Kimya, maddenin atomik ve moleküler sistemlerin bileşimini, yapısını, özelliklerini ve reaksiyonlarını inceleyen bir bilim dalıdır.
Madde ile enerji arasındaki etkileşim, maddelerin yapılarında ve davranışlarında değişimler meydana getirir. Kimyacının ana amacı ise, maddelerin yapılarını, davranışlarını, etkileşimlerini ve değişmelerini yorumlamaktır. Yani maddeler arasındaki etkileşimin türünü ve gerekçesini yorumlayabilmek için, kimyanın temel kavramlarının bilinmesi şarttır. Bu ünitenin amacı, kimyanın temel kavramlarını öz olarak vermek ve okuyucuyu bundan sonraki ünitelere hazırlıklı kılmaktır.
2. Madde ve Maddenin Halleri
Element, bileşik veya karışım olabilen ve etrafımızda algıladığımız her şeyi oluşturan "madde", ağırlık, hacim, renk, yoğunluk, kaynama noktası vs. gibi belirli özelliklerin toplamı ile karakterize edilir. Bu özellikler, biri hariç, maddenin içinde bulunduğu koşullara göre değişir. Koşulların değiştiremediği maddenin tek özelliği kütlesi'dir. Kütle madde miktarını gösterir.
Kütlesi olan ve uzayda yer kaplayan her şey madde olarak tanımlanır. Kütle, madde miktarının bir ölçüsüdür ve herhangi bir cismin kütlesi o cismin uzaydaki konumuna göre değişmez.
Paris yakınlarında Sevres'deki uluslararası ölçü ve tartılar müzesinde bulunan %90 platin ve %10 iridyumdan yapılmış olan bir silindirin kütlesi 1 kilogram olarak kabul edilmiştir. 1 Litre ise +4°C ve 760 mmHg basıncındaki 1 kilogram saf suyun hacmidir. 1 Litre 1000 ml ve 1000,027 cm3 'tür. Veya 1 ml = 1, 000027 cm3 'tür.
Madde, katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç halde bulunabilir. Bir maddenin bulunduğu hal büyük ölçüde sıcaklık ve basınca bağlıdır. Örneğin, su çeşitli etkenlere bağlı olarak katı, sıvı ve gaz (buhar) halinde bulunabilir. Maddenin hallerine ilişkin aşağıdaki genellemeler yapılabilir:
• Katılar belirli bir biçime sahip olmalarına karşılık sıvıların ve gazların belirli biçimleri yoktur. • Sıvı ve gazlara "akışkanlar" denir. Sıvıların serbest yüzeyleri, içinde bulundukları kaba tâbi değildir. Gaz halindeki maddeler her taraftan kaba bağlı, serbest yüzeyleri olmayan akışkanlardır. • Katı, sıvı ve gazların belirli bir kütlesi vardır. • Gazlar uygun basınç ve sıcaklıkta sıkıştırılabilirler. Buna karşın katı ve sıvılar sıkıştırılamazlar • Enerji aldıkları taktirde, gazlara ilişkin genleşme oranı katı ve sıvılara kıyasla çok fazladır.
Maddelerin kimyasal özelliklerini ve bileşimini korumak koşuluyla gerçekleştirebileceği değişikliklere "fiziksel değişimler" denir.
3. Maddenin Bileşimi ve Sınıflara Ayrılması
Maddeler çok küçük parçacık olan atomlardan oluşmuştur. Atomun yapısının aydınlatılması için bilim adamları uzun yıllardan beri çalışmaktadırlar. Son yıllarda, iki özel tip elektron mikroskopunun geliştirilmesiyle, atomların görüntüleri elde edilebilmiştir. Alan emisyon mikroskopu, çok ince metal iğnelerin uçlarındaki molekül veya büyük atomların görülebilmelerini sağlamıştır. Elektron tarama mikroskobu, 5Å büyüklüğündeki atom veya moleküllerin görülebilmelerini sağlamaktadır. Yüksek voltaj elektron mikroskopları ile 2 Å veya daha küçüklerin görülmesi başarılmış ve kristal içindeki bu büyüklükte atom veya moleküllerin görüntüleri elde edilmiştir.
Maddeler element, bileşik veya karışım olarak bulunabilmektedirler. Element nedir? Atomla elementin ilişkisi nedir?
Sıradan kimyasal işlemler ile kendinden farklı iki veya daha fazla sayıda maddeye ayrılamayan saf maddelere "element" denir.
Örneğin, bakır, altın ve oksijen birer elementtirler. Bakır atomu, altın atomu ve oksijen atomu ise bu elementlere ait en küçük birimlerdir.
Elementlerin özelliklerini taşıyan en küçük birimlere "atom" denir.
Günümüzde bilinen element sayısı 109 olmakla birlikte bunların bir kısmı doğada bulunmamaktadır. Doğada olmayanlar laboratuvarlarda suni şekilde elde edilmektedirler. İki veya daha fazla sayıda atom kimyasal yollar ile bir araya geldiğinde "molekül" denen birimler oluşurlar. Moleküller özdeş veya farklı atomların bağlanması ile oluşabilirler.
Örneğin, Neon ve kripton gibi bazı elementler doğada atomlar halinde bulunmalarına karşın, azot ve iyot gibi elementler moleküler yapıda bulunurlar.
Bileşikler, atomların kimyasal olarak bir araya gelmeleri sonucu oluşmuşlardır ve bugüne kadar, yaklaşık 17 milyon bileşik kayıt edilmiştir.
İki veya daha fazla elementin belirli ağırlık oranları dahilinde kimyasal bağlar ile oluşturdukları saf maddelere "bileşikler" denir.
Örneğin, hidrojen ve oksijen atomları 2'ye 1 oranında birleşerek H2O (su) veya 2'ye 2 oranında birleşerek H2O2 (hidrojen peroksit) meydana getirirler.
Element veya bileşikler kesin bileşimlere ve kendilerine özgü özelliklere sahip maddelerdir.
Örneğin su bir bileşiktir. Su saf yapıda her zaman 1/9 hidrojen 8/9 oksijen oranlarında bir bileşime sahiptir. Bunun dışında bir yapıda bulunamaz.
Bileşikler kendilerini oluşturan elementlerden tamamen farklı özellikler gösterirler.
Örneğin, H2 ile O2 gazlarının reaksiyonundan oluşan H2O (su) moleküllerinin tüm özellikleri kendini oluşturan hidrojen ve oksijen elementlerinin özelliklerinden tamamen farklıdır.
Sıcaklık, yoğunluk, derişim, kaynama noktası, vizkosite, elektrik iletkenliği gibi madde özelliklerinin aynı olduğu sistem bölgelerine "faz" adı verilir.
Karışımlar fiziksel olarak birbirlerinden tamamen ayrılabilen iki veya daha fazla maddeden meydana gelir. Karışımlarda her madde kendi özelliğini korur. Karışımlar tek bir faz oluşturuyorsa, "homojen karışımlar"; birden fazla faz oluşturuyorlarsa "heterojen karışımlar" olarak adlandırılırlar. Homojen karışımlara "çözeltiler" de denir.
Kolalı tüm içkiler ve meyve suları çok bileşenli homojen karışımlara, bir kaşık şekerin bir bardak suda çözünmesiyle elde edilen karışım iki bileşenli homojen karışımlara örnektirler. Bir kaya parçası çok bileşenli heterojen karışımlara örnektir. Metallerin katı çözeltileri "alaşım" olarak adlandırılır ve alaşımların özel önemleri vardır. Alaşımlarda bileşenlerin özelliklerine göre değişik ürünler meydana gelir. Örneğin, bronz alaşımı ağırlık yüzdesi olarak %90 bakır, %10 kalaydan meydana gelmiştir. Aynı şekilde, pirinç %67 bakır ile %33 çinko ve çelik %99 demir ve %1 karbondan oluşmuştur.
T E M E L K A V R A M L A R Madde a. Saf Maddeler b. Karışımlar Elementler Bileşikler b1.Homojen karışımlar b2.Heterojen karışımlar
4. Maddelerin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Saf maddeleri tanımlamak için kullanılan özellikler arasında kesin bir sınıflama yapılamazken, donma noktası, kaynama noktası ve spektroskopik özellikler gibi fiziksel özellikler her madde için farklıdır. Daha önce de belirtildiği gibi, bir maddenin yapısının değişmesine karşılık kimyasal yapısında herhangi bir değişiklik olmuyor ise bu değişikliğe "fiziksel değişiklik" denir. Örneğin, su katı, sıvı ve gaz hallerinde kimyasal olarak aynı özelliktedir. Değişiklik suyun sadece fiziksel özelliğindedir. Bazı önemli fiziksel özellikler şunlardır:
• Erime veya donma noktası: Bu terimlerin her ikisi de, maddenin katı ve sıvı fazlarının birlikte oldukları sıcaklığa karşılık gelir. Örneğin, katı haldeki suyun (buz) erime noktası 0°C'dir. Yine aynı şekilde saf suyun donma noktası da 0°C'dir. • Kaynama noktası: Bir sıvının buhar basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklığa "kaynama noktası" denir. Örneğin, suyun 100°C'deki deniz kenarındaki buhar basıncı oradaki atmosfer basıncı olan (dış basınç) 760 mmHg'ye eşittir. Dolayısıyla suyun deniz kenarındaki kaynama noktası 100°C'dir. Deniz seviyesinden yukarılara çıkıldıkça suyun kaynama noktasının düşeceği tanımdan kolaylıkla anlaşılabilir. • Yoğunluk ve özgül ağırlık: Yoğunluk, birim hacim basınca düşen ağırlık miktarıdır. Örneğin, +4°C'de saf suyun yoğunluğu 1.00 gram/cm3 'tür. Yoğunluk maddenin hacmi ile orantılı ve hacim de sıcaklık ile orantılı olduğu için yoğunluk aynı zamanda maddenin bulunduğu ortama göre de değişir. Özgül ağırlık ise, bilinen ve referans olarak alınan bir maddeyle olan yoğunluk oranıdır. Referans madde, gazlar için "hava", katı ve sıvılar için "sudur". Örneğin, civanın özgül ağırlığı 13.6 demek, civa sudan 13.6 kez daha yoğun bir madde demektir. • Çözünürlük: Verilen bir sıcaklıkta, belli bir miktar çözücü içinde saf bir maddenin çözünebilen en fazla miktarıdır. Örneğin, 100°C 'de 100 gram suda 39.1 gram NaCl çözünür.
5. Kimyasal Denklemler
Bir kimyasal reaksiyon sırasında reaksiyona giren maddeler ile reaksiyon sonucu meydana gelen yeni maddeleri daha anlaşılır şekilde görmek için "kimyasal denklem" denen ifadeler kullanılır. Örneğin, propan gazının oksijen ile olan reaksiyonunu inceleyelim:
C3H8 (g) + 5O2 (g) ---> 3CO2 (g) + 4H2O (g) + Isı Giren maddeler Çıkan maddeler (Reaktantlar) (Ürünler)
Kimyasal denklemde en önemli özelliklerden birisi, reaksiyona giren maddelerdeki atomların sayısının reaksiyon sonucu meydana gelen ürünlerdeki atomların sayısına eşit olmasıdır.
Reaktantlar Ürünler C sayısı 3 C sayısı 3 H " 8 H " 8 O " 10 O " 10
Kimyasal reaksiyonlar ve işlemlerin denklemlerini yazmak için kimyacılar tarafından tüm dünyada genel olarak belirlenen standartlar şunlardır:
• Reaksiyona girenler okun soluna, ürünler sağ tarafına yazılır. • Reaksiyon sırasında sadece değişime uğrayan atom ve moleküller denklemde yer alırlar. • Herbir elementin atom sayısı denklemin her iki tarafında aynı olmalıdır. • Maddenin hali, kimyasal formülden sonra parantez içinde gösterilmelidir. Katı hali (k), gaz hali (g), sıvı hal (s) sembolleri ile gösterilir. Kimyasal denklemlerin nasıl eşitlendiği ilerideki bölümlerde ayrıntılı olarak ele alınacaktır.
6. Kimyasal Reaksiyonlarda Enerji
Bilim adamları enerjiyi "iş yapabilme kapasitesi" olarak tanımlamışlardır. Her bir kimyasal reaksiyona bir enerji değişmesi eşlik eder. Kimyasal reaksiyonlara eşlik eden enerji değişmelerinin incelenmesi termokimyanın konusunu meydana getirir. Bu enerji değişmesi ısı, ışık ya da elektrik şeklinde olabilir.
Kimyasal reaksiyonlardaki ürünün enerjisi başlangıç maddelerinden az ise enerji dışarı verilmiştir, böyle reaksiyonlar "ekzotermik" reaksiyonlardır. Eğer ürün başlangıç maddelerininkinden daha yüksek enerji içeriyorsa reaksiyon dışarıdan enerji almıştır, böyle reaksiyonlara "endotermik" reaksiyonlar denir.
Kimyasal bir reaksiyona eşlik eden enerji çoğu kez ısı şeklinde kendini gösterir. Bundan dolayı, kimyada enerji birimi olarak kalori veya bunun bin katı olan kilokalori gibi birimler yaygın şekilde kullanılmaktadır. Uluslararası Birim Sistemi (SI) enerji birimini "Joule" olarak belirlemiştir. Ancak kimyacılar hala tercihen "kalori" ve "kilokalori" birimlerini kullanmaktadırlar.