Çözeltiler — Derişim, Koligatif Özellikler ve Raoult Yasası

Kimyada çözelti, bir çözünen ile bir çözücünün oluşturduğu homojen karışımdır. Çözeltilerle ilgili soruların çoğu üç temel fikre dayanır: ne kadar çözünen bulunduğu, bu miktarın nasıl ölçüldüğü ve çözünmüş taneciklerin çözücünün davranışını nasıl değiştirdiği.

Derişim, koligatif özellikler ve Raoult yasası tam bu noktada birbirine bağlanır. Derişim, elinizde ne kadar çözünen olduğunu söyler. Koligatif özellikler, esas olarak tanecik sayısına bağlı etkileri izler. Raoult yasası ise çözelti ideale yakın olduğunda mol kesri ile buhar basıncı arasındaki ilişkiyi kurar.

Kimyada Çözelti Nedir?

Bir çözeltide çözünen, çözülen madde; çözücü ise çözme işlemini gerçekleştiren bileşendir. Tuzlu su bunun klasik örneğidir: tuz çözünen, su ise çözücüdür.

Temel özellik homojenliktir. Numune gerçekten bir çözeltiyse, sıradan koşullarda bir küçük kısmının bileşimi başka bir küçük kısmının bileşimiyle aynıdır. Bu yüzden çözelti, süspansiyondan ya da tabakalı bir karışımdan farklıdır.

Derişim Nasıl Ölçülür?

Derişim tek bir formül değildir. Seçilen bir referans miktara göre ne kadar çözünen bulunduğunu ifade etmenin farklı yollarından oluşan bir ailedir.

Çözelti kimyasında sık kullanılan üç ölçü şunlardır:

• molarite; litre çözeltiyi kullanır
• molalite; kilogram çözücüyü kullanır
• mol kesri; bir bileşenin mol sayısının toplam mol sayısına bölünmesiyle bulunur

Payda, öğrencilerin beklediğinden daha önemlidir. Problemde çözelti hacmi verildiğinde molarite kullanışlıdır. Kaynama noktası yükselmesi ve donma noktası alçalması için çoğu zaman molalite kullanılır. Raoult yasasında doğrudan görülen derişim birimi ise mol kesridir.

Koligatif Özellikler Neden Tanecik Sayısına Bağlıdır?

Koligatif özellikler, esas olarak çözünmüş taneciklerin sayısına bağlı olan, kimyasal kimliğe ise esas olarak bağlı olmayan çözelti özellikleridir. Genel kimyada bu fikir en iyi seyreltik çözeltiler için çalışır; çözelti ideal davranıştan çok sapıyorsa daha dikkatli olmak gerekir.

Dört temel koligatif özellik şunlardır:

• buhar basıncının düşmesi
• kaynama noktasının yükselmesi
• donma noktasının alçalması
• ozmotik basınç

Temel sezgi pratiktir. Çözünmüş tanecikler, saf çözücünün alışılmış davranışını bozar. Sonuç olarak çözeltinin buhar basıncı genellikle saf çözücününkinden daha düşük olur. Bu değişim, kaynama noktasının neden yükseldiğini ve donma noktasının neden düştüğünü açıklamaya yardımcı olur.

İki çözeltide çözücü aynıysa ve tanecik derişimi de aynıysa, aynı koşullarda benzer koligatif etkiler göstermeleri beklenir. Bir çözünen diğerine göre çözeltide daha fazla tanecik oluşturuyorsa etki daha büyük olabilir. Bu yüzden çözünmüş elektrolitler, aynı miktardaki elektrolit olmayan maddelere göre çoğu zaman daha büyük değişimlere yol açar.

Raoult Yasası Mol Kesrini Buhar Basıncına Nasıl Bağlar?

Raoult yasası, ideal bir çözeltide buhar basıncı için en temiz başlangıç modelidir.

Uçucu olmayan bir çözünenin uçucu bir çözücü içinde çözündüğü yaygın durumda,

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{solvent}} P^0_{\text{solvent}}$$

Burada $X_{\text{solvent}}$ çözücünün mol kesri, $P^0_{\text{solvent}}$ ise aynı sıcaklıktaki saf çözücünün buhar basıncıdır.

Bu denklem basit bir şey söyler: sıvıda çözücünün oranı küçüldükçe, yüzeyde gaz fazına kaçabilecek çözücü moleküllerinin sayısı azalır; bu yüzden buhar basıncı düşer.

Her iki bileşen de uçucuysa ve çözelti ideal davranıyorsa, Raoult yasası her bileşen için ayrı ayrı uygulanır. Ancak ilk aşamadaki çoğu kimya sorusunda en önemli olan, uçucu olmayan çözünenli versiyondur.

Çözümlü Örnek: Raoult Yasasının Kullanımı

Su bazlı bir çözeltide çözücünün mol kesrinin

$$X_{\text{water}} = 0.90$$

olduğunu ve aynı sıcaklıkta saf suyun buhar basıncının

$$P^0_{\text{water}} = 23.8\ \mathrm{torr}$$

olduğunu varsayalım.

Çözünmüş madde uçucu değilse ve çözelti ideal kabul edilirse, Raoult yasasına göre

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{water}} P^0_{\text{water}} = (0.90)(23.8) = 21.42\ \mathrm{torr}$$

Buna göre çözeltinin buhar basıncı yaklaşık olarak

$$21.4\ \mathrm{torr}$$

olur.

Buhar basıncı düşmesi, saf çözücü ile çözelti arasındaki farktır:

$$\Delta P = 23.8 - 21.4 = 2.4\ \mathrm{torr}$$

Buradaki temel kimya fikri şudur: daha düşük çözücü mol kesri, daha düşük buhar basıncı demektir. Aynı değişim yönü, çözeltilerde kaynama noktası yükselmesi ve donma noktası alçalmasının neden görüldüğünü de açıklamaya yardımcı olur.

Bu Üç Fikir Birbirine Nasıl Uyar?

Aklınızda tutmak için tek ve kısa bir çerçeve istiyorsanız şunu kullanın:

• derişim, ne kadar çözünen bulunduğunu söyler
• mol kesri, Raoult yasasına doğrudan giren derişim ölçüsüdür
• koligatif etkileri belirleyen şey tanecik sayısıdır

Yani bunlar birbirinden kopuk üç ayrı konu değildir. Aynı sistemin üç farklı görünümüdür.

Çözelti Kimyasında Yaygın Hatalar

Tüm Derişim Birimlerini Birbirinin Yerine Kullanmak

Bunlar birbirinin yerine kullanılamaz. Raoult yasası mol kesrini kullanır. Donma noktası ve kaynama noktasıyla ilgili birçok bağıntı molalite kullanır. Çözelti hazırlamaya dayalı bir problem ise molarite kullanabilir.

Kısayolun Arkasındaki Koşulları Unutmak

Raoult yasası, kullanılan biçimiyle yalnızca ideal davranış için tam olarak geçerlidir. En basit koligatif özellik bağıntıları da en iyi seyreltik çözeltilerde çalışır. Çözelti derişikse ya da ideal davranıştan çok sapıyorsa, kullanılan kısayol yalnızca yaklaşık sonuç verebilir.

Tanecik Sayısını Formül Birimi Miktarıyla Karıştırmak

Çözünmüş 1 mol glikoz, en basit modele göre yaklaşık 1 mol tanecik verir. Çözünmüş 1 mol bir elektrolit ise ayrışıyorsa daha fazla tanecik oluşturabilir. Bu da koligatif etkinin büyüklüğünü değiştirir.

Her Çözünenin Uçucu Olmadığını Varsaymak

En basit buhar basıncı modeli, çözünenin buhara anlamlı bir katkı yapmadığını varsayar. Eğer her iki bileşen de buharlaşıyorsa, model daha dikkatli ifade edilmelidir.

Çözelti Kimyası Nerelerde Kullanılır?

Çözelti kimyasını laboratuvar hazırlıklarında, donma noktası ve kaynama noktası problemlerinde, ozmozda, antifriz örneklerinde, buhar basıncı yorumlarında ve çözünmüş maddeler içeren birçok biyolojik ya da çevresel sistemde kullanırsınız.

Ayrıca başka kimya konularını düzenlemeye de yardımcı olur. Çözünürlük, verilen koşullarda bir çözeltinin oluşup oluşamayacağını söyler. Derişim, ne kadar maddenin çözündüğünü belirtir. Koligatif özellikler ise çözelti oluştuktan sonra çözücünün davranışının nasıl değiştiğini gösterir.

Benzer Bir Çözelti Kimyası Problemi Deneyin

Çözümlü örneği, çözücünün mol kesri $0.90$ yerine $0.85$ olacak şekilde değiştirin; saf çözücünün buhar basıncı ise aynı kalsın. Yeni buhar basıncını hesaplayın, sonra basıncın neden bu yönde değiştiğini tek cümleyle açıklayın.

Başka bir örnek isterseniz, donma noktası alçalması ya da derişim dönüşümleriyle ilgili kendi probleminizi kurun ve problemin gerçekte hangi derişim birimine ihtiyaç duyduğunu karşılaştırın.