ÇÖZÜNME ve ÇÖZÜNÜRLÜK

Transkript

1 ÇÖZÜNME ve ÇÖZÜNÜRLÜK Prof. Dr. Mustafa DEMİR M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 1

2 Çözünme Olayı Analitik kimyada çözücü olarak genellikle su kullanılır. Su molekülleri, bir oksijen atomuna bağlı iki hidrojen atomundan meydana gelmiştir ve molekülün şekli bir V harfine benzer. Molekülde oksijenin bulunduğu kısım kısmen negatif, hidrojenin bulunduğu kısım ise kısmen pozitif yüklüdür. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 2

3 Çözünme olayı -2 Bir molekül farklı atomlardan meydana gelmişse her bir atomun elektronlara karşı ilgisi farklı olur. Bunun sonucu olarak molekülün bir kısmında elektron fazlalığı ve bunun sonucu olarak da kısmi negatif yük, bir kısmında ise elektron noksanlığı ve bunun sonucu olarak da kısmi pozitif yük görülür. Bu şekildeki moleküllere polar moleküller denir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 3

4 Su, bir polar moleküldür. Oksijen atomu bölgesi kısmen negatif, hidrojen atomları bölgesi ise kısmen pozitif yük gösterir. Öte yandan elektron dağılımı yukarıda olduğu gibi kutuplaşma göstermeyen moleküllere polar olmayan moleküller veya kısaca apolar moleküller denir. Aynı tür atomlardan meydana gelen moleküller apolar özelliktedir. Örneğin H 2 apolar özellik gösterir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 4

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 bileşiklerde moleküller arası çekim kuvveti oldukça kuvvetlidir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 5

6 Molekülün negatif yüklü kısmı öteki molekülün pozitif yüklü kısmı tarafından çekilir. Böylece bütün moleküller arasında bir ağ yapısı kurulur. Apolar bir molekül, polar bir moleküldeki bu ağ yapısını bozarak çözemez. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 6

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 karışmaz, iki fazlı bir sistem meydana getirir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 7

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 karışabilir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 8

9 Çözünme Olayı-6 Bir katının sıvıda çözünmesi olayı da aynı şekilde açıklanabilir. Burada da polar çözücü için polar özelliğe 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, karşı yüklü iyonlar tarafından çevrilmiş durumdadır. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 9

10 Dolayısıyla elektiriksel bir denge vardır. Kristalin yüzeyinde ise aynı denge yoktur. Kristal, suya atıldığında, suyun negatif yüklü oksijenleri ile yüzeydeki sodyum atomlarını, pozitif yüklü hidrojenleri ile ise klorür iyonlarını sarar ve bu iyonları kristalden koparıp alırlar. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 10

11 Hidrate İyonlar(Sulu iyonlar) Çözücünün su olduğu sistemlerde su molekülleri ile çevrilmiş pozitif veya negatif yüklü iyonlara hidrate iyon denir. Örneğin NaCl çözünmesinde, etrafı su molekülleri ile çevrilmiş olan Na + ve Cl - iyonları birer hidrate iyondur. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 11

12 Pozitif veya negatif yüklü iyonların suda çözünmesi sırasında, etrafında yer alacak su moleküllerinin sayısı gelişigüzel olmayıp çoğunlukla önceden bellidir. Örneğin berilyum iyonları suda, dört su molekülü ile birlikte Be(H 2 O) 4 2+ halinde bulunur. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 12

13 Hidrate iyonlar-2 Sulu çözeltilerin ısıtılmasıyla, bazen, bileşiminde su bulunan kristal yapılı maddeler elde edilir. Örneğin Fe 2+ ve Cl - iyonlarını içeren bir sulu çözelti buharlaştırılırsa FeCl 2.6H 2 O bileşiminde bir katı bileşik elde edilir. Bu bileşik gerçekte [Fe(H 2 O) 6 ]Cl 3 yapısındadır. Yani bileşik [Fe(H 2 O 6 ] 2+ ve Cl - iyonlarını içerir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 13

14 Bu tür bileşikleri Hidrate bileşikler veya kristal sulu bileşikler denir. Bunlara örnek olarak CoCl 2.H 2 O, CrCl 3.6H 2 O ve BeCl 2.4H 2 O verilebilir. Hidrate bileşiklerin hepsinde su molekülleri pozitif yüklü iyona (katyona) bağlı olmayabilir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 14

15 Örneğin ZnSO 4.7H 2 O bileşiğinde su moleküllerinin altısı çinko iyonuna bağlı iken biri sülfat iyonuna bağlıdır, 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. Örneğin son bileşik [Co(H 2 O) 4 ]SO 4 H 2 O şeklindedir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 15

16 Çözünürlük Bir maddenin belli bir çözücünün belli bir miktarında, belli basınç ve sıcaklıkta çözünebilen en fazla miktarına o maddenin çözünürlüğü denir. Her maddenin belli bir çözücüde çözünebileceği madde miktarı yani, denge noktası farklıdır. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 16

17 Denge, dinamik bir olaydır. Yani bu noktada çözünme durmaz, devam eder. Ancak bunun karşıtı, yani çözeltiden çözünenin ayrılarak katı üzerinde toplanması olayı da aynı miktarda ve zamanda olur. Böyle bir çözeltiye çözünenin kristali katılırsa kristalin büyüklüğünün değişmediği ancak şeklinin değiştiği görülür. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 17

18 Çözünürlüğe 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 oluşumu M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 18

19 Çözünürlüğe etki eden faktörler Genel olarak, bileşiği oluşturan iyonların yarıçapları ne kadar küçük ve iyon yarıçapı küçük ve iyon yükü ne kadar büyükse bileşik o kadar zor çözünür. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 19

20 Nitel bir sınıflama ile çözünürlüğü çözünmeyen, az çözünen çözünen olarak gruplandırmak mümkündür. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 20

21 Bir madde 25 o C da(oda sıcaklığında) 1 litre çözücüde 10 gram veya daha fazla çözünüyorsa çözünen madde, 1 gramın altında çözünüyorsa çözünmeyen madde, bu iki değerin arasında çözünüyorsa az çözünen madde olarak tanımlamak mümkündür. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 21

22 Tanımından da anlaşılabileceği gibi çözünürlük; çözünen maddenin türüne, çözeltinin türüne, sıcaklığa, basınca ve yabancı iyon etkisine bağlı olarak değişir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 22

23 Çözünen maddenin türü Her maddenin çözücü-çözünen dengesine ulaşma noktası farklıdır. Örneğin çözünürlüğe etki eden diğer faktörler sabit tutulduğunda bir litre suda 3,8 mol yani 1311 gram şeker çözünürken aynı miktar suda 5,3 mol yani 310 gram NaCl çözünür. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 23

24 Miktarlar gram olarak karşılaştırıldığında şekerin çözünürlüğünün sofra tuzundan fazla olduğu düşünülebilir. Ancak çözünürlüğün fazla olması demek daha fazla sayıda molekülün çözeltiye geçmesi demektir. Bu açıdan karşılaştırma yapıldığında tuzun çözünürlüğünün şekerden daha fazla olduğu görülür. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 24

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 doğaldır M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 25

26 Çözücünün türü Çözücü ve çözünen maddelerin molekülleri birbirine ne kadar çok benzer ise çözünürlük o kadar yüksektir. Başka bir değişle 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 değişir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 26

27 Bazı çözücü molekülleri polarlık ve apolarlık özelliklerini birlikte gösterebilirler. Örneğin etil alkol böyle bir moleküldür. Molekülün karbon - hidrojen ve karbon - karbon bağları apolar, oksijen - hidrojen ve karbon - oksijen bağları ise polar özelliktedir. Bir başka deyişle 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.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 27

28 Sıcaklık Sıcaklığın çözünürlüğe etkisini gazlar ve katılar için ayrı ayrı incelemek gerekir. Gazların sıvılardaki çözünürlükleri genellikle sıcaklık arttıkça azalır. Katıların sıvılardaki çözünürlüğü için ise kesin bir şey söylemek mümkün değildir. Çözünme olayının ekzotermik veya endotermik oluşuna bağlıdır. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 28

29 Örneğin Çözünen+ Su + Enerji Doygun çözelti şeklinde gerçekleşen çözünme olayı için sıcaklığın artması çözünürlüğü arttırırken 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.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 29

30 Basınç Basıncın sıvı ve katıların çözünürlüğüne önemli bir etkisi yoktur. Şüphesiz bir gazın başka bir gaz içindeki çözünürlüğü de basınca bağlı değildir. Gazların katı ve sıvılardaki çözünürlükleri ise basınçtan önemli ölçüde etkilenir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 30

31 Gazların sıvılarda çözünmesi sırasında, katıların sıvılarda çözünmesinde olduğu gibi denge vardır. Eğer sıvı üzerindeki gazın basıncı artırılırsa denge bozulur ve daha fazla gaz sıvıda çözünür. Böylece gazın sıvıdaki çözünürlüğü artmış olur. Gazların sıvılardaki çözünürlüğünün basınçla olan değişimi Henry Yasası ifade edilir. Bu yasaya göre gazların sıvılardaki çözünürlüğü, bu gazın sıvı üzerindeki kısmi basıncı ile doğru orantılıdır. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 31

32 Basınç-2 Sıvı ile tepkime veren gazların çözünürlüğü vermeyenlere oranla daha fazladır. Örneğin oksijen, hidrojen veya azotun sudaki çözünürlükleri amonyak, karbondioksit veya kükürt dioksitin sudaki çözünürlüklerinden daha azdır. Çünkü sonuncular suda bileşik oluştururlar. Bu tür gazların çözünürlüğü Henry yasasından sapma gösterir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 32

33 Gazların çözünürlüğüne basınç etkisi Bir gazın sıvı içindeki çözünürlüğüne basıncın etkisi, sıcaklık etkisinden çok daha fazladır. Bir gazın çözünürlüğü gaz basıncıyla doğru orantılı olarak değişir. Buna Henry yasası denir ve C = k. P gaz şeklinde ifade edilir. Burada, C= gazın belli çözücüde, sabit sıcaklıktaki çözünürlüğü P gaz = Gazın bu çözeltideki kısmî basıncı k= orantı katsayısı M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 33

34 Gazın bilinen bir sıcaklık ve basınçtaki çözünürlüğü yardımıyla orantı katsayısı hesaplanabilir. Örneğin azot gazının 0 o C ve 1.0 atm basınç altındaki çözünürlüğü ml/l olarak biliniyorsa orantı katsayısı k, k = C P gaz = 23,54ml/l 1,0atm = 23,54ml.atm/l olarak hesaplanır. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 34

35 Henry yasası Henry yasasının uygulaması meşrubatlarda görülür. Bu içeceklerde çözünen gaz CO 2 tir ve yüksek basınçlarda daha çok çözünür. İçecek kapağı açıldığında gaz çıkışı fark edilir. Basınç kalktığı için çözünmüş CO 2 uzaklaşır, ki bu da köpürme şeklinde görülür. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 35

36 Henry yasası Dalgıçların zaman zaman yaşadıkları vurgun olayı da gazların çözünürlüğü ile ilgilidir. Dalgıçlar su altında basınçlı hava solurlar ve bu nedenle kanda daha fazla miktarda azot gazı çözülür. Dalgıç yüzeye çıktığında fazla çözünmüş azot kabarcıklar oluşturur. Bu kabarcıklar eklem ve damarlarda şiddetli ağrılara, felç ve hatta ölümlere neden olur. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 36

37 Çözünme Entalpisi Bazı çözeltiler oluşurken 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.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 37

38 Çözünme olayı üç aşamalı bir işlem gibi düşünülebilir: 1. Çözücü molekülleri, çözünen moleküllerini aralarına alabilmek için birbirinden uzaklaşarak boşluklar meydana getirmek durumundadır. Bu, enerji gerektiren bir işlemdir. ( H>0) 2. Çözünen molekülleri çözücünün oluşturduğu boşluklara dağılabilmek için birbirinden uzaklaşması gerekir. Bu olay da enerji gerektirir. ( H>0) M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 38

39 3. Serbest haldeki çözücü ve çözünen molekülleri birbirlerini çekerek düzenli bir yapı oluştururlar. Bu olay sonucu bağ oluşumu söz konusudur ve dışarıya enerji veren bir olaydır. ( H<0) M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 39

40 Çözünme entalpisi-2 Çözünme olayının ekzotermik veya endotermik oluşu bu üç aşamadaki enerji değişiminin toplamına bağlıdır. Toplam enerji pozitif ise çözünme endotermik, negatif ise ekzotermiktir. Bu olay aşağıdaki şekilde özetlenebilir. Saf çözücü Ha>0 Ayrılmış çözücü molekülleri Saf çözünen Hb>0 Ayrılmış çözünen molekülleri Çözücü ve çözünen molekülleri çözelti Hc<0 Toplam: Saf çözücü + Saf çözünen Çözelti Hç = Ha + Hb + Hc Hç > 0 Endotermik çözünme Hç < 0 Ekzotermik çözünme M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 40

41 Çözeltilerde benzer benzeri çözer ifadesinin anlamı bu şekilde daha iyi anlaşılabilir. Benzer molekül yapısındaki bileşikler, yakın değerlerde moleküller arası kuvvetlere sahip olduklarından birbirlerini çözerler. Benzer olmayan yapıdaki bileşikler çözelti oluşturma eğiliminde değildirler. Bir çok bileşikte yapıların bazı kısımları benzer, bazı kısımları ise farklı olabilir. Bu durumda hangi kısmın önemli olduğuna göre çözünme gerçekleşir veya gerçekleşmez. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 41

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 değişimi(entalpisi) bu üç basamağın toplamına eşittir M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 42

43 Çözünme entalpisi-4 Sodyum klorürün çözünmesi örnek alınarak şematik olarak gösterilirse; NaCl(k) Na Na - + Cl (g) Cl (suda) Toplam:NaCl(k) Na H ç (g) Na = H H2O H2O a + H + - b (g) + Cl + ( suda) H2O + H c (g) + (suda) + Cl (suda 5kJ/mol H H H - a b c > 0 < 0 < 0 Hç >0 olduğundan çözünme endotermiktir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 43

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 değişimi(entalpisi) bu üç basamağın toplamına eşittir. M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 44

45 ORTAK İYON ETKİSİ Bir tuzun bileşenlerinden birisi çözeltide bulunuyorsa, o tuzun çözünürlüğü azalır. (Ayrı bir başlık halinde ele alınacaktır) M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 45

46 Yabancı İyon Etkisi Ayrı bir başlık halinde ele akınacaktır M.DEMİR 05-ÇÖZÜNME VE ÇÖZÜNÜRLÜK 46