Karışımlar ve Ayırma Yöntemleri

Saf madde ve karışım

Bir bardak saf suyun her damlası aynı \(\text{H}_2\text{O}\) moleküllerinden oluşur. Bu yüzden saf suyun bileşimi bellidir, sabit basınçta belirli bir sıcaklıkta kaynar ve donar. Tek tür tanecikten oluşan bu tür maddelere saf madde denir. Elementler (demir, oksijen gazı, helyum) ve bileşikler (su, sofra tuzu, karbon dioksit) saf maddedir. Bileşik ile karışım arasındaki fark önceki konulardan tanıdık: bileşikte elementler belirli bir kütle oranıyla kimyasal olarak bağlanır ve ancak kimyasal yolla ayrılır.

Birden fazla saf maddenin kendi özelliklerini kaybetmeden bir araya gelmesiyle karışım oluşur. Şekerli suda şeker tatlılığını, su akışkanlığını korur. Karışımın bileşimi değişkendir: bir bardak suya bir kaşık da, üç kaşık da şeker katılabilir. Karışımın bileşenleri fiziksel yollarla (süzme, buharlaştırma, damıtma, mıknatıs gibi) birbirinden ayrılabilir. Karışımların erime ve kaynama noktaları sabit değildir; tuzlu su kaynarken su azaldıkça çözelti derişikleşir ve kaynama sıcaklığı yavaş yavaş yükselir.

Homojen ve heterojen karışımlar

Karışımın her yerinde bileşim ve özellikler aynıysa karışım homojendir. Homojen karışımlara çözelti denir. Tuzlu su, şekerli su, kolonya (etil alkol ve su), gazoz (suda çözünmüş karbon dioksit), hava (azot, oksijen, argon ve diğer gazlar) ve pirinç (bakır-çinko alaşımı) birer çözeltidir. Çözeltide çoğunlukta olan ya da çözme işini yapan bileşene çözücü, içinde dağılan bileşene çözünen denir. Çözünen tanecikleri tek tek atom, molekül ya da iyon boyutundadır; çıplak gözle de mikroskopla da görülmez, beklemekle çökmez ve süzgeç kâğıdından geçer.

Karışımın farklı bölgelerinde bileşim farklıysa karışım heterojendir. Heterojen karışımlar, dağılan madde ile dağıtan ortamın hâline göre adlandırılır:

• Süspansiyon: Bir katının, içinde çözünmediği bir sıvıda dağılması. Çamurlu su, tebeşir tozu-su, Türk kahvesi. Beklendiğinde katı dibe çöker; bu yüzden süspansiyon hâlindeki ilaç şuruplarının üzerinde "kullanmadan önce çalkalayınız" yazar.
• Emülsiyon: Birbiri içinde çözünmeyen iki sıvının karışması. Zeytinyağı-su, süt, mayonez. Zeytinyağı ile su çalkalanınca bir süre karışık görünür, sonra iki katmana ayrılır. Mayonezde yumurta sarısındaki bazı maddeler yağ damlacıklarının birleşmesini önler ve karışım uzun süre ayrılmaz.
• Aerosol: Sıvı ya da katı taneciklerin bir gaz içinde dağılması. Sis ve bulut (havada su damlacıkları), duman (havada katı tanecikler), sprey deodorant.
• Kolloit: Dağılan taneciklerin boyutu yaklaşık 1 nm ile 1 μm arasında olan karışım. Tanecikler çözeltidekilerden büyük, süspansiyondakilerden küçüktür. Jöle, süt, sis ve boya birer kolloittir.

Kolloit sınıfının ölçütü tanecik boyutu, öbür üç sınıfın ölçütü ise maddelerin hâlidir. Bu yüzden bir karışım iki sınıfa birden girebilir: süt hem emülsiyon hem kolloit, sis hem aerosol hem kolloittir. Kolloitleri çözeltilerden ayırmanın kolay bir yolu, karanlık bir ortamda yandan ışık tutmaktır. Kolloit tanecikleri ışığı saçtığı için ışık demetinin yolu görünür (Tyndall etkisi). Sisli havada araba farlarının ışık konisi bu yüzden belirgin olur; şekerli sudan geçen ışığın yolu ise görünmez.

Çözünme tanecik düzeyinde nasıl olur?

Bir maddenin bir çözücüde çözünmesi için çözünen tanecikleri arasındaki çekimler zayıflamalı ve tanecikler çözücü molekülleriyle yeni etkileşimler kurmalıdır. Çözünen ile çözücü arasındaki yeni etkileşimler yeterince güçlüyse çözünme gerçekleşir.

İyonik çözünme: Sofra tuzu suya atıldığında kristalin yüzeyindeki iyonlar polar su molekülleri tarafından çekilir. Suyun kısmi negatif O ucu \(\text{Na}^+\) iyonlarına, kısmi pozitif H uçları \(\text{Cl}^-\) iyonlarına yönelir. İyonlar kristalden koparak su molekülleriyle sarılmış hâlde çözeltiye dağılır. Bir taneciğin su molekülleriyle sarılmasına hidratasyon denir; çözücü su değilse aynı olayın genel adı solvatasyondur.

Çözeltide serbestçe hareket eden iyonlar bulunduğu için tuzlu su elektrik akımını iletir. Suda iyonlarına ayrışarak çözünen ve çözeltisi elektriği ileten maddelere elektrolit denir.

Moleküler çözünme: Şeker (sakaroz) suda çözündüğünde moleküller parçalanmaz; şeker molekülleri bütün hâlde su molekülleri arasına dağılır. Şeker molekülleri ile su molekülleri arasında hidrojen bağları kurulur. Çözeltide iyon olmadığı için şekerli su elektrik akımını iletmez.

Benzer benzeri çözer. Polar maddeler ve iyonik bileşikler genellikle polar çözücülerde, apolar maddeler apolar çözücülerde iyi çözünür. Su ile etil alkol her oranda karışır, çünkü ikisi de polardır ve aralarında hidrojen bağı kurulur. Apolar iyot (\(\text{I}_2\)) suda çok az çözünür, apolar hekzanda ise kolayca çözünür. Yağ lekesi suyla çıkmaz ama benzin gibi apolar bir çözücüyle çıkarılabilir. Su ile zeytinyağının karışmaması da aynı ilkenin sonucudur: su molekülleri kendi aralarındaki hidrojen bağlarını apolar yağ molekülleriyle kuracakları zayıf etkileşimlere değişmez.

Çözünme hızı, çözünürlük ve doygunluk

Günlük hayatta iki farklı soru sıkça birbirine karıştırılır: "Şeker ne kadar çabuk çözünür?" ve "Suda en fazla ne kadar şeker çözünebilir?". Birincisi çözünme hızıyla, ikincisi çözünürlükle ilgilidir.

Çözünme hızını artıran etkenler şunlardır:

• Temas yüzeyi: Katı ne kadar küçük parçalara ayrılırsa çözücüyle temas eden yüzey o kadar büyür. Toz şeker küp şekerden hızlı çözünür.
• Karıştırma: Katının çevresindeki derişik çözelti uzaklaştırılır, katıya taze çözücü gelir.
• Sıcaklık: Taneciklerin hareketi hızlanır; katıların çoğu sıcak suda daha çabuk çözünür.

Temas yüzeyi ve karıştırma yalnızca hızı değiştirir; belirli sıcaklıkta suyun çözebileceği en fazla madde miktarını değiştirmez. Belirli bir sıcaklıkta 100 g çözücüde çözünebilen en fazla madde kütlesine o maddenin çözünürlüğü denir. Çözünürlüğü değiştiren etkenler sıcaklık, çözücünün ve çözünenin cinsi, gazlar için de basınçtır. Katıların çoğunun sudaki çözünürlüğü sıcaklıkla artar (\(\text{Ca(OH)}_2\) gibi az sayıda istisna vardır). Gazların sudaki çözünürlüğü ise sıcaklık arttıkça azalır, basınç arttıkça artar. Gazoz şişesi açılınca basınç düştüğü için karbon dioksit kabarcıklar hâlinde çıkar; ılık gazozun daha çabuk "gazının kaçması" da sıcaklığın etkisidir.

Bir çözeltinin içinde, o sıcaklıkta çözünebilecek en fazla madde çözünmüşse çözelti doymuştur; doymuş çözeltiye eklenen katı dipte kalır. Daha az madde çözünmüşse çözelti doymamıştır. Doymuş bir çözelti hiç sarsılmadan dikkatle soğutulursa bazen fazla madde çökmeden çözeltide kalabilir; bu kararsız çözeltiye aşırı doymuş çözelti denir. Aşırı doymuş çözeltiye küçük bir kristal atılınca fazla madde hızla kristallenir.

Çözünürlük eğrisini okumak kolaydır: 20 °C'de 100 g su yaklaşık 32 g \(\text{KNO}_3\) çözer, 60 °C'de ise 110 g. 60 °C'de 100 g su ve 110 g \(\text{KNO}_3\) ile hazırlanmış doymuş çözelti 20 °C'ye soğutulursa \(110 - 32 = 78\) g \(\text{KNO}_3\) kristallenir. Su kütlesi farklıysa sonuç orantıyla bulunur: 50 g su varsa çöken kütle bunun yarısıdır. Sofra tuzunun çözünürlüğü sıcaklıkla çok az değiştiği için tuzlu suyu soğutarak tuz elde edilemez; tuz, suyun buharlaştırılmasıyla elde edilir.

Derişim: kütlece yüzde, hacimce yüzde ve ppm

Çözeltideki çözünen miktarının çözelti miktarına oranına derişim denir. Çok çözünen içeren çözeltiye derişik, az çözünen içeren çözeltiye seyreltik çözelti denir. Ancak bu sözcükler karşılaştırma içindir; sayısal bir ölçü gerekir. TYT'de üç derişim birimi kullanılır.

Kütlece yüzde derişim, 100 g çözeltide kaç gram çözünen bulunduğunu söyler:

25 g şeker 100 g suda çözünürse çözelti 125 g olur ve kütlece \(\frac{25}{125} \cdot 100 = 20\) şeker içerir, yani %20'liktir. Paydaya yalnızca suyun kütlesini (100 g) yazıp %25 bulmak, bu konudaki en yaygın hatadır.

Hacimce yüzde derişim, sıvı-sıvı çözeltilerinde kullanılır ve 100 mL çözeltide kaç mL çözünen bulunduğunu söyler:

Kolonya şişelerindeki "80 derece" ifadesi, kolonyanın hacimce yaklaşık %80 etil alkol içerdiğini belirtir. 250 mL'lik bir şişe 80 derece kolonyada \(250 \cdot \frac{80}{100} = 200\) mL etil alkol vardır.

ppm (milyonda bir) çok seyreltik çözeltiler için kullanılır. Yüzde, çözünenin çözeltinin yüzde kaçı olduğunu söylerken ppm milyonda kaçı olduğunu söyler:

1 ppm, 1 kg (\(10^6\) mg) çözeltide 1 mg çözünen demektir. Seyreltik sulu çözeltilerin 1 litresi yaklaşık 1 kg geldiği için içme suyu analizlerinde ppm ile mg/L çoğu zaman aynı anlamda kullanılır. Suyun içindeki florür, nitrat ya da ağır metal iyonları gibi çok küçük miktarlar ppm ile verilir. Yüzde ile ppm arasındaki geçiş de kolaydır: %1, milyonda 10 000'dir; yani yüzde değeri \(10^4\) ile çarpılınca ppm bulunur.

Su ekleme, buharlaştırma ve iki çözeltiyi karıştırma

Su ekleme (seyreltme): 400 g %15'lik tuzlu suda \(400 \cdot 0{,}15 = 60\) g tuz vardır. Çözeltiye 200 g su eklenirse tuz yine 60 g'dır, çözelti 600 g olur ve derişim \(\frac{60}{600} \cdot 100 = 10\)'a düşer. Bu durum tek bir eşitlikle yazılır: \(m_1 \cdot \%_1 = m_2 \cdot \%_2\). Seyreltmede çözelti kütlesi kaç katına çıkarsa yüzde o kadar küçülür.

Buharlaştırma (derişikleştirme): Aynı eşitlik buharlaştırmada da geçerlidir; bu kez çözelti kütlesi azalır, yüzde artar. 60 g tuz içeren çözeltiyi %20'lik yapmak için çözelti kütlesi \(\frac{60}{0{,}20} = 300\) g olmalıdır; 400 g'dan 100 g su buharlaştırılır. Buharlaştırma sorularında dikkat edilecek nokta, çözünenin çözünürlük sınırını aşıp aşmadığıdır. Sınır aşılırsa fazla madde çöker ve çözelti doymuş kalır; derişim, doymuş çözeltinin derişiminden büyük olamaz.

İki çözeltiyi karıştırma: Aynı maddenin iki çözeltisi karıştırılınca çözünen kütleleri toplanır, çözelti kütleleri toplanır:

Son yüzde her zaman iki yüzdenin arasında kalır ve kütlesi büyük olan çözeltinin yüzdesine daha yakındır. Şekildeki örnekte %10 ile %26'nın basit ortalaması 18'dir; ama 250 g'lık çözelti daha ağır bastığı için sonuç 20 çıkar. Bu, mol konusundaki ortalama mol kütlesi hesabıyla aynı düşüncedir: kütlelerle ağırlıklı ortalama.

Çözeltilerin donma ve kaynama noktası

Bir sıvıda uçucu olmayan bir madde (tuz, şeker) çözündüğünde sıvının bazı özellikleri değişir. Çözünen tanecikler suyun buharlaşma eğilimini azaltır; bu yüzden aynı sıcaklıkta çözeltinin buhar basıncı saf suyunkinden düşüktür. Kaynama, buhar basıncının dış basınca eşitlendiği sıcaklıkta olduğu için çözeltinin kaynaması için daha yüksek sıcaklık gerekir: tuzlu su, aynı basınçta saf sudan daha yüksek sıcaklıkta kaynar (kaynama noktası yükselmesi). Çözünen tanecikler su moleküllerinin buz kristaline dizilmesini de zorlaştırır: tuzlu su, saf sudan daha düşük sıcaklıkta donar (donma noktası alçalması).

Bu değişimlerin büyüklüğü çözünenin türüne değil, çözünmüş tanecik sayısına bağlıdır; çözelti ne kadar derişikse donma noktası o kadar düşer, kaynama noktası o kadar yükselir. Deniz suyu yaklaşık −2 °C'de donar. Kışın buzlu yollara tuz serpilir: tuz, buzun yüzeyindeki ince su tabakasında çözünür, oluşan tuzlu su 0 °C'de donmaz ve buz erir. Araçların soğutma suyuna antifriz (etilen glikol) katılması da soğutma suyunun soğuk havada donmasını önler. Bu bölümde yalnızca değişimin yönünü bilmen yeterlidir; sayısal hesaplar AYT'de yapılır.

Ayırma yöntemleri: hangi özellik farkı?

Karışımın bileşenleri kimyasal olarak bağlı olmadığı için bileşenlerin farklı fiziksel özelliklerinden yararlanılarak ayrılır. Bir ayırma yöntemi seçerken sorulacak soru şudur: "Bu iki madde hangi özellikte belirgin biçimde farklı?" Her yöntem bir özellik farkına dayanır.

Süzme: Bir sıvıda çözünmeyen katı, süzgeç kâğıdı ile ayrılır. Kâğıdın gözeneklerinden su molekülleri ve çözünmüş iyonlar geçer, kum taneleri geçemez. Kâğıtta kalan katıya kalıntı, geçen sıvıya süzüntü denir. Tuzlu su süzülerek tuzundan ayrılamaz, çünkü çözünmüş iyonlar da gözeneklerden geçer.

Diyaliz: Yarı geçirgen bir zar, küçük tanecikleri geçirir, büyükleri tutar. Böbrekleri çalışmayan hastalara uygulanan hemodiyalizde kan, yarı geçirgen zarın bir yüzünden geçer; üre gibi küçük moleküller ve fazla iyonlar zardan geçerek temizleme sıvısına karışır, kan hücreleri ve büyük protein molekülleri kanda kalır.

Ayırma hunisi ve dekantasyon: Birbiri içinde çözünmeyen ve yoğunlukları farklı iki sıvı ayırma hunisine konur. Yoğunluğu büyük olan altta, küçük olan üstte toplanır. Musluk açılıp alttaki sıvı akıtılır, sınır muslukta görülünce musluk kapatılır. Zeytinyağı (yaklaşık 0,92 g/mL) suyun (yaklaşık 1,00 g/mL) üstünde kalır. Dekantasyon ise katı-sıvı karışımında katının dibe çökmesini bekleyip üstteki sıvıyı yavaşça başka bir kaba aktarmaktır.

Flotasyon (yüzdürme): İki katının karışımı, ikisini de çözmeyen ve yoğunluğu ikisinin arasında olan bir sıvıya konur. Yoğunluğu sıvıdan küçük olan katı yüzer, büyük olan batar. Talaş-kum karışımı suya konunca talaş yüzer. Madencilikte kullanılan köpüklü flotasyonda ayırma, tanelerin suyla ıslanma eğilimindeki farka dayanır.

Santrifüj: Karışım çok hızlı döndürülür; yoğunluğu büyük olan tanecikler dibe, küçük olanlar üste toplanır. Tahlil laboratuvarlarında kan, santrifüjle plazma ve kan hücreleri olarak ayrılır; süt endüstrisinde kaymağın ayrılmasında da santrifüj ilkesi kullanılır.

Damıtma: Kaynama noktası farkına dayanır. Basit damıtma ile tuzlu sudan saf su ya da kaynama noktaları arasında büyük fark olan iki sıvıdan, düşük kaynama noktalı olan elde edilir. Kaynama noktaları birbirine yakın sıvıların ayrılmasında ise buharın yükselirken defalarca yoğuşup yeniden buharlaştığı ayrımsal damıtma kullanılır. Rafinerilerde ham petrol ayrımsal damıtmayla benzin, mazot gibi kısımlara ayrılır. Hava önce sıvılaştırılır, sonra ayrımsal damıtılarak azot (kaynama noktası −196 °C) ve oksijen (−183 °C) elde edilir.

Kristallendirme: Çözünürlüğün sıcaklıkla değişmesine dayanır. Sıcakta doymuş bir çözelti soğutulunca fazla madde kristallenir. Çözünürlükleri sıcaklıkla farklı değişen iki tuz bu yolla ayrılabilir (ayrımsal kristallendirme): \(\text{KNO}_3\) ile az miktarda NaCl içeren sıcak bir çözelti soğutulduğunda çözünürlüğü hızla azalan \(\text{KNO}_3\) kristallenir, NaCl çözeltide kalır. Şeker fabrikalarında şeker pancarı şerbetinden şeker de kristallendirme ile elde edilir.

Buharlaştırma: Çözeltideki uçucu çözücü buharlaştırılır, uçucu olmayan katı geride kalır. Tuzlalarda deniz suyu güneş ve rüzgârla buharlaştırılarak tuz elde edilir. Buharlaştırmada çözücü havaya karışıp kaybolur; çözücü de istenirse damıtma yapılır.

Ekstraksiyon (özütleme): Bir karışımdaki maddelerden birinin, onu iyi çözen bir çözücüyle karışımdan alınmasıdır; çözünürlük farkına dayanır. Çay ve kahve demlemek, bitkilerden kokulu maddeler elde etmek birer ekstraksiyondur. Laboratuvarda iyotlu sudan iyot, suyla karışmayan hekzan eklenip çalkalanarak hekzan katmanına alınır, sonra iki katman ayırma hunisiyle ayrılır.

Mıknatısla ayırma: Demir, nikel ve kobalt gibi mıknatısın çektiği maddeler, çekilmeyen maddelerden mıknatısla ayrılır. Demir tozu-kükürt tozu karışımı ya da hurda metallerin ayıklanması buna örnektir.

Damıtma düzeneği

Damıtma, sınavlarda en çok şekilli sorulan ayırma yöntemidir. Düzenekte karışım bir damıtma balonunda ısıtılır. Kaynama noktası düşük olan bileşen önce buharlaşır, buhar yan borudan soğutucuya geçer. Soğutucu iç içe iki borudan oluşur: buhar içteki borudan geçer, dıştaki ceketten soğuk su akar. Buhar soğuyarak yoğuşur ve sıvı hâlinde toplama kabına damlar. Toplanan sıvıya destilat (damıtık) denir.

Düzenekte iki ayrıntı bilimsel olarak önemlidir. Birincisi, termometrenin haznesi sıvının içinde değil, yan borunun hizasındadır; çünkü ölçülmek istenen, soğutucuya giden buharın sıcaklığıdır. Bu sıcaklık sabit kaldığı sürece toplama kabına tek bir bileşen gelir; sıcaklık yükselmeye başlarsa kaynama noktası daha yüksek olan bileşen gelmeye başlamıştır. İkincisi, soğutma suyu soğutucuya alttaki uçtan girer, üstteki uçtan çıkar. Su alttan girince ceket tamamen dolar, içinde hava kabarcığı kalmaz ve en soğuk su, buharın soğutucudan çıkmak üzere olduğu uca gelir. Su üstten verilseydi yerçekimiyle hızla aşağı akıp ceketin üst kısmını boş bırakırdı. Ayrıca damıtma balonu ağzına kadar doldurulmaz ve ani, taşkın kaynamayı önlemek için içine kaynama taşı konur.

Su-etil alkol karışımı damıtıldığında toplama kabına önce kaynama noktası düşük olan alkolce zengin sıvı gelir. Tuzlu su damıtıldığında ise toplama kabına saf su gelir, tuz balonda kalır; bu yöntemle deniz suyundan içme suyu elde edilebilir.