Çözünürlüğe Etki Eden Faktörler (Sıcaklık, Basınç ve Madde Cinsi)

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste Çözünürlüğe Etki Eden Faktörler (Sıcaklık, Basınç ve Madde Cinsi) konusunu atomdan moleküle doğru kuracağız. Parçacıkların nasıl dizildiğini ve sayıların nereden geldiğini birlikte göreceğiz.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor:

• Kazanım 1: Katı, sıvı ve gaz maddelerin çözünürlüğünün sıcaklığa bağlı değişimini karşılaştırmak
• Kazanım 2: Basıncın yalnızca gazların çözünürlüğünü etkilediğini ve Henry yasasını açıklamak
• Kazanım 3: Gazların farklı sıvılardaki çözünürlüklerini kutupluluk ve molekül ağırlığına bağlamak
• Kazanım 4: Ortak iyon etkisini ve doygunluğun çözünürlükle ilişkisini örneklerle göstermek
• Kazanım 5: Çözünürlükle çözünme hızını birbirinden ayırarak sıcaklık etkisinin ikisine etkisini karşılaştırmak

Ön bilgi: bundan önce gördüğümüz

Bu konuya geçmeden önce Çözünme Olayının Sınıflandırılması konusunu bilmemiz gerekiyor. Çözünme Olayının Sınıflandırılması içindeki kavramlar bu derste doğrudan kullanılacak; aradaki bağı kurmadan sayısal işleme geçmek en sık yapılan hatadır.

• Çözünme Olayının Sınıflandırılması — bu adımda öğrendiklerimiz bugünkü konunun dayanağı oluyor.
• Koligatif Özellikler — bu derste kullandığımız temel kavram buradan geliyor.

1. Çözünürlük neden değişir?

Bir maddenin çözünürlüğü, belirli bir sıcaklıkta 100 g çözücüde çözünebilen en fazla madde miktarıdır. Bu büyüklük dengeye ait olduğu için değişken değil, denge koşuluna bağlı bir niceliktir. Bir sistemin dengesini bozan etken derhal yeni bir denge oluşturur ve çözünürlük yeni değere yerleşir.

Çözünürlüğü etkileyen başlıca etkenler sıcaklık, basınç ve çözünen ile çözücünün cinsidir. Bunların yanında ortak iyon bulunması ve ortak iyonun derişimi de belirleyicidir.

2. Sıcaklığın etkisi

Katı maddelerde çözünme büyük ölçüde endotermiktir; çözünürlük sıcaklık arttıkça genellikle artar. Gazlarda çözünme ise ekzotermiktir; ısı verildiğe gaz çözeltiden çıkmaya eğilimli olduğu için çözünürlük azalır. Sıvılarda durum değişkendir; kutupluluklarına ve etkileşim yapılarına göre artabilir, azalabilir veya pek değişmeyebilir.

Katıların çözünürlüğünün artmasının nedeni, ısıtmanın kristal örgüyü zayıflatması ve iyonların ya da moleküllerin örgüden kopmasını kolaylaştırmasıdır. Sıcaklık etkisi çözünme hızını da değiştirir; ısıtma her iki büyüklüğü birden etkiler. Katı bir maddeyi kaba öğütmek ise yalnız hızı artırır, çözünürlüğe dokunmaz.

3. Basıncın etkisi ve Henry yasası

Basınç değişimi yalnızca gazların çözünürlüğünü belirgin biçimde etkiler. Katı ve sıvıların çözünürlüğünde basıncın etkisi ölçülebilir düzeyde ihmal edilir. Sabit sıcaklıkta gazın sıvıdaki çözünürlüğü gazın kısmi basıncıyla doğru orantılıdır; bu ilişki Henry yasası olarak adlandırılır ve p = k_H · c biçiminde yazılır.

Gazın kısmi basıncı artırıldığında sıvıya geçen gaz miktarı artar; basınç düşürüldüğünde ise çözünmüş gaz çözeltiden ayrılır. Aynı basınçta ve aynı sıcaklıkta, molekül sayısı daha çok olan gazın kısmi basıncı daha büyük olduğu için çözünürlük de daha yüksektir.

4. Madde cinsinin etkisi: benzer benzeri çözer

Gazların sıvılardaki çözünürlüğü, gaz ile sıvının kutupluluğuna ve molekül ağırlığına bağlıdır. Oksijen kutupluluğu azotunkinden daha fazla olduğu için suda daha iyi çözünür. Aynı kutupluluktaki gazlarda ise molekül ağırlığı arttıkça suyla etkileşim zayıflar ve çözünürlük düşer; metan propandan daha iyi çözünür.

Katıların çözünürlüğü ise kristal örgünün gücüyle ilişkilidir. Örgüsü çok kuvvetli olan bazı tuzlar suda yalnızca kısmi çözünür. Aynı maddenin farklı sıvılardaki çözünürlüğü değişik olabilir; örneğin iyot suda çok az, kuru eterde iyi çözünür.

5. Ortak iyon etkisi ve doygunluk

Bir çözünen madde çözeltideki ortak iyonun derişimi artırılırsa, Le Châtelier ilkesine göre denge katı ya da gaz fazına doğru kayar ve çözünürlük azalır. Buna ortak iyon etkisi denir. Buna karşılık ortak iyonun derişimi azaltılırsa çözünürlük artar.

Doymuş bir çözeltiye aynı çözünenden daha fazla madde eklenmesi çözünürlüğü değiştirmez; doygunluk sınırı aşıldığı için fazla madde katı ya da gaz fazında kalır. Çözünürlük artırmak için çözücünün miktarını artırmak gerekir, çözünen miktarını artırmak yetmez.

İleri örnek

25 °C'de 100 g suda 25 g tuz çözünebildiğine göre 500 g suda en fazla 5 × 25 = 125 g tuz çözünebilir. Buna karşılık aynı sıcaklıktaki doygun çözeltiye fazladan 10 g tuz eklenirse çözünen miktar artmaz; 10 g tuz katı hâlde kalır. Sıcaklık yükseltilirse ise çözünürlük değeri arttığı için çözelti önce doygunluğunu kaybeder ve yeni tuz çözünür hâle gelir.

Özet

Çözünürlük bir denge büyüklüğüdür; sıcaklık, basınç, madde cinsi ve ortak iyon derişimiyle değişir. Katılarda sıcaklık artışı çözünürlüğü genellikle artırırken gazlarda azaltır, sıvılarda etki değişkendir. Basınç yalnız gazların çözünürlüğünü etkiler ve Henry yasası bu ilişkiyi tanımlar. Çözünürlük, çözücünün cinsine ve benzer benzeri çözer ilkesine bağlıdır. Ortak iyon derişimi artırıldığında çözünürlük azalır. Doymuş çözeltiye aynı çözüneni eklemek doygunluğu bozmaz, çözücü eklemek ise çözünürlük sınırını genişletir.

Sık Yapılan Hatalar

Hata 1: Basıncın katı ve sıvıların çözünürlüğünü de artırdığını düşünmek. Basınç değişiminin belirgin etkisi yalnızca gazlarda görülür.

Hata 2: Sıcaklığın gaz çözünürlüğünü artırdığını sanmak. Gazların çözünmesi ekzotermik olduğu için sıcaklık artışı onları çözeltiden uzaklaştırır.

Hata 3: Doymuş çözeltiye çözünen ekleyerek derişimi artırmaya çalışmak. Doygunluk sınırı aşılamaz; fazladan madde katı faz olarak kalır.

Hata 4: Ortak iyon eklenmesinin çözünürlüğü artırdığını düşünmek. Ortak iyon derişiminin artması dengeyi katı faza kaydırır ve çözünürlük azalır.

Günlük hayattan bir uygulama

Konuyu pekiştirmek için günlük hayattan bir uygulamaya bakmak gerekir. Aşağıdaki görev, Çözünürlüğe Etki Eden Faktörler (Sıcaklık, Basınç ve Madde Cinsi) bilgisini gerçek bir işin içinde kullandırmak için hazırlandı; çözerken hangi adımı nerede kullandığımızı not etmek faydalıdır.

Uygulama sorusu: Katı maddelerde sıcaklık artışı çözünürlüğü artırırken gazlarda azaltır. Bu farkın nedenini çözünme ısısı üzerinden açıklayınız.

Bu görev için 12 puan dağıtılmıştır; puanlama anahtarı, cevabın hangi adımlarla gösterilmesi gerektiğini ayrıntılı biçimde söyler. Puanlamada işlem sırasının ve sonuç cümlenin ayrı ayrı sayıldığına dikkat et.

Sınıfta işe yarayan pratik notlar

• Çözünürlük sorusunda önce maddelerin fiziksel hâlini belirleyin; sıcaklık ve basıncün etkisi hâle göre değişir.
• Gazların çözünürlüğünü etkileyen iki etkeni karıştırmamak için sıcaklığın azaltıcı, basıncın artırıcı etki yaptığını not etmek yeterlidir.
• Sayısal çözünürlük hesaplarında değerin 100 g çözücü için verilip verilmediğini kontrol edin; gerekiyorsa oran kurun.
• Ortak iyon etkisiyle ilgili sorularda eklenen maddenin hangi iyonu ortak taşıdığını bulmak, cevabı tek hamlede belirler.
• Kutupluluk farkı kadar molekül ağırlığının da gaz çözünürlüğünü etkilediğini hatırlamak, karşılaştırmalı sorularda işe yarar.

Adım adım çözülmüş örnekler

İki örnek üzerinde çalışacağız. İlk örnek kuralın temel kullanımını, ikinci örnek ise kuralın zorlayıcı bir durumunu gösterir. Adımları kendin yazmayı dene; ikinci adımda nerede durduğunu görmek, sınavda zaman kazanır.

Sıcaklığın katılara etkisi

Soru: Potasyum nitrat sulu çözeltisi 20 derecede hazırlanıp 60 dereceye kadar yavaşça ısıtılıyor. Bu süreçte gözlenen değişimi açıklayınız.

1. Potasyum nitratın çözünmesi endotermik olduğu için ısıtma çözünmeyi destekler.
2. Sıcaklık arttıkça kristal örgüsü zayıflar, iyonların çözeltiye geçmesi kolaylaşır.
3. Çözünürlük değeri yükseldiği için önce doygun olan çözelti doygunluğunu kaybeder.
4. Doygunluğu aşan fazladan madde çözeltiye geçer ve karışım yeniden doygun hâle gelir.

Cevap: Sıcaklık artışı potasyum nitratın çözünürlüğünü artırır ve çözelti yeniden doygun hâle gelir.

Bu örnekte adım sayısını not edin: kural her zaman aynı sayıda işlemle değil, kazanılması gereken bilgiye göre çözülür.

Gaz çözünürlüğünde sıcaklık etkisi

Soru: Soğuk suda hazırlanan karbonatlı içecek ısıtıldığında neden daha çok köpürür?

1. Karbonatlı içecek karbondioksit gazının suda çözünmesiyle hazırlanır.
2. Gazların çözünmesi ekzotermik olduğundan sıcaklık artışı çözünürlüğü azaltır.
3. Çözünürlük düşünce çözünmüş karbondioksit gaz hâline geçerek kabarcık oluşturur.
4. Basınç da kapalı şişe açıldığında düştüğü için gaz çıkışı daha da hızlanır.

Cevap: Sıcaklık artışı gazın çözünürlüğünü azaltarak karbondioksidin çözeltiden çıkmasına yol açar.

Kavram karşılaştırma tablosu

Bu derste geçen terimler birbirine yakın durur ve sınavda karıştırılır. Aşağıdaki tabloda her terimin anlamı ve sık karıştırılan karşılığı yan yana verilmiştir.

Kural, formül ve ölçü tablosu

Aşağıdaki tablo bu konudaki kuralları tek bakışta toplar. Karar verirken önce bu tabloya bakmak, kuralı hatırlamakta işe yarar.

Sık Yapılan Hatalar

Bu konudaki tipik hataları gözden geçirmek, tekrar hata yapmayı en hızlı azaltan yoldur. Her hatanın gerekçesi yazılmıştır.

• Basıncın her madde türünde çözünürlüğü artırdığını düşünmek: Basınç değişiminin belirgin etkisi yalnızca gazlar için geçerlidir; katı ve sıvılarda bu etki ölçülebilir düzeyde ihmal edilir.
• Sıcaklığın gaz çözünürlüğünü artırdığını sanmak: Gazların çözünmesi ekzotermik olduğu için sıcaklık artışı onları çözeltiden uzaklaştırır ve çözünürlük azalır.
• Doymuş çözeltiye çözünen ekleyerek derişimi artırmaya çalışmak: Doygunluk sınırı aşılamaz; eklenen fazladan madde katı ya da gaz fazında kalır.
• Ortak iyon eklemek çözünürlüğü artırır diye düşünmek: Ortak iyon derişimi arttığında denge katı ya da gaz fazına kayar ve çözünürlük azalır.
• Çözünme hızını artıran her etkeni çözünürlüğü de artıran etken sanmak: Kaba öğütme ve karıştırma yalnız hızı değiştirir; çözünürlük için madde cinsi ve sıcaklık belirleyicidir.

Bu dersten akılda kalması gerekenler

Kısaca: Çözünürlük; sıcaklık, basınç, madde cinsi ve ortak iyon derişimi gibi etkenlerle değişen bir denge büyüklüğüdür. Sıcaklık artışı katıların çözünürlüğünü genellikle artırır, gazlarınki azaltır; sıvılarda etki değişkendir. Basınç yalnızca gazların çözünürlüğünde belirgindir ve Henry yasası bu ilişkiyi tanımlar. Çözünürlük çözücünün cinsine bağlıdır; benzer benzeri çözer ilkesi ve molekül ağırlığı bu seçimi belirler. Ortak iyon eklenmesi çözünürlüğü azaltır. Doymuş bir çözeltiye aynı çözüneni eklemek doygunluğu bozma…

Derste gördüğümüz ana fikirler şunlar:

• Katı maddelerin çözünmesi çoğunlukla endotermik olduğu için sıcaklık artışı çözünürlüklerini genellikle artırır.
• Gazların çözünmesi ekzotermik olduğu için sıcaklık artışı gazların çözünürlüğünü azaltır, basınç artışı ise artırır.
• Basınç değişimi yalnızca gazların çözünürlüğünde belirgindir; katı ve sıvılarda bu etki ölçülebilir düzeyde ihmal edilir.
• Henry yasasına göre sabit sıcaklıkta gazın sıvıdaki çözünürlüğü, gazın kısmi basıncıyla doğru orantılıdır.
• Aynı kutupluluktaki gazlarda molekül ağırlığı arttıkça suda çözünürlük azalır; metan propandan daha iyi çözünür.
• Ortak iyon derişiminin artırılması, Le Châtelier ilkesine göre dengeyi katı ya da gaz fazına kaydırarak çözünürlüğü düşürür.
• Doymuş bir çözeltiye aynı çözünenden eklemek çözünürlüğü artırmaz; çözünürlük sınırını genişletmek için çözücü eklemek gerekir.

Kendini dene

Kendi kendine dene: çözümü sen yaz, sonra anahtarla karşılaştır. Doğru yaptığın soruların altını çizmek, sınav öncesi hızlı tekrar sağlar.

1. 20 derecede 100 g suda 20,7 g amonyum klorür çözünebilmektedir. Bu sıcaklıkta 300 g suya 70 g amonyum klorür eklendiğinde kaç gram katı hâlde kalır? (Şıklar: 6,2 g · 7,9 g · 9,7 g · 12,1 g)
2. Sıvıların çözünürlüğünün sıcaklığa bağımlılığı için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? (Şıklar: Belirgin biçimde artar · Belirgin biçimde azalır · Artı da azalabilir · Sıcaklıktan hiç etkilenmez)
3. Katı maddelerin bir sıvıdaki çözünürlüğü sıcaklık arttıkça genellikle nasıl değişir? (Şıklar: Azalır · Değişmez · Artar · Önce artar sonra azalır)

Cevap anahtarı: 1) 7,9 g — 300 g suda çözünebilen en fazla miktar, 100 g su için verilen değerin üç katıdır ve 62,1 g bulunur. Eklenen 70 g'ın fazlası çözünemediği için geriye 70 − 62,1 = 7,9 g katı madde kalır.

2) Sıcaklıktan hiç etkilenmez — Katı ve gazlarda genel eğilimler olsa da sıvılar için böyle bir kural yoktur. Kutupluluklarına ve moleküller arası etkileşim yapılarına göre sıcaklık artışı çözünürlüğü artırabilir, azaltabilir ya da…

3) Artar — Katı maddelerin çözünmesi çoğunlukla endotermiktir. Isıtıldığında kristal örgü zayıflar, taneciklerin örgüden kopması kolaylaşır ve dengede bulunan çözünen miktarı artar. Bu nedenle katıların çözünür…

İlgili konular

Bu konuyu öğrenmek şu başlıkları da kolaylaştırır. Aynı üniteden ve sonraki üniteden ikişer konu seçtik:

• Çözeltilerin Sınıflandırılması — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Derişim Birimleri (Molarite ve ppm) — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Koligatif Özellikler (Kaynama Noktası Yükselmesi ve Donma Noktası Düşmesi) — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Asit ve Baz Kavramları — sonraki ünitenin başlangıcı; konuyu genişletir.

Kaynak ve doğruluk notu

Bu konuda ölçü, birim ve kural iddiaları hesapla doğrulanmıştır. Çözünürlüğe Etki Eden Faktörler (Sıcaklık, Basınç ve Madde Cinsi) için kullanılan her kural, konunun kendi örneklerinde gösterilerek verilmiştir; anlatım kendi ifadelerimizle yeniden düzenlenmiştir.

Ayrıca derste şu açık uçlu görevler yer alıyor; her biri puanlıdır ve kendi cevabını yazmanı ister:

• Katı maddelerde sıcaklık artışı çözünürlüğü artırırken gazlarda azaltır. Bu farkın nedenini çözünme ısısı üzerinden açıklayınız. (12 puan)
• Doymuş bir sodyum klorür çözeltisine sodyum hidroklorit eklediğinizde neden yeni bir katı oluşumu beklenir? Açıklayınız. (12 puan)
• Şeker çözeltisi hazırladıktan sonra sıcaklık değişimi, ortamda su kaybı ve başka bir şeker eklenmesi durumlarında derişimin nasıl değişeceğini tahmin edip gerekçelendiriniz. (15 puan)