SIVI ve KATILAR VII.DERS

Gaz molekülleri arasında çok büyük boşluklar bulunduğundan, gazlar kolayca sıkıştırılabilir. Benzer şekilde aralarında güçlü bir çekim kuvveti olmadığından daha geniş bir kaba konulduklarında genleşirler. Maddenin yoğun halleri (sıvı ve katı) ile gaz hali arasındaki en temel fark moleküller arasındaki boşluktur. Sıvı molekülleri arasındaki boşluklar ihmal edilebilecek kadar az olduğundan dolayı, sıvıları sıkıştırmak çok zordur. Ancak sıvı molekülleri birbirleri üzerinde kayabildiklerinden, akıcıdır ve içine konulduğu kabın şeklini alabilirler. Katılarda ise moleküller, sabit konumda titreşirler. Katılardaki boşluk sıvılardakinden de azdır. Sıkıştırılamazlar. Birkaç istisna hariç (su gibi) bir maddenin katı halinin yoğunluğu daima sıvı halinin yoğunluğundan fazladır. Bir maddenin bir sistemde bulunan farklı hallerine faz denir (buzlu su gibi).

Moleküllerarası Kuvvetler Mokelüllerarası kuvvetler, moleküllerin arasındaki çekim kuvvetleridir. Bir gazın sıcaklığı azaldıkça moleküllerin kinetik enerjileri de azalır. Bir başka deyişle, moleküller komşu moleküllerin çekim kuvvetlerini yenecek enerjiye sahip olamazlar ve bir araya gelerek sıvı damlacıklarını oluşturmaya başlarlar (yoğunlaşma). Moleküliçi kuvvetler ise moleküldeki atomları bir arada tutar. Bu kuvvetler molekül kararlığını sağlar. Moleküllerarası kuvvetler ise maddenin kaynama ve donma noktası gibi fiziksel özelliklerinden sorumlu kuvvetlerdir. Örneğin, 1 mol suyu buharlaştırmak için 4 kJ’luk enerji gerekirken, aynı miktardaki suyun iki O-H bağını kırmak için 930 kJ enerji gerekir. Mokelüllerarası kuvvetler, Johannes van der Waals tarafından bulunmuştur.

1. Dipol-Dipol Kuvvetleri Bu kuvvetler, polar moleküller arasındaki elektrostatik çekim kuvvetleridir. Coulomb yasasına göre dipol moment ne kadar büyükse moleküllerarası kuvvet o kadar güçlüdür.

2. İyon-Dipol Kuvvetleri Bu kuvvetler, bir iyon ile polar molekül arasındaki iyon-dipol çekim kuvvetleridir.

Su ile katyonlar arasındaki iyon-dipol etkileşimleri Çözeltide

3. Dağılma Kuvvetleri Polar olmayan bir molekülün (He gibi) elektron dağılımı, yakınında bulunan bir iyon ya da polar molekül tarafından bozulduğunda indüklenmiş (geçici) dipol oluşur. Benzer şekilde, He atomundaki elektronların konumlarının bir anlık bozulmasıyla anlık dipol moment oluşabilir. He atomu topluluğunda tek bir He atomunun sahip olduğu anlık dipol, komşu tüm He atomlarına aktarılır. Böylece moleküller arasında çekim (dağılma ya da London) kuvvetleri ortaya çıkar ve bu kuvvetlerin etkisiyle çok düşük sıcaklıklarda helyum yoğunlaşabilir. iyon-indüklenmiş dipol dipol-indüklenmiş dipol

Dağılma kuvvetleri genellikle mol kütlesi arttıkça artar Dağılma kuvvetleri genellikle mol kütlesi arttıkça artar. Mol kütlesi büyük olan moleküllerin elektron sayısı fazla olur. Bu da dış yörünge elektronlarının atom çekirdeği tarafından gevşek tutulması neticesinde elektron dağılımının daha kolay bozularak geçici dipolün oluşması anlamına gelir. Buna göre, örneğin mol kütlesi arttıkça erime noktası da yükselir. Dağılma kuvvetleri iyonik ve polar (dipol momenti olan) moleküllerde de mevcut iken polar olmayan moleküller arasındaki tek çekim kuvveti dağılma kuvvetleridir.

Örnek Aşağıdaki moleküller arasında ne tür moleküller arası kuvvetler mevcuttur? HBr HBr polar bir moleküldür. O halde hem dipol-dipol hem de dağılma kuvvetleri mevcuttur. CH4 CH4 polar değildir. Sadece dağılma kuvvetleri mevcuttur. SO2 SO2 polardır. O halde hem dipol-dipol hem de dağılma kuvvetleri mevcuttur. S O

4. Hidrojen Bağı Dağılma kuvvetleri elektron sayısıyla (ya da mol kütlesiyle) doğru orantılı olduğu için grupta aşağıdan yukarıya kaynama noktalarının azalması gerekir (4A grubunun hidrojenli bileşikleri gibi). Ancak 5A, 6A ve 7A grubunun bazı hidrojenli bileşikleri (NH3, H2O ve HF) bu kurala uymaz. Mol kütlesi ve kaynama noktası azalır 10

Polar bir bağdaki (N-H, O-H ya da F-H gibi) H atomu ile O, N ya da F gibi elektronegatif (EN) bir atom arasındaki kuvvetli dipol-dipol etkileşimine hidrojen bağı denir. O, N ve F atomları hidrojen bağı oluşturmak için hidrojen atomu ile etkileşebilecek en az bir tane ortaklanmamış elektron çifti içermelidir. Hidrojen bağının enerjisi sıradan herhangi bir dipol-dipol etkileşiminin enerjisinden çok daha fazladır. F, O’ya göre daha elektronegatiftir. Ancak HF’nin kaynama noktası H2O’dan küçüktür. Çünkü bir HF molekülü 2 hid. bağı yaparken (zincir) bir su molekülü 4 hid. bağı (düzgün dörtyüzlü) yapar. 11

Sıvıların Özellikleri 1. Yüzey Gerilimi Sıvı içindeki moleküller, moleküllerarası kuvvetler tarafından tüm yönlere doğru eşit çekilirken yüzeydeki moleküller, yukarı yöne bir çekim kuvveti olmadığından sıvının içine doğru çekilir (yüzey büzülür). Yüzey gerilimi sıvının yüzeyini bir birim alan genişletmek için gereken enerji miktarıdır. Hidrojen bağlarından dolayı, suyun yüzey gerilimi, diğer birçok sıvınınkinden yüksektir. Bir elma yıkandığında yüzeyinde su, kürecikler halinde topaklaşır. (Polar olmayan (cilalı, ursolik asit) elma yüzeyi ile polar olan su molekülleri arasında nerdeyse hiç çekim olmaz.) 12

Yüzey gerilimine bir diğer örnek ise kapiler (kılcallık) etkisidir Yüzey gerilimine bir diğer örnek ise kapiler (kılcallık) etkisidir. Buna göre su dolu bir kaba konulan kılcal cam tüpün içine giren su filmi yüzey geriliminden dolayı büzülür ve suyu yukarı doğru çeker. Oysa cıvalı bir kapiler, cıva kabına konursa sıvı seviyesi alçalır. Çünkü su ile kılcal tüp arasındaki çekim kuvveti (adhezyon) su moleküleri arasındaki çekim kuvvetinden büyüktür (kohezyon). Adhezyon Kohezyon

2. Viskozite Viskozite sıvıların akışkanlığa karşı gösterdikleri direncin bir ölçüsüdür. Bu sıvının viskozitesi ne kadar büyükse o derece yavaş akar demektir. Viskozite sıcaklık ile azalır. Moleküllerarası kuvvetleri büyük olan sıvılar, küçük olanlara göre daha yüksek viskoziteye sahiptir. Gliserin birçok sıvıdan çok daha büyük bir viskoziteye sahiptir. Gliserin molekülleri de aynen suda olduğu gibi hidrojen bağları yaparlar. Fakat bunlar sudan çok daha güçlüdür. Çünkü bir gliserin molekülünde hidrojen bağları ile bağ yapabilecek üç tane –OH grubu vardır. Ayrıca gliserin molekülleri, birbiri içine girme eğilimindedirler. 14

Suyun Yapısı ve Özellikleri Birçok iyonik bileşik ve kendisiyle hidrojen bağı yapabilen maddeler için iyi bir çözücüdür. Yüksek bir öz ısıya sahiptir. Yani sıcaklığını artırmak için çok sayıda hidrojen bağının kırılması gerekir. Özetle sıcaklığı ısıtma ile çok az artar. Buzdaki bir su molekülü 4 adet hidrojen bağı yapar (düzgün dörtyüzlü). Buz erirken moleküller arası hidrojen bağları kırılır ve serbest su molekülleri üç boyutlu yapının boşlukları arasında sıkışır ve bu yapı ufak kümeler halinde kırılır. Böylece sıvı suyun birim hacimdeki molekül sayısı buzdan fazla olur (4oC). Ancak ısınma devam ettiğinde genleşme daha baskın olur ve yoğunluk azalır.

Katılar Kristal Yapı Katılar, kristal ve amorf olmak üzere iki sınıfa ayrılır. Kristal katılarda atomlar, moleküller ya da iyonlar sabit konumda kararlı ve düzenli bir yapıya sahiptirler. Amorf katılarda (cam gibi) ise düzenli bir yapı mevcut değildir. Kristal katılarda tekrarlanan yapısal birimlere birim hücre denir. Birim hücre Tekrarlanan birim hücreler 16

Atom, molekül ya da iyona (siyah nokta) ise örgü noktası denir. 7 temel birim hücre 17

Kürelerin istiflenmesi Üç boyutlu kristal yapıların geometrik görünümü, kristali oluşturan taneciklerin istiflenmesiyle ilgilidir. En basit şekliyle küreler aşağıdaki gibi istiflenebilir. Şekilde x ile gösterilen küre kendi tabakasındaki dört küre ile temas halindedir. Üç boyutlu kristal yapıda ise her kürenin altı tane komşusu olduğundan koordinasyon sayısı altıdır. Her küre sekiz birim hücrece paylaşıldığından, bir küpte de sekiz köşe olduğundan, basit kübik birim hücrede tam tek bir küre vardır. 18

Kübik hücre çeşitleri Basit kübik (bk) İç merkezli kübik (imk) Yüzey merkezli kübik (ymk) 19

İç merkezli kübik (imk) birim hücre 20

Kübik hücrelerde kenar uzunluğu (a) ile atom yarıçapı (r) arasındaki ilişki 1 tam küre 4 tam küre 2 tam küre

Örnek Altın (Au) yüzey merkezli kübik (ymk) birim hücre yapısında olup, yoğunluğu 19,3 g/cm3’tür. Altın atomunun yarıçapını pikometre (pm) cinsinden hesaplayınız (Au : 197 g/mol). ymk için yarıçap, a = √8r Küpün hacmi, V = a3 Yoğunluk, d = m/V ymk’da birim hücredeki atom sayısı = 4 6,02.1023 tane Au atomu 197 g ise 4 tane Au atomu 1,31.10-21 g olur. V = m/d = 1,31.10-21/19,3 = 6,79.10-23 cm3 6,79.10-23 = a3 → a = 4,08x10-8 cm 4,08x10-8 = √8r → r = 144 pm olur. 22

Katılarda Bağlanma Kristal katılarda yapı, erime noktası, yoğunluk ve sertlik gibi özellikleri taneciklerini bir arada tutan çekim kuvvetlerine bağlıdır. 1. İyonik kristaller İyonlar iyonik bağlarla bir arada tutulurlar (NaCl, CdS, CaCl2) 2. Moleküler kristaller Moleküler kristaller van der Waals kuvvetleri ve/veya hidrojen bağları tarafından bir arada tutulan atom ya da moleküllerden oluşurlar (Buz, SO2, I2, S8) 3. Kovalent kristaller Bir kovalent kristal aynı elementin atomları tarafından oluşmuştur. Atomlar, kovalent bağlarla bir arada tutulmaktadır (Elmas, grafit). Elmasta her karbon 4 bağ yaparken grafitte ise 3 kovalent bağ vardır. Dördüncü elektron ise kristalde serbestçe dolaşır. 23

Normal koşullarda karbon kararlı grafit halinde bulunurken, aşırı yüksek basınçlar altında elmas oluşur (polimorfizm ya da allotropi). karbon atomları elmas grafit 24

4. Metalik kristaller Kristaldeki her örgü noktası aynı metal atomu tarafından işgal edilmiştir (Na, Al). Bir metaldeki bağ (değerlik) elektronları tüm kristal boyunca dağılmıştır (delokalize). Metal atomları delokalize elektron denizine daldırılmış pozitif iyonlar gibi düşünülebilir. Bu delokalizasyondan kaynaklanan kohezyon kuvvetleri metallerin sertlik ve dayanıklılıklarını belirler. Örneğin, değerlik elektronu arttıkça erime noktası yükselir. Yine bu elektronların hareketliliği metallerin ısı ve elektriği iyi iletmelerini sağlar. Çekirdek ve iç kabuk elektronları Hareketli elektron denizi

Kovalent kristallerde olduğu gibi bazı metal kristalleri de sıcaklık gibi dış etkilerle değişir. 1812 yılında Napolyon'un askerlerinin kıyafetleri üzerindeki kalay düğmeler sert Rusya soğuklarına dayanamayarak ufalanmıştır. Çünkü 13,2oC’nin üstünde tetragonal (beyaz kalay, b) yapıda olan kalay kristali bu sıcaklığın altına inildiğinde allotropik olarak hacmi daha büyük (yoğunluğu daha küçük) olan kübik yapıya (gri kalay, a) dönüşür. Hacim büyümesi ise metalin toz haline gelmesi şeklinde görülür.

Katı çok hızlı bir şekilde oluşmuşsa atom ya da moleküllerin çoğu düzenlenecek zaman bulamaz. Yani düzgün bir kristal oluşmaz (amorf). Kristal haldeki kuartz(SiO2) Amorf kuartz

Kapalı bir kapta bulunan bir sıvı zamanla buharlaşma ile yoğunlaşma arasında bir dinamik denge oluşturur. Kaynama noktasında sıvının buhar basıncı dış basınca eşittir. Her madde için bir kritik sıcaklık vardır. Bu sıcaklığın üzerinde uygulanan basınç ne kadar yüksek olursa olsun gaz sıvılaştırılamaz. Bu sıcaklığın üzerindeki moleküller öylesine hareketlidir ki, moleküller arasındaki çekim kuvvetlerini kolaylıkla kırabilirler. Bir maddenin üç fazına (katı, sıvı ve gaz) ait basınç ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi açıklayan faz diyagramındaki üç eğrinin birleştiği noktada fazların hepsi dengededir (üçlü nokta).

Sorular ve Problemler 1. Elmas, grafite göre serttir. Neden? Grafit elektriği iletirken elmas iletmez. Neden? Elmasta her karbon atomu diğer dört karbon atomuna bağlıdır. Bu şekilde üç boyutta yayılmış bağlar elması bilinen en sert madde yapmaktadır. Grafitte ise karbon atomları altıgen halkalar şeklindedir ve bir karbon atomu sadece üç bağ yapmış durumdadır. Dördüncü elektron yapıda serbestçe dolaştığından grafit elektriği kolayca iletir. Altıgen halkalardan ibaret düzlemler sadece van der Waals kuvvetleri tarafından tutulduğu için (dokununca kayganlık hissi verir) yumuşak bir maddedir. 2. Bir kap, yüzeyinin biraz üstüne kadar suyla doldurulduğu halde taşmaz. Neden?

3. Hangi elementler hidrojen bağında yer alabilir. 4 3. Hangi elementler hidrojen bağında yer alabilir? 4. Buz sudan daha az yoğundur. Neden? 5. Buz patenlerinin altı oldukça incedir ve bu nedenle buz üzerine uygulanan basınç yüksek olduğu için kaymayı kolaylaştırır. Neden? Buz sanılanın aksine pütürlüdür. Buz pütürlü olunca, altı ince olan paten sadece buzun pütürünün çıkıntılarına basar, böylece temas yüzeyi iyice küçülür ve basınç artar ve buz daha kolay eriyerek, paten buz ile arasında oluşan ince su tabakası üzerinde rahatça kayar. 6. Kaynama noktasını tanımlayınız. Kaynama noktası, sıvının buhar basıncının dış basınca eşit olduğu andaki sıcaklığıdır.

7. Bir bileşiğin kaba formülü CH’dır 7. Bir bileşiğin kaba formülü CH’dır. 200oC sıcaklıkta bu bileşiğin 0,145 gramı 0,74 atm basınçta 97,2 mL hacim kapladığına göre bileşiğin formülü nedir? 8. Propan (C3H8), karbon dioksit ve su buharı vermek üzere oksijenle yanar. (a) Bu reaksiyon için denkleştirilmiş eşitliği yazınız. (C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O) (b) 7,75 g propandan üretilebilecek karbon dioksit hacmini STP’de (0oC ve 1 atm) hesaplayınız. 9. 500 mL 2 M HCl çözeltisi 4,47 g magnezyum ile reaksiyona sokuluyor. Metalin tamamı reaksiyona girdikten sonra artan asit çözeltisinin derişimini hesaplayınız. Hacmin değişmediğini kabul ediniz.