Çözeltiler, Enerji ve Tepkime Hızı

Derişim, belirli miktardaki çözeltide veya çözücüde ne kadar çözünen bulunduğunu gösterir. Her birimin paydası farklıdır; birimi seçmeden hesap yapılamaz.

• Kütlece yüzde = (çözünen kütlesi / çözelti kütlesi) × 100. 20 g şeker 80 g suda çözünürse çözelti 100 g'dır; kütlece %20'liktir. Payda çözücünün değil çözeltinin kütlesidir.

• Hacimce yüzde = (çözünen hacmi / çözelti hacmi) × 100. Sıvı–sıvı çözeltilerde kullanılır; %70'lik etanol çözeltisinin 100 mL'sinde 70 mL etanol bulunur. Sıvılar karıştırılınca hacimler her zaman tam toplanmaz.

• Mol kesri = bir bileşenin mol sayısı / toplam mol sayısı. 1 mol etanol ve 3 mol su içeren çözeltide etanolün mol kesri 0,25'tir. Bütün bileşenlerin mol kesirleri toplamı 1'dir.

• ppm (milyonda bir kısım) = (çözünen kütlesi / çözelti kütlesi) × 10⁶. Çok seyreltik çözeltilerde kullanılır. 1 kg (10⁶ mg) içme suyunda 2 mg florür varsa derişim 2 ppm'dir. Seyreltik sulu çözeltilerde 1 ppm yaklaşık 1 mg/L'dir.

Molarite (M), 1 litre çözeltide çözünmüş maddenin mol sayısıdır:

M = n (mol) / V (L, çözelti)

Örnek 1: 4 g NaOH (M = 40 g/mol) suda çözülüp hacim 500 mL'ye tamamlanırsa n = 0,1 mol; molarite 0,1/0,5 = 0,2 M olur.

Örnek 2: 0,3 M 200 mL glikoz çözeltisinde 0,3 × 0,2 = 0,06 mol glikoz bulunur.

İyon derişimleri: İyonik bileşikler suda iyonlarına ayrışır. 0,1 M CaCl₂ çözeltisinde [Ca²⁺] = 0,1 M, [Cl⁻] = 0,2 M'dir; toplam iyon derişimi 0,3 M'dir. 0,2 M Al₂(SO₄)₃ çözeltisinde [Al³⁺] = 0,4 M, [SO₄²⁻] = 0,6 M'dir.

Molarite çözeltinin hacmine dayandığı için sıcaklık değişince (hacim genleşip daraldığı için) değeri biraz değişebilir. Molaritede payda çözücünün değil, son çözeltinin hacmidir: 1 mol madde 1 L suya eklenirse hacim 1 L'den farklı olabileceği için çözelti tam olarak 1 M olmayabilir.

Molalite (m), 1 kilogram çözücüde çözünmüş maddenin mol sayısıdır:

m = n (mol) / çözücü kütlesi (kg)

Örnek: 0,2 mol madde 0,5 kg suda çözünürse molalite 0,2/0,5 = 0,4 mol/kg (0,4 molal) olur. Aynı 0,2 mol madde toplam hacmi 0,5 L olan çözelti oluşturmuşsa molarite de 0,4 M olur; ancak bu iki '0,5' farklı şeylerdir: biri çözücünün kütlesi, diğeri çözeltinin hacmidir.

Molalitenin üstünlüğü: Kütle sıcaklıkla değişmediği için molalite sıcaklıktan bağımsızdır. Bu nedenle donma ve kaynama noktası gibi sıcaklık değişimlerini içeren koligatif hesaplarda molalite kullanılır.

Örnek: 18 g glikoz (C₆H₁₂O₆, M = 180 g/mol) 200 g suda çözünürse n = 0,1 mol; molalite 0,1/0,2 = 0,5 molaldir.

Seyreltik sulu çözeltilerde molarite ve molalite sayıca birbirine yakın olabilir; çünkü 1 L seyreltik çözeltinin içindeki su yaklaşık 1 kg'dır. Derişik çözeltilerde bu yaklaşım bozulur.

Belirli derişimde çözelti hazırlama: 250 mL 0,2 M NaCl çözeltisi için 0,25 × 0,2 = 0,05 mol, yani 0,05 × 58,5 = 2,925 g NaCl tartılır. Tuz bir miktar suda çözülür, ölçülü balona aktarılır ve hacim çizgisine kadar su eklenir.

Seyreltme: Çözeltiye su eklenince çözünenin mol sayısı değişmez: M₁·V₁ = M₂·V₂. 100 mL 2 M çözelti 400 mL'ye tamamlanırsa 2 × 100 = M₂ × 400 → M₂ = 0,5 M.

Aynı maddeyi içeren çözeltilerin karıştırılması: Son derişim = (M₁V₁ + M₂V₂) / (V₁ + V₂). 200 mL 0,3 M ile 300 mL 0,1 M şeker çözeltisi karıştırılırsa (0,06 + 0,03)/0,5 = 0,18 M olur.

Yüzdeden molariteye: Yoğunluğu d (g/mL), kütlece yüzdesi % ve mol kütlesi M_A olan çözelti için M = (10 · d · %) / M_A. Örneğin kütlece %36,5'lik, yoğunluğu 1,2 g/mL HCl çözeltisi: M = 10 × 1,2 × 36,5 / 36,5 = 12 M.

Derişik asit seyreltilirken asit suya yavaşça eklenir; su asidin üzerine dökülmez. Bu, açığa çıkan ısının sıçramalara yol açmasını önler.

Uçucu olmayan bir madde suda çözündüğünde yüzeydeki çözücü moleküllerinin bir kısmının yerini çözünen tanecikleri alır; buharlaşabilen çözücü molekülü sayısı azalır. Ayrıca çözücü–çözünen etkileşimleri çözücünün kaçmasını zorlaştırır. Bu nedenle çözeltinin buhar basıncı saf çözücününkinden düşüktür.

İdeal seyreltik çözeltide Raoult yasası geçerlidir:

P_çözelti = X_çözücü · P°_çözücü

Örnek: 25 °C'de suyun buhar basıncı 24 mmHg olsun. 9 mol su ve 1 mol glikoz içeren çözeltide suyun mol kesri 0,9'dur; çözeltinin buhar basıncı 0,9 × 24 = 21,6 mmHg olur. Buhar basıncındaki alçalma 2,4 mmHg'dir.

Aynı mol sayısında NaCl kullanılsaydı tanecik sayısı iki katına çıkacağı için alçalma daha büyük olurdu. Buhar basıncının düşmesi, aynı sıcaklıkta çözeltinin daha zor kaynayacağı anlamına gelir; kaynama noktası yükselmesinin nedeni budur.

Seyreltik çözeltilerde donma noktası alçalması (kriyoskopi) ve kaynama noktası yükselmesi (ebülyoskopi) çözünen taneciklerin molalitesiyle orantılıdır:

ΔT_d = K_d · m · i ve ΔT_k = K_k · m · i

K_d ve K_k çözücüye özgü sabitlerdir; su için K_d = 1,86 °C·kg/mol, K_k = 0,52 °C·kg/mol. i, bir formül biriminden oluşan tanecik sayısıdır (şeker 1, NaCl 2, CaCl₂ 3).

Örnek 1: 0,1 molal şeker çözeltisinin donma noktası 1,86 × 0,1 × 1 = 0,186 °C alçalır; çözelti −0,186 °C'de donmaya başlar.

Örnek 2: 0,2 molal NaCl çözeltisi için ΔT_d = 1,86 × 0,2 × 2 = 0,744 °C; donma noktası −0,744 °C. ΔT_k = 0,52 × 0,2 × 2 = 0,208 °C; kaynama noktası 1 atm'de 100,208 °C.

Uygulamalar: Kışın yollara tuz dökülmesi buzun daha düşük sıcaklıkta erimesini sağlar. Araç radyatörlerine eklenen antifriz (etilen glikol) suyun donmasını önler ve kaynama noktasını yükseltir. Tuzlu suda makarnanın daha yüksek sıcaklıkta kaynaması da aynı etkidir; ancak eklenen tuz miktarı küçük olduğu için fark azdır.

Osmoz, çözücü moleküllerinin yarı geçirgen bir zardan seyreltik çözeltiden derişik çözeltiye doğru geçmesidir. Zar çözücüyü geçirir, çözünen taneciklerini geçirmez. Osmotik basınç, osmozu durdurmak için derişik çözeltiye uygulanması gereken basınçtır; çözeltideki tanecik derişimi arttıkça büyür. Program osmotik basınç hesaplarına girmez.

Canlılarda: Kan hücreleri derişimi kendi içleriyle aynı (izotonik) olan ortamda biçimlerini korur. Damar yoluyla verilen serum fizyolojik (%0,9 NaCl) bu nedenle kanla izotoniktir. Saf su verilseydi alyuvarlar su alıp patlayabilirdi.

Ters osmoz: Derişik çözelti tarafına osmotik basınçtan büyük bir basınç uygulanırsa çözücü bu kez derişik taraftan seyreltik tarafa geçer. Bu yöntemle deniz suyundan içme suyu elde edilebilir (tuz giderme tesisleri), ev tipi su arıtma cihazlarında sudaki iyonlar ve birçok kirletici uzaklaştırılır. Ters osmoz enerji gerektirir ve arıtım sonunda derişik atık su oluşur.

Program saf suyun ve farklı derişimlerdeki sulu çözeltilerin kaynama noktalarının deneyle karşılaştırılmasını ister.

Örnek düzenek: Üç beherden birine saf su, diğerlerine aynı hacimde su ile farklı miktarlarda tuz (ör. 5 g ve 10 g NaCl) konur. Her biri aynı ısıtıcıyla ısıtılır ve kaynamaya başladıktan sonra sıcaklık termometreyle ölçülür. Termometrenin kabın dibine değmemesi gerekir.

Beklenen gözlem: Tuzlu çözeltilerin kaynama noktası saf sudan yüksektir; derişim arttıkça fark büyür. Saf su kaynarken sıcaklık sabit kalır. Çözeltide ise kaynama sırasında su buharlaştıkça derişim artar ve kaynama sıcaklığı yavaş yavaş yükselir; bu yüzden çözeltinin kaynama noktası tek bir sabit değer değil, kaynamanın başladığı sıcaklık olarak kaydedilir.

Deney açık havada yapıldığı için sonuçlar o günkü açık hava basıncına bağlıdır; saf suyun bile 100 °C'de kaynamayabileceği unutulmamalıdır. Sıcak sıvı ve buharla çalışırken koruyucu gözlük ve maşa kullanılır.