Koligatif özellikler
Kışın yollara neden tuz atılır? Makarna suyuna tuz atınca su neden daha geç kaynar? Cevabın tamamı tek cümlede: çözeltinin bazı özellikleri, çözünenin ne olduğuna değil kaç tanecik verdiğine bağlıdır. Bu özelliklere koligatif özellikler denir.
Çözeltilerde çözünen maddenin (atom, iyon, molekül) sayısına ve derişimine bağlı olarak değişen özelliklere koligatif özellikler denir. Bir çözeltinin sadece içerisinde çözünen taneciklerin sayısına bağlı olan özellikleridir.
Düğmelerle dört özelliği gez. Canvas her birinde saf çözücü ile çözeltiyi yan yana koyuyor; ok hangi yöne kaydığını gösteriyor.
Sabit sıcaklıkta kapalı bir kapta sıvısı ile dengede olan buharın basıncına “denge buhar basıncı” denir.
Bir sıvının buhar basıncı, sıvı tanecikleri arasındaki çekim kuvvetlerine bağlıdır.
Saf suya eklediğimiz madde, sıvının buharlaşmasına engel olacak şekilde sıvı yüzeyinde bulunacağından çözeltinin buhar basıncı saf çözücünün buhar basıncından düşüktür. Çözünen maddenin derişimi arttıkça buhar basıncı düşer.
Kaydırağı çevirdikçe yüzeye oturan çözünen tanecik sayısı artıyor. Yukarı kaçabilen çözücü molekülü sayısı azalıyor, sağdaki buhar basıncı sütunu kısalıyor. Saf çözücünün basıncı kesikli çizgide duruyor — karşılaştırma için.
Buhar basıncı düşmesi; çözeltide kaynama noktası yükselmesi, donma noktası alçalması ve ozmoza sebep olur. Yani dört koligatif özellik birbirinden bağımsız dört olay değil, tek bir olayın dört sonucudur.
Raoult yasası, çözeltinin buhar basıncını çözücünün mol kesrine bağlar. Yasanın iki hâli vardır ve hangisinin kullanılacağını tek soru belirler: çözünen uçucu mu, değil mi?
Pçözelti = Xçözücü · P°çözücü
Çözünen buharlaşmadığı için buhara yalnız çözücü katkı verir. Mol kesri her zaman 1’den küçük olduğundan sonuç saf çözücünün basıncından küçük çıkar.
PA = XA · P°A
PB = XB · P°B
PT = PA + PB
İki bileşen de buharlaşabiliyorsa her biri kendi kısmi basıncını oluşturur; toplam buhar basıncı bu iki kısmi basıncın toplamıdır.
Bu, gaz karışımlarındaki kısmi basınç mantığının buhar basıncındaki karşılığıdır.
Üstteki iki düğme yasanın iki hâlini değiştiriyor. Kaydırak çözücünün mol kesrini (X) değiştiriyor. Solda sütunlar hangi bileşenin buhara ne kadar katkı verdiğini gösteriyor; sağda hesap satır satır yazılıyor.
Çözeltiler, Raoult yasasına uyup uymamalarına göre ideal çözeltiler (yasaya uyanlar) ve gerçek çözeltiler (uymayanlar) diye ikiye ayrılır. Ders kitabındaki şemada bu ayrımın örnekleri iki sütun hâlinde verilmiş; şema görsel olduğu için hangi örneğin hangi sütuna ait olduğu güvenilir biçimde okunamıyor, bu yüzden burada yalnız kesin olan verildi: yasanın iki hâli ve hangisinin ne zaman kullanıldığı.
Kaynama noktası, sıvının buhar basıncının dış basınca eşitlendiği sıcaklıktır. Uçucu olmayan katı çözücüde çözündüğünde oluşacak sıvının buhar basıncı düşeceğinden bu değeri atmosfer basıncına eşitlemek zorlaşır ve kaynama noktası yükselir.
ΔTk = Kk · m · Ts
Tk = ΔTk + T°k
Kk = 0,52 °C/m (molal kaynama noktası yükselmesi sabiti). ΔTk, suyun normal kaynama noktası olan 100 °C’a eklenir.
Çözeltinin donma noktası, saf çözücünün donma noktasından küçüktür. Saf bir sıvının içerisine herhangi bir madde çözündüğünde oluşan çözelti saf sıvıya göre daha düşük sıcaklıkta donar.
ΔTd = Kd · m · Ts
Kd = 1,86 °C/m. ΔTd, suyun normal donma noktası olan 0 °C sıcaklıktan çıkarılır. Kışın yollara tuz atılmasının sebebi budur.
Tanecik sayısı belirlenirken moleküler veya iyonik çözünme belirleyicidir. Aynı molalitedeki iki çözeltiden daha çok taneciğe ayrılan, kaynama noktasını daha çok yükseltir ve donma noktasını daha çok alçaltır.
C₆H₁₂O₆(k) → C₆H₁₂O₆(suda)
1 m → 1 m · Ts = 1 (moleküler çözünme)
NaCl(k) → Na⁺(suda) + Cl⁻(suda)
1 m → 1 m + 1 m = 2 m · Ts = 2
AlCl₃(k) → Al³⁺(suda) + 3Cl⁻(suda)
1 iyon + 3 iyon · Ts = 4
Solda saf su, sağda çözelti. Üstteki düğmeler çözüneni değiştiriyor (şeker Ts=1, NaCl Ts=2, AlCl₃ Ts=4); kaydırak molaliteyi değiştiriyor. Aynı molalitede yalnız çözüneni değiştirerek aralığın nasıl genişlediğine bak — sıvı hâlin kaldığı bant iki uçtan birden büyüyor.
Çözeltilerin sabit basınç altında belirli kaynama noktaları yoktur, kaynamaya başladığı sıcaklık vardır. Saf sıvı kaynarken sıcaklık sabit kalır; çözeltide ise su buharlaştıkça geride kalan çözelti derişikleşir, bu yüzden kaynama sıcaklığı yükselmeye devam eder. Sorularda “çözeltinin kaynama noktası” denildiğinde kastedilen, kaynamanın başladığı sıcaklıktır.
Derişim farklı iki çözelti arasında, çözücü taneciklerinin geçişine izin veren zar yardımı ile derişimi az olan çözeltiden derişik olan tarafa doğru çözücü geçişi olur. Derişik çözeltide sıvı seviyesinin yükselmesine sebep olan bu olaya ozmoz denir.
Ortadaki yarı geçirgen zardan yalnız su geçebiliyor (çözünen tanecikleri zarın önünde birikiyor). Kaydırak sağ taraftaki derişimi değiştiriyor; fark büyüdükçe akış hızlanıyor ve h yüksekliği artıyor. Kaydırağı tam ortaya getirdiğinde iki taraf izotonik olur ve net akış durur. “Ters ozmoz” düğmesi sağdan basınç uygulayıp akışı tersine çevirir.
Sıvı yüksekliği “h”nin oluşturduğu basınca “ozmotik basınç” denir. Ozmotik basınç, sıvı moleküllerinin geçişini durduran basınç olarak da tanımlanabilir.
Başka bir söylenişi: ozmoz sırasında saf çözücüden çözeltiye çözücü moleküllerinin akışını durdurmak için gereken basınçtır.
Su her zaman hipotonikten hipertoniğe geçer.
Yüksek basınçta “ters ozmoz” oluşur. Deniz suyunun arıtımında kullanılır. Doğal akışın tersine, derişik taraftan basınç uygulanarak saf su derişik çözeltiden dışarı zorlanır.
Su, ağacın yapraklarına ozmotik basınçla ulaşır. Hiçbir pompa olmadan onlarca metre yukarı çıkan suyun arkasındaki güç budur.
| Özellik | Saf çözücüye göre | Bağıntı | Günlük örnek |
|---|---|---|---|
| Buhar basıncı | Düşer | P = Xçözücü · P° | Tuzlu su daha yavaş buharlaşır |
| Kaynama noktası | Yükselir | ΔTk = 0,52 · m · Ts | Makarna suyu 100 °C’un üstünde kaynar |
| Donma noktası | Alçalır | ΔTd = 1,86 · m · Ts | Yola tuz, radyatöre antifriz |
| Ozmotik basınç | Oluşur | h yüksekliğinin basıncı | Ağaçta suyun yapraklara çıkması |
Dördünün de ortak yanı: çözünenin cinsi değil, verdiği tanecik sayısı belirleyicidir.
Okula giderken belediye araçlarının yola tuz attığını görürsün. Tuz karı eritmez; suyun donma noktasını 0 °C’un altına indirir, böylece o sıcaklıkta buz oluşamaz.
Suya tuz attığında su biraz daha yüksek sıcaklıkta kaynamaya başlar. Ama fark küçüktür: 1 molal tuzlu suda ΔTk = 0,52 · 1 · 2 ≈ 1 °C.
Evde dondurma yaparken buzun üzerine kaya tuzu dökülür. Tuz–buz karışımının sıcaklığı 0 °C’un çok altına iner; kabın içindeki karışım bu yüzden donabilir.
Spor içecekleri vücut sıvısına yakın derişimde hazırlanır. İzotoniğe yakın olduğu için su hızlı emilir; çok şekerli bir içecek hipertoniktir ve tersi olur.
Salatayı yemekten yarım saat önce tuzlarsan suyunu salar. Hücrenin dışı hipertonik olur, su ozmozla dışarı çıkar — salatalık pörsür.
Kulüpteki saksıya fazla gübre atmak bitkiyi kurutur: toprak çözeltisi hipertonik olunca su kökten toprağa geçer. Kök çürümesi değil, ozmoz.
Şeker ve tuz çok derişik olduğunda bakteri hücresinden suyu çeker. Reçelin ve turşunun uzun süre bozulmaması bu yüzdendir — koruyucu, ozmozun kendisidir.
Kışın radyatöre antifriz konulur. Aynı sıvı hem donmayı geciktirir hem kaynamayı geciktirir; koligatif özellikler iki yönde birden işe yarar.
Deniz kenarındaki tesislerde içme suyu ters ozmozla üretilir. Deniz suyuna yüksek basınç uygulanır, su zardan geçer, tuz geride kalır.
46 soruluk test · koligatif özelliklerin tanımı, buhar basıncı alçalması, Raoult yasasının iki hâli, kaynama noktası yükselmesi ve donma noktası alçalması hesapları, tanecik sayısı, ozmoz ve ozmotik basınç
Çözeltilerde çözünen maddenin (atom, iyon, molekül) sayısına ve derişimine bağlı olarak değişen özelliklere koligatif özellikler denir. Çözünenin cinsi değil, tanecik sayısı belirleyicidir.
Buhar basıncı alçalması, kaynama noktası yükselmesi, donma noktası alçalması ve ozmoz / ozmotik basınç. Buhar basıncı düşmesi diğer üçünün sebebidir.
Sabit sıcaklıkta kapalı kapta sıvısı ile dengede olan buharın basıncı denge buhar basıncıdır. Sıcaklıkla doğru; derişim ve moleküller arası çekim kuvveti ile ters orantılıdır. Sıvılar her sıcaklıkta buharlaşır. Aynı ortamda kaynayan farklı sıvıların buhar basınçları eşittir.
Uçucu olmayan çözünen varsa Pçözelti = Xçözücü · P°çözücü. Her iki bileşen de uçucu ise PA = XA·P°A, PB = XB·P°B, PT = PA + PB. Yasaya uyanlar ideal, uymayanlar gerçek çözeltidir.
Sıvının buhar basıncının dış basınca eşitlendiği sıcaklıktır. Uçucu olmayan katı çözününce buhar basıncı düşer, atmosfer basıncına eşitlemek zorlaşır, kaynama noktası yükselir. ΔTk = 0,52 · m · Ts ve Tk = ΔTk + 100 °C.
Çözelti saf çözücüden daha düşük sıcaklıkta donar. ΔTd = 1,86 · m · Ts ve bu değer 0 °C’tan çıkarılır. Yollara tuz, radyatöre antifriz konulması buna örnektir.
Moleküler mi iyonik mi çözündüğüne bakılır: şeker 1, NaCl 2, AlCl₃ 4. Aynı molalitede daha çok taneciğe ayrılan çözelti kaynama noktasını daha çok yükseltir, donma noktasını daha çok alçaltır.
Çözünen parçacıklarının geçemediği yarı geçirgen zardan çözücü moleküllerinin kendiliğinden geçmesidir. Çözücü seyreltikten derişiğe geçer; derişik tarafta sıvı seviyesi yükselir.
h yüksekliğinin oluşturduğu basınç; sıvı moleküllerinin geçişini durduran basınç. Yüksek basınçta ters ozmoz olur, deniz suyu arıtımında kullanılır. Su ağacın yapraklarına ozmotik basınçla ulaşır.
Derişimler eşitse izotonik; eşit değilse derişimi yüksek olan hipertonik, düşük olan hipotoniktir. Su her zaman hipotonikten hipertoniğe geçer.
Dış basınç, derişim ve moleküller arası çekim ile doğru; buhar basıncı ile ters orantılıdır.
Çözeltilerin sabit basınç altında belirli kaynama noktaları yoktur, kaynamaya başladığı sıcaklık vardır. Su buharlaştıkça çözelti derişikleşir ve kaynama sıcaklığı yükselmeye devam eder.