Karışımların Ayrılması: Özellikleri Kullanarak Maddeleri Keşfetmek
Maddelerin birleşerek yeni özellikler kazanmadan, sadece rastgele bir araya geldiği karışımları daha önce öğrenmiştik. Peki, bu karışımların içindeki maddeleri tekrar eski, saf hâllerine döndürmek istersek ne yapmalıyız? Karışımların en önemli özelliği fiziksel yollarla kendilerini oluşturan maddelere ayrılabilmeleridir. Bu ayırma işlemi, maddelerin sahip olduğu fiziksel farklılıklar (yoğunluk, kaynama noktası, boyut, manyetik özellik vb.) kullanılarak yapılır.
Daha önceki yıllarda eleme (katı-katı büyüklük farkı), süzme (katı-sıvı büyüklük farkı) ve mıknatısla ayırma (mıknatısın çektiği maddeler) gibi basit ayırma yöntemlerini öğrenmiştiniz. Şimdi, biraz daha karmaşık karışımları (homojen ve sıvı-sıvı heterojen karışımlar) ayırmak için kullandığımız üç önemli yöntemi ve bu yöntemlerin bilim tarihindeki yerini inceleyeceğiz.
1. Buharlaştırma Yöntemi (Katı-Sıvı Çözeltileri)
Bir katı madde bir sıvı içinde tamamen çözündüğünde, süzme veya eleme gibi basit yöntemler işe yaramaz. Çünkü katı madde o kadar küçük parçalara (atomlara/moleküllere) ayrılmıştır ki süzgecin deliklerinden sıvı ile birlikte rahatça geçer. Tuzlu su veya şekerli suyu süzerek tuzu veya şekeri ayıramazsınız.
Böyle bir çözeltideki katı maddeyi elde etmek istiyorsak buharlaştırma yöntemini kullanırız. - Nasıl Yapılır? Çözelti ısıtılır. Sıvı olan madde (su) kaynayarak ve buharlaşarak gaz hâline geçer ve uçar. Kabın dibinde ise buharlaşmayan katı madde (tuz veya şeker) çökelerek kalır. - Kullanım Alanları: Deniz suyundan veya tuz göllerinden sofra tuzu elde edilmesi bu yöntemle yapılır. Geniş havuzlara alınan tuzlu su, Güneş'in ısısıyla buharlaşır ve geriye tonlarca tuz kalır. Salça ve pekmez yapımında da fazla su buharlaştırılarak kıvam elde edilir. - Not: Bu yöntemde amacımız genellikle sadece katı maddeyi elde etmektir. Çünkü su buharlaşıp atmosfere karışarak kaybolur.
2. Yoğunluk Farkı ile Ayırma (Ayırma Hunisi)
Birbirine karışmayan, biri altta diğeri üstte duran iki farklı sıvının oluşturduğu (heterojen sıvı-sıvı) karışımları ayırmak için kullanılır. Bu yöntemin temel prensibi maddelerin yoğunluklarının (özkütlelerinin) birbirinden farklı olmasıdır. - Nasıl Yapılır? Laboratuvarda alt kısmı musluklu, camdan yapılmış armut biçimli bir kaba ayırma hunisi denir. Karışım bu huniye konulup bir süre beklenir. Yoğunluğu büyük olan (ağır olan) sıvı dibe çökerken, yoğunluğu küçük olan (hafif olan) sıvı üstte kalır. Alttaki musluk dikkatlice açılır ve alttaki sıvı başka bir kaba akar. Üstteki sıvının sınırı musluğa geldiği an musluk kapatılır. Böylece iki sıvı kusursuzca ayrılmış olur. - Kullanım Alanları: En bilinen örneği Zeytinyağı - Su karışımıdır. Suyun yoğunluğu zeytinyağından büyüktür, bu yüzden su altta, yağ üstte birikir. Musluk açıldığında önce su akar, yağ ise hunide kalır.
3. Damıtma (Kaynama Noktası Farkı ile Ayırma)
Birbiri içinde tamamen çözünen, tek bir madde gibi görünen sıvı-sıvı homojen karışımları (çözeltileri) ayırmak için kullanılan en etkili yöntemdir. Bu yöntemin sırrı, sıvıların kaynama noktalarının farklı olmasında gizlidir. - Nasıl Yapılır? Çözelti, kapalı bir sistemde (damıtma balonu) ısıtılır. Kaynama noktası düşük olan sıvı, diğer sıvıdan çok daha önce kaynamaya başlar ve hızla buharlaşır. Ancak buharlaştırma yöntemindeki gibi havaya karışıp gitmez. Bu buhar, soğutucu (yoğunlaştırıcı) adı verilen özel bir cam boruya yönlendirilir. Soğuk ortamla karşılaşan gaz hâlindeki madde aniden yoğuşarak tekrar sıvı hâle döner ve başka bir toplama kabında birikir. (Elde edilen bu saf sıvıya destilat denir). Kaynama noktası yüksek olan sıvı ise ısıtılan ilk kapta kalır. - Kullanım Alanları: Etil alkol-su karışımını (kolonyayı) ayırmak için kullanılır. Alkol $78^\circ C$'de, su ise $100^\circ C$'de kaynar. Karışım ısıtıldığında önce alkol buharlaşıp diğer kapta birikir. Ayrıca ham petrolün rafinerilerde işlenerek benzin, motorin, gaz yağı, asfalt ve plastik gibi bileşenlerine ayrılması da ayrımsal damıtma adı verilen devasa kulelerde bu mantıkla yapılır.
Bilim Tarihinden Bir Yaprak: Câbir bin Hayyân
Bugün kullandığımız damıtma düzeneğini ve birçok laboratuvar malzemesini keşfeden kişinin, 8. yüzyılda (721-815 yılları arasında) yaşamış olan ünlü İslam âlimi Câbir bin Hayyân olduğunu biliyor muydunuz? Câbir bin Hayyân, kimya biliminin kurucularından kabul edilir. Damıtma işlemini gerçekleştirmek için "imbik" adı verilen aracı icat etmiştir. Deneylere ve ölçümlere çok önem vermiş; sitrik asit, asetik asit ve hatta altını bile eritebilen "Kral Suyu" gibi birçok kimyasal maddeyi ilk defa o keşfetmiştir. Onun icat ettiği fırınlar, tüpler ve damıtma imbiği yüzyıllar boyunca dünyadaki tüm kimyagerler tarafından kullanılmıştır. Modern bilimin gelişmesinde, geçmişte yaşayan bu büyük dehaların deneylerinin ve meraklarının payı çok büyüktür.
Özetle, doğadaki maddeleri ihtiyaçlarımıza göre kullanabilmek için sadece onları karıştırmayı değil, aynı zamanda karışımları doğru yöntemlerle bileşenlerine ayırmayı da bilmemiz gerekir. Bir karışımı ayırmak için; içindeki maddelerin fiziksel hâllerine, birbirleri içinde çözünüp çözünmediklerine ve fiziksel özelliklerine (yoğunluk, kaynama noktası gibi) dikkatlice bakarak en uygun yöntemi seçmeliyiz.