Çözeltiler, Çözelti Çeşitleri ve Çözünürlük

Çözeltiler homojen karışımlardır. Karışım, iki ya da ikiden fazla maddenin oluşturduğu bir yapıdır. Hava, toprak, kan vb. karışımların farklı örnekleridir. Bileşenlerin doğasına ve dağılımlarına göre karışımlar homojen ve heterojen karışımlar olarak sınıflandırılır. Maddelerin dağılımı düzgün değilse, her yerinde eşit değilse o karışıma heterojen karışım denir.  Bileşenlerini eşit olarak dağıtılmış bir karışım, homojen bir karışım olarak bilinir, tek bir madde olarak gözlemlenir. Homojen karışımlar ayrıca aşağıda belirtildiği gibi iki sınıfa ayrılabilir:

1-Kolloidler: Kolloid, çapları 2 ila 500 nm (nanometre) arasında değişen parçacıklar içeren bir karışımdır. Kolloidler doğada tekdüze görünürler ve baştan sona aynı bileşime sahiptirler ancak bulanık veya opaktırlar. Süt iyi bir kolloid örneğidir.

2-Çözeltiler: Çözeltiler, hiçbir bileşeni diğerinden bağımsız olarak gözlenemeyecek (partikül boyutu 0.1 nm -1 nm olan) iki veya ikiden fazla bileşenin homojen karışımıdır, renkli olabilseler de şeffaftırlar.  Etrafımızı çeviren hava da bir çözeltidir.

Bir göl, nehrin veya okyanusta bulunan su kütlesi saf H2O (su) molekülü) değildir, bir çözeltidir. Günlük hayatta gazoz, maden suyu, şerbet, şekerli su, tuz çözeltisi, iki metalden yani iki katıdan oluşan bir homojen çözeltileri olan pirinç kaplar gibi birçok çözelti türü ile karşılaşılabilir. Katı-sıvı, katı-katı, katı-gaz, sıvı-katı, sıvı-sıvı, gaz-katı, gaz-sıvı ve gaz-gaz çözeltileri hazırlanabilir. Bir çözeltiyi diğer birçok karışım türünden ayıran en önemli faktör homojen olmasıdır. Homojen, karışımı oluşturan bileşenlerin tek bir faz oluşturması anlamına gelir, parçacıklar eşit olarak dağılmıştır. Bu yüzden bir şişe meşrubat, baştan sona aynı tada sahiptir, şeker veya tatlandırıcılar gibi bileşenler tek tek kolayca tanımlanamaz. Benzer şekilde, tuz suyla karıştırıldıktan sonra da tuz tanecikleri görülemez. Çözeltilerin parçacıkları içinden geçen bir ışık demetini dağıtmaz ve bu nedenle çözeltilerde ışık demetinin yolu görünmez. Çözeltilerdeki çözünen veya çözücü partiküller bozulmadan bırakıldığında çökelmez. Bir çözeltinin bileşenleri basit mekanik filtreleme ile (süzülerek) ayrılamaz ve çözeltiler belirli bir sıcaklıkta kararlıdır.

Çözeltilerin Bileşenleri ve Fazları

Çözeltilerin biri çözücü (çözen) diğeri çözünen olmak üzere iki bileşeni vardır. Bir çözeltinin ana bileşenine çözücü, küçük bileşenine ise çözünen denir. Çözünen, bir çözücü içinde çözünecek olan madde veya maddelerdir. Çözücüden daha az miktarda bulunur.  Bir çözeltideki her iki bileşen de %50 ise, çözünen terimi her iki bileşen için kullanılabilir. İki sıvı birbiri içinde çözündüğünde, ana bileşene çözücü, küçük bileşene ise çözünen denir. Tuzlu su örneğinde, çözünen bileşen tuzdur çünkü tuz suda çözünmektedir, miktarı sudan daha azdır. Çözücü, içinde diğer maddelerin çözüneceği ortamdır ve karışımın daha büyük bir yüzdesini oluşturur. Örneğin, %70 etanol ve %30 sudan oluşan bir çözelti karıştırılırsa, çözücü etanol, çözünen ise su olur. Bir bardak suda biraz sofra tuzu çözülürse, su çözücü görevi görürken tuz bir çözünendir. Oluşan tuzlu su bir çözeltidir.

Çözünenler ve çözücüler maddenin herhangi bir durumunda, yani katı, sıvı ve gaz halinde olabilir. Sıvı haldeki çözeltiler, sıvı bir çözücü içinde çözülmüş katı, sıvı veya gazdan oluşur. Çözeltiler sıvı faz ile sınırlı değildir, gaz fazında da, katı fazda da bulunabilir.  Farklı fazlardaki malzemeler bir çözelti oluşturmak için birleşebilse de sonuçta her zaman tek bir faz vardır. Aynı fazda bileşenleri olan çözeltiler için, daha düşük konsantrasyonda bulunan maddeler çözünen, en yüksek bollukta bulunan madde ise çözücüdür. Hava örnek olarak verilirse oksijen (yaklaşık yüzde 21) ve karbondioksit (%0,0391, daha az ya da az daha yüksektir) gazları çözünen, nitrojen (azot) gazı (havada yaklaşık yüzde 78 oranındadır) ise çözücüdür.

Çözelti Türleri

Maddenin herhangi bir hali (katı, sıvı veya gaz), bir çözeltinin oluşumu sırasında hem çözünen hem de çözücü olarak hareket edebilir. Bu nedenle, çözünen ve çözücünün fiziksel durumlarına bağlı olarak birden fazla çözelti türü bulunur. Farklı çözelti türleri ve her bir türün iyi bilinen bazı örnekleri aşağıdadır.

Çözücüsü Sıvı Olan Çözeltiler:

1-Katı-Sıvı Çözeltileri

Çözücüsü sıvı, çözüneni ise katıdır. Şeker, tuz gibi maddelerin sudaki çözeltisi buna örnektir. Günlük hayatta tuzlu su, şekerli su ya da şerbet olarak karşımıza çıkar.

2-Sıvı-Sıvı Çözeltileri

Hem çözücüsü hem de çözüneni sıvıdır. Sirke, su ve asetik asitten oluşan bir çözeltidir. El dezenfektanları esas olarak su ile karıştırılmış etanolden oluşan çözeltilerdir. Kolonyalar da su ve alkolün homojen olarak karışmasıyla oluşur. Su ve etilen glikolün karışmasıyla antifriz oluşturulur.

3-Sıvı-Gaz Çözeltileri

Çözücüsü sıvı, çözüneni gazdır. Deniz suyunda çözünen oksijen gazı, gazoz, soda ve kola gibi gazlı içeceklerde su içinde çözünen karbondioksit gazı bu tür çözeltilere örnektir.

Çözücüsü Katı Olan Çözeltiler:

1-Sıvı-Katı Çözeltileri

Çözücüsü katı, çözüneni sıvıdır. Hidratlı tuzlar, civada çözünen gümüşten oluşan ve diş dolgularında kullanılan amalgam örnek verilebilir. Sıvı haldeki civa ayrıca çinko, bakır, altın gibi metalleri de çözebilir.

2-Gaz-Katı Çözeltileri

Çözücüsü katı, çözüneni gazdır. Paladyumda ( bir metaldir) çözünen hidrojen gazı bu tip çözeltiye örnektir.

3-Katı-Katı Çözeltileri

Hem çözücüsü hem çözüneni katıdır. Katı çözeltiler genellikle iki veya daha çok sayıda katı maddenin yüksek sıcaklıklarda eritilmesini, karıştırılmasını, daha sonra soğumasını ve katılaşmasını içerir.

Pirinç, bronz gibi metal alaşımları bu tip çözeltilere örnektir. Örneğin bakır ile kalay (her ikisi de katı metallerdir) karışımı ile bronz (diğer adı tunç) adlı katı bir çözelti oluşturulur. Bakır ile çinkodan pirinç, kurşun ile kalaydan lehim üretilir. Nikel, demir, krom ve karbonun karışmasıyla da paslanmaz çelik elde edilir. Som gümüş ise gümüş (yüzde 92,5) ve bakırın (yüzde 7,5) katı bir çözeltisi olan bir metal alaşımıdır. Som gümüş üretilirken bazen bakır yerine platin, nikel gibi başka metaller eklenir. Som gümüş, saf gümüşe göre daha sağlamdır, süs eşyaları ve takı yapımında kullanılır.  Som gümüşten yapılan eşyaların ayarları farklı olabilir. Mesela 800 ayar bir gümüş eşyada yüzde 80 gümüş (1 kilogram som gümüşteki saf gümüş oranı 800 gram anlamındadır alaşımın geri kalan kısmı (200 gramı farklı bir metaldir) bulunmaktadır. Ayar 900 de olabilir. İçinde kütle bakından yüzde 92,5 gümüş varsa o gümüş 925 ayardır.

Çözücüsü Gaz Olan Çözeltiler:

1-Katı-Gaz Çözeltileri

Çözücüsü gaz, çözüneni katıdır. İyot, kafur gibi katı maddelerin havada süblimleşmesi buna örnektir. Süblimleşme olayında ısınan katı madde sıvıya dönüşmeden doğrudan gaz haline geçer.

2-Gaz-Sıvı Çözeltileri

Çözücüsü gaz, çözüneni ise sıvıdır. Aerosol, havadaki su buharı böyledir.

3-Gaz-Gaz Çözeltileri

Hem çözücüsü hem de çözüneni gazdır. Atmosferdeki hava, başta nitrojen (azot) ve oksijen olmak üzere çoklu gazların bir çözeltisidir. Metan, etan, bütan ve propan gibi çeşitli gaz halindeki organik bileşiklerin bir çözeltisi olan doğal gaz da bir gaz-gaz çözeltisidir.

Bir Çözeltinin Konsantrasyonu

Belirli bir çözeltideki çözünen miktarına çözeltinin konsantrasyonu denir. Bir çözeltinin konsantrasyonu nicel ve nitel olarak ifade edilebilir. Kantitatif (nicel)olarak kütle yüzdesi, hacim yüzdesi, milyonda bir birim ile ifade edilebilir. Niteliksel olarak seyreltik bir çözelti (Çok miktarda çözücü içinde çok az miktarda çözünen içerir) veya yoğun (konsantre) çözelti (içinde çok miktarda çözünenin bulunduğu çözelti) olarak ifade edilebilir.

Sıcaklık ve Çözünürlük

Maddelerin birbiri içinde karışmasına çözünme adı verilir. Belirli bir çözücü hacminde çözünebilen maksimum madde miktarına çözünürlük denir. Genellikle sudaki çözünürlük gram/100 mL olarak ifade edilir. Çözünenin doğası, çözücünün doğası, sıcaklık ve basınç bir maddenin çözünürlüğünü etkiler. Katılar göz önüne alındığında, sıcaklık ve çözünürlük ilişkisi basit veya tahmin edilebilir değildir. Bir katının çözünürlüğü genellikle sıcaklıkla birlikte artmasına rağmen, bir maddenin yapısı ile çözünürlüğünün sıcaklığa bağımlılığı arasında basit bir ilişki yoktur. Birçok bileşik (glukoz ve CH3CO2Na gibi), artan sıcaklıkla çözünürlükte çarpıcı bir artış sergiler. Diğerleri (NaCl ve K2SO4 gibi) çok az değişiklik gösterir ve yine diğerleri (Li2SO4 gibi) artan sıcaklıkla daha az çözünür hale gelir.

Doymamış, Doymuş ve Aşırı Doymuş Çözeltiler

Maksimum çözünürlüğüne ulaşmamış bir çözeltiye doymamış çözelti denir. Bu, çözücüye belirli bir sıcaklıkta daha fazla çözünen maddenin eklenebileceği ve çözünmenin hala gerçekleşeceği anlamına gelir.

Maksimum çözünürlüğe ulaşan çözeltiye doymuş çözelti denir. Belirli bir sıcaklıkta bu noktada daha fazla çözünen eklenirse, çözelti içinde çözünmez. Bunun yerine çözeltinin dibinde katı halde çökelmiş olarak kalır. Bu nedenle, fazladan çözünen varsa (gaz, sıvı veya katı gibi başka bir faz olarak mevcut olabilir) genellikle bir çözeltinin doymuş olduğu söylenebilir. Doymuş bir çözeltide çözünen madde miktarında net bir değişiklik yoktur ancak sistem hiçbir şekilde statik değildir. Aslında, çözünen sürekli olarak çözülür ve eşit oranda biriktirilir. Böyle bir olguya denge denir.

Özel durumlarda, bir çözelti aşırı doymuş olabilir. Aşırı doymuş çözeltiler, normal doyma noktasının ötesinde çözünmüş çözünene sahip olan çözeltilerdir. Sıcaklığı veya basıncı yükseltilerek daha fazla çözünen eklenebilen doymuş çözeltiye aşırı doymuş çözelti denir. Bu çözeltilerde genellikle kristaller oluşmaya başlar. Örneğin, sodyum asetat 270 Kelvin’de (-3.15 derece Celsius) çok yüksek bir çözünürlüğe sahiptir. Soğutulduğunda, böyle bir çözelti, meta-kararlı bir durumda çözünmüş halde kalır. Bununla birlikte, çözeltiye bir aşılama kristali eklendiğinde, ekstra çözünen hızla katılaşacaktır. Kristalizasyon işlemi sırasında ısı açığa çıkar ve çözelti ısınır. Yaygın el ısıtıcıları, ısı üretmek için bu kimyasal işlemi kullanır.

Bir Katının Sıvı İçindeki Çözünürlüğü

Polar çözünenler polar çözücülerde çözülürken, polar olmayan çözünenler polar olmayan çözücülerde çözülür. Bu, tüm katıların her tür sıvı içinde çözünmediği anlamına gelir.  Polar katı bileşikler polar sıvı çözücülerde çözünürken, polar olmayan katı bileşikler polar olmayan sıvı çözücülerde çözünür.

Bir katının uygun bir sıvıda çözünürlüğü sıcaklık değişikliklerinden etkilenir. Bu tip çözeltilerde dinamik denge, Le Chateliers ilkesini takip etmelidir.

*Neredeyse doymuş bir çözelti için çözünme işlemi endotermiktir. Bu durumda sıcaklık arttıkça çözünürlük artar.

*Ekzotermik işlem için sıcaklık arttıkça çözünürlük azalır.

Katılar ve sıvılar sıkıştırılamaz veya çok hafif sıkıştırılabilir, dolayısıyla basınçtaki değişiklikten neredeyse hiç etkilenmezler. Bu nedenle bir katının sıvı içindeki çözünürlüğü basınçtan etkilenmez.

Bir Gazın Bir Sıvıdaki Çözünürlüğü

Bir gazın bir sıvı içindeki çözünürlüğü basınç ve sıcaklıktan büyük ölçüde etkilenir. Henry yasası, ilk kez bir gazın bir çözücü içindeki basıncı ve çözünürlüğü arasındaki nicel ilişkiyi formüle eden ingiliz Kimyager William Henry tarafından oluşturulmuştur. Kanun, sabit bir sıcaklıkta, bir gazın bir sıvıdaki çözünürlüğünün, sıvı veya çözelti yüzeyinin üzerinde bulunan gazın kısmi basıncı ile doğru orantılı olduğunu belirtir. Dalton, bir gazın sıvı çözeltideki çözünürlüğünün gazın kısmi basıncının bir fonksiyonu olduğunu kanıtlamıştır. Çözelti içindeki gazın mol kesri, gazın çözelti üzerindeki kısmi basıncı ile orantılıdır. Henry yasasının bir başka şekli de, gazın buhar fazındaki kısmi basıncının, çözeltideki gazın mol kesri ile orantılı olduğunu belirtir. Henry yasası aşağıdaki durumlarda uygulanır:

*İçeceklerdeki karbondioksit gazının çözünürlüğünü artırmak için gazlı içeceklerin üretiminde Henry yasası uygulanır.

*Yüksek rakımlarda yaşayan insanlar kanlarında düşük oksijen konsantrasyonuna sahiptir ve kendilerini halsiz, güçsüz hissederler. Bu duruma hipoksi denir. Yüksek irtifalara tırmanan dağcılarda da görülür.

*Tüplü (scuba) dalış yapanlar su altına girdiklerinde yüksek basınçlı hava solurlar. Artan basınç, kandaki gazların çözünürlüğünü artırır. Yüksek konsantrasyonlarda nitrojen (azot) ve diğer gazlar öldürücü olabilir. Çözünme ekzotermik bir işlemdir, bu nedenle sıcaklık arttıkça çözünürlük azalır.

Kaynakça:

https://byjus.com/chemistry/solution-properties-concentration/
https://www.vedantu.com/chemistry/solutions
https://kimyaogren.wordpress.com/cozeltiler/cozelti-nedir/
http://kimya.fen.firat.edu.tr/sites/kimya.fen.firat.edu.tr/files/%C3%87%C3%B6zeltiler%20Ders%20Notu.pdf

Yazar: Müşerref Özdaş