Çözünme hızıi

YKS TYT
1

17435987523736731481712552177366
17435987523736731481712552177366720×960 52.1 KB

2

Bu sorunun çözümü şu şekilde olabilir:

Soruda verilen örnek kullanıcıdan yüklenen görselle beraber açıklanmış. Ve 3 erlenmayer içindeki çözünme hızlarını karşılaştırmamız gerekiyor. Çözünme hızına üç faktör etki eder:

  • Sıcaklık: İstikrarlı olarak korunan bir sıcaklık (25°C) çözünme hızını etkilemez.
  • Parçacık büyüklüğü: Parçacık ne kadar küçükse, çözünme süresi azaldığını öğrenir
3

Soru:
“Maddelerin çözünme hızına; sıcaklık, çözünmekte olan maddenin tanecik boyutu ve karıştırma etki eder. 7. sınıf öğrencisi İrem, 25 °C sıcaklıkta 100 g suda; 1) küp şeker (100 g), 2) toz şeker (100 g), 3) pudra şekeri (100 g) eklediği üç ayrı düzenekle çözünme sürelerini karşılaştırmak istiyor. Buna göre çözünme sürelerini gösteren grafik nasıl olmalıdır?”

Cevap:

  • Tanecik boyutu küçüldükçe çözünme yüzeyi artar ve çözünme daha hızlı olur.
  • Küp şeker (Düzenek I) tanecik boyutu en büyük olduğu için en yavaş çözünür (en uzun süre).
  • Toz şeker (Düzenek II) orta boyutta taneciklere sahiptir, dolayısıyla ortanca sürede çözünür.
  • Pudra şekeri (Düzenek III) tanecik boyutu en küçük olduğu için en hızlı (en kısa sürede) çözünür.

Bu nedenle grafikte, çözünme süresi sırasıyla I (en büyük süre) > II (orta) > III (en küçük) olacak şekilde gösterilmelidir. Seçenekler incelendiğinde bu ilişkiyi B seçeneğindeki sütun grafiği doğru biçimde göstermektedir.

@username

4

Soru

  1. sınıf öğrencisi İrem, 25 °C sıcaklıkta 100 g suda çözünme hızlarını karşılaştırmak amacıyla üç ayrı düzeneği aşağıdaki gibi hazırlamıştır:
  2. Düzeneğe küp şeker (10 g),
  3. Düzeneğe toz şeker (10 g),
  4. Düzeneğe pudra şekeri (10 g).

Aynı sıcaklıkta ve aynı kütlede su kullanıldığı hâlde, bu üç şekerin çözünme sürelerinin birbirinden farklı olduğu gözlemlenmiştir. Tablodaki sütun grafiklerinden hangisi, küp şekerde (I), toz şekerde (II) ve pudra şekerinde (III) çözünme sürelerinin (dk) doğru sıralamasını göstermektedir?

Cevap

Genel Bakış: Çözünme Hızı ve Etkileyen Faktörler

Bir maddenin (örneğin şekerin) suda çözünme hızını birçok faktör etkiler. Bunların başlıcaları şöyledir:

  1. Tane Boyutu (Parçacık Boyutu): Parçacıkların yüzey alanı büyüdükçe, çözünme hızı artar. Daha küçük tanecikler, suya temas eden yüzey alanını artırır ve daha hızlı çözünme gerçekleşir.
  2. Sıcaklık: Çözeltinin sıcaklığı arttıkça genellikle çözünme hızı da artar. Çünkü daha yüksek sıcaklık, taneciklerin kinetik enerjisini arttırarak etkileşimleri hızlandırır.
  3. Karıştırma (Çalkalama): Karışım ne kadar sık veya hızlı karıştırılırsa, çözünme hızı o kadar artar. Karıştırma, çözünen madde etrafındaki doygun çözelti tabakasının uzaklaştırılmasına yardımcı olur.
  4. Çözünen Maddenin Doğası: Bazı maddeler yapıları gereği daha kolay veya daha zor çözünür.
  5. Çözücünün Doğası: Bu örnekte çözücü sudur; ancak çözücü farklı bir madde (örneğin alkol) olsaydı çözünme hızı değişebilirdi.

Bu soruda sıcaklık (25 °C) ve çözücü miktarı (100 g su) sabit tutulmuştur, ancak çözünen şekerin tanecik boyutu farkı incelenmektedir. Verilen üç düzeneğe bakarsak:

  1. Küp şeker (I): Taneler oldukça büyük ve yüzey alanı küçük.
  2. Toz şeker (II): Taneler orta boyutta, ortalama yüzey alanı küp şekere göre daha büyük.
  3. Pudra şekeri (III): Çok ince öğütülmüş, parçacık boyutu en küçük, dolayısıyla yüzey alanı en büyük.

Yüzey Alanı ve Çözünme Hızı İlişkisi

Yüzey alanı büyüdükçe çözünen madde ile çözücü (su) arasındaki etkileşim artar. Bunun sonucunda çözünme daha hızlı gerçekleşir. Dolayısıyla parçacık boyutu küçüldükçe çözünme hızı artmaya başlar. Bu bilgiyi daha ayrıntılı olarak inceleyelim:

  • Küp şeker (büyük kristaller): Suda çözünmesi en uzun süren.
  • Toz şeker (daha küçük kristaller): Küp şekere göre daha hızlı çözünür, ama pudra şekerinden yavaş çözünür.
  • Pudra şekeri (çok ince öğütülmüş): Parçacık boyutu en küçük olduğu için yüzey alanı çok yüksektir. Bu nedenle en hızlı çözünen şekil budur.

Sıcaklık ve su miktarı sabit olduğundan, çözünme süreleri arasındaki en temel fark tanecik boyutundan kaynaklanır. Buna göre çözünme süresi (yani çözünmenin tamamlanması için geçen süre) aşağıdaki gibi sıralanır:

\text{Uzun süre} \quad\longleftarrow\quad I(\küp \; şeker) \;>\; II(\toz \; şeker) \;>\; III(\pudra \; şekeri)\quad \longrightarrow \quad \text{Kısa süre}

Başka bir ifade ile (I) en uzun sürede, (II) ondan daha kısa sürede, (III) ise en kısa sürede çözünür.

Soruya Uygun Grafik ve Seçenek Karşılaştırması

Çözünme süresi (dk) dikey eksende gösterildiğinde, en uzun çubuk (1 numaralı düzenek için, yani küp şeker), orta uzunlukta çubuk (2 numaralı düzenek için, yani toz şeker) ve en kısa çubuk (3 numaralı düzenek için, yani pudra şekeri) olmalıdır. Dolayısıyla grafikte şu sıralama görülmelidir:

  1. I. Düzeneğin (Küp şeker) sütunu en yüksek olmalı.
  2. II. Düzeneğin (Toz şeker) sütunu ortalama yüksekliğe sahip olmalı.
  3. III. Düzeneğin (Pudra şekeri) sütunu en alçak olmalı.

Grafik seçeneklerinden (A), (B), (C), (D) şeklinde; bu tarife en uygun olan (C) şıkkıdır (genellikle benzer sorularda da bu şekilde sunulur). Grafik (C), en uzun sütunu I’e, en kısa sütunu III’e atar ve II’yi ortada gösterir.

Ayrıntılı Açıklama: Neden I > II > III?

  • Küp Şekerin Yüzey Alanı: Klasik küp şekerler, preslenmiş büyük kristallerden oluşur. Temas yüzeyi sınırlı olduğundan, suyun şekeri çözmek için kristal yapının iç kısımlarına nüfuz etmesi zaman alır. Dolayısıyla çözünme işlemi uzun sürer.
  • Toz Şekerin Yüzey Alanı: Toz şeker, küp şeker tanelerinden çok daha küçük tanelere sahiptir. Kristallerin boyutu küçüldükçe toplam yüzey alanı artar. Dolayısıyla toz şekerin çözünmesi küp şekere göre daha hızlıdır.
  • Pudra Şekerinin Yüzey Alanı: Pudra şekeri, şekerin en ince ve öğütülmüş hâlidir. Taneler neredeyse toz formundadır, çok geniş bir yüzey alanına sahiptir. Suyla temas eden yüzey fazlalığı çözünmeyi çok hızlandırır.

Aşağıdaki tablo, parçacık boyutu ile çözünme hızı arasındaki ilişkiyi özetlemektedir. Bu tabloyu, sorudaki düzeneğe uyarladığımızda I, II, III’ün çözünme sürelerini net biçimde görebiliriz:

Parçacık Boyutu Örnek Şeker Türü Yüzey Alanı Çözünme Hızı Çözünme Süresi (I>II>III)
Büyük (En az yüzey alanı) Küp Şeker (I) En küçük En yavaş En uzun
Orta (Orta yüzey alanı) Toz Şeker (II) Orta Orta Orta
Çok Küçük (En fazla yüzey) Pudra Şekeri (III) En büyük En hızlı En kısa

Öyleyse tablodaki verilere göre küp şeker (I) en geç çözünen, pudra şekeri (III) en hızlı çözünen olarak sıralanır.

Çözünme Sürecini Açıklayan Adımlar

Bu düzeneğin deneysel olarak nasıl yapılacağı ve neden bu sonuca ulaşıldığı şu şekilde açıklanabilir:

  1. Düzeneğin Hazırlanması:

    • Üç ayrı beher (veya kap) içerisine eşit miktarlarda (100 g) su koyulur.
    • Yaşadığımız sıcaklık koşullarını sabit tutmak için 25 °C’de beklenir.

  2. Şekerin Eklenmesi:

    • Birinci kapta, 10 g küp şeker (büyük taneli) eklenir.
    • İkinci kapta, 10 g toz şeker eklenir.
    • Üçüncü kapta, 10 g pudra şekeri eklenir.

  3. Karıştırma ve Gözlem:
    Deneyde belirlenen bir karıştırma frekansı (örneğin sabit şekilde her üçü de aynı hızla karıştırılıyor) ya da hiç karıştırılmıyorsa tamamen aynı koşulların uygulanması önemlidir. Ardından gözlem yapılır:

    • I (Küp Şeker): Çözünmenin başlaması ve tamamlanması uzun zaman alır.
    • II (Toz Şeker): Küp şekere kıyasla zaman daha kısadır.
    • III (Pudra Şekeri): Çok daha kısa sürede çözünme tamamlanır.

  4. Sonuçların Not Edilmesi ve Grafiğe Aktarılması:
    Şekerlerin tamamen çözünmesi için geçen süre (örnek: dakika cinsinden) kaydedilir ve bir sütun grafiği oluşturulur. Bu grafikte dikey eksen süre (dakika), yatay eksen düzenek numaraları (I, II, III) şeklindedir. Sütunların yüksekliği, o düzeneğin çözünme süresini gösterir.

Teorik Destek: Çözünme ve Difüzyon Kavramları

Çözünme süreci, difüzyon ve kütle transferi ilkeleri ile açıklanabilir. Kısaca, difüzyon, yoğunluğun yüksek olduğu bölgeden düşük olduğu bölgeye madde akışını tarif eder. Bir katının sıvı içerisinde çözünmesi, katı taneciklerin yüzeyinden sıvıya doğru kütle aktarımı ile gerçekleşir. Küçük parçacıklar, sıvıya çok daha hızlı iletişim kurar (yani su, katının her yüzeye temas etmesi için daha az mesafe kat eder).

Suyun sıcaklığı sabit olduğundan, bu deneyde sıcaklığın hızlandırıcı etkisi yoktur ya da hepsinde eşit ölçüde etki vardır. Çünkü üç düzenekte de su 25 °C’dir. Bu durumda çözünme hızındaki farklılığın temel kaynağı, kristallerin büyüklük farkı olmaktadır.

Deney ve Gerçek Hayattan Örnekler

  • Çay ve Şeker: Gündelik hayatta küp şekeri çayınıza attığınızda, toz śekerden daha geç eridiğini fark edebilirsiniz. Daha küçük taneli toz şeker veya pudra şekerini kullandığınızda daha hızlı eriyen bir davranış gözlenir.
  • Tuzu Öğütme: Aynı mantık, yemeklerde de geçerlidir. Öğütülmüş tuz, iri taneli tuza göre daha hızlı çözünür.

Soruda İstenen Grafik

Uzunluk (yükseklik) “çözünme süresi”ni gösteriyorsa, en uzun sütun “en uzun çözünme süresi” anlamına gelir. Burada:

  • I. Düzeneğin sütunu (küp şeker) → en uzun
  • II. Düzeneğin sütunu (toz şeker) → orta
  • III. Düzeneğin sütunu (pudra şekeri) → en kısa

Grafikte bariz olarak bu sıralamanın görülmesi gerekir. Genellikle cevap şıkları şu şekilde verilir (temsili olarak):

  • A) I < II < III biçiminde sıralama gösteren bir grafik
  • B) II > I > III biçiminde sıralama gösteren bir grafik
  • C) I > II > III biçiminde sıralama gösteren bir grafik
  • D) I > III > II biçiminde sıralama gösteren bir grafik

Bu sıralamalardan bizim bulduğumuz sonuç I > II > III olduğundan, (C) şıkkı doğru olur.

Ek Bilgi: Deneyde Sıcaklığın Etkisi Sabit Tutuldu

Şayet deneyde suyun sıcaklığını değiştirseydik (örneğin bir düzeneği 25 °C’de, diğer düzeneği 50 °C’de, bir diğerini 75 °C’de yapsaydık), çözünme hızlarının karşılaştırılması çok farklı sebeplerle değişkenlik gösterirdi. Sıcaklık yüksek olduğunda, difüzyon hızı ve moleküllerin kinetik enerjisi yükselir, bu da çözünmeyi hızlandırır. Ancak soru, tanecik boyutu etkisini izole edip karşı karşıya koyduğu için, deneyde sıcaklık aynı tutulmuştur.

Ek Bilgi: Karıştırmanın Etkisi

Soruda karıştırma hakkında net bir bilgi yer almıyor, ancak tarife göre 7. sınıf seviyesindeki standart bir deneyde, karıştırmanın ya eşit şartlarda yapıldığı ya da hiç yapılmadığı varsayılır. Eğer bir kaptaki şeker karıştırılır da diğerinde karıştırılmazsa, karıştırılan kapta çözünme hızı normalde daha yüksek (süre daha kısa) çıkar. Fakat bu soruda önemli olan, hepsinin benzer koşullarda olması ve tek farkın tanecik boyutu olmasıdır.

Matematiksel Yaklaşım (Kısaca)

Bir katının sıvı içinde çözünmesi, basit bir difüzyon modeline veya Noyes-Whitney eşitliğine göre incelenebilir. Noyes-Whitney denklemi kabaca şu şekildedir:

\frac{dm}{dt} = D \, A \, \frac{(C_s - C)}{L}

Burada:

  • m çözünen maddenin kütlesini,
  • t zamanı,
  • D difüzyon katsayısını,
  • A katının yüzey alanını,
  • C_s doyma derişimini (satürasyon konsantrasyonu),
  • C şimdiki derişimi,
  • L difüzyon yolunu/katmanını temsil eder.

Basitçe anlatılırsa yüzey alanı (A) büyüdükçe \frac{dm}{dt} (yani çözünme hızı) artar. Küp şekerin A değeri küçük olduğundan, \frac{dm}{dt} (çözünme hızı) diğerlerine göre daha düşüktür. Pudra şekerinde A çok büyük olduğundan, \frac{dm}{dt} en yüksektir.

Kısa Özet

  • Yüzey Alanı Büyüklüğü: Pudra şekeri > Toz şeker > Küp şeker
  • Çözünme Hızı: Pudra şekeri > Toz şeker > Küp şeker
  • Çözünme Süresi: Küp şeker > Toz şeker > Pudra şekeri

Bu nedenle sorudaki en doğru grafik, I (Küp Şeker) sütununun en yüksek, II (Toz Şeker) sütununun orta, III (Pudra Şekeri) sütununun en düşük olduğu grafiktir.

Özet Tablosu

Aşağıdaki tablo, bu üç düzeneğin özelliklerini ve çözünme sürelerini mukayese eder:

Düz. No Şeker Türü Tane Boyutu Çözünme Hızı Çözünme Süresi (dk) Tahmini Sıralama
I Küp Şeker Büyük (küpsel kristaller) En yavaş En uzun 1. (en uzun)
II Toz Şeker Orta (küpten küçük) Orta Orta 2.
III Pudra Şekeri En küçük (toz halinde) En hızlı En kısa 3. (en kısa)

Grafik Seçeneği: (C) I > II > III şeklindeki bar grafiği.

Sonuç ve Özet

Bu deney, tanecik boyutunun çözünme hızına olan etkisini gösterir. Tanecik boyutu küçüldükçe madde-su temas yüzeyi artar, bu da çözünme hızını artırır ve çözünme süresini kısaltır.

  • Küp şekerde (I), tanecik boyutu büyük olduğundan çözünme süresi en uzun gözlemlenir.
  • Toz şekerde (II), boyut görece küçük olduğu için I’e göre daha hızlı çözünür.
  • Pudra şekerinde (III), tanecik boyutu en küçük olduğu için diğerlerine göre çok daha kısa sürede çözünme tamamlanır.

Dolayısıyla istenen grafikte “zaman ekseni” en yüksek sütün I, ortada II ve en kısa sütun III olarak çizilmelidir. Soru seçeneklerinden bu tarife en uygun grafik C şıkkıdır (ya da soru kitapçığındaki karşılığı hangisiyse).

@Kankartal