Kimya I · 10. Ünite: Çözeltiler ve Koligatif Özellikler
Buhar Basıncı Düşmesi (Raoult Yasası)
Kapalı bir kapta bir sıvı ile buharı arasında dinamik denge kurulur ve buharın uyguladığı basınç, sıvının buhar basıncıdır (vapor pressure). Uçucu olmayan bir madde çözüldüğünde bu basınç düşer; düşüşün büyüklüğü çözünenin cinsine değil, yalnızca mol kesrine bağlıdır. Bu konuda Raoult yasasını kimyasal potansiyel eşitliğinden türetecek, uçucu iki bileşenli karışımlara (Dalton yasasıyla birlikte) genişletecek, damıtmayı buhar bileşimiyle açıklayacak ve gerçek çözeltilerin Raoult yasasından pozitif ve negatif sapmalarını, azeotropları ve elektrolit çözünenlerde van't Hoff $i$ faktörünü inceleyeceksin.
Öğrenme hedefleri
- Saf bir sıvının buhar basıncını dinamik denge ve sıcaklık ilişkisi ($\ln P$–$1/T$, Clausius–Clapeyron) ile açıklar; iki sıcaklıktaki basınçlardan $\Delta H_{\text{buh}}$ değerini hesaplar.
- Raoult yasasını $P_A = X_A P_A^{\circ}$ biçiminde yazar, kimyasal potansiyel eşitliğinden türetir ve uçucu olmayan çözünen için $\Delta P = X_B P_A^{\circ}$ bağıntısını kullanır.
- Uçucu iki bileşenli ideal çözeltide kısmi ve toplam buhar basıncını, buhar fazı bileşimini ($y_A$) hesaplar ve damıtmanın neden uçucu bileşence zenginleşme verdiğini açıklar.
- Elektrolit çözünen için van't Hoff $i$ faktörünü kullanarak $X_{\text{çözücü}} = n_A/(n_A + i\,n_B)$ ile buhar basıncını hesaplar ve $i$'nin deneysel değerinin neden teorik değerden küçük olduğunu açıklar.
- Pozitif ve negatif sapmayı moleküller arası etkileşim, $\Delta H_{\text{karışma}}$, $\Delta V_{\text{karışma}}$ ve aktiflik katsayısı ($\gamma$) ile ilişkilendirir; azeotropun damıtmayı neden sınırladığını açıklar.
- Buhar basıncı düşmesinden çözünenin mol kütlesini ve çözünenin mol kesrini hesaplar; yöntemin duyarlılık sınırlarını yorumlar.
Konu anlatımı
1. Bağlam: Kapaksız Kap ve Tuzlu Su
2. Saf Sıvının Buhar Basıncı ve Sıcaklık
3. Raoult Yasası ve Türetilmesi
4. Uçucu İki Bileşenli Çözelti, Buhar Bileşimi ve Damıtma
5. Elektrolit Çözünenler: van't Hoff i Faktörü
6. İdeal Olmayan Çözeltiler: Raoult Yasasından Sapmalar
7. Çözümlü Örnekler: Çözünenin Mol Kütlesi
8. Simülasyona Köprü: Buhar Basıncı Eğrisini Kendin Çiz
9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları
Anahtar terimler
- Buhar basıncı (vapor pressure)
- Sıvı ile buharı dinamik dengedeyken buharın uyguladığı basınç; yalnızca madde ve sıcaklığa bağlıdır.
- Raoult yasası (Raoult's law)
- İdeal çözeltide bir bileşenin kısmi buhar basıncı $P_A = X_A P_A^{\circ}$'dır.
- Koligatif özellik (colligative property)
- Çözünenin cinsine değil, çözünen tanecik sayısına bağlı özellik (buhar basıncı düşmesi, $\Delta T_b$, $\Delta T_f$, $\pi$).
- İdeal çözelti (ideal solution)
- A–B etkileşimlerinin A–A ve B–B etkileşimleriyle aynı olduğu, $\Delta H_{\text{karış}} = 0$ ve $\Delta V_{\text{karış}} = 0$ olan çözelti.
- van't Hoff faktörü ($i$)
- Bir formül biriminin çözeltide oluşturduğu etkin tanecik sayısı; gerçek çözeltide ideal değerden küçüktür.
- Aktiflik katsayısı (activity coefficient)
- Raoult yasasından sapmayı ölçen çarpan: $P_A = \gamma_A X_A P_A^{\circ}$.
- Azeotrop (azeotrope)
- Kaynarken buharı sıvıyla aynı bileşimde olan karışım; damıtmayla ayrılamaz.
- Kesirli damıtma (fractional distillation)
- Uçuculuk farkından yararlanıp buhar–sıvı dengesini kademeli yineleyerek ayırma.
- Kimyasal potansiyel (chemical potential)
- Bir bileşenin birim mol başına serbest enerjisi; fazlar arası denge için eşit olmalıdır.
Örnek soru
$40\,°\text{C}$'de saf suyun buhar basıncı $55.3\,\text{mmHg}$'dir. Uçucu olmayan, iyonlaşmayan bir madde çözülerek çözünenin mol kesri $0.080$ olan bir çözelti hazırlanıyor. Buhar basıncındaki düşüş ($\Delta P$) kaç mmHg'dir?
- 50.9
- 59.7
- 55.3
- 0.080
- 4.4
Doğru cevap: E
Çözüm
1. Raoult yasası: $\Delta P = X_B P^{\circ}$ (çözünenin mol kesri).
2. $\Delta P = 0.080 \times 55.3 = \mathbf{4.4\,\text{mmHg}}$ (çözeltinin basıncı $55.3 - 4.4 = 50.9\,\text{mmHg}$).
$50.9$ çözeltinin kendi basıncıdır ($\Delta P$ değil), $59.7$ düşüşü eklemektir, $55.3$ hiç değişmediğini varsaymaktır.