren gazların çözünürlü ğü vermeyenlere oranla daha fazladır. Örne ğin oksijen, hidrojen veya azotun sudaki çözünürlükleri amonyak, karbondioksit veya kükürt dioksitin sudaki çözünürlüklerinden daha azdır. Çünkü sonuncular suda bile şik olu ştururlar. Bu tür gazların çözünürlü ğüH e nr y yasasından sapma gösterir.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 33 Gazların çözünürlü ğüne basınç etkisi Bir gazın sıvı içindeki çözünürlü ğüne basıncın etkisi, sıcaklık etkisinden çok daha fazladır. Bir gazın çözünürlü ğüga z basıncıyla do ğru orantılı olarak de ği şir. Buna Henry yasası denir ve C = k . P gaz şeklinde ifade edilir. Burada, C= gazın belli çözücüde, sabit sıcaklıktaki çözünürlü ğü P gaz = Gazın bu çözeltideki kısmî basıncı k= orantı katsayısıM.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 34 Gazın bilinen bir sıcaklık ve basınçtaki çözünürlü ğüya rd ımıyla orantı katsayısı hesaplanabilir. Örne ğin azot gazının 0 o C ve 1.0 atm basınç altındaki çözünürlü ğü 23.54 ml/L olarak biliniyorsa orantı katsayısı k, olarak hesaplanır. ml.atm/l 23,54 atm 1,0 ml/l 23,54 P C k gaz = = =M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 35 Henry yasası Henry yasasının uygulaması me şrubatlarda görülür. Bu içeceklerde çözünen gaz CO 2 tir ve yüksek basınçlarda daha çok çözünür. İçecek kapa ğı açıldı ğında gaz çıkı şı fark edilir. Basınç kalktı ğı için çözünmü ş CO 2 uzakla şır, ki bu da köpürme şeklinde görülür. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 36 Henry yasası Dalgıçların zaman zaman ya şadıkları “vurgun”o l a y ı da gazların çözünürlü ğü ile ilgilidir. Dalgıçlar su altında basınçlı hava solurlar ve bu nedenle kanda daha fazla miktarda azot gazı çözülür. Dalgıç yüzeye çıktı ğında fazla çözünmü ş azot kabarcıklar olu şturur. Bu kabarcıklar eklem ve damarlarda şiddetli a ğrılara, felç ve hatta ölümlere neden olur.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 37 Çözünme Entalpisi Bazı çözeltiler olu şurken çevreye ısı verirken bazıları da ısı alırlar. Bunlardan ilkine ekzotermik, ikincisine de endotermik çözünme denir. Ekzotermik ve endotermik çözünmede belirleyici olan nedir? Bu soruya yanıt verebilmek için çözünme olayını yakından incelemek gerekir.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 38 Çözünme olayı üç a şamalı bir i şlem gibi dü şünülebilir: 1. Çözücü molekülleri, çözünen moleküllerini aralarına alabilmek için birbirinden uzakla şarak bo şluklar meydana getirmek durumundadır. Bu, enerji gerektiren bir i şlemdir. ( ?H>0) 2. Çözünen molekülleri çözücünün olu şturdu ğu bo şluklara da ğılabilmek için birbirinden uzakla şması gerekir. Bu olay da enerji gerektirir. ( ?H>0)M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 39 3. Serbest haldeki çözücü ve çözünen molekülleri birbirlerini çekerek düzenli bir yapı olu ştururlar. Bu olay sonucu ba ğ olu şumu söz konusudur ve dı şarıya enerji veren bir olaydır. ( ?H<0) M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 40 Çözünme entalpisi-2 Çözünme olayının ekzotermik veya endotermik olu şu bu üç a şamadaki enerji de ği şiminin toplamına ba ğlıdır. Toplam enerji pozitif ise çözünme endotermik, negatif ise ekzotermiktir. Bu olay a şa ğıdaki şekilde özetlenebilir. Saf çözücü Ayrılmı ş çözücü molekülleri ?Ha>0 Saf çözünen Ayrılmı ş çözünen molekülleri ?Hb>0 Çözücü ve çözünen molekülleri çözelti ?Hc<0 Toplam: Saf çözücü + Saf çözünen Çözelti ?Hç = ?Ha + ?Hb + ?Hc ?Hç > 0 Endotermik çözünme ?Hç < 0 Ekzotermik çözünmeM.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 41 Çözeltilerde “benzer benzeri çözer” ifadesinin anlamı bu şekilde daha iyi anla şılabilir. Benzer molekül yapısındaki bile şikler, yakın de ğerlerde moleküller arası kuvvetlere sahip olduklarından birbirlerini çözerler. Benzer olmayan yapıdaki bile şikler çözelti olu şturma e ğiliminde de ğildirler. Bir çok bile şikte yapıların bazı kısımları benzer, bazı kısımları ise farklı olabilir. Bu durumda hangi kısmın önemli oldu ğuna göre çözünme gerçekle şir veya gerçekle şmez.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 42 İyonik katıların çözünmesi de moleküler katılara benzer. Burada da basamaklar; 1. İyonik katının ayrı ayrı gaz iyonlar haline gelmesi (enerji gerektirir, ?H>0 ) 2. Gaz halindeki katyonun su molekülleri ile çevrilmesi ( enerji verir, ?H<0 ) 3. gaz halindeki anyonun su molekülleri ile çevrilmesi ( enerji verir, ?H<0 ) Çözeltinin enerji de ği şimi(entalpisi) bu üç basama ğın toplamına e şittir M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 43 Çözünme entalpisi-4 Sodyum klorürün çözünmesi örnek alınarak şematik olarak gösterilirse; kJ/mol 5 H H H H (suda Cl (suda) Na NaCl(k) : Toplam 0 H (suda) Cl (g) Cl 0 H ) ( (g) Na 0 H (g) Cl (g) Na NaCl(k) c b a ç - H2O c - H2O - b H2O a ? ? + ? + ? = ? + ? ?› ? < ? ? ?› ? < ? ? ?› ? > ? + ? › ? + + + - + suda Na ?Hç >0 oldu ğundan çözünme endotermiktir.M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 44 Çözünme entalpisi-3 İyonik katıların çözünmesi de moleküler katılara benzer. Burada da basamaklar; İyonik katının ayrı ayrı gaz iyonlar haline gelmesi (enerji gerektirir, ?H>0 ) Gaz halindeki katyonun su molekülleri ile çevrilmesi ( enerji verir, ?H<0 ) gaz halindeki anyonun su molekülleri ile çevrilmesi ( enerji verir, ?H<0 ) Çözeltinin enerji de ği şimi(entalpisi) bu üç basama ğın toplamına e şittir. M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 45 ORTAK İYON ETK İS İ Bir tuzun bile şenlerinden birisi çözeltide bulunuyorsa, o tuzun çözünürlü ğüa za l ır. (Ayrı bir ba şlık halinde ele alınacaktır)M.DEM İR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 46 Yabancı İyon Etkisi Ayrı bir ba şlık halinde ele akınacaktır