Çözülme

Çözülme, çözücünün moleküller ile etkileşimini tanımlar. Hem iyonize hem de yüksüz moleküller, çözücü ile güçlü bir şekilde etkileşir ve bu etkileşimin gücü ve doğası, çözücünün viskozite ve yoğunluk gibi özelliklerini etkilemenin yanı sıra çözünürlük, reaktivite ve renk dahil olmak üzere çözülen maddenin birçok özelliğini etkiler. Çözülme sürecinde iyonlar eş merkezli bir çözücü kabuğu ile çevrelenir. Çözülme, çözücü ve çözünen moleküllerin çözünme kompleksleri halinde yeniden düzenlenmesi sürecidir.

IUPAC tanımına göre, çözünen maddenin çözücü ile etkileşimine solvasyon(çözülme) denir. Solvasyon, çözücü moleküllerin çevrelediği ardından da çözünen iyonlarıyla ya da molekülleriyle etkileşime girdiği işlemdir. Kararlılık sabitleri, çözeltideki komplekslerin konsantrasyonunu hesaplamak için gereken bilgileri sağlar. Solvasyon, ayrıca çözünmeyen bir malzemeye uygulanabilmektedir. Bu duruma örnek olarak iyon değişim reçinelerinde fonksiyonel grupların çözünmesini verebiliriz. Bu reçineler suda sertli gidermek için, kalsiyum ve magnezyum tuzlarını, yüksek çözünürlükte sodyum tuzlarıyla yer değiştirir.

Çözünme ve çözünürlük kavram olarak birbirinden farklıdır. Çözünme bir maddenin kimyasal özelliklerini kaybetmeden serbest moleküler halinde dağılması demektir ve bu sürece de çözünme hızı denir. Çözünürlük, sabit sıcaklıktaki bir maddenin çözünme hızının çökelme hızına eşit olduğu andaki derişimidir. Çözünme ve çözünürlüğün birimlerin dikkate alındığında ikisi arasındaki ayrım daha net hale gelecektir. Çözünme hızı için kullanılan birim mol/s'dir. Çözünürlük için kullanılan birim ise hacim başına kütle (mg/mL), molarite (mol/L)' dir.

Çözülme, farklı moleküller arası etkileşim türlerini içerir: hidrojen bağı, iyon-dipol etkileşimleri ve Van der Waals kuvvetleri (dipol-dipol, eyletik çiftucay döngüsü ve eyletik dipol kaynaklı dipol etkileşimlerinden oluşur). Bu kuvvetlerden hangisinin rol oynadığı çözücünün ve çözülen maddenin moleküler yapısına ve özelliklerine bağlıdır. Çözücü ve çözülen madde arasındaki bu özelliklerin benzerliği veya tamamlayıcı karakteri, bir çözülen maddenin belirli bir çözücü tarafından ne kadar iyi çözülebileceğini belirler.

Çözücü polarlığı, belirli bir çözülen maddeyi ne kadar iyi çözdüğünü belirlemede en önemli faktördür. .Polar çözücüler, moleküler dipollere sahiptir, yani çözücü molekülün bir kısmı, molekülün başka bir kısmından daha fazla elektron yoğunluğuna sahiptir. Daha fazla elektrona yoğunluğuna sahip kısım kısmi bir negatif yük yaşarken, daha az elektron yoğunluğuna sahip kısım kısmi bir pozitif yük yaşayacaktır. Polar çözücü molekülleri, elektrostatik çekim yoluyla molekülün uygun kısmen yüklü bölümünü çözünen maddeye doğru yönlendirebildikleri için polar çözülen maddeleri ve iyonları çözebilir. Bu sistem stabilize eder ve her bir çözülen partikülün etrafında bir çözülme kabuğu (veya su durumunda hidrasyon kabuğu) oluşturur. Çözülen bir parçacığın hemen yakınındaki çözücü molekülleri çoğu zaman çözücünün geri kalanından çok daha farklı bir sıralamaya sahiptir ve farklı çözücü moleküllerinin bu alanına siyotaktik bölge adı verilir. Su en yaygın ve iyi çalışmış polar çözücüdür, ancak etanol, metanol, aseton, asetonitril ve dimetil sülf oksit gibi diğerleride mevcuttur. Çözücü polaritesini sınıflandırmak için başka çözücü ölçekleri de kullanılsa da polar çözücülerin genellikle yüksek bir dielektrik sabitine sahip olduğu bulunmuştur. Polar çözücüler, tuzlar gibi inorganik veya iyonik bileşikleri çözmek için kullanılabilir. Bir çözeltinin iletkenliği, iyonlarının çözülmesine bağlıdır. Polar olmayan çözücüler iyonları çözemez ve iyonlar iyon çifti olarak bulunur.

Molekülleri polar olan kovalent bağlı moleküllerde hidrojen bağı vardır .Polar çözücüler, Protik ve Aprotik çözücüler olarak iki farklı grupta incelenebilir. Protik çözücüler, hidrojen bağı için gerekli kimyasal bağlara sahiptirler, bu sayede de hidrojen bağı oluşturabilirler. Aprotik çözücüler ise hidrojen bağı için gerekli olan kimyasal bağlara sahip değildir. Protik çözücüler, hidrojen bağlarını kabul eden çözücüleri çözebilmektedirler. Aynı şekilde, bir hidrojen bağını kabul eden çözücüler, hidrojen bağı olan çözücüleri çözebilmektedir. Su gibi çözücüler, hidrojen bağlarını kabul ederler. Protik çözücülerin su ile karışma isteği yüksektir. Bu yüzden en iyi protik çözücü sudur.

Solventler(çözücü), maddeleri çözmek veya seyreltmek için kullanılan kimyasal sıvılardır. Solvayokromizm ise çözülen maddenin kimyasal yapısına ve fiziksel özelliklerine bağlı olarak gözlenir. Ayrıca farklı çözücülerin aynı çözünen madde ile nasıl farklı etkileşime girdiğini gösterir.

Çözülme işlemi, yalnızca ayrılmış çözücünün ve katının (gaz veya sıvının) Gibbs enerjisine kıyasla, çözeltinin toplam Gibbs enerjisi azalırsa termodinamik olarak tercih edilecektir. Bu, entalpideki değişimin eksi entropideki değişimin (mutlak sıcaklık ile çarpılır) negatif bir değer olduğu veya sistemin Gibbs enerjisinin azaldığı anlamına gelir. Gibbs' in negatif enerjisi kendiliğinden bir süreci gösterir, ancak çözünme oranı hakkında bilgi vermez.

Çözülme, farklı enerji sonuçları olan birden fazla adımı içerir. İlk olarak çözünen madde için yer açmak için çözücüde bir boşluk oluşmalıdır. Bu, hem entropik hem de entalpik olarak elverişsizdir, etkileşimleri azalır. Çözücü molekülleri arasındaki daha güçlü etkileşimler, boşluk oluşumu için daha büyük bir entalpik cezaya yol açar. Daha sonra, çözünen bir parçacık kütleden ayrılmalıdır. Bu çözünen- çözünen etkileşimler azaldığı için entalpik olarak elverişsizdir, ancak çözünen parçacık boşluğa girdiğinde, ortaya çıkan çözücü-çözünen etkileşimler entalpik olarak elverişlidir. Son olarak, çözünen çözücüye karıştığında, bir entropi kazancı vardır.

Çözücü ile çözünen tanecikler arasındaki etkileşim, kendi tanecikleri arasındaki etkileşimden zayıfsa çözünme endotermik, kuvvetli ise de ekzotermik olarak gerçekleşir. Çözünme üç basamakta gerçekleşmektedir; ilk basamakta çözücü moleküller ayrılır, ikinci basamakta ise çözünen moleküller ayrılır. Bu iki basamak endotermiktir. Üçüncü basamakta da çözücü moleküller ve çözünen moleküller karışır. Bu basamak endotermik veya ekzotermik olabilir. Çözeltinin ısısı üç basamağın ısılarının toplamına eşittir.

Bir iyonun salınması için gerekli olan enerji, bir çözücü molekülü ile birleştirildiğinde enerjilerin arasındaki fark, çözeltinin entalpi değişimidir. Çözeltinin entalpi değişimi için negatif bir değer, çözünmüş bir iyonu ifade ederken, yüksek pozitif bir değer ise solvasyonun gerçekleşmeyeceğini ifade eder. İyon, pozitif bir entalpi değeri olsa bile çözülmesi mümkündür. Gerekli olan enerji ise iyon çözüldüğü zaman ortaya çıkan entropideki artıştan ortaya çıkar.

Çözücü ve çözünen etkileşimler, solvasyon sürecini elverişli hale getirir. Çözünenin farklı çözücülerde çözünmesinin elverişli olduğunu karşılaştırması için için transferin serbest enerjisini dikkate almak gerekir. Transferin serbest enerjisi, iki farklı çözücüde çözünenin seyreltik çözeltileri arasındaki enerji farkını ölçmeye yarar. Bu değer esas olarak çözünen ve çözünen etkileşimleri dahil etmeden solvasyon enerjilerinin karşılaştırılmasını sağlar.

Çözeltilerin termodinamik analizi modellenerek yapılmaktadır. Örneğin, suya sodyum klorür eklenirse tuz, sodyum ve klorür iyonlarına ayrışır. Gerçekleşen ayrışma için denge sabiti, bu reaksiyonun Gibbs enerjisindeki değişimi ile tahmin edilir.

Çözülme (özellikle hidrasyon) birçok biyolojik yapı ve süreç için önemlidir. Örneğin, sulu çözeltilerdeki DNA ve proteinler gibi iyonların ve/veya yüklü makro moleküllerin çözülmesi, biyolojik işlevden sorumlu olabilecek heterojen düğümlerin oluşumunu etkiler. Başka bir örnek, protein katlanması, kısmen protein ve çevresindeki su molekülleri arasındaki etkileşimlerde olumu bir değişiklik nedeniyle kendiliğinden gerçekleşir. Katlanmış proteinler, hidrojen bağıda dahil olmak üzere katlanmış protein yapısındaki solvasyon ve daha güçlü molekül içi etkileşimlerin bir kombinasyonu nedeni ile katlanmamış duruma göre 5-10 kcal/ mol ile stabilize edilir. Suya maruz kalan hidrofobik yan zincirlerin sayısını, katlanmış bir proteinin merkezine gömerek en aza indirgemek, çözülme ile ilgili itici bir güçtür.

Solvasyon(çözülme) ayrıca ev sahibi- konuk kompleksleşmesini de etkiler. Birçok konakçı molekül, hidrofobik bir konuğu kolayca kapsülleyen hidrofobik bir gözeneğe sahiptir. Bu etkileşimler, ilaç dağıtımı gibi uygulamalarda kullanılabilir, böylece hidrofobik bir ilaç molekülü, bir ilacı çözündürmek için kovalent olarak değiştirmeye gerek kalmadan biyolojik bir sistemde teslim edilebilir. Ev sahibi-konuk kompleksleri için bağlayıcı sabitler, çözücünün polaritesine bağlıdır.