Çözeltiler: Konsantrasyon, Çözünürlük ve Hesaplamalar

Çözeltiyi süspansiyon ve kolloidden ayıran ölçütler

Çözelti homojen bir karışımdır ve tek faz gösterir. Çözünen tanecikler moleküler veya iyonik düzeyde dağıldığı için çözelti bileşimi, alınan örneğin farklı noktalarında aynı kabul edilir. Süspansiyonda ise daha büyük katı parçacıklar sıvı içinde dağılmıştır; bu parçacıkların zamanla çökmesi ve ışığı saçması mümkündür. Koloidler, çözelti ile süspansiyon arasında davranış gösteren dağılmış sistemlerdir; bu nedenle yalnızca 'gözle görünmüyor' ölçütüyle sınıflandırma yapılmamalıdır.

Bir çözeltinin berrak görünmesi, onun mutlaka renksiz olduğu anlamına gelmez. İyon veya moleküller ışığı görünür bölgede soğuruyorsa çözelti renkli olabilir; önemli nokta, bileşenlerin tekdüze dağılmasıdır. Katı çözücü-katı çözünen alaşımlar, sıvı çözücü-sıvı çözünen etanol-su karışımları, sıvı çözücü-katı çözünen NaCl çözeltisi ve gaz-gaz karışımı olan hava, çözeltilerin farklı fiziksel hâllerde bulunabileceğini gösterir.

'Her oranda çözelti oluşur' ifadesi dikkatli kullanılmalıdır. Bileşenler belirli oranlarda homojen karışabiliyorsa çözelti oluşur; ancak özellikle katıların ve gazların çözünürlüğü belirli sıcaklık ve basınçta sınırlıdır. Çözünürlük sınırı aşıldığında fazla çözünen çözünmeden kalabilir veya çözelti doymuş hâle gelebilir.

Polarite, moleküller arası etkileşim ve çözünme süreci

Çözünme, çözünen tanecikleri arasındaki çekimlerin kısmen aşılması ve bu taneciklerin çözücü tanecikleriyle yeni etkileşimler kurmasıyla açıklanır. 'Benzer benzerini çözer' kuralı, bu etkileşim farkını özetleyen pratik bir yaklaşımdır; ancak tek başına kesin bir çözünürlük hesabı değildir. Polar çözücüler polar veya iyonik türlerle daha güçlü etkileşebilirken, polar olmayan çözücüler polar olmayan maddelerle daha uyumlu olabilir.

Su polar bir çözücüdür. NaCl gibi iyonik bir madde suya eklendiğinde su molekülleri iyonların çevresinde yönlenir ve iyonların çözelti içinde dağılmasına yardımcı olur. Şeker gibi moleküler maddelerde ise iyonlaşma yerine moleküllerin su ile etkileşmesi söz konusudur. Bu iki madde suda çözünse de çözeltinin elektrik iletkenliği ve koligatif özellikleri aynı biçimde yorumlanmaz.

Çözünme ile kimyasal tepkimeyi de ayırmak gerekir. Bir maddenin su içinde iyonlarına ayrılması veya moleküller hâlinde dağılması, gözlenen sistemin çözeltileşmesi olabilir; fakat yeni maddeler oluşuyorsa kimyasal değişim söz konusu olabilir. Çözünme hızını artıran karıştırma ve tanecik boyutunu küçültme, belirli sürede daha hızlı homojenleşme sağlayabilir; bunlar, doygunlukta çözünebilecek maksimum miktarı tek başına belirlemez.

Çözünürlükte sıcaklık ve gaz basıncının rolü

Çözünürlük, belirli sıcaklık ve basınçta belirli miktar çözücüde çözünebilen maksimum çözünen miktarıdır. Bu tanımdaki sıcaklık, basınç ve çözücü miktarı koşulları belirtilmeden 'çözünürlüğü arttı' yargısı eksik kalır. Doymamış çözeltide daha fazla çözünen çözünebilir; doymuş çözeltide koşullar değişmeden eklenen madde çözünmeden kalabilir. Doymuşluğun üzerinde geçici olarak daha fazla madde içeren sistemler için farklı koşullar ve kararlılık değerlendirmesi gerekir.

Katıların sulu çözünürlüğü çoğu durumda sıcaklık arttığında artar; fakat bu, bütün katılar için istisnasız bir kural değildir. Katı çözünürlüğünün sıcaklıkla değişimi, çözünme sürecinin enerji değişimine bağlıdır. Bu nedenle yalnızca 'sıcaklık arttı, çözünürlük mutlaka arttı' şeklinde genelleme yapılmamalıdır.

Gazların sıvılardaki çözünürlüğü için iki önemli eğilim vardır: sıcaklık yükseldiğinde gaz çözünürlüğü çoğunlukla azalır, gazın kısmi basıncı arttığında ise çözünürlüğü artar. Basınç etkisi özellikle gaz-sıvı çözeltilerinde belirgindir ve Henry Yasası ile ilişkilendirilir. Gazlar için toplam basınç yerine ilgili gazın kısmi basıncının önemli olduğu durumlar bulunur; bu nedenle sorudaki basınç türü dikkatle okunmalıdır.

Molarite, molalite ve kütle yüzdesiyle aynı çözeltiyi ifade etmek

Konsantrasyon, çözünenin çözeltide ne kadar bulunduğunu nicel olarak ifade eder. Kütle yüzdesi, çözünen kütlesinin toplam çözelti kütlesine oranıdır: % w/w = (çözünen kütlesi / çözelti kütlesi) × 100. Örneğin %20 w/w NaCl çözeltisinde 100 g toplam çözelti içinde 20 g NaCl bulunur; kalan kütle çözücüye aittir. Burada paydada çözücü kütlesi değil, çözeltinin toplam kütlesi vardır.

Molarite, çözünen molünün çözeltinin litre cinsinden hacmine oranıdır: M = n/V. Hacim sıcaklıkla değişebildiği için molarite, sıcaklık değiştiğinde aynı madde miktarı için farklı sayısal değer alabilir. Titrasyon ve belirli hacimde çözelti hazırlama işlemlerinde bu nedenle kullanışlıdır.

Molalite ise çözünen molünün kilogram cinsinden çözücü kütlesine oranıdır: m = n/kg çözücü. Paydada çözeltinin toplam kütlesi veya çözeltinin hacmi değil, yalnızca çözücü kütlesi bulunur. Kütle temelli olması, molaliteyi sıcaklık değişimlerinden molariteye göre daha az etkilenir hâle getirir; bu yüzden termodinamik ve koligatif özellik hesaplarında tercih edilir.

Bu üç birim birbirinin doğrudan eş anlamlısı değildir. Birini diğerine dönüştürmek için çoğu zaman çözünen kütlesi, çözücü kütlesi, toplam çözelti kütlesi, hacim ve gerekli mol bilgisi birlikte verilmelidir. Sadece molarite verilmişse molaliteyi, yalnızca kütle yüzdesi verilmişse molariteyi ek veri olmadan hesaplamak mümkün olmayabilir.

Elektrolitler, koligatif özellikler ve tampon çözeltiler

Suda çözündüğünde iyon oluşturan veya iyonlarına ayrılan maddeleri içeren çözeltiler elektrolit çözeltileridir. NaCl, HCl ve CaCl2 bu gruba örnek olarak verilir. İyonların hareket edebilmesi, çözeltinin elektrik iletkenliği göstermesini sağlar. Şeker ve gliserol gibi non-elektrolitlerde ise çözünme iyon oluşumu biçiminde gerçekleşmez; bu nedenle iletkenlik ve parçacık sayısı açısından aynı yorum yapılamaz.

Koligatif özellikler, ideal yaklaşıma göre çözünen maddenin kimliğinden çok çözeltideki çözünen taneciklerin sayısına bağlıdır. Donma noktası düşmesi, kaynama noktası yükselmesi ve ozmotik basınç bu başlık altında incelenir. Elektrolitler iyonlara ayrıldığında tanecik sayısı artabildiği için aynı molar miktardaki bir elektrolit ve non-elektrolit karşılaştırılırken iyonlaşma dikkate alınmalıdır. İdeal davranıştan sapmalar, özellikle daha derişik elektrolit çözeltilerinde aktivite ve iyonlar arası etkileşimlerle ilişkilidir.

Tampon çözelti, zayıf bir asit ile eşlenik bazını veya zayıf bir baz ile eşlenik asidini birlikte içeren sistemdir. Tampon, pH değişimini azaltır; pH değişimini tamamen ortadan kaldırdığı söylenemez. Henderson-Hasselbalch denklemi uygun koşullarda pH = pKa + log([A⁻]/[HA]) biçiminde kullanılır. Bu bağıntıda [A⁻]/[HA] oranı arttıkça pH yükselir; oran eşitse pH, pKa değerine eşit olur. Denklemi kullanmadan önce sistemin gerçekten zayıf asit-eşlenik baz veya zayıf baz-eşlenik asit çifti içerdiği kontrol edilmelidir.

Çözelti hazırlarken hacim, güvenlik ve standardizasyon

Belirli molaritede çözelti hazırlamak için çözünenin gereken mol miktarı M = n/V bağıntısından bulunur. Katı çözünen tartılacaksa mol sayısı, maddenin mol kütlesiyle kütleye çevrilir; ardından madde uygun çözücüde çözülür ve son hacim hedef değere tamamlanır. Çözücüyü başlangıçta hedef hacme kadar doldurup daha sonra katı eklemek, çözünme sonrasında toplam hacmin değişebilmesi nedeniyle doğru yaklaşım değildir.

Seyreltmede çözünen molü korunuyorsa M1V1 = M2V2 bağıntısı kullanılabilir. Bu bağıntı, başlangıç ve son derişimlerin aynı çözünen için ve hacimlerin aynı birimde yazılması koşuluyla geçerlidir. Tepkime gerçekleşiyor, çözünen kayboluyor veya hacim değişimi ihmal edilemiyorsa basit seyreltme bağıntısı doğrudan uygulanmamalıdır.

Asit çözeltilerinde güvenlik sırası önemlidir: ekzotermik karışmalarda asit, özellikle konsantre sülfürik asit, suya yavaşça ve kontrollü biçimde eklenir; suyun asidin üzerine hızla dökülmesi sıçrama ve ani ısınma riskini artırabilir. Koruyucu gözlük, uygun eldiven ve havalandırma kullanılmalıdır. Standart çözeltilerde ise hazırlama kadar saklama koşulları da önemlidir; ışık, sıcaklık ve hava ile temas bazı çözeltilerin derişimini veya bileşimini değiştirebilir.