KİMYA VE MADDE Giriş Kimya nedir? Maddelerin özelliklerini, kullanışlarını, değişmelerini ve bu değişmeler sırasında ortaya çıkan enerji sorunlarını inceleyen bir bilimdir. Kimya Dalları? Anorganik Kimya, Organik Kimya, Fizikokimya, Analitik Kimya ve Biyokimya şeklinde sıralamak mümkündür. Kimya ile doğrudan veya dolaylı olarak ilgisi olmayan bir bilim dalı düşünmek mümkün değildir. Özellikle mühendislik alanında, kendilerinden daima yararlanılan veya tekniğin konusu olan malzemeler birer kimya ürünüdür. Kimyanın esas konusunu “Madde” teşkil etmektedir.

TEMEL KAVRAMLAR Madde Nedir Madde ? Kütlesi olan ve bir yer işgal eden her şeydir. Demir, tahta, su, hava v.s. gibi. Belirli Madde? Değişik halde kimyasal özellikleri daima aynı olan bir maddeye denir. Örneğin, saf su. Homojen Madde? - Petrol Heterojen Madde? – Buzlu Su

Element Element Nedir? Önceleri aynı cins atomlardan oluşan ve kendisinden başka bileşene ayrılamayan saf maddeye denirdi. Halbuki aynı bir elementin atomlarında nötron sayısı gibi bazı farklılıkların olduğu anlaşılmıştır. Günümüzde ise Element; atom numaraları aynı olan, tek tür atomdan oluşmuş saf madde olarak tanımlanır.

Tablo - 1.1 Metal ve ametallerin genel özellikleri Kimyasal Özellikler Fiziksel Özellikler Örnek Metal 1-Elektron verirler 2-Pozitif elektrik yüklü iyon haline geçerler 3-Asitlerin hidrojeni ile yer değiştirebilirler 4-Ametaller ile birleşirler 5-Oksitleri bazları oluştururlar 1.Isı ve elektriği iyi iletirler. 2. Hg hariç hepsi oda sıcaklığında katıdır. 3. Asit çözeltileriyle çoğu H2 gazı açığa çıkarırlar. 4. Kendi aralarında bileşik yapamazlar, fiziksel bir karışım olan alaşımları oluştururlar. Örneğin prinç (Cu-Zn), tunç (Cu-Sn) , çelik (Fe-C-Cr...), 18 ayar altın (%75 altın-%25 Cu) 5. Yüzeyleri parlaktır. 6. Dövülebilir, tel ve levha haline getirilebilirler. 7.Genellikle yoğunlukları yüksektir. Fe Al Au Cr Ametal 1-Genellikle elektron alırlar 2-Negatif yüklü iyon haline geçebilirler 3-Asitlerin hidrojeni ile yer değiştiremezler 4-Kendi aralarında ve metallerle bileşik yapabilirler. 5-Oksitleri asitleri oluştururlar. 1. Oda sıcaklığında çoğu gaz halindedir. 2. Sulu asitlere çoğu etki etmez. 3. Yüzeyleri mattır. 4. Kırılgandırlar. 5.NŞA katı ve gaz haldedirler 6.Genellikle yoğunlukları düşüktür 7.Isı ve elektrik iletkenlikleri iyi değildir C N S P

Bileşik Farklı elementlerin bir takım kimyasal birleşme kanunlarına uyarak ve kendilerinden tamamen değişik özelliklere sahip maddelere bileşik adı verilir. 2 Na + Cl2 ---- 2 NaCl Tepkime sonucu oluşan NaCl bileşiği Na ve Cl elementlerinden tamamen farklı özelliklere sahiptir. Karışım İki veya daha fazla element veya bileşiğin hiç bir kimyasal reaksiyon meydana getirmeden, yani kendi özelliklerini kaybetmeden, birbiri içerisinde dağılmaları sonucu oluşan kütleye karışım denir.

Atom Bir elementin tüm özelliklerini taşıyan en küçük yapı taşına denir. Örneğin, demir elementi atomlarının tüm özellikleri aynıdır. Fakat kükürt elementinin atomlarından farklı özelliktedirler. Atom numarası: Atomun taşıdığı proton veya elektron sayılarına eşittir. Kütle numarası: Bir element atomunun çekirdeğinde bulunan proton ve nötron sayılarının toplamına denir. Bir element atomunun çekirdeğindeki proton sayıları aynı nötron sayıları farklı olabilir. Böylece aynı elementin farklı kütle numarasına sahip atomları ortaya çıkar. Bu atomlara söz konusu elementin “izotop atomları” denir. Örneğin, Demir elementinin bilinen en önemli dört izotopunu şu şekilde belirtmek mümkündür. 54 Fe % 6.04 56 Fe % 91.57 57 Fe % 2.11 58 Fe % 0.28

Molekül Maddenin kendine özgü özelliklerini taşıyan ve birden fazla aynı veya farklı cins atomlardan oluşan birimine “molekül” denir. Molekül kavramı; Bileşikler için………H2O, C2 H5 OH, C6H12O6, C10 H8 (su ile alkol gibi sıvılar ve şeker ile naftalin gibi katılar) Elementler için….... O2, CO2 (Oksijen, karbondioksit gibi gazlar) Allotropi Bir elementin kimyasal özellikleri aynı fakat fiziksel özellikleri farklı olması haline “allotropi”, ortaya çıkan ürüne de “allotrop” denir. O2 ve O3  Oksijen grafit ve elmas  Karbon Allotropi; izotop gibi mikro bir farklılık olmayıp, element veya bileşiği oluşturan atom ya da moleküllerin birbirlerine değişik biçimlerde bağlanmalarından ortaya çıkan makro bir farklılık olmaktadır.

Mol Kavramı Avogadro sayısı (N=6,02.1023) kadar gerçek atom içeren elementin miktarına “1 atom-gram” denir. Yahut, herhangi bir bileşik veya gazın Avogadro sayısı kadar molekülünü içeren miktarına “1 molekül-gram” denir. Bu ifadeler yerine kısaca “mol” terimi kullanılır. Herhangi bir maddenin mol sayısı şöyle bulunmaktadır. Bağımsız moleküllerden oluşmamış, özellikle iyonik yapılı bileşikler için molekül ağırlığı terimi yerine “formül ağırlığı” ifadesinin kullanılması daha uygundur. Ancak, pratikte daha çok formül ağırlığı yerine molekül ağırlığı kavramı kullanılmaktadır. Buna paralel olarak da “1 formül-gram” yerine “1 molekül-gram” terimi ve dolayısıyla kısaca “mol” ifadesi kullanılmaktadır. Buna göre,

Avogadro Hipotezi Avogadro hipotezi: Aynı sıcaklık ve basınç şartlarında bütün gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda molekül vardır. O halde “aynı şartlarda eşit hacim işgal eden çeşitli gazların ağırlıklarının oranı molekül ağırlıklarının oranına eşittir” denilebilir. n1 = n2 veya yazılabilir. “Bütün gazların normal şartlar altında (0 °C ve 1 atm) birer mollerinin işgal ettikleri hacimler birbirine eşit olup 22,4 litredir”.

Kimyasal Denklem Böyle bir reaksiyonda, Ba+2 ve SO4-2 iyonları birleşerek bir katı madde meydana getirirler ve çökerek çözeltiden ayrılırlar. Kimyasal denklem, bu tür kimyasal olayları hem kalitatif (nitel) hem de kantitatif (nicel) olarak kısa bir şekilde ifade etmeye yaramaktadır. Tepkimeye girmeyen veya meydana gelmeyen kimyasal birimleri denklemde göstermeye gerek yoktur. Örneğin Ba+2 iyonları BaCl2 den SO4 iyonları da Na2SO4 tan gelmiş olabilirler. Fakat bunlar denkleme bu şekilleri ile alınmamışlardır. Reaksiyona giren ve meydana gelen madde miktarı, kimyasal birimlerin önüne yazılacak katsayılarla belirtilir. Kimyasal denklem; bir olayı kısa, doğru ve net bir şekilde belirtmeye yarayan gösteriş biçimidir.

Ölçü Birimleri Fizik ve kimyada kullanılan bütün birimler “uzunluk”, “kütle” ve “zaman” birimleri olmak üzere üç esas birimden türetilmiştir. Atom, molekül boyutları, bağ uzunlukları1 mikrometre (mikron = m) = 10 -6 m Atomik mesafeler, ışık dalga boyları 1 angstrom (Ao) =10-8 cm =10-10 m Gram: + 4 oC de 1 cm3 hacim işgal eden saf su miktarının kütlesidir. Litre: Bir litre 1 kg suyun + 4 oC deki hacmidir. Çoğu hesaplamalarda litrenin 1/1000 i olan mililitre kullanılır. 1 litre (L) = 1000 mililitre (mL) = 1000,027 cm3 dolayısıyla, 1 mL yerine göre 1 cm3 olarak alınmaktadır. Yoğunluk: Birim hacminin kütlesi olarak tanımlandığına göre katı ve sıvıların yoğunlukları g/cm3 ve g/mL olarak ifade edilirken, gazların yoğunlukları ise, genellikle g/L ile belirtilmektedir.

KİMYASAL BİRLEŞME KANUNLARI Maddenin Korunumu Kanunu (Lavoisier Kanunu) Bir kimyasal reaksiyonda reaktiflerin ağırlıkları toplamı, ürünlerin ağırlıkları toplamına eşittir. Madde yaratılamaz ve vardan yok olmaz. Örneğin, 74 gram sönmüş kireç, Ca(OH)2, üzerinden 44 gram karbondioksit, CO2, geçirilirse 100 gram kireç taşı, CaCO3, ile 18 gram su, H2O oluşur. Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O 74 44 100 18 Reaktiflerin ağırlıkları toplamı (74+44=118), ürünlerin ağırlıkları toplamına (100+18=118) eşittir. Einstein’ın ileri sürdüğü E = mc2 ifadesine bağlı olarak kütleler ile enerjiler birbirlerine dönüşebildiklerinden, kütlenin ve enerjinin korunumu kanunları birleştirilerek bir bütün haline gelmektedir.

Sabit Oranlar Kanunu (Proust Kanunu). Belirli bir bileşiği meydana getirmek için reaksiyona giren elementlerin ağırlıkları arasında daima değişmeyen, sabit bir oran vardır. Bu oran çalışma şartları, zaman ve ortama bağlı olmaksızın her zaman sabittir. Örneğin, metalik kalsiyumun oksijen ile birleşerek kalsiyum oksiti oluşturması göz önüne alınabilir. 2 Ca + O2  2 CaO Bu denkleme göre, daima 40 gram kalsiyum ile 16 gram oksijen reaksiyona girecektir. Sonuç olarak, bu iki element daima 40/16 = 2,5 oranında birleşeceklerdir.

Örnek (1-1): 300 gram bakır tozu ile 128 gram kükürt tozu karıştırılıp havasız bir yerde ısıtılırsa, kaç gram Cu ne kadar S ile birleşir ve ne kadar CuS meydana getirir? Çözüm: Cu + S  CuS 63,5 32 95,5 300 g Cu ile birleşecek S miktarı : Bu değer, verilen kükürt miktarından fazla olduğuna göre, bakırın tamamının reaksiyona giremeyeceği anlaşılmaktadır. Bu durumda, 128 g S ile birleşecek Cu miktarı: Artan Cu miktarı : 300 - 254 = 46 gram Oluşan CuS miktarı :

Katlı Oranlar Kanunu (Dalton Kanunu) İki element birden fazla bileşik vermek üzere birleşebiliyorsa, bu bileşiklerde yer alan elementlerden birinin sabit miktarıyla birleşen diğer elementin kendi miktarları arasında basit ve tam sayılarla ifade edilen bir oran vardır. Örneğin, bakırın oksijen ile yaptığı birleşiklerden bakır-1 oksitte, Cu2O, 2.63,5 g bakır 16 g oksijen ile birleşmektedir. Bakır-2 oksitte, CuO, ise 63,5 g bakır 16 g oksijen ile birleşmiştir. Buna göre, birleşme oranlarını şu şekilde yazmak mümkündür. Cu2O için birleşme oranı: CuO için birleşme oranı: Yazılan oranlara göre, oksijen elementinin sabit miktarıyla (16 gram) birleşen bakır miktarı katlı olarak (2/1 şeklinde) değişmektedir.

Sabit Hacim Oranları Kanunu İki gaz kimyasal bir bileşik vermek üzere (aynı sıcaklık ve basınç altında) birleşirlerken, bu gazların hacimleri arasında belirli bir oran vardır. Oluşan bileşik de gaz ise, bunun hacmi ile reaksiyona girenlerin hacimleri arasında da yine basit bir oran vardır. Örneğin, amonyak oluşum reaksiyonu göz önüne alınabilir. N2 (g) + 3 H2 (g) - 2 NH3 (g) Avagadro hipotezine göre molce oran hacimce orana eşit olduğundan, reaksiyona giren gazların hacimlerinin oranı, Azot / Hidrojen = 1 / 3 olmaktadır.

Örnek (1-2) : Aynı koşullarda bulunan 40 litre azot gazı ile 60 litre hidrojen gazı reaksiyona sokularak amonyak elde edilmektedir. İşlem sonunda reaksiyona girmeyen bir gaz kalır mı? Kalırsa, hangi gazdan kaç litre kalacaktır? Çözüm: N2 (g) + 3 H2 (g)  2 NH3 (g) 1 hacim 3 hacim 2 hacim Reaksiyona göre, hidrojen gazı hacimce 1/3 oranında azot gazı ile birleşmektedir. Reaksiyona giren N2 hacmi : Geriye kalan N2 hacmi : 40 - 20 = 20 litre