AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE (iyonik türlerin dengeye etkisi) Prof. Dr. Mustafa DEMİR M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 1 { { { M.DEMİR Denge sabitinin tanımında tanecikler arası çekim kuvvetinin olmadığı (ideal çözelti) kabul edilmiştir. Kuvvetlerin ihmal edilebilecek derecede küçük olduğu çözelti veya gazların, ideal çözelti veya gaz gibi davrandığı kabul edilir. Çözeltiler yeterince seyreltik ise, ideal çözelti bibi davranır ve ideal seyreltik çözelti denir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 2 { { { M.DEMİR Gerçek çözeltilerde; derişimin değişmesi ile tanecikler arasındaki uzaklık ve buna bağlı olarak da tanecikler arasındaki kuvvetler değişir. Bu durumda gerçek çözeltilerde “derişim” yerine “etkin derişim” yani “aktiflik” alınır. Aktiflik; ideal olmayan hallerde maddenin içinde bulunduğu hali tanımlamak için derişim yerine kullanılır. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 3 { Tanecikler arası çekimin bulunmadığı ideal çözeltilerde “n” mol madde C1 derişimli “1” halinden C2 derişimli “2” haline gelmesi sırasındaki serbest enerji değişimi, termodinamiğe göre C2 ∆G = G 2 − G 1 = nRT ln C1 şeklinde ifade edilir. Bu bağıntıda C yerine M, m, X alınabilir. M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 4 { Gazlar için P1 basınçlı halden P2 basınçlı hal için) P2 ∆G = G 2 − G 1 = nRT ln P1 { { M.DEMİR şeklinde yazılır. Gerçek çözeltilerde ise tanecikler arası çekim kuvvetinin varlığı nedeniyle bu bağıntılar geçerli değildir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 5 { { P, C, M, m, X ile gösterilen birimler yerine “a” ile gösterilen ve “aktiflik” adı verilen yeni bir büyüklük kullanılır. Buna göre “1” halinden “2” haline geçişteki serbest enerji değişimi a2 ∆G = G 2 − G 1 = nRT ln a1 { { M.DEMİR ile verilir. Buradaki aktiflik (a), P, M, m, X cinsinden alınabilir. Atmosfer cinsinden olan aktifliğe FUGASİTE denir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 6 { { Yukarıdaki son eşitlik mutlak aktifliği değil aktiflik oranını vermektedir. Eğer hallerden biri standart hal (aktifliğin “1” e eşit olduğu hal) olarak alınırsa, öteki halin standart hale göre aktifliği bulunabilir. Örneğin a1 = 1 için ∆G = G − G o = nRT ln a { M.DEMİR elde edilir. Burada Go, standart haldeki serbest enerjiyi verir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 7 { { { Derişim ile aktiflik arasındaki bağıntı a f= c ile ifade edilen aktiflik katsayısı ile tanımlanır. İdeal hale yaklaştıkça aktiflik katsayısı “1” e yaklaşır. İdeal halde f=1 ‘dir. Elektrolit olmayan çözeltilerde f=1 alınır. Elektrolit çözeltilerinde aktiflik katsayısının hesabında log f = kµ { M.DEMİR bağıntısı kullanılır. Buradaki µ iyon şiddetini, k ise maddeye bağlı sabiti verir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 8 { İyon şiddetinin hesabında 1 µ = ∑ X i 2 Ci 2 { { M.DEMİR bağıntısı kullanılır. Burada Zi iyon yükünü, Ci ise iyonun derişimini tanımlar. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 9 Aktivite ve kimyasal denge { { Bundan önceki konularda denge sabiti ifadesini aşağıdaki şekilde ifade edilmişti. Oysa bu ifade, her koşul için tam olarak doğru değildir, ancak çok seyreltik çözeltiler için doğru olabilir. Doğrusu; denge sabiti ifadesinde molar derişim yerine iyonların aktifliklerinin dikkate alınmasıdır. aA + bB ⇔ cC + dD c d [ C ] [D ] K= [A]a [B]b a C x a D [C]f C x [D]f D K= = a A x a B [A]f A x [B]f B M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 10 İyonik Güç { İyonik türlerin bulunduğu ortamlarda denge, ortamda bulunan öteki iyonlardan etkilenir. Böyle bir durumda ortamdaki iyonların toplam derişimlerinin en doğru hesabı iyonik gücü dikkate alanıdır. İyonik güç, µ= { M.DEMİR 1 2 ΣC i Z i 2 şeklinde ifade edilir.Burada Ci , i türünün derişimi, Zi ise bu türün yüküdür. ∑ ise çözeltideki bütün türlerin toplamı anlamındadır. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 11 ÖRNEK 1: a) 0,1M NaNO3 b) 0,1M Na2SO4 c) 0,02 M KBr + 0,03 M ZnSO4 çözeltilerinin iyonik güçlerini hesaplayınız. M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 12 ÖRNEK 1: a) 0,1M NaNO3 b) 0,1M Na2SO4 c) 0,02 M KBr + 0,03 M ZnSO4 çözeltilerinin iyonik güçlerini hesaplayınız. a)µ = 1 2 [CNa (1)2 + C NO3 (-1)2 ] µ = 1 2 [(0,1)x1+ (0,1)x1] = 0,1 M b) µ = 1 2 [CNa (1)2 + CSO4 (-2)2 ] µ = 1 2 [(0,2)(1)2 + (0,1)(-2)2 ] = 0,3 M c) µ = 1 2 [CK (1)2 + CBr (-1)2 + CNa (2)2 + CSO4 (-2)2 ] µ = 1 2 [(0,02)(1)+ (0,02)(1)+ (0,03)(4)+ (0,03)(4)] = 0,14 M M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 13 Örnek 2: Aşağıdaki çözeltilerin iyonik güçlerini hesaplayınız. a) 0,02 M KBr b) 0,02 M Cs2CrO4 c) 0,02 M MgCl2+0,03 M AlCl3 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 14 Örnek 2: Aşağıdaki çözeltilerin iyonik güçlerini hesaplayınız. a) 0,02 M KBr b) 0,02 M Cs2CrO4 c) 0,02 M MgCl2+0,03 M AlCl3 a) µ = ½ [ C K (Z K )2 + C Br ( Z Br ) 2 ] µ = ½ [ (0,02 x1 + 0,02 x1] = 0,02 M b) µ = ½ [ C Cs (Z Cs ) 2 + C CrO 4 ( Z CrO 4 ) 2 ] µ = ½ [ (0,02x2)x1 + (0,02) x (-2) 2 ] = 0,06 M c)µ = ½[C Mg (Z Mg ) 2 + C Cl (Z Cl ) 2 + C Al (Z Al ) 2 ] µ = ½[0,02) x (2) 2 + (0,02 x 2 + 0,03 x 3) (-1) 2 + (0,03)(3) 2 ] µ = 0,24 M M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 15 İyonik güç { { M.DEMİR Hem katyon hem de anyonun değerliği 1 olan elektrolitlere 1:1 türü elektrolitler denir. Örneğin NaNO3 1:1 türü elektrolittir. 1:1 türü elektrolitlerde iyonik güç molariteye eşittir. Bunun dışındaki bütün durumlarda , 2:1, 2:2, vd iyonik güç daima molariteden büyüktür. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 16 İnert tuz { { { { { M.DEMİR Herhangi bir tuzun saf sudaki çözünürlüğü inert tuz içeren bir ortamdakinden daha azdır. Başka bir deyişle az çözünen tuzun çözünürlüğü inert bir tuz ilavesiyle artar. İNERT TUZ: İyonları ilgilenilen bileşik ile tepkime vermeyen tuzdur. Bunun nedeni, her anyon ve katyon etrafında karşı yüklü iyonlardan oluşan bir iyonik atmosferin oluşmasıdır. İyonik atmosfer, çözeltideki iyonlar arası çekimin azalmasına neden olur. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 17 { { { M.DEMİR Bir çözeltinin iyonik şiddeti ne kadar büyükse, iyonik atmosferdeki yük o kadar yüksek demektir. Bu, herbir iyon ve atmosferinin daha düşük yüklü olması anlamına gelir. Bu da anyon ve katyonlar arası çekimin daha az olması demektir. Dolayısıyla iyonik şiddet arttıkça, az çözünen tuzun katyonu ve anyonu arasındaki çekimin saf sudakine göre azalmasını, yani bir araya gelme eğiliminin azalması, yani çözünürlüğün artması sonucunu doğurur. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 18 { { { M.DEMİR Özet olarak söylemek gerekirse, iyonik şiddetin artması iyonların ayrışmasını kolaylaştırır. Çözünürlük dengesinde dengenin sağa doğru kaymasına neden olur. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 19 Tuzların Çözünürlüğüne İyonik Gücün Etkisi { { { { { M.DEMİR Hg2(IO3)2 ın sudaki doygun çözeltisini düşünelim. Bu çözeltideki Hg22+ iyonlarının derişimi, çözünürlük çarpımı ifadesinden 6,9x10-7 mol/L olarak hesaplanır. Gerçekten sulu çözeltide ölçülen Hg22+ derişimi bu kadardır. Ancak bu çözeltiye KNO3 eklendiğinde ölçülen derişim farklıdır. Oysa ne K+ ne de NO3--, ne Hg22+ ile ne de IO3- ile tepkime vermektedir. Eğer 0,05 M KNO3, doygun Hg2(IO3)2 çözeltisine eklenecek olursa, daha fazla katının çözündüğü, Hg22+ derişiminin yaklaşık %50 arttığı (6,9x10-7M dan 1,0x10-6M a) görülecektir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 20 Aktiflik Katsayısı { Yalnız iyonların molar derişimlerini dikkate alan c d [ C ] [D ] K= [A]a [B]b şeklindeki denge sabiti ifadesinde, iyonik gücün kimyasal tepkimeye bir etkisi olacağını göstermez. { İyonik gücün etkisini dikkate alabilmek için derişim yerine aktiflik konmalıdır. Aktiflik aC = [C] x fC şeklinde ifade edilir. Burada , aC = C iyonunun aktifliği, fC = C iyonunun aktiflik katsayısı , [C] = C iyonunun molar derişimi tanımlar. { M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 21 Elektrolit Çözeltilerinde Aktiflik katsayısı { Bu tür çözeltilerin ideal halden sapmalarının en önemli nedenleri z z z z z z { M.DEMİR İyonlar arası zayıf elektrostatik kuvvet İyon derişimleri (asosiasyon) İyon çözenmesi (solvatasyon) nedeniyle serbest çözücü moleküllerinin azalması Çözücü moleküllerinin yapısının bozulması Çözücü dielektrik sabitinin çözünen tarafından değiştirilmesi Kompleks oluşumu Olarak sıralanabilir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 22 Aktiflik katsayısı aA + bB ⇔ cC + dD [ C ] [D ] K= a b [A] [B] c d a C x a D [C]f C x [D]f D = K= a A x a B [A]f A x [B]f B [C] x [D] f C x f D = x [A] x [B] f A x f B M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 23 HAc için + − HAc ⇔ H + Ac + − [H ][Ac ] K= [HAc] yerine a H x a Ac [H+ ][Ac− ] f H x f Ac K= x = a HAc [HAc] f HAc M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 24 Aktiflik Katsayısının Özellikleri { { { { M.DEMİR Bir türün aktiflik katsayısını, o türün denge sabitine etkisinin bir ölçüsü olarak düşünmek gerekir. Çok seyreltik çözeltilerde yani iyonik gücün çok zayıf olduğu çözeltilerde bu etki sabit kalır ve “1” olarak alınır. Dolayısıyla böyle çözeltilerde aktiflik ve molar derişim birbirine eşit olur. İyonik güç arttıkça iyonlar daha az etkili olacağından aktiflik katsayısı da azalacaktır. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 25 { Bunu şu şekilde genellemek mümkündür: z z z z z M.DEMİR Yüksek iyonik güçlerde fA<1 ‘dir. Çözelti seyreldikçe fA Æ1’e yaklaşacaktır ve dolayısıyla aA Æ [A] olacaktır. Yüksek iyonik güç durumunda türün aktiflik katsayısı artar ve “1” den büyük değerler de olabilir. Çok derişik olmayan çözeltilerde bir türün aktiflik katsayısı, elektrolitin türünden bağımsız fakat iyonik gücüne bağımlıdır. Bir iyonik güç için bir iyonun aktiflik katsayısı, türün yükü arttıkça “1” den farklılaşır. Yüksüz bir molekülün aktiflik katsayısı iyonik güç ne olursa olsun “1” dir. Aynı yükteki iyonlar için, iyonik güç aynı ise aktiflik katsayıları da aynıdır. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 26 Aktiflik katsayısının hesaplanması { Aktiflik katsayısı Deby-Hückel’in 1923 yılında ifade ettiği aşağıdaki eşitlikle hesaplanır. − logf A = { { { { { M.DEMİR 0,5085 x Z A 2 x µ 1 + 0,3281 x α i x µ Burada fA = A türünün aktiflik katsayısı ZA = A türünün yükü µ = Çözeltinin iyonik gücü αi = ilgili iyonun etkin yarıçapı [A(10-7cm) cinsinden] 0,5085 ve 0,3281 sabit değerler olup 25 oC ve sulu çözeltiler için amprik değerlerdir. Başka sıcaklı ve çözücüler için geçerli değildir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 27 { { Etkin yarıçap değeri Ao yerine pm cinsinden (1 pm = 10-12 m) verildiğinde 0,3281 değeri 3,281 olarak alınması gerekir. Birçok kaynakta etkin yarıçap değeri pm biriminden verilir ve bağıntı aşağıdaki şekli alır. − logf A = M.DEMİR 0,51xZ x µ 2 1 + 3,3 xα i x µ 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 28 { 25 oC ve µ <0,1 olan sulu çözeltiler için 2 − log f i = { 0,5 x Z i x µ 1+ µ eşitliği, µ<0,01 olan sulu çözeltiler için ise 2 − log f i = 0,5 x Z i x { M.DEMİR µ eşitliği ile aktiflik katsayısı hesaplanır. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 29 { { { { { M.DEMİR α’ nın değeri konusunda kesinlik yoktur. Pek çok tek değerlikli iyon için 3 Ao dolayındadır ki bu durumda eşitliğin paydası şeklini alır. Çok değerlikli iyonlarda ise α’ nın değeri 10 Ao kadar çıktığı olur. İyonik gücün 0,01 ‘den küçük olması durumunda paydanın ikinci terimi birinci terime oranla daha küçük hale gelir. Bu durumda α’dan gelen belirsizlik daha az önemli olur. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 30 { { { Aşağıdaki çözeltinin rengi I3- nedeniyle kahve renktedir. Bu çözeltiye Ba(NO3)2, K2SO4 veya NaClO4 gibi bir elektrolit eklenirse çözeltinin renginin açıldığı görülür. Rengin açılmasının nedeni elektrolit eklenmesiyle I3derişiminin azalması, yani dengenin sol yöne kaymasıdır. H 3 AsO 4 + 3I − + 2H + ⇔ H 3 AsO 3 + I3− + H 2 O M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 31 { { M.DEMİR Elektrolit etkisinin büyüklüğü, dengede yer alan iyonların yüküne önemli ölçüde bağımlıdır. Türler iyonik ise elektrolit etkisinin büyüklüğü yükün büyüklüğü ile orantılı olarak artar. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 32 { { M.DEMİR Ortama eklenen elektrolitin denge üzerine yaptığı etki, elektrolitin kimyasal yapısından bağımsız fakat çözeltinin iyonik şiddetine bağımlıdır. Bir çözeltinin iyonik şiddeti çözeltide bulunan iyonik türlerin molar derişimleri ve yüklerinin karelerinin toplamıyla aşağıdaki eşitlikle bulunur. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 33 Aktiflik katsayısının hesaplanması (iyonik güç) { { { { { { M.DEMİR İyon güç (iyonik şiddet) 1 2 2 2 µ = ( M 1 Z 1 + M 2 Z 2 + M 3 Z 3 + - --) 2 formülüyle hesaplanır. Bu formüldeki M, çözeltideki herbir iyonun molar derişimini, Z ise bu iyonun mol kütlesini belirtir. Kielland 1937 yılında çeşitli iyonlar için α’nın değerlerini deneysel olarak bulmuştur. Bu değerler aşağıdaki tabloda verilmiştir. Aşağıdaki tabloda iyonların hidrate yarıçapları (α) ve çeşitli iyonik güç değerleri için hesaplanan aktiflik katsayısı değerleri verilmiştir. Tablo α değerinin büyüklüğüne ve iyonların yüklerine göre düzenlenmiştir.Aynı büyüklük ve yükteki iyonlar aynı kolonda yer almıştır. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 34 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 35 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 36 Örnek 3: 0,0036 M BaCl2 ve 0,04 M NaCl çözeltisi ortamında Ba2+ ve Cl- iyonlarının aktiflik katsayılarını hesaplayınız. M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 37 Örnek 3: 0,0036 M BaCl2 ve 0,04 M NaCl çözeltisi ortamında Ba2+ ve Cliyonlarının aktiflik katsayılarını hesaplayınız. { { { { { { Şüphesiz önce çözeltinin iyonik gücünü hesaplamamız gerekmektedir. Çözeltideki iyonik türler Na+ , Cl- , ve Ba2+ iyonlarıdır. Bunlardan Cl- iyonları hem BaCl2 den hem de NaCl den gelmektedir. Bu durum dikkate alınarak µ = 0,051 olarak hesaplanır. Tablodan αBa= 5 ve αCl= 3 değerleri Deby-Hückel eşitliğinde yerin konarak fBa=0,46 ve fCl= 0,80 olarak hesaplanır Bu durumda her iki iyonun aktiflikleri sırasıyla aBa=[Ba2+]fBa= 0,0036 x 0,46 = 0,00166 mol /L aCl=[Cl-]fCl=(0,0036x2+0,04)x0,80=0,0378 mol/L M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 38 Örnek 3: 0,0036 M BaCl2 ve 0,04 M NaCl çözeltisi ortamında Ba2+ iyonlarının aktiflik katsayılarını hesaplayınız. (1/2) a A = [ A ] fA log f A = 0,51 x Z A 2 µ 1 + 0,33 x α A x µ µ = ½ Σ Ci Zi 2 µ = ½ [ 0,0036x4 + (0,0036x2 + 0,04x1) + 0,04x1 ] µ = 0,051 Tablodan α Βα = 5 - log f Ba = 0,51 x 2 2 0,051 1 + 0,33 x 5 x 0,051 f Ba = 0,46 a Ba = [ Ba 2+ ] f Ba = 0,0036 x 0,46 = 0,00166 mol /L M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 39 Örnek 3: 0,0036 M BaCl2 ve 0,04 M NaCl çözeltisi ortamında Cliyonlarının aktiflik katsayılarını hesaplayınız. (2/2) a A = [ A ] fA log f A = 0,51 x Z A 2 µ 1 + 0,33 x α A x µ µ = ½ Σ Ci Zi 2 µ = ½ [ 0,0036x4 + (0,0036x2 + 0,04x1) + 0,04x1 ] µ = 0,051 - log f Cl = 0,51 x Z Cl 2 1 + 0,33 x α Cl µ µ tablodan αCl = 3 - log f Cl = 0,51 x 12 x 0,051 1 + 0,33 x 3 x 0,051 fCl = 0,80 a Cl = [ Cl - ] f Cl = (0,0036 x 2 + 0,04 ) x0,80 = 0,0378 mol/ M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 40 Örnek 3: 0,0036 M BaCl2 ve 0,04 M NaCl çözeltisi ortamında Ba2+ ve Cl- iyonlarının aktiflik katsayılarını hesaplayınız. a A =[ A ] fA a A = [ A ] fA log f A = 0,51 x Z A 2 µ 1 + 0,33 x α A x µ µ = ½ Σ Ci Zi 2 log f A = µ = ½ [ 0,0036x4 + (0,0036x2 + 0,04x1) + 0,04x1 ] - log f Cl = Tablodan α Βα = 5 2 0,51 x 2 0,051 1 + 0,33 x 5 x 0,051 a Ba = [ Ba tablodan - log f Cl = f Ba = 0,46 2+ 1 + 0,33 x α A x µ µ = ½ Σ Ci Zi 2 µ = ½ [ 0,0036x4 + (0,0036x2 + 0,04x1) + 0,04x1 ] µ = 0,051 µ = 0,051 - log f Ba = 0,51 x Z A 2 µ ] f Ba = 0,0036 x 0,46 = 0,00166 mol /L 0,51 x Z Cl 2 1 + 0,33 x α Cl µ µ α Cl = 3 0,51 x 12 x 0,051 1 + 0,33 x 3 x 0,051 fCl = 0,80 a Cl = [ Cl - ] f Cl = (0,0036 x 2 + 0,04 ) x0,80 = 0,0378 mol/ M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 41 Örnek 4: 0,001 M CaCl2 çözeltisinde Ca2+ ve Cl- iyonlarının aktiflik katsayılarını bulunuz. M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 42 Örnek 4: 0,001 M CaCl2 çözeltisinde Ca2+ ve Cliyonlarının aktiflik katsayılarını bulunuz. 1 µ = ∑ (2 2 x 0,001) + (0,001) 2 x 12 ) 2 µ = 0,003 { 2 − log f = 0,5 x Z Seyreltik çözeltiler için i i x µ olduğundan − log f Ca = 0,5 x (2 2 ) x 0,03 − log f C a = 0,1096 log f Ca = − 0,1096 f Ca = 0,776 Benzer şekilde işlem yapılırsa olarak bulunur. M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE fCl= 0,9388 43 SORU:5 CaCl2 yönünden 0,0005 M ve NaCl yönünden 0,001 M’lık bir çözeltideki iyonların aktiflikleri nedir? M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 44 SORU:5 CaCl2 yönünden 0,0005 M ve NaCl yönünden 0,001 M’lık bir çözeltideki iyonların aktiflikleri nedir? CCa = 0,0005 M - - > C Na = 0,001 M - - > C Cl = 2 x 0,0005 + 0,001 = 0,002 M 1 2 1 2 2 2 C Z ∑ i i = ∑ 0,0005 x 2 + 0,001 x 1 + 0,002 x 1 2 2 1 µ = (5 x 10 −5 ) → µ = 0,0025 2 − log f Ca = 0,5 x 2 2 x 0,0025 → f Ca = 0,74 µ= − log f Na = 0,5 x 12 x 0,0025 → f Na = 0,944 − log f Cl = 0,5 x 12 x 0,0025 → f Cl = 0,944 a → a Ca = f Ca x C Ca C a Ca = 0,794 x 0,0005 = 3,97 x 10 − 4 − − > a Na = 0,944 x 0,001 = 9,44 x10 − 4 f= a Cl = 0,944 x 0,002 = 1,88 x10 −3 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 45 Termodinamik denge sabiti- Derişim denge sabiti { { { M.DEMİR Aktifliği dikkate alan denge sabitine “termodinamik denge sabit”, aktifliği dikkate almayan denge sabitine ise “derişim denge sabiti” denir. Düşük iyonik güçte aktiflik katsayısı 1’e yaklaştığından, termodinamik denge sabiti derişim denge sabiti değerine eşit olur. Çizelgelerde verilen denge sabiti değerlerinin çoğu, çözeltilerin çok seyreltik kabul etmesi nedeniyle iyonik etkileşimi ihmal eden derişim denge sabiti değerleridir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 46 Aktiflik, Hidrate yarıçap { { { { { M.DEMİR Aktiflik katsayısını hesaplamaya yarayan Debye Hüchel eşitliği, iyonik gücün µ < 0,1 M durumunda çok iyi çalışmaktadır. Buradaki α 'nın değeri iyonun hihrate yarıçapıdır. Yüksek değerlikteki küçük yarıçaplı iyonlar çözücü molküllerini daha kuvvetle çekerler. Dolayısıyla hidrate yarıçapları (α ) , büyük iyonlardan yani yükü küçük olan iyonlardan daha büyüktür. Örneğin F- iyonunun hidrate yarıçapı I- iyonundan daha büyüktür. Çünkü F- iyonları I- iyonlarına göre daha küçük yarıçaplı iyonlardır. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 47 Aktiflik, Hidrate yarıçap { { { { M.DEMİR İyonik gücün sıfır ile 0,1 M aralığında olması durumunda, herbir değişkenin aktiflik katsayısına etkisi şu şekilde özetlenebilir. 1. İyonik güç arttıkça aktiflik katsayısı azalır. Bunu tablodaki değerlerden görmek mümkündür. Bütün iyonlar için , iyonik güç µ sıfıra yaklaştıkça aktiflik katsayısı fA, 1'e yaklaşacaktır. 2. İyonun yükü arttıkça aktiflik katsayısının birimden uzaklaşma hızı artar. Aktiflik katsayısı düzeltmesi, yükü ± 3 olan iyonda ± 1 olan iyondan daha önemlidir. 3. İyonun hidrate yarıçapı ne kadar küçükse aktifliğin etkisi o kadar önemlidir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 48 Örnek 5: 0,033 M Hg2(NO3)2 çözeltisinde Hg22+ iyonunun aktiflik katsayısını hesaplayınız. M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 49 Örnek 5: 0,033 M Hg2(NO3)2 çözeltisinde Hg22+ iyonunun aktiflik katsayısını hesaplayınız.(1/2) µ = ½ [C Hg22+ x (2) + C NO3 x (1) ] 2 2 µ = 1 2 [(0,033x 4 + (2 x0,033) x1] µ = 0,10M M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 50 Örnek 5: 0,033 M Hg2(NO3)2 çözeltisinde Hg22+ iyonunun aktiflik katsayısını hesaplayınız.(2/2) 0,51 x (2) 2 x 0,1 0,645 − log f Hg2+ = = = 0,455 1 + 0,33 x (4) x 0,1 1,417 logf Hg22+ = − 0,455 → f Hg22+ = 0,35 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 51 Örnek 6 : İyonik gücü µ = 0,025 M olan ortamda H+ iyonunun aktiflik katsayısını hesaplayınız. M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 52 Örnek 6 :İyonik gücü µ = 0,025 M olan ortamda H+ iyonunun aktiflik katsayısını hesaplayınız. tablodan α = 9 olarak bulunabilir. - log f H = 2 0,51 x 1 x 0,025 1 + 0,33 x 9 x 0,025 f H = 0,88 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 53 aktiflik { { { { M.DEMİR Benzen, asetik asit gibi nötral moleküller iyonik bir atmosfer tarafından çevrelenmezler, çünkü yükleri yoktur. İyonik gücün 0,1 M dan daha küçük olması halinde aktiflik katsayısının 1 alınması iyi bir yaklaştırma olarak kabul edilebilir. Bütün nötral moleküllerin aktiflik katsayıları birim , “1” olarak alınabilir. Bir başka deyişle nötral moleküllerde aktiflik molar derişime eşittir. Gazlar için, örneğin H2 için αH2 = PH2 x fH2 olarak yazılabilir. Birçok gaz için basıncın 1 atmosfer veya daha küçük olması halinde α = p alınabilir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 54 Aktiflik Katsayısının Kullanılması { { { Önceden de söylendiği gibi denge sabiti değerlerinin çoğu, aktiflik katsayısını dikkate almadan iyonlar çarpımı ile bulunmuştur. (derişim denge sabiti) Oysa, özellikle ortamda yabancı iyonların bulunması halinde, ortak iyon etkisi durumunda olduğu gibi aktifliğin mutlaka dikkate alınması gerekmektedir.(Termodinamik denge sabiti) Örneğin HAc için Ka’=Ka x fH+ x fAc- yazılabilir. (Burada nötral moleküllerin aktiflik katsayısı birim kabul edildiğinden fHAc terimi paydada yer almamıştır). HAc ⇔ H + + Ac [ H + ] [ Ac - ] Ka = [ΗΑc] a H x a Ac [H + ] f H x [Ac − ] f Ac = = K a x f H x f Ac Κa ' = a HAc [HAc] M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 55 Örnek 7: 0,0125 M MgSO4 içeren bir çözeltide CaF2 ün molar çözünürlüğünü hesaplayınız. Kçç= 3,9x10-11 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 56 Örnek 7: 0,0125 M MgSO4 içeren bir çözeltide CaF2 ün molar çözünürlüğünü hesaplayınız. Kçç= 3,9x10-11(1/4) CaF2 ⇔ Ca 2+ + 2Fbaşlangıçta katı 0 0 Dengede katı X 2X K çç = a Ca x a F 2 2+ K çç = [Ca ] f Ca x [F ] f F 2+ − 2 [Ca ][F ] = M.DEMİR - 2 2 K çç a Ca x a F 2 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 57 Örnek 7: 0,0125 M MgSO4 içeren bir çözeltide CaF2 ün molar çözünürlüğünü hesaplayınız. Kçç= 3,9x10-11(2/4) { Buradaki fCa ve fF değerlerini hesaplayabilmek için çözeltinin iyonik gücünün bilinmesi gerekmektedir, 2 2 µ = ½ [ C Mg (2) + C SO4 (-2) ] µ = ½ [ (0,0125)x 4 + (0,0125)x 4 ] µ = 0,05 M M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 58 Örnek 7: 0,0125 M MgSO4 içeren bir çözeltide CaF2 ün molar çözünürlüğünü hesaplayınız. Kçç= 3,9x10-11(3/4) - log f Ca = - log f Ca = - log f Ca - log f Ca 0,51 x Z Ca 0,05 - log f F = 1 + 0,33 x α Ca x 0,05 0,51 x (2)2 x 0,05 1 + 0,33 x (6) x 0,05 0,45616 = 1 + 0,4427 = 0,3136 log f Ca = - 0,3136 f Ca = 0,4856 M.DEMİR 2 - log f F = 0,51 x Z F 2 0,05 1 + 0,33 x α F x 0,05 0,51 x (1)2 x 0,05 1 + 0,33 x (3,5) x 0,05 0,1140 1 + 0,2582 - log f F = 0,0906 - log f F = log f F = - 0,0906 f F = 0,8117 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 59 Örnek 7: 0,0125 M MgSO4 içeren bir çözeltide CaF2 ün molar çözünürlüğünü hesaplayınız. Kçç= 3,9x10-11(4/4) [Ca 2+ K çç - 2 ] [F ] = f Ca x f F 2 -11 3,9 x 10 ( X )(2X) 2 = (0,4856 )(0,8117) X 3 = 2,47 x 10 -11 X = 2,91 x 10 -4 Çözünürlük = [Ca 2+ ] = X = 2,91 x 10 -4 mol / litre M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 60 Örnek 6: 0,0125 M MgSO4 içeren bir çözeltide CaF2 ün molar çözünürlüğünü hesaplayınız. Kçç= 3,9x10-11 (4/4 T) CaF2 ⇔ Ca 2+ + 2Fbaşlangıçta katı 0 0 Dengede katı X 2X K çç = a Ca x a F 2 K çç = [Ca 2+ ] f Ca x [F- ]2 f F [Ca 2+ ][F− ]2 = 2 2 µ = ½ [ C Mg (2) + C SO4 (-2) ] µ = ½ [ (0,0125)x 4 + (0,0125)x 4 ] µ = 0,05 M - log f Ca = - log f Ca = 0,51 x Z Ca 0,05 1 + 0,33 x α Ca x 0,05 0,51 x (2)2 x 0,05 1 + 0,33 x (6) x 0,05 0,45616 1 + 0,4427 = 0,3136 0,05 1 + 0,33 x α F x 0,05 0,51 x (1)2 x 0,05 1 + 0,33 x (3,5) x 0,05 - log f F = 2 2 - log f F = 2 0,1140 1 + 0,2582 - log f F = 0,0906 2 K çç a Ca x a F 0,51 x Z F - log f F = log f F = - 0,0906 f F = 0,8117 [Ca 2+ ] [ F - ] 2 = K çç f Ca x f F 2 3,9 x 10 -11 ( X )(2X) = (0,4856 )(0,8117) 2 X 3 = 2,47 x 10 -11 - log f Ca = X = 2,91 x 10 -4 - log f Ca Çözünürlük = [Ca 2+ ] = X = 2,91 x 10 -4 mol / litre log f Ca = - 0,3136 f Ca = 0,4856 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 61 Örnek 8: 0,05 M NaF çözeltisinde CaF2 ün çözünürlüğü nedir? Kçç= 3,9x10-11 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 62 Örnek 8: 0,05 M NaF çözeltisinde CaF2 ün çözünürlüğü nedir? Kçç= 3,9x10-11 (2/6) ⇔ CaF2 başlangıçta Katı Dengede Katı - X K çç = a Ca x a F M.DEMİR 0 X 0,05 0,05 + 2X 2 K çç = [Ca 2+ ] f Ca x [F ] f F 2+ − 2 [Ca Ca 2+ + 2F - - 2 ] [F ] = 2 K çç f Ca x f F 2 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 63 Örnek 8: 0,05 M NaF çözeltisinde CaF2 ün çözünürlüğü nedir? Kçç= 3,9x10-11 (3/6) { M.DEMİR Burada fCa ve fF değerlerini hesaplayabilmek için çözeltinin iyonik gücünün bilinmesi gerekmektedir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 64 Örnek 8: 0,05 M NaF çözeltisinde CaF2 ün çözünürlüğü nedir? Kçç= 3,9x10-11 (4/6) - log f Ca = 2 2 µ = ½ [ C Na (1) + C F (-1) ] µ = ½ [ (0,05) x1 + (0,05) x1 ] µ = 0,05 M - log f Ca = 0,51 x Z Ca 2 0,05 1 + 0,33 x α Ca x 0,05 0,51 x (2)2 x 0,05 1 + 0,33 x (6) x 0,05 0,45616 1 + 0,4427 = 0,3136 - log f Ca = - log f Ca log f Ca = - 0,3136 f Ca = 0,4856 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 65 Örnek 8: 0,05 M NaF çözeltisinde CaF2 ün çözünürlüğü nedir? Kçç= 3,9x10-11 (5/6) log f F = - log f F = 0,51 x Z F 2 0,05 1 + 0,33 x α F x 0,05 0,51 x (1)2 x 0,05 1 + 0,33 x (3,5) x 0,05 0,1140 - log f F = 1 + 0,2582 - log f F = 0,0906 log f F = - 0,0906 f F = 0,8117 M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 66 Örnek 8: 0,05 M NaF çözeltisinde CaF2 ün çözünürlüğü nedir? Kçç= 3,9x10-11 (6/6) [Ca 2+ - 2 ] [F ] = K çç f Ca x f F 2 -11 3,9x10 ( X )(0,05 + 2X) 2 = (0,4856)(0,8117) Buradan 0,05 + 2X = 0,05 alınabilir 3,9x10 -11 3,9x10 -11 = = 9,89 x 10 -11 ( X )(0,05 ) = (0,4856)(0,8117) 0,3942 2 2,5 x 10 -3 X = 9,89 x 10 -11 X = 3,95 x 10 -8 Çözünürlük = [ Ca 2+ ] = X = 3,95 x 10 -8 mol / litre M.DEMİR 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 67 Örnek :8 0,05 M NaF çözeltisinde CaF2 ün çözünürlüğü nedir? Kçç= 3,9x10-11(6/6T) 0,51 x Z 2 0,05 Ca Burada iyonların iyonik gücünün yanı - log f Ca = sıra sodyum florürün ortak iyon 1 + 0,33 x α Ca x 0,05 etkisi de söz konusudur. Çözünürlük Ca2+ molar derişimine 0,51 x (2)2 x 0,05 - log f Ca = eşittir. ⇔ CaF2 başlangıçta Dengede Katı K çç = a Ca x a F K çç = [Ca 0 Katı - X 2+ Ca 2+ X + 2F 1 + 0,33 x (6) x 0,05 - 0,05 + 2X 2 - 2 ] f Ca x [F ] f F [Ca 2+ ] [F − ]2 = f Ca = 0,4856 2 fCa ve fF değerlerini hesaplayabilmek için çözeltinin iyonik gücünün bilinmesi gerekmektedir. log f F = {Burada µ = ½ [ C Na (1) 2 + C F (-1) 2 ] µ = ½ [ (0,05) x1 + (0,05) x1 ] µ = 0,05 M M.DEMİR - log f Ca log f Ca = - 0,3136 2 K çç f Ca x f F 0,45616 1 + 0,4427 = 0,3136 - log f Ca = 0,05 - log f F = 0,51 x Z F 2 0,05 1 + 0,33 x α F x 0,05 0,51 x (1)2 x 0,05 [Ca 2+ ] [F - ] 2 = K çç f Ca x f F 2 3,9x10 -11 (0,4856)(0,8117) Buradan 0,05 + 2X = 0,05 alınabilir ( X )(0,05 + 2X) 2 = ( X )(0,05 ) 2 = 3,9x10 -11 3,9x10 -11 = 9,89 x 10 -11 = (0,4856)(0,8117) 0,3942 1 + 0,33 x (3,5) x 0,05 2,5 x 10 -3 X = 9,89 x 10 -11 0,1140 X = 3,95 x 10 -8 - log f F = 1 + 0,2582 Çözünürlük = [ Ca 2+ ] = X = 3,95 x 10 -8 mol / litre - log f F = 0,0906 log f F = - 0,0906 f F = 0,8117 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 68 DENGE VE TERMODİNAMİK (Entalpi) { { Bir entalpi değişimi (∆H), tepkimenin gerçekleşmesi sırasında absorplanan ısıdır. Tepkimedeki bütün tepken ve ürünlerin standart halde iken absorplanan ısı standart entalpi değişimi ∆Ho , olarak tanımlanır. Örneğin, HCl (g) ⇔ H (suda) + + Cl (suda) - { { { { M.DEMİR ∆H 0 = - 75,15 kJ/mol olarak verilir. Buradaki - işareti, tepkime sırasında ürünlerin bunu dışarıya verdiğini gösterir. Bu demektir ki, tepkimenin yürümesi sırasında çözelti daha fazla ısınacaktır. ∆H değerinin pozitif olması durumu ise tepkimenin oluşumu sırasında dışarıdan ısı alınması, yani çözeltinin zamanla soğuması demektir. Burada ∆H değerinin pozitif olması haline endotermik, negatif olması haline ise egzotermik tepkimeler denir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 69 DENGE VE TERMODİNAMİK (Entropi) { { { Entropi, S, bir tepkimedeki düzensizliğin bir ölçüsüdür. Düzensizlik ne kadar büyükse entropi o kadar yüksek demektir. Genel olarak gazlar sıvılardan, sıvılar ise katılardan daha düzensizdir, dolayısıyla gazların entropisi sıvılardan, sıvılarınki ise katılardan daha büyüktür. Sulu çözeltilerdeki iyonların düzensizliği, bunların katı tuzlarındakinden daha yüksektir. Örneğin, KCl (k) ⇔ K (suda) { + + Cl (suda) için ∆S0 = + 76 J/(K.mol) olarak bulunmuştur. Bu demektir ki 1 mol K(suda)+ iyonu ile 1 mol Cl(suda)iyonu, 1 mol KCl(k) ve çözücü sudan daha düzensizdir. HCl (g) ⇔ H (suda) { M.DEMİR - + + Cl (suda) - için 25 oC de ∆So = -131,5 J/(K-mol) dür. Bu da göstermektedir ki sulu çözeltideki iyonların düzensizliği, gaz halindeki HCl ve çözücü sudan daha azdır. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 70 DENGE VE TERMODİNAMİK (serbest enerji) { { { { { M.DEMİR Doğada bütün sistemler için entalpiyi azaltma, buna karşın entropiyi artırma eğilimi vardır. Bir kimyasal olay cereyan ettiğinde , ∆H değerinin negatif olması ( ısı verilmesi) ve/veya pozitif ∆S (düzensizliğin artması) değeri beklenir. Eğer ∆H negatif ve ∆S pozitif ise tepkime kolaylıkla cereyan ediyor demektir. Eğer ∆H pozitif, ∆S negatif ise tepkime, pratik olarak, cereyan etmiyor demektir. Eğer ∆H ve ∆S in her ikisi de pozitif ise veya her ikisi de negatif ise , tepkimenin cereyan edip etmediği Gibbs Serbest Enerjisi ∆G ile anlaşılabilir. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 71 Serbest enerji { { { Sabit sıcaklıkta serbest enerji ∆G = ∆H - T∆S olarak ifade edilir. Bu durumda ∆G değeri negatif ise tepkime yazıldığı yönde cereyan ediyor pozitif ise yazıldığı yönde cereyan etmiyor demektir. Örneğin HCl (g) ⇔ H (suda) + + Cl (suda) - { tepkimesi ∆H0 yönünden cereyan eden (∆H0=-75,15 kJ/mol), ∆S0 yönünden ise cereyan etmeyen (∆S = 131,5 j/K-mol) durumundadır. Bu durumda gerçek sonucu bulmak için ∆G0 değerine bakmak gerekmektedir. ∆G 0 = ∆H 0 - T∆S = (-75,15x103 J/mol) - ( 298,15 K )x(-131,5 J/K - mol) = - 35,94 kJ/mol { { M.DEMİR ∆G0 değeri negatif olduğuna göre bu tepkime normal koşullarda cereyan ediyor demektir. Demek ki entalpinin tepkimenin olması yönündeki etkisi entropinin olmaması yönündeki etkisine baskın gelmiştir 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 72 Gibbs Serbest enerji- Denge ilişkisi { { { ∆G0 ile denge sabiti arasındaki ilişki K = e - ∆G/RT şeklinde verilir. Burada R gaz sabiti (= 8,31441 J/(Kmol), T ise Kelvin cinsinden sıcaklıktır. Buna göre HCl(g) suda çözünmesi tepkimesi olan HCl(g) ⇔ H (suda) + + Cl (suda) { tepkimesinin denge sabiti K = e − (-35,94x1000 J/mol)/[8,31441J/(K-mol)](298,15 K) K = 1,98 x 10 6 { { M.DEMİR olarak bulunur. Denge sabiti değeri çok büyük olduğuna göre HCl(g) suda çok çözünüyor ve tamamen H(suda)+ ve Cl(suda)- iyonlarına ayrışıyor demektir. Özetlemek gerekirse, eğer ∆G0 değeri negatif (K>1) ise tepkime cereyan eder, ∆G0 değeri pozitif (K<1) ise cereyan etmez. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 73 Kimyasal dengeye sıcaklık etkisi { Denge halindeki bir sistemin sıcaklığı değiştirildiğinde denge sabitine etkisi ne olacaktır. Bu sorunun yanıtı ∆G = ∆H - T∆S { ve K = e - ∆G/RT eşitliklerinin birleştirilmesiyle verilebilir. K=e -∆G/RT = e -( ∆H - T∆S )/RT = e (- ∆H/RT + ∆S/R ) = e - ∆H/RT x e -∆S/R { { { M.DEMİR bağıntısı elde edilir. Bunlardan e-∆S/RT terimi sıcaklıktan (T) bağımsızdır. e-∆H/RT terimi ise sıcaklığa bağımlıdır. Eğer ∆H değeri pozitif ise T arttıkça bu terimin değeri de artar. Öte yandan ∆H değeri negatif ise sıcaklık arttıkça bu terimin değeri azalır. Dolayısıyla genel olarak söylemek gerekirse, endotermik tepkimelerde sıcaklık artışı denge sabiti değerinin büyümesine , ekzotermik tepkimelerde ise azalmasına neden olur. 11-AKTİVİTE VE KİMYASAL DENGE 74