Genel Madde İnsanlar bütün ihtiyaçlarını do ğadan kar şılarlar ve ayrıca do ğa insanların meraklarının hem kayna ğı hem de çözüm yeridir. Bu nedenle de insanla do ğa sürekli etkile şim içindedir. İnsanla do ğa arasındaki bu ili şki insanın do ğayı amaçlarına uygun olarak de ği ştirme ve yönetme iste ği ve do ğanın da bu isteklere kendi kuralları çerçevesinde kar şı koyması şeklinde ta ezelden beri sürüp gelmektedir. Ancak, do ğaya bütünsel olarak de ğil de onu olu şturan birimler olarak bakıldı ğında aslında do ğadaki her şeyin madde ve enerjiden olu ştu ğu görülür. Bu nedenle de insanların amaçlarına ula şmak için do ğada yaptı ğını dü şündü ğü de ği şiklikler aslında madde ve enerjide yaptı ğı de ği şikliklerdir. İnsanların bundan sonraki serüveninde de do ğayı de ği ştirme istekleri hep devam edip gidecektir ve bu nedenle de madde ve enerjiyle ilgili bilgileri onlar için hep önemli olacaktır. 1.1. MADDE Do ğada bulunan ve kaya ta ş çakıl kum gibi adlarla anılan jeolojik yapılar ve toprak; yakın çevremize baktı ğımız zaman metalden, camdan, odundan, plâstikten ve pamuktan yapılmı ş olup belirli bir şekli olan veya olmayan bütün e şyalar ve yiyip içti ğimiz besinler; teneffüs etti ğimiz hava, yaktı ğımız do ğal gaz ve kısacası katı, sıvı ve gaz halde olan her şey maddedir. Canlı varlıklar olan insanlar, bitkiler ve hayvanlar da maddelerden meydana gelmi şlerdir. Her maddenin bir kütlesi vardır ve madde miktarı tartılarak ölçülür. A ğır şeyler hafif şeylerden daha çok madde miktarına sahiptir. Her maddenin kapladı ğı bir hacim vardır. 1.2. MADDELER İN SINIFLANDIRILMASI Do ğadaki bütün maddeler iki ana grup altında toplanabilirler. Bunlar: Saf maddeler ve karı şımlardır. Di ğer bir ifadeyle, yukarıda madde ba şlı ğı altında verilen bütün maddeler ya saf maddedir ya da karı şımdır. Saf maddeler ve karı şımlar da alt sınıflara ayrılırlar ve çevremizde görülen bütün maddeler a şa ğıdaki gibi sınıflandırılabilir. M MA AD DD DE E Genel Kimya 2 MADDELER Saf Maddeler Karı şımlar Elementler Bile şikler Homojen Karı şımlar Heterojen Karı şımlar Saf madde demek, aynı cins taneciklerden meydana gelen madde; karı şım ise farklı cins taneciklerden meydana gelen madde demektir. Fakat, insanlar duyusal algılamalarına dayanarak maddeyi bütünsel yapıda dü şündükleri için tanecik esasına dayalı olarak verilen bu kriteri kullanarak herhangi bir maddenin saf madde mi yoksa karı şım mı oldu ğuna karar vermeleri kolay de ğildir. Ancak maddelerin tanecikli yapı modeli dikkate alınmadan maddelerin hiçbir özelli ği açıklanamaz ve farklılıkları anla şılamaz. Bu nedenle öncelikle maddedeki taneciklerin neler oldu ğu ve yapısı genel hatlarıyla incelenecektir. Bu bölümün ilerleyen kısımlarında ve ileriki bölümlerde taneciklerin yapıları daha ayrıntılı bir şekilde ele alınacaktır. Maddedeki Tanecikler Bütün maddeler tanecikli yapıda olmalarına ra ğmen bütün maddelerdeki tanecikler aynı de ğildir. Bütün maddeleri olu şturan temel tanecikler 3 çe şittir. Bunlar: Atomlar, moleküller ve iyonlardır. Ayrıca, şurası da unutulmamalıdır ki, moleküller ve iyonlar da atomlardan meydana gelmi şlerdir. Di ğer taraftan, atomlar elementlerin kimyasal olarak elde edilebilen en küçük parçacıkları oldu ğu için do ğadaki bütün maddelerin elementlerden meydana geldi ği sonucuna varmak kolaydır. Gerçekte de do ğadaki bütün maddeler elementlerden (bu gün için sayıları 119 olan) meydana gelmi şlerdir. Fakat her bir elementin atomu farklı büyüklük ve özelliktedir. Atom numaraları esas alındı ğında her elementin bir çe şit atomu vardır (nötron sayıları esas alındı ğında bir elementin bütün atomları tek çe şit de ğildir). Bu da bize do ğadaki bütün maddelerin 119 çe şit atomdan meydana geldi ğini gösterir. İlk bakı şta milyonlarca maddenin 100 civarında elementten meydana gelmi ş olması insanı şa şırtabilir. Ancak do ğada, çok karma şık yapıdaki maddelerin bile birkaç temel birimden meydana geldi ği unutulmamalıdır. Örne ğin; bütün proteinler 20 civarında amino asitten olu şmu şlardır. Amino asitler ise karbon, hidrojen, oksijen ve azottan meydana gelir. Bu durum 29 harften binlerce kelime ve bu kelimelerden de sayısız cümleler olu şmasına benzetilebilir. Madde 3 Atomlar Moleküller De ği şerek iyonları olu şturur Gruplanarak molekülleri olu şturur Moleküler örgüler Metalik Örgüler iyonik Örgüler Düzenlenerek moleküler örgüleri olu şturur Düzenlenerek metalik örgüleri olu şturur Düzenlenerek iyonik örgüleri olu şturur iyonlar Yukarıdaki şemadan görülebilece ği gibi atomlar gruplanarak molekülleri ve de ği şerek iyonları olu şturmaktadır. Ancak, bütün elementlerin atomları iyon olu şturabilirken genellikle ametal atomları molekülleri olu şturabilirler. Bunun anlamı; bir ametalin atomlarının kendi aralarında veya ba şka ametallerin atomlarıyla veya metalik karakteri oldukça dü şük metallerin atomlarıyla birle şerek atomlardan tamamen farklı özelliklere sahip ba şka bir tanecik olan molekülleri olu şturduklarıdır. Yine, şemadan anla şılabilece ği gibi moleküller, metal atomları ve iyonlar uygun düzenlenmelerle sırasıyla moleküler örgülü, metalik örgülü ve iyonik örgülü maddeleri meydana getirmektedir. Buradan, do ğadaki herhangi bir maddenin a şa ğıda verilen dört durumdan birine uygun yapıda olmak zorunda oldu ğu sonucu çıkar. 1) Aynı veya farklı cins atomların olu şturdu ğu atomik örgü yapısında 2) Aynı veya farklı cins moleküllerin olu şturdu ğu moleküler örgü yapısında 3) İyonların belirli oranlarda bir araya gelerek olu şturdu ğu iyonik örgü yapısında veya iyonik örgü karı şımları şeklinde 4) Atomlar, moleküller ve iyonların iki şerli veya üçlü karı şımları şeklinde Mevcut teknolojik imkanlarla hiçbir elementin bir atomunu, atomlardan olu şan iyonları ve birkaç atomun bir araya gelmesi ile olu şturdukları molekülleri görme şansına sahip olmadı ğımız için, duyusal olarak algıladı ğımız maddeleri gösterirken yaptı ğımız gibi atomları, iyonları ve molekülleri şekillerini çizerek gösterme şansımız yoktur. Bu nedenle, maddeleri olu şturan bu taneciklerin yapılarını modellerle gösteririz. Onların yapılarıyla ilgili bu modeller, bilim insanlarının maddelerin davranı şı ile ilgili incelemelerine dayanarak ortaya koydu ğu bilgilerden türetilmi ştir. Di ğer taraftan, elementleri adları yerine sembolleriyle gösterdi ğimiz için Genel Kimya 4 atomları, molekülleri ve iyonları sembollerle gösteririz. Bu durumda, maddeleri kimyasal olarak ifade etmek için, onların günlük hayatta kelimelerle ifade edilip bütünsel olarak gösterildi ği makroskopik boyutuna iki yeni boyut daha ekleyece ğiz demektir. Bu boyutlar: 1) Sembolik boyut. 2) Mikroskopik boyut (kesinlikle, taneciklerin mikroskopla görüldü ğü anlamını ta şımaz. Görmesek de varlı ğını kabul etti ğimiz ve modellerle ifade etti ğimiz boyut anlamını ta şır). Şimdi, tanecikleri kimyasal formülleri ile sembolize ederek ve modellerle göstererek yukarıda verilen tanecik çe şitlerine ve bu taneciklerden olu şan maddelerin her birine örnekler verelim. 1) Atom modelleri ve Atomik örgülü maddeler Bilimsel olarak kabul edilen atom modeline göre atomlar çekirdek ve elektronlardan, çekirdek ise proton ve nötronlardan meydana gelir. Her elementin atomu farklı sayıda protona ve dolayısı ile farklı sayıda elektrona sahiptir. Farklı elementlerin atomlarının nötron sayıları e şit olabilmekle beraber element atomlarının kimyasal özelliklerinin farklı olmasında asıl belirleyici olan onların proton sayıları ve dolayısı ile elektron sayılarıdır. Elektronlar çekirdek etrafında kabuklar olu şturacak şekilde yerle şmi şlerdir. Atomun yapısıyla ilgili bu söylenenleri yandaki gibi şematize edebiliriz. Elektronlar bulundukları kabuklarda belirli bir yerde durmadıkları, aksine, çok çabuk hareket ettikleri için kabuk olarak adlandırılan uzay parçasının her yerinde her an bulunma ihtimalleri vardır. Bu nedenle, kabuklar elektron bulutu şeklinde dü şünülür. Bu dü şünceyi ifade etmek için de gri renkli ve sürekli bir gösterim tercih edilir. Di ğer taraftan, kimyasal reaksiyonlarda atomların en dı ş kabu ğundaki elektronlar etkili oldu ğu için öncelikle atomların en dı ş kabu ğundaki elektronlarla ilgilenilir. A şa ğıdaki atom modellerinde sembollerin yazılı oldu ğu içteki beyaz kısımlar atomların çekirdek ve iç kabuk elektronlarını, dı ştaki gri kısımlar ise en dı ş kabuk elektronlarını temsil eder. Yalnız, unutulmaması gereken bir husus vardır. Atomlar ka ğıt ve tahta düzleminde gösterilirken iki boyutlu gösterilme durumunda oldukları için bazen atomların yapısı daire şeklinde algılanmaktadır. Gerçekte atomların üç boyutlu bir yapısı vardır ve atomlar küresel yapılı olarak kabul edilir. A şa ğıda neon (Ne), ksenon (Xe) ve demir (Fe) atomlarına ait atom modelleri ( şekil 1.1) ile ksenon ve demir atomlarından olu şan atomik örgü modelleri ( Şekil 1.2) verilmi ştir. Elektron bulutu Çekirdek ve iç kabuk elektronları Şekil 1.1: Neon (Ne), ksenon (Xe) ve demir (Fe) atomlarına ait atom modelleri Nötronlar + Protonlar Çekirdek ve Elektron Kabukları Atom ElektronlarMadde 5 Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Günlük hayattan bilinen demir çubuk, bir şi şedeki cıva, bakır kap ve alüminyum çerçevede sırasıyla demir, cıva, bakır ve alüminyum atomlarının bir araya geli ş biçimleri yukarıda demir atomlarından olu şan atomik örgüdeki gibidir. 2) Molekül modelleri ve Moleküler örgülü maddeler Moleküller, atomların kovalent ba ğlarla ba ğlanarak olu şturdukları atom kümeleridir ( Şekil 1.3). Bir araya gelen atomların aynı cins veya farklı cins olmalarının bir önemi yoktur. Di ğer bir ifade ile, atomların cinsi ne olursa olsun iki veya daha fazla atomun kovalent ba ğlarla ba ğlanarak olu şturdukları yapılardır. Moleküllerin aynı cins olması demek, onların aynı atomlardan meydana gelmelerinin yanında molekülü olu şturan aynı cins atomların sayılarının da aynı olması demektir. Örne ğin; C 2 H 6 O ve C 3 H 6 O formülleri ile gösterilen moleküller aynı cins de ğildir. Çünkü karbon atomu sayıları farklıdır. Şekil 1.3: HOCl , CH 4 , CBr 4 , C 6 H 6 ve S 8 moleküllerine ait molekül diyagramları Elektron bulutu Çekirdek ve iç kabuk elektronları Şekil 1.2: Ksenon ve demir atomlarından olu şan atomik örgü diyagramları Genel Kimya 6 Şekil 1.4: (a) Br 2 , (b) HOBr ve (c) S 8 moleküllerinden olu şmu ş moleküler örgülü madde diyagramları Atomlardaki elektron bulutları için söylenenler moleküller için de geçerlidir. Yukarıda ( Şekil 1.3) HOCl , CH 4 , CBr 4 , C 6 H 6 ve S 8 moleküllerine ait molekül diyagramları ve yanda ( Şekil 1.4) Br 2 , HOBr ve S 8 moleküllerinden olu şmu ş moleküler örgülü madde diyagramları verilmi ştir. Moleküllerin elektron bulutlarının üst üste çakı şarak karı şıklı ğa sebep olmasını önlemek için kasıtlı olarak moleküller arasındaki bo şluklar fazla bırakılmı ştır. Bölüm 1.3 de maddenin halleri ba şlı ğı altında belirtildi ği gibi tanecikler arası bo şluklar maddenin haline ve cinsine göre de ği şecektir. Küresel şekilli atomların bir araya gelmesi ile olu ştukları için moleküllerin şekilleri de küresel kabul edilir. Yandaki diyagramlarda, moleküllerin aynı cins atomlardan meydana geldi ği diyagramlar (a ve c) elementlere ait yapıları ve molekülleri farklı cins atomlardan meydana gelen diyagram (b) ise bile şi ğe ait bir yapıyı gösterir. b) c) a) Madde 7 3) İyon modelleri ve İyonik örgülü maddeler İyonlar atomların son kabuklarındaki elektron (veya elektronları) vermeleri veya elektron (veya elektronları) almaları ile olu şur. Elektron verenler + yüklü iyonları, elektron alanlar ise - yüklü iyonları olu şturur. Atomlarla iyonların modellerinin bir birine karı şmaması için iyonlar, merkezinde atomun sembolünün ve iyonun yükünün belirtildi ği beyaz kürelerle gösterilmi şlerdir. A şa ğıda gümü ş (Ag + ), klorür (Cl - ) sodyum (Na + ) ve nitrat (NO 3 - ) iyonları ( Şekil 1.5) ile sodyum klorür ve gümü ş nitrata ait iyonik örgüler ( Şekil 1.6) verilmi ştir. 4) Temel taneciklerin karı şımından olu şan maddeler a) farklı cins atomların karı şımından olu şanlar A şa ğıda ( Şekil 1.7) neon ve kripton atomlarından meydana gelen bir madde diyagramı verilmi ştir. Şekil 1. 5: Gümü ş (Ag + ), klorür (Cl - ), sodyum (Na + ) ve nitrat (NO 3 - ) iyon modelleri Şekil 1. 6: Sodyum klorür (NaCl) ve gümü ş nitrata (AgNO 3 ) ait iyonik örgü diyagramları Şekil 1.7: Neon (Ne) ve kripton (Kr) atomlarından meydana gelen bir karı şıma ait diyagramGenel Kimya 8 Atomlarının karı şımından olu şan maddelere bir örnek olarak günlük ya şantımızda büyük bir yeri olan çelik verilebilir. Çelik yapımında kullanılan demir dı şı elementlerin atomları, demir atomları ile birlikte daha sıkı bir istiflenme sa ğlar ve böylece demirden daha dayanıklı bir madde olan çelik elde edilir. Ancak çelik saf madde de ğildir. Buradan, atomlardan meydana gelmi ş bir maddede bütün atomlar aynı cins de ğilse maddenin karı şım oldu ğu sonucuna varılabilir. b) farklı tip moleküllerden olu şanlar. Moleküllerden meydana gelmi ş bir maddede moleküller aynı tip ise saf madde, farklı tip ise karı şımdır. Yukarıdaki diyagramların ( Şekil 1.8) temsil etti ği maddelerin her ikisi de karı şımdır. Çünkü diyagram a’nın temsil etti ği madde 2 farklı a) b) Şekil 1.8: İki farklı (a) ve üç farklı (b) molekülün karı şımından olu şan madde diyagramları Madde 9 molekülden, diyagram b’nin temsil etti ği madde ise 3 farklı molekülden meydana gelmektedir. c) moleküller ve iyonların karı şımından olu şanlar Bunun en güzel örne ği yemek tuzunun sudaki çözeltisidir ( Şekil 1.9) ve bu çözelti homojen bir karı şımdır. Şekil 1.9: Sodyum klorür’ün sulu çözeltisinin diyagramı Yukarıda verilen örneklerde oldu ğu gibi; - atomlar ve iyonlardan, - atomlar ve moleküllerden , - atomlar, moleküller ve iyonlardan olu şan karı şımlar da vardır. Buruda, mademki bütün maddeler taneciklerden meydana geliyor o halde, maddelerde tanecikler nasıl bir arada duruyorlar şeklinde bir soru akla gelebilir. Yine, detaylı incelenmelerini gelecek bölümlere bırakarak tanecikleri bir arada tutan kuvvetleri kısaca ele alalım. Tanecikleri Bir Arada Tutan Kuvvetler Yukarıda belirtildi ği gibi bütün maddeler aynı yapıdaki taneciklerden olu şmamaktadır. Bu nedenle de tanecikleri bir arada tutan kuvvetler de aynı Genel Kimya 10 de ğildir. Fakat hepsinin ortak özelli ği elektriksel çekim kuvveti olmalarıdır. Bu kuvvetleri kısaca açıklayalım. 1. Moleküler örgülü maddeler: Atomlar kovalent ba ğlarla ba ğlanarak molekülleri olu şturur ve moleküller de bir araya gelerek moleküler örgüleri olu ştururlar. Moleküler örgülerde molekülleri bir arada tutan kuvvetler molekülün cinsine göre de ği şmekle birlikte üç çe şittir. a) Van der Waals kuvvetleri b) Dipol dipol etkile şmesi c) Hidrojen ba ğları Moleküllerden olu şmu ş her maddede Van der Waals kuvvetleri, molekülleri bir arada tutan kuvvet olarak etkilidir. Moleküler yapıdaki ço ğu maddede Van der Waals'ın yanında dipol-dipol etkile şmesi de etkilidir. Moleküler yapılı bazı maddelerde ise di ğer ikisine ilaveten bir de hidrojen ba ğı vardır. 2. Metalik örgülü maddeler: Metalik örgülerde metal atomlarını bir arada tutan kuvvet metalik ba ğdır. 3. İyonik örgülü maddeler: Atomlar elektron alarak veya vererek iyonları olu şturur. İyonlar arası çekim kuvvetleri sonucu iyonik örgüler meydana gelir. İyonik örgülü maddelerde iyonları bir arada tutan kuvvet iyonik ba ğdır. Karı şımlar: Karı şımı meydana getiren taneciklerin türlerine göre de ği şmekle birlikte yukarıda üç ba şlık altında verilen çekim kuvvetleri etkilidir. 1.2.1. Saf Maddeler Elementler ve bile şikler saf maddelerdir ve saf maddelere aynı zamanda kimyasal maddeler denir. Kimyasal madde, kimyasal olarak ifade edilebilen madde demektir. Elementlerin sembollerle ve bile şiklerin de formüllerle gösterilmesi onların kimyasal olarak ifade edilmesi anlamına gelir. Karı şımlar formüllerle ifade edilemedikleri için kimyasal madde sınıfına girmezler. Tanecikleri açısından bakıldı ğında; a) aynı cins atomlardan, b) molekülü meydana getiren atomlar aynı cins olsun veya olmasın aynı tip moleküllerden, c) bir formülle ifade edilen iyonik örgülerden meydana gelen maddeler saf maddelerdir. Elementler Aynı çe şit atomlardan veya aynı çe şit atomların olu şturdu ğu moleküllerden meydana gelen maddeler elementlerdir. Element denilince do ğadaki bütün Madde 11 maddeleri meydana getiren temel elemanlar akla gelir ve do ğadaki bütün maddeler bu gün için sayıları 119 olan elementlerden meydana gelmi şlerdir. Bugün bilinen 119 elementin 88'i do ğal geriye kalanı yapay elementtir. Atomlardan ve moleküllerden elementlerin olu şması yukarıda atomik örgülü maddeler ve moleküler örgülü maddeler ba şlıkları altında örneklendirilmi ştir. Bile şikler Farklı cins element atomları veya iyonlarının bir araya gelerek olu şturdukları maddelerdir. Bile şiklerin moleküler ve iyonik olmak üzere iki örgü yapısı vardır. Her bir örgüye örnekler yukarıda moleküler ve iyonik örgülü maddeler ba şlıkları altında verilmi ştir. Bile şikleri birbirinden farklı yapan şey, onları meydana getiren element atomlarının veya iyonlarının cinslerinin ve sayılarının farklı olmasıdır. Örne ğin su, H 2 O formülüyle gösterilen su moleküllerinden olu şmu ştur ve su moleküllerini hidrojen ve oksijen atomları meydana getirmi şlerdir. Aseton ve şeker sırası ile C 3 H 6 O ve C 6 H 12 O 6 formülleri ile gösterilen aseton ve şeker moleküllerinden, bu moleküller de karbon, hidrojen ve oksijen atomlarından meydana gelmi şlerdir. Kalsiyum karbonat ise, kalsiyum ve karbonat (Ca 2+ ve CO 3 2- ) iyonlarından olu şur. 1.2.2. Karı şımlar Bile şimleri belirli bir kimyasal formülle ifade edilemeyen maddelerdir. Örne ğin, tuzlu su ve içme suyu saf madde de ğildir. Ancak içme sularının ta şıdı ğı safsızlıklar tehlikeli olmadıkları gibi, sa ğlık için gerekli olan maddelerdir. Birçok karı şımın hangi maddelerden meydana geldi ğini bilme şansımız bile yoktur. Örne ğin; şarap, kahve, çay, odun, toprak, ta ş ve süt bir kimyasal formülle ifade edilemez. Çünkü çay ve kahvenin yeti şti ği topra ğın cinsine göre bile şimi de farklı olacaktır. Şarap ve sütün ise yapıldı ğı üzüme ve elde edildi ği hayvana göre de ği şik olaca ğı açıktır. Toprak, ta ş ve odun için de aynı şeyler söylenebilir. Karı şımların tanecikli yapılarıyla ilgili örnekler yukarıda, temel taneciklerin karı şımından olu şan maddeler ba şlı ğı altında verilmi ştir. Homojen Karı şım Karı şımlar homojen ve heterojen karı şımlar olarak ikiye ayrılmı ştır. Her tarafında aynı özelli ğe sahip olan karı şımlara homojen karı şım denir. Örne ğin; bir miktar yemek tuzu bir miktar suda çözülürse, karı şımın her hangi iki kısmından alınacak miktarlar aynı özelli ğe sahiptir. Ancak, unutulmaması gerekir ki suda çözülen tuzun miktarına göre karı şımın kimyasal bile şimi farklı olacaktır. Dolayısı ile NaCl + H 2 O gibi bir formülle gösterilemez. Çünkü, NaCl + H 2 O formülü karı şımda bir su molekülüne kar şılık bir sodyum ve bir klorun oldu ğunu ifade eder. Halbuki çözünen tuz miktarına göre bu oran de ği şecektir. Genel Kimya 12 Homojen karı şımlar çözelti olarak adlandırılır. Ancak çözelti denilince sadece sıvı- sıvı; katı-sıvı karı şımları akla gelmez. Katı-katı; gaz-gaz; ve sıvı-gaz karı şımları da birer çözeltidir. Örne ğin: Saf hava: gaz-gaz; suda çözünmü ş oksijen: sıvı-gaz ve bakır ile çinkonun karı şımı olan pirinç ise bir katı-katı çözeltisidir. Heterojen Karı şım Her tarafında aynı özelli ğe sahip olmayan karı şımdır. Bir miktar suya çözebilece ğinden fazla yemek tuzu atılırsa, tuzun bir kısmı kabın dibinde toplanır. Sonuçta bir karı şım elde edilir ancak her tarafında her maddenin aynı oranda bulunmadı ğı bir karı şım elde edilir. Bu gibi durumlarda her iki faz ayrı ayrı görülür. Böyle her iki fazı görünen karı şımlara süspansiyon denir. Suya bir miktar un karı ştırıldı ğı zaman elde edilen süspansiyon, bir sıvı-katı süspansiyonudur. Bulut da bir süspansiyondur ve hava ile suyun karı şımıdır. Bir sıvı ya ğın su ile karı ştırıldı ğındaki gibi karı şımlara emülsiyon denir. Bu karı şım biraz bekletilirse ya ğ ve su fazları ayrılır. Karı ştırıldıkları zaman ayrı fazlar olarak ayrılan sıvılara birbirleriyle karı şmazlar denir. A şa ğıdakilerin saf madde mi, homojen karı şım mı, yoksa heterojen karı şım mı oldu ğunu tartı şınız. a) Gazoz ve kolalı içecekler b) Bir tanktaki oksijen ve helyum e) Salata lezzetlendiricisi olarak kullanılan zeytin ya ğı ve sirke karı şımı d) Bakır metali c) Çay şekeri f) Duman (toz, hava ve su karı şımı) 1.3 MADDEN İN HALLER İ Çevremize baktı ğımız zaman bazı maddelerin katı, bazılarının sıvı oldu ğu görülür ve bazılarının da gaz oldu ğu anla şılır. Katı haldeki maddeler Sıvı haldeki maddeler Gaz haldeki maddeler Demir, Tebe şir Zeytin ya ğı, Su Hava, Do ğal gaz Kömür Benzin Karbondioksit Tuz Alkol Su buharı Şeker Madde 13 Yukarıda örneklenen maddelerin her birinin bir kütlesi vardır ve oda sıcaklı ğında farklı hallerde bulunmaktadırlar. Maddelerin bulunma durumlarına maddenin halleri denir. Do ğadaki her madde katı, sıvı ve gaz halde bulunabilir. Ancak oda sıcaklı ğı şartlarında (25°C) ve 1 atmosfer basınçta bazıları katı, bazıları s ıvı ve bazıları gazdır. Bunun sebebi, maddenin tanecikli yapısı dü şünülerek kolayca yorumlanabilir. Her maddenin taneciklerinin kendine özgü özellikleri vardır. Bu tanecikler arasındaki çekim kuvveti oda sıcaklı ğında taneciklerin çevreden aldı ğı enerjiyle yenilemeyecek kadar büyük ise madde katıdır. Taneciklerin çevreden aldı ğı enerjiyle çekim kuvveti zayıflamı ş ve tanecikler arasındaki bo şluk artmı şsa madde sıvı haldedir. Ortamdan aldıkları enerjiyle çekim kuvvetleri yenilmi ş ve tanecikler birbirlerinden aralarında ili şki olmayacak şekilde uzakla şmı şsa madde gaz haldedir. Dolayısı ile her hangi bir madde için sıcaklık ve basınç belirtilmeden madde katıdır, sıvıdır veya gazdır demek yanlı ştır. Yani katı olan maddeler, sıvı olan maddeler ve gaz olan maddeler diye bir ayırım yapılamaz. Ancak, yukarıda belirtildi ği gibi belirli bir sıcaklık ve basınç için bu ayırım yapılabilir. Azotun 3 halinde moleküller arasındaki bo şlukların kar şıla ştırılabilmesi için azotun 3 halini temsil eden diyagramlar ( Şekil 1.10) a şa ğıda verilmi ştir. Şekil 1.10: Azotun 3 halinin diyagramları Çizelge 1.1: Maddenin Hallerinin Özellikleri Hal Özellik Örnek Katı (k) Kütlesi, hacmi ve şekli belirlidir. Cebinizdeki bozuk paralar; cebinizde de bakkalın kasasında da aynı kütleli, hacimli ve şekillidir. Sıvı (s) Kütle ve hacim belirlidir. Şekli de ği şir ve konuldu ğu kabın şeklini alır. Bir miktar süt, kütlesi ve hacmi aynı kalarak hangi kaba konulursa onun şeklini alır. Gaz (g) Kütle belirlidir. Konuldu ğu kabın hacmini kaplar. Konuldu ğu kabın şeklini alır. Şi şkin bir balonu patlatırsanız balondaki hava odaya da ğılır ve gazın yeni hacmi odanın hacmidir. Şekli, balon de ğil odanın şeklidir. Ancak kütlesi aynıdır. Katı S ıvı Gaz Genel Kimya 14 Sonuç olarak: Bir maddenin halinin özelliklerini, o maddenin taneciklerinin bir araya geli ş biçimi belirler. 1.4. MADDEN İN YAPISI Maddelerin taneciklerinin büyüklü ğü insanların duyusal algılama yoluyla seçebilecekleri büyüklüklerden çok küçüktür. Bu nedenle, maddeler bütünsel yapıdaymı ş gibi görülür ve onların fiziksel ve kimyasal özellikleri de bu bütünsel yapı imajı ile ili şkilendirilerek açıklanmaya çalı şılır. Ancak do ğru sonuçlara da ula şılamaz. Halbuki, bilim insanları maddelerin birbiriyle reaksiyona girerek yeni maddeleri olu ştururken belirli bir oran dahilinde reaksiyona girmeleri, iki sıvı karı ştırıldı ğında toplam hacmin onların tek ba şlarına olduklarındaki hacimlerinin matematiksel toplamından az olması ve gazların davranı şlarını açıklayan kinetik teori gibi kanunlar, gözlemler ve teorilere dayanarak maddenin yapısıyla ilgili bir model ortaya atmı şlardır. Bu yapı modeline ¨maddenin tanecikli-bo şluklu ve hareketli yapı modeli ¨ denir. Maddelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini do ğru olarak yorumlayabilmek ve onların şiddet ve kapasite özellikleri arasında ili şki kurabilmek için bu yapı modelinin çok iyi anla şılması gerekir. 1.4.1. Maddenin Tanecikli Yapısı Maddelerin yapısını sürekli (bütünsel) olarak gören kimselere maddelerin tanecikli yapıda oldu ğunun söylenmesi onlarda yeterli kanaat de ği şikli ğine sebep olmamaktadır. Maddenin yapısı ile ilgili gerekli kavramsal de ği şimin sa ğlanması için maddelerdeki fiziksel ve kimyasal de ği şmelere daha yakından bakarak bu de ği şmelerde geçerli olan kuralların altındaki sebepleri irdelemek gerekir. Bu amaçla, mısır ve bu ğday unundan yapılmı ş ve bütünsel yapıda görünen iki hamurun karı ştırılması s ırasında olan olayları inceleyerek i şe ba şlayalım. Bu hamurlardan birer miktar alalım ve onları karı ştıralım. Sonuçta elde edilen karı şım hamurlardan hangisinin miktarı fazla ise daha çok onun özelli ğini ta şır. Ancak, burada özellikle bir hususa dikkat çekmek istiyorum. O da, hamurlar belirli bir oranda bir araya getirilmezlerse onların birinden bir miktarının di ğer kısımlarla bir araya gelmemi ş olarak kalıp kalmayaca ğıdır. Günlük hayatındaki tecrübelerini dü şünerek herkes buna ‘tabii ki kalmaz’ şeklinde cevap verebilir ve do ğrudur da. Halbuki bakırla kükürtten bakır sülfür elde edilmesinde veya çinkonun üzerine hidroklorik asit ilave edilerek çinkonun çinko klorüre dönü ştürülmesinde durum böyle de ğildir. Maddeler reaksiyona girerek yeni maddeleri olu ştururken rasgele miktarlar yerine belirli oranlarda bir araya gelmektedirler ve olu şan ürün de kendisini meydana getiren maddelerden oranı yüksek olanının kimyasal özelli ğini ta şıma yerine kendisini meydana getirenlerden tamamen farklı özelliklere sahip Madde 15 olmaktadır. Bu durumu a şa ğıdaki gibi ( Şekil 1.11) bir aktiviteyle anlamaya çalı şalım. 1. Birinci adım olarak, bo ş bir tüp alıp tartınız. 2. ikinci adım olarak, ince ve spiral haldeki bir bakır teli tüpe koyup tekrar tartınız (örne ğin,1g). 3. Daha sonra, teli tamamen kaplayacak şekilde tüpe kükürt doldurup tekrar tartınız (örne ğin, 4g kükürt konulmu ş olsun). 4. Dördüncü adım olarak, tüpü ısıtınız. Görülecek ki, bakırın tamamı reaksiyona girdi ği halde kükürdün tamamı girmemi ştir. 5. Geriye kalan kükürdü yakınız. Kükürt bittikten sonra tüpte olu şan mavi-gri bakır sülfürle birlikte tüpü tekrar tartınız. 6. Bu i şlemlerden sonra görülecektir ki 1 gram bakırla 0,5 gram kükürt reaksiyona girmi ş ve 1,5 gram CuS meydana gelmi ştir. Şekil 1.11: Bakırla kükürdün belirli bir oranda reaksiyona girdi ğini görmek için i şlem basamakları. Şimdi şu sorular sorulabilir. Neden mısır unu ile bu ğday ununun karı ştırıldı ğındaki gibi bir durum olmamı ştır? Bunun sebebi, maddelerin, bizim onları gördü ğümüz bütünsel yapılarının dı şında bir yapılarının olması olabilir mi? Bo ş tüp Bakır tel ve kükürt bulunan tüp Isı Isı Mavi-beyaz ürün Bakır tel bulunan tüp 1 2 3 4 5 6 Genel Kimya 16 1g bakırda bulunan bir şeylerin (taneciklerin) ancak 0,5g kükürtte bulunan bir şeylere (taneciklere) kar şılık gelecek kadar oldu ğu dü şünülerek bu durum açıklanabilir mi? Di ğer bir ifade ile 1g bakırda bulunan bir şeyler 4g kükürdün ancak 0,5 gramı ile reaksiyona girmeye yetecek kadar oldu ğu için 3,5g bakır artmı ştır denilebilir mi? Yukarıdaki reaksiyonda, bakırla kükürdün birle şerek bakır sülfürü meydana getirmesinde birle şme oranları kütlece (bakır/kükürt) 2/1 dir. Bu reaksiyonda 2/1 oranının geçerli oldu ğu gibi her kimyasal reaksiyonda reaksiyona giren türler ancak belirli bir oranda reaksiyona girerek yeni maddeleri olu ştururlar ve yeni madde tamamen yeni özellikte bir maddedir. Örne ğin, hidrojenle oksijenden su meydana gelmesini ele alalım. Hidrojen yanıcı bir gazdır. Oksijen ise yakıcı bir gazdır. Fakat bu iki gazın reaksiyonundan olu şan ürün sudur ve suda hidrojen ve oksijenin birle şme oranı 1/8 dir. Ayrıca, su ne yakıcıdır ne de yanıcıdır. Günlük hayatta çok sık kar şıla şılan bir olayı inceleyerek hali ister katı, ister sıvı ve isterse de gaz olsun bütün maddelerin taneciklerden olu ştu ğunu daha kolay anlayabiliriz. Bilindi ği gibi buz eridi ği zaman su olur ve su da ısıtıldı ğı zaman buharla şır. Miktarlar tartılarak bu olaydan tanecikli yapı gerçe ği çıkarılabilir. Bunun için a şa ğıdaki i şlemler ( Şekil 1.12) yapılabilir. 1. A ğzı lâstik tıpa ile sıkıca kapatılabilen bir erlen alıp içine 2-3 gram civarında buz koyarak kapatınız ve tartınız. Tartım de ğerini kaydediniz (1). 2. Hafifce ısıtarak buzun erimesini sa ğlayınız tekrar tartınız (2). 3. Erlenin yüzeylerinde suyun yo ğu şmasını önleyecek şekilde yüzeyleri de dahil erleni ısıtarak suyun tamamen buharla şmasını sa ğlayınız ve tartınız (3). 4. Erlenin lâstik tıpasını açarak yanan bir kibriti erlenin a ğzına tutunuz (4). Şekil 1.12: Suyun hal de ği şiminde i şlem basamakları Bütün bu i şlemler sonucunda; birinci, ikinci ve üçüncü tartımınızın e şit olmasından; ayrıca, buz ve suyu görmenize ra ğmen su buharla şınca görmemenizden nasıl bir Madde 17 sonuç çıkarılabilir? Her üç tartım da e şit oldu ğuna göre hiç madde kaybı olmamı ş demektir. Buna ra ğmen buharın görülememesi, suyun buharla şması ile moleküllerin erlenin bütün hacmine yayılmasındandır. Burada, suyun buharla şınca parçalandı ğı dü şünülebilir fakat su parçalansa bile kendini olu şturan hidrojen ve oksijene parçalanacaktır. Hidrojen yanıcı, oksijen de yakıcı bir gazdır. O zaman erlenin a ğzına tutulan kibritin daha alevli yanması gerekirdi. Ayrıca suyun parçalanmadı ğı; sadece ilk üç i şlem yapılarak görülebilir. İlk üç i şlem sonunda, içinde buhar bulunan erlen so ğuk suyun altına tutularak buharın yo ğu şması sa ğlanıp dondurucuya konulursa buz haline geldi ği görülecektir. Ancak, mademki maddeler taneciklerden meydana geliyor, tanecikler neden görülemiyor denilebilir. Bu durumda insanın ne kadar bir büyüklü ğü görebildi ğini dü şünmesi gerekir. Daha ileride tartı şılaca ğı gibi bir damla suda 2x10 21 tane su molekülünün bulunması, neden onların görülemedi ğini açıklar. 1.4.2. Maddenin Bo şluklu Yapısı Maddenin bo şluklu yapısını anlayabilmek için bir deneysel gözlemden yararlanmak gerekir. Bunun için 100 ml lik iki adet dereceli silindir alarak birine 50 ml su ve di ğerine de 50 ml etil alkol koyunuz. Daha sonra suyu alkolün veya alkolü suyun üzerine bo şaltınız ( Şekil 1.13), ölçülü kaptan okunan de ğer 100 ml den az ve 90-96 ml arasında bir de ğer oldu ğuna göre bu durum nasıl açıklanabilir? Şekil 1.13: 50 ml su ve 50 ml alkolün bir ölçülü kapta birle ştirilmesi Bu olayı açıklamak için taneli yapılı maddelerle ilgili bir analojiden faydalanılabilir. Bu amaçla yine 100 ml lik iki ölçülü silindir alınıp birine 50 ml çizgisine kadar nohut di ğerine de 50 ml çizgisine kadar kum konulur ve kum, nohutların bulundu ğu dereceli silindire dökülürse toplam hacmin 100 ml den az oldu ğu görülecektir. Bu benzetme, maddenin tanecikli yapısı ve tanecikler arasında bo şluk oldu ğunun kabul edildi ği modeli do ğrular. Ancak şurası unutulmamalıdır ki maddedeki tanecikler nohut ve kum taneleri gibi içi dolu katı küreler de ğildir. Ayrıca, alkol-su ve Genel Kimya 18 nohut- kum karı şımı örneklerinden maddenin taneciklerini küresel kabul etmenin ne kadar do ğru bir yakla şım oldu ğu ve alkol ve su taneciklerinin büyüklü ğünün farklı oldu ğu sonucuna kolayca ula şılabilir. Çünkü iki adet 50 ml kum ve iki adet 50 ml nohut karı ştırılırsa, nohut ve kum taneleri de tam özde şse hacmin 100 ml oldu ğu görülecektir. 1.4.3. Maddenin Hareketli Yapısı Maddenin taneciklerinin hareketli oldu ğunu algılamak, maddenin gaz hali göz önüne alındı ğında daha kolaydır. Bir maddenin gaz halindeki tanecikleri hareketli olmasaydı, apartman giri şinde evde hangi yemeklerin pi şti ği anla şılabilir miydi? So ğan do ğranırken gözler ya şarır mıydı? Kı şlık yün elbiseleri korumak için kullanılan naftalin'in kokusu elbiselerden burnumuza nasıl gelirdi? Bir kapta sıkı ştırılan bir gazın basıncı nasıl açıklanabilirdi? Yukarıdaki örneklerden görülebilece ği gibi maddenin gaz halinde taneciklerinin hareketli oldu ğu be ş duyumuz kullanılarak algılanabilir. Sıvılarda ve katılarda görünen yapı bütünsel oldu ğu için taneciklerin hareketli oldu ğuna ancak deneylerden elde edilen sonuçlar yorumlanarak varılabilir. Sıvıda taneciklerin hareketli oldu ğu, birbiriyle karı şabilen ve biri renkli di ğeri renksiz iki sıvı karı ştırılarak görülebilir. Örne ğin; bir beherde durgun haldeki suyun üzerine sarı renkli demir(III) klorür çözeltisinden bir damla yava şça ve beherdeki suyun bir noktasına damlatılırsa, belirli bir müddet sonra sarı renkli damlanın beherdeki suyun her tarafına yayıldı ğı görülecektir. Sıvılar tanecikli yapıda olmasaydı ve tanecikler de hareketli olmasaydı böyle bir durum gözlenemezdi. Yukarıda anlatılan deney laboratuvarda tahta, cam ve fayans gibi herhangi bir katı maddenin üzerine bir damla sarı renkli çözelti damlatılarak yapılacak olursa cam ve fayansta damlanın damlatıldı ğı gibi kaldı ğı ancak tahtada her tarafa yayılmasa da emildi ği gözlenir. Tahtadaki durumda; sıvıyı olu şturan tanecikler tahtayı olu şturan maddelerin taneciklerinin aralarındaki bo şluklara girmi ştir, fakat katıdaki tanecikler yer de ği ştirme hareketi yapamadı ğından sıvının tanecikleri katının tanecikleri arasında hapis olup kalmı ştır. Renksiz sıvı ve renkli sıvı durumunda ise; renkli sıvı renksiz sıvının tanecikleri arasındaki bo şluklara girmi ş ve renksiz sıvının tanecikleri arasındaki bo şluk dura ğan ve sabit bir bo şluk olmadı ğı için, yani renksiz sıvının tanecikleri hareket etti ği için, renksiz sıvının tanecikleri ile birlikte renkli sıvının tanecikleri de hareket etmi ş ve kabın her tarafına yayılmı ştır. Cam ve fayans üzerinde renkli sıvının damlatıldı ğı yerde kalmasının sebebi ise cam ve fayansta tanecikler arası bo şlu ğun sıvının taneciklerinin girebilece ği kadar büyük olmamasındandır. Sonuç olarak; maddelerin taneciklerinin hareketi, maddenin her üç hali için aynı de ğildir. Madde 19 1. Maddenin katı halinde taneciklerde sadece titre şim hareketleri vardır ve dolayısı ile tanecikler arası bo şluklar sabittir. Yani taneciklerin yerleri sabittir. 2. Maddenin sıvı ve gaz halinde taneciklerde titre şim hareketine ilaveten, taneciklerin çarpı şmalarından ileri gelen dönme ve yer de ği ştirmelerinden ileri gelen öteleme hareketleri vardır. Ancak sıvılarda bu hareketler gazlara göre daha yava ştır. Bilindi ği gibi bir sistemde hareket varsa o sistemin bir kinetik enerjisi vardır. Dolayısı ile maddelerin katı, sıvı ve gaz halinde taneciklerin daima bir kinetik enerjisi vardır. Kinetik teoriye göre bir taneci ğin kinetik enerjisi Ek = 1/2mU 2 e şitli ği ile verilir. Bir taneci ğin hareketi sırasında hızı ne kadar fazlaysa kinetik enerjisi o kadar fazladır. Bu durum göz önüne alındı ğında bir maddenin katı halinde taneciklerin kinetik enerjisi en az, sıvı halinde daha fazla ve gaz halinde en fazladır. Şimdi, daha önce anlatılan buz › su › buhar örne ğine geri dönelim. Buzun erimesi ile suyun ve suyun buharla şması ile buharın olu şmasında taneciklerin yapısı de ği şmedi ğine göre, yani eski hale geri dönüldü ğüne göre, maddeler hal de ği ştirdi ği zaman neyin de ği şti ğini inceleyelim. 1. Buzda, suda ve su buharında bir tanecik iki hidrojen ve bir oksijen atomundan meydana gelir ve formülü H 2 O dur. Farklı olan bu taneciklerin bir arada olu ş biçimleri ve kinetik enerjileridir. Buzda, taneciklerin kinetik enerjisi en dü şüktür ve moleküller belirli bir geometrik şekil alacak şekilde dizilmi şlerdir. Tanecikler sadece titre şim hareketi yapar. 2. Buz ısıtıldı ğı zaman verilen ısı enerjisi taneciklerin kinetik enerjisini artırır ve dolayısı ile hareketlili ğini artırır. Taneciklerin hareketlili ğinin artması onların birbirlerini çekme kuvvetini azaltır ve bunun sonucu birbirlerinden uzakla şırlar ve aralarındaki ho şluklar artar. Aralarındaki bo şluklar ve hareketlilikleri görülebilecek büyüklükte olmadı ğı için bütünsel yapıda görünürler. 3. Su ısıtıldı ğı zaman verilen ısı enerjisi taneciklerin kinetik enerjisini artırır. Tanecikler birbirine daha sık ve hızlı çarpmaya ba şlar. Tanecikler arasındaki çekim kuvveti tamamen yenilince taneciklerin her biri di ğerinden ba ğımsız hareket eder. Çok küçük oldukları için görülemezler. Buhar › Su › Buz durumunda ise buhar so ğutulmakla taneciklerin kinetik enerjisi azalarak aralarında çekim kuvveti do ğmu ş ve sıvı hali olu şturmu şlardır. Buzlu ğa konulması durumunda ise taneciklerin kinetik enerjisi daha da azalmı ş ve katı hali olu şturmu şlardır. Genel Kimya 20 1.4.4. Maddelerin Tanecikli, Bo şluklu ve Hareketli Yapı Modeli 1. Katı, sıvı ve gaz halde bulunan bütün maddeler taneciklerden olu şur. a) Herhangi bir madde için bu üç halde de taneciklerin yapıları, büyüklükleri ve kimyasal formülleri aynıdır. b) Farklı olan taneciklerin kinetik enerjileri ve bir arada bulunu ş biçimleridir. 2. Maddenin katı, sıvı ve gaz halinden bahsedilir fakat taneci ğin hali olmaz. Katı tanecik, sıvı tanecik veya gaz tanecik gibi bir durumdan bahsedilemez. Maddelerin her üç halinde de tanecikleri aynı taneciklerdir. 3. Bir maddenin her üç halinde de taneciklerin kütleleri, büyüklükleri ve kimyasal bile şimleri aynıdır. E ğer öyle olmasaydı, bir maddenin bir miktarının katı, sıvı ve gaz haldeki kütlesinin farklı olması gerekirdi. 4. Bir maddenin katı halinde tanecikler arası çekim kuvveti en fazla ve taneciklerin kinetik enerjisi en azdır. 5. Bir maddenin sıvı halinde tanecikler arası çekim kuvveti katı haline göre daha az, fakat taneciklerin kinetik enerjisi katı hale göre daha fazladır. 6. Bir maddenin gaz halinde tanecikler arası çekim kuvveti yok denecek kadar az, ancak taneciklerin kinetik enerjisi di ğer iki hale göre çok fazladır. 7. Maddenin renginden bahsedilir fakat taneci ğin rengi olmaz. 8. Herhangi bir maddenin taneci ği kuvvet uygulanarak ezilip küçültülemez veya vakum uygulanıp şi şirilemez. 9. Bir maddenin özelli ğini, onun taneciklerinin özelli ği ve taneciklerin bir araya geli ş biçimleri belirler. Di ğer bir ifade ile maddenin tanecikleri o maddenin makroskopik yapısının özelliklerine sahip de ğildir. Maddelerdeki fiziksel ve kimyasal de ği şmeleri anlayıp yorumlarken onların makroskopik olarak görünen bütünsel yapıları de ğil, çıplak gözle görülemeyen mikroskobik boyutları kullanılır. Dolayısı ile kafasında tanecikli-bo şluklu ve hareketli yapı imajı olu şmayan bir kimse, madde ile ilgili yorum yaparken do ğru sonuca gidemez.