Çözeltiler: Çözünme Süreci ve Çözünmenin Tanecik Modelleriyle Açıklanması

Günlük hayatta karşılaştığımız maddelerin çok azı saf maddedir; çoğu iki ya da daha fazla maddenin karışımıdır. Karışımlar, bileşenlerin dağılma biçimine göre ikiye ayrılır: Bileşenleri gözle ya da mikroskopla ayırt edilebilen, her yerinde özellikleri aynı olmayan karışımlar heterojen; her noktasında aynı bileşime ve özelliğe sahip karışımlar homojen karışımlardır. Homojen karışımlara çözelti denir. Şekerli su, tuzlu su, kolonya, gazoz, hava ve pirinç (bakır-çinko alaşımı) birer çözeltidir. Zeytinyağı-su ya da kum-su karışımları ise heterojendir; bu karışımlarda bileşenler bir süre sonra katmanlar hâlinde ayrılır.

Bir çözeltide genellikle miktarı fazla olan ve diğer maddeyi içinde dağıtan bileşene çözücü, çözücü içinde dağılan bileşene çözünen denir. Şekerli suda su çözücü, şeker çözünendir. Çözücü ve çözünen katı, sıvı ya da gaz olabilir: Gazozda gaz (CO₂) sıvı içinde, havada gazlar (O₂, Ar) başka bir gaz (N₂) içinde, pirinçte ise bir katı (çinko) başka bir katı (bakır) içinde çözünmüştür. Doğada ve laboratuvarda en sık kullanılan çözücü su olduğundan, su ile hazırlanan çözeltilere özel olarak sulu çözelti denir ve bu çözeltilerdeki türlerin yanına (suda) ifadesi yazılır.

Bir maddenin başka bir madde içinde tanecikleri (atom, molekül ya da iyon) düzeyinde dağılarak homojen karışım oluşturmasına çözünme denir. Çözünmeyi bir katının küçük parçalara bölünmesi gibi düşünmek yanıltıcıdır; çünkü çözeltide çözünen maddenin gözle görülebilen parçacıkları kalmaz, tanecikler tek tek çözücü tanecikleri arasına dağılır. Bu yüzden çözeltiler ışığı saçmaz, süzgeç kâğıdından geçer ve bekletildiğinde çökme olmaz. Bu hafta tam olarak bu dağılmanın tanecikler düzeyinde nasıl gerçekleştiğini modelleyeceğiz.

Bir bardak suya bir çay kaşığı şeker atıp karıştırdığımızda şeker kristalleri bir süre sonra görünmez olur. Gözle yaptığımız bu gözlem bize ‘şeker kayboldu’ izlenimi verebilir; oysa suyun her yudumu tatlıdır ve bardak tartılırsa kütlenin şekerin kütlesi kadar arttığı görülür. Gözle göremediğimiz bu süreci anlamak için kimyacılar model kullanır. Model, doğrudan gözlenemeyen bir olayı açıklamak ve tahminde bulunmak için oluşturulan basitleştirilmiş temsildir. Çözünmeyi modellerken en kullanışlı araç tanecik modelidir: Her daire bir tanecik (molekül ya da iyon), her renk bir madde türü olarak gösterilir.

Basit bir tanecik modeli geliştirmek birkaç adımda yapılır. Önce gözlemler listelenir: Şeker görünmez olur, tat her yerde aynıdır, kütle korunur, süzüldüğünde şeker süzgeçte kalmaz. Ardından temsil kararları verilir: Su ve şeker tanecikleri farklı renk ve boyutta çizilir; katı şekerde tanecikler düzenli ve birbirine bitişik, sıvı suda ise birbirine yakın ama düzensiz gösterilir. Sonra çözünmeden önceki, çözünme sırasındaki ve çözünmeden sonraki durumlar üç ayrı çerçevede çizilir. Son olarak model gözlemlerle sınanır: Modeldeki her şeker taneciği hâlâ var mı? Tanecikler bardağın her yerine eşit dağılmış mı? Bu sorulara verilen cevap ‘evet’ ise model gözlemlerle uyumludur.

Öğrencilerin geliştirdiği ilk modellerde bazı tipik hatalar görülür. Kimi model şeker taneciklerini tamamen siler (kütle korunumuna aykırı), kimi şekeri dipte biriken küçük kristal parçaları olarak çizer (homojenliğe aykırı), kimi de şeker taneciklerinin ‘eriyip sıvı hâle geçtiğini’ gösterir (çözünmeyi erimeyle karıştırma). Ayrıca tuz için çizilen modellerde çoğu zaman NaCl birimleri sudaki molekül gibi bütün hâlde gösterilir. Bu hatalar, modelin kötü olduğunu değil geliştirilmesi gerektiğini gösterir. Bilim insanlarının modelleri de yeni kanıtlarla sürekli düzeltilmiştir; haftanın ilerleyen bölümlerinde basit modellerimizi bilimsel modelle bu şekilde karşılaştıracağız.

Bilimsel modele göre çözünmeyi anlamanın anahtarı tanecikler arası etkileşimlerdir. Katı bir şekerde şeker molekülleri birbirini hidrojen bağlarıyla tutar; sıvı suda da su molekülleri birbirine hidrojen bağlarıyla bağlıdır. Şeker suya atıldığında yüzeydeki şeker molekülleri ile su molekülleri arasında da çekim kuvvetleri oluşur. Çözünme, bu üç tür etkileşimin yarışıdır: çözünen-çözünen, çözücü-çözücü ve çözücü-çözünen etkileşimleri. Çözücü-çözünen etkileşimleri yeterince güçlüyse su molekülleri şeker moleküllerini kristalden koparıp aralarına alır.

Bilimsel model çözünmeyi düşünsel olarak üç adımda inceler. 1. adım: Çözünen tanecikleri arasındaki etkileşimler zayıflar ve kopar; tanecikler birbirinden ayrılır. Bu adım için enerji gerekir. 2. adım: Çözücü tanecikleri arasındaki etkileşimlerin bir kısmı kopar ve çözünen taneciklerinin yerleşeceği boşluklar açılır. Bu adım için de enerji gerekir. 3. adım: Çözücü tanecikleri çözünen taneciklerinin çevresini sarar ve yeni çözücü-çözünen etkileşimleri oluşur. Bu adımda enerji açığa çıkar. Çözücü taneciklerinin çözünen taneciklerini sarmasına çözünme (solvatasyon), çözücü su ise hidratasyon denir. Gerçekte bu adımlar ayrı ayrı değil, eş zamanlı ve kristalin yüzeyinden içe doğru ilerler.

Bu üç adımdaki enerji değişimlerinin toplamı çözünmenin ısı alan (endotermik) ya da ısı veren (ekzotermik) olduğunu belirler. Koparılan etkileşimler için harcanan enerji, oluşan etkileşimlerle açığa çıkan enerjiden büyükse çözelti soğur; amonyum nitratın (NH₄NO₃) suda çözünmesi böyledir ve anlık soğuk kompreslerde kullanılır. Açığa çıkan enerji daha büyükse çözelti ısınır; katı sodyum hidroksitin (NaOH) suda çözünmesi buna örnektir. Bu model, basit çizimlerimizde göremediğimiz bir şeyi de açıklar: Çözünme sırasında hissedilen sıcaklık değişimi, tanecikler arasındaki etkileşimlerin kopup yeniden oluşmasının bir kanıtıdır.

Sofra tuzu (NaCl) kristalinde molekül yoktur; kristal, düzenli biçimde dizilmiş sodyum (Na⁺) ve klorür (Cl⁻) iyonlarından oluşur ve bu iyonlar güçlü elektrostatik çekimle birbirine bağlıdır. Su ise polar bir moleküldür: Oksijen atomu kısmi negatif (δ⁻), hidrojen atomları kısmi pozitif (δ⁺) yük taşır. Tuz suya konduğunda kristalin yüzeyindeki Na⁺ iyonlarına su moleküllerinin oksijen uçları, Cl⁻ iyonlarına ise hidrojen uçları yönelir. Bu yönelimle oluşan çekime iyon-dipol etkileşimi denir.

Çok sayıda su molekülünün aynı anda çekmesiyle yüzeydeki iyonlar kristalden koparılır ve su moleküllerinden oluşan bir kılıfla sarılmış olarak çözeltinin içine dağılır. İyonların su molekülleriyle sarılmasına hidratasyon denir. Bu süreç bir denklemle şöyle gösterilir: NaCl(k) → Na⁺(suda) + Cl⁻(suda). Denklemdeki (suda) ifadesi, iyonun hidratlanmış hâlde bulunduğunu anlatır. Kristal tamamen çözünene kadar su molekülleri bir sonraki iyon katmanına ulaşır ve süreç yüzeyden içe doğru devam eder. Bir iyonik maddenin çözünürken iyonlarına ayrışmasına iyonik çözünme ya da ayrışarak çözünme denir.

İyonik çözünmenin en önemli kanıtı elektrik iletkenliğidir. Saf su elektrik akımını çok zayıf iletir, katı tuz ise hiç iletmez; çünkü katıda iyonlar yerinden ayrılamaz. Tuz suda çözündüğünde serbestçe hareket edebilen iyonlar oluştuğu için çözelti elektriği iletir. Suda çözündüğünde iyon oluşturup elektriği ileten maddelere elektrolit denir. Çözeltideki iyon sayısı, maddenin formülünden bulunur: 1 mol CaCl₂ çözündüğünde 1 mol Ca²⁺ ve 2 mol Cl⁻, yani toplam 3 mol iyon oluşur. Bu hesap, ilerleyen haftalarda çözeltilerin derişim ve koligatif özelliklerini incelerken de işimize yarayacak.

Şeker (sakaroz), etanol ve üre gibi maddeler suda çözünürken iyonlarına ayrışmaz; molekülleri bütün olarak su molekülleri arasına dağılır. Buna moleküler çözünme denir. Şeker molekülünde çok sayıda –OH grubu bulunur; bu gruplar su molekülleriyle hidrojen bağı kurar. Su-şeker hidrojen bağları, şeker molekülleri arasındaki ve su molekülleri arasındaki hidrojen bağlarıyla yarışabilecek güçte olduğu için şeker suda çok iyi çözünür. Çözeltide serbest iyon bulunmadığından şekerli su elektriği iletmez; şeker bu nedenle elektrolit olmayan bir maddedir. Denklemle C₁₂H₂₂O₁₁(k) → C₁₂H₂₂O₁₁(suda) şeklinde gösterilir.

Çözünürlüğü tahmin etmek için kullanılan pratik kural benzer benzeri çözer ilkesidir: Polar ve iyonik maddeler polar çözücülerde (su, etanol), apolar maddeler apolar çözücülerde (karbon tetraklorür CCl₄, hekzan, benzin) iyi çözünür. Örneğin apolar iyot (I₂) suda çok az çözünürken CCl₄ içinde kolayca çözünerek mor renkli bir çözelti oluşturur. Bu çözeltide baskın etkileşim zayıf London kuvvetleridir; ancak I₂-I₂ ve CCl₄-CCl₄ etkileşimleri de London türünde olduğu için koparılan ve oluşan etkileşimler birbirine benzer, karışma kolaylaşır. Zeytinyağı ise suda çözünmez: Su molekülleri birbirine hidrojen bağlarıyla sıkıca tutunur ve apolar yağ molekülleriyle kurabilecekleri zayıf etkileşimler bu bağları koparmaya yetmez.

Bazı moleküler maddeler suda çözünürken su molekülleriyle tepkimeye girerek iyon oluşturur. Hidrojen klorür (HCl) gazı moleküler bir maddedir; ancak suda çözündüğünde HCl(g) + H₂O(s) → H₃O⁺(suda) + Cl⁻(suda) şeklinde iyonlaşarak çözünür ve oluşan hidroklorik asit çözeltisi elektriği iletir. Bu örnek, bir maddenin moleküler olmasının çözeltisinin mutlaka iletken olmayacağı anlamına gelmediğini gösterir. Sonuç olarak çözünmeyi modellemek için yalnızca ‘tanecikler dağılır’ demek yetmez; taneciğin türü (iyon mu, molekül mü) ve etkileşimin türü (iyon-dipol, hidrojen bağı, dipol-dipol, London) birlikte düşünülmelidir.

Bir modeli bilimsel modelle karşılaştırırken üç soru sorulur: Model hangi gözlemleri açıklıyor? Hangi gözlemleri açıklayamıyor? Hangi yanlış tahminlere yol açıyor? Örneğin ‘şeker küçük parçalara bölünür’ modeli şekerin görünmez olmasını kısmen açıklar; ama çözeltinin homojen olmasını, süzgeçten geçmesini ve çözünmede ısınma ya da soğuma görülmesini açıklayamaz. Bilimsel model ise çözünmeyi etkileşimlerin kopup yeniden oluşması olarak ele aldığı için hem homojenliği hem enerji değişimini hem de iyonik çözeltilerin iletkenliğini açıklar. Bu karşılaştırma, kendi modelimizi geliştirmenin en etkili yoludur.

Bilimsel modelin desteklediği iki önemli sonuç vardır. Birincisi kütlenin korunumudur: 100 g suda 10 g tuz çözülürse 110 g çözelti oluşur; çünkü hiçbir tanecik yok olmaz. Su buharlaştırıldığında tuzun aynen geri elde edilmesi de çözünmenin genellikle bir fiziksel değişim olduğunu gösterir. İkincisi hacmin her zaman toplanmamasıdır: 50 mL su ile 50 mL etanol karıştırıldığında 100 mL değil, yaklaşık 96-97 mL çözelti elde edilir. Bunun nedeni, su ve etanol molekülleri arasında güçlü hidrojen bağları oluşması ve farklı büyüklükteki moleküllerin birbirinin arasına daha sıkı yerleşmesidir. Basit modellerde tanecikler genellikle eşit boyutlu ve aralarında sabit boşluklarla çizildiği için bu sonuç öngörülemez.

Hiçbir model gerçeğin kendisi değildir; bilimsel model de bir basitleştirmedir. Kâğıt üzerindeki çizimlerde tanecikler durgun görünür; gerçekte ise sürekli hareket eder ve çözünme, hareketli tanecikler arasında sürekli kopan ve oluşan etkileşimlerle gerçekleşir. Çizimlerde birkaç su molekülü kullanılır; gerçekte bir çay kaşığı şeker için trilyonlarca kat daha fazla su molekülü vardır. Model bu sınırlarına rağmen güçlü tahminler yapmamızı sağlar: Toz şekerin kesme şekerden daha hızlı çözüneceğini (yüzey alanı büyük olduğu için su molekülleri daha çok tanecikle aynı anda etkileşir), karıştırmanın ve ısıtmanın çözünmeyi hızlandıracağını (tanecikler daha hızlı karşılaşır) önceden söyleyebiliriz. Gözlemlerle uyumlu doğru tahminler yapabilmek, bir modelin bilimsel değerinin ölçüsüdür.