Çöktürme Gravimetrisi Nedir?

Çöktürme gravimetrisi, az çözünen katıların çöktürülmesine dayanan bir analiz yöntemidir. Analizini yapacağımız maddeyi çökelek haline getirip çöktürdükten sonra, çeşitli işlemlerden geçirerek analiz ederiz. Bu metodu uygularken bizim için en önemli şey, elde ettiğimiz çökeleğin özelliğidir. Çökelekler kolayca filtrelenebilmeli, madde kaybı olmadan yıkanabilmeli ve atmosfer bileşikleriyle reaksiyona girmemelidir. Kimyagerler, çökelekleri parçacık boyutlarına göre ikiye ayırır: Kristal çökelekler ve koloidal çökelekler.

Çökelek Türleri ve Yapıları

Çöktürme süreci, kimyagerler tarafından uzun süredir çalışılsa da, dinamikleri tam olarak anlaşılamamıştır. Bu konudaki en önemli çalışmalardan birisi, von Weymarn'ın Çöktürme Teorisi'dir. Bu teoriye göre, oluşacak çökeleğin boyutunu belirleyen etkenler; madde konsantrasyonu, sıcaklık ve karıştırma hızıdır. Von Weymarn, 20. yüzyılın başında bağıl aşırı doygunluk (İng: "relative supersaturation" veya kısaca "RSS") adını verdiği bir kavramı tanımlamıştır. Von Weymarn'a göre bu kavram, oluşacak parçacıkların boyutunu belirlemektedir. Yazımızın kalan kısmında bağıl aşırı doygunluğu RSS olarak kısaltacağız.

$RSS=\frac{Q-S}{S}$

Burada $Q$, anlık madde konsantrasyonunu ve $S$, anlık çözünürlük değerini temsil eder. RSS değerlerinin değişmesiyle birlikte oluşan parçacıkların boyutu değişir.

Kristal Çökelekler

Yapısındaki parçacıkların boyutu 10^-4 metreden büyük olan çökeleklere kristal çökelek denir. Kristal çökelekler, gözle görülebilirler. Boyutlarının büyük olması, filtreleme sürecinde bize kolaylık sağlar ve ürün kaybını azaltır; bunun için kimyagerler çöktürme gravimetrisi için kristal çökelekleri tercih eder. Parçacıkların boyutunun büyük olması görece daha az yüzey alanına yol açar ve bu şekilde ürünün kirlenmesi daha azdır. Kristal çökelek oluşumu düşük RSS değerlerinde gerçekleşir, yani kristal çökelek elde etmek için aşağıdaki yolları izleyebiliriz.

• $Q$ değerini düşük tutmak: Anlık madde konsantrasyonunun düşük olması için maddeleri yavaş yavaş eklemek $Q$ değerini azaltır.
• $S$ değerini yüksek tutmak: Çözünürlüğü yüksek tutmak için uygun bir çözücü kullanmak, gerekirse ortamın pH değerlerini değiştirmek $S$ değerini arttırır.

Wikimedia Commons

Kolloidal Çökelekler

Yapısındaki parçacık boyutları 10^-7 ila 10^-4 santimetre arasında olan çökeleklere koloidal çökelekler denir. Parçacıkların boyutunun bu kadar küçük olması, bu tekniği uygularken iki sorun yaratır: Çökeleğin filtrelenmesinin zor olması ve çökelek oluşumunun zor olması.

Birinci sorun daha anlaşılabilir olmasına rağmen, ikinci sorun biraz daha ilginçtir. Parçacık boyutunun küçük olması çökelek oluşumunu nasıl etkileyebilir? Bunun cevabı, Brown hareketidir.

Brown hareketi, parçacıkların rastgele hareketini betimleyen teoridir. İlk kez Robert Brown tarafından mikroskopla sudaki polenleri incelerken gözlemlenmiştir ve Albert Einstein tarafından 1905 yılında açıklanmıştır. Einstein'a göre, polen parçacıkların rastgele hareketi onlara sürekli çarpan su moleküllerinden dolayıdır, ortamdaki kaotik hareket aynı zamanda polenlerin hareketini de kaotik olmasına yol açar. Aynı durum, burada da geçerlidir. Koloidal çökelekler, küçük boylarından dolayı kütle olarak kristal çökeleklere göre daha hafiftirler, bundan dolayı da kristal çökelekler gibi kütle çekimi etkisinde suyun dibine çökmektense Brown hareketi yaparlar.

Wikimedia Commons

Parçacıkların boyutunun küçük olması görece daha büyük yüzey alanına yol açar ve bunun sonucu kirlenme kristal çökeleklere kıyasla daha fazla olur. Koloidal çökelek oluşumu yüksek RSS değerlerinde gerçekleşir, yani koloidal çökelek elde etmek için aşağıdaki yolları izleyebiliriz.

• $Q$ değerini yüksek tutmak: Anlık madde konsantrasyonunun fazla olması için maddeleri tek seferde eklemek Q değerini arttırır.
• $S$ değerini düşük tutmak: Çözünürlüğü düşük tutmak için maddenin çözünürlüğünün düşük olduğu bir çözelti kullanmak, gerekirse ortamın pH değerini değiştirmek S değerini azaltır.

von Weymarn'ın Çökelti Teorisi'nin Sorunları

RSS kavramı, ne yazık ki mükemmel değildir. Sadece bir yaklaşımdır ve deneysel sonuçlarla uyuşmadığı durumlar vardır. Basit bir örnek olarak, gümüş klorür ve baryum sülfat çökeleklerini inceleyelim: Gümüş klorür ve baryum sülfatın molar çözünürlükleri birbirine yakındır. Eğer RSS kavramı tam olarak doğru olsaydı, ikisi de benzer şartlarda aynı şekilde çökelek oluştururdu, fakat gümüş klorür koloidal çökelek oluştururken baryum sülfat kristal çökelek oluşturur. Yine de genel kullanımlar için RSS kavramı genellikle iyi sonuç verir.

Çökelek Oluşum Mekanizmaları

Çökelek oluşumunu mikro düzeyde incelediğimizde, birbiriyle rekabet eden iki mekanizma görürüz. Rekabeti kazanan mekanizma oluşacak çökeleğin yapısını belirler. Bu iki mekanizma çekirdekleşme ve kristal büyümesi olarak adlandırılır. Çekirdekleşme; birkaç atomun, iyonun ya da molekülün birleşerek kararlı bir yapı oluşturmasına verilen isimdir. Kristal büyümesi, çekirdekleşme sürecinden sonra gerçekleşir ve oluşan parçacıklara madde birikmesi sonucu parçacıkların boyunun büyümesine verilen isimdir.

Eğer çekirdekleşme ağır basarsa, çözeltimizde boyutları küçük ama sayıca fazla parçacık gözlemleriz. Eğer kristal büyümesi ağır basarsa, çözeltimizde büyük boyutlu fakat sayıca az parçacık gözlemleriz. RSS ile birlikte düşünerek bu süreci yorumlayabiliriz. Yüksek RSS değerindeki anlık konsantrasyonun yüksek olduğunu söylemiştik, bu yüksek konsantrasyon çekirdekleşme sürecini çok hızlandırır. Tam tersini incelersek, düşük RSS değerinde anlık konsantrasyon düşük olduğu için çekirdekleşme sonrası oluşan parçacıkların etrafında madde birikimi gerçekleşir ve parçacıkların boyutları büyür.

LibreTexts

Analizin Aşamaları

1. Çöktürme: Bu aşamada analizini yapacağımız maddeyi çöktürücü ekleyerek çöktürürüz.
2. Olgunlaştırma: Bu aşamada amacımız elde edeceğimiz çökeleğin analize daha uygun olmasıdır. Olgunlaştırma sonucu elde ettiğimiz çökeleklerin boyu daha büyüktür ve saflığı daha fazladır. Olgunlaştırma sürecinde çözeltiyi ısıtırız, gerekirse madde konsantrasyonunu düşürürüz ya da çözeltinin pH değerini değiştiririz. Bu adım analizimiz için çok önemlidir, filtrelemeyi düzgünce yapamazsak ya da çökeleğimizde kirlilikler varsa analizimiz yanlış çıkacaktır. Kirlenmeden kurtulmak imkansızdır, amacımız olgunlaştırma ile birlikte bunu en aza indirmektir.
3. Filtreleme: Elde ettiğimiz çökeleğin filtrasyon sonucu çözeltiden ayrılması durumudur.
4. Yıkama: Çökelek, uygun bir madde kullanılarak yıkanır ve kirliliklerden arındırılır. Kullandığımız yıkayıcı, çökelek ile tepkimeye girmemelidir.
5. Kurutma: Metodumuz hassas bir şekilde kütle ölçmek üzerine olduğu için, herhangi bir ek kütle bizim hatalı bir sonuç bulmamıza yol açar. Çökelekler oluşurken araya sıkışan ya da havadan nem kapma sonucu örneğimizin yapısında bulunan su moleküllerini ısıtarak uzaklaştırırız.
6. Tartma: Analitik tartı kullanılarak örneğimizin kütlesi ölçülür. Çökeleği oluşturan maddeleri bildiğimiz için bu kütle değerinden yola çıkarak analit miktarını buluruz.

Wikimedia Commons

Sonuç

Gravimetrik analiz, doğru bir şekilde uygulanırsa çok kesin ve doğru sonuç verir. Periyodik tablodaki kimi elementlerin kütlesi, gravimetrik analiz sonucu belirlenmiştir. Aynı zamanda modern kimyasal tekniklerle kıyaslandığında çok daha ucuzdur. Bu kadar kesin sonuç vermesi ve ucuz olması dolayısıyla laboratuvarlarda diğer aletleri ve çözeltileri kalibre etmekte kullanılır.

Tabii ki bu kadar avantajı olmasına rağmen dezavantajları da vardır. Çöktürme gravimetrisini uygulamanın en zor yanı uygun çöktürücüyü bulmaktır. Birden fazla elementin olduğu çözeltilerde seçicilik çok önemlidir ve ne yazık ki her zaman istenen seçicilik sağlanamaz. Modern enstrümental teknikler hem daha çabuk sonuç verirken hem de birden fazla element bulunan örnekler analiz edilebilir.