Çözelti

Sofra tuzunu (NaCl) suda çözerek tuzlu su çözeltisi yapmak. Tuz çözünen, su ise çözücüdür. ⓘ

Kimyada çözelti, iki veya daha fazla maddeden oluşan özel bir homojen karışım türüdür. Böyle bir karışımda çözünen madde, çözücü olarak bilinen başka bir madde içinde çözünmüş bir maddedir. Bir çözeltinin karıştırma işlemi, kimyasal polarite etkilerinin dahil olduğu ve çözünmeye özgü etkileşimlerle sonuçlanan bir ölçekte gerçekleşir. Çözücü, genellikle olduğu gibi karışımın daha büyük bir kısmını oluşturduğunda, çözelti genellikle çözücünün durumuna sahip olur. Bir çözeltinin önemli parametrelerinden biri, belirli bir çözelti veya çözücü miktarındaki çözünen madde miktarının bir ölçüsü olan konsantrasyondur. Çözücülerden biri su olduğunda "sulu çözelti" terimi kullanılır. ⓘ

Özellikler

• Çözelti, iki veya daha fazla maddenin homojen bir karışımıdır.
• Bir çözeltideki çözünen madde parçacıkları çıplak gözle görülemez. Buna karşın, partiküller bir süspansiyonda görülebilir.
• Bir çözelti ışık demetlerinin dağılmasına neden olmaz. Buna karşın, bir süspansiyondaki partiküller Tyndall saçılmasına veya Rayleigh saçılmasına neden olabilir.
• Bir çözelti kararlıdır; çözünenler, karışımın çözünürlüğünden fazla eklenmedikçe çökelmez, bu noktada fazlalık katı fazında kalır ve buna aşırı doygunluk denir.
• Bir çözeltideki çözünen madde süzme yoluyla (veya mekanik olarak) ayrılamaz.
• Sadece tek bir fazdan oluşur. ⓘ

Türleri

Homojen, karışımın bileşenlerinin tek bir faz oluşturduğu anlamına gelir. Heterojen, karışımın bileşenlerinin farklı fazlarda olduğu anlamına gelir. Karışımın özellikleri (konsantrasyon, sıcaklık ve yoğunluk gibi) ancak difüzyon olaylarının yokluğunda veya tamamlandıktan sonra hacim boyunca eşit olarak dağıtılabilir. Genellikle, en fazla miktarda bulunan madde çözücü olarak kabul edilir. Çözücüler gazlar, sıvılar veya katılar olabilir. Çözeltide çözücü dışında bulunan bir veya daha fazla bileşene çözünen denir. Çözelti, çözücü ile aynı fiziksel duruma sahiptir. ⓘ

Gaz karışımları

Çözücü bir gaz ise, belirli koşullar altında yalnızca gazlar (yoğuşmayan) veya buharlar (yoğuşabilen) çözülür. Gazlı çözelti örneği havadır (azot içinde çözünmüş oksijen ve diğer gazlar). Gaz molekülleri arasındaki etkileşimler neredeyse hiç rol oynamadığından, yoğuşmayan gazlar oldukça önemsiz çözeltiler oluşturur. Literatürde bu gazlar çözelti olarak bile sınıflandırılmamakta, sadece homojen gaz karışımları olarak ele alınmaktadır. Brownian hareketi ve gaz moleküllerinin sürekli moleküler çalkalanması, gaz sistemlerinin homojenliğini garanti eder. Yoğuşmayan gaz karışımları (örneğin hava/CO₂ veya hava/ksenon) kendiliğinden ayrışmaz veya bağıl yoğunluklarının bir fonksiyonu olarak belirgin şekilde tabakalı ve ayrı gaz katmanları olarak çökelmez. Difüzyon kuvvetleri, Dünya'da geçerli olan normal koşullar altında yerçekimi kuvvetlerine etkin bir şekilde karşı koyar. Yoğunlaşabilen buharların durumu farklıdır: belirli bir sıcaklıkta doygunluk buhar basıncına ulaşıldığında, buhar fazlası yoğunlaşarak sıvı hale geçer. ⓘ

Sıvı çözeltiler

Eğer çözücü bir sıvı ise, neredeyse tüm gazlar, sıvılar ve katılar çözülebilir. İşte bazı örnekler:

• Sıvı içinde gaz:
  • Su içinde oksijen
  • Sudaki karbondioksit - daha az basit bir örnektir, çünkü çözeltiye kimyasal bir reaksiyon (iyon oluşumu) eşlik eder. Karbonatlı sudaki görünür kabarcıklar çözünmüş gaz değil, sadece çözeltiden çıkan karbondioksitin efervesansıdır; çözünmüş gazın kendisi moleküler düzeyde çözünmüş olduğu için görünmez.
• Sıvı içinde sıvı:
  • Aynı kimyaya sahip ancak farklı konsantrasyonlardaki iki veya daha fazla maddenin bir sabit oluşturmak üzere karıştırılması. (Çözeltilerin homojenizasyonu)
  • Alkollü içecekler temel olarak etanolün sudaki çözeltileridir.
• Sıvı içinde katı:
  • Su içinde sakkaroz (sofra şekeri)
  • Sodyum klorür (NaCl) (sofra tuzu) veya suda elektrolit oluşturan herhangi bir tuz: Tuz çözünürken iyonlarına ayrışır.
• Sudaki çözeltiler özellikle yaygındır ve sulu çözeltiler olarak adlandırılır.
• Sulu olmayan çözeltiler, ilgili sıvı çözücünün su olmadığı durumlardır. ⓘ

Karşı örnekler homojen olmayan sıvı karışımları ile sağlanır: kolloidler, süspansiyonlar, emülsiyonlar çözelti olarak kabul edilmez. ⓘ

Vücut sıvıları, birçok çözünen madde içeren karmaşık sıvı çözeltilerine örnektir. Bunların çoğu elektrolittir çünkü potasyum gibi çözünen iyonlar içerirler. Ayrıca, şeker ve üre gibi çözünen moleküller de içerirler. Oksijen ve karbondioksit de kan kimyasının temel bileşenleridir ve konsantrasyonlarındaki önemli değişiklikler ciddi hastalık veya yaralanma belirtisi olabilir. ⓘ

Katı çözeltiler

Eğer çözücü bir katı ise, gazlar, sıvılar ve katılar çözünebilir.

• Katılarda gaz:
  • Hidrojen metallerde, özellikle paladyumda oldukça iyi çözünür; bu hidrojen depolama aracı olarak incelenmektedir.
• Katı içinde sıvı:
  • Altın içinde cıva, bir amalgam oluşturur
  • Katı tuz veya şeker içinde su, nemli katılar oluşturur
  • Parafin mumu içinde hekzan
  • PVC'de (katı) ftalat (sıvı) gibi plastikleştirici içeren polimerler
• Katı içinde katı:
  • Çelik, temelde demir atomlarından oluşan kristal bir matris içinde karbon atomlarının bir çözeltisi
  • Bronz ve diğerleri gibi alaşımlar
  • Baryum sülfat içinde çözünmüş radyum sülfat: BaSO₄ içinde gerçek bir katı Ra çözeltisi ⓘ

Çözünürlük

Bir bileşiğin başka bir bileşik içinde çözünebilme kabiliyetine çözünürlük denir. Bir sıvı başka bir sıvı içinde tamamen çözünebiliyorsa, iki sıvı karışabilirdir. Bir çözelti oluşturmak için asla karışamayan iki maddenin karışmaz olduğu söylenir. ⓘ

Tüm çözeltiler pozitif bir karışım entropisine sahiptir. Farklı moleküller veya iyonlar arasındaki etkileşimler enerjik olarak tercih edilebilir veya edilmeyebilir. Etkileşimler elverişsizse, serbest enerji artan çözünen madde konsantrasyonu ile azalır. Bir noktada, enerji kaybı entropi kazancına ağır basar ve daha fazla çözünen parçacık çözülemez; çözeltinin doymuş olduğu söylenir. Ancak, bir çözeltinin doygun hale gelebileceği nokta sıcaklık, basınç ve kirlilik gibi farklı çevresel faktörlerle önemli ölçüde değişebilir. Bazı çözünen-çözücü kombinasyonları için, daha fazla çözüneni çözmek için çözünürlüğü yükselterek (örneğin sıcaklığı artırarak) ve ardından düşürerek (örneğin soğutarak) aşırı doymuş bir çözelti hazırlanabilir. ⓘ

Genellikle, çözücünün sıcaklığı ne kadar yüksekse, belirli bir katı çözüneni o kadar fazla çözebilir. Bununla birlikte, çoğu gaz ve bazı bileşikler artan sıcaklıkla azalan çözünürlükler sergiler. Bu davranış ekzotermik çözelti entalpisinin bir sonucudur. Bazı yüzey aktif maddeler bu davranışı sergiler. Sıvıların sıvılar içindeki çözünürlüğü genellikle katıların veya gazlarınkinden daha az sıcaklığa duyarlıdır. ⓘ

Özellikler

Bileşiklerin erime noktası ve kaynama noktası gibi fiziksel özellikleri, başka bileşikler eklendiğinde değişir. Bunlara birlikte koligatif özellikler denir. Bir bileşiğin diğer bileşikler içinde çözünmüş miktarını ölçmenin çeşitli yolları vardır ve bunlara toplu olarak konsantrasyon denir. Örnekler arasında molarite, hacim kesri ve mol kesri yer alır. ⓘ

İdeal çözeltilerin özellikleri, bileşenlerinin özelliklerinin doğrusal kombinasyonu ile hesaplanabilir. Hem çözünen hem de çözücü eşit miktarlarda mevcutsa (%50 etanol, %50 su çözeltisinde olduğu gibi), "çözünen" ve "çözücü" kavramları daha az alakalı hale gelir, ancak çözücü olarak daha sık kullanılan madde normalde çözücü olarak adlandırılır (bu örnekte su). ⓘ

Sıvı

Prensipte, her tür sıvı çözücü olarak davranabilir: sıvı asal gazlar, erimiş metaller, erimiş tuzlar, erimiş kovalent ağlar ve moleküler sıvılar. Kimya ve biyokimya uygulamalarında, çözücülerin çoğu moleküler sıvılardır. Moleküllerinin kalıcı bir elektrik dipol momentine sahip olup olmamasına göre polar ve polar olmayan olarak sınıflandırılabilirler. Diğer bir ayrım ise moleküllerinin hidrojen bağları oluşturup oluşturamayacağıdır (protic ve aprotic solventler). En yaygın kullanılan çözücü olan su hem polardır hem de hidrojen bağlarını sürdürür. ⓘ

Su iyi bir çözücüdür çünkü molekülleri polardır ve hidrojen bağları oluşturabilir (1). ⓘ

Tuzlar polar çözücülerde çözünerek sırasıyla çözücü molekülünün negatif ve pozitif uçlarına çekilen pozitif ve negatif iyonlar oluşturur. Çözücü su ise, yüklü çözünen iyonlar su molekülleri tarafından çevrelendiğinde hidrasyon meydana gelir. Standart bir örnek sulu tuzlu sudur. Bu tür çözeltilere elektrolit denir. Tuz suda çözündüğünde iyon birleşmesi dikkate alınmalıdır. ⓘ

Polar çözünenler polar çözücülerde çözünerek polar bağlar veya hidrojen bağları oluşturur. Örnek olarak, tüm alkollü içecekler etanolün sulu çözeltileridir. Öte yandan, polar olmayan çözücüler polar olmayan çözücülerde daha iyi çözünürler. Örnek olarak yağ ve gres gibi hidrokarbonlar su ile uyumsuz olmalarına rağmen kolayca karışırlar. ⓘ

Petrol ve suyun karışmazlığına bir örnek, hasarlı bir tankerden sızan petrolün okyanus suyunda çözünmeyip yüzeyde yüzmesidir. ⓘ

Kurucu bileşenlerden hazırlama

Laboratuvarlarda bir çözeltiyi doğrudan bileşenlerinden elde etmek yaygın bir uygulamadır. Pratik hesaplamada üç durum vardır:

• Durum 1: çözücü hacmi miktarı verilir.
• Durum 2: çözünen kütle miktarı verilir.
• Durum 3: nihai çözelti hacmi miktarı verilir. ⓘ

Aşağıdaki denklemlerde A çözücü, B çözünen ve C konsantrasyondur. Çözünen hacim katkısı ideal çözelti modeli aracılığıyla dikkate alınır.

• Vaka 1: V_A çözücü hacmi miktarı (mL) verilmiştir. Çözünen kütlesi m_B = C V_A d_A /(100-C/d_B)
• Durum 2: m_B çözünen kütle miktarı verilmiştir. Çözücü hacmi V_A = m_B (100/C-1/ d_B )
• Durum 3: nihai çözelti hacmi Vt'nin miktarı (mL) verilmiştir. Çözünen kütlesi m_B = C Vt /100; Çözücü hacmi V_A=(100/C-1/ d_B) m_B
• Durum 2: çözünen madde kütlesi bilinmektedir, V_A = m_B 100/C
• Durum 3: toplam çözelti hacmi biliniyor, durum 1 ile aynı denklem. V_A=Vt; m_B = C V_A /100 ⓘ

Örnek: 1 L su ile 2 g/100 mL NaCl çözeltisi yapın Su (özellikler). Elde edilen çözeltinin yoğunluğunun suyun yoğunluğuna eşit olduğu kabul edilir, özellikle seyreltik çözeltiler için geçerli olan ifade, bu nedenle yoğunluk bilgisi gerekli değildir. ⓘ

m_B = C V_A = ( 2 / 100 ) g/mL × 1000 mL = 20 g ⓘ

Özellikleri

Buhar basıncı ve kaynama noktası

Buhar fazına geçen taneciklerin sıvı yüzeyine çıkmadan önce sıvı fazdaki taneciklere yaptığı basınca buhar basıncı denir. Sıcaklık değişmediği sürece buhar basıncı da değişmez. Herhangi bir sıvının sıcaklığı artırılırsa, gaz fazına geçen moleküllerin sayısı artacağından, sıcaklığa bağlı olarak buhar basıncı da artar. Sabit sıcaklıkta sıvı – katı çözeltinin buhar basıncı, saf çözücüsünün buhar basıncından küçüktür. ⓘ

Isıtılan bir sıvının buhar basıncı sürekli olarak artar. Sıvının buhar basıncının dış basınca eşitlendiği anda bu artış durur. Bir sıvının buhar basıncının dış buhar basıncına eşit olduğu anda kaynama olayı başlar. Bu olayın gerçekleştiği sıcaklığada kaynama sıcaklığı veya kaynama noktası denir. Kaynama süresince sıvının sıcaklığı değişmez. Herhangi bir sıvının üzerine etkiyen dış basınç azaldıkça, kaynama noktası düşer. Dış basınç arttıkça da kaynama noktası yükselir ⓘ

Sıvıların tanecikleri arasındaki çekim kuvvetinin kendine özgü olduğu bilinmektedir. Bu nedenle tanecikleri arasındaki çekim kuvveti küçük olan sıvıların, buhar basıncı büyük ve dolayısıyla kaynama noktası düşük olur. Böyle sıvılara uçucu sıvılar denir. Tanecikleri arasındaki çekim kuvveti büyük olan sıvıların ise buhar basıncı küçük ve kaynama noktası yüksek olur. Böyle sıvılara ise uçucu olamayan sıvılar denir. ⓘ

Bir çözeltiye su eklenirse derişimi düşer, buhar basıncı artar, donma noktası yükselir. İletkenliği azalır. ⓘ

Donma ve kaynama noktaları

Bir çözücüde, uçucu olmayan bir maddenin çözünmesi, onun buhar basıncını düşürür. Çünkü; çözünen madde tanecikleri birim yüzeydeki çözücü taneciklerinin sayısını azaltır. Bu durum çözücünün zor buharlaşmasına neden olur. Buhar basıncının düşmesi de kaynama noktasının yükselmesine sebep olur. Yani çözelti saf çözücünün normal kaynama noktasında kaynamaz. Çözeltinin buhar basıncını bir atmosfere çıkarmak için sıcaklığının çözücünün normal kaynama sıcaklığının üstüne çıkarılması gerekir. Şu halde uçucu olmayan maddelerin çözülmesiyle hazırlanan çözeltilerin kaynama noktaları saf çözücülerinkinden daha yüksektir. Örneğin tuzlu suyun donma noktası saf suyun donma noktasından küçüktür. %10’luk tuz çözeltisinin donma noktası -6 °C iken %20’lik tuz çözeltisinin donma noktası -16 °C’ ye düşer. ⓘ

Kaynama noktasındaki yükselme çözeltideki çözünenin derişimi ile orantılıdır. Aşağıdaki bağıntı bu ilişkiyi ifade etmektedir. ⓘ

DTb=Kb x m ⓘ

m: molalite Kb: molal kaynama noktası yükselmesi sabiti ⓘ

Donma noktasında katı ve sıvının buhar basıncı eşittir. Sıvı çözücü ile katı çözücünün buhar basıncı eğrileri çözeltinin donma noktasında kesişir. Ancak bu sıcaklıkta çözeltinin buhar basıncı saf çözücünün denge buhar basıncından daha düşüktür. Çözeltinin buhar basıncı eğrisi, katı çözücünün buhar basıncı eğrisini daha düşük bir sıcaklıkta keser. Bu nedenle, çözeltinin donma noktası, saf çözücününkinden daha düşüktür. Otomobil radyatörlerinin suyuna eklenen etandiol(glikol) C2H4(OH)2 suyun donma noktasını düşürür. Bu da kışın otomobil motorlarının içlerinde donan su ile çatlamasını önler böyle donma noktasını düşürerek donmayı geciktiren maddelere antifiriz denir. ⓘ

Donma noktası düşmesi de çözelti derişimine ve çözücüye bağlıdır. Aşağıdaki bağıntı bu ilişkiyi ifade etmektedir. ⓘ

DTf=Kf x m ⓘ

m: molalite Kf: molal donma noktası düşmesi sabiti ⓘ

Çözeltilerde kaynama noktası yükselmesi ve donma noktası düşmesi maddenin türüne bağlı değildir. Bu durum ideal çözeltiler için Çözünen madde miktarına ve bunun çözeltide oluşturacağı (molekül- iyon) sayısına bağlıdır. Çözelti içindeki tanecik sayısı toplamı arttıkça kaynama noktası yükselir, donma noktası düşer. ⓘ