GENEL KİMYA Genel Kimya: Prensipler ve Modern Uygulamalar Ders kitapları: Yazarlar: Petrucci & Harwood; Çeviri editörü: Tahsin Uyar Genel Kimya: Prensipler ve Modern Uygulamalar 2. Yazar: Mortimer; Çeviri editörü: Turhan Altınata Modern Üniversite Kimyası Kimya notları: personals.okan.edu.tr/erinc.kocak KiMYA-Türkçe klasörü Konu 1: Madde: Özellikleri ve Ölçümü Konu 2: Atomlar ve Atom Teorisi Konu 3: Atomun Elektron Yapısı Konu 4: Kimyasal Bileşikler Konu 5: Kimyasal Tepkimeler Konu 6: Gazlar Konu 7. Termokimya

Konu 1: Madde—Özellikleri ve Ölçümü

Madde nedir? Madde: bir hacim kaplayan ve kütlesi olan her şeye madde denir. Maddeler duyu organlarımızla hissedebileceğimiz şeyler olabilir (su, toprak, ağaçlar, hava, vb.). Bunun yanı sıra bazı maddeleri duyu organlarımızla değil ancak özel cihazlarla gözlemleyebiliriz (radyoaktif bozunum sonucu ortaya çıkan parçacıklar, kozmik ışınlar, vb.). Maddenin şekil almış haline cisim denir.

Maddenin ortak(kapasite) ve ayırt edici(şiddet) özellikleri Maddenin ortak özellikleri madde miktarına bağlıdır (kütle, hacim, eylemsizlik). Maddenin ayırt edici özellikleri madde miktarına bağlı değildir (yoğunluk, erime ve kaynama noktası, çözünürlük, genleşme, iletkenlik, esneklik, koku, renk, sertlik)

Maddenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Fiziksel özellikler: Maddenin yapısını veya bileşimini değiştirmeden ölçebileceğimiz ve gözlemleyebileceğimiz özellikleridir. Örnekler: Kimyasal özellikler: Maddenin kimyasal özelliklerini gözlemleyebilmemiz için yapısında kimyasal farklılaşmaya sebep olan değişiklikleri gözlemlemeye ihtiyaç vardır. Örnek: Erime noktası Donma noktası Yoğunluk Renk Maddenin aktif olup olmadığı, oksijen içerisinde yanıp yanmadığı, asit ve bazlarla tepkime verip vermediği, v.s.

Maddenin hal değişimleri (Depolanma) KATI ↔ (erime/donma) ↔ SIVI ↔ (buharlaşma/ yoğunlaşma) ↔ GAZ (süblimleşme) Katı halden gaz haline geçerken: Moleküller arası uzaklık artar Moleküllerin kinetik enerjisi artar Moleküller arası çekim kuvvetinin etkisi azalır Kütle değişmez Kimyasal özellik değişmez Fiziksel özellik değişir Yoğunluk genellikle azalır Düzensizlik artar

Maddenin halleri KATI SIVI GAZ

Bu üç fiziksel hal arasındaki geçişlerin sıcaklıkla olan ilişkisini aşağıdaki suyun sıcaklık zaman grafiğinde inceleyelim. Bu grafik 1 atmosfer basınca göre hazırlanmıştır.  ( Ek = KİNETİK ENERJİ,  Ep = POTANSİYEL ENERJİ )

Madde Saf Maddeler Karışımlar Bileşikler Elementler Homojen Heterojen Fiziksel metotla ayrıştırma Saf Maddeler Karışımlar Bileşikler Elementler Homojen Heterojen Kimyasal metotla ayrıştırma

Saf Madde - Karışım Saf maddeler sabit bir bileşimi olan ve özellikleri belirli olan maddelerdir (su, cıva, tuz, şeker, altın, vb.). Elementler ve bileşikler saf maddelerdir. Karışımlar iki veya daha fazla saf maddenin karışmasından oluşurlar. Karışım içerisinde her madde kendi fiziksel özelliğini korur. Karışımlar ikiye ayrılır: Homojen Heterojen

Karışımlar Karışımlar katı, sıvı, gaz hallerinde olabilirler. Örnek: Hava gaz-gaz karışımıdır Tuzlu su katı-sıvı karışımıdır Gazoz gaz-sıvı karışımıdır Alkollü su sıvı-sıvı karışımıdır 14 ayar altın katı-katı karışımıdır Yukarıda verilen örneklerin hepsi homojendir.

Heterojen karışımlara bir örnek: demir tozu ve kum karışımı

Element - Bileşik Elementler kimyasal yollarla daha basit maddelere ayrılamayan maddelerdir. Bugün bilinen 111 tane element vardır ve bunlar elementlerin periyodik tablosunda listelenmiştir. Varlığı kesin olarak kanıtlanmamış ve yeni keşfedilen elementlerle bu sayı zaman içinde değişebilmektedir. Bu tabloda 92. element olan “uranyum”dan sonraki elementler laboratuarlarda nükleer reaksiyonlar sonucunda elde edilmişlerdir, diğerleri doğada doğal olarak bulunurlar. Bileşikler iki veya daha fazla farklı elementin atomlarının birleşmesiyle oluşan maddelerdir.

Periyodik Tablo

KARIŞIMLARIN ÖZELLİKLERİ 1. Karışımı oluşturan maddeler her oranda karışır. 2. Karışımı oluşturan maddeler kendi özelliklerini kaybetmez. 3. Karışımın özellikleri karışımı oluşturan maddelerin karışma oranına göre değişir. 4. Karışımlar bileşenlerine fiziksel yöntemlerle ayrılabilir. 5. Formülleri yoktur. 6. Homojen ya da heterojen olabilirler. BİLEŞİKLERİN ÖZELLİKLERİ 1. Bileşiği oluşturan maddeler arasında belirli bir oran vardır. 2. Bileşiği oluşturan maddeler kendi özelliklerini kaybeder. 3. Bileşikler bileşenlerine kimyasal yöntemlerle ayrışabilir. 4. Bileşiklerin erime ve kaynama noktaları sabittir. 5. Belirli bir formülleri vardır. 6. Homojendir.

KARIŞIMLARIN AYRILMASI Karışımları oluşturan maddeleri ayrı ayrı geri kazanma işlemlerine ayırma veya saflaştırma yöntemleri denir. Ayırma yöntemleri bileşenlerin bir ya da birkaç fiziksel özelliğinin farklı olmasına dayanarak geliştirilir. Heterojen Karışımları Ayırma Teknikleri Elektriklenme ile Ayrılma Bir ebonit veya plâstik çubuk, yün parçasına sürtüldüğünde elektrik yükü ile yüklenir. Elektrik yükü ile yüklenen ebonit çubuğu, kum ve kükürt tozu karışımına yaklaştırdığımızda kükürt tozlarını çektiğini ve kumu çekmediğini görürüz. Karışımdan kükürt tozları ayrılmış ve geriye kum kalmıştır. Elektriklenme ile ayırma yöntemi sadece küçük miktarlar için uygulanır. Endüstride uygulaması yapılmaz. Bazı karışımları, maddelerin elektriklenme özelliklerinin farklı olmasından yararlanarak birbirinden ayırabiliriz.onra tuz vekarışımına yaklaştırdığınızda tarağın tuzu çektiğini karabiberi ç

2. Mıknatıslanma ile Ayırma:Demir, kobalt ve nikel gibi maddeler mıknatıs tarafından çekildiği hâlde, kükürt,tuz, bakır, altın gibi maddeler mıknatıstan etkilenmez. Demir ve kükürt tozları karışımına mıknatısı yaklaştırdığımızda, mıknatıs demir tozlarını çeker ve karışımdan ayırır (Resim 1.1). Mıknatısla ayırma yöntemiyle kullanılmış kâğıtlar arasına karışmış toplu iğne, ataç ve demir gibi cisimler kâğıttan ayrılır. Bu yöntem kâğıt endüstrisinde kullanılır. Maddelerin mıknatıstan etkilenme özelliklerinin farklılığından yararlanılarak katı-katı karışımındaki maddeler birbirinden ayrılabilir. Resim 1.1 Demir ve kükürt karışımına mıknatıs yaklaştırıldığında mıknatıs demir tozlarını çekerek kükürtten ayırır

3. Yüzeye Çıkma ve Dibe Çökme (Öz Kütle Farkı ile Ayırma) Demir tozu ile kepek karışımını bileşenlerine nasıl ayırabiliriz? Demir tozu ve kepekten oluşmuş bir karışımı bileşenlerine ayırmak için karışımın üzerine bileşenlerle etkileşmeyen su eklenir. Öz kütlesi sudan büyük olan demir tozu dibe çöker, öz kütlesi sudan küçük olan kepek ise suyun üstünde toplanır (Resim 1.2). Bir kaşık yardımıyla üstten kepek alınır. Su yavaşça süzüldüğünde kabın dibinde demir tozu kalır. Böylece karışımı oluşturan maddeler birbirinden ayrılmış olur. Resim 1.2. Demir tozu kepek karışımı suyla karıştırılırsa kepek üstte, demir tozu ise dipte toplanır. Katı maddeler, öz kütle farkından yararlanılarak birbirinden ayrılabilir.

4. Süzme ile Ayırma Heterojen sistem değişik yoğunluktaki sıvı-katı karışımından oluşmuşsa, çökeltme işlemi uygulanır. Buna sedimentasyon da denir. Katı kısım iyice çökeldikten sonra, üstteki sıvı kısmın aktarma suretiyle alınmasına dekantasyon denir. Katı sıvı arasındaki yoğunluk farkı fazla değilse ve katı parçacıkları büyük çaplı değilse dekantasyon işlemi zorlaşır. Böylesi bir durumda süzme işlemine başvurulur. Süzme yönteminde gözenekleri farklı büyüklüklerde olan süzgeçler kullanılır. Süzmenin tam olarak gerçekleşmesi için kullanılan süzgecin gözenek büyüklüğünün, ayrılacak katının taneciklerinden küçük olması gerekir.

Örneğin; toprak ve suyun birbirlerine iyice karıştırılmasıyla elde edilen bulanık su, süzgeç kâğıdından süzüldüğünde, çözünmeyen madde (toprak parçaları) süzgeç kâğıdında kalır. Suyun ise süzülerek bardakta toplandığı görülür. Böylece topraklı su bileşenlerine ayrılır (Resim 1.3). Resim 1.3. Çamurlu suyun süzme yöntemi ile bileşenlerine ayrılması Süzme işlemini kolaylaştırmak ve zamandan tasarruf etmek için vakumda süzme işlemi uygulanır. Süzme yöntemi sadece katı-sıvı karışımlarını değil, katı-gaz karışımlarını ayırmak için de kullanılır. Örneğin; fabrika bacalarından çıkan gazları, katı taneciklerinden ayırmak için, katıları tutan süzgeçler kullanılır

5. Santrifüjleme: Sıvı içerisindeki katı parçacıkları çok küçük ise ve katı sıvı arasındaki yoğunluk farkı fazla değilse bu durumda süzme ile ayırma yeterli olmayabilir. Bu katı parçacıkların çökeltilmesi için santrifüjleme aletinden yararlanılır. Bu işlem normal ayırmalarda da kullanılır ve zamandan tasarruf sağlar.

6. Ayırma Hunisi : Öz kütleleri farklı olan ve birbiri içinde çözünmeyen iki sıvıdan oluşmuş karışımı bileşenlerine ayırmak için ayırma hunisi kullanılır. Örneğin; ayırma hunisine birbiri içinde çözünmeyen ve öz kütleleri farklı olan zeytinyağı-su karışımı konulur. Ayırma hunisinin üst kısmında öz kütlesi küçük olan zeytinyağı, alt kısmında da öz kütlesi büyük olan su toplanır (Resim 1.4). Bir süre beklenildikten sonra musluk açılarak öz kütlesi büyük olan su başka kaba alınır. Zeytinyağı ise ayrı bir kaba alınarak birbirinden ayrılmış olur. Resim 1.4. Ayırma hunisi yardımıyla öz kütleleri farklı sıvılardan oluşmuş karışım bileşenlerine ayrılabilir

7. Çözünürlük Farkı ile Ayırma Çözünürlük maddeler için ayırt edici bir özellik olduğunu için maddelerin çözünürlüklerinin farklı olmasından yararlanarak karışımlar bileşenlerine kolayca ayrılabilir. Resim 1.5. Tuz-kum karışımının çözünürlük farkı özelliğine göre bileşenlerine ayrılması Örneğin; kum ile yemek tuzu karışımı, suya konulup karıştırıldığında yemek tuzu suda çözünürken, suda çözünmeyen kum suyun dibine çöker. Oluşan çözelti süzülerek kumdan ayrılır. Tuzlu suyun, suyu buharlaştırıldığında geriye yemek tuzu kalır. Böylece kum ve yemek tuzu birbirinden ayrılmış olur. Bu yöntem karışımda bulunan maddelerden biri çözücüde çözünüyor, diğeri çözünmüyorsa uygulanabilir.

B) Homojen Karışımları Ayırma Teknikleri 1. Damıtma (Distilasyon) Her madde farklı kaynama noktasına sahiptir. Karışımı oluşturan maddeleri bu özellikten yararlanarak gaz fazına geçirip yoğunlaştırmak suretiyle teker teker geri kazanma işlemine distilasyon (damıtma) denir. Homojen katı-sıvı karışımlarını damıtma ile bileşenlerine ayırabiliriz. Damıtma balonundaki sıvı buharlaştırılır ve oluşan buhar soğutucudan geçirilerek yoğunlaştırılıp toplama kabında toplanır. Elde edilen sıvıya destilat denir. Uçucu bir sıvı ile bir katının karışımı basit damıtma ile birbirinden ayrılır (Resim 1.6).

Distilasyon maddelerin doğasına göre ikiye ayrılır: Kaynama noktaları çok yüksek olmayan ve bozunmaya uğramayan maddelerin distilasyonu iki yöntemle yapılır: Basit damıtma: Karışımı oluşturan maddelerin kaynama noktaları çok farklı ise uygulanabilir. İki sıvı ısıtılır. İki sıvı da buharlaşır. Kaynama noktası düşük olan sıvı buharın içinde çok daha fazla miktardadır. Geri soğutucuda bu iki buhar karışımı yoğunlaşır. Dolayısıyla toplama kabında toplanan sıvı safsızlık olarak bir miktar yüksek kaynama noktalı sıvıdan da içerir. Basit damıtma iki sıvıyı saf olarak ayırmak için iyi bir yöntem değildir. İkinci bir defa daha basit damıtma yapılarak düşük kaynama noktalı sıvının daha saf hali elde edilebilir. Resim 1.6. Homojen katı-sıvı karışımının basit damıtma ile bileşenlerine ayrılması

Ayrımsal damıtma: Kaynama noktası yakın sıvıları birbirinden ayırmak için basit damıtma işlemini arka arkaya tekrarlamamak için ilaveten fraksiyon kolonu içeren distilasyon sistemi kullanılır. Bu kolon sıvılarla etkileşmeyen cam kırıklarıyla doldurulur. Yükselmeye başlayan buhar kolondaki cam kırıklarının üstüne yoğunlaşır. Sıvı tam aşağıya doğru süzülürken, yine yükselmekte olan buharla ısıtılır ve bu sıvının bir kısmı yeniden buharlaşıp biraz daha yukarı çıkar ve bu buhar başlangıçtaki buhara kıyasla daha fazla oranda düşük kaynama noktalı sıvının buharını içerir.

Resim 1.7. Ayrımsal damıtma yöntemi ile etil alkol ve su karışımının birbirinden ayrılması Buhar bu şekilde kolonun son bölümüne geldiğinde hiç yüksek kaynama noktalı sıvının buharından içermez ve geri soğutucuda yoğunlaşarak saf sıvı olarak toplanır. Bu işleme ayrımsal damıtma denir (resim 1.7). Örneğin; su-etil alkol karışımı bu iki maddenin kaynama sıcaklıklarının farklı olmasından dolayı bileşenlerine damıtma ile ayrılır.

b) Kaynama noktaları çok yüksek olan ve bu sıcaklığa gelmeden bozunan maddeleri birbirinden ayırmak için iki farklı distilasyon yöntemi uygulanabilir: - vakum distilasyonu: Normal distilasyon düzeneği kapalı hale getirilip vakum pompasına bağlanır. Böylece karışımı oluşturan maddeler daha düşük sıcaklıkta kaynar. su buharı distilasyonu: Damıtma işlemini 100oCde gerçekleştiren bir sistemdir. Su ile karışmayan uçucu bitkisel yağların damıtılmasını sağlar. (örn: limon esansı eldesi) 2) Kondenzasyon(Yoğuşturma) Gaz-gaz karışımlarını bileşenlerine ayırmak için gazların yoğunlaşma sıcaklıklarının farklı olmasından yararlanılır. Örneğin; azot ve oksijen gazı, yoğunlaşma sıcaklıklarının farklı olmasından yararlanılarak sıvı havadan elde edilir.

3) Ekstraksiyon Bir çözeltideki çözünen maddelerden biri bir başka çözgende (çözücü) daha fazla çözünüyorsa ve bu bahsi geçen çözgen çözeltinin çözgen ile karışmıyorsa çözeltiye bu ikinci çözgen ilave edilir. Çözgenin ilavesiyle ikinci bir fazın oluşumu gözlenir. Bu karışım bir ayırma hunisine alınır ve şiddetli bir şekilde çalkalanır. Bu işlem sırasında çözelti içindeki madde daha iyi bir çözücü olan ikinci çözgene çekilmiş olur. Bu işleme ekstraksiyon denir. Madde, ikinci çözgene çekildikten ve fazlar tamamen ayrıldıktan sonra ikinci çözgen ayırma hunisiyle çözeltiden ayrılır ve çözgenin buharlaştırılmasıyla bahsi geçen madde saf halde elde edilir. Örneğin; suyun içinde çözünmüş olarak bulunan bazı organik bileşikler ve metal kompleksleri bu maddeleri daha iyi çözen kloroform çözgeni ilavesiyle bu çözgene çekilebilirler.

Çözünürlük farkı ile karışımlar bileşenlerine ayrılabilir. 4) Kristallendirme Karışımı oluşturan katı maddelerin sudaki çözünürlükleri sıcaklığa bağlı olarak değişir. Bu durumdan yararlanılarak karışımı oluşturan katı maddeler bileşenlerine ayrılabilir. Çözünürlük farkı ile karışımlar bileşenlerine ayrılabilir. Çözünürlüğü sıcaklıkla değişen bir maddenin yüksek sıcaklıkta doymuş çözeltisi hazırlanıp bu çözelti soğumaya bırakılırsa çözünen madde çöker (Resim 1.7.). Sıcaklığın düşmesiyle çözünürlüğü azalan maddeler, düzgün geometrik şekilli katılar hâlinde toplanırlar. Bu olaya kristallenme, belirli geometrik şekle sahip katı parçalarına ise kristal denir. Resim 1.7. Çözünürlük farkı ile ayırma

Cıva oksit (HgO) → Cıva (Hg) + O2(g) BİLEŞİKLERİN AYRIŞMASI Daha önceki konularda karışımların bileşenlerine fiziksel yöntemler kullanılarak ayrılmasını öğrenmiştiniz. Şimdi ise bileşiklerin kendilerini oluşturan maddelere ayrışmasını öğreneceksiniz. Günlük yaşantımızda ve endüstride kullanılan saf maddeler, bileşiklerin kimyasal yöntemlerle ayrışmasından elde edilir. Bileşiklerin kendilerini oluşturan maddelere ayrışması için aşağıda belirtilen yöntemler kullanılır. Isı Enerjisi ile Ayrışma Bazı maddeler ısı enerjisi etkisi ile kendisini oluşturan maddelere ayrışır. Örneğin; civaoksit ısıtıldığında, iki farklı saf madde olan sıvı civa metali ile oksijen gazı elde edilir. Isı enerjisi ile bileşikler ayrıştırıldığında iki farklı element veya iki farklı bileşik de oluşabilir. Isı enerjisiyle ayrıştırma yöntemi sanayide çok sık kullanılır. Cıva oksit (HgO) → Cıva (Hg) + O2(g)

Cıva (Hg) + O2 → Cıva oksit (HgO)

ısı

Cıva oksit bir bileşiktir. Isıtıldığında Kendisini oluşturan cıva ve oksijen elementlerine ayrılır.

b. Elektrik Enerjisi ile Ayrışma (Elektroliz) Isı etkisiyle ayrışmayan bazı saf maddeler, elektrik enerjisi ile kendisini oluşturan saf maddelere ayrışabilir. Elektroliz nedir? Maddelerin elektrik enerjisi etkisiyle ayrıştırılmasına elektroliz denir. Elektroliz yapılırken elektrik akımını ileten çözeltiye elektrolit denir. İletken çözelti içine daldırılan metal levha veya çubuğa ise elektrot denir

Örneğin; su elektrik enerjisi (elektroliz) ile kendisini oluşturan oksijen ve hidrojen gazına ayrışabilir. Büyük boy bir beheri su ile doldurup 2 deney tüpünü desteklerle tutup suyun içine içlerine hava kaçırmadan ters çevirip daldırınız. Sonra çelik elektrotları güç kaynağına bağlayıp tüplerin içine girecek şekilde yerleştiriniz. Güç kaynağını 9Va ayarlayıp devreden akım geçirince tüplerin içinde belirgin bir değişiklik gözlenmez. Akım kesilip suyun içerisine birkaç damla sülfrik asit damlatılınca tekrar akım geçtiğinde her iki tüpte de gaz çıkışı gözlenir. - uca bağlı elektrodun(katot) bulunduğu tüpte H2 gazı, + uca bağlı elektrodun(anot) bulunduğu tüpte O2 gazı açığa çıkar. Sülfrik asit (H2SO4) ilavesi suyun elektriği iletmesini sağlar.

Elektroliz sırasında anot ve katotta gaz çıkışı aşağıdaki gibi gerçekleşir: H+ katota gider ve katotta indirgenir. 4H+ (aq) + 4 e-  2H2(g) Anotta ise sudaki H yükseltgenir. 2 H2O  4H+ (aq) + O2(g) +4 e- Net tepkime: 2 H2O  2H2(g) + O2(g)

Su elektroliz edildiğinde oluşan hidrojen ve oksijen gazlarının hacimlerinin oranı aynı mıdır? Yanıtımız hayır olacaktır. Çünkü, su elektroliz edildiğinde elde edilen hidrojenin hacminin, oksijenin hacmine oranı 2/1’dir.Örneğin; suyun elektrolizi sonucunda 20 cm3 hidrojen toplanmışsa 10 cm3 de oksijen toplanır. Hidrojenin, oksijen gazına oranı her zaman 2/1’dir.

ÖRNEK Bir miktar su elektroliz edildiğinde, katotta 30 cm3 gaz toplanıyor. Anotta hangi gazdan kaç cm3 toplanır? Çözüm Katotta toplanan gaz hidrojen olduğundan, anotta toplanan gaz oksijendir. 2 cm3 hidrojen toplandığında 1 cm3 oksijen toplanırsa 30 cm3 hidrojen toplandığında X ___________________________________________________ X = (30x1)/2 = 30/2= 15 cm3 oksijen toplanır. Elektroliz yöntemi, kaplamacılıkta ve sanayide bir çok maddenin saf olarak elde edilmesinde kullanılan bir yöntemdir.Örn: NaCl(aq)  NaOH + Cl2(g). Elde edilen NaOH elektrolize uğratılırsa Na metali elde edilir. Ayrıca bakır, nikel, altın gibi metaller elektroliz ile saflaştırılırlar

c. Başka Ayrıştırma Teknikleri Saf maddelerin başka saf maddelere dönüşümü, ısı ve elektrik enerjisi dışında değişik yöntemler uygulanarak da gerçekleştirilebilir. Doğada metaller, çoğunlukla metal oksitler hâlinde bulunur. Maden yataklarından çıkarılan metal oksitlerden metali saf olarak elde edebilmek için, metal oksitler genellikle karbon ile tepkimeye sokulur. Örneğin; demir (III) oksit yüksek fırınlarda karbonla (kok kömürüyle) tepkimeye sokulduğunda demir elde edilir. 2 Fe2O3 (k) + 3 C(k)  4 Fe (k) + 3 CO2 (g)

Metal bileşiklerinden, metalleri saf olarak elde etmenin bir başka yolu da metallerin çözeltilerini kendilerinden daha aktif olan bir metalle tepkimeye sokmaktır. Örneğin; bakır (II) sülfat çözeltisine çinko çubuk batırıldığında, çinko çubuğun bakır ile kaplandığı ve çözeltinin renginin değiştiği görülür. Bu sırada bakır saf olarak elde edilir. CuSO4 (aq) + Zn (k)  Cu (k) + ZnSO4 (aq)