Gazların Sıvılar İçindeki Çözünürlüğü Gazlar sıvı içinde çözündüklerinde gerçek bir çözelti oluştururlar. Gazların sıvı içindeki çözünürlükleri gazın ve sıvının doğasına bağlı olarak değişim gösterir. Gazın doğası çözücünün doğasına ne kadar benziyorsa gazın çözünürlüğü o derece yükselir. Bazı gazların sıvılardaki çözünürlüğü, hidrojen bağı oluşumu gibi moleküler etkileşmeler nedeni veya su ile bazı kimyasal denge reaksiyonları vermeleri nedeni ile çok fazladır. Bu gazlara örnek olarak HCl, \rm NH_3, \; H_2S, \; Cl_2 \; CO_2 gibi gazlar verilebilir. \rm H_2, \; O_2, \; Ar gibi bazı gazların çözünürlükleri ise düşüktür. Bazı gazların çözünürlükleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1 : Bazı gazların 0 \rm ^oC ve 760 mmHg daki çözünürlükleri. Gaz Sudaki Çözünürlük ( mol / 1000 g su) \rm NH_3 52.573 \rm HCl 22.572 \rm SO_2 3.565 \rm H_2S 0.207 \rm Cl_2 0.206 \rm CO_2 0.076 \rm CO 0.002 \rm O_2 0.002 \rm N_2 0.00025 \rm H_2 0.001 Gazların çözünürlüğü sıcaklık ve basınca bağlı olarak değişir. Gazın fugasitesinin artışı ile sıvı içerisindeki çözünürlüğünü artar. Düşük basınç değerlerinde gazın fugasitesi basıncına eşit kabul edilirse, basınç arttışı ile çözünürlüğü arttığı söylenebilir. Hem gaz hem de çözelti fazı ideal davranış gösteriyorsa, Gazın basıncı ile mol kesri arasında \rm P_{gaz} = K_H \chi_{gaz} ilişkisi söz konusudur. Eşitlik yalnızca gazlar için değil, çözücü içinde çözünmüş gaz fazda ideal gaz davranışı gösteren, ideal bir çözelti sistemi içinde şeklinde genellenebilir. \rm P_{2}=K_H \chi _2 Burada 2 indisi çözücü içinde çözünmüş konsatrasyonu düşük herhangi bir uçucu bileşen olabilir. Bu son matematiksel ifade Henry Yasası olarak bilinir. Buradaki K' sabiti de Henry Sabiti olarak adlandırılır. Henry sabitinin büyüklüğü çözücü ve çözünenin doğasına ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Tablo 2 de bazı için Henry sabitleri gösterilmiştir. Tablo 2 : Bazı gazların sıcaklığa bağlı olarak Henry sabitlerinin değişimi. Gaz \rm K_H \times 10^5 (atm^{-1}) \rm 0 \; ^oC \rm 20 \; ^oC \rm 40 \; ^oC \rm 60 \; ^oC \rm 80 \; ^oC \rm H_2 1.72 1.46 1.31 1.31 1.33 \rm N_2 1.86 1.32 1.00 0.874 --- \rm O_2 3.98 2.58 1.84 1.57 1.44 \rm C_2H_4 20.5 10.1 6.18 --- --- Raoult Kanunu ile Henry Kanunu karşılaştırılacak olursa; \rm P_i = P_i^o \chi _i \qquad \text{ Raoult Kanunu} \rm P_i = K_H^' \chi _i \qquad \text{ Henry Kanunu} \quad \quad (K_H^' = {1 \over K_H} ) olduğundan; Gaz olmayan maddeler için Henry Sabiti \rm K_H nın çözücüde çözünmüş uçucu maddenin saf haldeki buhar basıncı \rm P_i ^o ile orantılı olduğu düşünülebilir. Fakat bu doğru değildir. Çünkü \rm K_H çözücü ve çözünenin doğasına bağlı bir sabit sayı iken, \rm P_i ^o yalnızca çözünmüş bileşenin doğrudan saf haldeki buhar basıncıdır. Bu çelişkili bir durum gibi gözükse de seyreltik çözeltilerde çözünmüş tür Henry yasasına göre hareket ederken, çözünen türün konsantrasyonun artması ile birlikte Raoult Kanunu geçerli olmaya başlar. Henry Yasası seyreltik uçucu bileşen içeren sistemler için kullanıldığı gibi, daha çok gaz türlerin sıvılardaki çözünme büyüklükleri ile ilgili olarak kullanılır. Henry Yasası ve Raoult Kanunu hangi sınırlarda geçerli olabileceğini anlamak için Tablo 3 de verilen aseton - koloroform sistemini ele alalım. Tablodan da görüldüğü gibi Deneysel Değerlerin Teorik değerlere oranı 1 olması gerektiği halde herhangi bir türün düşük konsantrasyonlarda Henry yasası geçerli olmaya başlarken, yüksek konsantrasyonlara doğru gidildikçe Raoult Yasası geçerli olmaktadır. Tablo 2 : 35 \rm ^oC aseton-kloroform sistemi için kısmi buhar basınçların kloroformun mol kesrine göre değişimi. Aseton için \rm K_{H \; (aseton)} = 175 \; mmHg ve kloroform için \rm K_{H \; (kloroform)} = 165 \; mmHg dir. \rm \chi _{kloroform} 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 \rm P_{kloroform} / mmHg 0 35.253 82.507 141.762 200.266 273.022 \rm P_{aseton} / mmHg 347.279 249.771 174.764 92.258 36.753 0 \rm P_{T} / mmHg 347.279 285.024 257.271 234.02 237.019 273.022 \rm { P_{kloroform} \text{(Deneysel) } \over P_{kloroform}^o * \chi _{kloroform} \text{(Raoult, Teorik)} } --- 0.646 0.755 0.865 0.917 1 \rm { P_{aseton} \text{(Deneysel) } \over P_{aseton}^o * \chi _{aseton} \text{(Raoult, Teorik)} } 1 0.899 0.839 0.664 0.529 --- \rm { P _{chloroform} (Deneysel) \over K_{H (chloroform)} \chi _{chloroform} \text{(Henry, Teorik)} } --- 1.068 1.25 1.432 1.517 1.655 \rm { P _{aseton} (Deneysel) \over K_{H (aseton)} \chi _{aseton} \text{(Henry, Teorik)} } 1.984 1.784 1.664 1.318 1.05 --- Soru 1 : 1.0 atmosfer dış basınçta havanın yalnızca hacimce %20 oksijen ve %80 azottan oluştuğunu düşünerek, 1.0 kg su içindeki oksijen ve azotun 20 \rm ^oC \; ve \; 40 ^oC deki mol sayısını hesaplayınız. Yanıt 1 : Oksijen ve Azotun kısmi basınçları \rm P_{O_2} = { V_{O_2}\over V_T} P_{hava} \Rightarrow P_{O_2} = { 20 \; L. \over 100 \; L} (1.0 \; atm.) = 0.2 \; atm. \rm P_{N_2} = { V_{N_2}\over V_T} P_{hava} \Rightarrow P_{N_2} = { 80 \; L. \over 100 \; L} (1.0 \; atm.) = 0.8 \; atm. Tablo 2 deki sabitler kullanılırsa \rm \chi _{O_2} (20 ^o C) = K_{H \; (20 \; oC) }P_{O_2} \Rightarrow \chi _{O_2} (20 ^o C) = (2.58 \times 10^{-5} \; atm.)( 0.2 \; atm.) =5.16 \times 10^{-6} \rm \chi _{O_2} = { n_{O_2} \over n_{O_2} + n_{H_2O}} \Rightarrow 5.16 \times 10^{-6} = { n_{O_2} \over n_{O_2} + { 1000 \;g. \over 18.015 \; g \; mol^{-1}} } \Rightarrow n_{O_2} = 2.86 \times 10 ^{-4} \; mol. \rm \chi _{O_2} (40 ^o C) = K_{H \; (40 \; oC) }P_{O_2} \Rightarrow \chi _{O_2} (40 ^o C) = (1.84 \times 10^{-5} \; atm.)( 0.2 \; atm.) = 3.68 \times 10^{-6} \rm \chi _{O_2} = { n_{O_2} \over n_{O_2} + n_{H_2O}} \Rightarrow 3.68 \times 10^{-6} = { n_{O_2} \over n_{O_2} + { 1000 \;g. \over 18.015 \; g \; mol^{-1}} } \Rightarrow n_{O_2} = 2.04 \times 10 ^{-4} \; mol. \rm \chi _{N_2} (20 ^o C) = K_{H \; (20 \; oC) }P_{N_2} \Rightarrow \chi _{N_2} (20 ^o C) = (1.32 \times 10^{-5} \; atm.)( 0.8 \; atm.) =1.06 \times 10^{-5} \rm \chi _{N_2} = { n_{N_2} \over n_{N_2} + n_{H_2O}} \Rightarrow 1.06 \times 10^{-5} = { n_{N_2} \over n_{N_2} + { 1000 \;g. \over 18.015 \; g \; mol^{-1}} } \Rightarrow n_{N_2} = 5.88 \times 10^{-4} \; mol. \rm \chi _{N_2} (40 ^o C) = K_{H \; (40 \; oC) }P_{N_2} \Rightarrow \chi _{N_2} (40 ^o C) = (1.00 \times 10^{-5} \; atm.)( 0.8 \; atm.) =8.00 \times 10^{-6} \rm \chi _{N_2} = { n_{N_2} \over n_{N_2} + n_{H_2O}} \Rightarrow 8.00 \times 10^{-6} = { n_{N_2} \over n_{N_2} + { 1000 \;g. \over 18.015 \; g \; mol^{-1}} } \Rightarrow n_{N_2} = 4.44 \times 10^{-4} \; mol.