Çözünme süreci

Laboratuvar dersinde masada iki beher su vardı ve İlkay termometreleri daldırmadan önce tahminini defterine yazdı: «İkisi de soğuyacak. Tuzun dağılması için taneciklerinin birbirinden kopması gerekir; kopmak enerji ister, enerji de sudan çekilir.» Koruyucu gözlüklü öğretmen birinci behere birkaç gram amonyum nitrat, ikincisine aynı kütlede sodyum hidroksit kattı ve ikisini cam bagetle karıştırdı. Birinci beherde termometre birkaç derece indi. İkincisinde gösterge yükseldi, beherin dış yüzü ele ılık gelmeye başladı. Yan masadaki Kaan başka bir şeye takılmıştı: beyaz katılar bir dakika içinde gözden silinmişti, peki kütleleri de mi gitmişti? Öğretmen teraziyi gösterdi; karıştırmadan önce ve sonra okunan sayı aynıydı. İlkay defterine baktı. Kopan her çekim enerji istiyorsa ikinci beheri ısıtan enerji nereden geliyordu?

• Çözünmeyi tanecik düzeyinde üç adıma ayırır, her adımda enerjinin alındığını ya da verildiğini belirlersin.
• «Benzer benzeri çözer» eğilimini çözünen ile çözücü arasındaki etkileşim türüyle açıklar, bir maddenin hangi çözücüde iyi çözüneceğini öngörürsün.
• Moleküler çözünmeyi iyonlaşarak çözünmeden ayırır, çözeltileri kuvvetli elektrolit, zayıf elektrolit ve elektrolit olmayan diye sınıflandırırsın.
• Çözünen maddenin mol sayısından ve kütlesinden çözeltideki tanecik ve iyon sayısını hesaplarsın.

Kaybolan katı nereye gider

Kaan'ın sorusuyla başlayalım. «Homojen ve heterojen karışımlar» dersinde çözeltiyi, bileşenlerin tek tek iyonlar ya da moleküller hâlinde dağıldığı karışım olarak tanımlamıştık. Gözden silinen katı yok olmamıştır; kristal, ışığı saçamayacak kadar küçük parçalara, yani tek tek taneciklere bölünmüş ve su molekülleri arasına yayılmıştır. Terazinin değişmemesi bunun kanıtıdır: çözünme fiziksel bir değişimdir, kütle korunur ve su buharlaştırılırsa katı yeniden elde edilir. Çözünme sırasında değişen şey taneciklerin kimin yanında durduğudur. Hangi taneciğin hangi komşuyu bırakıp hangisine yanaştığını izlemek, hem çözünüp çözünmemeyi hem de beherin ısınıp soğumasını açıklar.

Üç adım

Bir katının bir sıvıda çözünmesini, gerçekte aynı anda olan ama zihinde ayrı ayrı düşünülebilen üç adıma bölmek işe yarar.

• Çözünen taneciklerinin birbirinden ayrılması. Sofra tuzunda bu, iyonik örgüdeki Na⁺ ve Cl⁻ iyonlarını birbirinden uzaklaştırmak; şekerde, molekülleri bir arada tutan hidrojen bağlarını ve öteki zayıf çekimleri koparmak demektir. Çekime karşı iş yapıldığı için bu adım enerji ister.
• Çözücü moleküllerinin aralanması. Çözünen taneciğine yer açmak için çözücü moleküllerinin bir kısmı birbirinden uzaklaştırılır. Suda bu, moleküller arasındaki bazı hidrojen bağlarını kırmak demektir; bu adım da enerji ister.
• Çözünen ile çözücü arasında yeni çekimlerin kurulması. Ayrılan tanecikler çözücü molekülleriyle sarılır. Çekim kurulurken sistem daha düşük enerjili bir duruma iner, aradaki fark açığa çıkar.

Çözünmenin olup olmayacağı büyük ölçüde üçüncü adımın ilk ikisini ne ölçüde karşılayabildiğine bağlıdır. Çözünen ile çözücü arasında kurulan çekim, koparılan çekimlerle aynı büyüklükte ya da onlardan güçlüyse madde kolayca çözünür. Kurulan çekim çok zayıf kalıyorsa ayrılan tanecikler yeniden birbirine döner ve madde çözünmez ya da çok az çözünür.

Benzer benzeri çözer

Üçüncü adımın gücü, çözünen ile çözücünün hangi türden tanecikler olduğuna bağlıdır. İki tanecik arasındaki çekimi adlandırırken önce her birinin iyon mu, polar molekül mü, apolar molekül mü olduğunu sormayı TYT'deki «Van der Waals etkileşimleri» konusunda öğrenmiştik; çözünürlüğü öngörmek de aynı sorudan başlar.

• Polar çözünen, polar çözücü. Etanol ile su her oranda karışır. İki sıvının molekülleri de O–H grubu taşır; «Hidrojen bağı» dersinde gördüğümüz gibi suyun kendi içindeki hidrojen bağlarının yerini etanol ile su arasında kurulan hidrojen bağları alır. Kopan ile kurulan neredeyse denktir.
• Apolar çözünen, apolar çözücü. İyot (I₂) suda çok az çözünür, ama karbon tetraklorür (CCl₄) ya da hekzan (C₆H₁₄) gibi apolar sıvılarda kolayca çözünür ve mor renkli bir çözelti verir. Bu karışımda kopan da kurulan da London kuvvetleridir; birinin yerine öbürü geçer.
• Apolar çözünen, polar çözücü. Hekzan suya eklenirse ayrı bir katman oluşturur. Hekzan molekülünün suyla kurabileceği dipol–indüklenmiş dipol çekimi, suyun kendi hidrojen bağlarını kırmak için harcanacak enerjiyi karşılamaz; su molekülleri birbirine tutunmayı sürdürür ve hekzanı dışarıda bırakır.
• İyonik katı, polar çözücü. Sofra tuzunun suda çözünmesini iyon–dipol etkileşimi mümkün kılar. Aynı tuz hekzanda çözünmez, çünkü iyonlar ile apolar moleküller arasında kurulabilecek tek çekim olan iyon–indüklenmiş dipol, örgüyü dağıtmaya yetmez.

«Benzer» sözcüğü burada görünüşü değil, tanecikler arasındaki çekimin türünü ve gücünü anlatır. Bu bir kesin yasa değil, güçlü bir eğilimdir. «Tuzlar» dersinde gördüğümüz kalsiyum karbonat ve gümüş klorür de iyonik katılardır, ama suda çok az çözünür: örgüdeki iyonlar o kadar sıkı tutunur ki suyun kurduğu iyon–dipol çekimleri birinci adımın bedelini ödeyemez.

Hidratasyon ve solvatasyon

İyonik bir katı suya atıldığında yüzeydeki iyonları su molekülleri kuşatır. Su molekülünün oksijen ucu kısmi eksi, hidrojen uçları kısmi artı yüklüdür. Na⁺ iyonunun çevresinde su molekülleri oksijen uçlarını iyona çevirerek dizilir; Cl⁻ iyonunun çevresinde ise hidrojen uçları iyona döner. Kuşatılan iyon örgüden koparak çözeltiye geçer ve hareket ederken su kılıfını da yanında taşır. Çözünen taneciklerinin çözücü molekülleriyle sarılmasına solvatasyon denir; çözücü su olduğunda aynı olayın özel adı hidratasyondur. Sofra tuzunun çözünmesi şöyle yazılır:

NaCl(k) → Na⁺(suda) + Cl⁻(suda)

Formüldeki «(suda)» gösterimi iyonun hidratlanmış olduğunu, yani su moleküllerince sarıldığını söyler. Hidratasyon sırasında açığa çıkan enerji, yukarıdaki üçüncü adımın iyonik katılardaki adıdır.

Moleküler çözünme ve iyonlaşarak çözünme

Çözünen taneciklerin çözeltide hangi biçimde bulunduğu üç ayrı durumda incelenebilir.

Moleküler çözünme. Şeker suda çözündüğünde molekülleri bozulmadan su molekülleri arasına dağılır: C₁₂H₂₂O₁₁(k) → C₁₂H₂₂O₁₁(suda). Etanol, glikoz ve üre de böyle çözünür. Çözeltide yüklü tanecik oluşmaz.

İyonik katının iyonlarına ayrışması. Sofra tuzunda iyonlar çözünmeden önce de vardır; su yalnız onları örgüden ayırıp birbirinden uzak tutar. NaOH, KNO₃ ve CaCl₂ de bu yolla çözünür: CaCl₂(k) → Ca²⁺(suda) + 2Cl⁻(suda).

Molekülün iyonlaşması. Hidrojen klorür gaz hâlinde kovalent bağlı moleküllerden oluşur ve içinde iyon yoktur. Suya verildiğinde molekül su ile etkileşerek iyonlara dönüşür: HCl(g) → H⁺(suda) + Cl⁻(suda). Burada iyonlar çözünme sırasında ortaya çıkar. Moleküler bir maddenin suda çözünmesi bu yüzden her zaman moleküler çözünme anlamına gelmez; formüle değil, çözeltide ne bulunduğuna bakılır.

Elektrolitler

«Asit ve bazların özellikleri» dersinde iletkenliğin serbestçe hareket eden iyonlardan geldiğini görmüştük. Bu ölçüt bütün çözeltilere genişletilir. Sulu çözeltisi elektriği ileten maddeye elektrolit denir.

• Kuvvetli elektrolit: Çözünen kısmın tamamına yakını iyon hâlinde bulunur. NaCl, KNO₃, CaCl₂ gibi suda çözünen tuzlar, NaOH, KOH gibi kuvvetli bazlar ve HCl, HNO₃ gibi kuvvetli asitler bu gruptadır.
• Zayıf elektrolit: Çözünen moleküllerin yalnız küçük bir kısmı iyonlaşır, çoğu molekül olarak kalır. Asetik asit (CH₃COOH) ve amonyak (NH₃) örnektir; bu yüzden aynı derişimde iletkenlikleri düşüktür.
• Elektrolit olmayan: Moleküler çözünür, çözeltide iyon oluşmaz. Şeker, glikoz ve etanol çözeltileri elektriği iletmez.

Kuvvetli ya da zayıf olmak, çözünenin ne kadarının iyonlaştığını anlatır; maddenin suda ne kadar çözündüğünü değil. Gümüş klorür suda çok az çözünür, ama çözünebilen küçük miktarı iyonlar hâlinde bulunur.

Isı veren ve ısı alan çözünmeler

Şimdi İlkay'ın sorusu cevaplanabilir. Üç adımın enerjileri toplandığında ortaya çıkan net değişime çözünme ısısı denir. Kurulan çekimlerin açığa çıkardığı enerji, ayırma adımlarında harcanan enerjiden büyükse fark çevreye verilir ve çözelti ısınır; bu ekzotermik çözünmedir. Sodyum hidroksidin suda çözünmesi böyledir ve beherin ısınacağı önceden bilindiği için katı suya azar azar eklenir. Derişik sülfürik asit de suyla karıştırılırken çok ısı açığa çıkarır; bu yüzden laboratuvarda asit suya yavaşça eklenir, su asidin üzerine dökülmez.

Ayırma adımlarının bedeli kurulan çekimlerin verdiğinden büyükse eksik enerji çevreden, yani suyun kendisinden alınır ve çözelti soğur; bu endotermik çözünmedir. Amonyum nitratın suda çözünmesi böyledir. Bazı hazır soğuk kompres torbalarında su ile böyle bir tuz ayrı bölmelerde durur; torba sıkılıp bölme yırtılınca tuz çözünür ve torba soğur.

İlkay'ın tahmininde yarım kalan iş buydu: kopan çekimlerin enerji istediğini doğru görmüştü, ama su molekülleri iyonları kuşatırken açığa çıkan enerjiyi hesaba katmamıştı. Hangi beherin ısınacağını iki büyüklüğün karşılaştırması belirler. Endotermik çözünmenin kendiliğinden gerçekleşebilmesi de bir çelişki değildir; tanecikler düzenli bir kristalden çözeltinin içine dağılırken daha düzensiz bir duruma geçer ve bu eğilim enerji açığını karşılayabilir. Bu derste çözünme ısısını yalnız nitel olarak, işaretiyle ve nedeniyle kullanıyoruz.

Çözeltide kaç tanecik var

Elektrolitleri ayırmanın sayısal bir sonucu vardır: aynı miktarda çözünen, çözeltiye farklı sayıda tanecik verir. 1 mol şeker 1 mol molekül olarak dağılır. 1 mol NaCl ise 1 mol Na⁺ ve 1 mol Cl⁻, toplam 2 mol iyon verir. 1 mol CaCl₂ formülündeki iki klorür sayesinde 1 mol Ca²⁺ ve 2 mol Cl⁻, yani 3 mol iyon oluşturur. Al₂(SO₄)₃ suda 2Al³⁺ ve 3SO₄²⁻ iyonuna ayrışır ve bir molü 5 mol iyon verir. Sülfat iyonu çözeltide bölünmeden kalır; SO₄²⁻ kendi başına tek bir taneciktir, içindeki atomlar ayrı ayrı sayılmaz.

Kütleden başlanınca önce mol bulunur. Ca = 40, Cl = 35,5 alınırsa CaCl₂'nin mol kütlesi 111 g/mol'dür; 11,1 gram CaCl₂ 0,1 mol eder ve çözeltiye 0,1 mol Ca²⁺ ile 0,2 mol Cl⁻ verir. Toplam 0,3 mol iyon, 0,3 × 6,02 × 10²³ = 1,806 × 10²³ tanecik demektir. Zayıf elektrolitlerde tanecik sayısı çözünen molekül sayısından biraz fazladır, çünkü moleküllerin yalnız küçük bir kısmı iyonlaşır.

Bu sayımın önemi ileride ortaya çıkacak: suyun donma ve kaynama sıcaklığındaki değişimler çözünenin cinsine değil, çözücü arasına dağılan tanecik sayısına bağlıdır. Yalnız şimdiye kadar tanecikleri sayarken suyun ne kadar olduğunu hiç sormadık. 0,1 mol tuzun bir bardak suda mı yoksa bir kovada mı çözündüğü çözeltinin davranışını değiştirir; üstelik çözünen tanecikler su molekülleri arasına yerleşirken oluşan sıvının hacmi, eklenen suyun hacmiyle aynı kalmayabilir. Derişimi mol cinsinden söylemek isteyen birinin paydaya neyi koyacağı, bitmiş çözeltinin litresini mi yoksa çözücünün kilogramını mı, «Molarite ve molalite» dersinde iki ayrı birime dönüşüyor.

Örnek 1 — Hangi çift karışmaz

Soru: Aşağıdaki madde ve çözücü çiftlerinden hangisi oda koşullarında homojen bir çözelti oluşturmaya en az yatkındır?

• A) etanol ve su
• B) iyot ve karbon tetraklorür
• C) potasyum nitrat ve su
• D) hekzan ve su
• E) amonyak gazı ve su

Çözüm: Her çiftte çözünen ile çözücünün tanecik türüne bakılır. Etanol ve amonyak suyla hidrojen bağı kurar; potasyum nitratın iyonları suyla iyon–dipol çekimi oluşturur. İyot ile karbon tetraklorürün ikisi de apolardır ve aralarında London kuvvetleri kurulur. Hekzan apolar, su polardır: hekzanın suyla kurabileceği zayıf dipol–indüklenmiş dipol çekimi, suyun kendi hidrojen bağlarını kırmanın bedelini karşılamaz ve iki sıvı ayrı katmanlarda kalır. Cevap: D.

Örnek 2 — Adımların enerji dengesi

Soru: Bir X katısının 1 molünün suda çözünmesi üç adımda düşünülüyor (değerler varsayımsaldır): X taneciklerini birbirinden ayırmak için 700 kJ, su moleküllerini aralamak için 50 kJ gerekiyor; X tanecikleri ile su arasında çekimler kurulurken 780 kJ açığa çıkıyor. Çözünme için hangisi doğrudur?

• A) net 30 kJ alınır, çözelti soğur
• B) net 80 kJ verilir, çözelti ısınır
• C) net 30 kJ verilir, çözelti ısınır
• D) net 130 kJ verilir, çözelti ısınır
• E) net 1530 kJ alınır, çözelti soğur

Çözüm: Ayırma adımlarında toplam 700 + 50 = 750 kJ harcanır, çekim kurulurken 780 kJ açığa çıkar. Açığa çıkan, harcanandan 30 kJ fazladır; fark çevreye verilir, çözünme ekzotermiktir ve çözelti ısınır. A seçeneği farkın yönünü ters okur. B suyun aralanmasını hesaba katmaz. D, su aralanırken de enerji açığa çıktığını sanır; E ise üç değeri işaretlerine bakmadan toplar. Cevap: C.

Örnek 3 — Karışık çözeltide iyon sayısı

Soru: Bir miktar suda 0,2 mol Al₂(SO₄)₃ ve 0,3 mol NaCl tamamen çözünüyor. Çözeltideki iyonların toplamı kaç moldür?

• A) iyon toplamı 1,0 mol
• B) iyon toplamı 0,5 mol
• C) iyon toplamı 4,0 mol
• D) iyon toplamı 1,3 mol
• E) iyon toplamı 1,6 mol

Çözüm: Al₂(SO₄)₃ → 2Al³⁺ + 3SO₄²⁻ ayrışmasında bir formül birimi beş iyon verir; 0,2 mol tuzdan 1,0 mol iyon oluşur. NaCl iki iyon verir ve 0,3 mol tuzdan 0,6 mol iyon gelir. Toplam 1,6 moldür. A seçeneği alüminyum sülfatı yalnız iki iyon (bir katyon, bir anyon türü) sayar. B tuzların kendi mol sayılarını toplar. C sülfat iyonunu atomlarına ayırıp 17 tanecik sayar; D ise NaCl'yi tek tanecik gibi alır. Cevap: E.

Örnek 4 — Kütleden klorür iyonu sayısına

Soru: 11,1 gram CaCl₂ suda tamamen çözünüyor. Ca = 40, Cl = 35,5 ve Avogadro sayısı 6,02 × 10²³ alındığında çözeltideki klorür iyonlarının sayısı nedir?

• A) Cl⁻ sayısı 1,204 × 10²³
• B) Cl⁻ sayısı 6,02 × 10²²
• C) Cl⁻ sayısı 1,806 × 10²³
• D) Cl⁻ sayısı 6,02 × 10²³
• E) Cl⁻ sayısı 3,01 × 10²²

Çözüm: CaCl₂'nin mol kütlesi 40 + 2 × 35,5 = 111 g/mol'dür; 11,1 gram 0,1 mol eder. Her formül birimi iki klorür iyonu verdiği için 0,2 mol Cl⁻ oluşur: 0,2 × 6,02 × 10²³ = 1,204 × 10²³. B seçeneği tuzun formül birimi sayısıdır. C kalsiyum iyonlarını da sayıp bütün iyonları verir. D bir mol tuzla hesaplar, E ise klorürü yarıya böler. Cevap: A.

• Her çözünmenin ısı aldığını sanmak. Taneciklerin ayrılması enerji ister, ama çözünen ile çözücü arasında kurulan çekim enerji açığa çıkarır. Net değişim ikisinin farkıdır; NaOH çözünürken çözelti ısınır, NH₄NO₃ çözünürken soğur.
• Çözünen maddenin yok olduğunu düşünmek. Çözünme fiziksel bir değişimdir; kütle korunur ve tanecikler yalnız gözle seçilemeyecek kadar küçük parçalar hâlinde dağılmıştır.
• Moleküler bileşiğin hep moleküler çözündüğünü varsaymak. HCl kovalent moleküllerden oluşur, ama suda iyonlaşır ve kuvvetli elektrolit verir. Karar formüle göre değil, çözeltide ne bulunduğuna göre verilir.
• Çok atomlu iyonu atomlarına bölmek. Na₂SO₄ çözeltiye üç iyon verir; SO₄²⁻ tek bir taneciktir, içindeki beş atom ayrı ayrı sayılmaz.
• Az çözünmeyi zayıf elektrolit sanmak. Elektrolitin kuvveti çözünen kısmın ne kadarının iyonlaştığına bakar; AgCl az çözünür, ama çözünen kısmı iyonlar hâlindedir.
• «Benzer benzeri çözer» eğilimini kesin yasa saymak. İyonik katıların hepsi suda iyi çözünmez; örgü çekimi çok güçlüyse hidratasyon onu karşılayamaz.