Ayırma yöntemleri

Bir öğretmen masaya bir kavanoz koyuyor. İçinde kum, sofra tuzu, demir tozu ve su var; hepsi birbirine karışmış. Görev basit görünüyor: dört maddeyi ayrı kaplarda, olabildiğince eksiksiz geri almak. Elle ayıklamak imkânsız, ısıtıp hepsini birden kaynatmak işe yaramaz. Çözüm, her maddenin ötekilerden farklı olduğu bir özelliği bulmakta: biri mıknatısa çekilir, biri suda çözünür, biri çözünmez, biri kolayca buharlaşır. Kimyacılar karışımları bu farkları sırayla kullanarak ayırır. Önceki iki derste karışımların türlerini ve derişimi gördük. Bu ders, karışımı yeniden bileşenlerine dönüştürmenin yollarını ve bir yöntemin hangi özellik farkına dayandığını öğretiyor.

• Her ayırma yönteminin hangi fiziksel özellik farkını kullandığını söylersin.
• Eleme, süzme, dekantasyon, ayırma hunisi, santrifüj ve mıknatısla ayırmayı uygun karışımlarla eşleştirirsin.
• Çözme-süzme, özütleme, ayrımsal kristallendirme, buharlaştırma ve damıtmayı ayırt edersin.
• Çok bileşenli bir karışım için mantıklı bir ayırma sırası kurarsın.

Ayırmanın mantığı

Karışımdaki maddeler kimyasal olarak birleşmediği için fiziksel yollarla ayrılabilir. Her ayırma yöntemi tek bir soruya dayanır: bileşenler hangi özellikte belirgin biçimde farklı? Tanecik boyutu, yoğunluk, manyetiklik, çözünürlük ve kaynama noktası en sık kullanılan farklardır. Bir yöntem seçmeden önce bu farkı bulmak gerekir; iki bileşen bir özellikte aynıysa o özelliğe dayanan yöntem onları ayıramaz.

Tanecik boyutu: eleme ve süzme

Eleme, iri ve ince katı taneciklerini bir elekle ayırır. Unun kepekten, çakılın kumdan ayrılması buna örnektir. Süzme ise bir sıvıda çözünmeden dağılmış katıyı ayırır. Kumlu su süzgeç kâğıdından geçirildiğinde kum kâğıtta kalır, su geçer; geçen sıvıya süzüntü denir. Süzme yalnız süspansiyonlarda işe yarar. Şekerli su gibi bir çözeltideki çözünen tanecikler süzgeç kâğıdının gözeneklerinden kolayca geçtiği için çözeltiler süzmeyle ayrılmaz.

Yoğunluk: dekantasyon, ayırma hunisi, santrifüj

Yoğunluğu büyük katı tanecikler bekletilince dibe çöker. Üstteki sıvının çökeltiyi bulandırmadan yavaşça başka bir kaba aktarılmasına dekantasyon (aktarma) denir. Birbiri içinde çözünmeyen iki sıvı ise ayırma hunisi ile ayrılır: zeytinyağı ile su hunide katmanlara ayrıldıktan sonra alttaki yoğun su musluktan akıtılır, yağ hunide kalır.

Çökme çok yavaş olduğunda santrifüj kullanılır. Karışım çok hızlı döndürülür ve yoğun tanecikler kısa sürede tüpün dibinde toplanır. Hastanelerde kan hücreleri plazmadan böyle ayrılır; krema makineleri de sütü döndürerek daha hafif olan yağca zengin kremayı ayırır. Yoğunluk farkı katıların ayrılmasında da kullanılabilir: talaş ile kum suya atıldığında talaş yüzer, kum dibe çöker.

Manyetik özellik: mıknatıs

Demir, nikel ve kobalt gibi mıknatısa çekilen maddeler bir mıknatısla karışımdan alınabilir. Demir talaşı ile kum ya da odun talaşı karışımı bu yöntemle kolayca ayrılır. Hurdalıklarda büyük elektromıknatıslar demirli metalleri öteki atıklardan bu farkla ayırır.

Çözünürlük: çözme-süzme, özütleme, ayrımsal kristallendirme

Bileşenlerden biri bir çözücüde çözünüyor, öteki çözünmüyorsa önce çözme, ardından süzme yapılır. Tuz ile kum karışımına su eklenir; tuz çözünür, kum çözünmez. Süzme sonunda kum kâğıtta kalır, tuz süzüntüde çözünmüş halde bulunur.

Özütleme (ekstraksiyon), bir karışımdan istenen maddeyi uygun bir çözücüyle çekip almaktır. Çay demlemek bunun gündelik örneğidir: sıcak su, yapraktaki renk ve tat maddelerini çözerek dışarı alır, yaprak geride kalır.

Ayrımsal kristallendirme, çözünürlükleri sıcaklıkla farklı oranlarda değişen katıları ayırır. Potasyum nitratın sudaki çözünürlüğü sıcaklıkla hızla artar, sodyum klorürünki ise çok az değişir. İkisinin sıcakta hazırlanmış çözeltisi soğutulduğunda kristallerin büyük kısmı potasyum nitrattır; sodyum klorür büyük ölçüde çözeltide kalır.

Kaynama noktası: buharlaştırma ve damıtma

Bir katının sudaki çözeltisinden yalnız katı isteniyorsa buharlaştırma yeterlidir; su uçar, katı kalır. Tuzlalarda deniz suyu güneş ve rüzgârla buharlaştırılır ve geride tuz birikir. Bu yöntemde su kaybolur.

Hem çözünen hem çözücü isteniyorsa basit damıtma kullanılır. Tuzlu su bir balonda kaynatılır; buhar bir soğutucudan geçerken yoğunlaşır ve saf su olarak ayrı bir kapta toplanır, tuz balonda kalır. Kaynama noktaları birbirine yakın birden çok sıvıyı ayırmak için ise ayrımsal damıtma gerekir. Ham petrol rafinerilerde bu yöntemle benzin, mazot gibi kesimlere ayrılır; sıvılaştırılmış hava da ayrımsal damıtmayla azot ve oksijene ayrılır. Su ile etil alkol karışımı damıtıldığında kaynama noktası daha düşük olan alkol daha kolay buharlaştığı için ilk toplanan sıvı alkolce zengindir, ama tek bir damıtma saf alkol vermez.

Mutfaktan arıtma tesisine

Ayırma yöntemleri laboratuvarın dışında da her gün kullanılır. Haşlanmış makarnanın süzgece dökülmesi ve demli çayın çay süzgecinden geçirilmesi süzmedir; elektrikli süpürgenin filtresi de tozu havadan aynı mantıkla tutar. Köylerde harmanda buğdayın rüzgâra karşı savrulması, hafif sapın uçup ağır tanenin yere düşmesine dayanır; bu da bir yoğunluk ve kütle farkı kullanımıdır. Şehirlerin atık su arıtma tesislerinde su önce büyük havuzlarda bekletilir; ağır tanecikler dibe çöker ve üstteki su bir sonraki aşamaya aktarılır, yani büyük ölçekli bir dekantasyon yapılır. Bu örneklerin hepsinde ayırmanın arkasında aynı soru vardır: bileşenler hangi özellikte farklı?

Çok basamaklı ayırma

Kancadaki kavanoz bu yöntemlerin sıralı kullanımını gerektirir. Önce mıknatısla demir tozu alınır. Ardından karışım süzülür; çözünmeyen kum kâğıtta kalır. Süzüntü damıtılırsa su ayrı bir kapta toplanır, tuz balonda kalır. Her adım bir bileşeni, yalnız ona ait bir özellikle karışımdan çıkarır. Sıranın önemi vardır: demir süzmeden önce alınmazsa kumla birlikte kâğıtta kalır ve ikisini ayırmak için bir adım daha gerekir.

Ayırma ile bozunma farkı

Bu derste anlatılan yöntemlerin hepsi fizikseldir; maddelerin kimliğini değiştirmez. Suyun elektrik akımıyla hidrojen ve oksijene ayrıştırılması ise bir ayırma yöntemi değil, bir bileşiğin kimyasal olarak bozunmasıdır. Karışım fiziksel yolla, bileşik ancak kimyasal yolla bileşenlerine ayrılır. Bu yüzden bir maddeyi bilinen ayırma yöntemleriyle hiçbir şekilde bileşenlerine ayıramamak, onun bir karışım değil saf madde olabileceğine dair güçlü bir ipucudur; yine de son söz sayılmaz, çünkü işe yarayacak yöntem henüz denenmemiş olabilir.

Örnek 1 — Yöntem seçimi

Soru: Kumlu sudan kumu ayırmak için en uygun yöntem hangisidir?

• A) Mıknatısla çekmek
• B) Ayrımsal damıtma
• C) Ayırma hunisi
• D) Ayrımsal kristallendirme
• E) Süzme

Çözüm: Çözünmeyen kum taneleri kâğıdın gözeneklerine takılır, su ise geçip gider. Cevap: E.

Örnek 2 — Hem tuz hem su

Soru: Tuzlu sudan hem tuzu hem suyu geri kazanmak isteyen bir öğrenci hangi yöntemi seçmelidir?

• A) Açık kapta buharlaştırma
• B) Süzme
• C) Basit damıtma
• D) Dekantasyon
• E) Eleme

Çözüm: Damıtmada buhar yoğunlaştırılıp toplanır, tuz balonda kalır. Cevap: C.

Örnek 3 — Sıra kurmak

Soru: Tuz ile kum karışımını ayırmanın doğru sırası hangisidir?

• A) Suda çözmek, süzmek, süzüntüyü buharlaştırmak
• B) Mıknatısla çekmek, sonra elemek
• C) Isıtmak, sonra damıtmak
• D) Ayırma hunisine koymak
• E) Santrifüjde döndürmek

Çözüm: Tuz suda çözünür, kum çözünmez; kum süzgeçte kalır, tuz buharlaştırmayla geri alınır. Cevap: A.

Örnek 4 — Özellik eşleştirme

Soru: Ayrımsal damıtma hangi özellik farkına dayanır?

• A) Manyetiklik
• B) Kaynama noktası
• C) Tanecik boyutu
• D) Renk
• E) Sertlik

Çözüm: Bileşenler farklı sıcaklıklarda kaynar ve sırayla yoğunlaştırılarak toplanır. Cevap: B.

• Çözeltiyi süzmeye çalışmak. Çözünmüş tanecikler süzgeç kâğıdından geçer.
• Buharlaştırmayı damıtmayla karıştırmak. Buharlaştırmada çözücü kaybolur, damıtmada toplanır.
• Yöntemi özellik farkı olmadan seçmek. Her yöntem tek bir farkı kullanır.
• Sırayı önemsememek. Bir adımın atlanması bileşenleri yeniden karıştırabilir.
• Bileşiği fiziksel yolla ayırmaya çalışmak. Bileşik ancak kimyasal tepkimeyle bozunur.