📝 பயிற்சி

(அ) கலவை என்பது இரு அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட பொருட்கள் வேதியியல் வினையில் ஈடுபடாமல், தங்கள் தனிப்பண்புகளை இழக்காமல், எந்த விகிதத்திலும் கலந்திருக்கும் சேர்வை.

கூட்டுப்பொருளுக்கும் கலவைக்கும் வேறுபாடுகள்:

| பண்பு | கலவை | கூட்டுப்பொருள் |
|---|---|---|
| Composition | Variable (any ratio) | Fixed (definite ratio, e.g. H:O = 2:1 in H₂O) |
| Bond | வேதியியல் bond இல்லை | Atoms chemically bonded |
| Separation | Physical method (filter, distill, magnet) | Chemical reaction மட்டுமே |

(ஆ) ஒத்த கலவை (homogeneous): கூறுகள் முழுவதிலும் ஒரே வீத விகிதத்தில் கலந்துள்ளவை. பார்ப்பதற்கு ஒரே நிறம், ஒரே நிலை — sample location-ஐ பொறுத்தில்லாமல் composition same.
உதா-1: உப்புக் கரைசல் — beaker-ன் மேலிலிருந்தும் கீழிலிருந்தும் எடுத்தாலும் same salt concentration.
உதா-2: காற்று — N₂ (78%), O₂ (21%), Ar (0.9%), CO₂ (0.04%) ஒரே மாதிரி கலந்தது.

ஒத்தற்ற கலவை (heterogeneous): கூறுகள் வேறுவேறு பகுதிகளில் வேறுபடும் அளவில் கலந்தவை. கூறுகள் தனித்தனியே பார்க்க முடியும்; phase boundaries கண்ணுக்குப் புலப்படும்.
உதா-1: மண் — மணல், களி, இலையடிமம், சிறு கல்—ஒரு பகுதியில் அதிக மணல், மற்றொன்றில் அதிக களி.
உதா-2: எண்ணெய் + நீர் — immiscible, இரண்டு தனி layers; எண்ணெய் மேலே, நீர் கீழே (density வேறுபாட்டால்).

(அ) Molarity கணக்கீடு:
NaOH-ன் மொலார் திணிவு = 23 + 16 + 1 = 40 g mol⁻¹
n (NaOH) = நிறை / மொலார் திணிவு = 4 g / 40 g mol⁻¹ = 0.1 mol
V = 100 cm³ = 100/1000 = 0.1 dm³
C = n / V = 0.1 mol / 0.1 dm³ = 1.0 mol dm⁻³

(ஆ) தேவையான KCl நிறை:
KCl-ன் மொலார் திணிவு = 39 + 35.5 = 74.5 g mol⁻¹
n (KCl) = C × V = 0.2 mol/dm³ × 0.25 dm³ = 0.05 mol
நிறை = n × M = 0.05 × 74.5 = 3.725 g

(இ) அலகுகள் அட்டவணை:

| அளவீடு | சூத்திரம் | அலகு |
|---|---|---|
| நிறை பின்னம் (Mass fraction) | m(கரைதி) / m(கரைசல்) | அலகற்றது |
| நிறை செறிவு (Mass concentration) | m(கரைதி) / V(கரைசல்) | g dm⁻³ அல்லது g L⁻¹ |
| மோலாரிட்டி (Molarity) | n / V | mol dm⁻³ அல்லது mol L⁻¹ |
| மோல் பின்னம் (Mole fraction) | n_A / Σn | அலகற்றது |

கரைதிறன் (Solubility): ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில், 100 g நீரில் (கரைப்பானில்) கரையக்கூடிய ஒரு கரைதியின் அதிகபட்ச நிறை. அலகு = g per 100 g நீர். கரைதிறன் temperature-ஐப் பொறுத்து கணிசமாக மாறும்.

(1) திட கரைதிகள் — பெரும்பாலானவை T↑ → solubility↑:
KNO₃ classic உதாரணம் — 25°C-ல் ~38 g, 80°C-ல் ~170 g (4× அதிகரிப்பு). NaCl exception: temperature-ஆல் மிக சிறிது மட்டுமே மாறும் (~36g flat). CuSO₄, KCl, sugar — T↑ → solubility↑.

காரணம்: Solid dissolution பெரும்பாலும் endothermic (energy-consuming). High T → higher kinetic energy → lattice break easier → more dissolution.

நடைமுறை: சூடான தேனீரில் சர்க்கரை பெருமளவில் கரையும்; குளிர்ந்தபின் crystallize ஆகும். Industrial purification — hot dissolve → cool → pure crystals (recrystallization).

(2) வளி கரைதிகள் — T↑ → solubility↓ (நேர்மாறானது):
O₂, CO₂, N₂ — high T-ல் கரைதிறன் குறையும். 0°C நீரில் 14 mg/L O₂; 25°C-ல் 8 mg/L; 35°C-ல் 7 mg/L.

காரணம்: Gas dissolution typically exothermic (Le Chatelier — heat = product → high T pushes gas out). KE increase → gas molecules escape liquid.

உதாரணம் — மீன் survival: சூடான குளம்/நதி → கரைந்த ஆக்சிசன் (DO) குறை → மீன் suffocation. கோடைகாலத்தில் fish kill events common; thermal pollution from power plants கூட same effect.

உதாரணம் — Soda fizz: Cold soda-ல் CO₂ அதிகம் கரைந்திருக்கும்; சூடாக ஆக்கினால் pressure release → fizz வெளியேறி flat. அதனாலேயே refrigeration.

முடிவு: திடம் ↔ வாயு — opposite temperature behaviour. மக்கள் சாப்பாட்டிலும் (சூடான மருந்து கரைய), மீன்பிடியிலும் (குளிர் நீர் oxygen-rich), industry-ய்லும் (cooling crystallization) அன்றாடப் பயன்.

(1) சல்லடைப் பிரிப்பு (Filtration):
Principle: Pore size வேறுபாடு. கரையாத திட துகள்கள் pore-ஐ விட பெரியவை → filter மீது நின்றுவிடும்; திரவம் pore-ஊடாக கீழே செல்லும்.
Use: கரையாத திண்மம் + திரவம் கலவையை பிரித்தல்.
உதா: மண்-நீர் கலவை; மருந்தாக்கு பாலாதலி suspended impurities; வீட்டுத் தண்ணீர் sand filter.

(2) எளிய வடித்தல் (Simple Distillation):
Principle: கொதி நிலை வேறுபாடு. திரவம் boil → vapour → condenser-ல் cool → liquid distillate; non-volatile solute flask-ல் மிஞ்சும்.
Use: கரைந்த uppu + நீர் கலவை.
உதா: கடல் நீர் → desalination → drinking water; perfume distillation; ethanol from fermented mash (first cut).

(3) பகுதிப் பிரித்தாக்கம் (Fractional Distillation):
Principle: Multiple boiling points அருகில் இருக்கும்போது fractionating column-உள் நிலைப்படியான separation. Vapour ஏற — cool plates-ல் reflux + revaporize repeatedly.
Use: கச்சா எண்ணெய் (crude oil) → petrol, diesel, kerosene, bitumen.
உதா: Petroleum refinery 60m tall column; whiskey distillery; liquid air → liquid N₂ + O₂ medical.

(4) படிகமாதல் (Crystallization):
Principle: Solubility temperature-dependent. Hot saturated solution + slow cool → solubility limit exceed → pure crystals form.
Use: கரைந்த uppu + impurities → pure crystals.
உதா: கடல் உப்பளம் (sun-driven evaporation); CuSO₄·5H₂O blue crystals lab; sugar industry; pharmaceutical drug purification.

(5) நிறப்பகுப்பாய்வு (Chromatography):
Principle: Mobile phase (solvent) over stationary phase (paper / silica) — components varying affinity → different rates of migration → separation.
Use: நிறமிகள், amino acids, drugs — small amounts purification + identification.
உதா: இலையின் chlorophyll a + b + carotenoid பிரிப்பு (school lab); forensic ink analysis; pharma quality control; modern HPLC + LC-MS sophisticated versions.

முறையைத் தேர்வுசெய்யும் key: கலவையின் physical property வேறுபாட்டை identify செய்து matching method தேர்வு செய்க — particle size (filter), BP (distill), solubility (crystallize), polarity (chromatography), magnetism (magnet).

மூன்று கரைசல் வகைகள்:

(1) நிறையற்ற கரைசல் (Unsaturated): கரைதியின் அளவு temperature-ல் கரைதிறன் limit-க்கு கீழே. கூடுதலாக கரைதி சேர்த்தால் கரைய முடியும். உதா: 25°C-ல் 20 g NaCl in 100 g water (limit 36 g).

(2) நிறை கரைசல் (Saturated): கரைதி அதிகபட்ச (கரைதிறன்) அளவில் உள்ளது — dynamic equilibrium. கூடுதலாக சேர்த்தால் கரையாமல் crystal form-ல் கீழே precipitate. உதா: 25°C-ல் 36 g NaCl in 100 g water = saturation point.

(3) மிகை நிறை கரைசல் (Supersaturated): Saturation point-க்கு மேலே, ஆனால் temporarily கரைந்த நிலை — மிக unstable (metastable). எந்தச் சிறு disturbance-ஆலும் excess solute crystal form-ல் வீழ்படியும்.

தயாரிப்பு வழி (preparation):
(1) Hot water (60-80°C) எடுக்கவும்.
(2) Excess solute (NaCl, sodium acetate, etc.) கரைய வைக்கவும் — high T-ல் higher solubility.
(3) Filter to remove any undissolved particles (nucleation site removal).
(4) கரைசலை slow + undisturbed cooling — air-tight container-ல், movement இல்லாமல், temperature gradient soft-ஆக.
(5) Cool solution = supersaturated (excess கரைந்த நிலையில் இருக்கின்றது, ஆனால் thermodynamically unstable).

Disturbance → crystallization:
• ஒரு tiny seed crystal drop செய்தாலோ, அல்லது container-ஐ tap செய்தாலோ — அக்கணமே excess solute pure crystals-ஆக mass-crystallize. அழகான cascade!

நடைமுறை உதாரணங்கள்:

Rock candy: Super-saturated sugar syrup-ல் string drop → string மீது large sugar crystals slowly grow. குழந்தைகளுக்குப் பிடித்த lab activity.

Hand warmer (sodium acetate): Heat pack-ல் supersaturated sodium acetate solution. Metal disc click செய்தபோது nucleation → exothermic crystallization → 54°C heat release.

Honey crystallization: Honey = supersaturated sugar in water. Long storage-ல் glucose crystals slowly form → cloudy/grainy honey. Heat-ஆல் re-dissolve.

Cloud formation: Supersaturated water vapour atmosphere-ல் — dust particles seed → condensation → cloud droplet. Atmospheric chemistry-ல் same principle.

| சேர்வை | வகை | பிரிப்பு முறை |
|---|---|---|
| உப்புக் கரைசல் | ஒத்த கலவை (NaCl dissolved uniformly in water) | Simple distillation (BP difference) → distillate = pure water; flask residue = solid NaCl. அல்லது evaporation/crystallization → salt crystals. |
| காற்று | ஒத்த கலவை (N₂ 78%, O₂ 21%, Ar 0.9%, CO₂ 0.04% uniform mix of gases) | Liquefaction + fractional distillation. காற்றை −200°C-ஆக cool → liquid air → fractionating column — N₂ first (BP −196°C), then Ar, then O₂ (BP −183°C). Medical O₂, industrial N₂ ఇதே. |
| மண் | ஒத்தற்ற கலவை (மணல், களி, அழியடிமம், சிறுகற்கள் — uneven) | (1) Sieving — particle size அளவின்படி பிரித்தல் (geological sieves). (2) நீர் சேர்த்து stir → settling → decantation → layers (gravel sink first, clay last). (3) Filtration of clay-water suspension. |
| எண்ணெய் + நீர் | ஒத்தற்ற கலவை (immiscible, two layers) | Separating funnel — heavier water layer (bottom) drain off via stopcock first; oil (lighter) remains in funnel and poured separately. Oil spill cleanup industrially scaled version. |
| Brass | ஒத்த கலவை — alloy (solid solution) Cu + Zn | Physical separation impossible at macroscopic scale. Chemical methods only — e.g., dissolve in acid → selectively precipitate metals. Practically expensive; alloys typically reused as alloys. |

Pattern recognition for choosing the method:
• Uniform appearance, single phase → likely homogeneous → distill/crystallize.
• Distinct layers/visible particles → heterogeneous → mechanical (filter, decant, separate funnel).
• Metal alloy → solid solution; rarely separated physically.
• Multiple miscible liquids close BP → fractional distillation.
• Insoluble solid + liquid → filtration.

தரப்பட்ட தரவுகள்:
• நீர் நிறை = 180 g
• Ethanol (C₂H₅OH) நிறை = 23 g
• கரைசலின் கனவளவு = 200 cm³ = 0.2 dm³
• Atomic masses: C=12, H=1, O=16

முதலில் molar masses கணக்கீடு:
• Ethanol C₂H₅OH = 2(12) + 6(1) + 16 = 24 + 6 + 16 = 46 g mol⁻¹
• நீர் H₂O = 2(1) + 16 = 18 g mol⁻¹

(1) Ethanol-ன் மோல் எண்ணிக்கை:
n(C₂H₅OH) = நிறை / மொலார் திணிவு = 23 / 46 = 0.5 mol

(2) Ethanol-ன் மோல் பின்னம்:
n(H₂O) = 180 / 18 = 10 mol
Mole fraction (ethanol) = n(ethanol) / [n(ethanol) + n(water)]
= 0.5 / (0.5 + 10) = 0.5 / 10.5
= 0.0476 (அலகற்றது)

(3) நிறை சதவீத கலவியம் (% m/m):
கரைசலின் மொத்த நிறை = 23 + 180 = 203 g
% m/m = (m(ethanol) / m(solution)) × 100
= (23 / 203) × 100
= 11.33%

(4) நிறை செறிவு (mass concentration, g dm⁻³):
C(mass) = m(ethanol) / V(solution in dm³)
= 23 g / 0.2 dm³
= 115 g dm⁻³

Bonus — Molarity:
C(molar) = n(ethanol) / V = 0.5 mol / 0.2 dm³ = 2.5 mol dm⁻³

முடிவு — அளவீடுகளின் ஒப்பீடு:
• Mass fraction = 23/203 = 0.113
• % m/m = 11.33%
• Mass concentration = 115 g/dm³
• Molarity = 2.5 mol/dm³
• Mole fraction = 0.0476
ஒவ்வொன்றும் ஒரே கரைசலை வெவ்வேறு perspective-ல் சொல்கின்றது — context-க்கு ஏற்ப ஒன்றை பயன்படுத்தலாம்.