CHE1001 · 13. hafta · SOLUTIONS AND THEIR PHYSICAL PROPERTIES

Çözeltiler: derişim birimleri, çözünme süreci ve çözünürlük

Kütlece yüzde, ppm, molarite, molalite ve mol kesri arasında dönüşümler; benzer benzeri çözer, çözünme entalpisi, sıcaklığın çözünürlüğe etkisi ve gazlar için Henry yasası.

solutionsolutesolventpercent by massparts per millionmolaritymolalitymole fractionlike dissolves likemiscibleenthalpy of solutionhydrationsaturatedunsaturatedsupersaturatedsolubilityHenry's law

Şimdiye kadar çözeltileri sadece molariteyle tanıdık, çünkü stoikiometride işimize yarıyordu. Bu hafta çözeltiyi kendi başına inceliyoruz. İki soru var: ne kadar çözünmüş? (derişim birimleri ve aralarındaki dönüşümler) ve neden çözünüyor? (moleküller arası kuvvetler, enerji ve çözünürlük). Gelecek haftanın kolligatif özellikleri molalite ve mol kesri ister; bu hafta onları akıcı kullanmayı öğreneceksin.

Altın kurallar:

  1. Molarite çözeltinin hacmine, molalite çözücünün kütlesine bölünür. En sık karışan iki birim.
  2. Dönüşüm sorularında uygun bir miktar varsay. 1 L çözelti, 1 kg çözücü ya da 100 g çözelti.
  3. Benzer benzeri çözer. Polar poları, apolar apoları.
  4. Gazların çözünürlüğü basınçla artar, sıcaklıkla azalır.

Derişim birimleri

BirimTanımNe zaman
kütlece yüzde (% w/w)mc¸o¨zu¨nenmc¸o¨zelti×100\dfrac{m_{\text{çözünen}}}{m_{\text{çözelti}}}\times100ticari çözeltiler
ppm, ppbmc¸o¨zu¨nenmc¸o¨zelti×106\dfrac{m_{\text{çözünen}}}{m_{\text{çözelti}}}\times10^6 (ya da 10910^9)eser miktarlar (kirlilik)
molarite, Mnc¸o¨zu¨nenVc¸o¨zelti (L)\dfrac{n_{\text{çözünen}}}{V_{\text{çözelti}}\ (\text{L})}stoikiometri, titrasyon
molalite, mnc¸o¨zu¨nenmc¸o¨zu¨cu¨ (kg)\dfrac{n_{\text{çözünen}}}{m_{\text{çözücü}}\ (\text{kg})}kolligatif özellikler
mol kesri, xnAntoplam\dfrac{n_A}{n_{\text{toplam}}}buhar basıncı (Raoult), gaz karışımları

Örnek 1 (bir çözelti, bütün birimler). 25.0 g KBr (119.00 g/mol) 175.0 g suda çözülüyor. Çözeltinin yoğunluğu 1.15 g/mL.

n(KBr)       = 25.0 / 119.00          = 0.2101 mol
n(su)        = 175.0 / 18.015         = 9.714 mol
% kütle      = 25.0 / 200.0 × 100     = 12.5 %
molalite     = 0.2101 / 0.1750 kg     = 1.20 m
mol kesri    = 0.2101 / (0.2101 + 9.714) = 0.0212
V(çözelti)   = 200.0 g / 1.15 g/mL    = 173.9 mL
molarite     = 0.2101 / 0.1739 L      = 1.21 M

Seyreltik sulu çözeltilerde molarite ile molalite birbirine yakındır, çünkü 1 L çözelti yaklaşık 1 kg sudur. Derişim arttıkça fark büyür.

Örnek 2 (ppm). 2.00 kg suda 0.0040 g cıva:

0.0040 g2000 g×106=2.0 ppm=2.0×103 ppb\frac{0.0040\ \text{g}}{2000\ \text{g}}\times10^6 = 2.0\ \text{ppm} = 2.0\times10^3\ \text{ppb}

Seyreltik sulu çözeltide 1 L ≈ 1 kg olduğu için 1 ppm ≈ 1 mg/L.

Birimler arası dönüşüm

Bütün dönüşümler aynı fikre dayanır: tanımda geçen her niceliği (çözünen molü, çözücü kütlesi, çözelti hacmi) tek tek bul. Bunun için işine yarayan bir miktar varsay.

Örnek 3 (molariteden molaliteye). 0.800 M NaCl, yoğunluk 1.03 g/mL.

1.000 L çözelti varsay
kütle(çözelti) = 1000 mL × 1.03 g/mL     = 1030 g
NaCl           = 0.800 mol × 58.44 g/mol = 46.75 g
su             = 1030 − 46.75            = 983.3 g = 0.9833 kg
molalite       = 0.800 / 0.9833          = 0.814 m

Molaliteden molariteye tersini yap: 1.000 kg çözücü varsay, çözünenin kütlesini ekle, toplam kütleyi yoğunluğa bölerek hacmi bul.

Örnek 4 (molaliteden molariteye). 2.00 m NaOH, yoğunluk 1.07 g/mL.

1.000 kg su varsay → 2.00 mol NaOH = 2.00 × 39.997 = 80.0 g
kütle(çözelti) = 1000 + 80.0  = 1080 g
V(çözelti)     = 1080 / 1.07  = 1009 mL = 1.009 L
molarite       = 2.00 / 1.009 = 1.98 M
ElindeVarsayBulman gereken
molarite + yoğunluk1 L çözeltiçözünen g, çözelti g, çözücü g
molalite (+ yoğunluk)1 kg çözücüçözünen g, çözelti g (ve hacim)
kütlece yüzde100 g çözeltiçözünen g, çözücü g
mol kesritoplam 1 molher bileşenin molü ve kütlesi

Molaliteden mol kesrine: 1 kg su = 55.51 mol. x=mm+55.51x = \frac{m}{m + 55.51} (su çözücü ise).

TUZAK · molalitede çözelti kütlesine bölmek. Molalitenin paydası çözücünün kütlesidir. Yüzde sorusunda 100 g çözelti varsaydıysan, su 100 g değil, 100 − (çözünen) g’dır.

Çözünme süreci

Bir maddenin çözünmesini üç adımlı düşün (Hess yasası gibi):

  1. Çözünen taneciklerini birbirinden ayır (çözünen-çözünen etkileşimleri kırılır): endotermik.
  2. Çözücü moleküllerini aralayıp yer aç (çözücü-çözücü etkileşimleri kırılır): endotermik.
  3. Çözünen ve çözücü tanecikleri etkileşir (çözünen-çözücü etkileşimleri oluşur): ekzotermik.

ΔHc¸o¨z=ΔH1+ΔH2+ΔH3\Delta H_{\text{çöz}} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3

  • Üçüncü adım ilk ikisinden büyükse ΔHc¸o¨z<0\Delta H_{\text{çöz}} < 0: çözünme ısı verir (NaOH, H2SO4\mathrm{H_2SO_4} suda çok ısınır).
  • Küçükse ΔHc¸o¨z>0\Delta H_{\text{çöz}} > 0: çözelti soğur (NH4NO3\mathrm{NH_4NO_3} soğuk kompres).
  • Endotermik çözünme de kendiliğinden olabilir; çünkü karışma düzensizliği (entropiyi) artırır. Ama ΔHc¸o¨z\Delta H_{\text{çöz}} çok pozitifse (yağ ile su) entropi bunu karşılayamaz ve çözünme olmaz.

Suda iyonik bir katı çözünürken her iyon su moleküllerince sarılır: hidratasyon (hydration). Bu iyon-dipol etkileşimi 3. adımın enerjisini sağlar ve örgü enerjisini (1. adım) karşılamaya çalışır.

Benzer benzeri çözer

ÇözünenSu (polar, H bağı)Hekzan (apolar)
NaCl (iyonik)çözünürçözünmez
etanol (polar, H bağı)her oranda karışır (miscible)az
I2\mathrm{I_2}, yağ (apolar)çok azçözünür

Uzun hidrokarbon zinciri polarlığı azaltır: metanol, etanol, propanol suyla her oranda karışır; bütanolün çözünürlüğü sınırlıdır; oktanol neredeyse çözünmez. O–H ucu suyu, zincir hekzanı sever.

Çözünürlük

Çözünürlük (solubility), belli sıcaklıkta belli miktar çözücüde çözünebilen en fazla çözünen miktarıdır (genelde g / 100 g su).

  • Doymamış (unsaturated): daha fazla çözünen alabilir.
  • Doymuş (saturated): çözünmemiş katı ile dengede; çözünme ve kristalleşme hızları eşit.
  • Aşırı doymuş (supersaturated): çözünürlükten fazla çözünen içerir, kararsızdır. Küçük bir kristal (çekirdek) eklenince fazlası hemen çöker. Sıcak doymuş çözeltiyi yavaşça soğutarak hazırlanır.

Sıcaklığın etkisi

  • Katıların çoğunun çözünürlüğü sıcaklıkla artar (KNO3\mathrm{KNO_3} çok, NaCl çok az). Az sayıda istisna vardır (Ce2(SO4)3\mathrm{Ce_2(SO_4)_3} gibi). Bu fark yeniden kristallendirme (recrystallization) ile saflaştırmanın temelidir. Örnek 5 (çözünürlük eğrisinden kristallendirme). Bir tuzun çözünürlüğü 60 °C’de 110 g / 100 g su, 20 °C’de 32 g / 100 g su olsun. 60 °C’de 100 g suyla hazırlanmış doymuş çözelti 20 °C’ye soğutulursa suda en fazla 32 g kalabilir; 110−32=78110 - 32 = 78 g tuz kristal olarak ayrılır. Safsızlıklar az miktarda olduğu için çözeltide kalır; süzülen kristaller daha saftır.

  • Gazların sudaki çözünürlüğü sıcaklıkla azalır. Isıtılan suda kabarcıklar kaynamadan önce oluşur: çözünmüş hava çıkar.

Basıncın etkisi: Henry yasası

Katı ve sıvıların çözünürlüğü basınçtan pek etkilenmez. Gazlarınki ise kısmi basınçla doğru orantılıdır:

Cgaz=kH⋅PgazC_{\text{gaz}} = k_H \cdot P_{\text{gaz}}

kHk_H gaza, çözücüye ve sıcaklığa bağlı sabittir (M/atm). PgazP_{\text{gaz}} o gazın kısmi basıncıdır (Dalton yasası).

Örnek 6. Havayla dengedeki suda çözünmüş oksijen (PO2=0.21P_{\mathrm{O_2}} = 0.21 atm, kH=1.3×10−3k_H = 1.3\times10^{-3} M/atm):

C=1.3×10−3×0.21=2.7×10−4 M  ⇒  2.73×10−4×32.00×1000=8.7 mg/LC = 1.3\times10^{-3} \times 0.21 = 2.7\times10^{-4}\ \text{M} \;\Rightarrow\; 2.73\times10^{-4} \times 32.00 \times 1000 = 8.7\ \text{mg/L}

Henry yasasını iki durum için oranla da kullanabilirsin: C1P1=C2P2\frac{C_1}{P_1} = \frac{C_2}{P_2}. Basıncı 2.5 katına çıkarırsan çözünürlük de 2.5 katına çıkar. Dalgıçların vurgun (bends) yaşaması bununla ilgilidir: derinde kana fazla N2\mathrm{N_2} çözünür, hızlı yükselince kabarcık oluşur.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
Molalite = mol / L çözeltimol / kg çözücü
Molalite hesabında çözelti kütlesine bölÇözücü kütlesine böl
Mol kesrinde paydaya sadece çözücüToplam mol (çözünen + çözücü)
ppm = mg / gppm = g çözünen / g çözelti × 10⁶ (≈ mg/L)
Isınınca bütün çözünürlükler artarGazlarınki azalır
Henry yasasında toplam basınçGazın kısmi basıncı
Endotermik çözünme kendiliğinden olmazEntropi artışı sağlayabilir (NH4NO3\mathrm{NH_4NO_3})
Molarite sıcaklıktan bağımsızHacim değişir; molalite bağımsız

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

10.0 g of NaCl is dissolved in 90.0 g of water. What is the molality of the solution?

Cevabı göster
1.90 m

n=10.0/58.44=0.1711n = 10.0/58.44 = 0.1711 mol. Molalite = mol çözünen / kg çözücü =0.1711/0.0900=1.90= 0.1711/0.0900 = 1.90 m. Payda 100.0 g çözelti değil, 90.0 g su.

Soru 2orta

What is the mole fraction of NaCl in the solution of the previous question?

  1. 0.0331
  2. 0.0342
  3. 0.100
  4. 0.171
Cevabı göster
0.0331

Su: 90.0/18.015=4.99690.0/18.015 = 4.996 mol. xNaCl=0.17110.1711+4.996=0.0331x_{\mathrm{NaCl}} = \tfrac{0.1711}{0.1711 + 4.996} = 0.0331. 0.0342, paydaya sadece suyu koymanın sonucu.

Soru 3kolay

A water sample of 500.0 g contains 1.75 mg of fluoride ion. What is the fluoride concentration in ppm?

Cevabı göster
3.50 ppm

ppm=mc¸o¨zu¨nenmc¸o¨zelti×106=1.75×10−3 g500.0 g×106=3.50\text{ppm} = \tfrac{m_{\text{çözünen}}}{m_{\text{çözelti}}}\times10^6 = \tfrac{1.75\times10^{-3}\ \text{g}}{500.0\ \text{g}}\times10^6 = 3.50 ppm. Seyreltik sulu çözeltide 1 ppm ≈ 1 mg/L.

Soru 4orta

A 1.50 M aqueous glucose (C6H12O6\mathrm{C_6H_{12}O_6}) solution has a density of 1.06 g/mL. What is its molality?

Cevabı göster
1.90 m

1.000 L çözelti al: kütle 1000×1.06=10601000 \times 1.06 = 1060 g.
Glukoz: 1.50×180.16=270.21.50 \times 180.16 = 270.2 g. Su: 1060−270.2=789.81060 - 270.2 = 789.8 g = 0.7898 kg.m=1.50/0.7898=1.90m = 1.50/0.7898 = 1.90 m.

Soru 5orta

What is the mole fraction of solute in a 2.50 m aqueous urea solution?

  1. 0.0431
  2. 0.0450
  3. 0.250
  4. 2.50
Cevabı göster
0.0431

2.50 m: 1 kg suda 2.50 mol üre. 1 kg su =1000/18.015=55.51= 1000/18.015 = 55.51 mol.x=2.502.50+55.51=0.0431x = \tfrac{2.50}{2.50 + 55.51} = 0.0431. Ürenin molar kütlesine gerek bile yok.

Soru 6zor

An ethanol–water solution is 40.0% ethanol (C2H5OH\mathrm{C_2H_5OH}) by mass. Calculate the molality of ethanol and its mole fraction.

Cevabı göster
14.5 m; x = 0.207

100.0 g çözelti varsay: 40.0 g etanol, 60.0 g su.
Etanol 40.0/46.069=0.868340.0/46.069 = 0.8683 mol; su 60.0/18.015=3.33160.0/18.015 = 3.331 mol.
Molalite =0.8683/0.0600=14.5= 0.8683/0.0600 = 14.5 m. x=0.8683/(0.8683+3.331)=0.207x = 0.8683/(0.8683 + 3.331) = 0.207.

Soru 7kolay

Which substance is most soluble in hexane, C₆H₁₄?

  1. NaCl
  2. CH3OH
  3. C8H18 (octane)
  4. KNO3
Cevabı göster
C8H18 (octane)

Benzer benzeri çözer (like dissolves like). Hekzan apolar; sadece London kuvvetleri var. Oktan da apolar, her oranda karışır. İyonik tuzlar ve H bağı yapan metanol apolar çözücüde çözünmez ya da az çözünür.

Soru 8orta

At 25 °C, Henry's law constant for O₂ in water is 1.3 × 10⁻³ M/atm. What is the solubility of O₂ (in mg/L) in water exposed to air, where the partial pressure of O₂ is 0.21 atm?

Cevabı göster
8.7 mg/L

C=kHP=1.3×10−3×0.21=2.7×10−4C = k_H P = 1.3\times10^{-3} \times 0.21 = 2.7\times10^{-4} M.2.73×10−4 mol/L×32.00 g/mol×1000 mg/g=8.72.73\times10^{-4}\ \text{mol/L} \times 32.00\ \text{g/mol} \times 1000\ \text{mg/g} = 8.7 mg/L. Toplam basınç değil, O2\mathrm{O_2}'nin kısmi basıncı kullanılır.

Soru 9kolay

A soft drink is bottled under a CO₂ pressure of 4.0 atm at 25 °C (k_H = 3.4 × 10⁻² M/atm). What is the concentration of dissolved CO₂?

Cevabı göster
0.14 M

C=kHP=3.4×10−2×4.0=0.14C = k_H P = 3.4\times10^{-2} \times 4.0 = 0.14 M. Kapak açılınca PCO2P_{\mathrm{CO_2}} havadaki çok düşük değere iner, çözünürlük düşer ve gaz kabarcık halinde çıkar.

Soru 10kolay

How does the solubility of a gas in water usually change as the temperature increases?

  1. It increases
  2. It decreases
  3. It stays the same
  4. It increases only for O2
Cevabı göster
It decreases

Gazların suda çözünmesi genelde ekzotermiktir ve ısınınca gaz molekülleri sıvıdan kaçar. Sıcak suda daha az O2\mathrm{O_2} çözünür; sıcak yaz günlerinde göllerde balık ölümleri bu yüzden olur.

Soru 11orta

When solid NH₄NO₃ dissolves in water, the solution becomes cold. Which statement is correct?

  1. ΔH(soln) < 0; dissolution is driven by enthalpy
  2. ΔH(soln) > 0; dissolution occurs because it increases disorder (entropy)
  3. NH4NO3 does not actually dissolve
  4. The water freezes
Cevabı göster
ΔH(soln) > 0; dissolution occurs because it increases disorder (entropy)

Çözelti soğuyorsa sistem çevreden ısı alıyor: endotermik, ΔHc¸o¨z>0\Delta H_{\text{çöz}} > 0. Yine de kendiliğinden çözünür, çünkü düzenli kristalin dağılması düzensizliği (entropiyi) artırır. Soğuk kompresler bu tepkimeyle çalışır.

Soru 12kolay

Which concentration unit does not change with temperature?

  1. molarity
  2. molality
  3. mass/volume percent
  4. mg/L
Cevabı göster
molality

Molalite mol / kg çözücü: ikisi de kütleye dayanır, sıcaklıkla değişmez. Molarite hacme dayanır; sıvı ısınınca genleşir ve molarite düşer. Bu yüzden kolligatif özelliklerde (kaynama/donma) molalite kullanılır.

Doğrulama: Bütün sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/CHE1001/13.mjs); molar kütleler IUPAC standart atom kütlelerinden. Henry sabitleri 25 °C için: O2 1.3×10^-3 M/atm, CO2 3.4×10^-2 M/atm.

Deftere not kartı

% kütle = m(çözünen)/m(çözelti) × 100 ppm = ... × 10^6 ppb = ... × 10^9 seyreltik suda: 1 ppm ≈ 1 mg/L Molarite M = mol çözünen / L ÇÖZELTİ (T ile değişir) Molalite m = mol çözünen / kg ÇÖZÜCÜ (T ile değişmez) Mol kesri x_A = n_A / n_toplam; Σx = 1 1 kg su = 55.51 mol Dönüşüm reçetesi: uygun miktar varsay (1 L çözelti / 1 kg çözücü / 100 g çözelti) M → m: 1 L al, kütle = 1000·d, çözünen g = M·Mmol, çözücü = fark m → M: 1 kg çözücü + n·Mmol çözünen = toplam kütle → V = kütle/d Benzer benzeri çözer: polar/iyonik ↔ polar; apolar ↔ apolar ΔH(çöz) = çözünen-çözünen kır (+) + çözücü-çözücü kır (+) + çözünen-çözücü oluş (−) Doymuş: dengede; doymamış: daha alabilir; aşırı doymuş: kararsız, kristal atınca çöker Katı çözünürlüğü genelde T ile artar; GAZ çözünürlüğü T ile AZALIR Henry: C = k_H · P_gaz (KISMİ basınç)