11. Sınıf Çözünürlük Dengesi ve Çözünürlük Çarpımı — Konu Anlatımı

Pamukkale'nin Beyaz Basamakları

Pamukkale'de yer altından çıkan sıcak su, içinde çözünmüş kalsiyum bikarbonat taşır. Su yamaçtan aşağı yayılıp havayla temas ettikçe içindeki karbondioksit kaçar ve şu tepkime sağa yürür:

$\mathrm{Ca(HCO_3)_2(suda)} \rightarrow \mathrm{CaCO_3(k)} + \mathrm{CO_2(g)} + \mathrm{H_2O(s)}$

Kalsiyum karbonat suda çok az çözünür; oluşur oluşmaz çöker ve binlerce yılda beyaz basamakları örer. Çaydanlığın dibindeki kireç de aynı tepkimenin küçük ölçeklisidir: su ısınınca $\mathrm{CO_2}$ kaçar, bikarbonat karbonata döner ve az çözünen katı yüzeye yapışır.

"Az çözünür" ne kadar az demek? Bunu ölçen sayıya çözünürlük çarpımı denir.

Doymuş Çözelti Bir Dengedir

Kapta çözünmemiş katı ile çözeltisi bir arada duruyor ve katının miktarı artık değişmiyorsa, çözünme hızı ile yeniden çökme hızı eşitlenmiştir. Dışarıdan bakınca her şey durmuş gibi görünür; ama katının bir kısmı işaretlenseydi, işaretli iyonların zamanla çözeltiye geçtiği görülürdü.

$\mathrm{AgCl(k)} \rightleftharpoons \mathrm{Ag^+(suda)} + \mathrm{Cl^-(suda)} \qquad K_{çç} = [\mathrm{Ag^+}][\mathrm{Cl^-}]$

Katı ifadeye yazılmaz; derişimi miktardan bağımsızdır. Çözünürlüğe $s$ (mol/L) dersek her iki iyonun derişimi $s$ olur ve $K_{çç} = s^2$. Çözünürlüğü $10^{-4}$ mol/L olan AB tipi bir tuzun çözünürlük çarpımı $10^{-8}$'dir.

Tuzun Tipi Hesabı Değiştirir

Kalsiyum florür üç iyona ayrışır:

$\mathrm{CaF_2(k)} \rightleftharpoons \mathrm{Ca^{2+}} + 2\mathrm{F^-} \qquad K_{çç} = s \cdot (2s)^2 = 4s^3$

$K_{çç} = 3{,}2 \times 10^{-11}$ ise $s^3 = 8 \times 10^{-12}$ ve $s = 2 \times 10^{-4}$ mol/L.

Gümüş klorür için $K_{çç} = 1{,}8 \times 10^{-10}$, buradan $s = \sqrt{1{,}8 \times 10^{-10}} \approx 1{,}34 \times 10^{-5}$ mol/L.

Sonuca bakın: $\mathrm{CaF_2}$'nin çarpımı daha küçük, ama çözünürlüğü yaklaşık 15 kat daha büyük. "Küçük $K_{çç}$, küçük çözünürlük" kuralı yalnız aynı tipteki tuzlar için geçerlidir. AB ile $\mathrm{AB_2}$'yi çarpımla karşılaştıran öğrenci ters sonuca varır.

Deneyden Sabite

Çözünürlük çarpımı tablodan ezberlenmez; ölçülür. 100 mL doymuş baryum sülfat çözeltisi buharlaştırılınca kapta 0,233 mg katı kalıyor. Baryum sülfatın mol kütlesi 233 g/mol:

$n = \dfrac{0{,}000233}{233} = 1 \times 10^{-6} \text{ mol} \qquad s = \dfrac{10^{-6}}{0{,}1} = 10^{-5} \text{ mol/L}$

$\mathrm{BaSO_4}$ AB tipi olduğu için $K_{çç} = s^2 = 10^{-10}$. Bu kadar az çözünmesi hastanede işe yarar: baryum iyonu zehirlidir, ama baryum sülfat bulamacı içilip mide ve bağırsak röntgeninde kullanılır. Çözünmediği için kana geçen baryum ihmal edilecek düzeydedir.

Çöker mi, Çökmez mi?

$2 \times 10^{-4}$ M gümüş nitrat ile $2 \times 10^{-4}$ M sodyum klorür eşit hacimde karıştırılıyor. Karışınca hacim iki katına çıktığı için her iyonun derişimi yarıya iner:

$Q = [\mathrm{Ag^+}][\mathrm{Cl^-}] = (1 \times 10^{-4})(1 \times 10^{-4}) = 10^{-8}$

$10^{-8}$, $1{,}8 \times 10^{-10}$'dan büyük: iyon çarpımı sınırı aşmış, fazlalık beyaz AgCl olarak çöker. $Q$ sınırın altında kalsaydı çözelti berrak kalırdı. Karıştırma sorusunda seyrelmeyi unutmak en sık düşülen tuzaktır.

Aynı mantık iki iyonu birbirinden ayırmaya da yarar. Bir çözeltide 0,01'er M klorür ve iyodür var, damla damla gümüş nitrat ekleniyor. AgI için $K_{çç} = 8{,}5 \times 10^{-17}$:

AgI'nin çökmesi için gereken $[\mathrm{Ag^+}] = \dfrac{8{,}5 \times 10^{-17}}{0{,}01} = 8{,}5 \times 10^{-15}$ M

AgCl'nin çökmesi için gereken $[\mathrm{Ag^+}] = \dfrac{1{,}8 \times 10^{-10}}{0{,}01} = 1{,}8 \times 10^{-8}$ M

Sarı AgI çok daha düşük gümüş derişiminde çökmeye başlar. İyodürün büyük kısmı çöktükten sonra beyaz AgCl görünür. Buna seçici çökelme denir.

Ortak İyon, Sıcaklık, Basınç, pH

Ortak iyon. AgCl saf su yerine 0,1 M NaCl çözeltisine atılırsa ortamda zaten klorür vardır:

$s \cdot 0{,}1 = 1{,}8 \times 10^{-10} \Rightarrow s = 1{,}8 \times 10^{-9} \text{ mol/L}$

Saf sudakinin yaklaşık 7.400'de biri. Çözünürlük düştü, çarpım aynı kaldı; o bir denge sabitidir ve yalnız sıcaklıkla değişir.

Sıcaklık. Çözünmesi endotermik olan katılarda sıcaklık çözünürlüğü artırır. Bazı kalsiyum tuzları, örneğin kalsiyum hidroksit, bu kurala uymaz ve ısınınca daha az çözünür.

Gazlar. Gazların sudaki çözünürlüğü sıcaklık arttıkça azalır, basınç arttıkça artar. Gazoz şişesi açılınca basınç düşer ve kabarcıklar çıkar; ılık gazoz soğuk olandan daha çabuk "gazını kaybeder".

pH. Tuzun anyonu asitle tepkimeye giriyorsa asit onu ortamdan çeker ve denge çözünme yönüne kayar. Kalsiyum karbonat saf suda çözünmez gibidir, sirkede köpürerek çözünür.

Mini soru: Böbrek taşı riski olan kişiye neden bol su içmesi söylenir? İyonlar seyrelir, iyon çarpımı $K_{çç}$'nin altında kalır ve kalsiyum oksalat çökmez.

Yanılgılar ve AYT İpucu

Sık yapılan hata 1: Çözünürlük ile çözünürlük çarpımını aynı sanmak. Biri miktardır (mol/L), öteki doymuş çözeltideki iyon derişimlerinin çarpımı olan bir sabittir.

Sık yapılan hata 2: Ortak iyonun sabiti değiştirdiğini düşünmek.

Sık yapılan hata 3: $\mathrm{AB_2}$ tipinde $K_{çç} = s^2$ yazmak. Katsayı hem çarpan hem üs olarak girer: $s \cdot (2s)^2$.

AYT ipucu: Grafik sıcaklık arttıkça yükselen bir çözünürlük eğrisi gösteriyorsa çözünme endotermiktir. Eğri düşüyorsa ya gazdır ya da çözünmesi ekzotermik olan bir katıdır. Çökelme sorusunda da sıra sabittir: seyrelmeyi hesapla, $Q$'yu bul, $K_{çç}$ ile karşılaştır.

Sık sorulanlar