(1) Karışımların Ayrılması
Karışımlar, heterojen ve homojen olmak üzere iki tip olabilir.
* Heterojen Karışımlar
Toprak, kaya, tahta gibi maddeler heterojen karışımdır. Bu maddelerde karışımı oluşturan türler, yapılarını; renk, sertlik gibi özelliklerini korur. Su ile zeytinyağı karışımı, demir tozu ile kükürt tozu karışımı, heterojendir. Bu tip karışımlarda maddenin her bölgesi aynı özellikleri göstermez. Heterojen karışımlar, karışanların değişik fiziksel özelliklerinden yararlanılarak ayrılabilir. Bazı heterojen karışımlarda karışanlar gözle değil, normal mikroskopla görülebilir.
*Homojen Karışımlar
Homojen karışım, tüm kısımlarında aynı özelliği gösteren karışım tipidir. Homojen karışımlara çözelti denir. Su ve şekerden oluşan karışım, bir homojen karışım ya da çözelti örneğidir. Su, oda koşullarında sıvı hâlde ve renksiz, şeker katı hâlde ve beyaz renklidir. Şekerli su ise görünüş bakımından suyu andırır; ama saf suya göre daha yoğun, tatlı bir maddedir.
C vitamini suda çözündüğünde kabarcıklar halinde karbon dioksit gazı açığa çıkar. Hem vitaminin katı kısmı, hem de karbon dioksit suda çözelti oluşturur.
Tüm gaz karışımları, örneğin temiz hava da homojen karışımdır. Bazı alaşımlar, örneğin bronz (bakır ve kalay karışımı), pirinç (bakır ve çinko karışımı), çelik (demir ve karbon karışımı) de homojen karışımdır.
Çözeltilerle heterojen karışımlar (süspansiyonlar) arasında yer alan sistemler (kolloidal çözeltiler) de vardır. Bunlarda tanecik boyutu önem taşır. Normal çözeltilerde tanecik (iyon ve molekül) 0.01 nm ile 1 nm arasında değişir (nanometre, metrenin milyarda biri demektir):
1 nanometre = 1´10-9 metre. Kolloitlerde tanecik boyutu 1nm ile 100 nm arasında değişir. Süspansiyon ve emülsiyonlarda ise tanecik boyutu 50 nm ve 100 nm dolayındadır.
Katı tanecikler bir gaz içinde dağılmışsa : duman
Sıvı tanecikler bir gaz içinde dağılmışsa : sis
Gaz tanecikler bir sıvı içinde dağılmışsa : köpük
Sıvı tanecikler bir sıvı içinde dağılmışsa : mayonez (su içinde yağ)
Katı tanecikler bir sıvı içinde dağılmışsa : Suda gümüş klorür, AgCl (k)
Sıvı ya da katı damlacıklar bir gaz içinde dağılmışsa : aerosol
Sıvı damlacıkları bir başka sıvı içinde dağılmışsa : emülsiyon
Katı parçacıkları sıvı içinde dağılmışsa : sol (süspansiyon) denir.
Çözeltiler ile süspansiyon ve emülsiyonlar arasındaki en önemli fark, çözeltilerde çözünmüş olan taneciklerin mikroskop ile görülememesi diğerlerinde ise görülmesidir. Süt, % 87 su içerir ve onun içinde emülsiyon, kolloit ve çözelti (iyonik ve moleküler) örneklerini bulabiliriz. Taze inek sütünün pH değeri 6.6 ile 6.7 arasında değişir (çok az asidik).
Şimdi karışımları, hangi yöntemlerle ayırabileceğimizi inceleyeceğiz.
(a) Elektriklenme ile Ayrılma
Elektriksel olaylar, günlük yaşantımızda sık sık karşımıza çıkar.
Yün kazağınızı üstünüzden çıkarırken saçlarınıza değince kıvılcımlar çıktığını gözlemişsinizdir. Tarağınız kuru iken saçlarınızı çeker. Yine tarağınızı saçınıza sürterek musluktan akan ince su akıntısına yaklaştırın (ama değdirmeyin). Suyun tarağa doğru büküldüğünü gözlediniz mi?. Yine bir balonu yün kazağınıza uzun süre sürterseniz balon duvara, tavana ya da bunzen mesnedine yapışır.
Bu gözlemler, bazı maddelerin elektriklenme (buna durgun elektrik denir) özelliğine sahip olduğunu gösterir. Bazı maddelerin elektriklenebilmesi, onları karışımlarından ayırmamızı sağlar. Cam çubuklar, mumlar, ipek ve yün eşyalarla da statik elektrik deneyleri yapılabilir. Aynı elektrik yüküne sahip nesneler birbirini iter; farklı yüktekiler birbirini çeker.
(b) Mıknatıs ile Ayırma
Pusulaların, dev bir mıknatıs olan Dünya’nın kuzey ve güney kutuplarını gösterdiğini bilirsiniz. Mıknatıs, bazı metalleri (demir, kobalt, nikel) çeker. Şeker, tuz, altın gibi maddeleri ise etkilemez. Şimdi bazı karışımların mıknatıslanma ile nasıl ayrıldığını görelim.
Karışımların mıknatıs ile ayrılması, madencilik ve kâğıt endüstrisinde önem taşır. Maden ocaklarından çıkarılan filizler, önce özel işlemlerle zenginleştirilir. Elde edilen filizler, öğütülür ve öğütme ürünleri tane iriliği, yoğunluk, mıknatısla çekilebilme gibi özelliklerine dayanarak ayrılır. Kâğıt endüstrisinde de, kullanılmış ve yeniden kâğıt hamuru hazırlamak için toplanmış kâğıtlar arasında bulunabilecek demir parçaları mıknatıs ile ayrılır. Magnetit adı verilen mineral, elektromıknatıslar tarafından çekilerek ayrılır.
(c) Yoğunluk Farkı ile Ayırma
Yoğunluk, birim hacimdeki maddenin kütlesidir ve aynı koşullardaki maddeler için ayırt edici bir özelliktir. Yoğunluk farkı, bazı sıvı-sıvı ve sıvı-katı karışımlarını ayırmada kullanılabilir. Zeytinyağının, benzinin, su ile karışmadığını ayrı bir sıvı tabakası oluşturarak su üzerinde kaldığını bilirsiniz. Bu sıvılar, yoğunluğu suyunkinden düşük sıvılardır. Böylesi heterojen karışımlar, ayırma hunileriyle ayrılabilir.
Yoğunluğu 1 g/mL’den düşük ve suda çözünmeyen katılar da su üzerinde yüzer. Örneğin bir tahta parçası, bir kamış ya da içi boş kapalı pet şişe suda yoğunlukları suyunkinden düşük olduğu için yüzer.
Tahta parçalarının, zeytinyağının su üzerinde yüzdüğünü, demir parçalarının dibe çöktüğünü gözlemişsinizdir. Bu olgular, yoğunluk farkına dayanır.
İki sıvıdan oluşan heterojen karışımlar da ayırma hunisi ile karışanlarına ayrılabilir.
(d) Süzme ile Ayırma
Katı ve sıvı maddelerden oluşan heterojen karışımlar, süzme ile ayrılır. Demlikteki çay yaprağı parçalarını süzgeçle ayırdığımız gibi, heterojen karışım bir huniye yerleştirilen süzgeç kâğıdı ile ayrılabilir. Süzgeç kâğıdı, sıvıyı geçirir, ama katı fazı geçirmez (2.10 Resim).
Homojen bir karışım (çözelti) olan deniz suyu süzme ile ayrılamaz. Bütün bileşenler süzgeç kâğıdından geçer. Çay poşetleri ve modern kahve yapıcılar bu şekilde işlev görür. Sigara filtreleri, gazlardaki katı tanecikleri tutar. (Yine de sigara sağlığa çok zararlı olmaya devam eder).
(e) Çözünürlük Farkı ile Ayırma
Karışımdaki maddelerden biri bir çözücüde çok çözünüyor diğeri çözünmüyorsa veya az çözünüyorsa bu karışımdaki maddeleri birbirinden kolayca ayırabiliriz. Toz şeker ve kükürt tozu karışımını ele alalım. Bu karışımı, beherdeki suya dökerek karıştırırsak, şekerin çözündüğünü kükürt tozlarının ise su üzerinde yüzdüğünü görürüz. Çözeltiyi huniden süzersek, kükürt tozları süzgeç kâğıdı üzerinde kalır, şeker süzüntüyle birlikte kalır ve sözgeç kâğıdından geçer.
Suların Temizlenmesi
Barajlardan, göllerden ve başka kaynaklardan elde edilen içme suları da süzme ile temizlenir. Toz, toprak, içeren sular, ince kum, kömür tozu, çakıl taşı tabakalarından geçirilerek süzülür.
Su, tüm ülkeler ve insanlar için temel bir gereksinim olduğu halde, dünyamızdaki su kirliliği hızla artmaktadır. Kirlenmiş suları arıtmak, tüm insanlığın önemli sorunlarından biridir. Çöktürme, süzme, havalandırma, tanecikleri büyütme ve sterilizasyon teknikleri tek ya da birlikte uygulanarak arı su başarı ile elde edilir. Günümüzde bu yöntemler kullanılarak deniz suyundan arı su elde etme teknikleri kullanılmaktadır.
Kaynak suları ve bazı artezyen kuyularından elde edilen su çeşme suyuna göre daha temizdir. Büyük şehirlerde içme suyu olarak ırmak, göl, baraj ve deniz suları kullanılır. Bu suları temizlemek için sırayla aşağıdaki işlemler yapılır.
1. Sıvılar, tel süzgeçlerden geçirilerek dinlendirme havuzuna alınır. Yabancı maddelerin bir kısmı bu havuzda çöker.
2. Su çöktürme havuzuna alınır; burada şap veya alüminyum sülfat eklenir. Aluminyum hidroksit sudaki tanecik ve mikropları çöktürür.
3. Su filtrelere gönderilir. Burada sırasıyla ince kum, kalın kum, çakıl taşı katmanlarından geçirilerek süzülür.
4. Süzülen sudaki mikropları öldürmek için klorlama ya da ozonlama yapılır.
Ayrımsal Kristallendirme
Katıların çözünürlüğünün sıcaklıkla farklı miktarda değişmesi, katıları saflaştırmada ve katı-katı karışımlarını ayırmada kullanılır.
Bir çözeltideki katıların çözünürlüklerinin sıcaklıkla değişmesinden yararlanılarak birbirinden ayrılması işlemine ayrımsal kristallendirme denir.
Örneğin yüksek sıcaklıkta potasyum nitrat (KNO3) ve lityum sülfat (Li2SO4) ile doygun bir çözelti hazırlandığını düşünelim. Sonra bu çözeltiyi soğumaya bırakalım. Çözünürlüğü sıcaklık arttıkça arttığı için potasyum nitrat kristallenerek ayrılır; lityum sülfat ise -çözünürlüğü sıcaklıkla azaldığı için- çözeltide kalır. Böylelikle iki katı çözünürlüğün sıcaklıkla değişmesinden yararlanılarak ayrılmış olur.
Karışımları çözünürlük farkından yararlanarak yapılan ayırma işlemi, maddeleri saflaştırmada sık kullanılan bir yöntemdir. Örneğin tuz yataklarındaki sofra tuzunu elde etmek için bu yöntem uygulanır. Sofra tuzu, suda çözündüğü için çözünmeyen başka tuzlardan ayrılır.
Faz Değiştirme Sıcaklıkları Farkı ile Ayırma
Erime ve kaynama noktalarının her arı madde için ayırt edici özellik olduğunu biliyoruz. Karışımları ayırmada maddelerin bu özelliklerinden de yararlanabiliriz.
Kum-su karışımında kum suda çözünmediği için onu süzme ile kolayca ayırabiliriz. Suda çözünmeyen ya da su içinde çökmüş olan katıları süzme ile ayırabiliriz. Peki tuzlu sudan tuzu nasıl ayırabiliriz? Bunun bir yolu, tuzlu suyu ağzı açık beherde kaynatmak ve suyu buharlaştırmaktır. Diğer bir yol da çözeltiyi buz – su karışımında soğutmak ve tuzu çöktürmek olabilir. Ama bu ikinci yol, tam bir ayrılma sağlamaz; çünkü 00C’de da bir miktar tuz, suda çözünmüş olarak kalır. Ayrıca soğutma ile çöktürme işlemi, sudaki çözünürlüğü sıcaklık arttıkça artan maddeler için uygundur. 2.7 Deneyle tuzlu sudan tuzun nasıl ayrıldığını inceleyeceğiz.
(f) Ayrımsal Damıtma
Uçucu olmayan bir maddenin çözeltisi basit damıtma işlemiyle karışanlarına ayrılabilir.
İki ya da daha çok sıvıdan oluşan çözeltileri bileşenlerine ayırma yöntemlerinden biri de ayrımsal damıtma yöntemidir. Bu işlemde sıvı-sıvı karışımından oluşan çözelti ısıtılır; daha uçucu (kaynama noktası düşük) olan sıvı önce buharlaşır. Buhar, soğutucudan geçirilerek yoğunlaştırılır. Ayrımsal damıtma işlemi, çözeltiyi oluşturan sıvıların kaynama noktaları arasındaki fark ne kadar büyükse o derece verimli bir ayırma sağlar. Sıvıların kaynama noktaları birbirine yakınsa özel ayrımsal damıtma kolonlarıyla (fraksiyon başlığı denen ek bir aygıtla) ayrılabilir. Hastanelerde ve endüstride kullanılan oksijen tüplerindeki oksijen sıvı havadan elde edilir.
Ham petrolün ayrımsal damıtmasıyla doğal gaz ve başka yakıtlar, ilâç, plâstik, boya endüstrisinin temeli olan birçok madde elde edilir.
Sıvıları kaynatarak buharlaştırma ve oluşan bu buharı soğutarak yoğunlaştırma işlemine damıtma denir.
Damıtma yöntemi, bir sıvıda katının çözünmesiyle oluşan çözeltideki sıvıyı veya iki ya da daha çok sıvıdan oluşmuş çözeltileri ayırmada kullanılır. Yöntem, farklı maddelerin uçuculuklarının (kaynama noktalarının) farklı olmasına dayanır. Örneğin deniz suyundaki su ve katılar bu yöntemle ayrılabilir. Katı maddeler uçucu değildir. Deniz suyu ısıtılınca su buharlaşır, katılar ısıtılan kabın dibinde kristallenir.
Bildiğiniz gibi, yaşamamız için vazgeçilemez olan hava, başlıca azot ve oksijen gazlarından oluşan bir karışımdır. Oksijenin yoğunlaşma sıcaklığı (aynı zamanda sıvı oksijenin kaynama sıcaklığı) -183ºC; azotunki ise -196ºC’dir. Endüstride hava, çok yüksek basınç altında sıvılaştırılır ve bu ‘sıvı hava’, ayrımsal damıtmayla karışanlarına ayrılır. Petrol de çeşitli sıvılar içeren bir karışımdır ve ayrımsal damıtmayla karışanlarına ayrılır.
(2) Bileşiklerin Ayrılması/Ayrıştırılması
Karışımların nasıl ayrıldığını inceledik. Karışımların ayrılmasında kullanılan yöntemler, fiziksel yöntemlerdir. Çünkü karışımların çoğu, maddelerin bileşimi değişmeksizin oluşur ve bunun sonucunda kolayca ayrılabilir. Örneğin su-tuz ya da su-şeker karışımında maddeler kimyasal değişime uğramamıştır; taneciklerin (iyonların ya da moleküllerin) aralarındaki uzaklık artmıştır.
Bileşiklerin ayrışmasında durum farklıdır çünkü bileşikerin oluşması da ayrışması da kimyasal değişim sonucu oluşmuştur. Bunun için bileşikleri ayırma yöntemleri, kimyasal yöntem olarak nitelenir.
Bileşikler, genel olarak elektrik enerjisi, ısı enerjisi ve ışık enerjisi ile ayrışabilir. Isı enerjisi alarak gerçekleşen bu tür tepkimelere endotermik tepkimeler denir.
(a) Isı Enerjisi ile Ayrışma
Isı enerjisi, bazı bileşikleri ayrıştırarak kimyasal değişime neden olur. Örneğin mermerde, tebeşirde bulunan ve kireç taşı olarak bilinen kalsiyum karbonat ısıtılınca karbon dioksit gazı açığa çıkar; kalan beyaz madde ise sönmemiş kireç diye bilinen kalsiyum oksittir.
Benzer şekilde sodyum klorat, potasyum klorat, cıva (II) oksit gibi bileşikler ısı enerjisiyle ayrışır.
Bundan önceki açıklamalarımızda ve deneylerimizde bileşiklerin ısı ve elektrik enerjisiyle ayrıştırılabileceğini gördük. Her bileşik için ayrıştırma tekniği belirlenirken uygulanabilir, en ekonomik ve kısa zamanda sonuç veren bir yol seçilir. Bileşiklerin ayrışmasında bir ya da daha çok elementin elde edilmesi amaçlanır. Örneğin kırmızı renkli cıva (II) oksit, ısıyla kolayca ayrışırken bakır (II) oksit kolay ayrışmaz. Ancak bakır (II) oksit, odun kömürü tozu ile karıştırılarak ısıtılırsa bakır elde edilebilir:
2HgO (k) 
2Hg(s) + O2(g)
(b) Elektrik Enerjisi ile Ayrışma (Elektroliz)
Isı enerjisi ile ayrıştırma, bazı bileşikler için uygun değildir. Çünkü bileşikleri ayrıştırmak için çok yüksek sıcaklıklar gerekir. Bu da ekonomik ve teknik sorunlar doğurur. Örneğin sodyum klorür (NaCl), 1413ºC’ta kaynar ve ayrışmaz. Su, ısıtmayla, 1000ºC’ta bile elementlerine ayrışmaz. Oysa su, oda koşullarında elektrolizle elementlerine ayrıştırılabilir. İki ya da daha çok elementin kimyasal tepkimesi sonucu oluşmuş saf maddelere bileşik denir. Sodyum nitrat (NaNO3) sakkaroz (C12H22O11) gibi… Bir bileşiğin elektrik enerjisi ile bileşenlerine ayrıştırılmasına elektroliz denir. Elementlerin bir çoğu, erimiş tuzlarının ya da tuzlarının sulu çözeltilerinin elektroliziyle elde edilir.
Sodyum klorat (Na2ClO3) saf bir maddedir. Onu ısıttığımızda oluşan sodyum klorür (NaCl) ve oksijen (O2) de saf maddelerdir. Ancak sodyum klorür elektrolizle sodyum (Na) ve klora (Cl2) ayrışabilir. Sodyum (Na), klor (Cl2) ve oksijen (O2) ise daha basit maddelere ayrıştırılamaz. Kimyasal ve fiziksel yollarla farklı bileşenlerine ayrıştırılamayan saf maddelere element denir.
Suyu elektroliz etmekle, onu elementlerine (hidrojen ve oksijen) ayırmış olduk. Elementler, elektrolizle, ısı enerjisiyle farklı özellikteki daha basit maddelere ayrışamaz; ama bileşikler elementlerine ayrıştırılabilir. Bileşiklerin özellikleri, kendini oluşturan elementlerinkinden farklıdır (1.5 Tablo).
1.5 TABLO Su ile Hidrojen ve Oksijen Gazlarının Bazı Özellikleri
Elektroliz işlemi, bileşikleri ayrıştırmak için lâboratuvarlarda ve endüstride yaygın olarak kullanılan bir kimyasal işlemdir. Örneğin sodyum, klor gazı, alüminyum, bakır, gümüş gibi elementler elektrolizle elde edilir. Elektrolizde şehir aydınlatmasında ve sanayide kullanılan alternatif akım değil, doğru akım (pil veya akü) kullanılır.
Elektrolizle elde edilen maddelerin saflık oranı çok yüksektir.
Sodyum kloratın ısı enerjisiyle, suyun elektrolizle ayrıştırılması deneylerinde de görüldüğü gibi bileşiklerin niteliği değişmiş, başka niteliklerde maddeler oluşmuştur. Bu değişmeler, kimyasal değişmelerdir.
Buzun erimesi, suyun kaynaması veya donması olaylarında ise maddenin iç yapısı (cinsi) değişmemiş, yalnızca maddenin hâli değişmiştir. Bu değişmeler, fiziksel değişmelerdir.
Yorum Ekle