Kimya
- Evrenimiz, çeşitli enerji türlerine tekabül eden ışınlardan, maddenin çeşitli hallerinde bulunan cisimlerden oluşmuştur. Kimya ise bu maddeleri yalıtılmış halde veya diğerlerinin etkisinde olduğunda inceleyen bilim dalıdır. Günümüzde bu tarif yetersiz kalmaktadır, çünkü ışınlar maddeleri değiştirebildiklerinden, kimyacılar bunlarla da ilgilenmek zorundadırlar, bu yüzden fizikçilerin işlerine de el atmış olurlar. Böylece yavaş yavaş fizik ve kimya ikiz bilimler haline dönüşmüştür, bunları birbirinden ayıran kesin bir sınır yoktur.
- Bir diğer noktayı da belirlememiz gerekir. Kimyacılar dışında diğer birçok bilim adamı da kimya ile uğraşmaktadır. Bunlar fizikçiler, yıldızlan oluşturan maddeleri inceleyen astronomlar, toprağı inceleyen jeologlar, biyologlar, ziraat mühendisleri, tıpla uğraşanlar, eczacılardır.
- Bu bilim de diğer bilim dallan gibi çeşitli bölümlere ayrışır. Mineral kimyası, organik kimya, fizikokimya, yapısal kimya vs
- Madde etrafımızda, hatta bizdedir. Etrafımızı çevreleyen nesneler maddelerden oluşmuştur. Bizi aydınlatan elektrik ampulleri camdandır,tungsten bir lif ve pirinç duy ihtiva eder, bir gazla (kripton veya argon) doludur. Toprak ise kil, kalker, granit ihtiva eder.Vücudumuzda önemli miktarda su ihtiva eder; bu suda sayısız organik maddeler, mineraller bulunur, bunlar da çeşitli dokuları oluşturur.
- Kimyacılar nesnelerle değil, nesneleri oluşturan maddeler ile ilgilenir. Kimyacı için; bir nesnenin herhangi bir bölümü bir materyel veya bir cevherden oluşmuştur. Bu maddenin saf veya diğer saf cevherlerin bir karışımı olup olmadığını incelemek de kimyacının görevidir. Kimyacı bazı kalkerlerin veya tungstenin saf, cam, tahta ve pirincin ise saf olmadığını nasıl anlayacaktır? Bu problemin deneysel olarak çözümü güçtür, bu yüzden önce teorik plan gözden geçirilmelidir.
- Geçen yüzyıl boyunca, kimyacılar, maddenin güçlü mikroskoplarla bile görünemeyen, çok küçük partiküllerin yan yana dizilmesi ile oluştuğunu kabul etmişlerdir. Bunlar moleküllerdir. Tüm moleküllerin eş olduğu durumda madde saf kabul edilir. Aksine çeşitli moleküllerin karışımı söz konusu ise bir ansımdan söz edilir. Bir karışımda şunlar gözlenebilir:
– Yan yana dizilmiş çeşitli saf cisim kütlelerinden oluşan karışımlar (granit örneğinde olduğu gibi; mika, feldispat ve kuars tanecikleri ayırd edilemez) heterojen karışımlardır. Bu tür bir karışımın özellikleri (renk, yoğunluk, sertlik…) bir kütleden diğerine eşittir .
– Birbirinin içine girmiş gerçek moleküllerden oluşan karışımlara homojen karışımlar denir. Söz gelimi, şeker suda erir ve şekerli su damlacığı incelendiğinde şekertanecikleri çok güçlü bir mikroskop ile dahi görülemez. Ölçeğimizce alınan çok ufak su miktarının, her bölümünde su ve şeker molekülleri aynı orandadır ve özellikleri her yerlerinde eştir.
- Pratikte bir maddenin homojenliğinin veya heterojenliğinin ortaya çıkarılması her zaman kolay olmaz. Sözgelişi, çıplak gözle bakıldığında süt homojen görünümdedir. Mikroskopta ise; homojen bir likit kütlesinde görülemiyecek ufak partiküller görünür. Süt şişesinin üzerinde yazılı “homojenize edilmiş” cümlesine rağmen süt heterojen bir karışımdır.
- Kimyacı ilk olarak heterojen bir karışımdaki çeşitli kütleleri ayırmalıdır (öğütme, seçme, ayırma, yıkama vs.), daha sonra homojen bir karışımdaki çeşitli saf maddeleri ayırt eder, (buharlaştırma, distilasyon, kristalizasyon vs) ancak bir madde elde edildiğinde molekül türlerinin saf davranışlarının incelenmesine başlanabilir
- İngiliz kimyacı John Dalton çok geniş incelemelere dayanarak, 1805 yılında saf bir maddenin karakteristiği olan her molekülün küçük parçalarının eşit yapıda olduğunu kabul etmiştir. Bu , “atom teorisi” adı altında gelişime uğramıştır.
- Tekrarlandıkça kesinlik kazanan analizlerle; günümüzde bilinen moleküllerin (1 milyondan fazla), sınırlı sayıdaki küçük partiküllerin bileşiminden oluştuğu gösterilmiştir. Bu küçük partiküller toplamı 92 tane olan atomlardır. Atomların birbirlerine değişik yapılarda bağlanma ihtimallerinin fazlalığı; bu kadar çok sayıda molekülün oluşumuna sebeb olmaktadır.
- 92 adeti bulunan bu atomların hepsi bir anda keşfedilmemiştir. Bu atomlar kimyasal “elementleri” oluştururlar. Dalton bu elementlerin sadece yirmi otuz tanesini bilmekteydi, daha sonraları 1869 yılında Rus kimyacısı Mendeleiev atomların sınıflandırmasını içeren bir tablo yapma fikrini ortaya attığında, tabloda boş haneler kalmıştır. Çünkü Mendeleiev bu elementlerden sadece 60 tanesini tanımaktaydı. Mendeleiev’in bu tablosu atom yapısı teorisi ile tamamlanmış ve doğrulanmıştır, günümüzde artık 92 elementin dışında başka tabii element olamayacağı bilinmektedir. Aslında bu 92 element 106’yı geçmektedir, çünkü sikloteron gibi suni atomlar üreten makineler geliştirilmiştir. Bu suni elementler 92. element olan Uranyum’dan daha ağırdır. Bu elementlere transuranyüm elementleri adı verilir, bunlar tabiatta bulunmazlar.
- Bu yüzyılın başında maddenin yapısını daha detaylı hayal ederek, her atomun kendine has özelliklerini belirleyen bir model geliştirilmiştir. Kimyacı açısından bu, her atomun diğer atomlarla az veya çok sağlamlıkta bağlanma imkânını getirmiştir. Bu şekilde moleküler yapılar oluşturulur.
- Atomdan, çok daha küçük ve negatif yüklü partiküller elde edilebileceğini ilk olarak fizikçiler ortaya çıkarmışlardır. Bunlar elektron-lardır. Tabiî atomların en basiti olan hidrojen bir tek elektron ihtiva etmektedir; Uranyumun ise 92 elektronu vardır.
- Atomlar elektrikle yüklü olmadıklarından negatif” yükü telafi eden bir pozitif yükün varlığı kabul edilmiştir. Fiziksel sebeplerden dolayı bu pozitif yüklerin proton adlı partiküller şeklinde çekirdeğin merkezine sıkışmış oldukları varsayılır. Her protonun, elektrona eş yükü vardır, ancak bu yük pozitiftir ve proton sayısı çekirdek çevresine yerleşmiş elektron sayısına eşittir. Bu yetersiz atom modeli, 1932’de Chadwick tarafından gerçekleştirilmiştir. Chadvvick çekirdeğin protondan başka, elektrikçe nötr partiküller de ihtiva ettiğini düşünmüştür: Bunlar nötronlardır çekirdeğin yükünü değiştirmeksizin kütlesini arttırırlar. Proton ve nötronların hepsine birden “nükleonlar” adı verilir.
- Hidrojen atomu bir proton ihtiva eden çekirdekten meydana gelmiştir, bu çekirdeğin etrafında bir elektron “dolaşır”. Buna karşın Mendeleiev tablosunun ikincil elementi olan helyumun çekirdeği 2 proton ve 2 nötron ihtiva eder, çekirdek etrafında da 2 elektron bulunur. Proton ve nötron kütleleri birbirine eşittir ve elektronunkinden 2000 kat daha büyüktür. Bu durumda, helyum atomu hidrojen atomundan 4 kez daha ağırdır. Tablonun diğer ucunda uranyum atomunun çekirdeği 92 proton ve 146 nötrondan oluşmuştur, çekirdek etrafında ise 92 elektron bulunur. Uranyum atomu, hidrojen atomundan 238 kez daha ağırdır.Çekirdek yapılarının incelenmesi yeni bir bilim dalını teşkil eder: Nükleer fizik. Bu da kimyanın bir bölümünü oluşturur.
- Çeşitli bölümlerin birbirine bağlılığını nasıl algılayacağız; çekirdek içerisindeki proton ve nötronlar, atomda elektron ve çekirdekler, moleküllerdeki çeşitli atomlar, ölçeğimizdeki kütlelerde moleküller nasıl bir arada tutulurlar
- Proton ve nötronlar arasında, nükleer kuvvetler adı verilen güçlü bir çekim kuvveti mevcuttur. Bu kuvvet; ancak çok güçlü araçlar ile az veya çok kısmen tahrip edilebilirler.
- Çekirdekler ve elektronlar arasındaki çekim kuvvetleri şiddetli ve elektrik kökenlidir. Atomlar, iyonlaşünldığında, bu çekim kuvvetleri yok edilebilirler, yani çekirdeği değiştirmeksizin birkaç elektron kazanıldığında veya kaybedildiğinde bu kuvvetler yok edilmiş olur.
- Farklı atomlar arasında, elektron alışverişi veya elektronların ortaklaşa kullanımı ile (bunlar en dış yörüngeçteki elektronlardır) sağlam moleküler yapıların oluştuğu çekim kuvvetleri yaratılabilir. Molekülü ise atom haline indirgenmek için fazla bir enerji gerektirmez.
- Benzer moleküler yapılar arasında lokal elektrik çekim kuvvetleri mevcuttur, gazlarda olduğu gibi moleküller birbirinden çok uzaksa bu çekim kuvvetleri sıfıra eşittir.
- Kimyacılar özellikle moleküler yapı içindeki atomlar arası çekim kuvvetleri ile ilgilenirler. Bunları değiştirmek için genelde ısı şeklinde olan çeşitli enerji türlerinden yararlanırlar. Kimyacının çalışması; hem kimyasal elementlerin atomlarının tanınması, hem de bu atomların kimyasal reaksiyon işlemlerindeki molekül gruplanmalarını inceleme doğrultusundadır.
- Basit, indirgenemeyen elementlerin listesini düzenlediğimizi düşünelim, en basitinden en karmaşığına doğru bir sıralama yapabiliriz. Aynı zamanda bu sınıflandırma ile birbiriyle ortak veya benzer kimyasal özellikler taşıyan elementlerin aynı grubu oluşturduğunu farkederiz. Meselâ, oksijen ile kuvvetli reaksiyon veren elementler. Kimyasal elementler teorisi ile kimyasal reaksiyonları çözümleyebilmek mümkün olur.
- Bazı ışık veren tüplerde kullanılan neon gibi bir gazda,bütün atomlar eştir, bizim uçaklarımızın düzeyinde hızlarla hareket ederler, birbirlerine çarparak, sürekli yön değiştirirler. Oksijen de eş atomlardan oluşmuştur, ancak bu atomlar molekül halinde çift olarak gruplanırlar. Aynı şekilde su da benzer moleküllerden oluşmuştur, bu moleküllerin her biri 1 atom oksijen ve 2 atom hidrojenden meydana gelmiştir.
- Her elementi kesinlikle belirleyebilmek için her atom bir sembol ile gösterilir, bu sembol o elementin adının kısaltılmış şeklidir. A argonun, Al alüminyumun, Ag gümüşün, N azotun (veya nitrojen) sembolleridir. Çekirdekteki proton sayısı elementin özelliklerini etkiler.Bu sayısı Z ile gösterilir ve atom numarası olarak adlandırılır. Uranyumun atom numarası 92’dir.
- Atom numarası aynı zamanda kimyasal elementi ve bu elementin başlıca kimyasal özelliklerini özetler. İki atom etkileştiğinde; birinin ve diğerinin üzerine etkiyen elektrik tesiri sadece yüklü tanecikler olan elektron ve protonlara bağlıdır. Bu tesirlerin önemi; yük sayısına göre yani atom numarasına göre değişir.
- Eğer bir çekirdek, diğer çekirdeğe eş sayıda proton ve diğer çekirdeğe eş sayıda nötron ihtiva ediyorsa ve aynı sayıda elektron ile çevrelenmişse kimyasal özellikleri değişmez. Her atomun nadir element olmaması bu sonucu doğrular. Her atom kimyasal özelliklerine göre sıralanırsa; bazı atomların aynı yeri işgal etmeleri gerekir; bunlar izotoplardır. Aşağı, yukarı her kimvasal elementin izotopları bilinmektedir.
- Bir atomun elektronları gelişigüzel yerleşmemiştir. Çekirdekten uzaklaşan sırada dizilmiş yörüngeler üzerinde bulunurlar. Her yörünge belirli bir sayıda elektron ihtiva edebilir; birinci yörünge 2, ikinci yörünge 8, üçüncü yörünge 18… vs. genel formül n. yörünge için 2nxn elektrondur
Atomlar, artan atom numaralarına göre sıralandınldığında, şu sıra oluşur:
Z=l: hidrojen (sembolü H) Z=2: helyum (sembolü (He)
Helyum için ilk yörünge tamamen doludur. Daha sonraki element olan lityumun (Li), üçüncü elektronu ikinci yörüngeye yerleşmiş vaziyettedir. Daha sonraki sıralama: Lityum-Berilyum-Bor-Karbon–Azot-Oksijen-Fluor-Neon. Neonun birinci yörüngesinde 2, ikinci yörüngesinde 8 elektron bulunduğundan doymuştur.
- Daha sonraki element sodyumun (Na) üçüncü yörüngesinde bir elektron olacaktır. Bu dış yörünge Lityumunkinin aynıdır. O halde, sodyumu yeni bir satıra yazmak zorunda kalırız, diğer elementler de üst satırdaki benzer elementlerin altlarına yazılırlar: Sodyum, Magnezyum, Alüminyum-Silisyum-Fosfor-Kükürt-Klor Argon. Bu dış yörüngelerin benzerliği kuvvetli kimyasal kıyaslamalar oluşturur.
- Argondan sonra, son elektronu yeni bir yörüngeye yerleşmiş element gelir ve bu böyle devam eder. Tablonun satırları aynı uzunlukta değildir, çünkü birbirini takip eden yörüngeler gittikçe çoğalan sayıda elektron ihtiva ederler.
- Bu modern sınıflandırma, Mendeleiev’in 1869’ta yaptığı çalışmasıyla aynı modellidir.1 Her kolonda, birbirine çok yakın kimyasal özellikler gösteren benzer elementler sıralanır. İlk kolon “alkali” metaller kolonudur. (Lityum, sodyum, potasyum, rubidyum, sezyum, fransiyum) Bunlar yumuşak, düşük yoğunluklu, ametallerle birleşmeye meyilli katılardır, su ile kuvvetli bazları oluştururlar.
- ikinci kolondaki “toprak alkali metaller” (Berilyum, Magnezyum, Kalsiyum, Stronsiyum, Baryum, Radyum) suyu ayrıştırırlar, diğer bileşiklerin oksijenini kaparlar. Tuzlan erimez.
- Ametaloidler geniş bir grup oluştururlar. Bunlar ısı ve elektrik için kötü iletkenlerdir, kimyasal olarak genellikle hidrojen ile birleşirler. Bu birisi de “halojenler”dir. (Fluor, klor, Brom, iyod, Astat) Halojenler kimyasal reaksiyona girmeye çok elverişlidirler, hidrojen kapma özellikleri fazladır.
- Asal gazların (helyum, neon, argon, kripton, ksenon, radon) son yörüngeleri, doymuştur, kullanılmaya elverişli elektronlan yoktur. İnert olmalan ve kimyasal reaksiyonlara girmeme özellikleri ile tanınırlar.
- Sanınz hepiniz, arkadaş toplantılarını oluşturan insanlan gözlemişsinizdir; bunlar birbirinden farklı olabilen gruplar oluşturabilirler. Bazı gruplar diğerlerinden daha sağlam, daha dayanıklı olabilir. Bu görüntü bir kimyasal yapının basite indirgenmiş şekli olarak bize fikir verebilir.
- Yanma, kimyasal bir reaksiyondur, bir metalin bir asitle reaksiyonu da kimyasaldır. Tuzun basitçe suda eritilmesi de bir kimyasal reaksiyon oluşturur. Ancak her dönüşüm; mutlaka bir kimyasal reaksiyon olma zorunda değildir. Meselâ suyun ısıtıldığında sıcaklığının yükselmesi, tamamiyle fiziksel bir dönüşümdür, çünkü su buhar hâlinde dahi su durumundadır. Yani molekülleri her zaman aynıdır.
- Bir kimyasal reaksiyon; maddelerin doğalarının değişimiyle karakterize edilir. Reaksiyona giren maddeler,reaksiyon ürünü olan diğer maddeler hâline dönüşürler. Söz gelişi, kükürdün havada yanma reaksiyonunda; reaksiyona giren elementler kükürt ve havarim oksijenidir. Bu reaksiyon sonucu yeni bir ürün oluşur, bu boğucu bir gaz plan kükürtdioksidtir.(S02).
- Günümüzde tanınan kimyasal reaksiyonların sayısı çok fazladır; milyonlarla sayıldığını! belirterek bu kimyasal reaksiyonlann sayısı hakkında bir fikir verebiliriz.
- Her saf maddenin eş moleküllerden oluştuğunu biliyoruz. Oksijen molekülü her zaman 2 atom oksijenden, su molekülü ise her zaman 2 atom hidrojen ve 1 atom oksijenden meydana gelmiştir. Oksijen molekülü 02, hidrojen molekülü H2, su molekülü ise H20 ile gösterilir. Bir reaksiyon esnasında, reaksiyona giren maddeleri oluşturan atomlar, yeni moleküller oluşturacak şekilde gruplanırlar, ancak reaksiyona giren her atom, reaksiyon sonunda da varlığını sürdürür. Modern kimyanın gerçek kurucusu olan Lavoisier bir reaksiyon esnasında “hiçbir şeyin kaybolmadığını, hiçbir şeyin yoktan varolmadığını” ortaya koymuştur. Lavoisier bu ifadesinde sadece kütleleri kastetmiştir, biz bunu atomlar olarak değiştirebiliriz.
- Kimyasal elementler, yani atomlar sembollerle ifade edildiklerinden, kimyasal reaksiyonları da sembollerle göstermek mümkündür. Bu arada reaksiyondan önceki ve sonraki maddeler birbirinden ayırdedilmelidir. Bu amaçla reaksiyona giren maddelerden, ürünlere doğru çizilen bir oktan yararlanılır. Kükürdün(S) yanma reaksiyonu;
s+o2-»-so2
Hidrojenin yanma reaksiyonu
2H2+02-»2H20
Su örneğinde, 2 molekül hidrojen ve 1 molekül oksijen kullanarak 2 molekül su oluşturduk. Sağda ve solda aynı atomları aynı sayıda bulabiliriz. Diğer bir örnek amonyak (NH3) sentezidir. (N2) azot ve. (H2) hidrojen ile aşağıdaki reaksiyon oluşur:N2+3H²→2NH³
- Bir kimyasal reaksiyon, iyonlar arasında da gerçekleşebilir. İyonlar elektron vermiş veya almış atomlardır. Sodyum klorürde (NaCl) pozitif sodyum iyonlan (Na*) ve negatif klor iyonlan (CT) mevcuttur. Gümüş nitratta ise (AgNO,), nitrat iyonlan (N03) ve gümüş iyonlan (Ag+) bulunur.
- Bir sodyum klorür çözeltisi ile gümüş nitrat çözeltisini karıştıralım. Sadece Ag+ iyonlan ve Cl iyonlan reaksiyona girecek ve beyaz renkli gümüş klorür çökeleğini oluşturacaktır. Reaksiyon eşitliği şu şekilde yazılın.Ag++Cl→AgCl
- Klorhidrik asit gibi bir asit, hidrojen iyonianm (H+) serbest hâle geçirmeye meyillidir. Bu iyonlar bazı karakterde diğer maddelerce yakalanırlar. Klorhidrik asitin (HC1), sodyum hidroksit (NaOH) ile reaksiyonunda, bu iki madde önce iyonlanna aynlır, bu ayrılma bu iki maddenin birbiriyle temas halinde olmadığı durumda da gerçekleşir:HCl→H++Cl
- Asitçe serbest hale geçirilen H+ iyonları, sodyum hidroksitçe üretilen OH- iyonları ile birleşerek su molekülünü oluşturur.
H++OH→H2o
Na+ ve Cl iyonları çözeltide ayrık halde bulunurlar. Ancak çözelti buharlaştınldığında bunlar birleşerek Na+Cl– veya (NaCl) sodyum klorür tuzunu oluştururlar. Bu reaksiyonun özet olarak yazılışı:
HQ+NaOH→NaCl+H20
- Önceki reaksiyonlar reaksiyona giren maddelerin en az birinin bitmesine kadar devam eder, bunlar tam(tamamlanmış) reaksiyonlardır.
- Bu tür reaksiyonların yanında, henüz dönüşmemiş maddeler bulunduğu halde duran reaksiyonlar da mevcuttur. Mesela azot ve hidrojen karışımı yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında (450°C’lere) ve birkaç yüz atmosfer basınç uygulandığında; bu karışımın sadece bir kısmı amonyağa dönüşür. Bunun tersine, aynı şartlardaki amonyak, kısmi olarak hidrojen ve azota bozunur. Bu durumda ters iki reaksiyonun denge durumu söz konusudur, bu tür reaksiyonlarda “kimyasal denge”den söz edilir.