ÇÖZELTİLER Dispers sistemler, hidratasyon, çözelti çeşitleri Dr. Serkan SAYINER

Transkript

1 ÇÖZELTİLER Dispers sistemler, hidratasyon, çözelti çeşitleri Dr. Serkan SAYINER Prof. Dr. Meryem EREN e teşekkürlerimle...

2 ÇÖZELTİLER İki yada daha çok komponentten oluşmuş homojen karışımlara çözeltiler adı verilir. Bir komponent diğerinden daha fazla miktarlarda bulunursa, bu komponente çözücü (dispersiyon ortamı, solvent, iç faz) adı verilir. Komponentlerden az olana çözünen (disperz faz) adı verilir. Bir çözücü içerisinde birden fazla çözünen bulunabilir.

3 ÇÖZELTİLER Çözücüler; Polar Apolar (+ veya karakter göstermeyen, hiçbir madde tarafından çekilmeyen) En iyi polar çözücü sudur. -OH, -OR, -NR 2,- NR 3, -COOH, -COO- Karbontetraklorür ya da benzol gibi apolar çözücülerde hidrokarbonlar gibi hidrofobik (suyu kabul etmeyen) maddeler çözünürler. Bu tür maddeler yağlar içinde çok iyi çözündüklerinden lipofilik maddeler olarak da isimlendirilirler.

4 ÇÖZELTİLER Polar çözücülerde, tuzlar ve hidrofilik gruplara sahip organik bileşikler gibi polar bir kuruluşa sahip olan maddeler en iyi şekilde çözünürler. Dispers Sistemler; Gerçek çözeltiler: Disperz faz partiküllerinin çapı 3 nm den küçüktür. Kolloidal çözeltiler: Disperz faz partiküllerinin çapı 3 nm den büyüktür. Süspansiyonlar: Disperz faz partiküllerinin çapı 100 nm den büyüktür.

5 Gerçek Çözelti Kolloidal Çözelti Süspansiyonlar İç faz parçacıklarının büyüklüğü < 10 nm İç faz parçacıklarının büyüklüğü nm arası İç faz parçacıklarının büyüklüğü > 100 nm Homojendirler Heterojendirler Heterojendirler Çözücü ve çözen madde dışında üçüncü bir birimgibi davranır. Viskozitesi düşüktür. Vizkozitesi yüksektir. Vizkozite çok yüksektir. Ozmotik basınç yüksektir. Ozmotik basınç düşüktür. Ozmotik basınç göstermez. Işık geçirilirse çözeltinin tamamı aydınlanır. İç faz parçacıkları en güçlü optik ve elektronik sistemlerle dahi görülmez İç faz parçacıkları moleküler hareketler yaparlar. İç faz parçacıkları süzgeç kağıdından süzmek yada zardan dializ etmek ile ayrılmaz. DİSPERS SİSTEMLER Işık geçirilirse sisli bir görünüş alır. Buna Tyndall etkisi denir. İç faz parçacıkları elektron mikroskop ile görülebilir. İç faz parçacıklarında Brown hareketi görülür. İç faz parçacıkları süzgeç kağıdından süzmek ile ayrılmaz, dializ etmek ile ayrılır. İç faz parçacıkları ışık mikroskobu hatta gözle bile görülebilir. İç faz parçacıklarında yavaş Brown hareketi görülür. İç faz parçacıkları süzgeç kağıdından süzmekle de dializ etmek ile de ayrılır.

6 ÇÖZELTİLER Gerçek Çözeltiler; Homojen karışımlardır. Saydam ve berrak görünürler. Asit-baz ve tuz gibi iyonik maddelerle hazırlanmış sulu çözeltiler elektrik akımını iletir. Elektrik akımını ileten çözeltilere ELEKTROLİT ÇÖZELTİ denir. Elektrik akımını ileten metallere ELEKTROT denir.

7 ÇÖZELTİLER HİDRATASYON Katı bir maddenin çözünmesinde kristalin yapı taşları birbirlerinden ayrılırlar ve çözücüye taşınırlar. Bu sırada bu yapı taşları solvent molekülleri tarafından sarılırlar, bir başka deyişle solvatize edilirler. Çözücü olarak su kullanılıyorsa bu olay hidratasyon adını alır.

8 ÇÖZELTİLER HİDRATASYON Başka bir ifade ile; iyonik bileşikler polar sıvılarda çok iyi çözünürler. Çünkü polar çözücü molekülleri, bileşikteki zıt yüklü iyonları iyon-dipol çekim kuvvetleri ile çekerek iyonun etrafını çözücü molekülleri ile sararlar. Bu tür iyonlara solvatize iyonlar adı verilir.

9 ÇÖZELTİLER HİDRATASYON Bir maddenin suda çözülmesinde hareketli katyonlar ve anyonlar oluşur ve her iki iyon türü de su molekülleri karşısında ters bir yerleşim gösterirler. Çıplak halde bir katyonun solvent molekülü ile sarılmasında oldukça dikkat çekici bir miktarda enerji serbest bırakılır. Bu enerjiye solvatasyon enerjisi adı verilir.

10 ÇÖZELTİLER HİDRATASYON Anyon ve katyonların solvatasyon enerjilerinin toplamı kristal yapının çözülmesi için gerekli olan enerji miktarından büyükse çözülme işlemi sırasında çözeltinin ısısı yükselir. Bir iyon ne kadar küçükse ve yükü ne kadar büyükse o derecede kuvvetli olarak solvatize edilir. Solventin polaritesinin düşmesi ve ısının yükselmesi ile solvatasyon azalır, solvent boşluğunda bulunan molekül sayısıda daha az olur.

11 ÇÖZELTİLER HİDRATASYON Solvent boşluğunun büyük olması, solvent boşluğunun çapının büyümesine ve hidratize edilmiş parçacıkların hareketlerinin azalmasına neden olur. Porları küçük olan zarlardan parçacıkların geçişi de engellenir. Bu olay hücre zarından madde transportunda önem kazanır. Bir çözelti çözücüden daha düşük buhar basıncına sahip olduğundan daha yüksek ısı derecelerinde kaynar.

12 ÇÖZELTİLER HİDRATASYON Bir çözücünün kaynama noktası yükselmesi çözücüde çözünen parçacıkların (iyon yada molekül) sayısı ile doğru orantılıdır. Aynı durum donma noktası düşmesi içinde geçerlidir. Bir çözelti saf çözücüye göre daha düşük ısılarda donar.

13 ÇÖZELTİLER Bileşenlerin fiziksel haline göre; Çözücü / Çözünen Katı-Sıvı çözeltileri: Tuzlu su Katı-Katı çözeltileri: Alaşımlardır. Çelik, C ve Fe karışım Katı-Gaz çözeltileri: İyot buharı ve hava karışımı Sıvı-Sıvı çözeltileri: Sirke, asetik asit ve tuz karışımı Sıvı-Katı çözeltileri: Amalgam; civa ve gümüş karışımı Sıvı-Gaz çözeltileri: Su buharı ve hava karışımı Gaz-Gaz çözeltileri: Hava Gaz-Sıvı çözeltileri: Gazoz ; CO 2 ve su karışımı Gaz-Katı: Hidrojen ve paladyum karışımı

14 ÇÖZELTİLER Çözünen miktarına göre; Seyreltik/Dilue çözelti: Çözünen miktarının çözücünün miktarına göre az olduğu çözeltilerdir. Derişik/Yoğun/Konsantre çözelti: Fazla miktarda çözünmüş madde içeren çözeltilerdir. Kaynak: Romero

15 ÇÖZELTİLER Çözünenin çözünürlüğüne göre; Doymamış çözelti: Belirli bir sıcaklıkta çözebileceği miktardan daha az çözünen bulunduran çözeltilerdir. Doymuş çözelti: İçerisinde daha fazla madde çözünemeyen çözeltilerdir. Aşırı doymuş çözelti: Çözünebileceğinden daha fazla çözünen bulunduran çözeltilerdir.

16 Doymamış çözelti Doymuş çözelti Aşırı Doymuş çözelti Çökelti

17 ÇÖZELTİLER Elektrik iletkenliğine göre; Elektrolit çözelti: Sulu çözeltisi elektrik akımını ileten çözeltilerdir (Tuzlu su). Elektron kaybetmiş veya almış iyonlar, atomlar veya moleküller içeririr. Aynı zamanda iyonik çözeltilerde denir. Elektrolit olmayan çözelti: Sulu çözeltisi elektrik akımını iletmeyen çözeltilerdir (şekerli su).

18 Kaynak: PhilSchatz Elektrolit olmayan Güçlü Zayıf çözelti Elektrolit çözelti Elektrolit çözelti Etanol/Distile Su Asetik asit çözeltisi KCl

19 ÇÖZELTİLER Çözüneni uçucu olmayan sıvı çözeltilerde; Çözeltinin kaynama noktası saf çözücünün kaynama noktasından yüksektir. Çözeltinin donma noktası, saf çözücünün donma noktasından düşüktür. Çözeltinin buhar basıncı, saf çözücünün buhar basıncından düşüktür.

20 ÇÖZELTİLER Çözüneni uçucu olmayan sıvı çözeltilerde çözünen madde miktarı (Derişim) arttıkça; 1. Kaynama noktası yükselir. 2. Donma noktası düşer. 3. Buhar basıncı düşer.

21 ÇÖZELTİLER Bir maddenin elektrik akımını iletebilmesi için; i. Serbest halde elektronu olmalıdır. Bu olay metallerde vardır. ii. iii. iv. Yapısında Anyon (-) ve Katyon (+) bulunmalıdır. Bileşikler katı halde elektriği iletmezler. Sıvı halde ve çözeltilerinde, iyonik bileşikler elektrik akımını iletir. Bir çözeltide iyon sayısı arttıkça, ya da sıcaklık arttıkça çözeltinin iletkenliği artar (Endotermik çözünmelerde). v. Metallerin elektrik iletkenliği elektron akışı ile olur (Ötelenme hareketi), olay fizikseldir. vi. Bileşiklerin sulu çözeltilerinin elektrik iletkenliği kimyasal yollarla olur. vii. Suda moleküller halde çözünen (ağ örgülü) maddelerin çözeltileri elektrik akımını iletmez.

22 ASİTLER ve BAZLAR Özellikleri, reaksiyonlar, ph değeri, İndikatörler, Tamponlar

23 Kola Mide asidi Banana Su Kan Soda/Karbonat Amonyak Science Media Group. Kaynak: Learner

24 ASİTLER ve BAZLAR Brønsted & Lowry e göre; Asitler sulu ortamlarda proton veren (H + iyonları) maddelerdir. Bazlar ise sulu ortamlarda proton alan (proton akzeptörü, H iyonları alan) maddelerdir. Johannes Nicolaus Brønsted Thomas Martin Lowry Asit Baz + H +

25 ASİTLER ve BAZLAR NH 3 + H 2 O NH OH - Burada NH 3 bir bazdır. Çünkü sudan proton almıştır. H 2 O,bir asittir. Çünkü H + vermiştir. Öte yandan bu bir denge tepkimesidir. Sol yöne olan tepkime düşünülürse NH 4+ iyonu bir proton vericisi, OH - ise bir proton alıcısıdır. Dolayısıyla NH 4+ iyonu bir asit, OH - ise bir bazdır.

26 ASİTLER ve BAZLAR Bir başka deyişle tepkimede 2 asit ve 2 baz vardır. Her asit bir baz ile çifttir. Bunlara «Eşlenik Çiftler» veya «Konjuge çiftler» denir. Mesela NH 4+ iyonu NH 3 bazın konjuge asidi; NH 3 ise NH 4 + iyonunun (asitinin) konjuge bazıdır. NH 3 + H 2 O NH OH - (NH 3 örneğinde su bir asit iken burada bir bazdır).

27 ASİTLER ve BAZLAR Bir asit ortamda akseptör olarak bir bazın varlığında H lerini (protonlarını) verebilir. Bir HA asidi protonunu bir B bazına verirse; HA H + +A - B+H BH + Toplam HA+B BH + +A - A -, HA nın konjuge bazıdır. HA ise A - nın konjuge asididir.

28

29 ASİTLER ve BAZLAR Asitlere özgü ortak özellikler: Yapılarında H iyonu vardır. Aktif metallerle birleşince H 2 gazı verir. Mavi turnusolu kırmızıya çevirirler. Seyreltik çözeltilerinin tadı ekşidir. Bazlara özgü ortak özellikler: Yapılarında OH iyonu vardır. Asitlerle birleşince tuz oluşturur. Kırmızı turnusolu maviye çevirirler. Seyreltik çözeltilerinin tadı acıdır.

30 SU İLE ASİT-BAZ REAKSİYONLARI ELEKTROLİT: Bir sıvı içerisinde elektriksel yükü ileten maddelere denir. Elektrolitler polar çözücülerde elektrik akımını iletirler. Elektriksel alanda pozitif yüklü iyonlar katoda göçtüklerinden katyon, negatif yüklü parçacıklar anoda göçtüklerinden anyon olarak isimlendirilir.

31 SU İLE ASİT-BAZ REAKSİYONLARI Gerçek Elektrolitler: Kafes yapılarında bu iyonları içerirler. (Na + Cl - ) n (kristalize) nna (su) + ncl - (su) Potansiyel Elektrolitler: Çözücü ile olan reaksiyonlarında iyonlar oluştururlar. Örneğin HCl.

32 SU İLE ASİT-BAZ REAKSİYONLARI R-COOH H 2 O H + (su) + R-COO - (su) Suda bir maddenin çözeltilmesinde serbest hareket edebilir solvatize iyonların oluşumu elektrolitik dissosiasyon olarak tanımlanır.

33 SU İLE ASİT-BAZ REAKSİYONLARI Kuvvetli elektrolitler, suda tamamıyla dissosiye (iyonize) olan elektrolitlerdir(nacl). Zayıf elektrolitlerde dissosiyasyon çok azdır (R-COOH). Kuvvetli asitler: Sulu çözeltilerinde ortama H + iyonu verirler. Kuvvetli bazlar: Sulu çözeltilerinde ortamdan H + iyonu alırlar.

34 SU İLE ASİT-BAZ REAKSİYONLARI 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).

35 ASİTLER ve BAZLAR Protoliz: H + iyonunun su üzerinde taşınmasıdır. Bir madde birden fazla dissosiye olabilir protona sahipse protoliz olayı ardarda olur. H 3 PO 4 H 2 PO 4 - HPO 4 -- H 2 PO 4- + H + (primer fosfat) HPO H + (sekunder fosfat) PO H + (tersiyer fosfat)

36 ASİTLER ve BAZLAR Tuzların suda çözeltilmelerinde protoliz Zayıf asitlerin tuzları alkali reaksiyon verirler. Çünkü anyonlar su ile OH- iyonları oluşturarak reaksiyon verirler. Örn: Sodyum karbonat CO H 2 O HCO 3- + OH - Zayıf bazların tuzlarının sulu çözeltileri ise katyonların su ile H+ iyonları oluşturması nedeniyle asidiktirler. NH 4+ + H 2 O NH 3 + H 3 O

37 ASİTLER ve BAZLAR Suyun Otoprotolizi, ph ve poh değerleri Su hem bir proton vericisi hem de bir proton alıcısı olarak görev yapar. Bu nedenle su bir amfolittir ve amfoter yapıya sahiptir. Suyun amfolit yapısı saf su içinde oluşan otoprotolizlede ortaya konabilir. Saf sudaki otoprotoliz olayında bir su molekülünün H + iyonu bir başka su molekülüne taşınır. H 2 O H + +OH - asit baz H + + H 2 O H 3 O + asit

38 ASİTLER ve BAZLAR Aynı bileşiğin iki molekülü arasındaki protolize oto-protoliz denir. Suyun oto-protoliz dengesi; H 2 O + H 2 O OH + H 3 O + A1 B2 B1 A2

39 ASİTLER ve BAZLAR ph Değerinin Tıptaki Önemi Kanın normal ph değerinin asit yöne kayması asidoz, alkali yöne kayması ise alkaloz olarak tanımlanır. Vücutta bir dizi fonksiyon ph değeri tarafından etkilenir. Hemoglobinin oksijen bağlama yeteneği, Protein yükleri ve protein molekülleri arasındaki hidrojen köprüleri, Kemik yapımı ve yıkımı.

40 ASİTLER ve BAZLAR Hem asitlerle hem de bazlarla tuzlar oluşturabilen maddelere amfolitler ya da amfoter elektrolitler denir. Özellikleri; 1. Asit ortamda katyonlar alkalik ortamda ise anyonlar oluştururlar. 2. Bir amfolit belirli ph da aynı sayıda negatif ve pozitif yük taşırlar. Bu ph ya amfolitin izoelektrik noktası denir. 3. Bir amfolit asit reaksiyonda katoda, alkali reaksiyonda anoda göç ettiği halde izoelektrik noktada hareket etmez.

41 ASİTLER ve BAZLAR Özellikleri; 4. Amfolitler ortamın ph sına göre hem H + iyonlarını, hem de OH - iyonlarını bağlayabilirler. Bu nedenle amfolitler gerek asitlere karşı gerekse bazlara karşı tampon görevi görürler. 5. H + + OH - iyonlarının konsantrasyonlarının birbirlerine eşit olduğu noktaya nötral nokta adı verilir. 6. H + + OH - iyonlarının konsantrasyonları birbirleri ile ters orantılıdır. 25 C deki saf suda H + ve OH - in molar konsantrasyonu eşittir ve çözelti nötraldir H 1 x 10 ph = log x 10 OH

42 ASİTLER ve BAZLAR İNDİKATÖRLER Çözeltinin ph sına bağlı olarak renk değiştiren kompleks yapıdaki organik bileşiklere indikatör denir. Bu tür çözeltiler titrasyonun bitiş noktasını saptamak amacıyla kullanılır. İndikatörleri asit baz, redoks ve çöktürme indikatörleri olarak ayırabiliriz. İndikatörün renk değiştirdiği noktaya dönüm noktası denir.

43 ASİTLER ve BAZLAR Asit-Baz İndikatörler Asit Baz indikatörleri zayıf asit veya zayıf bazdırlar. Genelde indikatörle HIn sembolü ile gösterilirler. Bu indikatörlerin ayrışma tepkimeleri yazılacak olursa; + HIn Kırmızı Kýrmýzý H + In Mavi Mavi Örneğin metil kırmızısı [HIn] formundayken kırmızı, dissosiye olduktan sonra [In- ] formunda ise mavi renktedir.

44 ASİTLER ve BAZLAR İndikatör İsmi ph Sınırları Renk Değişikliği Timol mavisi Kırmızı Sarı Bromfenol mavisi Sarı Mavi Metil kırmızısı Kırmızı Sarı Brom krezol moru Sarı Mor Fenol kırmızısı Sarı Kırmızı Meitl oranj Kırmızı Sarı Fenolftalein Renksiz Pembe Turnusol 7.0 Kırmızı Mavi

45 ASİTLER ve BAZLAR

46 ASİTLER ve BAZLAR Vücut Sıvılar ph değerleri Plazma 7,38 7,44 Pankreas Sıvısı Tükrük Mide Özsuyu Süt İdrar

47 ASİTLER ve BAZLAR ph ölçümünde kullanılan teknikler iki grupta incelenir. Elektrometrik Yöntemler: İki elektrot arasındaki potansiyel farkın bir galvanometre ile ölçülmesi esasına dayanır. Kolorimetrik Yöntemler: Bazı boya maddelerinin belirli ph değerlerinde renk değiştirmesi esasına dayanır. Ortamın H iyon konsantrasyonuna göre renk değiştiren maddelere indikatör denir.

48 ASİTLER ve BAZLAR Nötralizasyon Bir asitle bir bazın reaksiyona sokulmasına nötralizasyon adı verilir. HCl+NaOH Aynı normaliteye sahip asit ve bazların eşit hacimleri birbirleri ile reaksiyona girerler. Asit ve bazların titrasyonlarında kullanılırlar.

49 TAMPONLAR Zayıf bir asit (proton donörü) ve onun konjuge bazını (proton akseptörü) eşit miktarlarda içeren karışımlar tampon sistemi olarak bilinirler. Tamponlar, küçük miktarlarda asit (H + ) veya baz (OH - ) eklendiğinde ph değişikliklerine karşı koyma eğiliminde olan sulu sistemlerdir.

50 BİYOLOJİK TAMPONLAR Sulandırma Solunum Renal Mekanizma Tampon Sistemler Kan plazmasında: Bikarbonat-Karbonik asit, Fosfat-Fosfotik asit, Proteinat-Protein Tamponu Eritrositlerde: Hemoglobinat-Hemoglobin, Oksihemoglobinat- Oksihemoglobin Lenf, BOS, transüdatlarda: Bikarbonat, fosfat tamponları

51 BİYOLOJİK TAMPONLAR 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.

52 BİYOLOJİK TAMPONLAR 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.

53 BİYOLOJİK TAMPONLAR Henderson-Hasselbalch denklemi, verilen bir pka ve molar orana göre bir asit-baz çiftinin ph ını hesaplamaya yarar.

54 BİYOLOJİK TAMPONLAR İdeal bir tampon şu özellikleri taşımalıdır: Arzu edilen ph sınırlarına uygun tampon kapasitesine sahip olmalıdır. Çok saf olarak elde edilebilmelidir. Enzimatik ve hidrolitik olaylara dayanıklı olmalıdır. Tamponun oluşturacağı ph, ortamın ısısı, iyon içeriği ve konsantrasyonundan en az derecede etkilenmelidir.

55 BİYOLOJİK TAMPONLAR İdeal bir tampon şu özellikleri taşımalıdır: Toksik ve inhibitör etki taşımamalıdır (Çoğu enzimler fosfat tamponlarınca inhibe edilirler). Katyonlar ile yaptığı kompleksler çözünür nitelikte olmalıdır. Ultraviyole ve görünür sahada ışığı absorbe etmemelidir.

56 BİYOLOJİK TAMPONLAR Tampon Kapasitesi Zayıf asit ile konjuge bazının eşit molar karışımı maksimal tampon kapasitesine sahiptir ve tamponun etki sahası ph=pk asit ± 1 dir. Bir sistemin ph değeri asit ve konjuge bazının molar konsantrasyonlarının oranına bağlıdır. Bu nedenle çözeltinin seyreltilmesi ph değişimine yol açmaz. Zayıf asit ile konjuge bazının molar konsantrasyonlarının bilinmesi ile çözeltinin ph değeri hesaplanabilir. Zayıf asit ile konjuge bazının molar konsantrasyonlarının yükselmesi ile tamponun kapasitesi yükselir.

57 SORULAR Asitler ve bazlar ile ilgili olarak aşağıdaki bilgilerden hangisi doğrudur? a) Asitlerin yapısında OH - vardır. b) Bazlar aktif metallerle birleşince H 2 gazı verirler. c) Asitler mavi turnusolu kırmızıya çeviriler. d) Asitlerin seyreltik çözeltilerinin tadı acıdır. e) Bazlarla birleşince H 2 gazı verirler. Cevap: c

58 SORULAR Aşağıdakilerden hangisi gerçek çözelti özelliği değildir? a) Homojendirler. b) Vizkozitesi yüksektir. c) Işık geçirilirse çözeltinin tamamı aydınlanır. d) İç faz parçacıkları optik sistemlerle görüntülenemez. e) Çözücü ve çözen madde dışında üçüncü bir birim gibi davranırlar. Cevap: b

59 SORULARINIZ?

60 KAYNAKLAR Serpek, B Organik Kimya. Nobel Akademik Yayıncılık Eren, M Organik Kimya Ders Notları Prof. Dr. Meryem EREN e teşekkürlerimle... Not: Alıntı yapılmış görsellere ait kaynak bilgisi kullanıldığı yerde verilmiştir. Ayrıca görsellerin bağlantıları hyperlink olarak eklenmiştir. Üzerine tıklandığında kaynağa gidebilirsiniz.

61 Bir sonraki konu; REDOKS OLAYI, ÇOK FAZLI SİSTEMLERDE DENGE & TERMODİNAMİK