TEMEL KİMYA T.C. ANADOLU ÜNİVERSİTESİ YAYINLARI NO: 672. Açıköğretim Fakültesi Yayınları No: 329

Transkript

1 T.C. ANADLU ÜNİVERSİTESİ YAYINLARI N: 672 Açıköğretim Fakültesi Yayınları No: 329 TEMEL KİMYA Yazarlar Yrd. Doç. Dr. Nevin KANIŞKAN Yrd.Doç.Dr.Erol AÇIKKALP Öğr. Gör. Necmettin CANER Yrd.Doç.Dr. Alaâddin GÜVEN Editör Prof.Dr. Lale ZR

2 ANADLU ÜNİVERSİTESİ Açıköğretim Fakültesi Bu kitabın basım, yayım ve satış hakları Anadolu Üniversitesi'ne aittir. "Uzaktan Öğretim" tekniğine uygun olarak hazırlanan bu kitabın bütün hakları saklıdır. İlgili kuruluştan izin almadan kitabın tümü ya da bölümleri mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kayıt veya başka şekillerde çoğaltılamaz, basılamaz ve dağıtılamaz. Copyright 1996 by Anadolu University All rights reserved No part of this book may be reproduced or stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means mechanical, electronic, photocopy, magnetic, tape or otherwise, without permission in writing from the University. Kapak Düzeni: Y. Doç. Atilla ÖZER ISBN

3 İÇİNDEKİLER ÜNİTE 1 : TEMEL KAVRAMLAR 1. GİRİŞ MADDE VE MADDENİN HALLERİ MADDENİN BİLEŞİMİ VE SINIFLARA AYRILMASI MADDENİN FİZİKSEL VE KİMYASAL ÖZELLİKLERİ KİMYASAL DENKLEMLER KİMYASAL REAKSİYNLARDA ENERJİ... 9 ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 2 : ATMUN YAPISI 1. GİRİŞ ATMUN YAPISI İZTP KAVRAMI ATM AĞIRLIĞI ELEKTRNLARIN DÜZENLENMESİ PERİYDİK CETVEL ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 3 : KİMYASAL BAĞLANMA 1. GİRİŞ LEWİS YAPISI KTET KURALI KİMYASAL BAĞLANMA KVALENT BAĞLANMA PLAR KVALENT BAĞLAR MLEKÜLLER ARASI ETKİLEŞİM (İKİNCİL BAĞLANMA) ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI III -

4 ÜNİTE 4 : BİLEŞİK FRMÜLLERİNİN YAZILMASI, İSİMLENDİRİLMELERİ VE ML KAVRAMI 1. GİRİŞ İKİ ATMLU KVALENT BİLEŞİKLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ TEK ATMLU İYNLARIN DEĞERLİKLERİ İKİ ATMLU İYNİK BİLEŞİKLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ ÇK ATMLU İYNLARIN İSİMLENDİRİLMELERİ İYNİK BİLEŞİKLERİN FRMÜLLERİNİN YAZILMASI ASİTLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ MLEKÜL VEYA FRMÜL AĞIRLIKLARININ HESAPLANMASI ML KAVRAMI ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 5 : KİMYASAL REAKSİYNLAR VE HESAPLAMALAR 1. GİRİŞ KİMYASAL REAKSİYNLAR KİMYASAL DENKLEMLERİN YAZILMASI, DENKLEŞTİRİLMESİ VE YRUMU KİMYASAL DENKLEMLERE DAYANAN HESAPLAMALAR ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 6 : GAZLAR 1. GİRİŞ GAZLARIN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ VE KİNETİK TERİ GAZ YASALARI GAZLARIN DİFÜZYNU VE GRAHAM YASASI GAZLARIN ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ VE HENRY YASASI GAZ KARIŞIMLARI VE DALTN YASASI SLUNUM GAZLARININ VÜCUDUMUZDA TAŞINIMI VE DİFÜZYN GAZLARIN YER ALDIĞI REAKSİYNLARDA STKİYMETRİ ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI IV -

5 ÜNİTE 7 : KİMYASAL REAKSİYNLARDA HIZ 1. GİRİŞ AKTİVASYN ENERJİSİ VE AKTİF KMPLEKS EKZTERMİK VE ENDTERMİK REAKSİYNLAR REAKSİYN HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 8 : KİMYASAL DENGE 1. GİRİŞ TERSİNİRLİK VE KİMYASAL DENGE DENGE SABİTİ LE CHÂTELIER KURALI VE KİMYASAL DENGE (DENGEYİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER) ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 9 : ÇÖZELTİLER 1. GİRİŞ ÇÖZELTİ VE TÜRLERİ ÇÖZÜNME LGUSU ELEKTRLİTLER ÇÖZÜNÜRLÜK DERİŞİM VE BİRİMLERİ ÇÖZELTİLERİN BUHAR BASINCI ÇÖZELTİLERİN KLİGATİF ÖZELLİKLERİ ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 10 : ÇÖZÜNÜRLÜK VE KMPLEKS İYN DENGELERİ 1. GİRİŞ ÇÖZÜNÜRLÜK ÇARPIMI SABİTİ, K çç ÇÖZÜNÜRLÜK VE K çç ARASINDAKİ İLİŞKİ V -

6 4. ÇÖZÜNÜRLÜĞE ETKİ EDEN FAKTÖRLER ÇÖKELME KŞULU, SEÇMELİ ÇÖKTÜRME KMPLEKS İYN DENGELERİ ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 11 : ASİTLER VE BAZLAR 1. ASİT VE BAZ NEDİR? ASİT VE BAZLARIN TANIMLANMALARI ASİT VE BAZLARIN KUVVETİ NÖTRALİZASYN REAKSİYNU ASİTLERİN VE BAZLARIN DERİŞİMİNİN ÖLÇÜLMESİ TİTRASYN TAMPN ÇÖZELTİLER ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 12 : YÜKSELTGENME-İNDİRGENME REAKSİYNLAR VE ELETRKİMYA 1. GİRİŞ YÜKSELTGENME SAYISI YÜKSELTGENME VE İNDİRGENME REDKS İÇEREN DENKLEMLERİN DENKLEŞTİRİLMESİ ELEKTR KİMYASAL PİLLER ELEKTRLİZ ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 13 : RADYAKTİVİTE 1. GİRİŞ ÇEKİRDEK RADYAKTİVİTE YARI-ÖMÜR CANLI HÜCRELERİNİ RADYASYNUN ETKİLERİ VI -

7 6. RADYASYN ÖLÇÜ VE BİRİMLERİ ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 14 : RGANİK KİMYA - I HİDRKARBNLAR 1. RGANİK KİMYA NEDİR? RGANİK BİLEŞİKLERDE BAĞLANMA HİBRİTLEŞME RGANİK BİLEŞİKLERİN YAPILARI ALKANLAR ALKENLER ALKİNLER ARMATİK HİDRKARBNLAR ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 15 : RGANİK KİMYA - II HETERATMLU BİLEŞİKLER 1. GİRİŞ ALKLLER ETERLER AMİNLER ALKİL HALJENÜRLERİ ALDEHİTLER KETNLER KARBKSİLİK ASİTLER KARBKSİLİK ESTERLER KARBKSİLİK AMİTLER KARBKSİLİK ASİT HALJENÜRLERİ ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 16: BİYELEMENTLER I (MAKRMİNERALLER) 1. GİRİŞ VII -

8 2. YAŞAM İÇİN GEREKLİ ELEMENTLER MAKRMİNERALLER ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 17 : BİYELEMENTLER II (ESER ELEMENTLER) 1. GİRİŞ ESER VE ELEMENTLER VE RGANİZMA ESER ELEMENTLER ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI ÜNİTE 18 : LABRATUVARDA UYGULANAN TEMEL İŞLEMLER 1. GİRİŞ KİMYA LABRATUVARINDA KULLANILAN TEMEL MALZEMELER LABRATUVARDA UYULMASI GEREKEN KURALLAR LABRATUVARDA KARŞILAŞILABİLECEK KAZALAR VE YAPILMASI GEREKENLER LABRATUVARDA UYGULANAN TEMEL İŞLEMLER ÖZET DEĞERLENDİRME SRULARI EKLER YARARLANILAN VE BAŞVURULABİLECEK KAYNAKLAR DEĞERLENDİRME SRULARININ YANITLARI VIII -

9 3. BASKIYA ÖNSÖZ Temel Kimya kitabının 1993 yılında hazırlanan ilk baskısındaki ana hedef, çevre sağlığı teknisyenleri ve tıbbî laborantlar gibi meslek sahibi kişilerin kimya temellerini sağlamlaştırmak ve bu kişilerin mesleki yaşamlarına olumlu katkıda bulunabilecek yeni birikimler edinmelerini sağlamak idi. Kitabın hazırlanışında, bu amaç doğrultusunda iki önemli konu üzerinde hassasiyetle durulmuştur. Bu noktalardan ilki, Temel Kimya kitabının sağlık personeline ilişkin önlisans programlarında yer alması gerçeği göz önüne alınarak, kitapta yer alan konuların ve seçilen örneklerin mümkün olduğunca sağlık personelinin günlük uğraşları ile ilintili olmasına özen gösterilmesidir. İkinci önemli nokta ise, okuyuculara uzaktan ulaşabilmek amacıyla, Temel Kimya kitabının uzaktan öğretim sistemine uygun bir teknik ve anlatım ile hazırlanmasına özen gösterilmesidir. Ancak Temel Kimya kitabının ilk baskısından günümüze dek geçen üç yılı aşkın süre zarfındaki gelişmeler, kitabın daha geniş kapsamlı hale getirilmesi gereğini ortaya çıkarmıştır. Bu nedenle Temel Kimya kitabının üçüncü baskısında, ilk iki baskıda yer alan ünite konularının yanısıra, yeni bazı ünite konuları da eklenmiştir. Genişletilmiş üçüncü baskıda, ilk iki baskıda yer alan ünite konularına ilaveten, Ünite n'da çözünürlük ve iyon dengeleri, Ünite nüç'te radyoaktivite, Ünite ndört ve Ünite nbeş'te organik kimya, Ünite naltı ve Ünite nyedi'de biyoelementler ve Ünite nsekiz'de laboratuvarda uygulanan temel işlemler, konuları eklenmiştir. Yukarıda özetlenen temel ilkelere sadık kalınarak gerçekleştirilen bu yeni düzenlemenin, yararlı olacağını ümid etmekteyiz. Hepinize başarılar dileriz. Editör Prof. Dr. Lale ZR -IX-

10 BAŞLARKEN Tıbbi Laboratuvar ve Çevre Sağlığı Teknisyenliği Önlisans Programında yer alan derslerden biri de, Temel Kimya'dır. Kimya dersleri ile ilk tanıştığımız orta öğrenim yıllarında, çoğumuz bu dersin bizlere ne şekilde yararlı olabileceğine ilişkin ciddi kuşkular taşımışızdır. Ancak, yine çoğumuz hayata atılıp, eğitildiğimiz dallarda mesleklerimizi icra ederken, sağlam bir kimya temelinin ne denli yararlı olduğunun bilincine varırız. Kuşkusuz tıbbi laborantlık ve çevre sağlığı teknisyenliği kimya bilgi birikiminin son derece yararlı olduğu meslek guruplarının başında yer alırlar. Uzaktan öğretim sisteminin kendine özgü yaklaşım tekniğine uygun tarzda hazırlanan Temel Kimya Kitabı'nda gerek içerdiği konular, gerekse bu konuların işlenişleri açısından hedeflenen amaç, mümkün olduğunca sizlere yardımcı olabilmektir. Bu amaç doğrultusunda ilk üç ünitede kimyanın en temel kavramları ve atom yapısı irdelenmiştir. Dördüncü ve Beşinci Ünitelerde ise, kimyasal reaksiyonlar, mol kavramı, kimyasal hesaplamalar ele alınmıştır. Ünite Altıda gazlar, Ünite Yedide reaksiyon hızı ve Ünite Sekizde kimyasal denge konuları, fazla ayrıntıya kaçmadan temel hatları itibariyle ele alınmıştır. Sulu çözeltiler, asitlik,bazlık ve redoks konularının yer aldığı son üç ünitede ise, mesleki açıdan sizlere yararlı olacak tarzda örneklerin yer almasına özen gösterilmiştir. Hepinize başarılar dileriz. ÇALIŞMA YÖNTEMİ Temel Kimya Dersinden başarılı olabilmeniz için aşağıdaki çalışma tekniklerine uymanız yararlı olacaktır. Her üniteyi dikkatle okuyunuz ve önerilenler üzerinde durunuz. Televizyon programlarını izleyerek bu bilgilerinizi pekiştirmeye çalışınız. Her ünite sonundaki değerlendirme sorularını yanıtlayınız. Doğru yanıtlayıp yanıtlamadığınızı değerlendirme anahtarından kontrol ediniz. Üniteyi ezberlemek yerine ünitenin ana hatlarını kavramaya özen gösteriniz. Ünitelerde geçen formülleri, mutlaka en az bir kaç kez de siz yazınız. Ünite konularına ilişkin örnek problemleri çok iyi kavramaya özen gösteriniz. Editör Prof. Dr. Lale ZR - X -

11 ÜNİTE 1 Temel Kavramlar Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Kimyanın tanımı ve kapsamı, Maddenin tanımı ve halleri, Maddenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini, Madde ile enerji arasındaki ilişkiyi öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Madde ve Maddenin Halleri Maddenin Bileşimi ve Sınıflara Ayrılması Maddenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Kimyasal Denklemler Kimyasal Reaksiyonlarda Enerji Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çalışırken verilen örnekler üzerinde dikkatle durunuz. Ünitede geçen formülleri mutlaka en az bir kere de siz yazınız. Üniteyi çalışırken periyodik cetveli yanınızda bulundurunuz.

12 1.GİRİŞ Kimya, maddenin, özellikle atomik ve moleküler sistemlerin bileşimini, yapısını, özelliklerini ve reaksiyonlarını inceleyen bir bilim dalıdır. Çevremizdeki tüm maddeler kimyasal bileşiklerden veya çeşitli kimyasal madde karışımlarından meydana gelir. Yediğimiz ve içtiğimiz tüm gıdalar, giydiğimiz elbiseler, ev, otomobil, uçak, gemi ve köprü yapımında kullandığımız tüm malzemeler, aldığımız ilâçlar ve nefes aldığımız hava bunlara örnektir. Eğer bir kişi bütün bu farklı maddelerin birbiriyle nasıl etkileştiklerini veya koşullar değiştiği zaman bu maddelerin nasıl değiştiklerini anlamak istiyorsa, kimyanın bazı temel kavramlarını bilmek zorundadır. Bu ünitenin amacı kimyanın temel kavramlarına öz bir ifadeyle değinmek ve okuyucuyu bundan sonraki ünitelere hazırlıklı kılmaktır. 2. MADDE VE MADDENİN HALLERİ İçinde yaşadığımız fiziksel dünya tümüyle maddeden oluşmuştur. Buna göre maddeyi şöyle tanımlayabiliriz. Kütlesi olan ve uzayda yer kaplayan herşey madde olarak tanımlanabilir. Öte yandan kütle, madde miktarının bir ölçüsüdür ve herhangi bir cismin kütlesi o cismin uzaydaki konumuna göre değişmez. Örneğin, yer yüzeyinde bir astronotun kütlesi ile bu astronotun ay yüzeyindeki kütlesi arasında bir fark yoktur. Uluslarası sistemde (SI) kütlenin temel birimi kilogram olarak kabul edilmiştir. Paris'te bir müzede bulunan % 90 pilatinyum ve % 10 iridyum'dan yapılmış standard bir silindirin kütlesi 1 kilogram olarak kabul edilmiştir. Kilogram hayvanların, insanların ve diğer nesnelerin kütlelerini ölçmek için uygun bir birim olabilir. Fakat, kimyacılar laboratuarlarda maddeleri genellikle kilogramın binde biri değerindeki gram (g) veya milyonda biri değerindeki miligram (mg) cinsinden ölçerler

13 Madde katı, sıvı, ve gaz olmak üzere üç halde bulunabilir. Örneğin, su bileşiği çeşitli etkenlere bağlı olarak (basınç, sıcaklık,... vs) buz (katı), su (sıvı) ve buhar (gaz) hallerinden birinde bulunabilir (Şekil 1.1). Şekil 1.1 Suyun üç hali İlerideki ünitelerde daha ayrıntılı olarak ele alınacak olmalarına karşılık maddenin üç haline ilişkin en temel özellikleri aşağıdaki şekilde özetleyebiliriz. Katıların belirli bir biçime sahip olmalarına karşın sıvıların ve gazların belirli biçimleri yoktur. Katı, sıvı ve gazların belirli bir kütlesi mevcuttur. Gazlar uygun basınç ve sıcaklık koşullarında çok kolay sıkıştırılabilmelerine karşın katı ve sıvılar sıkıştırılamaz. Katı, sıvı ve gazlara ısı verildiği taktirde gazlar çok genleşir. Bunun yanında katı ve sıvılarda bu genleşme çok azdır. Maddenin bir halden bir diğerine geçmesi kimyasal bir değişim gerektirmez. Hal değişimleri fiziksel değişimlerdir. Fiziksel değişimleri şu şekilde tanımlayabiliriz. Maddenin kimyasal özelliklerini ve bileşimini korumak koşuluyla gerçekleştirebileceği değişikliklere "fiziksel değişimler" denir

14 kat Sıv Gaz F Artan sıcaklık Kn 100 C D E 0 C en B C -25 C A Şekil 1.2 Enerji -25 C 'de bir buz parçasını çaydanlık içine koyup bunu ısıtmaya başlayalım. Buz parçasının ne gibi değişiklere uğrayacağı şekil 1.2.'de gösterilmektedir. Şekil 1.2.'yi şu şekilde açıklayabiliriz. ( i ) -25 C deki (A noktası) buzu ısıtmaya başladığımız zaman buzun sıcaklığının sürekli arttığını gözler ve 0 C 'de sıvı hale geçmeye başladığını görürüz. İşte, buzun (katı) su (sıvı) hale geçtiği noktaya (B) buzun "erime noktası" denir. ( ii ) Isı vermeye devam ettiğimizde, karışımın sıcaklığının 0 C 'de (B noktası) sabit kaldığını buna karşılık tüm buzun su (sıvı) haline geçtiğini görürüz.? halde, verdiğimiz ısı nereye gitti? Verdiğimiz ısı tüm buzun (katı) su (sıvı) hale geçmesinde yani hal değişiminde kullanılmıştır. Kısaca, hal değişimlerinde sıcaklık artışı olmaz. ( iii ) Tümü su (sıvı) haline geçmiş bulunan sisteme ısı vermeye devam ettiğimizde suyun (sıvı) sıcaklığının belli bir dereceye (D noktası) kadar arttığını daha sonra sıvı halden buhar haline geçtiğini görürüz. Suyun (sıvı) sıvı halden gaz haline geçtiği bu noktaya (D noktalası) suyun "kaynama noktası" denir

15 Maddelerin erime, kaynama noktaları maddelerin özelliklerine ve dış çevreye bağlıdır. Örneğin, suyun deniz kenarındaki kaynama noktası 100 C olmasına karşılık deniz kena-rından yüksekliklere çıkıldıkça suyun kaynama noktası 100 C den daha aşağılara iner. 3. MADDENİN BİLEŞİMİ VE SINIFLARA AYRILMASI Madde çok küçük parçacık olan atomlardan oluşmuştur. Atomun yapısını aydınlatmak için son yüzyıl içinde çok büyük çalışmalar yapılmasına karşılık bugüne kadar hiç kimsenin tek bir atomu görmesi mümkün olmamıştır. Maddeler element, bileşik ve karışım olarak bulunabilirler.? Element nedir? Atomla elementin ilişkisi nedir? Sıradan kimyasal işlemler ile kendinden farklı iki veya daha fazla sayıda maddeye ayrılamayan saf maddelere "element" denir. Örneğin, demir, çinko, ve azot birer elementtirler. Demir atomu, çinko atomu ve azot atomu ise, bu elementlere ait en küçük birimlerdir. Elementlerin özelliklerini taşıyan en küçük birimlerine "atom" adı verilir. Günümüzde bilinen element sayısı 109 dur. Bunların bir kısmı doğada bulunmalarına karşılık bazıları laboratuarlarda suni yollardan elde edilmişlerdir. İki veya daha fazla sayıda atom kimyasal yollar ile bir araya geldiğinde "molekül" denen birimler oluşur. Moleküller özdeş veya farklı atomların bağlanmaları ile o- luşabilir

16 Örneğin, helyum, argon gibi bazı elementlerin doğada atomlar halinde bulunmalarına karşılık, oksijen, klor gibi elementler moleküler yapıda bulunurlar. Şimdi de bileşikleri ele alalım. 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 su (H 2 ) molekülünü meydana getirirler. Bileşikler kendilerini oluşturan elementlerden tümüyle farklı özellikler gösterirler. Örneğin, su ile şiddetli reaksiyon veren katı bir element olan sodyum (Na) ile gaz halinde bulunan klor elementinin oluşmasıyla meydana gelen sofra tuzu sodyum klorür (NaCl) bildiğimiz gibi kendini oluşturan sodyum (Na) ve klor (Cl) elementlerinden tümüyle farklı özelliktedir. Elementler ve bileşikler saf maddeler olduğu halde karışımlar saf değildirler. İki veya daha fazla sayıda element veya bileşiğin hiçbir kurala uymaksızın bir araya gelmeleri ile oluşan sistemlere "karışım" denir. Karışımı oluşturan maddelerin kendine özgü olan özellikleri karışım içinde de aynı kalır. Görüldüğü gibi, bileşik ile karışım arasındaki en önemli fark, elementlerin birleşme oranları olmaktadır. Sıcaklık, yoğunluk, derişim, kırılma indisi gibi madde özelliklerinin aynı olduğu sistem bölgelerine "faz" adı verilir. Bir faz bir bileşenli veya çok bileşenli olabilir. Karışımlar kendi içinde heterojen ve homejen karışımlar olmak üzere ikiye ayrılırlar. Karışımlar tek bir faz oluşturuyorlarsa, "homojen karışımlar"; birden fazla faz oluşturuyorlarsa, heterojen karışımlar olarak adlandırılır

17 Homojen karışımların sıcaklık, basınç, yoğunluk gibi fiziksel özellikleri, karışımın bütünü için aynıdır. Homojen karışımlara çözeltiler de denir. Diğer yandan, heterojen karışımlarda fiziksel özellikleri farklı, birden fazla fazın varlığı söz konusudur. Coca-Cola gibi tüm kolalı içkiler çok bileşenli homojen karışımlara, bir kaşık sofra tuzunun bir bardak suda çözünmesiyle elde edilen karışım iki bileşenli homojen karışımlara örnektirler. Diğer yandan, buzlu su bir bileşenli hetorojen karışımlara, bir mermer parçası çok bileşenli heterojen karışımlara örnektir. Madde Saf maddeler Karışımlar Elementler Bileşikler Homojen karışımlar Heterojen karışımlar Örnek: Sodyum, oksijen Örnek: Kireç taşı, alçı, su, bütan gazı Örnek: Kolalı tüm içkiler, şarap Örnek: Kaya, mermer, su-zeytinyağı, karışımı Şekil 1.3 Maddenin sınıflandırılması 4. MADDENİN FİZİKSEL VE KİMYASAL ÖZELLİKLERİ Bir maddenin yapısının (hal değişimi) değişmesine karşılık kimyasal yapısında herhangi bir değişiklik olmuyor ise bu değişikliğe "fiziksel değişiklik" denir. Örneğin, su bileşiği buz (katı), su (sıvı), ve buhar (gaz) hallerinde kimyasal olarak aynı özellikleri gösterir. Değişiklik sadece suyun fiziksel özeldiğindedir. Maddenin temel fiziksel özellikleri kaynama noktası, erime noktası, donma noktası, buhar basıncı, ısı ve elektrik iletkenliği, renk, yoğunluk, dielektrik sabiti olarak sıralanabilir. Bir yumurtayı tavada pişirdiğimiz zaman, bir demir parçasını yağmur altında paslanmaya bıraktığımız zaman, ve duran bir otomobili hareket ettirdiğimiz zaman çeşitli kimyasal değişimler meydana gelir. Tüm bu değişimler sırasında çeşitli başlangıç maddelerinden farklı yeni ürünler oluşur. Bir otomobil egzosundan çıkan gazı tekrar yanıcı yakıt haline ge

18 tirmek mümkün değildir. Yine aynı şekilde, pişen yumurtayı tekrar çiğ yumurta haline getirmek mümkün değildir. Kısaca özetlersek, fiziksel değişiklik sadece hal değişikliği ile ilgili kimyasal değişiklik ise maddenin kimyasal bileşimindeki (yapısında) değişiklik ile ilgilidir. 5. KİMYASAL 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, mutfaklarımızda kullanılan bütan gazının oksijen gazı ile olan reaksiyonunu kimyasal denklem ile daha anlaşılır kılabiliriz. 2C 4 H C H 2 + Bütan gazı ksijen Karbon dioksit Su Isı Giren maddeler (Reaktantlar) Çıkan maddeler (Ürünler) Kimyasal denklemlerde hangi maddelerin reaktant hangilerinin ürün olduğunu denklemdeki okun yönüne bakarak anlayabiliriz. Kimyasal denklemlerde dikkat edilmesi gereken önemli noktalardan birisi reaksiyona giren maddelerin belirli oranlar dahilinde birleşerek ürünleri getirmesidir. Örneğin, bütan gazının oksijen gazı ile olan reaksiyonunda birleşme oranı 2 3 şeklindedir. Belli miktarda karbon dioksit (C 2 ), su (H 2 ) ve ısı elde edebilmek için belli miktarda bütan gazının olması gerekir. Bütan gazının bitmesi durumunda elimizde yeteri kadar oksijen olmasına karşılık reaksiyon gerçekleşemez. Kimyasal denklemde en önemli özelliklerden birisi de, reaksiyona giren maddelerdeki atomların sayısının reaksiyon sonucu meydana gelen ürünlerdeki atomların sayısına eşit olmasıdır. Yine bütan gazı örneğine dönelim

19 reaksiyona giren maddelerdeki ürünlerdeki C sayısı 8 C sayısı 8 H sayısı 20 H sayısı 20 sayısı 26 sayısı KİMYASAL REAKSİYNLARDA ENERJİ Enerji, son yirmi otuz yıldır dünyamızda en fazla tartışılan konulardan birisi olmuştur. Bir petrol bunalımını hepimizi nasıl etkilediğini gayet iyi bilmekteyiz. Bu durum iyi bilindiğinden dolayı, dünya son zamanlarda güneş enerjisi, çekirdek enerjisi, mikrodalga enerjisi gibi yeni enerji kaynakları aramaya başlamıştır. Bilim adamlarının enerjiyi "iş yapabilme kapasitesi" olarak tanımlamalarına karşılık, buradaki iş kavramı kişiden kişiye değişebilir. Bir arabayı yıkama, kışın yağan karı kürümek, ağaç kesmek bazılarına göre iş bazılarına ise zevk ve dinlenme verir. Bundan dolayı, kişiye göre değişmeyen "mekanik iş" kavramı ortaya atılmıştır. Bir maddede şu kadar enerji var deyip bunu ölçmek mümkün değildir. Ancak, bu enerji diğer bir tarafa transfer olduğunda bunu ölçmek mümkün olmaktadır. Örneğin, kaslarımızdaki enerjiyi bir iş yaptığımız zaman ölçebiliriz. Fizik derslerinden gördüğümüz gibi çok çeşitli enerji çeşitleri mevcuttur. Hareket enerjisi, durum (potansiyel) enerjisi, ısı enerjisi, ışıma enerjisi, atom enerjisi mikrodalga enerjisi, dalga enerjisi ve kimyasal enerji bunlardan bir kaçıdır. Kimyada enerji birimi olarak kalori veya kilokalori gibi birimler yaygın şekilde kullanılmasına karşılık, Uluslararası Birim Sistemi (SI) enerji birimini Joule olarak belirlemiştir. Bir gram suyun sıcaklığını 14,5 C den 15,5 C ye yükseltmek için gereken enerji miktarına "kalori" denir. Joule ile kalori arasındaki ilişki 1 kalori = 4,184 Joule şeklindedir. Kimyasal reaksiyonların cinsine göre reaksiyon sonunda bir enerji açığa çıkabilir veya reaksiyonun gerçekleşebilmesi için belli bir enerjiye gereksinim duyulabilir

20 Kimyasal reaksiyon sonunda enerji açığa çıkan reaksiyonlara "ekzotermik reaksiyonlar", bunun tersi olan yani reaksiyonun gerçekleşmesi için enerjiye ihtiyaç duyulan reaksiyonlara da "endotermik reaksiyonlar", denir. Kömür, petrol gibi içeriğinin çoğunluğu karbon elementi olan maddelerin oksijen gazı ile reaksiyonu ekzotermik bir reaksiyondur. Açığa çıkan enerji "ısı enerjisi" adını alır. Bu enerji çeşitli yöntemler ile mekanik ve elektrik enerjisine dönüştürülür. C + 2 C 2 + Isı Petrol, kömür.. vs. ksijen Suyun (H 2 ) bileşenleri olan hidrojen ve oksijene ayrışabilmesi için sisteme dışarıdan enerji vermek gerekir. H 2 + Enerji H 2 + 1/2 2 Özet Kimya, maddenin bileşimini, yapısını, özelliklerini ve değişimini inceleyen bir bilim dalıdır. Uzayda bir yer kaplayan ve kütlesi olan her şey madde olarak tanımlanır. Basit kimyasal yollar ile daha başka maddelere ayrılamayan saf maddelere "element" denir. Birden fazla elementin belirli oranlar dahilinde kimyasal bağlar ile bağlanarak oluşturdukları saf maddelere, "bileşik" denir. Bileşikler kendilerini oluşturan elementlerden farklı özellikler gösterir. İki veya daha fazla sayıda maddenin gelişigüzel oranlarda meydana getirdikleri sisteme "karışım" denir. Karışımlar homojen ve heterojen karışımlar olmak üzere ikiye ayrılır. Karışımlarda, karışımı oluşturan bileşenlerin özellikleri belirgindir. Maddenin özellikleri, fiziksel ve kimyasal olmak üzere ikiye ayrılır. Fiziksel değişimler, hal değişimleri, kimyasal değişimler ise, maddenin bileşiminin ve özelliklerinin değişimine neden olur

21 Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların doğru yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Aşağıdaki ifadelerin hangisi yanlıştır? A) Uluslararası Birim Sistemine göre kütlenin birimi kilogramdır. B) Bir cismin dünyadaki kütlesi ile ay yüzeyindeki kütlesi aynıdır. C) Madde kütlesi olan ve uzayda yer işgal eden herşeydir. D) Şişirilmiş bir balonun kütlesi yoktur. E) Kütle, madde miktarının bir ölçüsüdür. 2. Aşağıdaki ifadelerin hangisi yanlıştır? A) Maddeye enerji verildiğinde veya maddeden enerji alındığında maddede hal değişimleri olur. B) Madde, katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç halde bulunabilir. C) Suyun (katı) erime noktası ile suyun (sıvı) donma noktaları aynı sıcaklıktır. D) Maddeler gaz halinde belirli bir kütleye sahip değildir. E) Gazların sıkıştırılma özelliği katı ve sıvılara kıyasla çok fazladır. 3. Aşağıdaki ifadelerin hangisi yanlıştır? A) Maddelerin kaynama noktaları denizden yukarı çıkıldıkca azalır. B) Bir bileşikteki elementlerin kütleleri belirli bir oran gösterir. C) Bir karışımdaki karışanların kütleleri belirli bir oran gösterir. D) Sodyum klorür (NaCl), sodyum karbonat (Na 2 C 3 ) ve Su (H 2 ) bileşiklere örnektirler. E) Demir, çinko, bakır, gümüş, altın, karbon birer elementirler. 4. Aşağıdaki cümleyi tamamlayınız. Günümüzde bilinen element sayısı... ulaşmıştır. A) 103 B) 104 C) 105 D) 106 E)

22 5. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Bileşikler kendilerini oluşturan elementlerden tümüyle farklı özellikler gösterir. B) Karışımı oluşturan maddelerin kendine özgü olan özellikleri karışım içinde aynı kalır. C) Heterojen karışımlar da bir tek faz vardır. D) Homojen karışımlar kendi içinde üniform haldedir. E) Sabahları herkesin severek içtiği bir bardak şekeri iyice çözünmüş çay, homojen bir karışımdır. 6. Aşağıdaki ifadelerin hangisi yanlıştır? A) Suyun sıcaklığının değişimi suyun fiziksel değişimi ile ilgilidir. B) -10 C de 10 gram buzun buhar haline getirilebilmesi kimyasal değişikliği gerektirir. C) Suyun sıvı halden buhar hale geçmesi fiziksel bir olaydır. D) Maddenin erime noktası ile donma noktası arasında fark yoktur. E) Maddenin kimyasal değişimi maddenin kimyasal yapısında değişikliğini gerektirir. 7. Aşağıdaki ifadelerin hangisi yanlıştır? A) Araçlarda kullanılan benzinin yanma işlemi kimyasal bir özelliktir. B) Suyun kendini oluşturan hidrojen ve oksijen moleküllerine ayrışması kimyasal bir reaksiyon gerektirir. C) Mumun yanması fiziksel bir olaydır. D) Kimyasal denklemde reaksiyona giren maddeler belirli oranlarda birleşip yeni ürünler oluşturur. E) Reaksiyona giren maddelerin toplam kütlesi reaksiyon sonucu meydana gelen ürünlerin toplam kütlesine eşittir. 8. Aşağıdaki kimyasal denklemde boş bırakılan rakamları doldurunuz. C 2 H 4 + x 2 y C 2 + z H 2 A) x 3 B) x 3 C) x 2 D) x 2 E) x 3 y 2 y 2 y 2 y 3 y 3 z 2 z 3 z 3 z 2 z

23 9. Aşağıdaki cümleyi tamamlayınız. Kömürün yanması... örnek olarak verilebilir. A) kömürün fiziksel değişimine B) çevreden enerji alan reaksiyonlara C) çevreye enerji veren reaksiyonlara D) oksijenin fiziksel değişimine E) kömürün ve oksijenin fiziksel değişimine kal kaç Joule eder? A) 209,2 B) 20,92 C) 11,95 D) 119,5 E)

24 ÜNİTE 2 Atomun Yapısı Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Atomun yapısını bilecek, Atom numarası ve atomu oluşturan parçacıkları tanıyacak, Atomların periyodik cetveldeki yerlerini bilecek, Periyod ve grup kavramlarını öğreneceksiniz, Elementlerin izotoplarını tanıyacaksınız. İçindekiler Giriş Atomun Yapısı İzotop Kavramı Atom Ağırlığı Elektronların Düzenlenmesi Periyodik Cetvel Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi kavrayabilmek için Ünite 1'de verilen temel kavramları anlamış olmanız gerekir. Üniteyi çalışırken periyodik cetvel'i yanınızda bulundurunuz. Ünitede geçen formülleri mutlaka en az bir kere de kendiniz yazınız.

25 1. GİRİŞ Kimyayı ve bununla ilgili olan tüm bilimleri tam manasıyla kavrayabilmek için maddenin en temel yapı taşlarından olan atomun yapısını çok iyi bilmek gerekir. Eski Yunanlı bilginler maddenin daha fazla küçük parçacıklara bölünemeyen çok çok küçük parçacıklardan meydana geldiğini ileri sürmüşler ve bu parçacıklara da Yunanca'da bölünemeyen manasına gelen "atom" adını vermişlerdir. Yunanlı bilginlerin ileri sürdükleri atom kavramı 19. yüzyıl başlarına kadar herhangi bir deneysel yol ile kanıtlanamamıştır. Modern atom kavramını ortaya atan ilk bilgin İngiliz John Dalton ( ) olmuştur. Atomun iç yapısı ancak 20. yüzyıl içinde aydınlatılmaya başlamıştır. Atom kuramına göre, katı, sıvı, veya gaz halindeki maddelerin tümü atom denen çok küçük parçacıklardan meydana gelmiştir. Atomlar doğanın en temel yapı taşlarıdır. Birinci ünitede belirttiğimiz gibi şu anda 109 element ve dolayısıyla 109 farklı atom bilinmektedir. Bir önceki ünitede atomu, herhangi bir elementin tüm özelliklerini gösteren en küçük parçası olarak tanımlamıştık. Atomlar o kadar küçük parçacıklardır ki, şu ana kadar en gelişmiş aletler vasıtasıyla bile tek bir atomu görmek ve bir terazide kütlesini ölçmek mümkün olmamamıştır. 2. ATMUN YAPISI Atomlar elektron, proton ve nötron olarak bilinen üç temel parçacığın bir araya gelerek oluşturdukları birimlerdir. Her atom bir çekirdek ve bir veya daha fazla sayıda elektronlardan oluşmuştur. Proton ve nötronlar çekirdeğin içinde bulunurlar. Dolayısıyla, çekirdek atomun aşağı yukarı tüm kütlesini meydana getirir (Şekil 2.1). elektronların bulunabileceği bölgeler (orbitaller) çekirdek (protonlar + nötronlar) Şekil 2.1 Atomun basit olarak gösterilişi

26 Elektron, kütlesi x10-31 kg olan ve elektriksel olarak eksi (-) yüklü bir parçacıktır. Kimyacılar elektronu e - sembolü ile gösterirler. Şimdi de çekirdek içinde yer alan parçacıkları ele alalım. Proton, kütlesi x10-27 kg olan, bir elektronun kütlesinin yaklaşık 1836 katı olan ve elektriksel olarak artı (+) yüklü bir parçacıktır. Protonun sembolü "p" veya "H + " dır. Nötron, kütleleri aşağı yukarı bir protonun kütlesine eşit ve elektriksel olarak yüksüz bir parçacıktır. Nötronun sembolü genellikle " n" dir. Kısaca, Nötron kütlesi proton kütlesi 1836 elektron kütlesi olarak ifade edebiliriz. Elektronlar çekirdek etrafında çok hızlı bir şekilde hareket ederler. Elektronların çekirdek etrafında dönerken kapladıkları alan o atomun hacmini tayin eder. Çekirdeğin hacmi atomun hacmine kıyasla çok küçüktür. Bunu bir örnekle açıklayalım, bir atomun çapı bir futbol sahası uzunluğunda (100 m) olsaydı, çekirdeğin çapı sahanın ortasındaki bir portakal çekirdeği ile kıyaslanabilirdi. Elektronların çekirdek etrafındaki dönüşleri ayrıntılı şekilde gözlenemez. Elektronlar çekirdek etrafında sabit bir yol veya yörünge üzerinde hareket etmezler. Yani, gezegenlerin güneş etrafında dönmesinde olduğu gibi, sabit ve oval bir yörünge söz konusu değildir. Bu durumu, çekirdek etrafında bir elektron bulutu olarak tasarlayabiliriz. Bir atomun çekirdeğini saran elektronik yük dağılımına "elektron bulutu" denir. Şekil 2.2 de hidrojen atomunun elektron bulutunu göstermektedir. Şekil 2.2 Elektron bulutu

27 Özellikle belirtilmesi gereken bir nokta, farklı elementlere ilişkin atomların farklı büyüklüklerde olacağıdır. Örneğin en küçük atom olan hidrojen'in yarıçapının 0,4 A olmasına karşın en büyük atomlardan biri olan sezyum'un (cs) yarıçapı 2,7 A civarındadır. Angstrom (A ) 1x10-10m ye karşılık gelen kimyacılar tarafından atom yarıçapını belirtmede yaygın şekilde kullanılan bir uzunluk birimidir. Atom ve moleküllerin boyutları genellikle 1-10 Å civarındadır. Çekirdeklerin çapı atomların çaplarına kıyasla çok küçüktür. Bir çekirdeğin çapı 1x10-4 Å civarındadır. Aynı elementin tüm atomlarında eşit sayıda elektron ve proton bulunur. Bundan dolayı tüm atomlar elektrik yükü açısından nötürdürler. Örneğin, karbon atomunda 6 tane elektron ve 6 tane de proton bulunur. Bir atomun çekirdeğinde bulunan protonların sayısına o atomun "atom numarası" denir. Genelde atom numarası Z sembolü ile gösterilir. Örneğin, karbon atomunda 6 proton olduğuna göre bunun atom numarası 6 dır. Aynı elementin tüm atomlarında eşit sayıda proton ve elektron bulunduğunu belirtmiştik. Ancak nötron sayısı eşit midir? Bu sorunun cevabını izotop kavramı ile verelim. 3. İZTP KAVRAMI Öyle bazı elementler vardır ki bunların atomlarındaki proton ve elektron sayılarının eşit olmalarına karşılık nötron sayıları farklıdır. Atomların cinsini belirten en temel parçacık protondur. Zira, proton sayısı bir atomun türünü belirler. Atomlar nötür olduğuna göre elektron sayıları proton sayılarına eşit olur. Ancak, atomun üçüncü temel parçacığı olan nötron için durum farklıdır. Zira bir elementin tüm atomları aynı sayıda nötron içermeyebilir

28 Aynı atom numarasına yani aynı sayıda proton ve elektrona sahip olmalarına karşılık nötron sayıları farklı olan atomlar "izotop" olarak adlandırılır. Örneğin, hidrojen elementinin üç, karbon elementinin üç, klor elementinin iki ve silisyum elementinin üç izotopu mevcuttur. (Çizelge 2.1) Hidrojen elementi dışındaki elementlerin izotopları yine kendi isimleri ile adlandırılır. Örneğin, karbon-12, karbon-13, karbon-14 gibi. Hidrojen izotopları "protiyum", "deuteriyum" ve "tritiyum" olarak adlandırılır. Bir elementin izotopları A Z X sembolü ile gösterilir. Burada A kütle numarasını, yani bir atomun çekirdeğindeki proton ve nötron sayılarının toplamını, Z ise o elementin atom numarasını gösterir. Örneğin, karbon-12 izotopu 12 şeklinde, karbon -14 izotopu şeklinde 6 C 14 6 C gösterilir. Bunlardan ilkinde karbonun 6 nötron, ikincisinde ise 8 nötron içermesi sözkonusudur. Hemen hemen tüm elementler bir veya daha fazla sayıda kararlı izotoplara sahip olmalarından başka "radyoaktif izotop" denilen çok kararlı olmayan izotoplara da sahiptirler. Örneğin, oksijen elementi doğada % 99, C % 0, ve % 0,204 izotopları halinde bulunur. Bunların yanında gibi radyoaktif izotopları da mevcuttur Çizelge 2.1 de anlaşılacağı üzere doğada çoğu elementler bir izotoplar karışımı halinde bulunur. İzotop karışımlarının oranları her element için ayrı ayrı fakat o element için sabittir. Örneğin, klor elementi doğada %75,53 klor-35 ve %24,47 klor-37 oranında bulunur

29 Çizelge 2.1 Çeşitli elementlerin izotopları İzotop İzotop'un Elektron Proton Nötron Doğal Radyoaktif sembolü sayısı sayısı sayısı dağılımındaki oran Hidrojen veya Protyum 1 1 H ,99 % Hayır Dötöryum 2 1 HveyaD ,01 % Hayır Trityum 3 HveyaT Evet Karbon C ,89 % Hayır Karbon C ,11 % Hayır Karbon C x10-10 % Evet ksijen ,76 % Hayır ksijen ,04 % Hayır ksijen ,20 % Hayır Klor CI ,53 % Hayır Klor CI ,47 % Hayır Silisyum Si ,21 % Hayır Silisyum Si ,70 % Hayır Silisyum Si ,09 % Hayır Brom Br ,54 % Hayır Brom Br ,46 % Hayır

30 4. ATM AĞIRLIĞI Doğal olarak bir atomun gerçek kütlesini terazide tartamayız. Ancak belirli bir atomun kütlesi standart olarak alındığında, tüm diğer atomların kütleleri bu standarda göre ayarlanabilir. Örneğin 12 kütlesi tam olarak 12 atom kütle birimi olarak SI tarafından kabul 6 C'nın edilmiştir. Bir atomik kütle birimi (akb) tek bir karbon-12 izotopunun gerçek kütlesinin 1/12'si olarak tanımlanmaktadır. Diğer tüm elementlere ilişkin atom kütleleri ise bu değere göre bağıl olarak verilir.? Atom ağırlığı ile atom kütlesi aynı mıdır? Çoğu element en az iki doğal izotopa sahiptir. Bundan dolayı, herhangi bir elementin atomik kütlesi bu elementin doğal olarak bulunan izotoplarının herbirine ilişkin atom kütlesine ve bu izotoplara dağılım oranlarına bağlıdır. Buna göre atom ağırlığını böyle tanımlayabiliriz. Bir elementin doğal izotoplarının kütlelerinin yüzdeleri oranında ortalamasına "atom ağırlığı" denir. Bu tanıma göre eğer element tek bir izotopa sahip ise bu elementin atom ağırlığı ile atom kütlesi eşittir. Eğer, element birden fazla izotopa sahip ise bu elementin atom ağırlığı atom kütlesinden farklıdır. Örneğin, karbonun doğal olarak bulunan izotoplarından karbon-12'nin atom kütlesi 12 akb (doğal oranı %98,852 ), karbon-13'ün atom kütlesi 13,00335 akb (doğal oranı % 1,108 ) karbon-14'ün doğada çok çok az (% 1X10-4 ) olduğu için bunun karbonun atom ağırlığı üzerinde fazla bir etkisi yoktur. Bu duruma göre karbonun atom ağırlığını hesaplayalım. Karbonun atom ağırlığı = (0,98892) (12) + (0,01108) (13,00335) = 12,011 akb dir. 5. ELEKTRNLARIN DÜZENLENMESİ Bir elementin kimyasal özelliği o elementin atomlarına ait çekirdeğin etrafında yer alan elektronların düzenlenmelerine ve sayılarına bağlıdır

31 Elektron düzenlemelerini çeşitli tip diagramlar ile göstermek mümkünse de, bu diagramların hiçbiri gerçek elektron düzenlemelerini tam anlamıyla gösteremez. Bir atomda çekirdekten en uzakta bulunan elektronlar o elementin kimyasal davranışlarını belirler ve bu elektronlar "valans elektronu" olarak anılırlar. Aynı sayıda valans elektronuna sahip atomlar özellikleri bakımından benzerlikler gösterirler. Örneğin, aynı sayıda valans elektronuna sahip flor (F), klor (CI), brom (Br) ve iyot (I) gibi elementlerin özellikleri birbirine yakındır. Atomu basit olarak aşağıdaki diagram ile gösterebiliriz. Artan enerji düzeyi Çekirdek Farklı ana enerji düzeyleri K L M N K 1 Ana enerji düzeyi L 2 " " " M 3 " " " N 4 " " " 5 " " " Şekil 2.3 Atom yapısının basit olarak gösterilişi Elektronlar çekirdek etrafında rastgele aralıklarda yer almazlar. Belirli ana enerji tabakalarında bulunurlar. Çekirdeğe en yakın elektronlar en düşük enerji durumunda bulunurlar, çekirdekten uzaklaştıkça daha yüksek enerji durumunda olurlar. Örneğin, K'nın enerji düzeyi N enerji düzeyinden daha azdır

32 Bir atomdaki her bir enerji düzeyi belirli sayıda elektron tutabilir. Çekirdeğe en yakın ve en düşük enerji düzeyine sahip K tabakası en fazla 2 elektronu barındırabilir. Daha sonraki tabakalar L 8 tane, M 18 tane, N 32 tane, ve tabakası da 32 tane elektronu barındırmaktadır. Elektronlar enerji seviyelerini doldururken önce en düşük enerji seviyesini (K tabakası) doldurur, artan elektronlar diğer enerji seviyelerini maksimum dolduracak şekilde yerleşirler. Örneğin, sodyum atomu 11 elektronu içerir. Bu elektronlar önce K tabakasını (2 elektron) doldurur, arta kalan 9 elektron önce L tabakasını (8 elektron) doldurur ve son kalan 1 elektron M tabakasına gider (Şekil 2.4) 1e 8e Çekirdek 11p 12n 2e Proton sayısı 11 Nötron " 12 Elektron " 11 K L M Şekil 2.4 Sodyum atomun elektron düzenlenmesi Daha önce belirttiğimiz gibi elektronlar çekirdek etrafında belirli ana enerji tabakalarında bulunurlar. Tüm bu enerji seviyeleri kendi içlerinde alt enerji seviyelerine ayrılırlar. Bunlar kimyada "orbital" olarak bilinip s,p,d, f harfleri ile gösterilirler. Bu orbitallerin şekli farklı farklıdır. Örneğin, s ve p orbitalleri aşağıdaki şekildedir

33 z y x s orbitali z z z y y y x x p p p x y P orbitali z Şekil 2.5 Atomik orbitaller? rbital türlerinin hepsi tüm ana enerji seviyelerinde bulunur mu? Hayır, bilinen elementlerin (109 adet) atomlarındaki alt enerji seviyelerini inceleyelim, K enerji düzeyinde sadece s orbitali L enerji düzeyinde 1 adet s + 3 adet p orbitali M enerji düzeyinde 1 adet s + 3 adet p + 5 adet d orbitali N enerji düzeyinde 1 adet s + 3 adet p + 5 adet d + 7 f adet orbitali Alt enerji seviyeleri, orbital ve bu orbitallerin kaç tane elektron barındırabilecekleri çizelge 2.2 de gösterilmişitir

34 Çizelge 2.2 Alt enerji seviyeleri Alt Enerji Seviyesi rbital Sayısı Maksimum Elektron Sayısı s 1 2 p 3 6 d 5 10 f 7 14 Örneğin, Klor (CI) atomunu ele alalım. Klor 17 proton ve 17 elektrona sahiptir. Elektronların orbitallerdeki yerleşim sırası şöyle olur. 2 elektron önce 1 s orbitalini, daha sonraki elektronlardan 2 tanesi 2 s orbitali, 6 tanesi 2 p orbitalini doldurur. Bunu kısaca şöyle yazabiliriz. 1 s 2 K 2 s 2 2 p 6 L 3 s 1 M İlk dört ana enerji seviyesindeki elektronların düzenlenmesini aşağıdaki çizelgede ( Çizelge 2.3) gösterelim. Çizelge 2.3 Ana enerji seviyeleri Ana enerji seviyesi Tabaka Alt enerji rbital Maksimum elektron seviyesi sayısı sayısı 1 K 1 s L 2 s p 3 3 M 3 s 1 3 p d 5 4 N 4 s 1 4 p 3 4 d f 7 Elektronların atomik orbitalleri doldururken izlediği sıra aşağıdaki şekildedir

35 7p 6d 5f Q 7s 6p 5d P 6s 5p 4d 4f artan enerji seviyesi Ana enerji seviyeleri N M 5s 4s 4p 3p 3d 3s 2p L 2s K 1s s p d f Şekil 2.6 Elektronların atomik orbitalleri doldururken izlediği sıra Çizelge 2.4 Bazı elementlerin elektron orbital düzenlemeleri Element Sodyum Magnezyum Alüminyum Silisyum Fosfor Kükürt Klor Argon Elementin sembolü Na 11 Mg 12 Al 13 Si 14 P 15 S 16 CI 17 Ar 18 Atom numarası Elektron orbital düzenlemesi 1s 2s 2px 2py 2pz 3s 3px 3py 3pz V K V L V M Bir elektronu göstermektedir

36 6. PERİYDİK CETVEL Elementlerin artan atom numaralarına ve benzer özelliklerine göre dizildiklerinde meydana gelen cetvele "periyodik cetvel" denir. Günümüzde kullanılan tablonun temelini Rus bilgini Dimitri Mendeléev 1869 yılında atmıştır. Mendeléev o zaman bilinen 63 elementi atom ağırlıklarına göre yatay ve dikey kolonlara yerleştirmiştir. Yatay kolonlara "periyod", dikey kolonlora "grup" denmiştir. Eğer elementler Mendeléev'in ileri sürdüğü şekilde atom ağırlıklarına göre düzenlenseydi, bazı elementler yanlış yerlerde olacaktı. Örneğin, potasyum (K) elementi (atom ağırlığı akb, atom numarası 19), argon elementinden (atom ağırlığı 39,948 akb, atom-numarası 18) önce gelecekti. 20. Yüzyılın başında İngiliz bilgini Henry G.MSELEY o zamana kadar bilinen tüm elementlerin atom numaralarını tespit ederek, elementlerin periyodik cetvelde artan atom numaralarına göre dizilmesini sağlamıştır. Periyodik cetveli iyice incelediğimiz zaman atomların yarıçaplarının bir grup boyunca yukarıdan aşağıya doğru gidildikçe arttığını görürüz. Grup boyunca atom yarıçaplarındaki değişimin nedeni ana enerji seviyelerindeki (K,L,M,N...vs) değişimdir. Örneğin, oksijen () elementinin atom yarıçapı 0,604 Å olmasına karşılık bu grup içinde hemen oksijenin altında yer alan kükürt (S) elementinin atom yarıçapı 1,035 Å dir. 8e 2e 8p 8n K L 6e 8e 2e Yarıçap= Å 16p 16n K L Yarıçap= Å. M ksijen atomu Kükürt atomu Şekil 2.7.Atom yarıçıplarının karşılaştırılması

37 Çizelge 2.5 Periyodik cetvel Bir grup içindeki elementlerin özellikleri birbirlerine çok benzer. Grup1 içindeki elementlere (hidrojen hariç) alkali metaller denir. Bu elementlerin dış enerji seviyelerindeki s orbitallerinde bir elektron bulunur. Bundan dolayı, bu elementlerin en dış elektron düzenlemesi s ı şeklindedir. Örneğin, Hidrojen 1 s 1, lityum 1 s 2 2 s 1 sodyum 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 1 elektron düzenlemesi şeklindedir. K L K L M

38 Grup 2 elementlerine "toprak alkali" metalleri denir. Bu elementlerin dış enerji seviyelerin deki s orbitalinde iki elektron bulunur. Bunların dış elektron düzenlenmesi s 2 şeklindedir. Örneğin, kalsiyum elementinin elektron düzenlenmesi 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 K L M N şeklindedir. Grup 17 elementlerine "halojenler" denir. Bunların en dış elektron düzenlemeleri s 2 p 5 şeklindedir. Örneğin flor elementinin düzenlenmesi 1 s 2 2 s 2 2 p 5 dır. K L Grup 18 elementleri ise "asal gazlar" olarak bilinir. En dış elektron düzenlemesi s 2 p 6 dır. Örneğin, Neon gazının elektron düzenlenmesi 1s 2 2s 2 2p 5 K L Periyodik cetvele bir göz attığımız zaman cetvelin sağ tarafında zig zag bir çizgi görürüz. Bu çizgi elementleri iki ana gruba ayırır. Bu çizginin sağında kalan elementlere "ametal" çizginin solunda kalan elementlere de "metal" adı verilir. Çizgiye her iki taraftan değen elementler (alüminyum hariç) "yarı metal" olarak adlandırılır. Yarı metaller bazen metal gibi bazen de ametal gibi davranır. Bilinen 109 elementin dörtte üçü metaldir. Civa hariç tüm metaller oda sıcaklığında katı haldedir. Grup 3-12 elementlerine "geçiş elementleri" denir. Bu elementlerde elektronlar d orbitallerini de doldurmaya başlar. Geçiş elementeri ısı ve enerjiyi çok iyi iletirler, erime noktaları yüksektir ve yoğunlukları büyüktür. Özet Atom teorisine göre, tüm maddeler atom denen parçacıklardan meydana gelir. Atomlar doğanın en temel yapı taşlarıdır. Kimyasal olarak farklı 109 atom vardır. Artı (+) ve eksi (-) yükler doğanın temel özelliklerinden biridir. Atomları oluşturan en temel parçacıklar artı (+) yüklü proton, eksi (-) yüklü elektron ve yüksüz nötronlardır. Nötür bir atomda, protonların sayısı elektronların sayısına eşittir. Nötronların sayısı proton ve elektronların sayısından farklı olabilir. Protonun kütlesi yaklaşık olarak nötronun kütlesine eşittir. Fakat elektronun kütlesi bir proton ve nötronun kütlesinin 1836 da biridir. Atomik kütle birimi (akb), elementlerin atom kütlelerinin birimidir. Bir atomdaki protonların sayısına "atom numarası" denir. Bu sayı bir atomu tanımlamada en önemli bir kavramdır

39 Bir atomdaki proton ve nötronların toplamına "kütle numarası" denir. Farklı kütle numarasına sahip aynı elementin atomlarına "izotop" denir. Elektronlar çekirdek etrafında belli yörüngelerde bulunurlar. Her enerji tabakası belli sayıda elektron tutabilir. Örneğin, K tabakası sadece 2 elektron tutabilmesine karşılık L tabakası 8, M tabakası 18 elektron tutabilir. Ana enerji seviyeleri kendi alt enerji seviyelerine (s,p,d,f) ayrılırlar. Bunlara "orbital" denir. rbitaller bir atomun çekirdeğinin etrafında bir elektronun bulunma olasılığının en fazla olduğu bölgelerdir. Elektronlar orbitalleri artan enerji sırılımasına göre doldururlar. Periyodik cetvel elementlerin sistematik olarak düzenlenmesidir. Periyodik cetvel elementler arasındaki ilişkiyi açıklar. Periyodik cetvelde yatay yedi kolona periyod denir. Periyodik cetvelin dikey kollarına da grup denir. Bir grup içindeki elementler benzer özellikler gösterirler. Bunun sebebi en dış elektron düzenlenmelerinin aynı olmasıdır. Elementlerin dörtte üçü metaldir. Metaller genelde katı-dırlar, elektriği ve ısıyı iyi iletirler. Ametallerin sayısı sadece 17 dir. Ametallerin çoğu oda sıcaklığında gaz halindedir. Ametaller ısı ve elektriği iyi iletmezler. Atomların büyüklüğü bir periyod boyunca soldan sağa doğru gidildikçe azalır. Buna karşılık, bir grup boyunca yukarıdan aşağıya doğru artar. İnsan vücudu esas olarak oksijen, karbon ve hidrojen elementlerinden oluşmuştur. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur? A) Her atom, içinde protonlar ve nötronlar olan bir çekirdek ile bu çekirdek etrafında dönen elektronlardan oluşmuştur. B) Her atom, içinde elektronlar ve nötronlar olan bir çekirdek ile bu çekirdek etrafında dönen protonlardan oluşmuştur. C) Her atom, içinde protonlar ve elektronlar olan bir çekirdek ile bu çekirdek etrafında dönen nötronlardan oluşmuştur. D) Her atom, içinde protonlar, elektronlar ve nötronlar olan bir çekirdekten oluşmuştur. E) Her atom, içinde elektronlar ve nötronlar olan bir çekirdekten oluşmuştur

40 2. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Elektron, e - sembolü ile gösterilen elektriksel olarak eksi (-) yüklü bir parçacıktır. B) Proton, p veya H + sembolü ile gösterilen elektriksel olarak (+) yüklü bir parçacıktır. C) Nötron, n sembolü ile gösterilen elektriksel olarak nötür bir parçacıktır. D) Bir nötronun kütlesi bir protonun kütlesine aşağı yukarı eşittir. E) Bir protonun kütlesi bir elektronun kütlesine aşağı yukarı eşittir. 3. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Çekirdeğin hacmi atomun hacmine kıyasla çok küçüktür. B) Elektronların çekirdek etrafında dönerken kapladıkları alan o atomun hacmini tayin eder. C) Elektronlar çekirdek etrafında sabit bir yol veya yörünge üzerinde hareket ederler. D) Farklı elementlerin atomları farklı büyüklüklerde olur. E) Elektronların çekirdek etrafındaki dönüşleri ayrıntılı bir şekilde gözlenemez. 4. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Karbon elementinin tüm atomlarında her zaman eşit sayıda proton bulunur. B) Karbon elementinin tüm atomlarında her zaman eşit sayıda elektron bulunur. C) Karbon elementinin tüm atomlarında her zaman eşit sayıda elektron ve proton bulunur. D) Karbon elementinin tüm atomlarında her zaman eşit sayıda nötron bulunur. 5. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Bir atomik kütle (akb), tek bir karbon-12 izotopunun gerçek kütlesinin 1/12'si dir. B) Bir elementin atom kütlesi bu elementin doğal olarak bulunan izotoplarının doğal oranına bağlıdır. C) Bir elementin atom ağırlığı doğal izotoplarının ortalama atom kütlesidir. D) Bir element tek bir izotopa sahip ise bu elementin atom ağırlığı ile atom kütlesi eşittir. E) Bir element birden fazla izotopa sahip ise bu elementin atom ağırlığı ile atom kütlesi eşittir

41 6. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Bir elementin kimyasal özelliği valens elektronlarının düzenlenmelerine ve sayılarına bağlıdır. B) Bir atomda çekirdekten en uzakta bulunan elektronlar o elementin kimyasal davranışlarını belirler. Bu elektronlar "valens elektronu" olarak belinirler. C) Bir atomda çekirdeğe en yakın bulunan elektronlar o elementin kimyasal davranışlarını belirler. Bu elektronlar "valans elektronu" olarak bilinirler. D) Aynı sayıda valans elektronuna sahip atomlar özellikleri bakımından benzerlikler gösterirler. E) Elektronlar çekirdek etrafında rastgele uzaklıklarda yer almazlar. 7. Bir atomdaki her bir enerji düzeyi belirli sayıda elektron tutabilir. Örneğin, K tabakası..., L tabakası..., M tabakası..., N tabakası... elektron barındırabilir. A) K = 2 L = 8 M = 18 N = 32 elektron B) K = 2 L = 18 M = 18 N = 32 elektron C) K = 8 L = 8 M = 32 N = 18 elektron D) K = 8 L = 18 M = 18 N = 18 elektron E) K = 2 L = 8 M = 8 N = 18 elektron 8. Atom numarası 16 olan kükürt elementinin (S) elektron düzenlemesi aşağıdakilerden hangisidir. A) 1s 2 2s 2 2p 5 3s 2 3p 4 4s 1 B) 1s 2 2s 2 2p 5 3s 2 3p 5 C) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 D) 1s 2 2s 2 2p 4 3s 2 3p 6 E) 1s 2 2s 2 2p 2 3s 2 3p 4 4s

42 9. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Elementlerin atom numaralarına ve benzer özelliklerine göre dizildiklerinde meydana gelen cetvele "periyodik cetvel" denir. B) Elementlerin artan atom ağırlığına ve benzer özelliklerine göre dizildiklerinde meydana gelen cetvele "periyodik cetvel" denir. C) Periyodik cetvelde yatay kolonlara "periyod" denir. D) Periyodik cetvelde düşey kolonlara "grup" denir E) Atomların yarıçapları bir periyod boyunca sağdan sola doğru gidildikçe azalır, buna karşılık bir grup boyunca yukarıdan aşağıya doğru artar. 10. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Grup 1 grubu içindeki elementlerin dış enerji seviyelerindeki s orbitalinde 1 elektron bulunur. B) Grup 1 grubu içindeki elementlere (hidrojen hariç) alkali metaller denir. C) Grup 2 grubu içindeki elementlere toprak alkali metaller denir. D) Grup 17 elementlerine halojenler, grup 18 elementlerine asal gazlar denir. E) Grup 17 elementlerinin en dış elektron düzenlemeleri s 2 p 6 şeklindedir

43 ÜNİTE 3 Kimyasal Bağlanma Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Kimyasal bağlanmanın nedenini kavrayacak, Kimyasal bağ çeşitlerini öğrenecek, İyonik ve kovalent bileşiklerin farkını öğrenecek, Tek atomlu ve çok atomlu iyonların değerliklerini öğrenecek, Polar ve apolar bileşiklerin farklılıklarını bilecek, Moleküller arası etkileşimleri öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Lewis Yapısı ktet Kuralı Kimyasal Bağlanma (Birincil Bağlanma) İyonik Bağlanma Kovalent Bağlanma Polar Kovalent Bağ Moleküller Arası Etkileşim (İkincil Bağlanma) Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çalışmadan önce, Ünite 1'de verilen elektronik konfigürasyon konusunu pekiştirmeniz yararlı olacaktır. Üniteyi çalışırken yanınızda bir periyodik cetvel bulundurunuz.

44 1.GİRİŞ Bu ünitede, atomları kimyasal bağ yapmaya zorlayan nedenler, kimyasal bağ çeşitleri ve bu bağların oluşumları hakkında bilgi verilecektir. Ayrıca "ikincil bağlanmalar" adını da alan moleküller arası etkileşim çeşitleri ele alınacaktır. 2. LEWİS YAPISI Atom yapısında, atom çekirdeği ile etrafında bulunan elektronlar arasındaki elektrostatik çekim kuvveti büyük önem taşır. Bu çekim kuvveti elektronlar çekirdekten uzaklaştıkça azalır. Dış seviyede bulunan elektronlar çekirdek tarafından en az çekilen elektronlardır. Bu nedenle, kimyasal bağlanmada etkin olan elektronlar dış seviye elektronlarıdır. Bu gerçeği göz önüne alan Amerika'lı Kimyacı Gilbert LEWİS, anlatım kolaylığı sağlamak için LEWİS sembolleri oluşturmuştur. Bir element sembolunun etrafında valens elektrolarının nokta şeklinde belirtilmesiyle "Lewis sembolu" oluşur. Atomların dış seviyesinde bulunan ve nokta ile gösterilen elektronlarına "valens elektronları" adı verilir. Kimyasal bağlanmada aktif rol oynayan bu elektronların sayısının "birleşme kapasitesi" ile yakın bir ilişkisi vardır. Atomların valens elektron sayısı aynı zamanda periyodik cetveldeki grup numaralarını da belirler. Çizelge 3.1 İkinci periyot elementlerinde grup numarası ile valens elektron sayısı arasındaki ilişki Grup Valens Elektron Sayısı Birleşme Kapasitesi Lewis. Lİ. Be.. B. : C : : N : : Ö : : F : :. Ne. : Yapısı

45 3. KTET KURALI Neon ve argon gibi elementlerin (asal gazlar) dış seviyesinde bulunan s ve p orbitallerinde toplam sekiz elektron yer almaktadır. Bu elementler, kendi aralarında veya başka atomlarla bileşik yapmaya pek yanaşmazlar. Neon veya Argon atomunun s ve p orbitallerinin dolu olması, yani dış seviyelerinde sekiz elektron bulundurması, çekirdek etrafında küresel yük dağılımına neden olur. Bu durum ise, söz konusu elementlerin çok kararlı bir yapı oluşturmasını sağlar. Lewis, sekiz dış elektrona sahip sistemlerin kararlılığını belirtmek için, Yunancada sekiz anlamına gelen "okta" kelimesinden yola çıkmış ve ünlü "oktet kuralını" ortaya atmıştır. Atomlar bileşik oluştururken elektron alarak, elektron vererek veya ortaklaşa kullanarak dış seviyedeki elektronlarını sekize tamamlamak isterler ve bu olgu "oktet kuralı " olarak bilinir. 4. KİMYASAL BAĞLANMA Asal gazlar dışındaki çoğu atomlar kararsız yapıya sahiptirler. Ancak, bu atomlar kimyasal bağ oluşumu ile dış seviyelerinde bulunan s ve p orbitallerini doldururlar ve böylece çekirdek etrafındaki elektronları küresel yük dağılımına kavuşmuş olur. Bu durumda çekirdeğin elektronlar üzerindeki etkisi yüksektir; yani atom, kararlı bir yapıya ulaşır. Kimyasal bağlanma, atomların asal gaz yapısını kazanma çabalarının doğal bir sonucudur. Atomların oktetlerini tamamlamaları için iki temel yol geçerlidir. Birinci yol, elektron kazanma (veya kaybetme), ikinci yol ise, elektronlarını paylaşmalarıdır. Atomlar, asal gaz yapısına ulaşmak için bu yollardan birini seçerler. Bu farklılık sonucu, atomlar kararlı yapı oluştururken iyonik veya kovalent bağlanma yaparlar. Kimyasal bağlanmada, bağ oluşumunun gerçekleşmesinde ise, iki temel nokta söz konusudur. Atomların asal gaz yapısına ulaşabilme çabaları, Karşıt yüklerin birbirlerini çekme eğilimi

46 4.1. İyonik Bağlanma İyonlaşma enerjilerinin düşük olması nedeniyle 1,2, ve 3 ncü gruplarda yer alan elementler dış seviyedeki elektronlarını kolayca verirler ve kolaylıkla asal gaz yapısında artı yüklü iyon (katyon) oluştururlar (Çizelge 3.2). Çizelge 3.2 Grup Dış seviye elektron Dış seviye İyon Örnek numarası konfigürasyonu elektron sayısı yükü 1 s Na + 2 s Ca +2 3 s 2 p Al +3 Diğer taraftan, elektron ilgisi yüksek olan 5,6 ve 7 ncı gruplarda yer alan elementler, dış seviyelerine elektron kabul ederler ve kolaylıkla asal gaz yapısında eksi yüklü iyon (anyon) oluştururlar (Çizelge 3.3). Çizelge 3.3 Grup Dış seviye elektron Dış seviye Kabul edilen İyon Örnek numarası konfigürasyonu elektron sayısı elektron sayısı yükü 5 s 2 p N s 2 p s 2 p Cl - 1? Hangi elementlerin atomları arasında iyonik bağ oluşur? Periyodik cetvelin solunda bulunan metaller ile periyodik cetvelin sağında bulunan ametaller bir araya geldikleri zaman elektron aktarımı ile karşıt yüklü iyonları oluştururlar. Daha sonra bu iyonlar birbirlerini çeker ve böylece aralarında elektrostatik çekim kuvvetine dayanan kuvvetli bir bağ oluştururlar

47 Bir atomdan diğerine elektron aktarımı sonucu oluşan bağa "iyonik bağ" denir. Na Na + + e - e - + Cl Cl - Na + Cl Na + Cl - Şekil 3.1 Sodyum klorür (NaCl) bileşiğinin oluşumu Şekil 3.1 de görüldüğü gibi, sodyum atomunun klor atomuna bir elektron aktarması ile her ikisi de oktet kuralına uygun kararlı iyonlara dönüşürler. Bunun doğal sonucu olarak karşıt yüklü iyonlar birbirini çekerler ve aralarında iyonik bağ oluştururlar. Böylece NaCl bileşiği meydana gelir. Bu iki atomun elektronik konfigurasyonunu incelediğimiz zaman, elektron aktarımı yoluyla nasıl asal gaz sistemine ulaştıklarını veya s ve p orbitallerini doldurarak nasıl kararlı hale geldiklerini görebiliriz. Önce Çizelge 3.4 ü inceleyelim. Çizelge 3.4 Atom ve iyonlarının elektronik konfigürasyonu Atom veya iyon Elektronik Atom veya iyon Elektronik konfigurasyon konfigurasyon Sodyum, Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Klor, Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Sodyum iyonu Na + 1s 2 2s 2 2p 6 Klorür iyonu, Cl - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Neon, Ne 1s 2 2s 2 2p 6 Argon, Ar 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Sodyum ve klor atomlarının elektronik konfigürasyonları incelendiği zaman, Na atomunun çekirdek etrafında küresel bir yük yoğunluğuna sahip olmasının ancak 3s 1 deki bir elektronunu vermesiyle mümkün olduğunu anlarız. Bunun sonucu, Na atomu, Na + (sodyum iyonu) haline geçer ve Ne asal gaz yapısına ulaşır. Aynı şekilde Cl atomunun çekirdeği etrafında küresel bir yük yoğunluğuna sahip olması 3p 5 orbitaline bir elektron ilavesiyle gerçekleşir. Böylece, Cl - (klorür iyonu) Ar asal gaz yapısına ulaşır

48 Özetle sodyum klorür bileşiğinin, 1 nci ve 7 nci grup elementleri arasındaki iyonik bağlanmaya ilişkin en klasik örneklerden biri olduğunu belirtebiliriz. Şekil 3.2 de sodyum klorür bileşiğinin düzenli kristal yapısı gösterilmektedir. Şekil 3.2 Sodyum ve klorür iyonlarının oluşturduğu NaCl kristal yapısı Daha önce belirtildiği gibi 2 nci ve 3ncü grup elementlerinin tamamı iyonik bağ yapmaya yatkın elementlerdir. Toprak alkali metalleri olarak bilinen 2 nci grup elementleri +2 değerliğe sahip iyonlar oluştururlar. Ancak 2 nci grup elementlerinin +1 değerliğe sahip iyonları bilinmez. Çünkü, 2 nci grup elementlerinden bir elektron uzaklaştırıldığı zaman çekirdek etrafındaki küresel yük yoğunluğu sağlanamadığı gibi, atomun nötürlüğü de bozulmaktadır. Bu da +1 değerli iyonun, element atomundan da daha kararsız bir yapıda olmasına neden olur. İkinci grup elementleri ancak iki elektron vererek asal gaz yapısına yani çekirdek etrafında küresel yük yoğunluğuna ulaşırlar. Diğer taraftan 6 ncı grup elementleri, 2 elektron alarak, 7 nci grup elementleri de 1 elektron alarak çok kolay asal gaz yapısına ulaşırlar. Altıncı grupta S -2 ve -2 iyonları ve 7 nci grupta da Cl -, F -, I - ve Br - iyonları bilinir. İyonik bağlanmaya yeni örnekler olarak olarak 2 nci grup e lementi olan magnezyumun, 6 ncı grup elementi olan oksijenle ve 7 nci grup elementi olan klor ile yaptığı bileşikleri görelim. (1) Mg Mg (2) Mg + 2Cl - MgCl 2 Birinci örnekte bir magnezyum atomu bir oksijen atomuna 2 elektronunu vererek bileşik oluşturur. Yine magnezyum atomu 2 klor atomuna birer elektron vererek ikinci örnekteki bileşiği oluşturur

49 5. KVALENT BAĞLANMA İyonlaşma enerjileri çok yüksek ve elektron ilgileri çok yakın atomların veya aynı cins atomların elektron aktarımı sonucu bağ yapmaları çok zordur. Bu atomlar kararlı bir yapı oluşturmak için, daha kolay bir yol olan bir çift elektronu atomlar arasında paylaşmayı tercih ederler. Bir çift elektronun paylaşılması sonucu oluşan kimyasal bağa "kovalent bağ "ve paylaşılan bir çift elektrona da "ortaklanmış elektronlar" adı verilir. Doğada atom halinde bulunamayan bazı ametal atomları, kovalent bağ yaparak molekül oluştururlar. İki atomun oluşturdukları kovalent bağlı bu tür moleküllere diatomik moleküller adı verilir. Hidrojen molekülü (H 2 ) diatomik moleküllerin çok bilinen bir örneğidir. Kovalent bağı daha iyi anlamak için hidrojen molekülünün oluşumuna bakalım. Potansiyel Enerji 0 Bağımsız Hidrojen Atomu (H) Bağ Enerjisi H 2 r 0 bağ uzunluğu Çekirdekler arası uzunluk Şekil 3.3 Hidrojen atomlarından hidrojen molekülünün oluşumu Birbirinden bağımsız iki izole hidrojen atomunun potansiyel enerjilerini sıfır olarak düşünürsek, hidrojen atomları birbirine yaklaştıkça potansiyel enerjilerinde düşme olur. Bu düşme, çekme ve itme kuvvetlerinin eşit olduğu belli bir uzaklığa kadar devam eder

50

51 Azot atomunun ise, birleşme kapasitesi üçtür. Azot bu kapasiteyi amonyak da olduğu gibi üç ayrı tek bağ yaparak kullanabilir. Öte yandan azot molekülünde (N 2 ) ise, iki azot atomunun aralarında üç çift elektron paylaşmaları söz konusudur. Böyle üç çift elektronun paylaşılması sonucu oluşturulan bağlara "üçlü bağlar" adı verilir. Karbon, dört birleşme kapasitesine sahip bir atomdur. Karbon, diğer bir karbon veya başka atomlarla tekli, ikili veya üçlü bağlar yapar. Örneğin aşağıdaki moleküllerde bu durum gözlenmektedir. H H H H = C =, C, C = C, H C C H, H C N H H H H Karbon dioksit Metan Eten Etin Hidrojen siyanür 6. PLAR KVALENT BAĞLAR Atomlar bir çift elektron paylaşmaları sonucu kovalent bağ yaparlar. Ancak farklı atomlardan oluşan kovalent bağlarda bağ elektronları, molekülü oluşturan atomlar arasında eşit olarak paylaşılmaz. Bir atomun bir molekül içinde bağ elektronlarını çekme yatkınlığına "elektronegativite "adı verilir. Elementlerin elektronegativiteleri periyot boyunca soldan sağa, grup boyunca aşağıdan yukarı doğru artar (Şekil 3.4). Şekil 3.4 Elektronegativite artışı

52 Farklı atomlardan oluşan moleküllerde elektronegativite farkı nedeniyle bağ elektronları, elektronegativesi yüksek olan atom tarafından daha fazla çekilir. Bunun sonucu, molekülde artı ve eksi yük merkezleri oluşur. HCl (hidrojen klorür) molekülünde bu durum çok iyi gözlenir. Zira, klor atomu hidrojen atomuna göre elektronegativitesi yüksek bir atomdur. Bu yüzden, klor atomu bağ elektronlarını daha çok kendi üzerinde toplar ve böylece molekülde artı ve eksi yük merkezleri oluşur (Şekil 3.5). Şekil 3.5 Hidrojen klorür molekülünde artı ve eksi yük merkezlerinin oluşması Kovalent bağı oluşturan atomların bağ elektronlarını "farklı kuvvetle" çekmesi sonucu oluşan bağlara "polar bağlar" denir. Bağın polar olması, o bağa ait bir dipol oluşturur. Dipol moment, artı ve eksi yüklerin farklı kısımlarda dağılımının ölçüsü olan fiziksel bir sabit olarak tarif edilir ve yük yoğunluğu eşitsizliği de işareti ile gösterilir ve okun ucu eksi yük merkezini gösterir. Bir molekülün polar olmayan bağlara sahip olması durumunda o molekülün dipol momenti sıfırdır.? Her polar bağa sahip molekül polar olur mu? = C = Karbon dioksit (C 2 ) molekülü, oksijen ve karbondan oluşan bir bileşiktir. ksijenin elektronegativitesi karbona göre yüksektir. Yani, karbon ile oksijen arasındaki bağ polar kovalent bağdır. Fakat, molekülün doğrusal geometrisi nedeniyle, zıt yönlü bağ momentleri birbirlerini götürürler ve molekülün dipol momenti sıfır olur. Bu nedenle, C 2 molekülü polar bağlara sahip apolar bir bileşiktir

53 Aynı cins atomların oluşturduğu diatomik moleküllerden oluşan kovalent bağlarda, atomlar arasında elektronegativite farkı yoktur ve bağ elektronlarının eşit paylaşılması söz konusudur. Böyle moleküllerde dipol moment sıfırdır. Kovalent bağı oluşturan atomların bağ elektronlarını "aynı kuvvetle "çekmesi sonucu oluşan bağlara "apolar bağlar " denir. Kovalent bağlanma ile iyonik bağlanma arasında kesin bir çizgi yoktur. Apolar kovalent bağlardan, iyonik bağlara doğru bir geçiş söz konusudur. Bu durum şekil 3.6 da anlatılmaya çalışılmıştır. Şekil 3.6 Apolar kovalent bağ, iyonik bağ ilişkisi 7. MLEKÜLLER ARASI ETKİLEŞİM (İKİNCİL BAĞLANMA)? Molekülleri bir arada tutan kuvvetler nedir? Molekülleri bir arada tutan kuvvetler kimyasal bağlamadan daha zayıf, moleküller arası etkileşimlerdir. Moleküller arası etkileşimler, bileşiklerin fiziksel özelliklerini yönlendiren etkileşimlerdir

54 İkincil bağlanma adı da verilen moleküller arası etkileşimler şunlardır : London etkileşimi Dipol - dipol etkileşimi Hidrojen bağı 7.1. London Etkileşimi? Apolar bileşiklerde elektriksel kutuplaşma olabilir mi? Apolar moleküllerin komşu moleküllerin etkisinde kalmasıyla, yük yoğunluğu dağılımlarında kısa süreli değişmeler olur. Bu değişmeler sonucu, molekülde geçici dipol oluşur. Bunun sonucu olarak da moleküller arasında çok zayıf elektrostatik çekim kuvvetleri doğar. Apolar moleküllerin karşılıklı birbirlerini etkilemesi sonucu oluşan geçici çekim kuvvetine "London etkileşimi " adı verilir Dipol - dipol etkileşmesi Polar bağlara sahip ve dipol momenti sıfır olmayan moleküller polar moleküllerdir. Böyle moleküllerde artı ve eksi yük merkezleri çakışmazlar, yani kutuplaşmalar oluşur. Polar moleküllerin karşıt kutupları arasında oluşan çekim kuvvetine "dipol - dipol etkileşmesi " denir Hidrojen Bağı Hidrojen atomu, elektronegativitesi yüksek atomlara bağlandığı zaman bağ elektronları elektronegativitesi yüksek atom tarafından çekilir. Böyle atomlara bağlı hidrojenler

55 artı, yüklü iyon gibi davranır ve eksi yüklü iyonlarla veya polar moleküllerin eksi yük merkezleri ile kuvvetli bir ikincil bağ oluşturur. Bu ikincil bağa "hidrojen bağı" adı verilir. Artı yük merkezi gibi davranan hidrojenin anyonlarla yaptıkları hidrojen bağına "iyondipol", polar moleküllerin eksi yük merkezleri ile etkileşmesi sonucu yaptıkları hidrojen bağına da "dipol-dipol" hidrojen bağı adı verilir (Şekil 3.7). Şekil 3.7 Hidrojen bağlanması

56 Özet Kimyasal olayları yönlendirmede, atomların dış seviye elektronları çok etkindir. Atomların dış seviye elektronları "valens elektronları" olarak isimlendirilir. Kimyada asal gazlar olarak bilinen elementlerin dış seviyesinde bulunan s ve p orbitalleri tam doludur. Bu olgu asal gazların çekirdeği etrafında küresel bir yük yoğunluğu oluşturmasına ve çekirdeğin elektron üzerindeki çekim etkisinin en fazla olmasına yol açar. Bu da atoma kararlı bir yapı sağlar. Asal gazlar dışındaki elementler asal gaz yapısında olmadıkları için kararlı bir yapıda değillerdir. Bu kararsız yapıları elementleri bileşik yapmaya zorlar. Atomlar, dış seviye elektronlarının sayısına bağlı olarak iyonik veya kovalent bağlanma yaparlar. Atomların bağ yaparak oluşturdukları moleküllerin aralarında etkileşimler söz konusudur. Bu etkileşimler "ikincil bağlanma" adını alır. İkincil bağlar, bileşiklerin fiziksel özelliklerini yönlendirirler. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Katyon, artı yüklü iyona denir. B) Anyon, eksi yüklü iyona denir. C) Elektron alan atom eksi yüklü iyon oluşturur. D) Elektron veren atom artı yüklü iyon oluşturur. E) Asal gazlar kolaylıkla eksi yüklü iyon oluştururlar. 2. Valens elektron sayısı sekiz olan atomun birleşme kapasitesi kaçtır? A) 0 B) 1 C) 4 D) 6 E)

57 3. Valens elektron sayısı yedi olan atomun birleşme kapasitesi kaçtır? A) 0 B) 1 E) 4 D) 6 E) 8 4. Aşağıda valens elektronlarının sayısı belirtilen atomlardan hangisi tercihen kovalent bağlanma gerçekleştirir? A) 0 B) 1 C) 4 D) 2 E) 8 5. Aşağıda elektronik konfigürasyonları verilen atomlardan hangisi kolaylıkla bir katyon oluşturur? A) s 1 B) s 2 p 3 C) s 2 p 4 D) s 2 p 5 E) s 2 p 6 6. Aşağıda elektronik konfigürasyonları verilen atomların hangisi kararlı yapıya sahiptir? A) 1s 1 B) 1s 2 2s 2 2p 6 C) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 D) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 E) 1s 2 2s 2 2p 5 7. Aşağıda verilen kovalent bileşiklerin hangisi polar bağa sahiptir? A) HF B) H 2 C) N 2 D) 2 E) Cl

58 Amaçlar 4 ÜNİTE Bileşik Formüllerinin Yazılması,İsimlendirilmeleri ve Mol Kavramı Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Bileşik isimlendirilmelerindeki kuralları, Kovalent bileşiklerin isimlendirilmelerini, İyonik bileşiklerin isimlendirilmelerini, Tek atomlu iyonların isimlendirilmelerini, Çok atomlu iyonların isimlendirilmelerini, Formül yazımında izlenecek yolu, Molekül veya formül ağırlıklarının hesaplanmasını, Mol kavramını öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş İki Atomlu Kovalent Bileşiklerin İsimlendirilmeleri Tek Atomlu İyonların Değerlikleri İki Atomlu İyonik Bileşiklerin isimlendirilmeleri Çok Atomlu İyonların İsimlendirilmeleri İyonik Bileşiklerin Formüllerinin Yazılması Asitlerin İsimlendirilmeleri Molekül veya Formül Ağırlıklarının Hesaplanması Mol Kavramı Öneriler Bu üniteyi çalışmadan önce Kimyasal Bağlanma ünitesini iyi kavrayınız. Ünite içinde geçen sabit değerli iyonları ezberleyiniz.

59 1. GİRİŞ Kimyasal olayların incelenmesinde kimyanın dili olarak nitelendirilen semboller, bileşik formülleri ve bileşiklerin isimlendirilmeleri kimyada büyük önem taşır. Bu nedenle, bileşiklerin formüllerinin hatasız ve eksiksiz yazılması önemlidir. Bu ünitede, bileşiklerin formüllerinin ve isimlerinin yazılmasında uygulanan temel kurallar ve bunlara ilişkin örnekler verilmiştir. 2. İKİ ATMLU KVALENT BİLEŞİKLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ Kovalent bileşikler, iki ametal element arasında elektron paylaşımı ile oluşur ise bu bileşiklere diatomik (iki atomlu) kovalent bileşikler adı verilir. İki atomlu bileşiklerin isimlendirilme kuralları aşağıda verilmiştir. İki ametalden oluşan kovalent bileşiğin formülü ve ismi yazılırken, elektronegativitesi düşük element önce yazılır. Burada elementlerin elektronegativite sıralaması büyük önem taşır. Ünite 3'de belirtildiği gibi elementlerin elektrone gativiteleri periyodik cetvelde periyot ve grup boyunca ilerlerken artar veya azalır. Periyodik cetvelde elementlerin elektronegativiteleri bir periyot boyunca soldan sağa, bir grup boyunca aşağıdan yukarı doğru artar. Bazı ametallerin elektronegativite sıralamaları aşağıda verilmiştir. Elektronegativite artar Si, Bi, H, P, C, S, I, Br, N, CL,, F İkinci elementin yazımında, elemente ilişkin kök ismi alınır ve bunun sonuna -it veya -ür soneki getirilir ve birinci elementin ardından ayrı bir kelime olarak yazılır Örnek hidrojen klorür (HCl). Moleküldeki her bir elemente ilişkin atom sayısı bu sayıya karşılık gelen bir önek ile belirtilir. Bu önekler aynı elementlerden oluşan farklı bileşiklerin, ayırdedilmelerinde bize yardımcı olurlar. Örneğin C bileşiği karbon monoksit, C 2 bileşiği ise karbon dioksit olarak ifade edilirler

60 Karbon monoksit ve karbon dioksit örneklerinde olduğu gibi aynı atomlardan oluşan farklı yapıdaki bileşikleri ayırdetmek amacıyla mono, di tri vs. gibi örneklerden yararlanılır. Çizelge 4.1 Bazı element atomlarının kök isimleri Çizelge 4.2 Latince sayılar ve anlamları Element Kök Önek Anlamı Hidrojen Hidr- Mono- bir Karbon Karb- di- iki ksijen ks- tri- üç Kükürt Sülf- tetra- dört Fosfor Fosf- penta- beş Klor Klor- hekza- altı Brom Brom- İyot İyod- Örnek 4.1 HBr, CCl 4 ve P 2 5 bileşiklerini isimlendirelim. Çözüm 4.1 HBr Birinci kurala göre, hidrojenin elektronegativitesi daha düşük olduğu için hidrojen önce yazılır. Formül içinde her bir elementten birer atom bulunduğu için, sayı bildiren önekler kullanılmaz. Hidrojen brom + ür = Hidrojen bromür element ismi kök + sonek CCl 4 İsimlendirmede karbon önce yazılır. Klor atomundan 4 adet bulunduğunu belirtmek için tetra öneki kökün önüne getirilir ve -ür soneki eklenerek bileşik ismi yazılır. Karbon tetra + klor + ür = Karbon tetraklorür element ismi önek + kök + sonek

61 P 2 5 Fosfor atomunun elektronegativitesi düşük olduğu için önce yazılır ve iki P atomu olduğunu belirmek üzere di- önekini alır. Diğer elementin kök isminin önüne beş atomunu ifade etmek üzere penta- öneki ve sonek olarak da -it eklenerek yazılır. Di + fosfor penta + oks + it = Difosfor pentaoksit Örnek 4.2 önek + element ismi önek + kök + sonek Aşağıdaki bileşiklerin formüllerini yazalım. Hidrojen iyodür, kükürt trioksit, azot dioksit, forfor pentabromür Çözüm 4.2 Hidrojen iyodür: HI Kükürt trioksit: S 3 Azot dioksit: N 2 Fosfor pentabromür: PBr 5 N 2 azot dioksit molekülünü edilmelidir. N 2-1 nitrit iyonu ile karıştırmamaya dikkat Bazı kovalent bileşikler özel isimleri ile tanınırlar. Örneğin, "H 2 " su ve "NH 3 " amonyak olarak bilinir. 3. TEK ATMLU İYNLARIN DEĞERLİKLERİ Bir iyonun elektriksel yük sayısı (değerliği), elementin birleşme kapasitesinin bir ölçüsüdür. Bir kimyasal elementin artı veya eksi elektriksel yük sayısına "değerlik" denir

62 Periyodik cetvelde 1, 2 ve 3. grupta bulunan elementlerin birleşme kapasiteleri birinci grup için 1, ikinci grup için 2 ve üçüncü grup için 3 dür. Bu gruplardaki elementler elektron kaybederek oktetlerini tamamlar ve 1 nci grup elementleri +1 değerliğe, 2. grup elementleri +2 ve 3. grup elementleri +3 değerliğe sahip iyonlar oluştururlar. Altıncı ve yedinci grup elementleri elektron alarak oktetlerini tamamlar ve altıncı grup elementleri - 2 ve yedinci grup elementler ise -1 değerliğe sahip iyonları oluştururlar (Çizelge 4.3). Çizelge 4.3 Bazı iyonların değerlikleri İyon ismi Değerliği İyon İyon ismi Değerliği İyon sembolü sembolü Lityum iyonu +1 Li + Bromür iyonu -1 Br - Potasyum iyonu +1 K + Klorür iyonu -1 CL - Gümüş iyonu +1 Ag + Florür iyonu -1 F - Sodyum iyonu +1 Na + İyodür iyonu -1 I - Baryum iyonu +2 Ba +2 ksit iyonu -2-2 Kalsiyum iyonu +2 Ca +2 Sülfür iyonu -2 S -2 Magnezyum iyonu +2 Mg +2 Çinko iyonu +2 Zn +2 Aluminyum iyonu +3 Al +3 Bakır (I) iyonu +1 Cu + Demir (II) iyonu +2 Fe +2 Bakır (II) iyonu +2 Cu +2 Demir (III) iyonu +3 Fe İKİ ATMLU İYNİK BİLEŞİKLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ Artı yüklü iyonlar (katyonlar) isimlendirilirken element isimlerinin yanına iyon kelimesi eklenir. Örnek Na + sodyum iyonu, Mg +2 magnezyum iyonu. Eksi yüklü iyonlar (anyonlar) ise, elementlere ilişkin kök isimlerininsonuna it veya ür soneki getirilmesi ve yanına iyon kelimesinin eklenmesiyle isimlendirilirler (Çizelge 4.3)

63 İyonik bileşiklerin formülleri ve isimleri yazılırken, önce katyonlar daha sonra anyonlar belirtilirler. Tek değerliğe sahip katyon ve anyonlar, bileşiklerinde hangi değerliğe sahip iyonun bileşik yaptığını belirtmek gerekmez. Çünkü bu elementlerin zaten tek tür iyonları vardır (Na +, K +, Ca +2, Mg +2, Al +3, Cl -1, Br -1, I -1 gibi). Örnek 4.3 Mg Magnezyum oksit K 2 S Potasyum sülfür CaCl 2 Kalsiyum klorür AlCl 3 Aluminyum klorür Bazı elementler (geçiş metallerinin çoğu ile dördüncü ve beşinci grup elementlerinin bir kısmı) birden fazla değerliğe sahip katyon oluşturabilirler. Bir bileşikte hangi değerlikte katyonun yer aldığını belirtmek için, isimlendirmede katyon isminden sonra romen rakamı ile (I,II,III, IV) değerlik sayısı verilir. Katyonların aldıkları değerlik sayıları, o elementin aynı zamanda oksidasyon seviyesini ifade eder. Demir elementi artı iki ve artı üç değerlikteki Fe +2 ve Fe +3 katyonlarını verir. Bu nedenle demirin klorürle olan bileşiği ifade edilirken demir klorür bileşiği denilmesi bileşiği yazmak için yetersiz bir ifadedir. Demir klorür bileşiği ifade edilirken, demir (II) klorür veya demir (III) klorür bileşiği şeklinde ifade etmek gerekir. Çizelge 4.4.'de bazı örnekler verilmiştir. Çizelge 4.4 Birden fazla değerliğe sahip bazı element bileşikleri Formül İsim SnF 2 SnF 4 Hg 2 Hg CuCl CuCl 2 Kalay (II) florür Kalay (IV) florür Civa (I) oksit Civa (II) oksit Bakır (I) klorür Bakır (II) klorür

64 5. ÇK ATMLU İYNLARIN İSİMLENDİRİLMELERİ Çok atomlu iyonlar, oksijen atomlarının genellikle kükürt, karbon, azot gibi ametal bir merkez atoma bağlanmaları ile oluşurlar. Aynı merkez atomun, oksijen sayıları değişen iki farklı iyonu olabilir. Bu durumda, iki ayrı iyonun farklı sonek kullanarak belirtilmesi gerekir. Çok atomlu iyonların isimlendirilmelerinde, aynı merkez atomun fazla oksijen taşıyan iyonu "-at" soneki alır, az oksijen taşıyan iyonu ise "it "soneki alır. Örneğin iyonunun sülfat olarak adlandırılmasına karşın sülfit adını alır. S 4-2 Benzer şekilde iyonu nitrat ve iyonu ise nitrit olarak adlandırılır. Çizelge N 3 - N de bazı çok atomlu iyonların isimleri ve formülleri verilmektedir. S 3-2 Çizelge 4.5. Bazı çok atomlu iyonlar Yükü İsmi Formülü Asetat iyonu C 2 H Siyanür iyonu CN - -1 Hidrojen karbonat (bikarbonat) iyonu HC - 3 Hidroksit iyonu H - - N Nitrat iyonu 3 - N 2 Nitrit iyonu Permanganat iyonu Mn - 4 Karbonat iyonu Peroksit iyonu -2 Sülfat iyonu Sülfit iyonu -3 Fosfat iyonu +1 Amonyum iyonu -2 C S 4-2 S 3-3 P 4 + NH 4 Aynı merkez atomun oksijen içeren ikiden fazla sayıda iyonu varsa o zaman yeni ekler gerekebilir

65 Per- öneki, sonunda -at soneki alan iyonun önünde yer alırsa, yeni iyonun "at" son eki alan iyondan daha fazla oksijen içerdiği anlaşılır. Eğer hipo- öneki, sonunda -it soneki alan iyonun önünde yer alırsa, yeni iyonun "-it" soneki alan iyondan daha az oksijen içerdiğini belirtir. Klor atomunun oksijen atomuyla oluşturduğu çok atomlu iyonlarında bu isimlendirmeyi görürüz. - Cl 4 - Cl 3 - Cl 2 Cl - per klorat iyonu klorat iyonu klorit iyonu hipoklorit iyonu Bazı çok atomlu anyonlar, hidroksit (H - ) ve peroksit isimler alırlar. Amonyum alırlar. NH 4 + gibi -it sonekine sahip gibi çok atomlu katyonlar ise, sonek olarak -onyum Bazı çok atomlu iyonlar ise, hidrojen sayısı ve yük farklılığı ile birbirinden ayrılırlar. 2-2 Fosfor atomunun oksijen atomuyla oluşturduğu çok atomlu iyonlarında bu isimlendirmeyi görürüz. P 4-3 HP 4-2 H 2 P 4 - Fosfat iyonu Hidrojenfosfat iyonu Dihidrojenfosfat iyonu Çok atomlu iyonların oluşturdukları bileşiklere ilişkin formüllerin yazıl-ması iyonik bileşiklerde olduğu gibidir. Formül yazılırken önce katyon yazılır ve bunu anyon izler. Eğer çok atomlu iyonun sayısı birden fazla ise, bu çok atomlu iyon parantez içine alınır ve parantezin altına çok atomlu iyonun sayısı rakamla belirtilir. Bazı isimlendirme örnekleri Çizelge 4.6 da verilmiştir

66 Çizelge 4.6 Bazı çok atomlu iyonların isimlendirilmesi Bileşik İsimlendirilmesi (NH 4 ) 2 C 3 KMn 4 Al 2 (S 4 ) 3 Mg(C 2 H 3 2 ) 2 Na 2 2 Ca 3 (P 4 ) 2 Cu(N 3 ) 2 Co(H) 2 Amonyum karbonat Potasyum permanganat Aluminyum sülfat Magnezyum asetat Sodyum peroksit Kalsiyum fosfat Bakır (II) nitrat Kobalt (II) hidrosit 6. İYNİK BİLEŞİKLERİN FRMÜLLERİNİN YAZILMASI İyonik bileşiklerinin formüllerinin yazılmasında en çok dikkat edilmesi gereken nokta anyon ve katyon yükleridir. Bütün bileşikler nötr yapıdadırlar ve eşit sayıda artı ve eksi yük içerirler. İyonik bileşiklere ilişkin formüllerin doğru yazılması için aşağıdaki sıralama izlenir. İyon sembolleri doğru yazılır. İyonlar, artı ve eksi yüklerin bileşikte eşit sayıya ulaşmasını sağlayacak en küçük sayı ile çarpılırlar. (Tercihen karşı yüklerin değerlikleri ile çarpılırlar). Bu sayılar iyonların altına yazılır. Örnek 4.4 Aluminyum ve klordan oluşan aluminyum klorür bileşiğinin formülünü yazalım. Çözüm 4.4 Al +3 CI -1 1 Al +3 3C I -1 Al CI

67 7. ASİTLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ Anorganik asitler, en basit bir şekilde " H + (hidrojen iyonu) veren bileşikler" olarak tarif edilirler. Anorganik asitler hidrojen iyonu ve buna bağlı bir ikinci iyondan (anyondan) oluşurlar. Bu nedenle anorganik asitlerin isimlendirilmelerinde hidrojenin bağlı olduğu iyon başrol oynar. Hidrojen atomuna bağlı olan anyonları iki grupta toplayabiliriz. Hidrojen atomuna bağlı anyon tek atomlu ise, iki şekilde isimlendirme yapılabilir. Anyon ismi başına "hidro-" öneki ve sonuna "-ik asit "getirilerek yapılabilir. İkinci olarak da iki atomlu iyonik bileşikler gibi isimlendirilirler. Örneğin HCl hidroklorik asit veya hidrojen klorür olarak isimlendirilebilir. Hidrojen atomuna bağlı anyon çok atomlu ise; çok atomlu iyon "-at" soneki alıyorsa, çok atomlu iyonun kök ismine "-ik asit" eklenerek isimlendirme yapılır. Eğer çok atomlu iyon "-it" soneki alıyorsa, çok atomlu iyonun kök ismine "-öz asit" eklenerek isimlendirme yapılır. Örneğin hidrojen iyonuna nitrat - iyonunun bağlı olduğu zaman HN 3 oluşan asit "nitrik asit", N 2 nitrit iyonu bağlı olduğu zaman oluşan asit ise "nitröz asit" şeklinde isimlendirilir (Çizelge 4.7). N 3 - Çizelge 4.7 Bazı asitlerin isimlendirilmesi Anyon Asit Klorür iyonu Cl - Hidrojen klorür HCl (Hidroklorik asit) Siyanür iyonu CN - Hidrojen siyanür HCN (Hidrosiyanik asit) Florür iyonu F - Hidrojen florür HF (Hidro florik asit) Sülfür iyonu S -2 Hidrojen sülfür H 2 S (Hidrosülfürik asit) Asetat iyonu C 2 H Asetik asit HC 2 H 3 2 Karbonat iyonu Karbonik asit H 2 C 3 - Nitrat iyonu N 3 Nitrik asit HN 3 Fosfat iyonu Fosforik asit H 3 P 4 P 4-3 C 3-2 Sulfat iyonu Sülfürik asit H 2 S 4 S Nitrit iyonu N 2 Nitroz asit HN 2 Sülfit iyonu Sülfüroz asit H 2 S 3 S

68 8. MLEKÜL VEYA FRMÜL AĞIRLIKLARININ HESAPLANMASI Kimyasal hesaplamalarda bileşiğin en küçük birimi baz olarak alınır. Bir bileşiğin tüm özelliklerini taşıyan en küçük birimine kovalent bileşiklerde, "molekül", iyonik bileşiklerde ise "formül birim" denir. Kimyasal hesaplamalarda temel birim ağırlık; moleküller için molekül ağırlığı, formül birim için formül ağırlığı ve atom için atom ağırlığı alınır. Bir molekül veya formül ağırlığı içerdikleri atom veya iyonların ağırlıklarının toplamına eşittir. Bir molekül veya formül ağırlığının doğru olarak bulunması bileşiğin doğru yazılmasına, atom veya iyon sayısının doğru belirlenmesine bağlıdır. Örnek 4.5 H 2, C 6 H 12 6, Na 3 P 4 ve Al 2 (S 4 ) 3 Bileşiklerinin içerdikleri atom sayılarını bulalım. Çözüm 4.5. H 2 C 6 H 12 6 Na 3 P 4 Al 2 (S 4 ) 3 2 Hidrojen, 1 oksijen 6 Karbon, 12 hidrojen, 6 oksijen 3 Sodyum, 1 fosfor, 4 oksijen 2 Aluminyum, 3 kükürt, 12 oksijen Bileşikteki atom sayısı belirlenirken parantez içinde bulunan atomların sayısı, parantezin altında bulunan rakam ile çarpılarak bulunur. Örnek 4.6 Al 2 (S 4 ) 3 Alüminyum sulfatın formül ağırlığını hesaplayalım. Çözüm 4.6 1x3 Kükürt veya 3 kükürt atomu 4x3 ksijen veya 12 oksijen atomu 1x2 Alüminyum veya 2 alüminyum atomu (27x2) + (12x16) + (3x32) = 342 gram

69 Molekül veya formül ağırlığının hesaplanması için verilen atom ağırlıklarında virgülden sonra yalnız bir veya iki basamak kullanılır. Örneğin potasyum'un atom ağırlığı 39,0983 gram olmasına karşın 39,1 gram alınır. Bu şekilde atom ağırlıklarının listesi EK-1'de verilmiştir. 9. ML KAVRAMI Tek molekül veya tek formül ağırlığını bulmak için laboratuvarda kullanılan hassas teraziler yetersiz kalmaktadır. Çünkü laboratuvarda kullanılan hassas terazilerin ölçebileceği en küçük birim miligram düzeyindedir. En ağır atomun kütlesinin 10-9 gram olduğu düşünülürse tek atomun tartılmasının güçlüğü daha açık görülür. Bu zorluğu bilen kimyacılar belli sayıdaki iyon, atom, molekül veya formül biriminin belli sayısını bir birim olarak kabul ettiler ve buna da "mol" adını verdiler. Mol, herhangi bir maddenin Avagadro sayısı kadar birim taneciğini içeren miktarıdır. Bir düzine denildiği zaman aklımıza 12 sayısı geliyorsa, bir mol denildiği zaman da aklımıza veya kısa olarak 6,02x10 23 sayısı aklımıza gelir. Bu sayıya "Avagadro sayısı" adı verilir. 1 Mol madde, Avagadro sayısı kadar taneciğin birarada bulunduğunu ifade eder. Hiçbir zaman belli bir kütleyi ifade etmez. Bu kavramı gözümüzde canlandırmak için iki ayrı atom yerine kuştüyü ile çapı 1 cm olan çelik bilyayı düşünelim. Bir mol kuştüyü ve 1 mol bilyayı alalım ikisinden de 1 mol karşılığı olan 6, taneden oluşan yığınlar yapalım. Bu durumda her iki 1 mol'lük yığında eşit sayıda kuştüyü ve bilya bulunacaktır. Fakat her iki yığın tartıldığı zaman büyük bir ağırlık farkı olduğu görülür. Bunun nedeni ise bir tek bilyanın, bir tek kuştüyünden çok daha ağır olmasıdır

70 Demek ki 1 mol element, o elemente ilişkin 6,02x10 23 tane atomun biraraya gelmesiyle; 1 mol iyon, 6,02x10 23 tane iyonunun biraraya gelmesiyle; 1 mol formül birimi, 6,02x10 23 tane formül biriminin biraraya gelmesiyle ve 1 mol molekül ise, 6,02x10 23 tane molekülün bir araya gelmesiyle oluşmuştur. 1 Mol hidrojen atomu (veya 1 mol oksijen atomu) denildiği zaman Avagadro sayısı kadar atomunun biraraya gelmesinden oluşan bir topluluk akla gelir. Fakat hiçbir zaman 1 mol hidrojen ve 1 mol oksijen ağırlığının eşit olduğu düşünülmez. Bunu şekilsel olarak gösterelim; 1 mol içindeki 6,02x ,02x10 23 atom sayısı hidrojen atomu oksijen atomu 1 mol atomun 1,008 gram 16,0 gram kütlesi Yani; 1 mol hidrojen atomu 1 mol oksijen atomu

71 Çizelge 4.8 Bazı atom, molekül ve iyonun 1 molünün tanecik sayısı Birim Bir molü tanecik İsim Formül yaklaşık yaklaşık 1 molünde bulunan ağırlığı ağırlığı (g) tanecik sayısı akb Azot atomu N ,02x10 23 N atom Azot molekülü N ,02x10 23 N 2 molekülü 2(6,02x10 23 ) N atomu Gümüş Ag ,02x10 23 Ag atomu Gümüş iyonu Ag * 108 6,02x10 23 Ag+ iyon Baryum klorür BaCl ,02x10 23 BaCl 2 birimi 6,02x10 23 Ba +2 iyonu 2(6,02x10 23 ) Cl - iyonu (*) Elektron ağırlığı ihmal edilebilir; böylece iyon ve atom ağırlığı eşit alınabilir. Formül ve atom ağırlıkları yaklaşık olarak en yakın tam sayı ile ifade edilmiştir. Örnek 4.7 C 6 H 12 6 (Glukoz)'un 1 molünde kaç karbon atomu vardır? Çözüm Mol içinde 6,02x10 23 C 6 H 12 6 molekül vardır. Her molekül 6C atomu içerdiğine göre 6(6,02x10 23 ) C atomu içerir. C Atom sayısı= (1 mol C6H12 6 ) x 6,02 x molekül 1 mol x 6 C atomu 1 molekül = 3,61 x Örnek 4.8 5,23 Gram C 6 H 12 6 içinde kaç tane glukoz molekülü vardır. Çözüm 4.8 C 6 H 12 6 = (5,23 g C 6 H 12 6 ) 1 mol C 6 H g C 6 H ,02x10 23 C 6 H 12 6 molekül 1 mol C 6 H 12 6 = 1,75 x molekül C 6 H

72 Örnek x Tane C 6 H 12 6 molekülünün ağırlığı nedir? Çözüm 4.9 Gram C 6 H 12 6 = (1x10 23 molekül) x 1 mol 6,02 x molekül 180 gram 1 mol = 29,9 gram Örnek Tek bir C 6 H 12 6 molekülünün ağırlığı nedir? Çözüm C 6 H 12 6 gram = (1 molekül) 1 mol 6,02x molekül 180 gram 1 mol = 29,9 x gram Özet Kimyasal bileşiklerin isimlendirilmesi belli kurallara dayanır. İki atomlu kovalent bileşiklerde elektronegativitesi düşük olan atom önce yazılır ve atom isminde bir değişiklik olmadan alınır. Daha yüksek elektronegativiteye sahip atomunun kök ismine -it veya -ür soneki verilir. Bileşikte birden fazla aynı atomdan varsa, o atomun sayısı karşılığı olan latin rakamı önek olarak o atomun önüne yazılır. İki atomlu iyonik bileşiklerde, katyonlar önce yazılır ve daha sonra anyonlar yazılır. Katyonlarda atom ismi değişmeden alınır, anyonlar ise atomunun kök ismine -it veya -ür soneki verilerek yazılır. Birden fazla değerliğe sahip katyonların yaptığı bileşik isimlerinin karışmaması için romen rakamı ile katyon isminden sonra değerliği belirtilir. Çok atomlu iyonların isimlendirilmesi, iyonda bulunan oksijen veya hidrojen sayısına göre önek alarak yapılırlar. Anorganik asitler en basit bir şekilde, "hidrojen iyonu verebilen bileşikler" olarak tarif edilirler. Asit tek anyon taşıyorsa, başına hidro-öneki ve sonuna -ik asit getirilerek yapılır

73 İkinci olarak da iki atomlu iyonik bileşikler gibi isimlendirilir. Anyon çok atomlu ise, çok oksijen içerenler -ik asit, az oksijen içerenler de -öz asit şeklinde isimlendirilirler.mol, bir maddenin Avagadro sayısı kadar taneciğin biraraya gelmesiyle oluşturduğu birim olarak tarif edilir. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki isimlendirmelerden hangisi yanlıştır? A) C 2 karbon dioksit B) N 2 azot dioksit - C) N 3 azot trioksit D) CCl 4 karbontetraklorür E) S 3 kükürt trioksit 2. P 2 5 bileşiğinin doğru isimlendirilmesi aşağıdakilerden hangisidir? A) pentafosfor oksit B) difosfor pentaoksit C) fosfor oksit D)difosfor oksit E) pentafosfor dioksit 3. Aşağıdaki isimlendirmelerden hangisi yanlıştır? A) SnF 2 kalay (II) florür B) SnF 4 kalay (IV) florür C) Hg 2 civa (I) oksit D) Hg civa (II) oksit E) CuBr 2 bakır (I) bromür 4. Aşağıdakilerden hangisi iyonik bileşik değildir? A) NaI B) CuS C) SnCl 4 D) CCI 4 E) FeI 3 5. Aşağıdaki çok atomlu iyonlardan hangisinin isimlendirilmesi yanlıştır? - - A) Cl 4 klorat iyonu B) Cl 2 klorit iyonu C) sülfat iyonu D) nitrat iyonu E) peroksit iyonu N S

74 6. Aşağıdakilerden hangisi çok atomlu iyonlardan oluşmuş bileşiktir? A) (NH 4 ) 2 C 3 B) KMn 4 C) Al 2 (S 4 ) 3 D) Mg(C 2 H 3 2 ) 2 E) Na Aşağıdaki asitlerin isimlendirilmesinde hangisi hidro öneki alır. A) HCl B) HN 3 C) HN 2 D) H 2 P 4 E) H 2 S 3 8. (NH 4 ) 2 C 3 bileşiğinin formül ağırlığı aşağıdakilerden hangisine eşittir. A) 96 akb B) 104 akb C) 98 akb D) 102 akb E) 106 akb 9. 0,650 Mol S 3 kaç tane S 3 molekülü içerir? A) 2,4x10 23 molekül S 3 B) 3,01x10 23 molekül S 3 C) 6,02x10 23 molekül S 3 D) 4, molekül S 3 E) 3,91x10 23 molekül S

75 ÜNİTE 5 Kimyasal Reaksiyonlar ve Hesaplamalar Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Kimyasal reaksiyonları kavrayarak, kimyasal denklemleri yazabilecek, Kimyasal denklemleri denkleştirebilecek ve denkleştirilmiş denklemleri yorumlayabilecek, Kimyasal denklemlere dayanan hesaplamaları öğrenerek stokiyometri problemlerini çözebileceksiniz. İçindekiler Giriş Kimyasal Reaksiyonlar Kimyasal Denklemlerin Yazılması, Denkleştirilmesi ve Yorumu Kimyasal Denklemlere Dayanan Hesaplamalar Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çalışmaya başlamadan önce Ünite 1 ve Ünite 2 'deki bilgilerinizi gözden geçiriniz. Bu üniteyi çalışırken verilen örnekleri dikkatlice inceleyiniz ve ünitede verilen soruları mutlaka çözünüz. Soruların çözümü için gerekli atom ağırlığı değerlerini kitabın arkasındaki Ek 1'den bulabilirsiniz.

76 1.GİRİŞ Birinci ünitede kimyayı maddenin bileşimini, yapısını, özelliklerini ve değişimini inceleyen bir bilim dalıdır şeklinde tanımlamıştık. Bundan önceki ünitelerde tanımın ilk bölümünü gördük. Bu ünitede ise tanımın ikinci bölümü değişmeyi yani "kimyasal değişme süreci" olarak tanımlanabilen kimyasal reaksiyonları göreceğiz. Laboratuarda ve endüstride istenilen verimle çalışabilmek için reaksiyona giren maddeler arasındaki bağıntıları çok iyi bilmek gerekir. Bu ünitede kimyasal reaksiyonlar ve bileşimlerin nicel incelemesini konu alan kimyasal hesaplamalar (stokiyometri) üzerinde duracağız. 2. KİMYASAL REAKSİYNLAR Bir kimyasal reaksiyon, "kimyasal değişme süreci" olarak tanımlanabilir. Kimyasal değişmeler, maddenin özelliklerinin ve bileşiminin değişmesine neden olan değişmelerdir. Örneğin demir tozu (Fe) üzerine, toz halindeki kükürt (S) oda sıcaklığında eklendiğinde mıknatıs mıknatıs Demir ve kükürtten oluşan karışım Demir ve kükürtten oluşan bileşik(demir II sülfür) Şekil 5.1 Demir ve kükürtün, karışım veya bileşik oluşturduğunda mıknatısla ayrılması bir Fe/S karışımı elde edilir. Bu karışımdan demir ve kükürtü özellikleri hiç değişmeden mıknatıs yardımıyla ayırmak mümkündür. Fakat karışım ısıtılırsa aynı işlem gerçekleştirilemez. Çünkü bir kimyasal değişme sonucu farklı özellikte demir II sülfür (FeS) bileşiği oluşmuştur. Artık demir ve kükürt arasında kimyasal bağlar oluştuğundan demiri kükürtlü karışımdan mıknatıs yardımıyla ayırmak mümkün değildir. Benzer şekilde odunun yanması demirin paslanması, yiyeceklerin sindirilmesi gibi pek çok başka olay kimyasal değişmeye örnek olarak verilebilir

77 Bilindiği gibi maddenin kimyasal özelliklerinin ve bileşiminin değişmeksizin gösterebileceği değişmelere "fiziksel değişmeler" denir. Örneğin maddenin kokusunda, renginde, yoğunluğunda veya halinde (gaz, sıvı veya katı) meydana gelen değişmeler birer fiziksel değişmedir. Her fiziksel değişme sonucunda kimyasal değişme beklenemez. Örnek olarak suyun kaynatılması olayını düşünelim. Kaynama sonucu buharın oluşumu fiziksel bir değişmedir. Bu olayda suyun kimyasal bileşimi aynı kaldığı için, kimyasal bir değişim söz konusu değildir. Öte yandan kimyasal değişimler genellikle fiziksel değişimleri de birlikte getirirler. Bir kimyasal değişme süreci olan kimyasal reaksiyon, "kimyasal bağların kırılması ve yeni bağların oluşumu" ile meydana gelir. Kimyasal reaksiyonlar atomların veya moleküllerin, bağları kırmaya ve yeni bağlar yapmaya yetecek enerji ile birbirleriyle etkileşimleri sonucunda oluşurlar. Bir kimyasal reaksiyon süresince atomlar kendi aralarında yeniden düzenlenerek yeni bileşimler meydana getirirler. Bir bileşik farklı kimyasal reaksiyonlarla elde edilebilir. Ancak bileşik hangi yoldan elde edilirse edilsin, o bileşiğin bileşimi her zaman aynıdır. Örneğin, su hangi şekilde elde edilirse edilsin, her zaman iki hidrojen atomu bir oksijen atomundan oluşmaktadır. 3. KİMYASAL DENKLEMLERİN YAZILMASI, DENKLEŞTİRİLMESİ VE YRUMU 3.1. Kimyasal Denklemlerin Yazılması Bir kimyasal denklem, reaksiyondaki maddelerin formülleri ile meydana gelen kimyasal değişmeyi özetler. Kimyasal denklemleri, kimyasal cümleler olarak düşünebiliriz. Ancak bu denklemler belirli kurallara göre yazılır. Örneğin demir ve kükürt reaksiyonu için denklem aşağıdaki şekilde yazılır. Fe + S Æ FeS Reaksiyona girenler (reaktantlar) Bu denklemi değişik şekillerde ifade edebiliriz: Ürün

78 veya veya "Demir artı kükürt demir (II) sülfürü verir." "Demir ile kükürt reaksiyona girerek demir (II) sülfürü oluşturur." "Demir (II) sülfürü oluşturmak üzere demir ve kükürt reaksiyona girerler." Başlangıç maddeleri, "reaksiyona girenler" veya "reaktantlar" olarak adlandırılırlar ve "ürün" olarak adlandırılan yeni maddelerden okla ayrlırılar. k (Æ ), reaktantlardan ürünlere doğru kimyasal değişme yönünü gösterir. Bazen çift ok ( ) geri dönüşümlü reaksiyonları, yani hem reaktantların hem de ürünlerin yönünde olabilen reaksiyonları ifade etmek üzere kullanılabilir (Bkz. Ünite 8, denge konusu). kun bir yanında birden fazla madde olduğunda aralarına (+) işareti konulur. Örnek denklemde Fe ve S 'ün arasına konduğu gibi. Bazen reaksiyonda oluşan ürünlerden biri fiziksel olarak diğerlerinden ayrılabilir. Bu durumu belirtmek üzere; ürün gaz olarak uzaklaşmakta ise, yukarı doğru ok, ürün bir katı olarak çöküyorsa, aşağı doğru ok Ø kullanılır. Örneğin sodyum klorür çözeltisinin, gümüş nitrat çözeltisiyle karıştırılması reaksiyonunu yazalım: NaCl + AgN 3 Æ AgCl Ø + NaN 3 Bu reaksiyon sonunda beyaz bir katı (yani AgCl Ø ) çöker. Bu reaksiyonu daha açık bir şekilde ifade etmeye çalışalım. Sodyum klorür çözeltisinde sodyum iyonları ve klorür iyonları; gümüş nitrat çözeltisinde ise gümüş iyonları ve nitrat iyonları vardır. İki çözelti karıştırıldığında oluşan reaksiyon sonucunda gümüş klorür çöker. Geride kalan çözeltide ise, sodyum iyonları ile nitrat iyonları başlangıçta oldukları gibi bulunurlar. Reaksiyonu şu şekilde yazabiliriz: Na + (suda) + Cl - (suda) + Ag + (suda) + N 3 - (suda) Æ AgCl (k) + Na + (suda) + N 3 - (suda) Burada iyonun çözelti içinde veya suda olduğunu belirtmek üzere iyonun yanına (suda) yazılmıştır. Bazen (suda) yerine (aq) kullanılır. Zira (aq) suda çözünmüş sulu anlamına gelen aqueous kelimesinin kısaltılmışıdır. Öte yandan (k) ise, maddenin katı halde olduğunu ifade eder. Madde gaz halinde ise (g), sıvı halde ise (s) harfleri kullanılır. Semboller üzerindeki çapraz çizgiler reaksiyon sırasında değişmeyen iyonları silmek içindir. Bu durumda net reaksiyonu ifade etmek üzere,

79 Ag + (suda) + Cl - (suda) Æ AgCl (k) denklemi yazılabilir.? C (k) + 2 (g) Æ C 2 (g) Denklemini bir cümle olarak ifade ediniz? Yanıt: Katı karbon oksijen gazı ile reaksiyona girerek karbon dioksit gazını verir. Çoğu kez reaksiyon şartları ok üzerinde ifade edilebilir: Reaksiyon oluşumu için gerekli sıcaklık ok üzerine yazılabilir C Örnek: CaC 3 Ca + C 2 Bu denklem, kalsiyum karbonatı kalsiyum oksit ve karbon dioksite dönüştürmek için 1000 C sıcaklığın gerekli olduğunu ifade eder. Belirli olmayan bir sıcaklık ifade edilmek istenirse, okun üzerine (delta) işareti konulur. Örnek: Fe + S FeS Denklem bu şekliyle demir ile kükürtün ısıtılarak demir (II) sülfürü verdiğini ifade eder. Reaksiyonda katalizör kullanılmışsa, okun üzerine "katalizör " sözcüğü veya katalizörün formülü yazılır. katalizör Örnek: 2 C + 2 2C 2 Bu denklem, karbon monoksitin karbon dioksite dönüşümünün katalizörle hızlandırılarak gerçekleştiğini belirtir. (Katalizörler konusu Ünite 7 'de daha ayrıntılı olarak işlenecektir).? H 2 C 3 H 2 + C 2 denklemini bir cümle olarak ifade ediniz. Yanıt: Karbonik asit ısıtılmasıyla su ve karbon dioksit oluşur, ve ürünlerden karbon dioksit gaz olarak ortamdan uzaklaşmıştır

80 ? Bir kimyasal reaksiyon ifadesinin anlamlı olabilmesi için hangi koşullar gereklidir? Öncelikle denklem deneysel olayla uyumlu olmalıdır. Yani reaksiyona giren maddelerin ve ürünlerin neler olduğu bilinmeli ve bunların doğru formülleri yazılmalıdır. Kütlenin Korunumu Yasası ile uyuşmalıdır. Her bir elementin toplam sayısı reaksiyondan önce ve sonra değişmemelidir. Yani denklem elementlerin korunumu ilkesine uymalıdır. Kimyasal denklem elektrik yüklerinin korunumu ilkesine uymalıdır. Buradaki son üç koşul denklemin denkleştirilmiş olması ile ilgilidir. Şimdi kimyasal denklemlerin denkleştirilmesini görelim Kimyasal Denklemlerin Denkleştirilmesi Her kimyasal denklem denkleştirilmelidir. Reaksiyona giren ve çıkan atom sayılarının, reaktantların veya ürünlerin önüne katsayı denen çarpanlar yazılarak eşitlenmesi "denkleştirme" işlemidir. Bu işlem yapılırken asla formül değiştirilmez. Genellikle basit reaksiyonlar için denetleme (deneme-yanılma) yolu kullanılır. Bu yöntemde; Denkleştirmede kullanılacak katsayılara ilişkin bir açıklama yoksa, formüllerin önüne yazılacak katsayıların kesirli olmamasına ve küçük katsayı serilerinin kullanılmasına dikkat edilmelidir. Bir reaktantın veya ürünün önündeki katsayı denkliği bozuyorsa bu taktirde denkliği bozulmuş olan atom veya grubun uygun bir katsayı ile çarpımı ile denkleştirme yapılır. Bu işlem atomların tümünün sayısı denkleşinceye kadar sürdürülür. Örnek 5.1 Katı sodyum ile klor gazı arasındaki reaksiyondan katı sodyum klorür meydana gelir. Klor gazının iki atomlu olduğunu göz önüne alarak bu reaksiyona ilişkin denklemi denkleştiriniz. Çözüm 5.1 Öncelikle kimyasal denklem aşağıdaki gibi yazılır. Na (k) + Cl 2 (g) Æ NaCl (k)

81 Bu denklemi denkleştirirken reaktant tarafında 2 klor atomu, ürün tarafında ise 1 klor atomu bulunduğuna dikkat etmek gerekir. NaCl formülündeki Cl'ün altındaki sayı (bu sayı 1) değiştirilmez, aksi halde farklı bir bileşik formülü yazılmış olur. Formül asla değiştirilmez, ancak katsayı değiştirilebilir. Bu durumda NaCl 'ün önüne 2 yazılması gerekir. Na (k) + Cl 2 (g) Æ 2NaCl (k) Ancak bu durumda da ürünler tarafında 2 tane sodyum atomu olurken reaktantlar tara-fında 1 tane sodyum atomu vardır. halde sodyumun önüne de 2 katsayısı yazılmalıdır. 2Na (k) + Cl 2 (g) Æ 2NaCl (k) Denklem artık denetleme yoluyla denkleştirilmiştir. Örnek 5.2 H Æ H 2 Denklemini denkleştirerek; a) her elementin reaktant ve ürün tarafındaki atom sayısının eşit olduğunu b) reaktantların toplam kütlesinin, ürünlerin toplam kütlesine eşit olduğunu görsel olarak ifade ediniz. Çözüm 5.2 Önce denklemin denkleşmemiş halini sonra denkleşmiş halini terazinin kefelerine atomları yerleştirerek görselleştirelim. H H 0 0 H H 0 H H H H H H 0 0 H H 0 0 H H 0 2 Denkleşmemiş hal 2 H H 0 Denkleşmiş hal 2 Denge sağlanamamış ve her atomun sayısı terazinin iki kefesinde farklı: Soldaki kefede; 2 H atomu 2 0 atomu, sağdaki kefede; 2 H atomu 1 atomu bulunmaktadır. Denge sağlanmış ve her atomun sayısı terazinin iki kefesinde de aynı: Soldaki kefede; 4 H atomu ve 2 atomu, sağdaki kefede; 4 H ve 2 atomu bulunmaktadır. Bir denklemin tüm katsayılarını aynı sayı ile çarpmak ya da bölmek denkliği bozmaz

82 ? NH 3 (g) + 2 (g) Æ H 2 (g) + N (g) Denklemini denkleştiriniz. Yanıt: 2NH 3 (g) + 5/2 2 (g) Æ 3H 2 (g) + 2N(g) veya 4NH 3 (g) (g) Æ 6H 2 (g) + 4N(g) Bu çözümdeki iki denklem aynı reaksiyonu gösterir. Katsayıların tam sayı olması kimyasal hesaplamalarda kolaylık sağlar. Eğer tüm formüllerin katsayılarının tam sayı olmasını istiyorsak yukarıdaki örnekte olduğu gibi katsayıları uygun sayı ile çarparız Denkleştirilmiş Denklemlerin Yorumu Denkleştirilmiş bir denklem, kimyasal reaksiyonun hem atom ölçeğinde hem de laboratuar ölçeğinde faydalı bir özetini verir. Örneğin atom ölçeğinde, Fe C Æ 2 Fe + 3C 1 Formül-birimi 3 Karbon Æ 2 Demir 3 Karbon monoksit demir (III) oksit atomu atomu molekülü reaksiyona girince oluşur şeklinde ifade edilebilir. Denklemi, Avogadro sayısı ile çarparak atom ölçeğinden daha kullanışlı olan laboratuar ölçeğine çevirebiliriz. Avogadro sayısı kadar formül-birimi, atom veya molekül "1 mol" olduğuna göre, bileşiklerin formül ağırlıklarından faydalanarak denklemi; Fe C Æ 2 Fe + 3C "1 Mol Fe 2 3 ile 3Mol C reaksiyona girerek 2 Mol Fe ile 3 Mol C oluştururlar" veya "160 g Fe 2 3 ile 3 x 12 = 36 g C reaksiyona girerek, 2 x 56 = 112 g Fe ile 3 x 28 = 84 g C oluştururlar" şeklinde ifade edebiliriz. Denklemin reaktantlar tarafındaki toplam kütlesi; = 196 g, ürünler tarafındaki toplam kütlesinin ise; = 196 g olduğu görülmekte ve beklendiği gibi kütle korunmaktadır. Reaktantların ve ürünlerin gaz halinde olduğu reaksiyonlar hacim ile ifade edilebilir. Örneğin amonyak eldesi reaksiyonunu,

83 N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) 1 Hacim azot 3 Hacim Reaksiyona 2 Hacim gazı hidrojen gazı girerek amonyak gazı oluşturur şeklinde ifade edebiliriz. Çünkü aynı sıcaklık ve basınçtaki yani aynı koşullardaki gazların mol sayıları hacimleri ile doğru orantılı olarak değişir. Ancak bu konu Ünite 6 'da gazlar konusunda daha ayrıntılı olarak görülecektir. Denkleştirilmiş bir denklemin katsayıları arasındaki oran, reaktantların ve ürünlerin atom veya molekül sayıları arasındaki oranı mol sayıları arasındaki oranı gazların aynı koşullardaki hacim oranını doğrudan gösterir. Denkleştirilmiş bir kimyasal denklem artık kimyasal reaksiyonlardaki ağırlık bağıntılarıyla ilgili problemlerin çözümünde kullanılabilir. Şimdi bu tür hesapları görelim. 4. KİMYASAL DENKLEMLERE DAYANAN HESAPLAMALAR Bu bölümde stokiyometriyi tanımlayarak, verilen maddenin mol sayısı ile istenen maddenin mol sayısı arasında denkleştirilmiş denkleme göre ilişki kurarak istenen maddenin mol sayısını hesaplayacağız. Bulunan mol sayısını kütleye dönüştürerek kütle problemlerini çözeceğiz. Ayrıca Avogadro sayısını kullanarak stokiyometri problemlerini, sınırlayıcı reaktif içeren problemleri ve reaksiyon verimini hesaplamayı göreceğiz. 4.1 Stokiyometri Stokiyometri, element ölçme anlamına gelen Yunanca, stocheion (element) ve metron (ölçme) kelimelerinden oluşmuştur. Stokiyometri, bir kimyasal reaksiyonda yer alan element veya bileşiklerin niceliklerinin hesaplanması ve ağırlık bağıntılarıyla ilgilidir. Kimyasal değişmelerde harcanan veya oluşan madde miktarları, kimyasal formülleri nicel olarak anlamlandıran atom kütlelerinden yararlanılarak hesaplanır. Bir kimyasal reaksiyondaki nicelikler arasındaki ilişkilerin hesaplanmasını içeren hesaplamalara "stokiyometrik hesaplamalar" denir. Bu tür hesaplamalarda reaksiyonun belirtilen yönde tam olarak yürüdüğünü yani reaktantların tümünün ürüne dönüştüğünü varsayacağız. Bilindiği gi

84 bi denkleştirilmiş bir denklemin katsayıları, reaktantların ve ürünlerin mol sayısı buna bağlı olarak kütleleriyle ilgidir. Şimdi bu kavramları örnekler üzerinde pekiştirelim. Örnek 5.3 Amonyak oluşumuna ilişkin reaksiyonu mol ve kütle terimleriyle ifade ediniz. Çözüm 5.3 Reaksiyon denklemini yazarak; N 2 (g) + 3 H 2 (g) Æ 2 NH 3 (g) "1 mol azot ve 3 mol hidrojen, 2 mol amonyak vermek üzere reaksiyona girerler" veya "28 g azot ve 6 g hidrojen, 34 g amonyak vermek üzere reaksiyona girerler" şeklinde ifade edebiliriz. Buradaki gram miktarlarını açıklamak üzere, 1molN 2 x 28g N 2 1molN 2 = 28g N 2, 3 mol H 2 x 2g H 2 1molH 2 =6gH 2, 2 mol NH 3 x 17g NH 3 1molNH 3 = 34g NH 3 yazabiliriz. Burada ayrıca, reaktantların toplam kütlesinin, ürünlerin toplam kütlesine eşit olduğunu görebiliriz: Reaktantların toplam kütlesi = Ürünün kütlesi 28 g + 6 g = 34 g Problemden probleme kullanılan azot ve hidrojenin gram miktarı farklılık gösterebilir, fakat reaksiyonda yer alan bağıl miktarlar tam olarak her zaman aynı kalır. Diğer bir deyişle kaç mol azot reaksiyona girerse, her zaman 3 katı mol hidrojen harcanarak 2 katı mol amonyak üretilir. Stokiyometrik hesaplamaların hepsi reaktantlar ve ürünlerin mol sayıları arasındaki bağıntıya dayanır. Bu bağıntılar denkleştirilmiş denklemin kat sayılarından çıkarıldığından denklemin doğru bir şekilde denkleştirilmiş olması oldukça önemlidir Mol - Mol Problemleri Stokiyometri problemlerinin en basit tipi, reaksiyonda yer alan bir maddenin mol sayısı ile istenen maddenin mol sayısını bulmayı içerir. Söz konusu iki maddenin her ikisi birden reaktant veya ürün olabildiği gibi biri reaktant diğeri ürün de olabilir

85 Bu tür mol-mol problemlerini çözmek için, bağıl mol sayılarına dayanan bir dönüşüm faktörüne gereksinim vardır. Bu dönüşüm faktörünü denkleştirilmiş denklemin katsayıla-rından elde edebiliriz. Örnek 5.4 N H 2 Æ 2 NH 3 Reaksiyonu için dönüşüm faktörlerini yazınız. Çözüm 5.4 1molN 2 3molH 2 veya 3molH 2 1molN 2 ; 1molN 2 2molNH 3 veya 2molNH 3 1molN 2 ; 3molH 2 2molNH 3 veya 2molNH 3 3molH 2 Mol dönüşüm faktörü reaksiyondaki iki maddenin mol sayıları ile ilgili bir kesir olup, "mol oranı" olarak da adlandırılır. Problemde hangi mol oranının kullanılacağı, problemde bulunmak istenene göre belirlenir. Örnek 5.5 Örnek 5.4.'e bağlı olarak 50 mol azot ile yeteri kadar hidrojenin reaksiyona girmesiyle oluşan amonyağın mol sayısını bulunuz. Çözüm 5.5 Önce problemi özetleyelim: Bilinmeyen Verilen Bağıntı NH 3 mol sayısı 50 mol N 2 1molN 2 2molNH 3 veya 2molNH 3 1molN 2 Burada doğal olarak amonyak mol sayısının, azot mol sayısına oranı ile ilgili olan dönüşüm faktörünü seçmemiz gerekir. Problemi dönüşüm faktörünü kullanarak çözelim. Burada dönüşüm faktörünün N 2 mol'leri birbirini götürecek, NH 3 molü'nü verecek şekilde seçildiğine dikkat ediniz. NH 3 mol sayısı = 50 moln 2 x 2 mol NH 3 1 mol N 2 = 100 mol NH 3? 0,10 mol NH3 elde etmek için yeteri kadar azotla reaksiyona giren hidrojenin mol sayısını hesaplayınız. Yanıt: 0,15 mol H2-75 -

86 Örnek 5.6 Sudaki fosfat iyonları, kalsiyum hidroksit ile uzaklaştırılır. 120 Mol sodyum fosfatı uzaklaştırmak için kaç mol kalsiyum hidroksite gereksinim vardır? Çözüm 5.6 Öncelikle denkleştirilmiş denklemi yazarak problemi özetleyelim: 2Na 3 P 4 (suda) + 3Ca(H) 2 (k) Æ Ca 3 (P 4 ) 2 (k) + 6 NaH (suda) Bilinmeyen Verilen Bağıntı Ca(H) 2 'in 120 mol mol sayısı Na 3 P 4 2molNa 3 P 4 3molCa(H) 2 veya 3molCa(H) 2 2molNa 3 P 4 Ca(H) 2 'in mol sayısı = 120 mol Na 3 P 4 x 3 mol Ca(H) 2 2 mol Na 3 P 4 = 180 mol 4.3. Mol - Kütle Problemleri Bu tip problemler, verilen bir maddenin mol sayısı ile istenen maddenin kütlesini bulmayı içerir. Bu tür hesaplamalarda, mol oranı ve molü grama çevirme faktörü olmak üzere iki dönüşüm faktörü kullanılır. Örnek 5.7 Yeteri kadar azot kullanılarak 30 mol hidrojenden kaç gram amonyak elde edileceğini hesaplayınız. Çözüm 5.7 Reaksiyon denklemini yazarak problemi özetleyelim: N H 2 Æ 2 NH 3 Bilinmeyen Verilen Bağıntı NH 3 gram 30 mol 2molNH 3 veya 3molH 2 miktarı hidrojen 3molH 2 2molNH 3 1molNH 3 17,0 g NH 3 veya 17,0 g NH 3 1molNH 3 NH 3 gram miktarı = 30 molh 2 x 2 mol NH 3 3 mol H 2 x 17,0 g NH 3 1 mol NH 3 = 340 g 2molNH Burada ilk dönüşüm faktörü 3 oranı, 30 mol H 2 'i, karşılık gelen NH 3 mol 3molH 2 sayısına çevirir. İkinci dönüşüm faktörü ise NH 3 'ın mol kütlesini, amonyak mol sayısına dönüştürerek karşılık gelen kütleyi gram cinsinden verir. Özet olarak,

87 dönüşümü sağlanır. H 2 mol sayısı Æ NH 3 mol sayısı Æ NH 3 gram miktarı Mol-kütle probleminin tersi kütle-mol problemleri de aynı şekilde çözülür. Bu tip problemlerde maddenin kütlesi g cinsinden verilerek, reaksiyondaki diğer maddenin mol sayısı bulunmak istenir. Örnek 5.8 Yeteri kadar hidrojen kullanarak 68 g amonyak elde etmek için kaç mol azot gerektiğini hesaplayınız. Çözüm 5.8 Problemi özetleyerek azot mol sayısı hesaplayalım. Bilinmeyen Verilen Bağıntı N 2 mol sayısı 68 g NH 3 2molNH 3 1molN 2 veya 1molN 2 2molNH 3 17,0 g NH 3 1molNH 3 veya 1molNH 3 17,0 g NH 3 N 2 'un mol sayısı = 68 g NH 3 x 1molNH 3 17,0 g NH 3 x 1molN 2 2molNH 3 = 2mol Burada ilk dönüşüm faktörü, amonyak gram miktarını mol sayısına çevirir. İkinci faktör ise amonyak mol sayısını azot mol sayısına çevirir. Kısaca NH 3 'ın gram miktarı Æ NH 3 'ın mol sayısı Æ N 2 'un mol sayısı dönüşümü sağlanır.? Aşağıdaki reaksiyonu gözönünde bulundurarak, 30 mol sodyum klorürden kaç gram sodyum sülfat elde edilebilir? 4NaCl (k) + 2S 2 (g) + 2H 2 (s) + 2 (g) Æ 2Na 2 S 4 (suda) + 4HCl (suda) Yanıt: 2130 g Na 2 S Kütle - Kütle Problemleri Çoğu stokiyometri problemleri kütle-kütle dönüşümlerini içerir. Bu tür problemlerde reaksiyondaki bir maddenin kütlesi verilerek, diğer maddenin kütlesinin bulunması istenir

88 Kütle - kütle problemleri ile çok sık karşılaşılmasının nedeni; bir reaktant veya ürün miktarının genellikle kütlesinin ölçümü ile belirlenmesidir. (Gazlar hariç, gazların genellikle hacmini ölçmek daha uygun olur. Bu tip problemler Ünite 6 'da görülecektir.) Kütle - kütle problemlerini çözmek için üç dönüşüm faktörü kullanılır. Sadece iki maddenin mol sayısını bulmak yeterli olmayıp, her iki maddenin mol sayısının da grama çevrilmesi gerekir. Örnek 5.9 Yeteri kadar hidrojen kullanarak 280 g N 2 'dan kaç gram NH 3 elde edileceğini hesaplayınız. Çözüm 5.9 N 2 + 3H 2 Æ 2 NH 3 Reaksiyonuna göre problemimizi özetleyelim: Bilinmeyen Verilen NH 3 gram 280 g N 2 miktarı Bağıntı 1molN 2 2molNH 3 veya 2molNH 3 1molN 2 ; 1molN 2 28,0 g N 2 veya 28,0 g N 2 1molN 2 ; 1molNH 3 17,0 g NH 3 veya 17,0 g NH 3 1molNH 3 NH 3 gram miktarı = 280 gn 2 x 1 mol N 2 28,0 g N 2 x 2 mol NH 3 1 mol N 2 x 17,0 g NH 3 1 mol NH 3 = 340 g Burada birinci dönüşüm faktörü N 2 gram miktarını, N 2 mol sayısına, ikinci dönüşüm faktörü N 2 mol sayısını, NH 3 mol sayısına, üçüncü dönüşüm faktörü ise NH 3 mol sayısını, g cinsinden kütleye çevirir. Özet olarak, N 2 'un gram miktarı Æ N 2 'un mol sayısı Æ NH 3 'ın mol sayısı Æ NH 3 gram miktarı dönüşümü sağlanır. Yukarıdaki örnek bir reaktant ve bir ürün arasındaki bağıntıya dayalı idi. Benzer şekilde kütle-kütle problemleri iki reaktantı veya iki ürünü de içerebilir.? 2KN 3 (k) + 4C (k) Æ K 2 C 3 (k) + 3C (g) + N 2 (g) Reaksiyonuna göre, 7,25 g karbon ile reaksiyona girecek kaç gram potasyum nitrat gereklidir? Yanıt: 30,5 g KN

89 4. 5. Avogadro Sayısını İçeren Problemler Bir nicelik, parçacık sayısı (atom, molekül veya formül birimi) ile ifade edilmek istenildiğinde, stokiyometri problemlerinde Avogadro sayısı kullanımını gerektirir. Bu tip problemler kütle-kütle problemlerine benzer, ancak mol ve gram arasındaki dönüşüm yerine, mol ve parçacık sayısı dönüşümü yapılır. Örnek 5.10 N 2 + 3H 2 Æ 2 NH 3 Reaksiyonuna göre, 20 g hidrojenden yeteri kadar azotla oluşacak amonyak molekülünün sayısını hesaplayınız. Çözüm 5.10 Bilinmeyen Verilen Bağıntı NH 3 molekül 20 g H 2 sayısı 1molH 2 2,02 g H 2 veya 2,02 g H 2 1molH 2 ; 3molH 2 2molNH 3 veya 2molNH 3 3molH 2 1molNH 3 6,02 x molekül NH 3 veya 23 6,02 x 10 molekül NH3 1molNH 3 NH 3 molekül sayısı =20gH 2 x 1molH 2 2,02 g H 2 x 2molNH 3 3molH 2 x =3,97x10 24 molekül 23 6,02 x 10 molekül NH3 1molNH 3 Örnek ,01 x molekül amonyak oluşturmak için yeteri kadar hidrojen ile reaksiyona giren azot kütlesini hesaplayınız. Çözüm 5.11 Bilinmeyen Verilen Bağıntı N 2 gram 3,01 x molN 2 veya 2molNH 3 2molNH miktarı molekül NH 3 NH 3 molekülü 3 1molN molNH 3 6,02 x 10 molekül NH3 veya 6,02 x molekül NH 1molNH 3 3 1molN 2 28,0 g N 2 veya 28,0 g N 2 1molN 2 N 2 gram miktarı =3,01x10 24 molekül NH 3 x =70g 1molNH 3 x 1molN 2 x 28,0 g N 2 6,02 x molekül NH 2molNH 3 1molN

90 Burada, birinci faktör amonyak molekül sayısını, amonyak mol sayısına, ikinci faktör amonyak mol sayısını, azot mol sayısına, üçüncü faktör azot mol sayısını, azot gram miktarına çevirir. Kısaca, NH 3 molekül sayısı Æ NH 3 mol sayısı Æ N 2 mol sayısı Æ N 2 gram miktarı dönüşümü sağlanır. 2Na 2 S (suda) + Na 2 C 3 (suda) + 4S 2 (g) Æ 3Na 2 S 2 3 (suda) + C 2 (g)? Yukarıdaki reaksiyona göre 2,00 x formül birimi sodyum karbonattan kaç gram sodyum tiyosülfat elde edilebilir? Yanıt: 15,75 g Na 2 S Sınırlayıcı Reaktif Problemleri Pek çok gerçek kimyasal reaksiyonun yer aldığı laboratuarda, endüstride veya doğada en azından bir reaktant fazla miktarda olup tamamı kullanılmadan kalır. Örneğin, karbonu kömür olarak açıkta yaktığımızı düşünelim. Karbonun hepsinin yanıp bitmesinden sonra havada hala oksijen bulunacaktır. Bu durumda oksijen reaktantı aşırı miktarda mevcuttur. C + 2 (havadan) Æ C 2 Sınırlayıcı reaktif Bu reaksiyon, karbonun tamamı harcandığında, ne kadar oksijenin bulunduğuna bağlı olmaksızın duracaktır. Burada karbon "sınırlayıcı madde" veya "sınırlayıcı reaktif" olarak adlandırılır. Sınırlayıcı reaktif, reaksiyonda ilk önce harcanan ve dolayısıyla reaksiyonun yürümesini engelleyen reaktiftir. Bir reaksiyonda, sınırlayıcı reaktifi bulmak için reaktantların kütlelerini mole çevirmek gerekir

91 Örnek ,0 g N 2 ve 2,5 g H 2, amonyak eldesi için reaksiyona sokulduğunda, sınırlayıcı reaktif hangisidir? Çözüm 5.12 Öncelikle verilen nicelikleri mole çevirelim: 15,0 g N 2 x 1 mol N 2 = 0,54 mol N 2 ; 2,5 g H 2 x 1 mol H 2 = 1,24 mol H 2 28,0 g N 2 2,02 g H 2 Sonra bu miktarları mol oranları ile kıyaslayalım. N H 2 Æ 2NH 3 ise mol oranı : 1 mol N 2 3 mol H 2 veya 3 mol H 2 1 mol N 2 Mol oranı; 1mol azot molekülü için, 3 mol hidrojen molekülü olduğunu gösterir. Dolayısıyla azotun hepsini kullanmak için, 0,54 mol N 2 x 3 mol H 2 1 mol N 2 = 1,62 mol H 2 olmalıdır. Fakat sadece 1,24 mol H 2 mevcuttur. halde H 2 'nin hepsi harcanacak, azotun tamamı reaksiyonuna girmeden kalacaktır. 1,24 mol H 2 x 1 mol N 2 3 mol H 2 = 0,41 mol N 2 0,54 mol N 2 bulunmakta fakat 0,41 mol N 2 gerekmektedir. Bu durumda hidrojen sınırlayıcı reaktiftir. Reaksiyona girmeden kalan N 2 mol sayısı 0,54-0,41 = 0,13 mol'dür. Kalan N 2 kütlesi : 0,13 mol N 2 x 28,0 g N 2 1 mol N 2 = 3,64 g N 2? 2PuF 3 (k) + 3Ca (k) Æ 2Pu (k) + 3CaF 2 (k) Reaksiyonunu gözönüne alarak, 15,1 g plutonyum florür 12,5 g kalsiyum ile reaksiyona girdiğinde sınırlayıcı reaktifin reaktantlarda hangisi olduğunu bulunuz. Yanıt: PuF3 sınırlayıcı reaktiftir Yüzde Verim Bir stokiyometri probleminde teorik olarak hesaplanan ürün miktarı, gerçekte elde edilen miktar ile genellikle aynı değildir. Çünkü, reaksiyon sırasında yan ürünler oluşabilir veya reaksiyon tamamlanmayabilir veya ürünün bir miktarı deneysel koşullara bağlı olarak kaybolabilir. Bu faktörlerin hepsi sonuçta ürün miktarında azalmaya neden olur

92 Bir reaksiyon sonunda elde edilen ürün saflaştırıldıktan sonra tartılır, bu nicelik reaksiyonun gerçek verimidir. Teorik verim ise hesaplama ile bulunan miktardır. Bir reaksiyonun teorik verimi, reaksiyon ürünlerinin en yüksek, yani % 100 verimle ve denklemden beklenildiği miktarda olmasına karşılık gelir. Gerçek verimle, teorik verim oranı yüzde olarak ifade edilirse, "yüzde verim" olarak adlandırılır. % verim = gerçek verim (g) teorik verim (g) x 100 Örnek Bir reaksiyonda hesaplanan teorik verim 9,0 g'dır. Ancak elde edilen ürün ise 7,2 g'dır. Buna göre % verim nedir? Çözüm % verim = 7,2 g 9,0 g x 100 = % 80? 2Pb (N 3 ) 2 (k) Æ 2Pb(k) + 4N 2 (g) + 2 (g) Yukarıdaki reaksiyonu göz önüne alarak, 200 g kurşun nitrat ısıtıldığında 120 g kurşun oksit elde edilmişse, bu deneyin yüzde verimini hesaplayınız? Yanıt: % 88,9 Özet Kimyasal değişme, maddenin özelliklerinin ve bileşimin değişmesine neden olan bir değişme olup, yeni bir maddenin oluşumu sonucunu verir. Bir kimyasal reaksiyon, bazı kimyasal bağların kırıldığı ve yeni bağların oluştuğu bir kimyasal değişme sürecidir. Reaksiyonlar, atomların veya moleküllerin uygun şekilde çarpışması ve atomların yeniden düzenlenerek yeni bileşikler vermesiyle gerçekleşir. Bir kimyasal denklem, reaksiyondaki maddelerin formülleri ile meydana gelen kimyasal değişmeyi özetler. Kimyasal denklemde, başlangıç maddeleri yani reaktantlar ürün olarak adlandırılan yeni maddelerden bir ok ile ayrılır. Bu ok kimyasal değişmenin yönünü belirtir

93 Denkleştirme, reaktantların veya ürünlerin önüne uygun katsayı denen çarpanlar konularak yapılır. Denkleştirilmiş bir denklemde her çeşit elementin atom sayısı denklemin her iki yanında aynıdır. Denkleştirilmiş denklem, bir kimyasal reaksiyon için faydalı bir özet sağlar. Sadece hangi elementlerin veya bileşiklerin kullanıldığını ve oluştuğunu ifade etmekle kalmayıp, aynı zamanda bağıl miktarları da gösterir. Denklemler atom, molekül, formül birimi veya mol sayısı terimleri ile yorumlanabilir. Stokiyometri terimi, bir kimyasal reaksiyonda yer alan element veya bileşiklerin niceliklerinin hesaplanmasını ifade eder. Bu hesaplamalar, reaktantların ve ürünlerin mol sayıları terimi ile kimyasal denklemin yorumuna dayandırılır ve stokiyometrik hesaplamalar adını alır. Stokiyometri problemlerinin en basit tipi mol-mol dönüşümüdür. Verilen bir maddenin mol sayısına göre reaksiyonda istenen maddenin mol sayısını bulmayı içerir. Mol-kütle problemleri ise verilen bir maddenin mol sayısına göre istenen maddenin kütlesini bulmayı içerir. Çoğu stokiyometri problemleri kütle-kütle dönüşümlerini içerir. Bir kütle-kütle probleminde reaksiyonda verilen maddenin kütlesi ile istenen maddenin kütlesinin bulunması amaçlanır. Bazı stokiyometri problemleri, nicelikleri parçacık sayısı ile ifade etmek için Avogadro sayısının kullanımını gerektirir. Bu tür problemler kütle-kütle problemlerine benzer ancak moller ve gramlar arasındaki dönüşüm yerine, moller ve parçacık sayıları arasındaki dönüşümler yapılır. Çoğu gerçek kimyasal reaksiyonlarda, bir reaktant reaksiyonun ne kadar gideceğini sınırlar. Bu reaktant sınırlayıcı reaktif olarak bilinir. Çünkü ilk önce bu reaktant harcanır. Stokiyometrik hesaplar bir reaksiyonda sınırlayıcı reaktife dayandırılır. Stokiyometri probleminde hesaplanan ürünün miktarı gerçekte reaksiyonda elde edilen miktarlarla aynı değildir. Bir reaksiyonun yüzde verimi, gerçek verimin teorik verime bölünüp 100 'le çarpılmasıyla bulunur

94 Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların doğru yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? A) Kimyasal reaksiyon "kimyasal değişme" süreci olarak tanımlanabilir. B) Kimyasal reaksiyonda kütlenin korunumu yasası geçerli değildir. C) Denkleştirilmiş kimyasal denklemde elementlerin korunumu sağlanır. D) Bir kimyasal denklemin tüm katsayılarını aynı sayı ile çarpmak denkliği bozmaz. E) Denkleştirme işleminde formül değiştirilmez. 2. Karbon + kükürt dioksit Æ karbon disülfür + karbon monoksit Reaksiyonu için aşağıdakilerden hangisi denkleştirilmiş denklemi ifade eder? A) K + C 2 Æ KS 2 + C B) 2C + S 2 Æ CS + C C) 5C + 2S 2 Æ CS 2 + 4C D) 5C + S 2 Æ CS 2 + C E) 2Cu + C 2 Æ CuS + Cu 3. xbacl 2 + yli 3 (P 4 ) Æ zba 3 (P 4 ) 2 + tlicl Reaksiyon denkleminin denkleştirilebilmesi için x, y, z ve t değerleri aşağıdakilerden hangisindeki gibi olmalıdır? x y z t A) B) C) D) E)

95 4. "Katı amonyum klorür ile kalsiyum hidroksit çözeltisi reaksiyona sokulduğunda amonyak gazı ve suda kalsiyum klorür ve sıvı su oluşturur." ifadesi için aşağıdakilerden hangisi denkleştirilmiş denklemi ifade eder? A) NH 4 Cl + Ca(H) 2 Æ NH CaCl 2 + H 2 B) 2NH 4 Cl (k) + Ca(H) 2 (suda) Æ 2NH 3 (g) + CaCl 2 (suda) + 2H 2 (s) C) 2NH 4 Cl (g) + Ca(H) 2 (k) Æ 2NH 3 (suda) + CaC 2 (g) + 2H 2 (g) D) NH 4 Cl 2 (k) + Ca(H) 2 (suda) Æ 2NH + 4 (suda) + CaCl 2 (suda) + H 2 (s) E) 2NH 4 Cl (s) + Ca(H) 2 (suda) Æ NH 3 (suda) + CaCl 2 (k) + H 2 (s) 5. Al 2 S 3 (k) + 6H 2 (s) Æ 2Al (H) 3 (k) + 3H 2 S (g) Reaksiyonuna göre 1,75 mol Al(H) 3 ile kaç mol H 2 S elde edilir? 9,3 mol H 2 ile reaksiyona girecek Al 2 S 3 mol sayısı nedir? A) 2,63 mol H 2 S, 1,55 mol Al 2 S 3 B) 1 mol H 2 S, 2 mol Al 2 S 3 C) 4,20 mol H 2 S, 1 mol Al 2 S 3 D) 2 mol H 2 S, 5 mol Al 2 S 3 E) 2,63 mol H 2 S, 3 mol Al 2 S 3 6. KCl 3 (k) + 3KN 2 (k) Æ 3KN 3 (k) + KCl (k) Reaksiyonuna göre 25,0 g KCl 3 'tan kaç mol KN 3 elde edilir? 10,1 mol KN 2 ile reaksiyona girecek KCl 3 'ın gram miktarı nedir? A) 2 mol KN 3, 200 g KCl 3 B) 1 mol KN 3, 100 g KCl 3 C) 0,612 mol KN 3, 413 g KCl 3 D) 0,612 mol KN 3, 214 g KCl 3 E) 0,200 mol KN 3, 413 g KCl 3 7. PbS (k) + 2Pb(k) Æ 3Pb (k) + S 2 (g) Reaksiyonuna göre, 625 g kurşun elde edilmişse, oluşan kükürt dioksit kaç gramdır? A) 64,4 g S 2 B) 32,0 g S 2 C) 128,0 g S 2 D) 10,0 g S 2 E) 23,0 g S

96 8. Mn (k) + 2H 2 (s) Æ Mn(H) 2 (k) + H 2 (g) Reaksiyonuna göre 12,5 g H 2 oluşmuşsa, kaç su molekülü reaksiyona girmiştir? A) 3,5 x molekül H 2 B) 7,45 x molekül H 2 C) 21,5 x molekül H 2 D) 6,02 x molekül H 2 E) 1,0 x molekül H FeCl 2 (k) + 2 (g) + 4 HCl (suda) Æ 4Fe Cl 3 (suda) + 2H 2 (s) Reaksiyonuna göre, 50,0 g FeCl 2 ile 21,0 g oksijen reaksiyona girdiğinde sınırlayıcı reaktif hangisidir? A) 2 B) HCl C) FeCl 2 D) FeCl 3 E) H Fe (N 3 ) 3 (suda) + 3Na 2 S (suda) Æ 2FeS (k) + S (k) + 6Na N 3 (suda) Reaksiyonuna göre, 82,1 g Na 2 S'den 32,5 g FeS oluşmaktadır. Yüzde verimi hesaplayınız. A) % 95 B) % 70 C) % 63,2 D) % 52,8 E) % 27,2-86 -

97 ÜNİTE 6 Amaçlar Gazlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Maddenin diğer hallerine göre gazların farklılığını ve yaşamımızdaki önemini kavrayacak, Gazların gözlenen fiziksel özelliklerinin kinetik teori ile açıklanışını öğrenecek, Gazlarda basınç-hacim ilişkisini kavrayacak, Gazların hacimlerinin sıcaklıkla nasıl değiştiğini öğrenecek, Genel gaz denklemini ve ideal gaz eşitliğini tanıyacak, Gazların difüzlenmesine ilişkin kuralları kavrayacak, Gazların sıvılardaki çözünürlüğüne basıncın etkisini kavrayacak, Gaz karışımlarının basıncına ilişkin yasayı öğrenecek, İçindekiler Giriş Gazların Fiziksel Özellikleri ve Kinetik Teori Gaz Yasaları Gazların Difüzyonu ve Graham Yasası Gazların Çözünürlüğü ve Henry Yasası Gaz Karışımları ve Dalton Yasası Solunum Gazlarının Vücudumuzda Taşınımı ve Difüzyon Gazların Yer Aldığı Reaksiyonlarda Stokiyometri Öneriler Ünitede size sorulan sorular ile ünite sonunda verilen değerlendirme sorularını mutlaka çözünüz. Soruların çözümü için gerekli atom ağırlığı değerlerini kitabın arkasındaki Ek 1'de bulabilirsiniz. Stokiyometrik hesaplamalar için Ünite 5 'in ilgili bölümlerini gözden geçiriniz.

98 1. GİRİŞ Bilindiği gibi maddeler doğada katı, sıvı veya gaz hallerinden birinde bulunurlar. Bir maddenin bu hallerden birinde bulunması sıcaklık ve basınca bağlıdır. Örneğin su, 1 atmosfer basınç altında, C den düşük sıcaklıklarda katı halde (buz), C ile 100 C arasında sıvı ve 100 C nin üzerinde de gaz halinde bulunur. Katı haldeki maddelerin belirli bir hacim ve biçimleri varken, sıvıların hacimleri belirli olup biçimleri bulundukları kaba göre değişir. ysa gazların ne hacimleri ne de biçimleri belirli olmayıp, bulundukları kabın hacim ve biçimini alırlar. Yerküre üzerinde soluk alıp veren her canlı, dünyayı çepeçevre saran ve ismine atmosfer dediğimiz, yerden yaklaşık 1000 kilometre yüksekliğe kadar çıkan bir gaz okyanusu içinde yaşamaktadır. Bu gaz okyanusunu oluşturan hava bir gaz karışımıdır. Öte yandan spreylerde, balonlarda, araçların lastiklerinde ve frenleme düzenlerinde, mutfaklardaki tüpgazlarda v.b. gazlar insanlarca uzun zamandır kullanılagelmektedir. Maddenin gaz halinin yaşamı-mızda önemli bir yeri vardır. Bu ünitenin konusunu da genel özellikleriyle gazlar oluşturmaktadır. 2. GAZLARIN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ VE KİNETİK TERİ? Gazlar neden bulundukları kabın hacmini ve biçimini alırlar? Bu sorunun yanıtlanması ve gazların gözlenen fiziksel özelliklerinin açıklanması kinetik teori ile epeyce kolaydır. Gaz halindeki maddeler en küçük düzeyde ya atomlardan (helyum, neon v.b. soygazlar) ya da moleküllerden (azot, oksijen, karbon dioksit, amonyak v.b.) oluşur. İster atom isterse molekül olsun bunlar "gaz tanecikleri"olarak adlandırılabilir. Gaz tanecikleri bulundukları ortamda tamamen rastgele bir şekilde, çok hızlı (oda sıcaklığında saatte yaklaşık 1600 kilometre) hareket ederler. Bu özellikleri "gazların kinetik teorisine" temel oluşturur. Aslında kinetik teori ideal bir gazın davranışlarını açıklar. İdeal bir gazın, tanecikleri arasında hareketliliklerini etkileyecek kuvvetlerin hiç bulunmadığı varsayılır. ysa gerçek

99 gazlar her zaman teoriye uygunluk göstermeyebilirler. Özellikle çok yüksek basınç veya çok düşük sıcaklık koşullarındaki gazlar teoride öngörülen özelliklerden sapma gösterirler. Ancak bunların dışındaki ılımlı koşullarda gerçek gazların, belirli bir yaklaşıklıkla, ideal gazlar gibi davrandıklarını söyleyebiliriz. Bilinen (gerçek) gazların davranışlarına ilişkin uzun süren gözlem ve ölçümler sonucunda bilim adamları gazların davranışlarını anlamayı kolaylaştıran kinetik teoriyi geliştirmişlerdir. Bu teoride öngörülen kabuller aşağıda maddeler halinde verilmektedir. 1. Maddenin katı halinde, tanecikler arasında etkileşim en yüksek derecede olup, genel olarak, katı hal maddenin en yoğun halidir. Sıvı haldeki madde tanecikleri arasındaki etkileşme katılara göre daha zayıf olup, sıvı taneciklerinin hareketine elvermekte ancak birbirlerinden fazla uzaklaşmalarını da engellemektedir (Şekil 6.1). Şekil 6.1. Aynı maddenin üç farklı halinde tanecikler arasındaki uzaklık ve göreceli yoğunluklar. Kinetik teoriye göre gaz tanecikleri birbiriyle etkileşmeyen, yani aralarında çekme ve itme olaylarının söz konusu olmadığı bağımsız parçacıklar olarak kabul edilir. Bu yüzden gaz tanecikleri arasındaki uzaklık, taneciklerin kendi büyüklüklerine oranla çok fazladır. Bu olgu havada yol almanın sudakine göre neden daha kolay olduğunu yeterince açıklamaktadır. 2. Gaz tanecikleri birbirleriyle veya bulundukları kabın çeperleri ile çarpışıncaya kadar her yönde ve çok hızlı doğrusal hareketler yaparlar. Bu nedenle gaz tanecikleri bulundukları kabın tamamına yayılır ve kabın biçimini alırlar (Şekil 6.2)

100 Şekil 6.2. Gaz taneciklerinin bulundukları kap içindeki hareketleri. 3. Gaz taneciklerinin yaptıkları çarpışmalar tümüyle esnek olup, çarpışmada herhangi bir enerji kaybı yoktur. Böylece çarpışan tanecikler önceki hızları ile başka bir doğrultuda hareketlerini sürdürürler. 4. Gaz taneciklerinin kinetik enerjileri sıcaklıkla (T) değişir. Gaz ısıtıldığında tanecikler çok daha hızlı hareket ederken, soğutuldukça hızları düşer. Teorik olarak, belirli bir sıcaklığa inilebildiğinde de tüm hareketler durur. Bu sıcaklık mutlak sıfır olarak bilinir ve -273, 15 C ya da K (Kelvin) değerindedir. Bir gazın mutlak sıcaklığı C cinsinden sıcaklığına 273,15 eklenerek bulunur ve K cinsinden verilir. (Ancak çok duyarlı sonuçların gerekmediği durumlarda C işlemi ile mutlak sıcaklık bulunabilir. Elinizdeki kitapta da bu yol izlenecektir). Örnek 6.1: Sodyum klorür 801 C de erimekte ve 1465 C de kaynamaktadır. Bu sıcaklıkların Kelvin cinsinden değerleri nedir? Çözüm 6.1: Verilen bilgilere göre sodyum klorür = 1074 K 'de erir ve = 1738 K'de kaynar

101 3. GAZ YASALARI Gazları ele alan uzun çalışmalar sonucunda, bunların davranışlarını açıklayabilecek bir takım yasalar geliştirilmiştir. Bu yasalardan ya da bunları ifade eden eşitliklerden habersiz herhangi biri de, günlük yaşamında etkilerine tanık olmaktadır. Örneğin pek çok kişi bir aerosol kutusunun ısıtıldığında patlayabileceğini bilir. Ya da kapağı açılan bir gazoz şişesinden köpürme ile çıkan gaz kabarcıklarını ve oluşan sesi bilmeyenimiz yoktur. Gaz yasalarına geçmeden önce, tüm bu yasalarda adı geçen gaz basıncından biraz söz etmekte yarar vardır. Gaz Basıncı (P) ve Ölçümü : Kinetik teoriden, gaz taneciklerinin bulundukları kap içersinde her yönde çok hızlı ve sürekli hareket ettiklerini biliyorsunuz. Bu şekilde kabın çeperlerine milyarlarca gaz taneciğinin çarpması gaz basıncının nedenidir. Fizik dersinden anımsayabileceğiniz gibi, basınç birim alana uygulanan kuvvettir. Gazların basıncı ise genelde atmosfer (kısaca atm) veya santimetre ya da milimetre cinsinden cıva sütunu yüksekliği (cm Hg ve mmhg) ile birimlendirilir. Atmosfer, C Sıcaklıkta deniz düzeyinde 76 cm (760 mm) yükseklikte cıva sütununu sağlayan basınç olup, standart atmosfer basıncı "1 atmosfer" olarak tanımlanır. Öte yandan gaz basıncı ölçümlerinde mm Hg (ya da bir başka adı ile torr) da sık kullanılan bir birim olup, 1 mm Hg = 1 torr = atm dir. halde 76 cmhg = 760 mmhg = 760 torr = 1 atm olup, sıcaklığı 0 C ve basıncı 1 atm olan gazlara "standart koşullardaki gazlar " denir. Örnek 6.2: Aşağıdaki basınçları karşılarında verilen birimler cinsinden bulunuz. 0, 50 atm =? cm Hg 190 mm Hg =? atm 1,25 atm =? torr 228 cm Hg =? atm

102 Çözüm 6.2: Yukarıda verilen bilgileri kullanarak, sonuçları bulunur. 0,50 atm = 0,50 atm x 76 cm Hg 1 atm 190 mm Hg = 190 mm Hg x 1 atm 760 mm Hg 1,25 atm = 1,25 atm x 760 torr 1 atm 228 cm Hg = 228 cm Hg x 1 atm 76 cm Hg = 38 cm Hg = 950 torr = 0, 25 atm = 3 atm? 342 mmhg değerinde basınca sahip bir gazın, cm Hg ve atm cinsinden basıncı nedir? Yanıt : 34,2 cm Hg ve 0,45 atm 3.1. Boyle Yasası? Bir gazın basıncının hacmi ile nasıl bir ilişkisi vardır? Bu sorunun yanıtını araştıran 17. yüzyıl İngiliz kimyacılarından Robert Boyle, sıcaklığın aynı kalması koşulu ile, belirli miktardaki bir gazın hacminin (V), basıncıyla (P) ters orantılı değiştiğini bulmuştur. Yani hacim artırıldığı takdirde basınç azalmakta, aksine hacim azaltığında da basınç artmaktadır (Şekil 6.3). Kinetik teoriye göre bu durum hiç de şaşırtıcı değildir. Çünkü bir gazın hacmi küçültüldüğünde, taneciklerin hareket edebilecekleri boşluk da azalmakta ve kabın çeperlerine çok daha sık çarpmaktadırlar. Bu ise basıncın artması anlamına gelir. Şekil 6.4 'de de görülebileceği gibi, bir insanın soluk alıp vermesi de bu basınç-hacim ilişkisine örnek bir olaydır. Soluk aldığımızda diyaframın aşağı doğru kasılması ile göğüs boşluğumuzun hacmi artmaktadır. Hacimdeki bu artış içerdeki basıncın normal atmosfer basıncının 3 torr kadar altına düşmesine yol açar. Vücudun dışındaki hava, daha büyük bir basınca sahip olduğundan, kendiliğinden akciğerlere dolar

103 Şekil 6.3. Boyle Yasası (Basınç - hacim ilişkisi). Bir gaz daima yüksek basınçlı bir bölgeden düşük basınçlıya doğru yer değiştirir. Soluk verdiğimizde ise diyafram yine dinlenme konumuna döner ve göğüs boşluğumuz normal büyüklüğünü alır. Hacimdeki bu azalma ile akciğerlerdeki havanın basıncı, yine 3 torr kadar, artar ve bu da soluğun vücuttan çıkmasını sağlar. Genellikle farkında olmaksızın, bütün bu işlemlerle dakikada yaklaşık oniki kez, yarım litre civarındaki havayı alıp vermekteyiz. Şekil 6.4. Soluk alıp verme sürecinde gazların basınç-hacim ilişkisi

104 Basınçla hacim arasındaki bu ters orantılı ilişki "Boyle yasası" olarak bilinir ve matematiksel olarak şöyle ifade edilir. Sabit sıcaklıkta PV = k (k orantı sabitidir). (6.1) Ya da bir gazın iki ayrı koşuldaki basınç ve hacmi arasında, Sabit sıcaklıkta P 1 V 1 = P 2 V 2 (6.2) eşitliği geçerlidir. Örnek 6.3: Bir deney sonucunda 710 mm Hg basınçlı bir ortamda 304 ml gaz toplanmıştır. Bu gazın sıcaklığı ve miktarı aynı kalması koşulu ile standart atmosfer basıncında kaplayacağı hacim kaç ml olur? Çözüm 6.3: Gazın ilk basıncı (P 1 ) 710 mm Hg ve ilk hacmi (V 1 ) 304 ml, hesaplanması istenen ortamdaki basıncı (P 2 ) 760 mm Hg ve hacmi de V 2 olarak alınırsa, (6.2) eşitliğinden, P 1 V 1 = P 2 V 2 ve V 2 = V 2 = 710 mm Hg x 304 ml 760 mm Hg P 1 V 1 P 2 ' den = 284 ml bulunur. Görüldüğü gibi gazın basıncı = 50 mm Hg artırıldığında, hacmi = 20 ml azalmıştır.? Belirli miktarda neon gazı bulunduğu kapta 0,80 atm basınca sahip iken, sıcaklık ve kütlesi değiştirilmeksizin 520 ml hacimli bir kaba alınıyor ve yeni basıncı 1,05 atm olarak ölçülüyor. Buna göre ilk kabın hacmi kaç ml 'dir? Yanıt : 682,5 ml

105 3.2. Charles Yasası? Acaba gazların hacmi sıcaklık değişiminden nasıl etkilenir? Fransız bilgini Jacques Charles, 19. yüzyılın başlarında bu konuda yaptığı araştırmalarda, basıncı sabit tutulan bir gazın hacminin mutlak sıcaklığı ile doğru orantılı değiştiğini bulmuştur. Yani sıcaklığı artırılan bir gazın hacmi de artar (Şekil 6.5). Belirli miktarda bir gaz sabit basınçta tutularak ısıtıldığında, gaz taneciklerinin kinetik enerjileri ve hızları artacağı için, tanecikler daha büyük bir hacme yayılarak basıncın değişmemesini sağlarlar. Aksine gaz soğutulduğunda; tanecikler yavaşlayacağı için, bu kez de aynı basıncı uygulayabilmeleri daha küçük bir hacim içersinde bulunmalarını gerektirir. Şekil 6.5. Basıncı ve miktarı sabit tutulan bir gazın ısıtılmasıyla hacminin değişimi. Charles yasası matematiksel olarak şöyle ifade edilir : Sabit basınçta V = kt ( k orantı sabitidir ) (6.3) Veya iki ayrı koşuldaki hacim ve sıcaklık değerleri arasında, Sabit basınçta V 1 V 2 (6.4) T 1 = T 2 eşitliği geçerlidir. Eşitlik (6.4) 'deki V 1 ve T 1 başlangıçtaki hacim ve sıcaklık (mutlak sıcaklık yani kelvin cinsinden) iken V 2 ve T 2 son hacim ve sıcaklığı ifade eder

106 Örnek 6.4: Bir miktar He gazı bir lastik balona 25 C de doldurulduğunda balonun hacmi 2,5 litre olarak ölçülüyor. Basıncın değişmediği deney ortamının sıcaklığı 0 C ye düşürüldüğünde balonun hacmi kaç litre olur? Çözüm 6.4: İlk sıcaklık T 1 = = 298 K son sıcaklık ise T 2 = = 273 K 'dir. halde (6.4) eşitliğinden V 1 T 1 = V 2 T 2 v e ya V 2 = V 2 = 2,5 litre x 273 K 298 K V 1 T 2 T 1 olur. = 2,3 litre bulunur. Sıcaklıktaki 25 C azalma balonun hacmini 2,5 litreden 2,3 litreye düşürmüştür.? Belirli kütlede bir gaz örneği, hacmi değişebilen bir kapta 298 K sıcaklıkta 1,5 litre boşluk kaplamaktadır. Bu kabın hacminin 2,0 litreye çıkarılabilmesi için ortam hangi sıcaklığa kadar ısıtılmalıdır? Yanıt : 397 K 3.3. Genel Gaz Yasası Charles ve Boyle tarafından ortaya konan gaz yasaları birleştirilerek, gazların farklı sıcaklık, basınç ve hacim koşulları altındaki davranışlarına ilişkin genel bir eşitlik türetilmiştir. Belirli miktarda bir gazın iki ayrı koşuldaki basınç, hacim ve sıcaklıkları arasında P 1 V 1 P 2 V 2 T 1 = (6.5) T 2 eşitliği geçerlidir. Örnek 6.5 : Bir miktar NH 3 gazı, sürtünmesiz pistonlu bir silindirde normal koşullar altında 68 ml hacim kaplıyor. Sıcaklık 30 C ye çıkarılıp, basınç 725 torr'a düşürülürse gazın hacmi kaç ml olur?

107 Çözüm 6.5: Verilen değerler (6.5) eşitliğinde uygulanırsa, P 1 V 1 = P 2 V 2 den 760 torr x 68 ml T 1 T 2 ( ) K = 725 torr x V 2 ml ( ) K V 2 = 760 torr x 68 ml x 303 K 725 torr x 273 K = 79 ml 3.4. İdeal Gaz Yasası Gazların basınç, hacim ve sıcaklıkları arasındaki ilişkiyi ifade eden bir başka eşitlik de ideal gaz yasasına ilişkindir. İdeal bir gaz için eşitliği geçerlidir. PV = n R T (6.6) Bu eşitlikteki "n" gazın mol sayısı ve "R" gaz sabitidir. Basınç atmosfer, hacim litre ve sıcaklık kelvin cinsinden verildiğinde R nin değeri 0,082 litre.atm / mol. K dir. Örnek 6.6 : Bir gazın 1 molü, standart koşullar altında kaç litre hacim kaplar? Çözüm 6.6 : İdeal gaz eşitliğindeki hacim terimi P V = n R T ' den V = n R T P Standart koşullar için hesap yapılırsa olur. V = 1 mol x 0,082 litre. atm mol. K 1 atm x 273 K = 22,4 litre Standart koşullarda ( C sıcaklık ve 1 atm basınç ) gazların 1 molü 22,4 litre hacim kaplar. Örnek 6.7: Hacmi 5,6 litre olan bir kapta sıcaklığı C olan bir miktar 2 gazı bulunuyor. Gazın basıncı 2 atmosfer olduğuna göre ağırlığı kaç gramdır?

108 Çözüm 6.7: Eşitlik (6.6) dan mol sayısı n = P V R T n = 0,082 olarak bulunur. halde 2 atm x 5,6 litre litre. atm x ( ) K mol K = 0,5 mo l 1 mol 2 gazı 2 x 16 = 32 gr ağırlıkta olduğundan, kaptaki gaz miktarı 0,5 x 32 = 16 gram olarak bulunur.? Hacmi 10 litre olan içi tamamen boş bir kaba, C de 56 gram N 2 gazı dolduruluyor. Kap içersindeki basınç kaç atmosferdir? Yanıt : 4,48 atm 4. GAZLARIN DİFÜZYNU VE GRAHAM YASASI Aynı ortama konan farklı gazlara ait tanecikler, farklı hızlarda kendiliklerinden genişleyerek diğerleri ile karışırlar (difüzlenirler). Bu olguyu inceleme konusu yapan 19. yüzyıl İskoç kimyacılarından Thomas Graham, özellikle hafif (düşük yoğunluklu) gazların, aynı sıcaklıkta daha ağır (daha yoğun) gazlara kıyasla daha hızlı difüzlendiklerini gözlemişti. Çalışmalarının sonunda Graham aynı koşullarda farklı hızlarla difüzlenen gazların difüzlenme hızlarının (V), bu gazların yoğunlukları (d) veya molekül ağırlıklarının (M) kare kökü ile ters orantılı olduğunu bulmuştur. A ve B gibi iki ayrı gaz için bu yasa V A V B = d B d A (6.7) veya V A V B = M B M A (6.8) eşitlikleriyle ifade edilir

109 Örnek 6.8: Hidrojen ve oksijen moleküllerinin ortalama hızlarını karşılaştırınız. Çözüm 6.8: Eşitlik (6.8) 'den, M H2 = 2 ve M 2 = 32 olduğuna göre, V H2 V 2 = M 2 = 32 M H2 2 = 16 = 4 halde V H 2 = 4 V 2 olup, H 2 molekülleri 2 moleküllerinin 4 katı hızla difüzlenirler. 5. GAZLARIN ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ VE HENRY YASASI Susuzluğunuzu gidermek veya midenizi rahatlatmak için sodalı suyu denediyseniz, şişe kapağını açınca C 2 çıkışından kaynaklanan gaz kabarcıklarını görmüş ve sesini işitmiş-sinizdir. Böylesi bir gözlem ile gazların sıvılardaki çözünürlüğüne ilişkin Henry yasasına tanık olduğunu biliyor muydunuz? 19. yüzyılın başlarında İngiliz kimyacı William Henry, belirli bir sıcaklıktaki bir sıvıda, bir gazın çözünürlüğünün sıvı üzerindeki gaz basıncıyla doğru orantılı olduğunu keşfetmişti. Henry yasasına göre, bir sıvıda çözünen gaz miktarı, sabit sıcaklıkta sıvı üzerindeki basınç yükseltildikçe artar. Kolalar, gazozlar ve sodalı sular yüksek basınç altında şişelenmiştir ve siz kapağı açtığınızda şişedeki basıncı düşürmüş olursunuz. Bu nedenle C 2 gazının çözünürlüğü azalır ve bir miktarı sıvıyı terkeder. 6. GAZ KARIŞIMLARI VE DALTN YASASI Kinetik teoriden gaz basıncının, gaz taneciklerinin bulundukları kabın çeperleriyle çarpışmalarından kaynaklandığını biliyorsunuz. Kabın hacmini değiştirmeden, çarpışma sıklığını dolayısıyla basıncı artırmanın iki yolu vardır: Birincisi gazın sıcaklığını yükseltmektir. Böylece gaz taneciklerinin hızları ve çarpışma sayısı artar. İkincisi ise, kap içersindeki gaz taneciklerinin sayısını artırmaktır. Çünkü sabit bir sıcaklıkta bir gazın uygu

110 ladığı basınç gaz taneciklerinin cinsi ile ilgili olmayıp, mevcut gaz tanecik sayısına bağlıdır. Örneğin Şekil 6.6'da da görülebileceği gibi, bir kap içersindeki gazın basıncı, aynı ya da farklı bir gazdan eşit sayıda tanecik ilave edilerek iki katına çıkarılabilir. Şekil 6.6. Dalton 'un kısmi basınçlar yasası (Kısmi basınçlar ile toplam basıncın ilişkisi). Bir gaz karışımındaki herhangi bir gazın "o kapta yalnız başına bulunduğu zamanki basıncına, o gazın kısmî basıncı (P i )" denir. Kısmî basınç belirli bir sıcaklıkta, sadece o gazın tanecik sayısına (veya mol sayısına) bağlıdır. Şekil (6.6) dan da anlaşılabileceği gibi, Bir gaz karışımının toplam basıncı, karışımdaki herbir gazın kısmî basınçları toplamına eşittir. (Dalton Yasası). Buna göre A, B, C, D, E,... gibi çeşitli gazlardan oluşan bir karışım için P Toplam = P A + P B + P C + P D + P E +... (6. 9) eşitliği ile toplam basınç bulunur. Örneğin hava bir gaz karışımı olup, N 2, 2, Ar, C 2 ve düşük miktarlarda başka gazlar içerir. halde Dalton yasasına göre atmosfer basıncına bu gazların tümünün katkısı vardır ve P atmosfer = P N 2 + P 2 + P Ar + P C (6.10) eşitliği yazılabilir

111 Örnek 6.9: Bir gaz tübünde 2 ve anestezide kullanılan N 2 gazından oluşan bir karışım bulunuyor. Tüpteki basınç 0,90 atmosfer olarak ölçüldüğüne ve ortam sıcaklığında oksijenin kısmî basıncı 118 mmhg olduğuna göre, N 2 gazının kısmî basıncı kaç mm Hg dır? Çözüm 6.9 : Toplam basınç mm Hg cinsinden P T o p l a m = 0,90 atm = 0,90 atm x P T o p l a m = P 2 + P N2 684 mm Hg = 118 mm Hg + P N2 760 mm Hg 1 atm = 684 mm Hg P N2 = 684 mm Hg mm Hg = 566 mm Hg olarak bulunur. 7. SLUNUM GAZLARININ VÜCUDUMUZDA TAŞINIMI VE DİFÜZYN ksijen ve karbon dioksidin vücudumuzda taşınımı bu gazların kısmî basınçlarıyla doğrudan ilişkilidir. Her gaz gibi, bu iki gaz da yüksek basınçlı bir bölgeden düşük basınçlı bir bölgeye difüzlenirler (Şekil 6.7). Örneğin dokulardan akciğerlere gelen kirli kan oksijen içeriğini tüketmiş olup, hücrelerden karbondioksit atık ürününü getirmektedir. ksijen akciğerlerden (burada oksijen kısmî basıncı, P 2 = 104 mm Hg) kana ( P 2 = 40 mm Hg) difüzlenir ve karbondioksit kandan (P C2 = 45 mm Hg) akciğerlere ( P C2 = 40 mm Hg) difüzlenerek buradan dışarı atılır. ksijenin önemli bir kısmı taşıyıcı molekül olan hemoglobin ile tutulur ve temiz kan ile dokulara taşınır. Doku hücreleri sürekli oksijen kullandıklarından hücrelerde oksijen kısmî basıncı düşüktür. Temiz kandaki oksijen kısmî basıncı daha yüksek olduğundan, oksijen kandan ( P 2 = 95 mm Hg) dokulara ( P 2 = 35 mm Hg) difüzlenir. Dokularda hücreler tarafından üretilen karbondioksit ise hücrelerden ( P C2 = 50 mm Hg) kan dolaşımına ( P C2 = 45 mmhg) difüzlenerek akciğerlere taşınır

112 Şekil ksijen ve karbon dioksidin akciğerler ve doku hücreleri arasında taşınımı ile gazların kısmî basınçlarının ilişkisi 8. GAZLARIN YER ALDIĞI REAKSİYNLARDA STKİYMETRİ Gazların yer aldığı kimyasal olaylar üzerinde çalışan J. Louis Gay-Lussac, 19. yüzyılın başlarında, sabit sıcaklık ve basınçta (aynı koşullarda) bir reaksiyona giren ve oluşan gazların hacimlerinin daima belirli oranlar gösterdiğini keşfetmişti. Örneğin yaptığı deneylerde, Gay-Lussac iki hacim hidrojenin bir hacim oksijen ile reaksiyona girerek iki hacim su oluşturduğunu gözlemişti. Benzer bir sonucu da, bir hacim hidrojenin bir hacim klor ile reaksiyona girerek iki hacim hidrojen klorür oluşturması olayında gözleyen Gay-Lussac bu gözlemlerini bir yasa şeklinde ortaya koymuştur. Sabit sıcaklık ve basınçta gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda tanecik bulunur ve reaksiyona giren atom ya da moleküller tam sayılarla ifade edilebilen basit oranlarda birleşirler. Gazların yer aldığı, sabit sıcaklık ve basınçta gerçekleşen bir reaksiyon için yazılan denkleştirilmiş bir denklemdeki katsayılar hacimleri göstermek üzere de kullanılabilir. Ünite 5 'de gaz reaksiyonlarına ilişkin verilen örneği yeniden ele alacak olursak,

113 N 2( g ) + 3 H 2( g ) 2 NH 3( g ) reaksiyonunda bir hacim azot molekülü, üç hacim hidrojen molekülü ile birleşerek, iki hacim amonyak molekülü oluşturmaktadır. Bu reaksiyon standart koşullar altında gerçekleştirildiğinde gaz hacimleri aşağıdaki gibi olur: N H = 2 NH 3 1 mol N 2 3 mol H 2 2 mol NH 3 veya 1 mol x 22,4 litre / mol 3 mol x 22,4 litre / mol 2 mol x 22,4 litre / mol = 22,4 litre N 2 = 67,2 litre H 2 = 44,8 litre NH 3 Örnek 6.10 : Propan gazı (C 3 H 8 ) oksijenle yanarak karbon dioksit ve su buharı oluşturur. C 3 H 8( g ) + 5 2( g ) 3 C 2( g ) + 4 H 2 ( g ) Aynı koşullarda 2,5 litre propan ve 15,5 litre oksijen bulunan bir kaptaki reaksiyonda en çok kaç litre karbondioksit oluşur, reaksiyona girmeden kalan gaz var mıdır? Çözüm 6.10 : C 3 H C H 2 C 3 H 8, 5 litre 2 ile birleşir. halde reaksiyonda reaksiyon denklemine göre 1 litre 2,5 litre C 3 H 8 x 5 litre 2 1 litre C 3 H 8 = 12,5 litre 2 t üke nir. Demek ki 15,5-12,5 = 3,0 litre 2 artar. luşacak C 2 hacmi ise V C 2 = 2,5 litre C 3 H 8 x 3 litre C 2 1 litre C 3 H 8 = 7,5 litre dir.? H 2 (g) + Cl 2 (g) 2 H Cl (g) reaksiyon denklemine göre, 2 litre H 2 gazı ile 3 litre Cl 2 gazı karışımının reaksiyonundan kaç litre HCI gazı elde edilebilir? Hangi gazdan kaç litre artar? Yanıt : 4 llitre HCI, 1 litre CI

114 Özet Gazların kinetik teorisi bir gazı oluşturan atom veya moleküllerin hareketliliklerine dayanır. Buna göre gaz tanecikleri rastgele bir şekilde sürekli hareket halinde olup, birbirleriyle ve kabın çeperleriyle çarpışırlar. Bir gazın sıcaklığı, gazı oluşturan taneciklerin kinetik enerjilerinin bir ölçüsüdür. Sıcaklık yükseldikçe taneciklerin hızı artar. Gaz taneciklerinin bulundukları kabın çeperleriyle çarpışması gaz basıncının nedenidir. Dünya atmosferi de, yerküre üzerinde adına atmosfer basıncı dediğimiz bir basıncı uygular. Standart atmosfer basıncı 1 atm veya 760 mmhg dır. Sıcaklığı 0 C, basıncı 1 atm olan gazlara "standart koşullardaki gazlar" denir. Miktarı ve sıcaklığı sabit olan bir gazın basıncı hacmiyle ters orantılı olarak değişir. PV = k eşitliğiyle ifade edilen Boyle yasasına göre, belirli bir sıcaklıkta basınç veya hacim değişse de PV çarpımı aynı kalır. Charles yasasına göre, sabit basınçta bir gazın sıcaklığı yükseltilirse hacmi büyür. Sıcaklık veya hacimden biri değişse de, hacim ve sıcaklığın oranı aynı kalır. İdeal bir gazın basınç ve hacmi ile mol sayısı ve sıcaklığı arasında, PV = nrt eşitliği geçerlidir. Buradaki R, gaz sabiti adını alır ve 0,082 litre. atm/ mol. K değerine sahiptir. Graham yasasına göre hafif gazların difüzlenme hızları daha fazladır. İki ayrı gazın difüzlenme hızları yoğunlukları veya molekül ağırlıklarının kare kökü ile ters orantılıdır. Henry yasası, bir sıvının üzerindeki gaz basıncı arttıkça, sıvıda daha fazla gazın çözünebileceğini ifade eder. Dalton yasasına göre, bir kaptaki gaz karışımının toplam basıncı, gazların herbirinin kısmî basınçları toplamına eşittir. Stokiyometri problemleri reaksiyona giren veya oluşan gazların hacimlerini kullanarak çözülebilir. Gazların yer aldığı denkleştirilmiş bir reaksiyon denklemindeki katsayılar, aynı koşullardaki hacimlerin oranlarını verir

115 Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Gazlara ilişkin aşağıdaki ifadelerden hangisi doğru değildir? A) Bulundukları her kabın hacmini ve şeklini alırlar. B) da koşullarında yalnızca soygazlar atomik halde kararlıdır. C) Isıtılan gaz taneciklerinin ortalama kinetik enerjileri yükselir. D) Üzerlerindeki basınç düşürüldükçe ve sıcaklıkları artırıldıkça gazlar ideallikten uzaklaşırlar. E) Gaz tanecikleri arasındaki etkileşim, maddenin yoğun hallerindekine göre çok düşük düzeydedir. 2. Bir kişinin kullandığı parfümün kokusu aynı odada bulunan herkese ulaşır. Bunun nedeni aşağıdakilerden hangisi olabilir? A) Parfümdeki kokunun hafifliği B) Gazların sıkıştırabilir oluşu C) Gaz moleküllerinin ısındıkça hızlanması D) Gaz moleküllerinin bulundukları hacmi kaplayacak şekilde difüzlenme eğilimleri E) Gaz molekülleri arasındaki boşluğun çok fazla oluşu 3. Miktarı sabit bir gazın, sabit hacimli bir kapta sıcaklığı 25 den 50 C ye çıkarıldığında basıncı ilk basıncına göre nasıl değişir? A) Yarıya düşer B) Değişmez C) Bir katından daha az artar D) Bir kat artar E) İki kat artar 4. Sabit hacim ve sıcaklıktaki bir kapta bulunan bir gazın miktarı (n) ile basıncı (P) arasındaki ilişki aşağıdakilerden hangisinde doğru verilmiştir? A) P α 1 B) P1 n1 = P2 n2 C) P.n = sabit D) P = 1 E) P2 = P1.n2 / n1 n n

116 5. Bir miktar klor gazı 100 C sabit sıcaklığa kadar ısıtıldığında basıncı 3 atm'den 4,5 atm'e çıkıyor. Buna göre ilk sıcaklığı ne kadardır? A) 249 K B) 24 C C) 36 C D) 300 K E) 320 K 6. Basıncı P, hacmi V olan bir gazın miktarı değiştirilmeden, sıcaklığı ve hacmi iki katına çıkarılırsa son basıncı aşağıdakilerden hangisi olur? A) P/4 B) P/2 C) P D) 2P E) 4P 7. Hacmi 10 m 3 olan bir gaz tankına, 27 C sıcaklıkta 14 kilogram N 2 gazı konursa, tanktaki basınç kaç atm olur? A) 1,23 B) 12,3 C) 24,6 D) 26,4 E) 36,9 8. Aşağıdaki gazlardan hangisi aynı koşullarda C gazı ile eşit hızda difüzlenir? A) H2 B) N2 C) 2 D) N2 E) NH3 9. Kapalı bir kapta belirli bir sıcaklıkta 1 er kilogram N 2, H 2 ve C 2 gazları bulunuyor. Kaptaki toplam basınç 1 atm olduğuna göre, gazların kısmî basınçları için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) P N2 > P H2 > P C2 B) P H2 > P N2 > P C2 C) P C2 > P N2 > P H2 D) P N2 = P H2 = P C2 E) P C2 > P N2 = P H2 10. Asetilen gazı, C 2 H 2, aşağıdaki denkleme göre yakılıyor. 2C 2 H C 2 + 2H 2 Standart koşullarda 10 mol asetilenin yanmasında harcanacak oksijen gazı kaç litredir? A) 11,2 B) 22,4 C) 67,2 D) 112 E)

117 ÜNİTE 7 Kimyasal Reaksiyonlarda Hız Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Bir kimyasal reaksiyonun gerçekleşme hızının enerji kavramı ile ilişkisini tanıyacak, Aktivasyon enerjisi ve aktif kompleks kavramlarının kimyasal reaksiyonlardaki yerini öğrenecek, Ekzotermik ve endotermik reaksiyonlar ile reaksiyon ısısının ilişkisini kavrayacak ve bunları potansiyel enerji diyagramları ile ifade edebilecek, Bir kimyasal reaksiyonun hızının hangi etkenlere bağlı olabileceğini öğrenecek, Reaksiyon hızlarına ilişkin eşitliklerin nasıl türetildiğini kavrayacak, Reaksiyon hızlarını artırmak amacıyla kullanılabilecek yöntemleri tanıyacak ve katalizörlerin kimyasal reaksiyonlardaki işlevini öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Aktivasyon Enerjisi ve Aktif Kompleks Ekzotermik ve Endotermik Reaksiyonlar Reaksiyon Hızını Etkileyen Faktörler Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi daha kolay kavrayabilmeniz için Ünite 4 deki kimyasal bağlanma bölümünü yeniden gözden geçiriniz. Grafik çizme ve yorumlamaya ilişkin alıştırmalar yapınız. Verilen örnekler üzerinde dikkatle durunuz.

118 1. GİRİŞ Çevresinde olup bitenleri yeterince dikkatle gözleyen bir kişi, bazı kimyasal reaksiyonların son derece kısa bir sürede olup bitmesine karşın, bazılarının oldukça uzun bir sürede sonuçlandığını farkeder. Bir otomobil motorunun silindirlerindeki yakıt-oksijen karışımının patlayıcı reaksiyonu, barutun patlayarak yanması veya kirecin su ile söndürülme reaksiyonu çok hızlı gerçekleşen kimyasal reaksiyonlardandır. Benzer şekilde vücudumuzdaki kasların kasılmasını veya sinir sistemi uyarılarının iletilmesini sağlayan reaksiyonlar da çok hızlıdır. Öte yandan bazı reaksiyonlar da çok yavaş yürür. Örneğin hava ile temas halindeki bir demir parçasının paslanması epeyce yavaş yürüyen bir reaksiyondur. İnsanlar ötedenberi kimyasal değişmelerin hızlarını artırmanın ya da azaltmanın yollarını araştırmışlardır. Bazen bir kimyasal dönüştürme sürecinin daha verimli, pratik ve daha ekonomik olabilmesi için reaksiyon hızının artırılması istenir. Bazen de aksine, arzulanmayan bir kimyasal dönüşümün olabildiğince yavaşlatılması amaçlanır. Örneğin besinlerin bozulma hızları, soğutucularda tutularak veya bazı koruyucu maddeler katılarak yavaşlatılmaya çalışılır. Bu ünitede kimyasal reaksiyonların hızı ve bunu etkileyen faktörler ele alınacaktır. 2. AKTİVASYN ENERJİSİ VE AKTİF KMPLEKS? Acaba reaktant taneciklerinin hareketliliği ile kimyasal reaksiyonun hızının bir ilişkisi var mıdır? Kimyasal dönüşüme uğrayacak reaktantlar kısaca " tanecik" olarak adlandırdığımız atomlar, iyonlar veya moleküllerden oluşurlar. Ünite 6' daki kinetik teoriden anımsayabileceğiniz gibi maddeleri oluşturan tanecikler sürekli hareket halindedirler. Bu hareketlilik maddenin katı, sıvı ya da gaz halinde oluşuna bağlı olduğu gibi, sıcaklığa da bağlıdır. İki (veya daha fazla) madde belirli bir ortamda karıştırıldığında bunları oluşturan tanecikler birbiriyle çarpışacaktır. İşte bu çarpışmaların bir kısmı mevcut bağların kırılarak yeni bağlar oluşmasını ve böylece değişik maddelerin meydana gelmesini sağlayacaklardır. Ünite 4' den kimyasal bağlanmada atomların değerlik elektronlarının rol oynadığını ve bunların alınıp verilmesi ya da paylaşılmasıyla reaksiyonların oluştuğunu bilmektesiniz. Buna

119 göre iki atom arasında bir reaksiyonun gerçekleşmesi bunlara ait değerlik orbitallerinin etkileşmesi koşuluna bağlıdır. Bu nedenle de bir reaksiyon oluşabilmesi için bu iki atomun değerlik orbitallerinin etkileşmesine elverecek kadar birbirlerine yaklaşmaları gerekir. Böylesi bir yaklaşma da ancak, iki ayrı atoma ait iki çekirdeği çevreleyen elektronların ara-sındaki itme kuvvetlerini yenecek düzeyde enerjiye sahip bir çarpışma ile mümkündür. Böyle bir çarpışma için gerekli enerji miktarına da "aktivasyon enerjisi (E a ) "denir. Bir reaksiyonun gerçekleşebilmesi için reaksiyona katılan taneciklerin aktivasyon enerjisine eşit (veya daha yüksek) enerjiye sahip olarak çarpışmaları temel koşuldur. Eğer reaksiyona sokulan taneciklerin çoğunluğu bu enerjiye sahipse, reaksiyon kolaylıkla ve hızlıca gerçekleşir. Şekil 7.1 de görüldüğü gibi, aktivasyon enerjisi, reaktantların, ürünlere dönüştürülebilmesinden önce aşılması gereken bir enerji tepesi (enerji eşiği veya engeli) gibi düşünülebilir. Aktif kompleks (Geçiş durumu) Enerji Reaktantlar Aktivasyon enerjjisi E a Reaksiyon Ürünler Şekil 7.1 Bir kimyasal reaksiyonda aşılması gereken enerji engeli. Bu enerji engelini aşmaya yetecek enerjisi bulunan taneciklerin çarpışması halinde, atomlar "aktif kompleks" adı verilen reaktif (kararsız), kısa ömürlü bir grup oluştururlar. "Geçiş durumu" da denilen bu reaktif grup, reaktantlar ile ürünler arasında bir yapıya sahip olup, Şekil 7.1'deki enerji engelinin tepesinde bulunur. Ardından bu aktif kompleks,

120 ürünlere dönüşecektir. Şimdi de kimyacıların üzerinde çokça durmuş olduğu klasik bir reaksiyonda bu iki kavramın yerini görelim. Bir reaksiyon kabında karışması sağlanan hidrojen ve iyot oda sıcaklığında ölçülemeyecek kadar yavaş reaksiyona girerler (Şekil 7.2). Reaksiyon hızının bu denli düşük olması, H 2 ile I 2 molekülleri arasında gerçekleşen çarpışmaların pek azının I 2 molekülündeki I - I bağını kırmaya yetecek enerjide olmasındandır. Bu reaksiyona ilişkin aktivasyon enerjisinin değeri çok yüksektir. Eğer reaksiyon kabı ısıtılarak ortamın sıcaklığı yükseltilirse çarpışmakta olan moleküllerin çok daha büyük bir kısmı bu bağları kırmaya yetecek enerjiye ulaşır. Böylece serbest kalan daha çok sayıda iyot atomu, hidrojen molekülleri ile reaksiyona girerek hidrojen iyodürü oluşturabilir. Şekil 7. 2 H 2 + I 2 2HI reaksiyonunda aktif kompleks aracılığı ile ürünün oluşumu (* işareti aktif kompleksin kararsızlığını simgeler). Aktif komplekste atomlar arasında, ürünleri meydana getirecek yeni bağlar oluşmaya başlamış iken, eski bağlar zayıflamış durumdadır. Şekil 7.2 de özetlenen reaksiyon yürüyüşünden de anlaşılabileceği gibi, aktif kompleks ne reaktantlarla ne de ürünlerle özdeş olmayıp, bunlar arasındaki bir geçiş halini oluşturan epeyce kararsız bir atomlar grubudur. Daha sonra bu kararsız geçiş durumu iki HI molekülü ne dönüşmektedir. 3. EKZTERMİK VE ENDTERMİK REAKSİYNLAR? Kimyasal dönüşümlerin, enerji değişimi ile bir ilişkisi var mıdır?

121 Günümüzde evsel amaçlarla da kullanılmakta olan doğal gazın, havadaki oksijenle verdiği yanma reaksiyonunda oluşan ürünlerin yanısıra, yaşamımız için en önemli enerji türlerinden ısıyı da oluşturduğunu biliyorsunuz. Bazı reaksiyonları yürütebilmemiz için ise, bizim belirli bir miktar enerjiyi reaksiyon sistemine vermemiz gerekir. En basitinden, bir yemeğin pişmesi sürecinde gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar da ısı enerjisi gerektirmektedir. halde her kimyasal reaksiyonun bir enerji değişimi ile sonuçlanmasını beklemek doğaldır. Bu enerji değişimi, reaksiyon boyunca atomlar arasında kırılacak ve yeni oluşacak bağlara ait bağ enerjilerinin bilançosunun belirlediği bir miktarda gerçekleşir. Çok öz bir ifadeyle açıklanacak olursa, reaksiyon bitiminde çevreye ısı veren reaksiyonlara "ekzotermik reaksiyonlar", çevreden ısı alan reaksiyonlara ise "endotermik reaksiyonlar" denir Ekzotermik Reaksiyonlar? Şamdandaki bir mumun oda sıcaklığında kendiliğinden tutuşup yanmaya başladığını görseydiniz, ne yapardınız? Herhalde çok şaşırır, belki de korkardınız. Çünkü böyle bir olay olağandışıdır. Ne var ki bir kez tutuşturulan bir mumun söndürülünceye veya tükeninceye değin yanmasını sürdürdüğüne herkes tanık olmaktadır. da sıcaklığında mumun kendiliğinden yanmaması, mum ile oksijen arasında gerçekleşecek kimyasal reaksiyona ilişkin aktivasyon enerjisinin yüksekçe bir değerde olduğunu gösterir. Bu nedenle oda sıcaklığında bu enerji engelini aşarak reaksiyona girmeye yetecek kadar enerjisi olan molekül sayısı da son derece azdır. ysa yanan bir kibritin sağlayacağı sıcaklıkta çok sayıda molekül enerji engelini aşar ve mumun yanması gerçekleşir. Mum ile oksijen arasında başlayan bu reaksiyon ekzotermiktir. Ekzotermik reaksiyonlar kimyasal dönüşüm sonucunda çevreye enerji salan reaksiyonlardır ve bu reaksiyonlarda ürünlerin potansiyel enerjisi reaktantlarınkinden daha düşük bir düzeye iner. Ekzotermik reaksiyonlarda reaktant molekülleri bir kez reaksiyona girmeye başlayınca açığa çıkan ısı enerjisi, kalan moleküllerin de aktivasyon enerjisi engelini aşabil

122 mesini sağlar. Böylece reaksiyon enerji açısından kendi kendini besler ve mum yanmasını sürdürür. Reaksiyonun ilerleyişi boyunca potansiyel enerji değişimi Şekil 7.3 deki gibi enerji diyagramları ile gösterilir. Şekil 7.3 Mumun yanması ve bu ekzotermik reaksiyona ilişkin potansiyel enerji diyagramı Endotermik Reaksiyonlar Bir bileşik içerdiği atomların arasındaki bağların kırılmasına yetecek kadar enerji verildiğinde elementlerine ayrıştırılabilir. Örneğin su, belirli bir miktarda elektrik enerjisi harcanarak kendisini oluşturan elementler olan hidrojen ve oksijene ayrıştırılabilir (Şekil 7.4). Birçok kimyasal bileşik de uygun sıcaklıklarda ısıtılarak ayrıştırılır. Öte yandan yeşil bitkilerin de güneşten bize ulaşan ışığın (foton) enerjisini kullanarak fotosentez adı verilen bir birleştirme (sentez) reaksiyonu ile, havadaki karbon dioksidi glükoza (şekere) dönüştürdüğü bilinmektedir (Şekil 7.5). Şekil 7.4 Suyun elektrik enerjisiyle ayrışma reaksiyonu ve potansiyel enerji diyagramı

123 Yürütülebilmesi için belirli bir enerjinin verilmesini gerektiren reaksiyonlara "endotermik reaksiyonlar" denir ve bu reaksiyonlarda ürünlerin potansiyel enerjisi reaktantlarınkinden daha yüksektir. Endotermik reaksiyonlarda da, reaksiyonun başlatılabilmesi için en azından aktivasyon enerjisi engelini aşmaya yetecek kadar bir enerjinin verilmesi ön koşuldur. Ancak ekzotermik reaksiyonlardan farklı olarak, reaksiyonun ilerleyişini sürdürmek için de çevreden sürekli enerji sağlanması gerekir. Böylece endotermik bir reaksiyon boyunca sistem dışarıdan enerji alır. Örneğin Şekil 7.4 deki suyun ayrışma reaksiyonu gözönüne alınırsa, elektrik kesildiği anda reaksiyon durur. Şekil 7.5 deki bitki karanlık bir ortama alındığında da fotosentez sona erer. Zira her iki olay da enerji gerektirmektedir. Şekil 7.5 Güneşin sağladığı enerjiyi kullanarak yürüyen bir endotermik reaksiyon olan fotosentez ve bu olayı gösteren potansiyel enerji diyagramı Reaksiyon Isısı Şimdi de Şekil 7.6 da verilen potansiyel enerji diyagramlarını ele alalım. Gerek ekzotermik reaksiyonlarda, gerekse de endotermik reaksiyonlarda reaksiyona giren maddelerin enerjisi, ürünlerinkinden farklı olmaktadır. Bu fark ya reaksiyonda açığa çıkan ya da reaksiyon boyunca dışarıdan alınan enerji miktarına karşılık gelir

124 Bir reaksiyon sonucunda açığa çıkan veya reaksiyonun oluşumu boyunca dışarıdan alınan enerjiye reaksiyon ısısı ( H) denir. Reaksiyon sisteminin ısı içeriğindeki (entalpisindeki) bu değişiklik, reaktant için ve genellikle de mol başına kilokalori (kkal /mol) cinsinden ifade edilir. Potansiyel en erji Reaktantlar E a H Ürünler Potansiyel en erji Reaktantlar E a H Ürünler Reaksiyon Reaksiyon Ekzotermik reaksiyon En dotermik reaksiyon Şekil 7.6 Ekzotermik ve endotermik reaksiyonlarda potansiyel enerji diyagramları, aktivasyon enerjileri (E a ) ve reaksiyon ısıları ( H). Şekil 7.6 daki diyagramlardan anlaşılabileceği gibi, reaksiyon ısısı H değeri, ürünlerin potansiyel enerjisiyle reaktantların potansiyel enerjisi farkına eşittir. halde ekzotermik bir reaksiyon için H eksi, endotermik bir reaksiyon için ise artı değer alır. Sonuç olarak şunu da söyleyebiliriz : Her reaksiyonun kendine özgü bir aktivasyon enerjisi (E a ) ve reaksiyon ısısı ( H ) vardır. ÖRNEK 7.1 : Aşağıdaki reaksiyonların enerji açısından hangi türden olduğunu belirtiniz. (a) N H 2 2 NH ,1 kkal / mol (b) 2 Hg + 43,3 kkal / mol 2 Hg + 2 (c) S 2 + 1/2 2 S 3 H = - 23,7 kkal / mol (d) C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2 H = 32,7 kkal / mol

125 ÇÖZÜM 7.1 : (a) Reaksiyon denkleminde ürünler tarafında 22,1 kkal ifadesi bulunması, bu ısının açığa çıktığını gösterir. halde reaksiyon ekzotermiktir. (b) Reaksiyon denkleminde Hg reaktantı yanında 43,3 kkal'lik ısı enerjisinin de tüketildiği görülüyor. Öyleyse reaksiyon endotermiktir. (c) H'ın eksi işaretli olması, reaksiyonun ekzotermik olduğunu gösterir. (d) Artı işaretli H'dan dolayı, bu reaksiyon endotermiktir. ÖRNEK 7.2 : Aktivasyon enerjisi 45 kkal/mol olan aşağıdaki reaksiyon için potansiyel enerji diyagramını çiziniz. 2XYZ 2XY + Z 2 H = 20 kkal/mol ÇÖZÜM 7.2 : Potansiyel enerji diyagramını çizebilmek için önce reaksiyonun ekzotermik mi, yoksa endotermik mi olduğunu belirlemeliyiz. Reaksiyon denklemine göre, bu reaksiyon +20 kkal ısı gerektirir ve endotermiktir. halde ürünler, reaktant maddeye göre 20 kkal daha yüksek enerjidedir. Bu durumda reaktantın bağıl potansiyel enerjisini keyfi olarak sıfır kabul ederek, diyagramı kolayca çizebiliriz. Öyleyse ürünler, reaksiyona giren maddeye kıyasla 20 kkal lik bir potansiyel enerjiye sahiptir. Aktivasyon enerjisi 45 kkal olduğundan, eğrinin tepesi (aktif kompleks) 45 kkal değerine karşılık gelir. Bağıl potansiyel enerji (k kal / mol) E a H 2 X Y + Z X Y Z Reaksiyon? A 2 + B 2 2 AB reaksiyonunun aktivasyon enerjisi 35 kkal/mol olup, reaksiyon ısısı, H, - 5 kkal/mol değerindedir. Bu reaksiyonun potansiyel enerji diyagramını çiziniz

126 4. REAKSİYN HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER? Bir kimyasal reaksiyonu hızlandırmak veya yavaşlatmak elimizde midir? Neleri değiştirirsek bir kimyasal dönüşümün hızı da değişir? Bu bölümde kimyasal reaksiyonların hızları üzerinde hangi faktörlerin etkili olabileceğine değinilecektir Reaktantların Yapısı Kimyasal reaksiyonların hızları reaktantların doğası ile doğrudan ilişkilidir. Çünkü kimyasal değişme boyunca gerçekleşecek bağ kırılma ve oluşmalarının hızı, bu bağların ve bunların oluşturduğu moleküllerin yapısına göre değişir. Örneğin herhangi bir nedenle hava içine yayılan renksiz azot monoksit gazı çok hızlı bir şekilde oksijenle birleşerek kahverengi azot dioksit gazını oluşturur. 2 N N 2 (25 C de çok hızlı) Bu reaksiyon 25 C sıcaklıkta çok hızlı gerçekleşir. ysa otomobillerin egzozlarından çıkan karbon monoksit de havaya yayılır. Ancak oksijenle birleşerek karbon dioksit oluşturması, yine aynı sıcaklıkta, epeyce yavaştır ve bu yoğun trafiği olan kalabalık kentlerde önemli bir çevre sorununa da neden olur. 2 C C 2 (25 C de çok yavaş) Bu iki reaksiyon denklemine dikkat edilirse, reaktantların ve ürünlerin formülleri birbirine çok benzer. Her iki reaksiyon da aynı sıcaklıkta ve aynı ortamda gerçekleşmesine karşın, hızlarındaki bu büyük farklılık N ve C moleküllerinin yapısından veya azot ile oksijen ve karbon ile oksijen atomları arasındaki bağların farklılığından kaynaklanır Reaktantların Derişimi Derişim birim hacimdeki madde (ya da tanecik) miktarı olarak tanımlanabilir (Ünite 9'da ayrıca ele alınacaktır). Reaktantların yapılarından başka, derişimleri de o kimyasal reaksiyonun hızını önemli ölçüde etkiler. Bu ünitenin ikinci bölümünden anımsayacağınız gi

127 bi, reaksiyona girebilmeleri için taneciklerin çarpışmaları gerekir. halde reaksiyon ortamında daha çok sayıda reaktant taneciği bulunması, daha fazla sayıda çarpışmanın gerçekleşmesine neden olur (Şekil 7.7). X X X X X X Y Y Tek çarpışma 4 çarpışma 6 çarpışma olasılığı olas ılığı olasılığı Y Y Y X X X X Y Y Y Y 16 çarpışma olasılığı Şekil 7.7 X ve Y reaktant tanecikleri arasındaki olası çarpışma sayısı ile, ortamdaki tanecik sayısının doğru orantılı ilişkisi. Reaktantların derişimlerindeki artma çarpışma sayısını ve dolayısıyla reaksiyon hızını artırır. Bir kibritin tutuşturulduğunda belirli bir hızda ve turuncu bir alevle yandığını bilirsiniz. Bu kibriti odadaki havanın oksijeni ile yakmak yerine, içerisine oksijen gazı gönderilen bir kap içersinde yakmayı denerseniz, çok daha hızlı şekilde ve daha parlak bir renkle yandığını görürsünüz. Zira bu durumda reaktantlardan biri olan oksijenin derişimi çok daha fazladır Hız Eşitlikleri Kimyasal reaksiyonların hızları ve derişimler arasındaki ilişki "hız eşitliği" veya "hız yasası" denilen eşitliklerle ifade edilir. Hız eşitliklerini irdelemeden önce "basit ve karmaşık reaksiyonlar" kavramları üzerinde duralım. Eğer bir kimyasal dönüşüm tek basamakta, yani tek bir reaksiyonla, ger

128 çekleşmekte ise "basit reaksiyon" adını alır. Basit reaksiyonlarda, reaksiyonun stokiyometresinden yararlanarak hız eşitliğini doğrudan bulabiliriz. Aşağıdaki genel reaksiyon denklemi ile, basit bir reaksiyonu göz önüne alalım. aa + bb cc + dd Bu basit reaksiyonun hızı A ve B reaktantlarının derişimleri çarpımı ile doğru orantılıdır (kütle etkisi yasası). Hız [A] a [B] b Bu doğru orantılı ilişkiye göre reaksiyonun hız eşitliği, Hız = k [A] a [B] b (7.1) şeklinde yazılır. Hız eşitliğindeki terimlerden k orantı sabiti, "hız sabiti" adını alır. Hız sabiti k'nın değeri, sıcaklık sabit tutulmak koşulu ile, ancak reaktantların ve ürünlerin yapısına bağlı olup reaksiyon boyunca aynı kalır. Ancak sıcaklığın değişmesi halinde k'nın değeri de değişir. Hız sabiti k'nın yüksek bir değerde olması reaksiyonun hızlı, düşük bir değerde olması ise yavaş gerçekleşmesi anlamına gelir. Sıcaklıktaki yükselme k'nın değerini ve dolayısıyla reaksiyon hızını artırır (bu olgu bir bölüm sonra ayrıca ele alınacaktır). Eşitlik (7.1) de görülen [A] ve [B] ifadeleri ise A ve B reaktantlarının mol/litre cinsinden derişimlerini belirtir. Aynı eşitlikten reaksiyon hızının, hız sabiti ile reaktant derişimlerinin stokiyometrik katsayıları üs olarak alınmak üzere çarpımlarına eşit olduğu anlaşılır. Örneğin azot monoksit gazının ozon gazıyla reaksiyona girerek azot dioksit ve oksijen gazlarını oluşturması, tek basamakta gerçekleşen basit bir reaksiyondur. N + 3 N Bu basit reaksiyon için hız eşitliği Hız = k [N] 1 [ 3 ] 1 = k [N] [ 3 ] (7.2) şeklinde yazılır

129 Öte yandan her ne kadar tek bir basamakta oluşmadığı biliniyorsa da, hidrojen iyodürün oluşma reaksiyonuna ilişkin deneysel çalışmalar, bu reaksiyon için de Eşitlik (7.2) ye benzer bir hız eşitliğinin geçerliliğini göstermektedir. H 2 + I 2 2 H I Hız = k [H 2 ] [I 2 ] (7.3) Bazı kimyasal dönüşümler birden fazla basamakta gerçekleşirler ve bunlara ilişkin reaksiyon denklemleri tüm bu basamakların net sonucunu simgeler. Bu durumdaki reaksiyonlara "karmaşık reaksiyonlar" denir. Karmaşık reaksiyonların hız ifadeleri kitabımızın kapsamı dışındadır. Ancak özellikle belirtilmesi gereken bir nokta, bu tür reaksiyonlarda basit reaksiyonların hız eşitliklerini bulmak için kullandığımız yolun geçersiz olduğudur. Örneğin HBr oluşumunu gösteren aşağıdaki reaksiyon denklemi, H 2 + Br 2 2 HBr görüldüğü gibi HI oluşumunun reaksiyon denklemine çok benzemesine karşın, hız eşitliği oldukça farklı, karmaşık bir reaksiyondur. Bu reaksiyon için deneysel olarak bulunan hız eşitliği de H 2 Br 2 Hız = k HBr 1 + Br 2 şeklinde olup, (7.3) eşitliğine göre oldukça farklıdır. halde bir kimyasal reaksiyonun hız eşitliğini reaksiyon stokiyometrisine bakarak değil, deneysel olarak saptamak kuşkusuz en güvenli yoldur Katı Reaktantın Yüzey Alanı Reaksiyonların bir kısmı, azot monoksidin veya karbon monoksidin yanmasındaki gibi, reaktantların tümünün aynı halde (gaz, sıvı veya katı) bulunduğu kimyasal değişmelerdir. Böyle reaksiyonlara "homojen reaksiyonlar" denir. Bazı reaksiyonlarda ise, katı kömürün oksijen gazı ile yanma reaksiyonundaki gibi, maddenin farklı hallerindeki reaktantlar yer alır. Bu tür reaksiyonlara da "heterojen reaksiyonlar " denir. Heterojen reaksiyonlardaki kimyasal değişmeler iki farklı faz (hal) arasındaki "arayüzeyde" gerçekleşir. halde heterojen reaksiyonlarda katı haldeki bir reaktantın yüzey

130 alanı ne ölçüde büyük olursa, reaksiyon da o ölçüde hızlı gerçekleşir. Talaş haline getirilmiş bir odunun kütük halindeki oduna kıyasla çok daha hızlı yandığını hepiniz bilirsiniz. Yüzey alanının büyütülmesi ile reaktant tanecikleri arasındaki çarpışma sayısı artırılmış olmakta, bu da reaksiyonun hızlanmasını sağlamaktadır. Hatta bazen yüzey alanının büyütülmesi patlama düzeyinde reaksiyon hızlarına bile yol açabilmektedir. Örneğin üretimde kuru ve çok iyi öğütülmüş un kullanılan tesisler de patlama olasılığı göz önünde bulundurulmak zorundadır Sıcaklık Reaktantların sıcaklığını yükseltmek, taneciklerin kinetik enerjilerini ve dolayısıyla hızlarını artırır. Bu ise hem reaksiyona neden olabilecek (etkin) çarpışma sayısını artırır, hem de çarpışan taneciklere aktivasyon enerjisi engelini aşmaya yetecek kadar enerji kazandırır. Şekil 7.8 de görülebileceği gibi, yüksek sıcaklıktaki tanecik dağılımında aktivasyon enerjisine eşit veya daha fazla kinetik enerjiye sahip olduğu için etkin çarpışma yapabilen tanecik sayısı (çizgili alan), düşük sıcaklıktakine (sık taranmış alan) göre çok daha fazladır. halde sıcaklığın yükseltilmesi reaksiyon hızını artırır. Genelde sıcaklıktaki 10 C lik bir yükselme, bir reaksiyonun hız sabitini ve dolayısıyla hızını iki (bazen üç) katına çıkarır. Şekil 7.8 Sıcaklık artışının reaksiyona katılan taneciklerin ortalama kinetik enerjilerini yükselterek ürün oluşumuna yol açacak etkinlikte (aktivasyon enerjisi engelini aşabilen) çarpışma yapabilecek tanecik sayısını artırması

131 Sıcaklıktaki değişikliklerin canlı organizmalar üzerinde de önemli etkileri vardır. Ateşi yükselen bir insanın vücudundaki kimyasal reaksiyonların hızı artar, kalp atışı ve solunumu hızlanır, sindirim ve sinir sistemlerinde anormallikler ortaya çıkar. Ateşi yükselen bir insanın bazal metabolizma hızının, vücut sıcaklığındaki bir derecelik yükselmeye karşılık % 5 civarında arttığı bilinmektedir. Ayrıca dışarıdaki sıcaklığın yükselmesinin de canlılar üzerinde benzer etkileri vardır. Aksine vücut sıcaklığının düşmesi vücuttaki reaksiyonların hızını azaltır. Örneğin bu nedenle ameliyathanelerde sıcaklık düşük tutularak hastanın metabolizma hızı ve oksijen gereksinimi azaltılır Katalizörler Bir kimyasal reaksiyonun hızının sıcaklığı yükseltmekle artacağını biliyorsunuz. Ne var ki birçok reaksiyonda, reaktantlar yüksek sıcaklığa çıkarıldığında bozunur veya istenmeyen yan ürünler oluşur. Bu sorunun çözümünü araştıran bilim adamları bazı kimyasal maddelerin reaksiyon hızını artırdığını bulmuşlardır. Kendileri tüketilmediği halde reaksiyonların hızlanmasını sağlayan bu tür maddelere "katalizör" adı verilir. Örneğin tekstil, çelik, gübre, plastik, boya ve çok çeşitli ürünleriyle petrokimya endüstrisinin önemli bir girdisi olan sülfürik asidin üretim basamaklarından en önemlisi, kükürt dioksit ve oksijen gazlarından kükürt trioksit gazının oluşmasıdır. 2 S S 3 Bu reaksiyonun aktivasyon enerjisi çok yüksek olup, yüksek sıcaklıklarda bile epeyce yavaş ilerler. Bu ise endüstride büyük miktarlarda üretim için oldukça yüksek bir enerji maliyeti getirir ve hiç de ekonomik değildir. ysa çok iyi öğütülmüş platin veya vanadyum (V) oksit (V 2 5 ) katalizör olarak kullanıldığında bu reaksiyonun hızı büyük ölçüde artmakta, üretim böylece ekonomik hale gelmektedir.? Katalizörlerin reaksiyonları hızlandırıcı etkisi nasıl oluşur? Şimdi Şekil 7.9 da verilen örneği ele alalım. Kendi boyuna kıyasla fazlaca yüksek bir potaya atışlar yapan basketbol öğrencisi bir çocuk, büyük bir olasılıkla çok az sayı yapacaktır (Şekil 7.9.a). Ancak pota yüksekliğinin epeyce düşürüldüğü ikinci durumda (Şekil 7.9.b) çocuğun

132 atışlarının çok daha büyük bir kısmı potadan geçebilir. Kuşkusuz bir amaca ulaşma olasılığı, aşılması gereken engeller küçüldükçe artar. Şekil 7.9 Aşılması gereken engelin büyüklüğü ile bir amacın gerçekleşme olasılığıarasıdaki ters orantılı ilişki. (a) Pota kendi boyuna göre fazlaca yüksekte olduğundan çocuğun sayı yapma olasılığı düşüktür. (b) Pota yüksekliği azaltıldığında çocuğun atışlarının çok daha büyük bir kısmı potadan geçebilir. Şimdi Şekil 7.9 daki olayın kimyasal reaksiyonlar ve hızları ile ilişkisini düşünelim. Potanın fazlaca yüksekte bulunduğu Şekil 7.9.a da çocuğun atışlarının çok azı potadan geçebiliyordu. Bu bir kimyasal reaksiyonun, yüksek bir aktivasyon enerjisi engelinden dolayı, çok az sayıdaki etkin çarpışma sonucu çok yavaş ilerlemesine benzer. Şekil 7.9.b de ise pota çocuğun boyuna göre pek yüksek olmadığından, çok daha fazla atış sayıya dönüşebilmektedir. Bu durum ise, bir kimyasal reaksiyonun aktivasyon enerjisinin bir katalizör kullanarak düşürülmesiyle (katalizlenmesiyle) çok daha fazla sayıda etkin çarpışma gerçekleşmesi ve reaksiyonun hızlanmasını andırır

133 halde katalizörler bir reaksiyonu aktivasyon enerjisini düşürerek hızlandırırlar. Şekil 7.10 da bir reaksiyonun (a) katalizörsüz ve (b) katalizlenerek yürüyüşü enerji diyagramı ile gösterilmektedir. Görüldüğü gibi, katalizör kullanıldığında reaksiyon daha düşük enerjili aktif kompleks içeren, değişik bir gidiş yolu ile gerçekleşmektedir. Bu durumda düşük sıcaklıklarda bile, reaktant taneciklerinin çok büyük bir kısmı yeni enerji engelini E á aşabileceğinden ürünlerin oluşumu çok daha hızlıdır. Şekilden görülebileceği gibi katalizör kullanılması reaksiyon ısısını ( H) etkilememekte, her iki durumda da H aynı değerde olmaktadır. Aktif kompleks a Potansiyel en erji Ea Reaktantlar Ea H Katalizlenmiş durumdaki aktif komp leks b Ürünler Reaksiyon Şekil 7.10 (a) Katalizörsüz ve (b) katalizlenerek yürütülen bir kimyasal reaksiyondaki akti vasyon enerjilerinin E a ve E á ve aktif komplekslerin farklılığı Enzimler Canlı organizmalarda gerçekleşen kimyasal reaksiyonların çoğu, organizma dışında gerçekleşmesi halinde, yeterince hızlı yürümesi için yüksek sıcaklıklar gerektiren reaksiyonlardır. İnsan vücudu için de durum böyle olup, vücudumuzda oluşacak reaksiyonlar vücut sıcaklığında (37 C) ve gereken hızlarda olup bitmek zorundadır. Aksi halde ya sıcaklığın yükselmesi veya tersine reaksiyon hızlarının çok düşük olması gerekir ki, bunlar da yaşamı tehlikeye sokar. Ne var ki organizma, "enzim adı" verilen bazı özel bileşikler üretir ve bunlar bir tür biyolojik katalizör işlevi görerek, bu reaksiyonların vücut sıcaklığında

134 da gerekli hızda gerçekleşmesini sağlarlar. Öte yandan fermentasyon adı da verilen mayalanma reaksiyonlarında kullanılan mayalar da canlı mikroorganizmalardan oluşur ve olayı hızlandıran enzimler içerirler. Enzimler reaksiyon hızlarını katına kadar bile artırabilen son derecede etkin katali- zörlerdir. Binden fazla çeşidi bilinen enzimlerin herbiri yalnızca bir reaksiyonu veya birbiriyle çok yakın ilişkili bir reaksiyonlar grubunu katalizler. rganizmanın ürettiği enzimlerden birinin bile vücutta bulunmaması ya da herhangi bir nedenle zarar görmesi, çok önemli sağlık sorunlarına yol açar. Örneğin belirli bir enzimin bulunmaması nedeni ile "fenil ketonüri" hastalığına yakalanan çocuklarda, bu durumun zihinsel gelişim bozukluklarına neden olduğu bilinmektedir. Özet Bir kimyasal reaksiyonun hızı, söz konusu kimyasal değişimin ne denli çabuk gerçekleştiğini ifade eder. Bir kimyasal reaksiyonun gerçekleşebilmesi için reaktantı oluşturan tanecikler "aktivasyon enerjisi (E a )" denilen bir enerji engelini aşmaya yetecek bir enerji ile çarpışmalıdır. Böylesine enerjik bir çarpışma "aktif kompleks" adı verilen reaktif bir grup oluşturur. Aktif kompleks reaktantlar ve ürünler arasında bir geçiş durumunu temsil eder ve daha sonra ürüne dönüşür. Kimyasal reaksiyonlarda enerji değişimi de gözlenir. Çevreye enerji salan reaksiyonlara "ekzotermik", yürümesi için enerji verilmesi gereken reaksiyonlara ise "endotermik reaksiyonlar" denir. Reaksiyonda dışarı verilen veya dışarıdan alınan enerji miktarına "reaksiyon ısısı ( H)" denir. Bir kimyasal reaksiyonun hızı reaktantların yapılarına ve derişimlerine, reaksiyonun gerçekleştiği sıcaklığa ve katalizör varlığına bağlıdır. Sıcaklık artışı ve katalizör kullanımı reaksiyon hızlarını artırdığı gibi, katı reaktantın yüzey alanının büyütülmesi de reaksiyonu hızlandırır. Enzimler biyokimyasal reaksiyonları hızlandıran katalizörlerdir. Enzimler sayesinde vücut sıcaklığında dışarıda çok yavaş yürüyen reaksiyonlar, vücutta son derece hızlı bir şekilde gerçekleşir. Vücuttaki enzimlerin yokluğu veya zarar görmesi önemli sağlık sorunlarına yol açar

135 Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Reaksiyon hızlarına ilişkin aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur? A) Ekzotermik reakisyonlar için aktivasyon enerjisine gerek yoktur. B) Reaksiyon hız eşitlikleri doğrudan kimyasal denkleme bakılarak yazılır. C) Reaksiyon hızları reaktantların derişiminden bağımsızdır. D) Reaktant moleküllerinin içerdikleri bağların türü ve enerjisi, reaksiyon hızını etkiler. E) Isı veren reaksiyonlar soğutuldukça hızlanır. 2. Aktivasyon enerjisi için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) Reaktantlar ve ürünler arasındaki enerji farkıdır. B) Hızı büyük reaksiyonların, aktivasyon enerjisi de büyüktür. C) Aktif kompleksin oluşumu için gerekli en düşük enerji miktarına eşittir. D) Katalizör miktarı artırıldıkça, aktivasyon enerjisi de artar. E) Çarpışan taneciklerin açığa çıkardığı enerjidir. 3. Bir kimyasal reaksiyonda diğer koşullar değiştirilmeden sıcaklık düşürülürse, verilenlerden hangisi veya hangileri doğru olmaz? I. Aktivasyon enerjisi değişmez. II. Hız sabiti azalır. III. Birim zamandaki etkin çarpışma sayısı değişmez. IV. Hız eşitliği değişir. A) I ve II B) III ve IV C) I, II ve IV D) I, III ve IV E) I, II, III ve IV

136 4. Potansiyel en erji AB B 2 2 a b c AB3 d 0 Reaksiyon AB 2 + 1/2 B AB 3 gaz fazı reaksiyonuna ilişkin potansiyel enerji diyagramı yukarıda verilmiştir. Reaksiyon ortamına katalizör ilavesi halinde verilen değerlerden hangisi veya hangileri değişir? A) Yalnız a B) Yalnız b C) a ile b D) b ile c E) a ile d 5. 2KCl 3 2KCl H > Yukarıdaki reaksiyonda katalizör kullanılması halinde aşağıdakilerden hangisi artmaz? A) Reaksiyon hızı B) Birim zamanda ayrışan KCl 3 miktarı C) Birim zamanda oluşan 2 miktarı D) Reaksiyon süresi E) Birim zamandaki etkin çarpışma sayısı

137 6. Potansiyel enerji (k kal / mol) Potansiyel enerji (k kal / mol) 4a 4a 2a a 2a a 0 Reaksiyon 0 Reaksiyon I II Yukarıda aynı sıcaklıkta gerçekleşen iki ayrı reaksiyonun potansiyel enerji diyagramları verilmiştir. Bu iki reaksiyona ilişkin aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) I. reaksiyonun hız sabiti daha büyüktür. B) II. reaksiyonun aktivasyon enerjisi daha düşüktür. C) Her iki reaksiyon da endotermiktir. D) H ı > H ıı E) I. reaksiyonun aktivasyon enerjisi daha büyüktür. 7. 2A + B 3C Verilen reaksiyon denklemine göre B maddesinin tükenme hızı 0,2 mol / litre. saniye ise, A' nın tükenme ve C nin oluşma hızları kaçar mol/litre. saniye olur? A) 0,4 ve 0,6 B) 0,3 ve 0,9 C) 0,2 ve 0,4 D) 0,1 ve 0,3 E) 0,3 ve 0, NCl 2N + Cl 2 reaksiyonu tek adımlı basit bir reaksiyondur. Bu reaksiyonun hızı 127 C de NCl derişimi 0,050 mol/litre iken, 1,75 x 10-6 mol/litre. saniye olduğuna göre, hız sabiti, k, kaç litre / mol saniye'dir? A) 8,75 x 10-8 B) 3,5 x 10-5 C) 7x 10-4 D) 8,75 x 10-4 E) 3,5 x

138 9. 2XY 2 X 2 Y 4 Yukarıdaki reaksiyon denklemine ve aşağıda verilen değerlere göre bu reaksiyonun hız eşitliği nasıl olmalıdır? XY 2 nin başlangıç derişimi (mol / litre) Reaksiyonun başlangıç hızı (mol / litre. saniye) 0,5 2,0 2,0 32,0 A) Hız = k [XY 2 ] 3 B) Hız = k [XY 2 ] 2 C) Hız = k [XY 2 ] D) Hız = k [X 2 Y 4 ] 2 E) Hız = k [X 2 Y 4 ] 10. I ve II gaz fazında gerçekleşen iki ayrı reaksiyondur. Bu iki ayrı reaksiyona ilişkin reaktant moleküllerinin T 1 ve T 2 sıcaklıklarındaki kinetik enerji dağılımı yukarıdaki grafikte gösterilmektedir. Buna göre I. Aynı sıcaklıkta Hız ı, Hız ı ı den büyüktür. II. T 1, T 2 'ye göre düşük bir sıcaklıktır. III. Her iki reaksiyonun da T 1 sıcaklığındaki hızı, T 2 sıcaklığındakinden büyüktür. IV. Her iki reaksiyon için de T 2 sıcaklığında aktif kompleks sayısı, T 1 sıcaklığındakinden daha çoktur. İfadelerinden hangisi veya hangileri doğrudur. A) Yalnız I B) I ve II C) I, II ve III D) I, II ve IV E) I, II, III ve IV

139 ÜNİTE 8 Kimyasal Denge Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Tersinirlik kavramını öğrenecek ve yaşamımızdaki yerini tanıyacak, Kimyasal dengenin oluşma nedeni ve temel özelliklerini bilecek, Denge sabiti kavramını öğrenecek ve verilen denge reaksiyonlarının denge sabiti eşitliklerini türetebilecek, Le Châtelier kuralını öğrenecek ve bunu istenen kimyasal dengelere uygulayabilecek, Dengeyi etkileyen faktörleri kavrayacak ve bunların verilen denge sistemlerine etkilerini belirleyebileceksiniz. İçindekiler Giriş Tersinirlik ve Kimyasal Denge Denge Sabiti Le Châtelier Kuralı ve Kimyasal Denge Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteye çalışmadan önce "Kimyasal Reaksiyonlarda Hız" konulu Ünite 7 'yi gözden geçiriniz. Verilen örnekler üzerinde dikkatle durunuz ve sizin yanıtlamanız istenen soruları mutlaka inceleyerek çözmeye çalışınız. Ünite sonunda verilen değerlendirme sorularını çözmeyi unutmayınız.

140 1. GİRİŞ Şu ana kadar ele aldığımız tüm değişimlere tek yönlü olaylar gözü ile bakmıştık. ysa bazı fiziksel ve kimyasal olaylar, gerekirse koşulların da değiştirilmesi ile, her iki yönde de oluşabilmektedir. Bu olgu "tersinirlik" olarak adlandırılır. Sözgelimi bir buz parçası soğutucudan çıkarıldığında çevreden ısı alarak yavaş yavaş erir ve sıvı su haline gelir. Aynı su tekrar soğutucuya konulduğunda da aldığı ısıyı geri vererek tekrar buza dönüşür. halde fiziksel hal değişikliği tersinir bir süreçtir. tomobillerin elektrik enerjisi deposu olan akülerde, bir takım kimyasal maddeler reaksiyona girerek tüketildikçe elektrik üretilmektedir. Aynı akü şarj edildiğinde ise bu süreç tersine dönmekte ve bu kez harcanan elektrik enerjisi ile başlangıçtaki kimyasal maddeler yeniden üretilmektedir. halde bu kimyasal olay da tersinir özelliktedir. ysa aynı otomobilde motorun silindirlerinde gerçekleşen yanma reaksiyonunda, yakıtın oksijenle yanarak temel yanma ürünleri olan karbon dioksit ve su buharını oluşturmasında, yanma ürünlerinin geri dönerek yeniden yakıta dönüştüğü hiçbir zaman gözlenmemiştir. Bunun gibi bazı reaksiyonlar başladıktan sonra geriye dönme olanağı bulamayacak şekilde tek yönde ilerleyerek reaktantlardan biri ya da tamamı tükenince sona ermektedir. Bu türden reaksiyonlar tersinmez özelliktedir. Şu halde bazı değişim süreçlerinin tersinir olmalarına karşın, bazılarını geriye çevirmek mümkün değildir. Şimdi de tersinir bir reaksiyona vücudumuzdan örnek verelim: Kan hücrelerindeki hemoglobin akciğerlerde oksijenle birleşerek oksihemoglobini oluşturur. luşan bu oksihemoglobin daha sonra vücudun çeşitli kısımlarında gerçekleşecek metabolizma faaliyetleri için gerekli oksijeni açığa çıkararak başlangıçtaki haline döner. Verilen kısa açıklamaların ışığında şu genellemeyi yapabiliriz: Hal değişiklikleri gibi fiziksel değişimlerin tersinir olmalarına karşın, kimyasal değişimlerin sadece bir kısmı tersinir olma özelliği göstermektedir. Tersinir reaksiyonların kontrol altında tutularak yönünün ve nereye kadar ilerletileceğinin belirlenmesi ilaç, plastik v.b. binlerce çeşidi ile kimyasal madde üretiminde önemli bir husustur. Bu ünitede tersinir kimyasal olayları konu alan kimyasal denge olgusu, ana hatları ile ele alınacaktır

141 2. TERSİNİRLİK VE KİMYASAL DENGE Ünite 7 'de kimyasal reaksiyonların hızları konusu ele alınmıştı. Aslında kimyasal reaksiyonlarda hız kadar, oluşan ürünün miktarı da önemli bir özelliktir. Tersinir reaksiyonlarda reaktantların yalnızca belirli bir kısmı ürünlere dönüşür. Bir başka ifade ile tersinir reaksiyonlar tamamlanmazlar ve reaksiyonun ilerlemesi için gerekli koşullar sağlandıktan sonra ne kadar süre beklenirse beklensin, reaksiyon kabında bir kısım reaktantın sürekli kaldığı görülür.? Bir reaksiyonun tersinir özelliği nereden kaynaklanır? Tersinir bir reaksiyonda, reaksiyonun tamamlanması için fazlasıyla beklense bile reaktantların kapta tükenmemesi ve giriş bölümünde tersinirlik olarak tanımlanan, bir değişim sürecinin her iki yönde de ilerleyebilmesi birbiriyle doğrudan ilişkili iki olgudur. Aşağıdaki genel reaksiyon ile tersinir bir süreci ele alalım. A + B Reaktantlar ileri geri C + D Ürünler (8.1) Reaksiyon denkleminin çift yönlü ok ile gösterilmesi tersinir özelliğini belirtmek içindir. Reaksiyon kabına konan A ve B reaktantlarının, koşullar sağlanarak reaksiyona girmesiyle bu olay ileri yönde, yani C ve D yi oluşturacak şekilde ilerler. Zaman geçtikçe A ve B 'nin harcanma hızı azalır ve nihayet bu reaktantların artık değişime uğramadığı gözlenir.? Reaktantların belirli bir süre sonra artık miktarca azalmamasını nedeni, zamanla reaktifliklerinin azalması veya değişime uğramaya karşı direnç göstermeleri midir? Bu soruya verilecek yanıt, gerçekte tersinirliğin de nedenini ortaya koyar. Gözlenen bu durum ne A ve B 'nin reaktifliklerinin zamanla azalması, ne de artık kimyasal değişmeye direnmeleri gibi nedenlerle açıklanamaz. Buna göre yukarıdaki reaksiyonu yeniden ele alalım. Başlangıçta kapta yalnızca A ve B reaktantları bulunsun. A ve B moleküllerinin birbiriyle çarpışarak reaksiyona girmesiyle C ve D

142 ürünleri oluşmaya başlar. Reaksiyon ilerledikçe kap içerisinde C ve D molekülleri sayısı artar. Eğer reaksiyon kapalı bir kapta gerçekleştirilir ve oluşan ürün molekülleri herhangi bir yolla ortamdan uzaklaştırılmazsa, bu kez ürün molekülleri de birbirleri ile çarpışmaya başlar ve bir kısmı yeniden reaktantlara dönüşür.? Karşıt yönlü bu iki dönüşüm nereye kadar devam eder? Kap içersinde A ve B 'nin derişimleri, bu moleküller reaksiyona girdikçe azalacağından ileri reaksiyonun hızı zamanla azalır. Aksine kapta artan C ve D derişiminden dolayı da geri reaksiyonun hızı zamanla artar. Böylece ileri reaksiyonun yavaşlayıp, geri reaksiyonun hızlanması her iki yöndeki reaksiyonun hızı eşit oluncaya kadar devam eder (Şekil 8.1). Tersinir reaksiyonlarda ileri ve geri reaksiyon hızları eşitlendiğinde sistem dengeye ulaşmış olur. A + B C + D reaksiyonunun hızı Reaksiyon hızı 0 C + D A + B reaksiyonunun hızı Reaksiyonun başlangıcı Denge Zaman ileri Şekil 8.1 A + B C + D Tersinir reaksiyonunda ileri ve geri reaksiyonunda ileri geri reaksiyon hızlarının zamanla eşitlenmesi ile dengeye geri ulaşılması Şimdi de Ünite 7 'de reaksiyon hızlarını incelerken ele aldığımız hidrojen iyodürün oluşma reaksiyonuna yeniden göz atalım. Bu kez hidrojen ve iyot arasındaki reaksiyonun, Ünite 7 '

143 de gözardı ettiğimiz, tersinir özelliğine değineceğiz. Gaz halindeki hidrojen ve iyot 400 C civarında birleşerek hidrojen iyodürü oluştururlar. Bu reaksiyon aslında tersinir bir reaksiyon olup, gerçek denklemi aşağıdaki şekilde ifade edilebilir. H 2 (g) + I 2 (g) 2HI (g) Isıtılmakta olan kapalı bir kap içersinde karıştırılan H 2 ve I 2 molekülleri reaksiyona girerek HI oluşumuna neden olacaktır. Reaksiyon ilerledikçe daha fazla HI molekülü oluşacak ve oluşan HI molekülleri de birbiriyle çapışarak geri reaksiyona gireceklerdir. Bu durumda bazı HI molekülleri parçalanarak H 2 ve I 2 moleküllerini oluşturacaklardır. Bu geri reaksiyonun hızı HI derişimine bağlı olup, HI miktarı arttıkça geri reaksiyon da hızlanacaktır. Nihayet artan geri reaksiyon hızının, azalan ileri reaksiyon hızına eşitlenmesiyle, HI 'ün oluşma hızı ve parçalanma hızı birbirine denk hale gelecek ve reaksiyon dengeye ulaşacaktır (Şekil 8.2). H 2 I 2 (a) Başlangıçta (yalnızca reaktantlar) H 2 + I 2 (b) Dengede (Reaktantlar ve ürünler) H 2 + I 2 + HI Şekil 8.2 H 2 (g) + I 2 (g) 2HI (g) Tersinir reaksiyonunda (a) başlangıçta (b) dengeye ulaşıldığında reaksiyon kabı içindeki durum Genel bir ifade ile, dengenin birbirine zıt iki olay arasında bir denklik oluşması halinde kurulduğunu söyleyebiliriz. Verilen örnekteki gibi, eğer kurulan denge zıt yönlü kimyasal reaksiyonlar arasında oluşmuşsa "kimyasal denge" olarak adlandırılır. Kimyasal dengede ileri ve geri yöndeki reaksiyonlar aynı hızda gerçekleştiğinden daha fazla ürün oluşumu gözlenmez. Çünkü yeni oluşacak ürün, aynı miktarda ürünün reaktantlara dönüşmesi ile dengelenir. Reaksiyon koşulları sabit tutuldukça dengedeki reaksiyon ortamında her maddenin derişimi aynı kalır

144 Kimyasal dengeye ulaşıldığında reaksiyon kabındaki denge karışımında bulunan reaktantların ve ürünlerin derişimi, koşullar değişmedikçe aynı değeri koruyacağından, sanki ortamdaki tüm kimyasal değişmeler sona ermiş gibi görünür. ysa ileri ve geri reaksiyonlar halen devam etmekte olduğundan kimyasal denge "dinamik" bir süreçtir. 3. DENGE SABİTİ? Dengeye ulaşmış bir kimyasal reaksiyonda, ortamdaki ürün ve reaktant miktarları eşit mi olacaktır? Bir kimyasal reaksiyonun dengeye ulaşması halinde, dengedeki karışımda bulunan ürün ve reaktantlarının miktarları aynı olmak zorunda değildir. Çünkü kimyasal denge yalnızca, ileri reaksiyonla ürünlerin oluşumunun ve geri reaksiyonla reaktantların oluşumunun aynı hızda olması anlamına gelir. halde şimdi de bir reaksiyonun dengeye ulaşmadan önce ne kadar ilerleyebileceğinin nicel olarak nasıl ifade edileceğini görmek üzere, 8.1 denklemini değişebilen mol sayılarını da içeren daha genel şekliyle ele alalım. a A + b B ki kg c C + d D (8.2) Reaksiyon hızlarına ilişkin Ünite 7'deki "Hız Eşitlikleri" bölümünde değinilen Kütle Etkisi Yasasına göre, bu denge reaksiyonunda belirli bir sıcaklıkta ileri reaksiyonun hızı (Hız i ) A ve B reaktantlarının derişimleri çarpımı ile orantılı olup, k i ileri reaksiyonun o sıcaklıktaki hız sabiti olmak üzere, Hız i = k i [A] a [B] b (8.3) şeklinde ifade edilebilir. Aynı şekilde geri reaksiyonun hızı (Hız g ) da, geri reaksiyonun reaktantları olan C ve D 'nin derişimleri çarpımı ile orantılı olup, k g geri reaksiyonun hız sabiti olmak üzere, Hız g = k g [C] c [D] d eşitliği ile ifade edilir. (8.4)

145 Madem ki, ileri ve geri reaksiyon hızları eşitlendiğinde dengeye ulaşılmaktadır; o halde denge durumu için k i [A] a [B] b = k g [C] c [D] d (8.5) eşitliği geçerlidir. Dikkat edilirse Eşitlik (8.5) de, eşitliğin iki yanındaki k i ve k g belirli sıcaklıkta sabit değerlerdir. halde bu eşitliğin değişkenleri yalnızca reaktantların ve ürünlerin derişimleri olmaktadır. Derişim çarpımları bu eşitliği sağlayacak değere ulaştığında denge kurulmaktadır. Şimdi (8.5) eşitliğini iki hız sabitinin oranını elde edecek şekilde düzenleyelim: k i = [C]c [D] d k g [A] a [B] b (8.6) Belirli bir sıcaklıkta k i ve k g birer sabit olduğundan, k i / k g oranı da bir sabittir. k i k g = K (8.7) K ile simgelenen bu yeni sabit "denge sabiti" adını alır ve K d şeklinde (molar) derişimler cinsinden ifade edildiği belirtilmek üzere, eşitliği ile verilir. K d = [C]c [A] a [D] d [B] b (8.8) Buna göre, dengedeki ürünlerin derişimlerinin çarpımını (stokiyometrik katsayılar üs olmak koşulu ile), reaktantların derişimlerinin çarpımına oranlayarak K d bulunabilir. (Derişimlerin mol / litre cinsinden ifade edildiği bu eşitlikten bulunan K d ' nin birimi genellikle dikkate alınmaz.) Dikkat edilirse (8.2) genel denge reaksiyonu denklemindeki a, b, c ve d mol sayıları 1 olarak alındığında (8.1) denklemi elde edilir. Şimdi (8.1) denklemini yeniden ele alalım. A + B k i k g C + D Bir litrelik kapalı bir kaba belirli bir sıcaklıkta 3 'er mol A ve B konulduğunu düşünelim. Koşullar sağlanarak reaksiyon gerçekleştirilip dengeye vardığı anlaşıldıktan sonra, denge karışımında A ve B reaktantlarından 1' er mol, C ve D ürünlerinden ise 2' şer mol bulunduğu saptansın. Bu durumu aşağıdaki şekilde özetleyebiliriz:

146 A + B k i k g C + D Başlangıç mol sayısı: Dengedeki mol sayısı: Kabın hacmi 1 litre olduğundan denge karışımında A ve B nin molar derişimleri 1 'er mol / litre, C ve D 'ninkiler ise 2 'şer mol / litre olur. halde bu sıcaklıkta bu reaksiyonun denge sabiti K d = [C]1 [D] 1 = 2 x 2 [A] 1 [B] 1 1 x 1 = 4 olur. Bu denge reaksiyonunda derişimler çarpımının oranı, sistem dengede olmadığı sürece 4' den farklıdır. Dengeye varıldığı zaman bu oran denge sabiti olan 4 'e ulaşır ve sıcaklık değiştirilmedikçe de aynı kalır. Denge sabitinin değeri sıcaklıkla değişir. Örneğin aşağıdaki gaz fazı denge reaksiyonu ele alınırsa, CH 4 + H 2 C + 3H 2 sıcaklık 80 C de iken K d nin değeri 1,8 x 10-3, 1000 C de iken 4,7 x 10-2, 1500 C de ise 5,7 olmaktadır. Çizelge 8.1 'de 25 C sıcaklıkta gerçekleştirilen bazı denge reaksiyonlarına ilişkin denge sabiti ifadeleri ve sayısal değerleri verilmektedir. Görüldüğü gibi denge sabitleri bazı reaksiyonlar için çok küçük değerler alabildiği gibi, bazıları için de çok yüksek değerlerdedir (iyonların yer aldığı dengelere bir sonraki ünitede değinilecektir)

147 Tablo 8.1 Bazı reaksiyonların 25 C deki denge sabitleri Reaksiyon K d eşitliği K d nin değeri 2H 2 2H K d = [H 2] 2 [ 2 ] [H 2 ] 2 1,7 x N N K d = [N] 2 [N 2 ] [ 2 ] 4,8 x CH 3 CH H + + CH 3 C - K d = [H + ] [ CH 3 C - ] [CH 3 CH ] 1,8 x 10-5 N 2 4 2N 2 K d = [N 2 ] 2 [N 2 4 ] 5,9 x 10-3 Ag + + 2NH 3 Ag (NH 3 ) 2 + K d = [Ag NH + 32 ] [Ag + ] [NH 3 ] 2 1,7 x 10 7 H 2 + Cl 2 2HCl K d = [HCl] 2 [H 2 ] [Cl 2 ] 2,5 x Denge Sabiti Değerinin Anlamı Denge sabiti K d 'nin büyüklüğü o reaksiyonun dengeye varmadan önce ne kadar ilerleyebileceğinin bir ölçüsüdür. Yüksek bir K d değeri, dengede ürünlerin yüksek, reaktantların düşük derişimde bulunması anlamına gelir. Aksine, düşük bir K d değeri ise, dengedeki reaktant derişiminin ürünlerinkine kıyasla fazla olması demektir. Genel olarak, A + B C + D dengesinde K d 'nin 1 olması, dengede reaktantların yarısının ürüne dönüştüğünü, yani verimin %50 olduğunu gösterir. K d değerinin büyümesi reaktantların ürünlere dönüşümünün daha fazla tamamlanması anlamındadır. Çok büyük bir K d değeri reaksiyonun tamamlanma düzeyinde ilerleyebildiğini gösterirken, çok küçük bir K d değeri ise çok az ürünün oluşabildiğini gösterir

148 Gaz Fazı Reaksiyonlarında Denge Sabitleri? Denge sabiti yalnızca derişimler ile mi ifade edilebilir? Reaktantların ve ürünlerin gaz halinde olduğu reaksiyonlarda denge sabiti, derişimler cinsinden olduğu gibi, bu gazların dengedeki kısmi basınçları ile de ifade edilebilir. Şimdi ideal gaz eşitliğini gözönüne alalım. PV = nrt Eğer denge karışımındaki tüm gazların ideal davrandığı varsayılırsa, gazlardan herhangi birinin kısmi basıncı P = n V RT eşitliği ile bulunabilir. Hacmi V olan kapalı bir kapta bir gazın mol sayısı n ise, n / V terimi o gazın molar derişimini ifade eder. halde belirli bir sıcaklıkta gerçekleşen denge reaksiyonunda derişimler yerine, dengedeki gazların kısmi basınçları kullanılabilir. Buna göre a A (g) + b B (g) c C (g) + d D (g) şeklindeki genel bir gaz fazı denge reaksiyonu için derişimler cinsinden denge sabiti K d, K d = C c A a D d B b eşitliği ile ifade edildiği gibi, kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti K p de K p = P C c P D d P A a P B b (8.9) eşitliği ile ifade edilir. K p ile K d arasındaki ilişki ise K p = K d (RT) n (8.10) eşitliği ile gösterilir. Bu eşitlikte, R 0,082 litre. atm / mol. K dir. Öte yandan T ise mutlak sıcaklık cinsinden Kelvin derecesi olarak alınır. Bu eşitlikteki n ise ürünlerin mol sayıları toplamı ile reaktantların mol sayıları toplamının farkına eşit olup, reaksiyondaki mol sayısı değişimidir. Doğaldır ki,

149 H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl (g) gibi n değerinin sıfır olduğu kimyasal dengeler için, K p = K d (RT) n = K d (RT) 0 = K d x 1 veya K p = K d her iki denge sabiti de (K p ve K d ) aynı sayısal değere sahip olacaktır. Aksi halde n 'in sıfırdan farklı olduğu herhangi bir denge reaksiyonu için bu iki ayrı denge sabiti, farklı değerlere sahip olur. Örnek 8.1 Aşağıdaki gaz fazı denge reaksiyonlarının derişimler ve kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti eşitliklerini yazarak, denge sabitlerini birbiri cinsinden ifade ediniz. 2S S 3 2H 2 2H NCl N Cl 2 N 2 + S 2 N + S 3 Çözüm 8.1 Eşitlit (8.8) ve (8.9) göz önüne alınırsa, K d = S 3 2 S 2 2 2, K p = 2 P S3 2 P S2 P 2, K p = K d RT 2 - (2 + 1) = K d RT -1 K d = H H 2, K 2 p = P 2 H 2 P 2 2 P H2, K p = K d RT (2 + 1) - 2 = K d RT K d = 1 N Cl 2 2 NCl 1 2, K p = P N P Cl2 P NCl, K p = K d RT ( ) - 1 = K d RT 1 2 K d = N S 3 N 2 S 2, K p = P N P S3 P N2 P S2, K p = K d RT (1 + 1) - (1 + 1) = K d

150 ? N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) Denge reaksiyonunun derişimler ve kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti eşitliklerini türeterek, K p ' yi K d cinsinden ifade ediniz. Bölüm 3.1' de denge sabiti K d ' nin büyüklüğünün nasıl yorumlanacağı ele alınmıştı. Aynı şekilde K p değeri büyük olan reaksiyonlar, bu değerin büyüklüğü ölçüsünde tamamlanmaya yaklaşırken, düşük K p değerleri o ölçüde az ürün oluşabildiğini gösterir Heterojen Reaksiyonlarda Denge Sabiti? Bir kimyasal reaksiyonda yer alan her madde denge sabiti ifadesinde de yer alır mı? Şu ana kadar genellikle gaz fazındaki reaktant ve ürünlerin yer aldığı, tüm maddelerin aynı fazda olduğu, homojen kimyasal dengeleri ele aldık. ysa reaksiyonların hiç te azımsanmayacak bir kısmı, bazı reaktant veya ürünlerin katı ya da sıvı fazda olduğu heterojen dengeler içerirler. Örneğin kapalı bir kapta ısıtılan sodyum bikarbonat katısı, katı sodyum karbonat ile, gaz halinde su ve karbon diokside ayrışır. 2NaHC 3 (k) Na 2 C 3 (k) + H 2 (g) + C 2 (g) Bu reaksiyonun denge sabitinin K = Na 2 C 3 (k) H 2 (g) C 2(g) NaHC 3(k) 2 şeklinde olması gerektiği düşünülebilir. Ne var ki bu şekilde saf katı ve sıvıların yer aldığı reaksiyonların denge sabiti ifadeleri daha basit şekilde yazılabilir. Çünkü miktarı değişen saf katı veya sıvıların derişimi değişmez, yani bir saf katı ya da sıvı için maddenin mol sayısının hacmine oranı aynı kalır. Miktarı artırılan saf katı ve sıvıların hacmi de orantılı şekilde arttığından dengedeki derişimleri değişmez. Bu yüzden saf katı ve sıvıların derişimleri denge ifadesinde yer almaz

151 Buna göre yukarıdaki denge sabiti eşitliğinde K 'dan başka [Na 2 C 3(k) ] ve [NaH- C 3(k) ] terimleri de sabittir. Tüm bu sabit terimleri tek bir sabitte birleştirerek, K = Na 2 HC 3 (k) 2 Na 2 C 3 (k) = H 2 (g) C 2 (g) = K d (8.11) eşitliği ile bu reaksiyonun denge sabiti K d bulunur. Örnek 8.2 Aşağıdaki heterojen reaksiyonların denge sabiti eşitlikleri nasıl yazılır? Ca C 3 (k) Ca (k) + C 2 (g) 2Hg (s) + Cl 2 (g) Hg 2 Cl 2 (k) Zn (k) + 2H + (sulu) H 2 (g) + Zn +2 (sulu) Çözüm 8.2 K d = [C 2 ] Çünkü saf katılar olan CaC 3 ve Ca derişimleri denge eşitliğinde yer almaz. K d = 1 Çünkü saf sıvı Hg ile saf katı Hg 2 Cl 2 denge eşitliğine alınmaz. Cl 2 Suda iyonlar halinde bulunan maddeler için "sulu" veya "aq" ifadeleri kullanılır. İyonlar denge eşitliğinde mutlaka yer alırlar. Çünkü bunların derişimleri değişebilir. K d = [H 2] [Zn +2 ] [H + ] 2? NH 3 (g) + HCl NH 4 Cl (k) (g) ilişkin denge sabiti eşitliğini yazınız. Denge reaksiyonuna

152 4. LE CHÂTELIER KURALI VE KİMYASAL DENGE (DENGEYİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER)? Dengedeki bir kimyasal reaksiyon sisteminde bazı değişiklikler yapılarak, bu reaksiyonun daha arzulanır bir verimle dengeye ulaşması sağlanabilir mi? Bu soru özellikle reaksiyonun başlamasından kısa bir süre sonra dengeye varan, ancak reaktantların ürünlere dönüşümünün olabildiğince tamamlanması istenen denge reaksiyonları için önemlidir. Dengedeki sistemler üzerinde uzun yıllar çalışmış olan ondokuzuncu yüzyıl Fransız kimyacılarından Henri Le Châtelier, 1888 'de kendi adı ile anılan önemli bir kuralı ortaya koymuştu. Le Châtelier kuralına göre dengedeki bir sisteme dışarıdan herhangi bir etki yapıldığında, sistem bu etkiyi azaltacak yöne kendiliğinden kayar ve denge yeniden kurulur.? Kimyasal dengeyi etkileyip değişmeye zorlayabilecek bu dış etkiler neler olabilir? Şimdi denge üzerinde etkili olabilecek faktörleri Le Châtelier kuralının ışığında sırayla ele alalım Bir Reaktantın Veya Ürünün İlavesi ya da Uzaklaştırılması (Derişim Etkisi) Dengedeki karışımda yer alan bir reaktant veya üründen bir miktar ilave ya da uzaklaştırma yapılması halinde, dengedeki derişimlerden biri değiştiriliyor demektir. Bu ise kütle etkisi yasasına göre dengede oluşan derişimler oranının artık K d ' ye eşit olmaması ve bu nedenle sistemin artık dengede bulunmaması anlamına gelir. Bu yüzden sistem, derişimleri oranlarının yeniden K d ' ye eşit olacağı şekilde değiştirerek tekrar dengeye ulaşır. Bu değişim dengenin ya sağa (ileri yönde) ya da sola (geri yönde) kaymasıyla elde

153 edilir. Buna göre Le Châtelier kuralı, böyle bir durumda dengenin hangi yönde değişeceğini bildirir. Örnek olarak aşağıdaki dengeyi ele alalım. N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g), K d = NH 3 2 N 2 H 2 3 Dengedeki bu sisteme biraz H 2 gazı ilave edilsin. Sistem bu dış etkiye, bir miktar H 2 gazını N 2 gazıyla reaksiyona sokarak kullanmakla karşılık verir. Böylece bir miktar da N 2 gazının tüketilmesi ile biraz NH 3 oluşur. Öyleyse H 2 ilavesi, daha fazla NH 3 oluşmasına, yani dengenin sağa kaymasına yol açar. Aynı şekilde dengedeki bu sistemden bir miktar NH 3 uzaklaştırılması da dengeyi sağa kaydırır. Çünkü bu durumda da, NH 3 miktarının azaltılması bir dış etkidir. Denge de bu dış etkiyi azaltacak, yani azalan NH 3 miktarını artıracak yönde değişir ve yeniden kurulur. Böylece yeniden oluşan dengedeki tüm derişimler değişmiş de olsa, [NH 3 ] 2 / [N 2 ] [H 2 ] 3 oranı yine aynı K d değerine eşit olur. Şimdi de vücudumuzda gerçekleşen bir kimyasal dengeyi ele alarak derişim etkisini görelim. Kanımızın plazmasında karbon dioksit ve karbonik asit (H 2 C 3 ) arasında bir denge söz konusudur. C 2 + H 2 H 2 C 3 Şekil 8.3 Vücudumuzdaki C 2 derişimi değişikliğinin C 2 / H 2 C 3 dengesine etkisi

154 C 2 dokulardan kana giren bir atık üründür. Kandaki C 2 derişimi yükseldikçe bu denge reaksiyonu sağa kayar ve kan dolaşımı ile vücutta taşınan H 2 C 3 artar. Kanımız akciğerlere ulaştığında C 2 solunumla dışarı verilir. Bu durumda ise kandaki C 2 derişimi azalacağından, bu denge reaksiyonu sola kayar ve kan dolaşımındaki H 2 C 3 derişimi düşer (Şekil 8.3) Gaz Fazı Denge Reaksiyonlarında Hacim (Veya Basınç) Değişikliği Gaz halindeki reaktantların ve ürünlerin oluşturduğu bir dengedeki sistemin hacminde yapılacak bir değişiklik basıncı da değiştirir. Belirli bir sıcaklıktaki dengede kabın hacminin örneğin yarıya düşürülmesi halinde, Ünite 6 'dan anımsayacağınız gibi, basıncın iki katına çıkması beklenir. Ne var ki dengedeki sistem bu değişikliğin aksi yönünde harekete geçerek bu dış etkiyi karşılar. Aşağıdaki dengeyi 400 C sıcaklıkta oluştuğunu düşünerek yeniden ele alalım. N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) Eğer bu reaksiyon ileri yönde yürürse dört molekülün (bir N 2 ve üç H 2 ) tükenmesine karşılık iki NH 3 molekülü oluşur. Buna göre reaksiyonun sağa doğru ilerlemesi reaksi- Şekil 8.4 N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3(g) Denge reaksiyonu üzerinde sabit sıcaklıkta hacim azaltılması 'nın veya basınç artırılmasının etkisi

155 yon kabındaki molekül sayısını azaltır. Aynı sıcaklıkta molekül sayısı azaldıkça kaptaki basınç düşecektir. Bu nedenle bu dengede kabın hacminin azaltılarak, sistemin basıncının artırılması şeklinde uygulanacak bir dış etkiye, Le Châtelier kuralına göre, denge sağa kayarak basıncı düşürmekle karşılık verir. Böylece yeni kurulan dengede NH 3 miktarı artmış, reaktantlarınki ise azalmış olur (Şekil 8.4). Şimde de aşağıdaki dengeyi ele alalım. H 2 (g) + I 2 (g) 2HI (g) Bu denge reaksiyonu ister ileri isterse geri yönde yürüsün, toplam gaz molekülü sayısında bir değişiklik olmaz. Bu nedenle bu tür reaksiyonlarda denge, hacim veya basınç değişikliğinden etkilenmez. Dengedeki gaz reaksiyonlarında basınçta artışa yol açacak bir dış etki, dengeyi gaz molekül sayısının daha az olduğu yönde değiştirir. Reaksiyon denkleminin her iki yanında da aynı sayıda gaz molekülü bulunan dengeler ise basınç (veya hacim) değişikliğinden etkilenmezler Sıcaklıktaki Değişme? Denge karışımının bulunduğu ortam ısıtılır veya soğutulursa denge bundan nasıl etkilenir? Dengedeki bir sistemin sıcaklığının değişmesi, dengeyi değiştirir. Bu değişikliğin hangi yönde olacağını ise, reaksiyonun ekzotermik veya endotermik oluşu belirler. Örneğin aşağıda verilen endotermik reaksiyonun 25 C de H (reaksiyon ısısı) değeri 14 k kal/mol ve denge sabiti (K d ) 5,9 x 10-3 tür. Isı + N 2 4 (g) 2 N 2 (g) Yapılan çalışmalar bu reaksiyonun 100 C deki denge sabitinin 2,1 x 10-1 olduğunu göstermiştir. Sıcaklığın 3 kat artırılması ile denge sabitinin yaklaşık 36 katına çıkması bu reaksiyonun endotermik özelliğinden kaynaklanır. Sistemin sıcaklığı dışarıdan verilen ısı enerjisi ile artırıldığında, Le Châtelier kuralına göre, denge bu artan ısı enerjisini kulla

156 nacak yönde kayar. Buna göre yükselen sıcaklık denge karışımındaki N 2 4 moleküllerinin daha fazlasının parçalanarak N 2 ' e dönüşmesine yol açar. Sıcaklığın yükseltilmesi kimyasal dengeleri, artan ısı enerjisinin kullanılacağı yönde değiştirir. Buna göre endotermik reaksiyonlarda sıcaklık artışı dengeyi ürünler yönüne kaydırırken, ekzotermik reaksiyonlarda reaktantlar yönüne kaydırır. Dikkat edilirse sıcaklık değiştirildiğinde, herhangi bir madde ilave edilmediği veya ortamdan uzaklaştırılmadığı halde dengedeki derişimler değişmektedir. Bu durumda ürünlerle reaktantların derişimlerindeki bu değişiklik denge sabiti eşitliğinde bir değişmeye yol açar ve kurulan yeni dengede K d farklı bir değere sahip olur. Örneğimizdeki dengeyi yeniden ele alalım. Isı + N 2 4 (g) 2 N 2 (g), K d = N 2 2 N 2 4 Sıcaklığın artmasıyla denge sağa kayarak N 2 derişiminin artıp, N 2 4 derişiminin azalmasına yol açtığından, yeni denge sabiti ilkine göre kuşkusuz daha yüksek olacaktır. Denge sabiti K d veya K p ' yi değiştiren tek faktör sıcaklıktaki değişikliktir. Endotermik reaksiyonlarda sıcaklığın artması denge sabitini yükseltirken, ekzotermik reaksiyonlarda düşürür. Aksine sıcaklığın düşürülmesi ekzotermik reaksiyonların denge sabitini yükseltirken, endotermik reaksiyonlarınkini düşürür. Örnek 8.3 Amonyağın oluşma reaksiyonu aşağıda verilmiştir. N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) + Isı Sıcaklığın artırılması ile bu dengedeki maddelerin derişimleri nasıl değişir? Yeni denge sabiti, düşük sıcaklıktakine göre daha mı yüksek olur?

157 Çözüm 8.3 ileri N 2 (g) + 3H 2 (g) geri 2NH 3 (g) + Isı Reaksiyon denkleminden de anlaşılabileceği gibi, bir yönde ekzotermik olan bir denge reaksiyonu, aksi yönde endotermiktir. halde sıcaklığın artırılması şeklinde bir dış etkiyle karşılaşan bu sistem, Le Châtelier kuralına göre, artan ısı enerjisini bir miktar NH 3 molekülünü ayrıştırmakta kullanmak üzere, endotermik olan geri reaksiyon yönünde değişir. Yeniden denge kurulduğunda, önceki denge karışımına kıyasla, ortamdaki NH 3 derişimi azalmış, N 2 ve H 2 derişimleri ise artmıştır. halde K d = NH 3 2 N 2 H 2 3 denge ifadesine göre de denge sabiti öncekinden daha düşük olur.? Bir denge reaksiyonunun 100 C deki denge sabiti 2,3 x 10-4 iken 25 C de 1,6 x 10-1 ise, bu reaksiyon ekzotermik midir, yoksa endotermik midir? 4.4. Katalizörler ve Denge Bir önceki ünitede, katalizörlerin aktivasyon enerjilerini düşürerek reaksiyon hızlarını artırdığını öğrenmiştiniz. Bir denge reaksiyonunda kullanılan katalizör hem ileri hem de geri reaksiyonu aynı ölçüde etkiler ve her ikisinin hızını da aynı oranda artırır. Bu nedenle dengedeki bir sisteme katalizör ilavesi bir kimyasal dengede ürün veya reaktantların miktarlarını etkilemez, yalnızca dengeye ulaşılmayı çabuklaştırır. Örnek 8.4 PCl 5 gazının PCl 3 ve Cl 2 gazlarına ayrışması endotermik bir denge reaksiyonu ile gerçekleşir. Aşağıdaki değişikliklerin yapılmaları halinde bu denge reaksiyonu nasıl etkilenir, açıklayınız. Sabit hacimdeki denge karışımına Cl 2 gazı ilavesi, Sıcaklığın düşürülmesi, Gaz karışımının hacminin artırılması, Gaz karışımının sıkıştırılması

158 Çözüm 8.4 Bu değişikliklerin tümü Le Châtelier kuralına göre bir dış etkidir ve denge sistemi bu etkileri azaltacak yönde değişir. Reaksiyon denklemini yazarak bu değişiklikleri sırayla ele alalım. ileri Isı + PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) geri Dengedeki sisteme Cl 2 ilavesi dengeyi geri yönde harekete geçirir. Çünkü artan Cl 2 derişimini azaltmak için denge karışımındaki bir kısım PCl 3 molekülleri ile derişimi artan Cl 2 molekülleri reaksiyona girerek, dengedeki PCl 5 derişimini artırır. Bu artış her iki yöndeki reaksiyon hızı eşitlenene dek sürer ve denge yeniden kurulur. Sıcaklığın düşürülmesi ile bu denge reaksiyonu ekzotermik olduğu yön olan geri yönde değişir. Böylece dengedeki PCI 5 derişimi artarken PCI 3 ve Cl 2 derişimi azalır. Reaksiyon karışımının hacminin artırılması yine bir dış etkidir. Bu dış etki nedeniyle dengedeki moleküller arasında daha fazla boşluk oluşacaktır. Denge bu dış etkiyi azaltmak üzere ileri yönde değişir ve artan boşluğu daha fazla sayıda molekül oluşturarak karşılar. Bu nedenle PCl 3 ve Cl 2 derişimi artar, PCl 5 derişimi azalır. Basıncın artırılarak dengedeki gaz karışımı sıkıştırıldığı takdirde, denge artan basıncı azaltmak için molekül sayısının az olduğu yönde değişir ve PCl 5 miktarı artar. PCl 3 ve Cl 2 derişimleri ise azalır.? 2AB 2 (g) + B 2 2AB 3 (g) Denge reaksiyonunun (g) 25 C deki H değeri -47,4 k kal dir. Buna göre Denge karışımına B 2 ilavesinin Sıcaklığın 100 C ye çıkarılmasının Gaz karışımının hacminin küçültülmesinin dengeyi nasıl etkileyeceğini düşününüz

159 Özet Tersinirlik bir olayın zıt iki yönde de ilerleyebilmesidir. Kimyasal reaksiyonların çoğu tersinir özellikte olup, ileri yönde ürünleri oluştururken, tersine geri yönde de yürüyerek reaktantları meydana getirirler. Kimyasal denge iki zıt yönlü kimyasal dönüşümün hızları eşitlendiğinde kurulur. Dengedeki bir sistemde ileri ve geri yöndeki reaksiyon hızları eşit olduğundan denge derişimleri koşullar değiştirilmedikçe sabit kalır. Kimyasal denge dinamik bir süreçtir. Dengeye ulaşan her tersinir reaksiyonun belirli bir sıcaklıkta, belirli bir denge sabiti (K) vardır. Denge sabiti, kimyasal reaksiyon denklemindeki katsayılar üs olarak alınmak koşulu ile, dengedeki ürünlerin derişimleri çarpımının, reaktantların derişimleri çarpımına oranıdır. Le Châtelier kuralına göre, denge durumundaki bir reaksiyon sistemine dışarıdan bir etkide bulunulduğunda, denge bu etkiyi azaltacak yönde değişir. Denge karışımındaki maddelerin derişimlerinin, hacim veya basıncın ve dengedeki reaksiyon ortamının sıcaklığının değiştirilmesi, denge durumunu değiştirebilen dış etkilerdendir. Değerlendirme Soruları 1. Kimyasal denge için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) Reaksiyon tamamlanıncaya kadar sürer. B) Reaktantların miktarı ile ürünlerinki eşit olur. C) İleri ve geri reaksiyon hızları eşitlendiği zaman denge kurulur. D) Reaktantların ve ürünlerin derişimleri sabit kalır ve tüm reaksiyonlar durur. E) Denge sabiti = 1 olması halinde verim en fazladır

160 2. C (k) + H 2 (g) C (g) + H 2(g) Yukarıdaki denge reaksiyonunda, sıcaklık değiştirilmeden basınçta bir düşme sağlanırsa aşağıdakilerden hangisi doğru olur? A) Hacim artacağından daha fazla gaz ürün oluşturmak üzere denge sağa kayar ve daha çok C ile H 2 oluşur. B) Reaktantların ve ürünlerin mol sayıları toplamı değişmediğinden, denge hiç etkilenmez. C) Denge daha çok reaktant oluşturacak yönde değişikliğe uğrayacağından, kapta ki C (k) ve H 2 (g) miktarları artar. D) Karbonun katı halde olması nedeniyle denge, daha fazla C (k) oluşturmak üzere ortamdaki C ve H 2 gazlarını harcar. E) Basınç değişikliği, içinde katıların yer aldığı denge reaksiyonlarını etkilemez. 3. N 2 (g) + 2 (g) 2 N (g) H < Yukarıdaki reaksiyonun belli bir sıcaklıkta dengede olduğu biliniyor. Dengedeki N 2 miktarı artırılmak istenirse, aşağıdakilerden hangisi yapılmalıdır? A) Reaksiyon kabı soğutulmalı B) Kaba bir miktar N eklenmeli C) Kabın hacmi küçültülmeli D) Katalizör kullanılmalı E) Kabın basıncı artırılmalı 4. H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) Verilen denge reaksiyonu için 127 C sıcaklıkta denge sabiti K d = 50 ise, aynı sıcaklıkta K p değeri nedir? A) 2500 B) 500 C) 250 D) 50 E) 0,

161 5. N 2 (g) + 2 (g) 2N (g) Verilen denge reaksiyonu için T C deki denge sabiti 2,5 x 10-3 dür. Aynı sıcaklıkta 2N (g) hangisidir? N 2 (g) + 2 (g) reaksiyonunun denge sabiti aşağıdakilerden A) 2,5 x 10-3 B) 5 x 10-3 C) (2,5 x 10-3 ) 2 D) 250 E) H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl (g) H < Verilen reaksiyon denklemine göre H 2 ile Cl 2 gazları birleşirken dışarıya ısı verilir. 250 C sıcaklıkta denge halindeki kapta daha fazla ürün, HCl, oluşması için aşağıdakilerden hangisi uygundur? A) Sıcaklık 250 C de tutulmalı B) Sıcaklık 250 C nin üzerine çıkarılmalı C) Sıcaklık 250 C nin altına düşürülmeli D) Katalizör kullanılmalı E) Kabın hacmi küçültülmeli 7. Ba (k) + S 2 (g) BaS 3 (k) Yukarıdaki denge reaksiyonunun K denge sabiti için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) K = [BaS 3 ] [Ba] [ S 2 ] B) K = [Ba] [ S 2] [BaS 3 ] C) K = [S 2 ] D) K = 1 S 2 E) Yalnızca deneysel yolla bulunabilir

162 8. Aşağıdaki gaz fazı reaksiyonlarının hangisinde hem hacmin küçültülmesi, hem de kabın soğutulması kapta ürün miktarının artmasına yol açar? A) A + B 2C + D H > B) 2A + B C + D H < C) A + B C + D H > D) A + 2B 2C + D H < E) A + B 2C + D H < 9. C (g) + H 2 (g) C 2 (g) + H 2 (g) Belirli bir sıcaklıkta verilen reaksiyonun denge sabiti, K d, 5 dir. Denge halindeki ortamda kabın bir litrelik hacminde 0,01 mol C (g), 0,20 mol H 2 (g) ve 0,10 mol H 2 (g) bulunuyor. Kaptaki C 2 gazının mol sayısı kaçtır? A) 0,10 B) 0,05 C) 0,03 D) 0,02 E) 0, A 2 (g) + 3B 2 (g) 2AB 3 (g) reaksiyonunun 25 C deki denge sabiti 0,54 iken, 100 C deki denge sabiti 0,0012 dür. Buna göre 25 C de kapalı bir kapta denge halindeki A 2 + B 2 + AB 3 karışımı 100 C ye kadar ısıtılırsa aşağıdakilerden hangisi artar? I. B 2 miktarı II. AB 3 miktarı III. Kaptaki basınç A) Yalnız I B) Yalnız III C) I ve II D) II ve III E) I ve III

163 ÜNİTE 9 Çözeltiler Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Çözelti ve çözelti türlerini tanımlayabilecek, Çözünme olgusunu ve çözünürlüğü kavrayacak, Elektrolitleri ve çeşitlerini tanımlayabilecek, Çözelti derişimini ve derişim birimlerini tanımlayabilecek, derişimle ilgili problemleri çözebilecek, Çözeltilerin buhar basıncını tanımlayabilecek, Çözeltilerin koligatif özelliklerini açıklayabileceksiniz. İçindekiler Giriş Çözelti ve Türleri Çözünme lgusu Elektrolitler Çözünürlük Derişim ve Birimleri Çözeltilerin Buhar Basıncı Çözeltilerin Koligatif Özellikleri Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çalışmaya başlamadan önce, moleküller arası etkileşimleri, polarlık kavramını, mol kavramını gözden geçiriniz. Bu üniteyi çalışırken verilen örnekleri dikkatle inceleyiniz ve değerlendirme sorularını çözünüz.

164 1. GİRİŞ Çözeltiler kimyasal reaksiyonlar için ideal ortam sağlamaları bakımından çok önemlidirler. Kullanılacağı yere ve amaca göre, çeşitli fiziksel hallerde bulunan maddelerin ve bu değişik hallerin karışımları ile değişik türde çözeltiler hazırlanır. Ancak reaksiyonların pek çoğu sıvı çözeltilerde yürüdüğünden, en çok kullanılan ve kimyacılar için en önemli olanı sıvı çözeltilerdir. 2. ÇÖZELTİ VE TÜRLERİ Çözelti terimini daha önce Ünite 1'de bir karışım türü olarak görmüştünüz. Çözeltiler, fiziksel özellikleri her yerinde aynı olan homojen karışımlardır. Bir çözeltide en az iki bileşen vardır. Çözelti içinde miktarı çok olan bileşene "çözücü", miktarı az olan bileşene ise "çözünen" denir. Çözücü ve çözünen; katı, sıvı veya gaz olabilir. Buna göre çeşitli çözeltiler hazırlanabilir. Çözücü Çözünen Örnek Çözelti Sıvı Sıvı Alkollü su (suda alkolün çözünmesi) Sıvı Katı Tuzlu su (suda tuz çözünmesi) Sıvı Gaz Amonyaklı su (suda amonyağın çözünmesi) Katı Sıvı Amalgam (gümüşte civanın çözünmesi) Katı Katı Pirinç (bakırda çinkonun çözünmesi) Katı Gaz Palladyumda hidrojenin çözünmesi Gaz Gaz Azotta oksijenin çözünmesi Çözücü sıvı ise, çözünenin sıvı, katı, gaz oluşuna göre 3 türlü; çözücü katı ise, çözünenin sıvı, katı, gaz oluşuna göre de 3 türlü çözelti hazırlamak mümkün olabilir. Çözücü gaz olduğunda ise, gazlar içinde sadece gazlar çözündüğünden tek tür çözelti hazırlanabilir. Katı ve sıvılarla gazlar homojen çözelti oluşturmazlar. Bütün bunlar arasında en sık kullanılan çözelti türleri sıvıda katı, sıvıda sıvı, sıvıda gaz çözeltileridir. Bu tür çözeltiler çözücüsü su ise "sulu çözelti" adını alırlar. Biz burada çözelti terimini genellikle sulu çözelti anlamında kullanacağız

165 3. ÇÖZÜNME LGUSU Çözücü ve çözünenin birbiri içinde homojen olarak karışması ile çözünme olayı gerçekleşir. Çözünme, moleküller arasındaki çekim kuvvetine dayanır. Bir çözücünün bir maddeyi çözebilmesi için; çözücü ile çözünen molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinin, çözücü ve çözünenin kendi molekülleri arasındaki çekim kuvvetinden daha büyük olması gerekir. Örneğin şekerin suda çözünmesi; şeker ile su molekülleri arasındaki çekim kuvvetinin, şeker moleküllerinin kendi arasındaki çekim kuvvetinden daha büyük olmasındandır. Şeker, suda iyonlarına ayrışmadan moleküler halde çözünür. Genellikle çözünme olayı, çözücü ile çözünenin benzer yapıda olmaları ile gerçekleşir. Bu durum benzer benzeri çözer şeklinde ifade edilebilir. Dolayısıyla polar çözücüler polar maddeleri, polar olmayan çözücüler de polar olmayan maddeleri daha iyi çözer. Örneğin suya göre polaritesi daha az olan kloroform, (CHCl 3 ), suda çözünmez. Çünkü su molekülleri birbirlerini, kloroform moleküllerine göre daha fazla çekerler. Polar bir bileşik, örneğin metanol, su molekülleri tarafından çekilerek suda çözünür. Buna karşın benzen gibi polar olmayan çoğu organik bileşikler suda çözünmezler. Çünkü sıvı haldeki su molekülleri polar yapıları nedeni ile birbirlerini bir ağ oluştururcasına çekerler. Polar olmayan benzen ise sıvı haldeki suyun bu yapısını bozamaz ve dolayısıyla çözünme gerçekleşemez. İyonik bileşikler, polar sıvılarda çok iyi çözünürler. Çünkü polar çözücü molekülleri, bileşikteki zıt yüklü iyonları iyon-dipol çekim kuvvetleri ile çekerek iyonun etrafını çözücü molekülleri ile sararlar. Bu tür iyonlara "solvatize iyonlar" denir. Solvatize iyonlar sıvı faza geçerek çözünme olayını sağlarlar. Çözücü olarak su kullanılırsa, çözücü ile sarılmış iyonlara "hidratize iyonlar" denir. Örneğin iyonik bir bileşik olan sodyum klorürün suda çözünmesini düşünelim. Bildiğiniz gibi sodyum klorürde, artı yüklü sodyum iyonları ile eksi yüklü klorür iyonları vardır (Şekil 9.1.a). H H Na + Cl Cl Na + Na + Cl H H H Na + H H H H H Na + Cl Na + H H Cl H H ( a ) ( b ) H H Şekil 9.1 İyonik Yapıdaki Katı NaCl (a), Hidratize lmuş Na + ve Cl - İyonları (b)

166 Sodyum klorürdeki, sodyum ve klorür iyonlarını ayırmak üzere, su molekülleri; kısmi negatif uçları ile artı yüklü sodyum iyonlarının etrafını, kısmi pozitif uçları ile de eksi yüklü klorür iyonlarının etrafını sararlar (Şekil 9.1.b). Böylece Na + ve Cl - iyonlarının etrafı su molekülleri ile sarılarak sıvı faza geçerler ve çözünme olayı gerçekleşir. 4. ELEKTRLİTLER Çözünme olayı ile çözeltide yüklü iyonik parçacıklar veya yüksüz moleküler parçacıklar oluşabilir. Örneğin sodyum klorür, sulu çözelti içinde iyonlarına (Na + ve Cl - ) ayrışmış olarak yer almakta idi. Ancak her madde bu şekilde iyonlarına ayrışarak çözünmez. Bazı maddeler suda iyonlarına ayrışmadan, moleküler yapısını koruyarak çözünebilir. Örneğin aseton, CH 3 CCH 3, suda, CH 3 CCH 3 (s) + su CH 3 CCH 3 (suda) yüklü parçacıklara ayrışmaz. Bu şekilde çözeltisinde yüklü parçacıklar bulunmayan bir çözeltinin elektriği iletmesi beklenemez. Şekil 9.2 (a)da görüldüğü gibi elektrik lambasının yanmaması bunu kanıtlar. Bu tür elektriği iletmeyen çözeltiler oluşturan çözünen maddeler "elektrolit olmayanlar" olarak adlandırılırlar. Çözünen madde, sodyum klorür gibi iyonik bir bileşik ise suda artı ve eksi NaCl(k) + su Na + (suda) + Cl - (suda) yüklü iyonik parçacıklar oluştururlar. Bu şekilde çözeltide (+) ve (-) yüklü parçacıklar oluşturarak çözeltisinin elektriği iletmesini sağlayan maddeler "elektrolitler" olarak adlandırılırlar. Elektrolitler, çözeltide oluşturdukları yüklü iyonik parçacıkların sayısına bağlı olarak "kuvvetli" veya "zayıf elektrolit" olarak sınıflandırılabilirler. ( a ) ( b ) ( c ) Şekil 9.2 Elektrolit lmayan (a), Zayıf Elektrolit (b), Kuvvetli Elektrolit (c) Çözeltilerde, Elektriğin İletilmesi

167 Kuvvetli bir elektrolit, çözücü içerisinde çözünerek tamamen iyonlarına ayrışır. Örneğin hidroklorik asit suda çözündüğünde, HCl(g) + su H + (suda) + Cl - (suda) tamamen iyonlarına ayrışır ve çözeltisi elektriği iyi iletir. Bu durum Şekil 9.2.c'de görüldüğü gibi elektrik lambasının kuvvetlice yanması ile gözlenebilir. Zayıf bir elektrolit ise çözeltide kısmen iyonlarına ayrışır. Örneğin asetik asit, CH 3 CH, moleküllerinin büyük bir kısmı (%98,7) iyonlarına ayrışmadan çözeltide kalabilir. Bu durum aşağıdaki gibi gösterilebilir. CH 3 CH (s) + Su CH 3 C - (suda) + H + (suda) %98,7 %1,3 Asetik asit gibi suda çözünerek az miktarda (%1,3) iyonlar verebilen zayıf elektrolitler elektriği pek iyi iletmezler. Kuvvetli elektrolitlere göre zayıf elektrolitlerin elektriği daha az iletmeleri, Şekil 9.2.b'de elektrik lambasının daha az ışık vermesi şeklinde görülebilir. Kuvvetli elektrolitlere; HN 3, HCl, NaH, KH, Ca(H) 2, NaCl gibi maddeler, zayıf elektrolitlere ise; H 2 C 3, H 3 P 4, H 2 S, CH 3 CH, HgCl 2, HCN, NH 3 gibi maddeler örnek olarak verilebilir. Elektrolitlerin vücudumuzda çok önemli düzenleyici rolleri vardır ve ayrıca asit-baz dengesini sağlamaktan sorumludurlar. HÜCRE DIŞI SIVI HÜCRE İÇİ SIVI Katyonlar Anyonlar Katyonlar Anyonlar K (%77) HP 4-2 Na + (%95) Cl (%73) + (%52) K + (%25) HC 3 (%19) Mg +2(%14) Proteinler(%32) Ca +2 (%2) rganik Na + (%8) S 4-2 (%10) +2 asitler (%5) Mg (%0.5) HP -2(%2) Ca +2(%1) HC (%5) 4 3 S-2(%1) 4 Cl (%1) KAN PLAZMASI Katyonlar Na + (%92) K + (%3) Ca +2(%3) Mg +2(%2) Anyonlar Cl (%68) HC 3 (%16) Proteinler(%16) rganik asitler (%4) HP 4-2(%1) S 4-2 (%1) Şekil 9.3 Vücut Sıvılarında Bulunan Temel Elektrolitler

168 Vücut sıvılarında bulunan katyonlar (Na +,K +, Ca +2, Mg +2 ) anyonlar (Cl -, HC 3-, HP -2 4, S -2 4 ) ve bazı organik asitler ile proteinler bu sıvıların birer elektrolit çözelti olmalarını sağlarlar. Şekil 9.3'de vücut sıvılarında bulunan temel elektrolitler görülmektedir. 5. ÇÖZÜNÜRLÜK Maddeler değişik ortamlarda farklı miktarlarda çözünür. Bu durumu ifade etmek üzere çözünürlük kavramı kullanılır. Herhangi bir sıcaklıkta, belirli bir hacimdeki çözücü içerisinde, belirli miktar madde çözünür. Ancak verilen belli bir miktar çözücüde çözünen madde miktarı için limit bir değer vardır. Bu limite gelmiş çözeltiye daha fazla çözünen eklenirse, maddenin fazlası çözünmeden kalacaktır. Böyle çözeltilere "doymuş çözeltiler" denir. Doymuş çözeltide çözünen madde miktarına da o maddenin o çözücüdeki "çözünürlüğü" denir. Çözünürlük genellikle 100 ml (100 cm 3 ) veya 100 g çözücüde çözünebilen maddenin gram cinsinden ağırlığı olarak verilir. Örneğin, NaCl'ün sudaki çözünürlüğü 20 C da 36 g/100 ml'dir. Bu ifadeden NaCl'ün verilen şartlarda 100 ml suda 36 g'dan daha fazla çözünmeyeceği anlaşılır. Doygun hale gelmiş bu çözeltiye daha fazla NaCl ilave edildiği takdirde, ilave edilen NaCl çözeltide çözünmeden katı halde kalacaktır. Böyle bir çözeltide, katı madde ile o maddenin doygun çözeltisi temas halindedir ve aralarında bir dinamik denge söz konusudur. Bu denge çözünen moleküllerin hızının, çökelen moleküllerin hızına eşit olmasıyla sağlanır. Doymuş bir çözelti için verilen çözünürlük değerinden daha az miktarda madde bulunduran çözeltilere ise "doymamış çözeltiler" denir. Çözünürlük belirtilirken, sıcaklığın ve çözünmenin yer aldığı ortamın diğer şartlarının tanımlanması gerekir. Çoğunlukla çözeltiler normal atmosfer basıncında hazırlandığından, gazlar dışındaki maddelerin çözünürlükleri basınçtan söz etmeden verilir. Çünkü basınç değişimi, katıların sıvılardaki veya sıvıların sıvılardaki çözünürlüğünü etkilemez, fakat gazların sıvılardaki çözünürlüğünü etkiler ve gazların çözünürlükleri basıncın artması ile artar. (Ünite 6'ya bakınız). Katı ve sıvıların su içindeki çözünürlükleri genellikle sıcaklık ile artar, gazların çözünürlükleri ise sıcaklıkla azalır. Bu nedenle, çözünürlük ifade edilirken mutlaka hangi sıcaklıkta olduğunu belirtmek gerekir. Ayrıca gazların çözünürlüklerinde, basıncın etkisi büyük olduğundan basıncın da belirtilmesi gerekir

169 Maddelerin çözünürlüğü, çözücü ve çözünen maddelerin türüne göre değişir. Maddelerin çözünürlüğünü fiziksel ve kimyasal özellikleri etkiler. Bu özellikler polarlık, moleküller arası çekim kuvvetleri gibi özelliklerdir. Ancak burada bu özellikler üzerinde durulmayacaktır. 6. DERİŞİM VE BİRİMLERİ Belirli bir miktar çözelti veya çözücü içerisinde çözünen madde miktarına derişim denir. Derişimi düşük olan çözeltiler seyreltik çözelti, derişimi yüksek olan çözeltiler ise derişik çözelti olarak bilinir. Ancak bir çözeltide çözünen madde miktarının bilinmesi gerekir.? Bir çözeltide çözünen madde miktarını nasıl ifade ederiz? Bir çözeltide çözünen madde miktarı, kütle, hacim, mol terimlerini içeren çeşitli derişim birimleri ile belirtilir. En çok kullanılan derişim birimleri, yüzde derişim, mol kesri, molarite, normalite, molalite, ppm ve ppb'dir. Şimdi bu birimleri görelim Yüzde Derişim Bu derişim birimi değişik anlamlarda kullanıldığından; ağırlık, hacim veya ağırlık-hacim gibi terimlerle açıkça belirtilmesi gerekir. Ağırlık esasına göre verilen yüzde çözeltiler: 100 Ağırlık birimi çözeltide kaç ağırlık birimi çözünen olduğunu gösterir. Aşağıdaki eşitlik ile Çözünenin ağırlığı Ağırlık yüzdesi = x 100 Çözeltinin ağırlığı şeklinde ifade edilebilir. Örneğin %20'lik NaCl çözeltisi demek 100 ağırlık birimi çözeltide (g, kg, mg, ton vb. olabilir) 20 ağırlık birimi NaCl var demektir. Böyle bir çözelti 20 g NaCl'in 80 g saf suda çözünmesiyle hazırlanabilir. Hacim esasına göre verilen yüzde çözeltiler: 100 Hacim birimi (ml, L, m 3, vb. olabilir) çözeltide kaç hacim birimi çözünen olduğunu gösterir. Aşağıdaki eşitlik ile çözünenin hacmi Hacim yüzdesi = x 100 çözeltinin hacmi şeklinde ifade edilebilir

170 Örneğin 30 ml hacmindeki bir maddeyi, uygun bir çözücüde çözerek çözelti hacminin tam 100 ml'ye tamamlanmasıyla %30'luk bir çözelti hazırlanmış olur. Ağırlık-hacim esasına göre verilen yüzde çözeltiler: 100 Hacim birimi çözeltide kaç ağırlık birimi çözünen olduğunu gösterir. Aşağıdaki eşitlik ile Ağırlık-hacim yüzdesi = çözünenin ağırlığı x 100 çözeltinin hacmi şeklinde ifade edilebilir. Katı maddenin sudaki çözeltileri için bu derişim ifadesi kullanılır. Örneğin %10'luk bir NaCl çözeltisi demek, 100 ml çözeltide 10 gram NaCl var demektir Mol Kesri Çözeltideki bir bileşenin mol sayısının, toplam mol sayısına oranı, o bileşenin mol kesri olarak tanımlanır ve X ile gösterilir. Örneğin A,B,C... bileşenlerinden oluşan bir çözeltideki A bileşeni için mol kesri, XA = n A n A + n B + n C +... n B bileşeni için mol kesri; XB = B n A + n B + n C +... şeklinde yazılır. Çözeltideki bileşenlerin mol kesirleri toplamı birdir ve X A + X B + X C +... = 1 olarak ifade edilebilir. Örnek 9.1 2,8 g azot ve 0,8 g oksijen içeren bir gaz karışımındaki azot ve oksijenin mol kesrini hesaplayınız. Çözüm 9.1 Bilinmeyen Verilen Bağıntı X N2 2,8 g N 2 X N2 = n N2, X 2 = n 2 n N2 + n 2 n N2 + n 2 X 2 0,8 g 2 28 g N 2 1 mol N 2, 32 g 2 1 mol

171 n N2 = 2,8 g N 2 28 g mol-1n 2 =0,1 mol N 2, n 2 = 0,8 g 2 32 g mol-1 2 = 0,025 mol 2 X N2 = 0,1 0,1+0,025 = 0,8 X 2 = 0,025 0,1+0,025 = 0,2 şeklinde hesaplanır. X N2 + X 2 = 1 olduğundan X 2 =1-0,8= 0,20 şeklinde de hesaplanabilir Molarite Molarite, bir litre (1000 cm 3 ) çözeltide çözünenin mol sayısıdır. Molarite M; çözünenin mol sayısı n ve çözeltinin hacmi V, olmak üzere M= Çözünenin mol sayısı = Çözeltinin hacmi n V (L) şeklinde ifade edilir. Örneğin, 1,00 M (veya 1,00 molar) sodyum klorür çözeltisi demek, bir litre çözeltide 1 mol yani 58,44 g NaCl bulunuyor demektir. Söz konusu NaCl çözeltisinin derişimi, 1 M, mol/l veya 1 molar terimlerinden herhangi biri ile ifade edilir. Örnek ,9 gram sukroz C 12 H 22 11, yeteri kadar suda çözülmüş ve çözeltinin hacmi 0,473 litre olacak şekilde su ile tamamlanmıştır. Sukrozun bu çözeltideki molaritesini hesaplayınız. Çözüm 9.2 Bilinmeyen Verilen Bağıntı Molarite 36,9 g sukroz M= 0,473 L çözelti n V (L) 1 mol sukroz veya 342,3 g sukroz 342,3 g sukroz 1 mol sukroz 36,9 g sukroz Molarite = 0,473 L çözelti x 1 mol sukroz 342,3 g sukroz 0,228 mol sukroz = = 0,228 M L çözelti

172 6.4. Normalite Normalite bir litre (1000 cm 3 ) çözeltide çözünenin ekivalen (veya eşdeğer) ağırlık sayısıdır. Normalite, "N"; çözünenin ekivalen ağırlık sayısı "ek" ve çözeltinin hacmi "V", olmak üzere N= Çözünenin ekivalen ağırlık sayısı Çözeltinin hacmi = ek V (L) şeklinde ifade edilebilir. Eklivalen ağırlık sayısı; çözünenin ağırlığının ekivalen ağırlığına bölünmesiyle bulunur. Ekivalen ağırlık ise maddenin gireceği reaksiyondaki işlevine göre değişir. Şimdi bu durumu kısaca örneklerle açıklamaya çalışalım. Nötralleşme reaksiyonlarında; ekivalen ağırlık, formül ağırlığının - asitlerde aktarılan H + iyonu sayısına - bazlarda aktarılan H - iyonu sayısına bölünmesiyle bulunur. Örneğin, HCl, HN 3, CH 3 CH gibi tek H + iyonu içeren asitlerle NaH, KH gibi tek H - iyonu içeren bazlarda, ekivalen ağırlık formül ağırlığına eşittir. Yükseltgenme indirgenme reaksiyonlarında ise ekivalen ağırlık, formül ağırlığının - reaksiyonda aktarılan elektron sayısına bölünmesiyle bulunur. Örneğin, Mn e H2 Mn 2 + 4H - reaksiyonunda Mn - 4 içindeki manganın değerliği +7'den, Mn2 içinde +4'e indirgendiği için aktarılan elektron sayısı 3'tür. Bu reaksiyona göre Mn - 4 'in ekivalen ağırlığı, formül ağırlığının üçe bölünmesiyle bulunur. Tuz oluşturan reaksiyonlarda ekivalen ağırlık, formül ağırlığının - tuzun bir cins iyonunun toplam yük sayısına bölünmesiyle bulunur. Örneğin NaCl, AgN 3 gibi tuzlarda ekivalen ağırlık formül ağırlığına eşittir. BaCl 2, MgS 4 gibi tuzlarda ise, ekivalen ağırlık formül ağırlığının yarısına eşittir

173 Örnek 9.3 0,1 litre çözeltide 4,9 g H 2 S 4 bulunuyorsa bu çözeltinin normalitesini ve molaritesini hesaplayınız. Çözüm 9.3 Bilinmeyen Verilen Bağıntı Normalite Molarite 4,9 g H2S4 0,1 L çözelti N= ek V (L), M= n V (L) 1 mol H 2 S 4 98 g H 2 S 4 veya 98 g H 2S 4 1 mol H 2 S 4 Ekivalen ağırlık= 98 g mol-1 2 ek mol -1 Ekivalen ağırlık sayısı= ek= H 2 S 4 'ün ağırlığı H 2 S 4 'ün ekivalen ağırlığı Mol sayısı= H 2 S 4 'ün ağırlığı H 2 S 4 'ün formül ağırlığı 4,9 g H 2 S 4 98 Normalite= 2 g ek-1 H 2 S 4 0,1 L çözelti = 0,1 ek 0,1 L = 1 N Molarite= 4,9 g H 2 S 4 98 g mol -1 H 2 S 4 0,1 L çözelti = 0,05 mol 0,1 L = 0,5 M Görüldüğü gibi yapısında iki hidrojen içeren sülfirik asitin (H 2 S 4 ) normalitesi, molaritesinin 2 katıdır. Normalite ile molarite arasında, N= am bağıntısı yazılabilir. Burada a, "tesir değerliği" olup ekivalen ağırlık bulunurken formül ağırlığını böldüğümüz sayıya eşittir. Çözüm 9.3'de H 2 S 4 'ün tesir değerliği 2, molarite 0,5 olduğuna göre N= 2.(0,5) = 1 yazılabilir

174 Örnek 9.4 3,0 g CuS 4 'in 250 ml çözeltideki molaritesi ve normalitesi nedir? Çözüm 9.4 Bilinmeyen Verilen Bağıntı Molarite 3,0 g CuS 4 Normalite 250 ml (0,25 L) çözelti M= n V (L), N= ek V (L) 159,60 g Cu S 4 1 mol CuS 4 n= CuS 4 'ın ağırlığı CuS 4 'ın formül ağırlığı Ekivalen ağırlık= 159,60 g mol-1 2 ek mol -1 CuS Ekivalen ağırlık sayısı= ek= 4 'ın ağırlığı CuS 4 'ın ekivalen ağırlığı 3,0 g CuS 4 Molarite= 159,60 g mo -1 CuS 4 0,250 L l çözelti = 0,019 mol 0,250 L = 0,076 M 3 g CuS 4 159,60 g ek -1 CuS 4 Normalite= 2 0,250 L çözelti = 0,038 ek 0,250 L = 0,152 N Görüldüğü gibi N= 2 x M N= 2 x 0,076 = 0,152 dir Çözeltilerin Seyreltilmesi Çözeltiler genellikle derişimi bilinen stok çözeltilerinden hazırlanır. Bunun için stok çözeltiden hesaplanarak alınan çözelti, istenen hacme göre seçilmiş balon jojeye alınır ve üzerine hacmi belirten çizgiye kadar çözücü eklenir. Bu şekilde başlangıçtaki derişimden daha seyreltik çözelti hazırlanmış olur. Balon joje

175 Seyreltme hesapları, stok çözeltiden alınan çözünen mol sayısı ile seyreltik çözeltideki çözünenin mol sayısının aynı olması esasına dayanır ve (stok derişimi) (stok hacmi) = (istenen derişim) (istenen hacim) şeklinde ifade edilebilir. Burada eşitliğin her iki tarafında derişim ve hacim birimlerinin aynı olmasına dikkat edilmelidir. Çoğu derişimler molarite ve normalite ile ifade edildiğinden kısaca M 1 V 1 = M 2 V 2 veya N 1 V 1 = N 2 V 2 şeklinde yazılabilir. N 1, M 1, V 1 normalite, molarite ve hacmin ilk değerleri, N 2, M 2, V ise 2 normalite, molarite ve hacmin son değerleridir. Örnek M stok HCl çözeltisinden, 2,00 L 0,50 M HCl çözeltisi hazırlamak için kaç ml almak gerekir? Çözüm 9.5 Bilinmeyen Verilen Bağıntı V 1 M 1 = 12 M M 1 V 1 = M 2 V 2 M 2 = 0,50 M V 2 = 2,00 L M 1 V 1 = M 2 V 2 (12 M) V 1 = (0,50 M) (2,00 L) V 1 = 0,0833 L = 83,3 ml olarak bulunur. Buna göre 83,3 ml 12 M stok HCl çözeltisinden alınıp 2,00 L'ye tamamlanırsa 0,50 M'lık çözelti hazırlanmış olur Molalite Molalite, 1 kg (veya 1000 g) çözücüde (çözeltide değil) çözünenin mol sayısıdır. Molalite veya molal derişim, "m" ile gösterilir ve Molalite = Çözünenin mol sayısı Çözücünün miktarı (kg) şeklinde ifade edilebilir. Örneğin 5,00 molal NaCl çözeltisi demek, 1 kg suda 5,00 mol NaCl bulunuyor demektir

176 Örnek 9.6 Bir antifriz çözeltisi 40 g etilen glikolün (C 2 H 6 2 ) 60 g su ile karıştırılmasıyla hazırlanır. Bu çözeltinin molalitesini hesaplayınız. Çözüm 9.6 Bilinmeyen Verilen Bağıntı Molalite 40 g C 2 H g H 2 Molalite = Çözünenin mol sayısı Çözücünün kg miktarı 62,1 g C 2 H mol C 2 H kg g veya g 1 kg 40 g C 2 H 6 2 Molalite= 62,1 g mol -1 C 2 H 6 2 = 10,7 mol C 2 H 6 60 g çözücü 1 kg kg çözücü 10 3 g 2 = 10,7 m olarak bulunur ppm ve ppb Bazen çok hassas analizlerde derişimler o kadar küçük olur ki derişim birimi olarak "ppm" veya "ppb" kullanılır. ppm, milyonda parça anlamında (ppm, İngilizce parts per million kelimelerinin kısaltılmış şekli) bir derişim birimidir. Örneğin 5 ppm, bir milyonda (10 6 ) beş parça demektir. 5 ppm Hg denildiğinde ise 1 kg su örneğinde 5 mg civa bulunduğu anlaşılır ve 5 mg 1 kg şeklinde yazılır. = 5 mg = 5 ppm 10 6 mg Çok seyreltik çözeltilerde; 1 kg çözeltinin hacmi, (suyun yoğunluğu 1 g/ml= 1 kg/l olduğundan) bir litredir. Buna göre çözeltilerde bu birim, ppm= çözünenin miktarı (mg) çözeltinin hacmi (L) şeklinde ifade edilebilir. Örneğin 20 ppm Fe, 1 litre çözeltide 20 mg Fe bulunuyor anlamındadır

177 Çok küçük derişimler için diğer bir derişim birimi ppb (İngilizce parts per billion kelimelerinin kısaltılmışı) kullanılır. Milyarda parça anlamına gelen ppb için litre çözücüde çözünen miktarı mikrogram cinsinden ifade edilir. Buna göre ppb, ppb= şeklinde gösterilebilir. çözünenin miktarı ( g) µ çözeltinin hacmi (L) Örnek ml su örneğinde 3,6 mg kurşun bulunuyorsa çözeltinin derişimini ppm olarak hesaplayınız. Çözüm 9.7 Bilinmeyen Verilen Bağıntı ppm 3,6 mg Pb ml örnek ppm= çözünenin mg miktarı çözeltinin L miktarı ppm= 3,6 mg Pb ml = 7,2 mg Pb+2 = 7,2 ppm Pb ml 1 L 1 L 7. ÇÖZELTİLERİN BUHAR BASINCI Çözeltilerde; kinetik enerjisi büyük, sıvı yüzeyindeki veya sıvı yüzeyine yakın moleküllerden bazıları, moleküller arası çekim kuvvetini yenerek sıvı yüzeyinden ayrılır ve gaz haline geçebilirler. Bu olay "buharlaşma" olarak tanımlanır. Buhar halindeki sıvı yüzeyine yakın moleküllerin bazıları da yüzeydeki moleküller tarafından çekilebilirler ve bu moleküller de tekrar sıvıya dönebilirler. Bu olay da "yoğunlaşma" olarak bilinir. Buharlaşma hızı ile yoğunlaşma hızı birbirine eşit olduğunda dinamik denge kurulur. Dinamik denge halindeki buharın basıncına o sıvının o sıcaklıktaki buhar basıncı denir. Suyun 100 C de dinamik denge halinde iken buhar basıncı 760 mm Hg dır, eğer atmosfer basıncı da 760 mm Hg ise kaynama olayı gözlenir. Sıvının buhar basıncının, dışbasınca eşit olduğu sıcaklığa, o maddenin "kaynama noktası" denir. Çözeltilerin buhar basınçları ile, derişimi arasındaki bağıntı ilk kez M.Raoult tarafından araştırılmıştır ve bu bağıntı "Raoult Yasası" olarak bilinir

178 Raoult Yasasına göre, bir çözeltinin buhar basıncı, çözücünün saf haldeki buhar basıncı ile onun mol kesrinin çarpımına eşittir. Çözeltinin buhar basıncı "P"; saf çözücünün buhar basıncı "P ", çözücünün mol kesri " X 1 " olmak üzere Raoult Yasası P= P X 1 şeklinde ifade edilebilir. Çözücünün mol kesri X 1 ; çözücünün çözelti içindeki mol sayısının n 1, çözünen maddenin çözelti içindeki mol sayısı n 2 olmak üzere, şeklinde yazılabilir. X 1 = n 1 n 1 +n 2 8. ÇÖZELTİLERİN KLİGATİF ÖZELLİKLERİ Koligatif özellikler, sadece çözeltideki çözünen parçacıklarının sayısına bağlıdır. Çözeltide bulunan çözünen parçacıkları (atomlar, iyonlar, moleküller) çözeltinin buhar basıncının, saf çözücüye göre daha düşük olmasına neden olurlar. Çünkü çözünen parçacıkları; çözeltinin yüzeyinden daha az sayıda çözücü moleküllerinin ayrılmasına sebep olurlar. Buna karşın sıvıya dönen buhar moleküllerinin sayısı değişmez. Bu nedenle derişik çözeltiler, saf çözücüden daha yavaş buharlaşırlar. Buhar basıncının azalması, koligatif özelliğe bir örnektir. Bir çözünen etkisi ile buhar basıncı düşürülen bir çözeltinin, buhar basıncını atmosferik basınca eşit yapabilmek için daha yüksek sıcaklığa gereksinimi vardır. Bu etki çözeltilerde kaynama noktası yükselmesi şeklinde ortaya çıkar. Koligatif bir özellik olan kaynama noktası yükselmesi, T b = K b.m şeklinde ifade edilir. T b, kaynama sıcaklığındaki değişme; "m", molalite, "K b " molal kaynama noktası yükselmesi sabiti olup çözücünün bir özelliğidir. Su için K b değeri 0,512 ( C) (kgh 2 ) / mol olarak verilir. Örnek 9.8 1,0 Molal şekerli-su çözeltisinin bir atmosferdeki kaynama noktası sıcaklığını bulunuz

179 Çözüm 9.8 1,0 molal şeker çözeltisinin kaynama noktası saf suya göre o T b = H o 0,512 (C)(kg 2 ) 1,00 mol mol kg H 2 = 0,512 C kadar yükselmiş olarak bulunur. 1 Atmosferde; saf suyun kaynama noktası 100 C olduğuna göre, bu çözelti 100, 512 C da kaynayacaktır. Bir çözücü donduğunda, sıvı ve katı hali arasında, aynen kaynama sırasında sıvı ve gaz hali arasında olduğu gibi bir denge vardır. Dolayısıyla sıvı çözücünün buhar basıncı ile katı çözücünün buhar basınçları birbirine eşit olmalıdır. Fakat çözeltinin buhar basıncı çözünenlerin etkisi ile azalır ve donma noktası da alçalır. Buhar basıncının düşmesi, katı hale geçmek için sıvı hali bırakmaya daha az istekli olması anlamında düşünülebilir. Dolayısıyla çözeltide katı çözücü ile sıvı çözücünün dengede olabilmesi gereken sıcaklık azalır. Donma noktası alçalmasını hesaplamak için, kaynama noktası yükselmesini hesaplamakta kullanılan eşitliğe benzer bir eşitlik T f = K f m yazılabilir. Burada " T f ", donma sıcaklığındaki değişme; "m", molalite; "K f ", molal donma noktası alçalması sabitidir. K b gibi K f de çözücünün bir özelliğidir. Su için K f değeri 1,86 ( o C) (kg H 2 )/mol olarak verilir. ( K f 'deki mol, çözünenin molüdür.) Örnek molal şeker çözeltisinin bir atmosferdeki donma noktası sıcaklığını bulunuz. Çözüm molal şeker çözeltisinin donma noktasını saf suya göre T f = 1,86 ( o C) (kg H 2 ) x 1,00 mol = 1, 86 mol kg H 2 kadar düşmüş olur. Saf su 0 C'da donduğuna göre bu çözelti -1,86 C (1 atmosferde)da donar. tomobil radyatörlerindeki antifiriz, suyun donma noktasını düşürmesi prensibine dayanır. %40 (ağırlık/ağırlık) etilen glikol (C 2 H 6 2 ) çözeltisi, suyun donma noktasını -20 C'a kadar düşürür. o C

180 çözücü yarı geçirgen zar çözelti Şekil 9.4 zmoz: Çözücü molekülleri zardan difüzlenerek derişik çözeltiye doğru hareket ederler. zmotik basınç da diğer bir koligatif özelliktir. zmoz olayı, çözünen parçacıklarının geçemediği yarı geçirgen bir zardan çözücü moleküllerinin difüzyonudur. Yarı geçirgen zarın iki tarafında farklı derişimdeki çözeltiler yer aldığında, çözücü daha seyreltik çözeltiden (daha fazla çözücü içerir) daha derişik çözeltiye (daha az çözücü içerir) hareket eder (Şekil 9.4). zmoz olayı, derişik çözelti yeteri kadar seyreltik olana kadar diğer bir deyişle, çözücü molekülleri zardan zıt yönlerde eşit hızda geçişleri sağlanana kadar devam eder. zmotik basınç ise, ozmoz sırasında daha derişik çözeltiden, çözücü akışını durdurmak için gereken basınçtır. zmotik basınç da sadece çözünenin parçacıklarının sayısına (sabit sıcaklıkta, hacimde) bağlı olup koligatif bir özelliktir. zmotik basınç canlı sistemlerde çok önemlidir. İnsan plazmasının 37 C'de 7,65 atmosferlik bir basıncı olduğu bulunmuştur. Bitki köklerinde ise 50 atm veya daha fazla olabilmektedir. Özet Çözelti homojen bir karışımdır. Çözeltide miktarı çok olan bileşen çözücü, miktarı az olan bileşen çözünen adını alır. Çözeltiler gaz, sıvı veya katı halinde olabilirler. Çözünme, moleküller arasındaki çekim kuvvetine dayanır ve genellikle benzer benzeri çözer şeklinde ifade edilir

181 Suda çözünerek yüklü tanecikler oluşturan maddeler "elektrolit" olarak adlandırılır. Elektrolitler kuvvetli ve zayıf olmak üzere sınıflandırılırlar.herhangi bir sıcaklıkta, belirli hacimdeki çözücüde belirli miktar madde çözünür. Normal şartlarda, belirli sıcaklıkta, çözünenin maksimum çözünebildiği miktarı içeren çözeltilere "doymuş çözeltiler" denir. Doymuş çözeltide çözünen madde miktarına da o maddenin o çözücüdeki "çözünürlüğü" denir. Belirli bir miktar çözelti veya çözücü içersinde çözünen madde miktarına "derişim" denir. En çok kullanılan derişim birimleri; yüzde derişim, mol kesri, molarite, normalite, molalite, ppm ve ppb'dir. Çözeltilerin koligatif özellikleri, sadece çözeltide çözünen parçacıkların sayısına bağlıdır. Bu özellikler, "buhar basıncı alçalması", "donma noktası alçalması", "kaynama noktası yükselmesi" ve "ozmotik basınç"tır. Değerlendirme Soruları 1. Sodyum nitratın 25 C deki çözünürlüğü 92,1 gram/100 ml suda olarak verildiğine göre, 2,5 L suda kaç gram NaN 3 çözünür? A) 2,4 B) 9,2 C) 23 D) 2,5X10 2 E) 2,3X ,0 gram suda 4 gram NaCl çözülmesiyle hazırlanan bir çözelti ağırlıkça yüzde kaç NaCl içerir? A) %12 B) %32 C) %40 D) %63 E) %87 3. Hacimce %2,1 alkol içeren 750 ml çözelti hazırlamak için kaç ml alkol gereklidir? A) 15,75 B)21,2 C) 75,0 D) 100,0 E) 108,2 4. 0,1 M NaH çözeltisinin 25 ml sinde kaç gram NaH çözünmüş olarak bulunur? A) 0,1 B) 0,2 C) 0,3 D) 0,4 E) 0,

182 ml 0,55 M sodyum asetat çözeltisini 0,45 M yapmak için kaç ml su ilave edilmelidir? A) 1,2 B) 10,2 C) 18 D) 22 E) Dikromat iyonu, Cr H e - 2 Cr H 2 yarı reaksiyonuna göre yükseltgeyici olarak kullanılacaktır. 2,0 N, 250 ml çözelti hazırlamak için kaç gram K 2 Cr 2 7 alınmalıdır? A) 10,2 B) 14,8 C) 18,9 D) 24,5 E) 26,0 7. 0,50 molal glikoz, C 6 H 12 6, çözeltisi hazırlamak için 500 g suda kaç gram glikoz çözülmelidir? A) 12,4 B) 25,8 C) 45,0 D) 51,2 E) 72, ,5 ppm civa içeren 2 L çözeltide kaç gram civa vardır? A) 0,010 B) 0,012 C) 0,025 D) 0,050 E) 0, ,20 m sulu alkol çözeltisinin donma noktası nedir? A) -0,13 C B) -0,20 C C) -0,37 C D) -0,41 C E) -0,55 C 10. 0,33 m sukroz çözeltisinin kaynama noktası nedir? A) 100,03 C B) 100,10 C C) 100,17 C D) 100,23 C E) 100,38 C

183 ÜNİTE 10 Çözünürlük ve Kompleks İyon Dengeleri Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra; Çözünürlük çarpımı sabiti kavramını öğrenecek, Çözünürlük ve Kçç arasındaki ilişkiyi kullanarak çözünürlük problemlerini çözebilecek, Çözünürlüğü etkileyen faktörleri bilecek Çökelme koşulunu ve seçmeli çöktürmeyi kavrayacak Kompleks iyon dengelerini ve K 0l sabitini öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Çözünürlük Çarpımı Sabiti, Kçç Çözünürlük ve Kçç Arasındaki İlişki Çözünürlüğe Etki Eden Faktörler Çökelme Koşulu ve Seçmeli Çöktürme Kompleks İyon Dengeleri Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çalışmadan önce "Kimyasal Denge" konulu Ünite 8'i gözden geçiriniz. Verilen örnekler üzerinde dikkatle durunuz ve ünitede verilen soruları çözünüz.

184 1. GİRİŞ Ünite 8'de denge, denge sabiti kavramlarını gördünüz. Bildiğiniz gibi denge sabiti kavramı heterojen sistemlerde de geçerlidir. Bu bölümde az çözünen ve katı fazı oluşturan bir bileşiğin sıvı fazında bulunan ve yapısında yer alan iyonlarla oluşturduğu denge ve çözünürlük arasındaki ilişkileri ele alınacaktır. Ayrıca çözünürlüğü etkileyen faktörlerden birisi olan kompleks oluşumu ile ilgili olarak "kompleks iyon" ve "kompleks oluşum dengelerine" de yer verilecektir. 2. ÇÖZÜNÜRLÜK ÇARPIMI SABİTİ, K çç Az çözünen bir bileşiğin katı fazdaki hali ile çözeltideki iyonları arasında bir denge vardır. Genel olarak A m B n şeklinde formüle edilen az çözünen bir tuzu göz önüne alalım. Bu tuzun doymuş sulu çözeltisi içindeki iyonları arasındaki çözünürlük dengesi, A m B n (k) ma +n + nb -m şeklinde olup, denge sabiti K = m n A +n B -m A m B n (k) olarak yazılabilir. ancak saf katıların dengedeki derişimleri değişmediğinden yukarıdaki eşitlik A +n m B -m n = K A m B n (k) = Kçç şeklinde yazılabilir. Böyle bir ifadede yer alan K çç sabitine "çözünürlük çarpımı sabiti" denir. Görüldüğü gibi çözünürlük çarpımı sabiti, doymuş bir çözeltide, az çözünen bileşiğin iyonlarının derişimlerinin çarpımıdır. Burada iyonların çözünürlük derişimleri molar (mol/litre) derişim cinsindendir. Çizelge 10.1'de bazı bileşiklerin K çç değerleri ve çözünürlük dengeleri verilmiştir

185 Çizelge 10.1 Bazı Bileşiklerin Çözünürlük Çarpımı Sabitleri a (25 C'de) Çözünen Çözünürlük dengesi K çç aluminyum hidroksit Al(H) 3 (k) Al +3 (aq) + 3 H - (aq) 1,3 x baryum karbonat BaC 3 (k) Ba +2 (aq) + C -2 3 (aq) 5,1 x 10-9 baryum sülfat BaS 4 (k) Ba +2 (aq) + S -2 4 (aq) 1,1 x kalsiyum karbonat CaC 3 (k) Ca +2 (aq) + C -2 3 (aq) 2,8 x 10-9 kalsiyum florür CaF 2 (k) Ca +2 (aq) + 2 F - (aq) 5,3 x 10-9 kalsiyum sülfat CaS 4 (k) Ca +2 (aq) + S -2 4 (aq) 9,1 x 10-6 krom (III) hidroksit Cr(H) 3 (k) Cr +3 (aq) + 3 H - (aq) 6,3 x demir (III) hidroksit Fe(H) 3 (k) Fe +3 (aq) + 3 H - (aq) 4 x kurşun (II) klorür PbCl 2 (k) Pb +2 (aq) + 2 Cl - (aq) 1,6 x 10-5 kurşun (II) kromat PbCr 4 (k) Pb +2 (aq) + Cr -2 4 (aq) 2,8 x kurşun (II) iyodür PbI 2 (k) Pb +2 (aq) + 2I - (aq) 7,1 x 10-9 magnezyum karbonat MgC 3 (k) Mg +2 (aq) + C -2 3 (aq) 3,5 x 10-8 magnezyum florür MgF 2 (k) Mg +2 (aq) + 2 F - (aq) 3,7 x 10-8 magnezyum hidroksit Mg(H) 2 (k) Mg +2 (aq) + 2 H - (aq) 1,8 x magnezyum fosfat Mg 3 (P 4 ) 2 (k) 3 Mg +2 (aq) + 2 P -3 4 (aq) 1 x cıva(i) klorür Hg 2 Cl 2 (k) Hg +2 2 (aq) + 2 Cl - (aq) 1,3 x gümüş bromür AgBr(k) Ag +2 (aq) + Br - (aq) 5,0 x gümüş klorür AgCl(k) 2 Ag + (aq) + Cl - (aq) 1,8 x gümüş kromat Ag 2 Cr 4 (k) Ag + (aq) + Cr -2 4 (aq) 2,4 x gümüş iyodür AgI(k) Ag + (aq) + I - (aq) 8,5 x stronsiyum karbonat SrC 3 (k) Sr +2 (aq) + C -2 3 (aq) 1,1 x stronsiyum sülfat SrS 4 (k) Sr +2 (aq) + S -2 4 (aq) 3,2 x 10-7 ( a K çç değerlerinin daha ayrıntılı listesi Ek2 de verilmiştir.) Tüm denge sabitleri gibi çözünürlük çarpımı sabiti de çözünen bileşiğin cinsine ve sıcaklığına bağımlıdır. Katıların sıvılarda çözülmesi olayı endotermik olduğundan, sıcaklık arttığında katının sudaki çözünürlüğü de artar ve K çç değeri büyür. Örnek 10.1 AgI, Hg 2 Cl 2, Ca 3 (P 4 ) 2 suda az çözünen tuzlardır, bu bileşiklerin çözünürlük çarpımı ifadelerini yazınız. Çözüm 10.1 Kçç ifadesi, çözünürlük denge reaksiyonundaki iyonlar için yazılır. İyonların katsayıları, ilgili iyonlara "üs" olarak yazılır

186 AgI(k) Ag + + I - K çç = [Ag + ] [I - ] Hg 2 Cl 2 (k) Hg Cl - K çç = [Hg 2 +2 ] [Cl - ] 2 Ca 3 (P 4 ) 2 (k) 3 Ca P 4-3 K çç = [Ca +2 ] 3 [P 4-3 ] 2? Baryum iyodat, stronsiyum fosfat, kalsiyum florür tuzları için çözünürlük çarpımı sabiti ifadelerini yazınız. 3. ÇÖZÜNÜRLÜK VE Kçç ARASINDAKİ İLİŞKİ Az çözünen bir bileşiğin doygun sulu çözeltisindeki molar çözünürlüğü ile Kçç arasında bir ilişki vardır. Deneysel olarak tayin edilen bir bileşiğin çözünürlüğünden K çç değeri elde edilebildiği gibi (Örnek 2), tersine bir bileşiğin K çç değerinden çözünürlüğü hesaplanabilir (Örnek 3). Çözünürlükten K çç Değerinin Bulunması Örnek 10.2 AgCl'ün 25 C'daki çözünürlüğü 1,434 x 10-4 g AgCl/100 ml olarak belirlenmiştir. Bu tuzun 25 C'daki K çç değerini bulunuz. Çözüm 10.2 Burada ilk önce çözünürlüğün molar derişime çevrilmesi daha sonra Kçç değerinin hesaplanması gerekir. (gagcl/100ml mol AgCl/L [Ag + ] ve [Cl - ] K çç ) Bunun için önce çözünürlüğü g/100ml'den mol/l (molar derişim, M)' e çevirelim. (Burada 100 ml çözelti 0,1 L olarak alınması uygun olur). mol AgCl 1,434 x 10-4 L doymuş çözelti = g AgCl x 0,1 L çözelti 1 mol AgCl 143,4 g = 1,0 x 10-5 M AgCl Gümüş klorür için AgCl(k) Ag + + Cl - dengesi yazılabilir. Buna göre 1 mol AgCl'ün çözünmesiyle 1mol Ag + ve 1mol Cl - iyonu oluşur

187 Ag + = 1,0 x 10-5 mol AgCl x 1 L 1 mol Ag + 1 mol AgCl = 1,0 x 10-5 M Cl - = 1,0 x 10-5 mol AgCl x 1 mol Cl - 1 L 1 mol AgCl = 1,0 x 10-5 M Bu değerleri çözünürlük çarpımı ifadesinde yerine koyarsak K çç = [Ag + ] [Cl - ] = (1,0 x 10-5 ) (1,0 x 10-5 ) = 1,0 x olarak bulunur.? Ca 3 (P4) 2 'ın çözünürlüğü 25 C'de 7,67 x 10-4 g/l'dir. Bu tuzun 25 C'daki Kçç değerini bulunuz. Yanıt: 9,9 x K çç Değerinden Çözünürlüğün Hesaplanması Örnek 10.3 Ba(I 3 ) 2 'ın 25 C'daki K çç değeri 1,57 x 10-9 dur. 25 C'daki çözünürlüğünü mol/l cinsinden hesaplayınız. Çözüm 10.3 Baryum iyodat için çözünürlük dengesi Ba(I 3 ) 2 (k) Ba I 3 - yazılabilir. Görüldüğü gibi çözünen her bir mol Ba(I 3 ) 2 için çözeltide 1 mol Ba +2 ve 2 mol I 3 - oluşmaktadır. Ba(I 3 ) 2 'ın molar çözünürlüğünü, yani bir litre doymuş çözeltide çözünen Ba(I 3 ) 2 'ın mol sayısını "s" ile gösterirsek çözeltide; [Ba +2 ] = s [I 3- ] = 2s olacaktır. Bu derişimler K çç ifadesinde yerine konursa; K çç = [Ba +2 ] [I 3- ] 2 = (s) (2s) 2 = 4s 3 = 1,57 x 10-9 S = 3 1,57 x 10-9 = 7, 32 x 10-4 M 4 S = Ba(I 3 ) 2 'ın molar çözünürlüğü = 7,32 x 10-4 M

188 ?? MgF 2 'ün 25 C'daki Kçç değeri 6,4 x 10-9 dur. 25 C daki çözünürlüğünü mol/l cinsinden hesaplayınız. Yanıt: 1,17 x 10-3 mol/l Bileşiklerin Kçç değerlerini kıyaslayarak hangisinin daha az çözüneceği söylenebilir mi? K çç değerleri kıyaslanan bileşikler aynı tip (AB, AB2, AB gibi) olduğunda; K çç değeri küçük olanın daha az çözüneceğini söylenebilir. Buna göre CuS (Kçç = 4,0 x ), Cu I (K çç = 1,1 x ) den daha az çözünür. Bu tip bileşiklerin çözünürlüğü S = K çç 'dir. K çç değerlerini kıyaslayarak hangi bileşiğin daha az çözüneceğini belirlerken, bileşikler aynı tip değilse çözünürlüğün hesaplanması gerekebilir. Örneğin AgCN ile Ag 2 C 3 'ın Kçç değerlerine ve çözünürlüklerine bakalım. AgCN için; Kçç = 7,2 x çözünürlük S = Kçç = 8,49 x 10-6 Ag 2 C 3 için; Kçç = 8,1 x çözünürlük S = Kçç/4 = 1,26 x 10-4 Görüldüğü gibi K çç 'si daha küçük olan Ag 2 C 3, K çç 'si daha büyük olan AgCN'den daha fazla çözünürlüğe sahiptir. 4. ÇÖZÜNÜRLÜĞE ETKİ EDEN FAKTÖRLER Çözünürlük, az çözünen bir bileşik ile çözeltisi içindeki iyonları arasındaki denge reaksiyonu ile ilgili olduğuna göre; bu dengeye dışarıdan bir etki yapıldığında Le Châtelier ilkesi gereğince denge bu etkiyi azaltıcı yönde bir tepki gösterecektir ve dolayısıyla çözünürlüğe etki edecektir.? Çözünürlük dengesine ve dolayısıyla çözünürlüğe etki eden bu faktörler nelerdir? Bu faktörler; ortak iyon etkisi, yabancı iyon etkisi, hidrojen iyon-derişiminin etkisi (ph), kompleksleşmenin etkisi şeklinde sıralanabilir. Şimdi bu faktörleri açıklamaları ve örnekleri ile birlikte görelim

189 4.1. rtak İyon Etkisi Örnek 10.2 ve 10.3'te doygun çözeltilerin iyon kaynağı sadece saf katı bileşik idi. Şimdi Örnek 10.3'teki Ba(I 3 ) 2 'ın doygun çözeltisine bir miktar Ba(N 3 ) 2 çözeltisi eklendiğinde (Ba +2 ortak iyonu eklendiğinde) çözünürlüğe etkisini görelim. Ba +2 ortak iyonun eklenmesi ile Ba(I 3 ) 2 'ın çözünürlük dengesine dışarıdan bir etki yapılmıştır. Bu durumda Le Châtlier İlkesine göre denge bu iyonun miktarını azaltıcı yönde, Ba(I 3 ) 2 (k) yönüne kayar ve yeni bir denge kurulur. Ba(I 3 ) 2 (k) Bir miktar Ba I 32 çöker. Ba +2 derişimi ilk dengeye göre daha çoktur. - I 3 derişimi ilk dengeye göre daha azdır. Ba +2 + I 3 - Az çözünen iyonik bir bileşiğin çözeltisine bu bileşik ile ortak iyona (anyon veya katyon) sahip başka bir tuz katılırsa, ortak iyon çözünürlüğü azaltıcı yönde etki eder. rtak İyon Varlığında Çözünürlüğün Hesaplanması Örnek Ba(I 3 ) 2 'ın 0,020M Ba(N 3 ) 2 çözeltisindeki çözünürlüğünü hesaplayınız. Çözüm Burada Ba(I 3 ) 2 'ın doygun çözeltisi, saf su yerine 0,020 M Ba(N 3 ) 2 çözeltisinde hazırlandığını düşünebiliriz. Bu durumda çözünürlük, S = [Ba +2 ] olmayacaktır. Çünkü ortamda iki Ba +2 kaynağı vardır : Ba(N 3 ) 2 ve Ba(I 3 ) 2. Bunlardan ilki çözücü içindeki Ba(N 3 ) 2 tan gelen [Ba +2 ] = 0,020 M, ikincisi ise Ba(I 3 ) 2 'ın çözünürlüğünden gelen [Ba +2 ] = s mol/l, [I 3- ] = 2s mol/l dir. Bu bilgileri çözünürlük dengesi ifadesi ile toparlayalım. Ba(I 3 ) 2 (k) Ba I - 3 İlk derişim : 0,02 Ba(I3)2 'dan gelen derişim : s 2s Denge derişimi : 0,020 + s 2s

190 Bu değerler denge ifadesinde yerine konulduğunda, K çç = [Ba +2 ] (I - 3) 2 = (0,020 + s) (2s) 2 = 1,57 x 10-9 Denklemin çözümünü kolaylaştırmak için s «0,020 varsayımını yaparak (0, s 0,020) basitleştirmesini kabul ederiz. Bu durumda (0,020) (2s) 2 = 1,57 x 10-9 s = 1,57 x x 0,02 = 1.40 x 10-4 M Görüldüğü gibi 0,020'nın yanında s = 1.40 x 10-4 çok küçüktür ve yapılan ihmal (0, (1,40 x 10-4 ) 0,020) sonucu pek etkilemez. s = Ba (I 3 ) 2 'ın molar çözünürlüğü = 1,40 x 10-4 M? CaS 4 'ın çözünürlük çarpımı sabiti 2,4 x 10-5 dir. 1,2 M Na 2 S 4 çözeltisi içersindeki çözünürlüğünü mol/l cinsinden hesaplayınız. Yanıt: 2.0 x mol/l Ba (I 3 ) 2 'ın 0,020 M Ba +2 içeren bir çözücüdeki çözünürlüğü (s = 1,40 x 10-4, Örnek 10.4.), saf sudaki çözünürlüğünden (s = 7,32 x 10-4, Örnek 10.3.) yaklaşık 5 kat daha az olduğu görülmektedir Yabancı İyon Etkisi Çözünürlük dengesinde yer almayan iyonlar "yabancı iyonlar" veya "ortak olmayan iyonlar" olarak bilinirler. Örneğin AgCl'ün doygun çözeltisine katılan KN 3, NaN 3 gibi elektrolitlerin iyonları yabancı iyon durumundadırlar. Bu iyonlar çözeltinin toplam iyon derişimini artırırlar. Yabancı iyonlar ile toplam derişim arttığında, iyonlar arası çekimler önemli duruma gelir. Bu durumda derişimler ölçülen derişimlerden daha küçük olur. Dolayısıyla yabancı iyonlar az çözünen bileşenin çözünürlüğünü artırırlar. Bu nedenle çöktürme işlemlerinde yabancı iyonlardan kaçınmak gerekir

191 Yabancı iyonların çözünürlüğe etkisi, çözünürlüğü artırıcı yöndedir Hidrojen İyonu Derişiminin Etkisi Az çözünen bir bileşiğin iyonları asidik veya bazik özellikte ise, çözeltinin hidrojen iyonu derişiminin değişimi, çözünürlük dengesinin değişmesine neden olur. Örneğin Fe(H) 3 bileşiğinin çözünürlük dengesinde bulunan hidroksit iyonları bazik özellikte olup, hidronyum iyonları (H 3 + ) ile reaksiyona girerek su oluştururlar. Fe (H) 3 (k) Fe H - K çç = 4 x H - + H H 2 Birinci dengeye H 3 + eklenirse, H - iyonları reaksiyona girerek azalır. Bu durumda bir miktar daha Fe (H) 3 iyonlaşır. (Le Châtelier İlkesi). Birinci eşitlik ile ikinci eşitliğin 3 katı toplanarak net eşitlik Fe (H) 3 (k) + 3 H 3 + Fe H 2 şeklinde yazılabilir. Reaksiyon asidik çözeltilerde tek yönlüdür ve Fe(H) 3 kolaylıkla çözünür. Bu gibi bazik anyon veren bileşiklerin çözünürlüğünü artırmak hatta tamamen çözmek için hidrojen iyonu derişimini artırmak gerekir Kompleksleşmenin Etkisi Kompleks iyon oluşumu, suda çözünmeyen bazı bileşikleri suda çözünür hale getirir. Diğer bir deyişle az çözünen bir bileşiğin iyonlarından biri çözeltiye katılan diğer bileşiklerle kompleksleşebiliyorsa çözünürlük artar. 5. ÇÖKELME KŞULU, SEÇMELİ ÇÖKTÜRME Çözünürlük çarpımı hesapları, iki çözelti birbiriyle karıştırıldığında bir çökeltinin oluşup oluşmayacağını önceden kestirmek amacıyla kullanılır. Bu durumda oluşması beklenen az çözünen tuzun (M a X b ) iyonlarının derişimleri çarpımı "iyon çarpımı" (Q çç ) he

192 saplanır. İyon çarpımı Q çç = [M] a [X] b şeklinde ifade edilebilir. (Buradaki derişimlerin denge derişimleri olmayıp herhangi bir durumdaki derişimleridir.) K çç değeri ile Q çç değeri karşılaştırıldığında üç durum olabilir: Q çç < K çç : Çözelti doymamıştır, çökelti olmaz ve oluşmuş bir çökelti varsa çözünür. Q çç > K çç : Çözelti aşırı doymuştur. Bir çökelti oluşur ve önceden varolan bir çökelti ise çözünmez. Q çç = K çç : Çözelti doymuştur. Bu denge karışımında bir çökelti oluşmaz ve önceden oluşmuş bir çökelti de çözünmez. Örnek 10.5 Eşit hacimlerde 0,008 M Ag N 3 çözeltisi ile M NaCl çözeltisi karıştırılırsa çökelme olur mu? Çözüm 10.5 Bu iki çözelti karıştırıldığında az çözünen AgCl'ün oluşması beklenir. Çökelme olup olmayacağını belirlemek için AgCl'ın iyonlar çarpımı ile çözünürlük çarpımını karşılaştıracağız. Karıştırılan çözeltiler eşit hacimde olduğundan hacim iki katına çıkarken derişimler yarıya inecektir. Bu durumda Ag + ve Cl - derişimleri, Ag + = 0,008 2 Cl - = 0,002 2 = 0,004 M = 0,001 M Buna göre iyonlar çarpımı Q çç = [Ag + ] [Cl - ] = (4 x 10-3 ) (1 x 10-3 ) = 4 x 10-6 AgCl için K çç = 1,7 x olduğuna göre, Q (4 x 10-6 ) değeri, K çç (1,7 x ) değerinden büyük olduğundan AgCl çökeleği oluşur

193 Seçmeli Çöktürme Bir çözeltide birden fazla iyon varsa, bunlardan birisinin çökelek halinde çöktürme, diğerlerini çözeltide bırakma yöntemine "seçmeli çöktürme" yöntemi denir. Eğer çözeltide bulunan iyonlar benzer özellikler gösteriyorlarsa, ayırma işlemi oluşan tuzların çözünürlük farklılıklarından yararlanılarak yapılır. İyi bir seçmeli çöktürme için çökecek bileşiklerin çözünürlükleri arasında yani K çç 'leri arasında önemli farklar olması gerekir. Örnek ,1 M Cl - ve 0,1 M Cr -2 4 iyonları içeren bir çözeltiye yavaş yavaş 0,1M AgN 3 çözeltisi ekleniyor. Hangi iyon önce çöker? Diğer iyon çökmeğe başladığı anda birinci çöken iyonun derişimi nedir? Cl - ve Cr 4-2 iyonları seçmeli çöktürme yöntemi ile birbirinden ayrılabilir mi? Çözüm 10.6 Çökelmenin başlaması için gerekli [Ag + ] değerlerini hesaplayalım. AgCl (k) Ag + + Cl - K çç = Ag + Cl - = 1,82 x Ag = 1,82 x 10 = 1,82 x 10-9 M 0,1 Ag 2 Cr 4 (k) 2 Ag + + Cr 4-2 K çç = Ag + 2 Cr 4-2 = 2,4 x Ag + = 2,4 x = 3,34 x 10-6 M 0,1 AgCl'ün çökmesi için daha küçük derişimdeki [Ag + ] gerektiğinden AgCl önce çöker. Ag 2 Cr 4 (k) çökmeğe başladığında, çözeltide kalan [Cl - ] miktarını bulmak için AgCl'ün K çç değerinden yararlanırız. AgCl(k) büyük oranda çöktükten sonra [Cl - ] iyice azalır ve [Ag + ] artmaya başlar. [Ag + ] = 3,34 x 10-4 değerine ulaştığında Ag 2 Cr 4 (k) çökmeğe başlar. Bu anda [Cl - ] değeri Ag Cl'ün K çç değerinden bulunur. K çç = [Ag + ] [Cl - ] = 3,34 x 10-4 [Cl - ] = 1,82 x [Cl - ] = 3 x 10-5 M

194 Yukarıdaki sonuca göre Ag 2 Cr 4 çökmeğe başladığı anda, Cl - derişimi 0,1 M'dan 3 x 10-5 M'a inmiş olur ve neredeyse tümü AgCl (k) olarak çökmüş olur. Bu durumda Cl - ve Cr -2 4 iyonları seçmeli çöktürme yöntemiyle ayrılabilir. 6. KMPLEKS İYN DENGELERİ Çözünürlüğü etkileyen faktörlerden birinin kompleks iyon oluşumu olduğunu belirtmiştik.? Nedir Kompleks iyon? Kompleks iyon, çok atomlu bir katyon ya da anyon olup, bir merkez iyon başka molekül ya da iyonlarla bağlanmıştır. Bazı molekül veya iyonlar bağ yapmayan (eşleşmemiş) elektron çiftleri taşırlar. Bu tür molekül veya iyonlar H 2, NH 3, Cl: -, SC N - gibi olup sulu çözeltide katyonlarla kolaylıkla birleşirler. Kimyasal bağın oluşumunda eşleşmemiş elektron çiftleri temel etkendirler ve koordine kovalent bağı oluştururlar. Yapısal olarak katyon, merkezi oluşturur ve "ligand" adı verilen elektron çifti kaynağı görevindeki türler katyonu çevreler. Fe (SCN) 6-3 koordinasyon sayısı merkez iyon ligandlar luşan ürün kompleks iyon olarak adlandırılır. Kompleks iyondaki katyonun tutabileceği en çok ligand sayısı o katyonun "koordinasyon sayısı" olarak bilinir. Bu sayı genellikle 4 ve 6'dır

195 Kompleks iyonları aşağıdaki gibi sınıflandırabiliriz: Katyon ile H 2, NH 3 gibi nötr ligandların oluşturduğu kompleks iyonlar. Örneğin Ag(NH 3 ) +,Zn(NH 3) +2, 2 4 Al(H 2 ) +3 6, Ni(H 2 ) +2 6 gibi. Katyon ile H -, CN -,Cl -, SCN -, S -2 gibi iyon ligandların oluşturduğu kompleks iyonlar. Örneğin Cr(H) - 4, Fe(CN) -3 6, Fe(SCN 6 ) -3, HgCl 4-2, FeF -3 6 gibi. Katyon yerine bir atom veya molekülün kendi anyonu ile oluşturduğu kompleks iyonlar. Örneğin I 3 - ve S 2-2 gibi. Katyon ile bazı organik molekül veya iyon ligandların oluşturduğu kompleks iyonlar Kompleks İyon Dengeleri ve luşum Sabitleri Ag Cl (k) gibi çözünürlükleri çok az olan bileşikler suda çözünmezler. Ancak üzerlerine NH 3 çözeltisi eklendiğinde çözünürler. Bunun nedeni AgCl'deki Ag + iyonun NH 3 ile birleşerek çözünür [Ag (NH 3 ) 2 ] + kompleks iyonunu oluşturmasıdır. Ag Cl (k) Ag + (aq) + 2 NH 3 (aq) Ag + (aq) + Cl - (aq) Ag (NH 3 ) 2 + (aq) Ag +, NH 3 ile kompleks dengesine girdiğinden, çözünme dengesinde azalan Ag + derişimini sağlamak için AgCl'ün çözünmesi gerikir. Bu durum oluşan kompleksleşme reaksiyonun denge sabitine ve eklenen madde derişimine bağlıdır. Kompleks iyon oluşturan reaksiyonların denge sabitleri, "luşum Sabiti, K ol " olarak bilinir. luşum Sabiti (K ol ), kompeks iyonun merkez iyon ve ligandlardan oluşma dengesinin denge sabitidir. Örneğin yukarıdaki kompleks oluşum reaksiyonu için, oluşum sabiti, K ol = Ag (NH 3) + 2 Ag + NH 2 3 şeklinde yazılabilir. Aşağıda iki örnek reaksiyon ve oluşum sabitleri verilmiştir

196 Fe +3 + SCN - (k) Fe (SCN) +2 K ol = Fe (SCN+2 ) Fe +3 SCN - Zn (H) 2 (k) + 2 H - Zn (H) 4-2 Bazı kompleks iyonların oluşma sabitleri çizelge 10.2'de verilmiştir. K ol = Zn (H 4-2 ) H - 2 Çizelge 10.2 Bazı Kompleks İyonların luşma Sabitleri a Kompleks iyon Denge tepkimesi K ol. [Co(NH 3 ) 6 ] +3 C NH 3 [Co(NH 3 ) 6 ] +3 4,5 x [Cu(NH 3 ) 4 ] +2 Cu NH 3 [Cu(NH 3 ) 4 ] +2 1,1 x [Fe(CN) 6 ] -4 Fe CN - [Fe(CN) 6 ] -4 1 x [Fe(CN) 6 ] -3 Fe CN - [Fe(CN) 6 ] -3 1 x [Pb Cl 3 ] - Pb Cl - [PbCl 3 ] - 2,4 x 10 1 [Ag(NH 3 ) 2 ] + Ag NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + 1,6 x 10 7 [Ag(CN) 2 ] - Ag CN - [Ag(CN) 2 ] - 5,6 x [Ag(S 2 3 ) 2 ] -3 Ag S [Ag(S 2 3 ) 2 ] -3 1,7 x [Zn(NH 3 ) 4 ] +2 Zn NH 3 [Zn(NH 3 ) 4 ] +2 4,1 x 10 8 [Zn(CN) 4 ] -2 Zn CN - [Zn(CN 4 )] -2 1 x [Zn(H) 4 ] -2 Zn H - [Zn(H) 4 ] -2 4,6 x (a. Daha geniş bir çizelge EK3 de verilmiştir.) (b. Bu çizelge oluşma reaksiyonlarını ve bunlara karşılık gelen oluşma sabitlerini vermektedir.) Örnek ,05 M Ag(NH 3 ) 2 + çözeltisindeki Ag + derişimini hesaplayınız. Ag(NH 3 ) 2 + için K ol = 1,6 x 10 7 dir. Çözüm Öncelikle kompleks oluşum dengesini yazalım. Ag NH 3 Ag (NH 3 ) 2 + İlk derişim : 0,05 M denge derişimi : x 2x 0,05-X K ol = + Ag (NH 3 ) 2 Ag + NH 3 2 = (0,05 - x) (x) (2x) 2 = 1,6 x 10 7 x = Ag + = 9,5 x 10-4 M

197 Kompleks İyonlar İçeren Bir Çözeltiden Çökelek luşması Örnek ml 0,10 M Ag (NH 3 ) 2 + çözeltisine 2mL 0,2 M NaCl çözeltisi eklenmektedir. Bu çözeltide AgCl(k) çöker mi? Ag (NH 3 ) 2 + için K ol = 1,6 x 10 7, AgCl için K çç = 1,8 x dur. Çözüm 10.8 Öncelikle çözeltideki [Cl - ] ve [Ag (NH 3 ) 2+ ] derişimlerinin hesaplanması gerekir. Cl - = 0,2 mol/l 2 ml 22 ml = 0,018 M Ag NH 32 + = 0,10 mol/l 20 ml 22 ml = 0,090 M [Ag (NH 3 ) 2+ ] derişiminden çıkarak dengedeki [Ag + ] derişimini hesaplamak üzere kompleks oluşum dengesi yazalım: Ag NH 3 Ag (NH 3 ) 2 + İlk derişim : 0,090 M denge derişimi : x 2x 0,090 -x K ol = (0,090 - x) (x) (2x 2 ) = 1,6 x 10 7 x << 0 olduğunu kabul edip eşitliği çözersek, x = [Ag + ] = 1,12 x 10-3 M bulunur. Ag Cl (k) çöküp çökmeyeceğini belirlemek üzere Q çç = [Ag + ] [Cl - ] ile AgCl'ün Kçç (1,8 x ) değerini karşılaştıralım. [Ag + ] değeri, hesaplanan x değeridir. [Cl-]'de yukarıda 0,018 M olarak hesaplanmıştı. Buna göre, Q çç = (1,12 x 10-3 ) (0,018) = 2.0 x 10-2 > 1,8 x = K çç olduğundan AgCl çöker

198 Ligand Derişiminin Çökmeyi Önleyecek Şekilde Ayarlanması Örnek ml 0,1 M Ag (NH 3 ) 2 + çözeltisine 4 ml 0,06 M NaCl çözeltisi eklendiğinde, AgCl'in çökmemesi için ortamdaki NH 3 derişimi ne olmalıdır? Çözüm 10.9 Çözeltideki [Cl - ] ve [Ag (NH 3 ) 2+ ] değerlerini hesaplayalım. Cl - = 0,06 mol/l 4 ml 26 ml = 9,23 x 10-3 M Ag (NH 3 ) 2 + = 0,1 mol/l 22 ml 26 ml = 0,0846 M Çökmenin oluşmaması için [Ag + ] [Cl - ] K çç olması gerekir. Buna göre gümüş iyonu derişimi, [Ag + ] (9,23 x 10-3 ) K çç = 1,8 x [Ag + ] 1,95 x 10-8 M değerini almalıdır. Şimdi [NH 3 ] değerini hesaplamak için aşağıdaki denklemi çözelim. K ol = Ag (NH 3 ) 2 + Ag + NH 3 2 = 0,0846 1,95 x 10-8 NH 3 2 = 1,6 x 10 7 NH 3 = 0,52 M Gümüş klorürün çökmesini engellemek için ortamda bulunması gereken amonyak derişimi 0,52 M dır. Kompleks İyon luşması ve Çözünürlük Örnek ,0 M NH 3 içinde kaç gram AgCl (k) çözünür? Çözüm Çözünme reaksiyonu aşağıdaki gibidir. AgCl (k) + 2 NH 3 (suda) Ag (NH 3 ) 2 + (suda) + Cl - (suda) Ancak bu reaksiyonun denge sabitinin değerini elde etmek için, ortamda oluşan iki denge reaksiyonunu yazıp K çç ve K ol değerlerini çarpmak gerekir: AgCl (k) Ag + (suda) + Cl - (suda) K çç = 1,8 x Ag + (suda) + 2 NH 3 (suda) Ag (NH 3 ) 2 + (suda) K ol = 1,6 x

199 Ag Cl (k) + 2 NH 3 (suda) Ag (NH 3 ) + 2 (suda) + Cl - (suda) K = K çç K ol = 2,9 x 10-3 İlk derişim : 1,0 M Denge derişimi : 1,0 -x x/2 x/2 Burada x = reaksiyona gvren NH 3 'ığın molar konsantrasyonu dur. K = (Ag (NH 3) 2 + NH 3 2 Cl - = (x/2) (x/2) (1,0 - x) = 2,9 x 10-3 x = 1,07 x 10-1 M x/2 = [Cl - ] = Ag Cl'ün molar çözünürlüğü [Cl - ] = 1,07 x 10-1 /2 = 5,35 x 10-2 M Ag Cl'ün gram miktarı = (5,35 x 10-2 mol/l) (143,34 g/mol) = 7,67 g/l Özet Az çözünen bir bileşiğin, katı fazdaki hali ile çözeltideki iyonları arasında bir çözünürlük dengesi vardır. Derişimi sabit kalan saf katı bileşik denge bağıntısında gösterilmediğinden; az çözünen bileşiklerin denge sabitleri, çözeltideki iyonların derişimlerinin çarpımı şeklinde belirtilir ve çözünürlük çarpımı, "K çç ", adını alır. K çç, çözünen bileşiğin cinsine ve sıcaklığa bağlıdır. Genel olarak katıların sıvılarda çözülmesi endotermik olduğundan, sıcaklık arttığında katının sudaki çözünürlüğü de artar ve K çç değeri büyür. Çözünürlük çarpımlarının geniş bir uygulama alanı vardır. K çç değerlerine göre bir bileşiğin sudaki veya ortak iyon içeren bir çözücüdeki çözünürlüğü hesaplanabilir. Ayrıca az çözünen bir bileşiği oluşturacak iyonların çözeltide karşılaşması halinde çökelmenin olup olmayacağı belirlenebilir. Çözünürlük dengesini dolayısıyla çözünürlüğü etkileyen faktörler; ortak iyon etkisi, yabancı iyon etkisi, hidrojen iyonu derişiminin etkisi, kompleksleşmenin etkisi gibi faktörlerdir

200 rtak iyonun varlığı, az çözünen bileşiğin çözünürlüğünü, saf sudakine göre azaltır. Çünkü çözücüde bulunan iyonun derişimi, katıdan gelen iyon derişimine eklenince, dengedeki iyonlardan birinin derişimi fazlalaşmış olur ve denge katı oluşumu yönünde kayarak çözünürlük azalır. Yabancı iyonların çözünürlüğe etkisi ise çözünürlüğü artırıcı yöndedir. Az çözünen bir bileşiğin iyonları asidik veya bazik özellikte ise, çözeltinin hidrojen iyonu derişiminin değişimi çözünürlük dengesinin değişmesine neden olur. Az çözünen bir bileşiğin iyonlarından biri çözeltiye katılan bileşiklerle kompleksleşebiliyorsa çözünürlük artar. İki çözelti birbiriyle karıştırıldığında çökelmenin olup olmayacağına K çç ile Q çç değeri karşılaştırılarak karar verilebilir. Q çç < K çç ise çökelme olmaz, Q çç > K çç çökelme olur. Q çç = K çç ise çözelti doymuştur, denge karışımında bir çökelti oluşmaz ve önceden oluşmuş bir çökelti de çözünmez. Bir çözeltide birden fazla iyon varsa, bunlardan birisinin çökelek halinde çöktürme, diğerlerini çözeltide bırakma yöntemine "seçmeli çöktürme" yöntemi denir. Kompleks iyon, çok amaçlı bir katyon ya da anyon olup, bir merkez iyon başka molekül ya da iyonlarla bağlanmıştır. Kompleks iyon oluşturan reaksiyonların denge sabitleri oluşum sabiti "K ol " olarak bilinir. Değerlendirme Soruları 1. Radyum sülfatın (RaS 4 ) çözünürlük çarpımı sabiti, K çç = 4 x dir. RaS 4 'ın saf sudaki çözünürlüğü kaç molardır? A) 4 x B) 6.32 x 10-6 C) 8 x D) 2 x10-11 E) 2 x ,10 M Na 2 S 4 çözeltisinde, RaS 4 'ın çözünürlüğünü hesaplayınız. A) 6.32 x 10-6 B) 4 x C) 2 x 10-6 D) 4 x10-10 E) 2 x

201 3. Belli bir sıcaklıkta doymuş Ag 3 P 4 çözeltisinde [Ag + ] = 3 x 10-5 ise, aynı sıcaklıkta Ag 3 P 4 'ın çözünürlük çarpımı sabiti, K çç 'nin sayısal değeri kaçtır. A) 9 x B) 27 x C) 2,7 x 10-5 D) 27 x10-20 E) 6 x ml 0,010 M Ag N 3 ile 10 ml 0,00010 M NaCl çözeltileri karıştırılıyor. Son hacim 20 ml oluyor. AgCl'ün çöküp çökmeyeceğini belirten ifade aşağıdakilerden hangisidir? (AgCl için K çç = 1,7 x ) A) Q çç = 5 x10-25 B) Q çç < K çç C) Q çç > K çç D) Q çç = K çç E) Q çç = 2,5 x ,02 M Ba (N 3 ) 2 ve 0,04 M Pb (N 3 ) 2 içeren bir çözeltiye yavaş yavaş Na 2 S 4 katılıyor. Pb S 4 için K çç = 1.6 x 10-8 Ba S 4 için K çç = 1.0 x olduğuna ve katılan katının hacmi ihmal edildiğine göre hangi madde önce çöker? A) Önce BaS 4 çöker B) Önce PbS 4 çöker C) Önce Ba (N 3 ) 2 çöker D) Önce Pb (N 3 ) 2 çöker E) Önce Na 2 S 4 çöker 6. Her ikisinin derişimi de 0,05 M olan bir Ca +2 ve Ba +2 çözeltisinden, Ca +2 ve Ba +2 iyonlarını ayırmak için, aşağıdakilerden hangisi en uygundur? A) 0,50 M Na 2 C 3 B) 0,001 M NaH C) 0,05 M Na 2 S 4 D) 0,10 M NaCl E) 0,10 M HCl 7. 0,005 M bir Cr Cl 3 çözeltisinde Cr (H) 3 'ın çökmesi için gerekli hidrojen iyonu derişimi ne olmalıdır? Cr (H) 3 için çözünürlük çarpımı sabiti, K çç = 7 x dir. A) 1,92 x 10-5 B) 25 x 10-6 C) 1,0 x 10-1 D) 7 x E) 7 x ,050 M [Cu(CN) 4 ] -3, 0,80 M serbest CN - ve 6,1 x M Cu + içeren bir çözeltide [Cu(CN) 4 ] -3 in K ol değeri aşağıdakilerden hangisidir? A) 2,0 x B) 200 C) 100 D) 20 x E) 0,

202 9. 0,05 M Ag (NH 3 ) + 2 çözeltisi aşırı olarak 5M NH 3 içermektedir. rtamdaki Ag + derişimini hesalayınız. (K ol = 1,47 x 10 7 ) A) 1,4 x M B) 1,0 x 10-5 C) 2 x D) 3 x E) 1,58 x ,100 M NH 3 çözeltisinde Ag Cl (k)'ün çözünürlüğü nedir? Ag Cl için K çç = 1,8 x [Ag (NH 3 ) 2 ] + K ol = 1,6 x 10 7 A) 2 x B) 5 x C) 4,9 x 10-3 M D) 2 x E) 2 x

203 ÜNİTE 11 Asitler ve Bazlar Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Asit ve baz kavramlarını bilecek, Zayıf asit, zayıf baz, kuvvetli asit, kuvvetli baz kavramlarını tanıyacak, Titrasyon ve ph kavramlarını öğreneceksiniz. İçindekiler Asit ve Baz Nedir? Asit ve Bazların Tanımlanması Asit ve Bazların Kuvveti Nötralizasyon Reaksiyonu Asitlerin ve Bazların Derişimlerinin Ölçülmesi Titrasyon Tampon Çözeltiler Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi kavrayabilmek için logaritma konusunda bilginiz olması gerekir. Üniteyi çalışırken tüm formül ve reaksiyonları en az bir kere de siz yazınız. Periyodik cetveli her zaman yanınızda bulundurun.

204 1. ASİT VE BAZ NEDİR? Asit ve bazlar canlı organizmalarda önemli işlevleri olan maddelerdir. Asitlerin ve bazların çoğu oldukça tehlikeli ve tahrip edici maddelerdir; bunlar proteini çözerek dokuyu tahrip ederler. Örneğin, derişik sülfürik asit kuvvetli bir asittir, suyu tutma özelliğine sahiptir. Eğer sülfürik asit canlı bir dokunun üzerine dökülürse çok kısa süre içinde o doku tahrip olur. Derişik bazlar da hücre duvarlarının (zar) yapımında rol alan yağlar ile reaksiyona girerek bu zarları asitlerden daha çok tahrip ederler. Örneğin, çamaşır yıkamada kullanılan bazı tür sabunlar ve deterjanlar baz içerirler. Yün ve ipek içeren elbiseler bu tür sabun ve deterjan ile yıkandıkları zaman, temizlik maddesinin içindeki bazlar yün ve ipek liflerinin kısalmasına ve kısmen de olsa çözülmelerine sebep olacaktır. Asitler suda çözündükleri zaman elektriği ileten çözeltiler elde ederiz. Asitler çinko, magnezyum gibi elementler ile reaksiyona girerek reaksiyon sonunda hidrojen gazı çıkmasına neden olurlar. Asitlerin tadı ekşidir ve mavi turnusol kağıdını kırmızıya çevirirler. Bazlar da suda çözündükleri zaman elektriği ileten çözeltiler oluştururlar. Bazların tadları acıdır ve ellendikleri zaman kayganlık hissi verir. Bazlar kırmızı turnusol kağıdını maviye çevirirler. Bazlar asitler ile reaksiyona girerek birbirlerinin özelliklerini nötralize ederler. Örneğin, mide hastalıkları ile ilgili ilaçlar bir baz olan bikarbonat (HC - 3 ) içerirler. Bu baz midede bulunan hidroklorik asiti nötralize ederek kişiye rahatlama hissi verir. Çizelge Günlük Hayatımızdaki Bazı Bazlar ve Asitler. Asitler Formülü Yer Hidroklorik asit HCl Mide özsuyu Sitrik asit C 6 H 8 7 Limon suyu Fosforik asit H 3 P 4 Coca-Cola gibi içkiler Asetik asit CH 3 CH Sirke Karbonik asit H 2 C 3 Gazoz Tartarik asit C 4 H 6 6 Şarap Bazlar Formülü Kullanım Yeri Amonyak NH 3 Gübre yapımı Sodyum hidroksit NaH Sabun yapımı Sodyum bikorbonat NaHC 3 Cam yapımı, gübre yapımı

205 2. ASİT VE BAZLARIN TANIMLANMALARI Günümüze kadar asitliğin ve bazlığın tanımı çok değişik şekillerde yapılmıştır. İlk modern tanım İsveç'li bilim adamı Svonte ARHENİUS tarafından 1884 yılında aşağıdaki şekilde yapılmıştır. Sudaki çözeltilerine H + iyonu veren maddelere "asit" denir. Aynı şekilde, Sudaki çözeltilerine H - iyonu veren maddelere "baz" denir. Örneğin, hidroklorik asit (HCl) ve sodyum hidroksit (NaH) için aşağıdaki eşitlikler yazılabilir. H 2 HCl H + + Cl - H 2 NaH H - + Na + İkinci bir tanımlama ise Danimarka'lı kimyacı J.N. BRØNSTED ve İngiliz kimyacı T.M. LWRY tarafından 1923 yılında yapılmıştır. Buna göre, Bir proton verebilen maddelere "asit", bir proton alabilen maddelere "baz" denir. Bu tanımlamayla daha önceleri asit veya baz olarak düşünülmeyen birçok madde asit ve baz grubuna alınmıştır. Örneğin, bor triflorür bir asit gibi davranarak trimetilamin'deki azot üzerindeki bir çift elektronu kabul ederek bir kompleks oluşturur. F 3 B + : NMe 3 F 3 B - N + Me 3 Asit Baz

206 3. ASİT VE BAZLARIN KUVVETİ Suyun iyonlaşmasına ilişkin eşitliği, anlaşılması daha kolay olsun diye aşağıdaki şekilde yazarız: H 2 H + + H - Su Hidrojen Hidroksit iyonu iyonu (Baz) (Proton) Sulu çözeltilerden bahsettiğimiz zaman "proton" veya "hidrojen iyonu" terimini kullanırız. Fakat, gerçekde hidrojen iyonları su içinde hiçbir zaman tek başlarına bulunamaz. Bunlar her zaman hidronyum iyonu (H 3 + ) denilen bir yapı içinde bulunurlar. H 2 + H 2 H H - Hidronyum iyonu (Asit) Hidroksit iyonu (Baz) Hidronyum iyonları bir molekül suya ait hidrojen iyonunun (H + ) bir diğer su molekülüne aktarılması ile oluşan yapılardır. Asitleri proton veren maddeler olarak tanımlamıştık. Ancak farklı asitlerin proton verme yatkınlıkları farklıdır. İşte bu farklılık kuvvetli asit, kuvvetli baz, zayıf asit ve zayıf baz kavramlarının ortaya çıkmasına neden olur. Derişimleri aynı olan farklı asitlerin güçleri aynı değildir. Çözeltilerde tamamen iyonlaşarak tüm protonlarını veren asitlere "kuvvetli asit" denir. Çözeltilerde kısmen iyonlaşarak protonlarının bir kısmını veren asitlere de "zayıf asitler" denir. Kuvvetli bir asit çözeltisini suya ilave ettiğimiz zaman hidronyum iyonlarının derişiminde büyük bir artış olur. Örneğin, nitrik asit (HN 3 ) kuvvetli bir asittir. 0,1 Molar HN 3 içinde nitrik asit moleküllerinin % 92 'si iyonlaşarak hidronyum ve nitrat iyonu oluştururlar

207 HN 3 + H 2 H N 3 - Nitrik asit Baz Asit Nitrat iyonu Hidroklorik asit (HCl), hidrobromik asit (HBr), hidroiyodik asit ve sülfürik asit (H 2 S 4 ) diğer kuvvetli asitlere örnektir. Bir zayıf asitin suya ilavesi hidronyum iyonlarının derişimini çok az artırır. Örneğin, zayıf bir asit olan asetik asitin 0.1 molar çözeltisinde asetik asit moleküllerinin ancak % 1,3 'ü iyonlarına ayrışarak hidronyum ve asetat iyonlarını oluşturur. CH 3 CH + H 2 H CH 3 C - Asetik asit Baz Asit Asetat iyonu Nitroz asit (HN 2 ), karbonik asit (H 2 C 3 ), borik asit (H 3 B 3 ) zayıf asitlere örnektir. Çizelge Bazı Konjuge Asit-Baz Çiftlerinin Bağıl Kuvvetleri. Konjuge asit Formül Konjuge baz Adı Adı Formül Florosülfonik asit FS 3 H Sülfürik asit H 2 S 4 Hidroklorik asit HCl Nitrik asit HN 3 Hidronyum iyonu H 3 + Sulfuroz asit H 2 S 3 Hidrojen sülfat iyonu HS - 4 Fosforik asit H 3 P 4 Nitroz asit HN 2 Asetik asit CH 3 CH Karbonik asit H 2 C 3 Hidrojen sülfit iyonu HS - 3 Dihidrojen fosfat iyonu H 2 P - 4 Amonyum iyonu NH + 4 Hidrojen karbonat HC - 3 Hidrojen fosfat iyonu HP -2 4 Su H 2 Amonyak NH 3 Florosulfonat FS - 3 Hidrojen Sülfat iyonu HS - 4 Klorür iyonu Nitrat iyonu Cl - N - 3 Su H 2 Hidrojen sülfit iyonu HS - 3 Sülfat iyonu S Dihidrojen fosfat iyonu H 2 P - 4 Nitrit iyonu N - 2 Asetat iyonu CH 3 C - Bikarbonat iyonu HC - 3 Sülfit iyonu S Hidrojen fosfat iyonu HP Amonyak NH 3 Karbonat iyonu C Fosfat iyonu P Hidroksit Amid iyonu H - NH

208 ? Konjuge asit ve konjuge baz nedir? Bir baz bir asitin protonunu kaybetmesiyle oluşuyor ise bu baza "konjuge baz" denir. Örneğin tüm protik asitleri HA ile simgelersek Asit H + + Konjuge baz HA H + + A - Asit Konjuge baz H 2 CH 3 CH H + + CH 3 C - Asit Konjuge baz Asetat iyonu (CH 3 C - ) asetik asitin (CH 3 CH) konjuge bazıdır. Aynı şekilde, Bir asit bir bazın bir proton kazanmasıyla oluşuyor ise bu asite "konjuge asit" denir. Örneğin, Baz + H + Konjuge asit B + H + BH + Baz Konjuge asit NH 3 + H 2 Baz NH H - Konjuge asit Bir baz olan amonyak (NH 3 ) bir proton kazanarak amonyum iyonu (NH 4+ ) oluşturur. Amonyum iyonu fazladan gelen protonu (H + ) daha sonra vererek bir asit gibi davranır. Kısaca, NH + 4 iyonu NH 3 'ün konjuge asitidir

209 Kısaca, bir asit ile bir baz arasındaki fark bir protondan (H + ) dolayı oluşuyor ise bunlara "konjuge asit-baz çifti" denir. Bir asit ne denli zayıfsa, konjuge baz o denli kuvvetli olur. Aksine bir baz ne denli kuvvetli ise, konjuge asiti o denli zayıf olur. Benzer şekilde, kuvvetli bir baz proton kapmaya çok eğilimlidir. Zayıf bir baz ise protonları çok az bir yüzdesi ile kabul eder. Örneğin, hidroksit iyonu (H - ) kuvvetli bir bazdır ve protonlar ile derhal reaksiyona girer. Halbuki amonyak (NH 3 ) zayıf bir bazdır ve hidroksit iyonuna kıyasla protonlara karşı ilgisi daha azdır. Çizelge 11.2 'i incelerken dikkat edeceğimiz en önemli konu, asitlerin formüllerindeki hidrojen sayısı ile bu asitlerin asitlik kuvvetleri arasında bir ilişkinin olmayışıdır. Örneğin, hidroklorik asit (HCl) fosforik asite (H 3 P 4 ) kıyasla çok kuvvetli bir asittir. Çizelge 11.2 'den de anlaşılacağı üzere tüm maddelerin bir asitlik ve bazlık kuvveti vardır. Tüm maddeleri bir skala içine sokabiliriz. Maddelerin asit veya baz olarak hareket etmeleri ve dolayısıyla asit veya baz olarak adlandırılmaları, birbirine göre göreceli olan asitlik veya bazlık kuvvetleri ile ilişkilidir. Örneğin, su bileşiğini ele alalım, su, asitliği kendinden fazla bir madde olan hidroklorik asit (HCl) ile karşı karşıya geldiği zaman bir baz gibi davranır. Buna karşılık aynı su bileşiği asitliği kendinden daha düşük olan amonyak (NH 3 ) ile karşı karşıya geldiği zaman bir asit gibi davranır. H 2 + HCl H Cl - Baz Asit Asit Baz H 2 + NH 3 NH H - Asit Baz Asit Baz

210 4. NÖTRALİZASYN REAKSİYNU Asitler bazlar ile reaksiyonu girdiği zaman suyun ve bu su içinde çözünmüş iyonik bir bileşik meydana getirirler. Bu iyonik bileşiğe genellikle "tuz" adını veririz. Örneğin, HCl + NaH H 2 + NaCl Asit Baz Su Tuz Eğer eş miktarda hidronyum iyonları ve hidroksit iyonları reaksiyona girerse, meydana gelecek çözelti ne asidik ne de bazik özellikler gösterecektir. Bu tür özelliğe "nötrallik" denir. Bundan dolayı nötralizasyon reaksiyonları asidik veya bazik çözeltilerin nötral bir çözeltiye dönüştüğü reaksiyonlardır. Örneğin, hidroklorik asit ve sodyum hidroksit arasındaki reaksiyon gerçekte bunların sudaki iyonları arasında oluşur. Tüm reaksiyon eşitliği aşağıdaki şekilde yazılabiliriz. H + + Cl - + Na + + H - H 2 + Na + + Cl - Net iyonik eşitlik ise şöyle olur. H + + H - H 2 5. ASİTLERİN VE BAZLARIN DERİŞİMİNİN ÖLÇÜLMESİ 5.1. ph Skalası Canlı organizmalar içindeki veya bir bilimsel araştırmada hidrojen iyonu (H + ) derişimindeki çok ufak değişikler çok önemli sonuçlar ortaya çıkarabilir. Bundan dolayı, bilim adamları sürekli olarak hidrojen iyonu derişimi ile ilgilenmişler ve bunu ölçme teknikleri geliştirmişlerdir. İsveç'li kimyacı Sorensen 1909 yılında hidrojen iyonu derişimini ölçmek için "ph skalası" denen bir yöntem geliştirilmiştir. Buna göre, hidrojen iyonu derişimi matematiksel olarak şöyle ifade edilmiştir. [H + ] = 1 x 10 -ph mol / lt veya ph = -log [H + ]

211 Bir çözeltinin ph 'si bu çözeltinin hidrojen iyonu [H + ] derişiminin eksi (-) logaritmasına eşittir. ph Skalasını logaritmik olarak ifade etmemizin sebebi, çok küçük rakamlar ile ifade edilen [H + ] iyonu derişimini tam sayılarla ifade etmek içindir. Örneğin, hidrojen iyon derişimi 1 x 10-5 mol/lt olan bir çözeltinin ph değeri 5' dir. da sıcaklığında saf suyun hidrojen iyonu [H + ] derişimi 1 x 10-7 mol / lt dir. Bundan dolayı saf suyun ph değeri 7 dir. Saf suda [H + ] = [H - ] = 10-7 mol / lt dir. Bir çözeltinin ph değeri 0-7 arasında ise çözelti asidik Bir çözeltinin ph değeri 7-14 arasında ise çözelti bazik Bir çözeltinin ph değeri 7 ise çözelti nötürdür. ph artan asitlik artan baziklik [H + [H - ] Şekil 11.1 ph Skalası

212 Çizelge Hidrojen ve Hidroksit İyonlarının ph Skalası ve Bunlara Karşılık Gelen Derişimler. H + (mol / lt) ph [H - ] (mol / lt) 10 0 = = = Asidik 10-3 = = = = Nötral 10-7 = = = = Bazik = = = = = 1 Çizelge Günlük Hayatımızdaki Bazı Maddelerin ph Değerleri. Çözelti ph Hidroklorik asit (0,1 M)... 1 Mide suyu Sitrik asit (limon suyu) Asetik asit (Sirke) Karbonik asit (Gazoz) Domates suyu Kahve İdrar Yağmur suyu Süt Saf su Tükürük Kan Magnezyum hidroksit (Ülser ilacı)

213 5.2. ph Değerinin Ölçülmesi Bir çözeltinin ph değeri biyolojik moleküllerin aktivitesini etkilediğinden dolayı laboratuarlarda ph değerinin ölçümü büyük önem kazanır. Örneğin, bakteriler ancak dar bir ph aralığında çok iyi büyürler. Bundan dolayı, kültürün ph 'sı çok dikkatli şekilde ayarlanmalıdır. Biyolojik katalizör olan enzimler, en iyi şekilde ph 1 - ph 4 aralığında çalışırlar. Midede bulunan pepsin enzimi için bu değer 8-9 dur. Laboratuarlarda bir çözeltinin ph değeri ph metre denilen aygıtlar veya kolorimetrik indikatörler ile yapılır. Kolorimetrik yöntemde, asit-baz indikatörleri denilen belli hidrojen iyon derişimleriyle renkleri değişen kimyasal boyalar kullanılır (Çizelge 11.5) Örneğin, nitrazin boyası içeren kağıt ph 4,5 de sarı, ph 7,5 de mavidir. Bu tür özel kağıtlar hastanelerde idrarın ph'sını ölçmede çok kullanılır. Asidik idrar, kağıdı sarıya çevirerek ortada ciddi bir rahatsızlığın olduğunu gösterir. Çizelge 11.5 Farklı ph Değerlerinde Bazı Asit-Baz İndikatörlerin Renkleri Metil oranj Kırmızı Geçiş Sarı Geçiş Metil kırmızı Kırmızı Sarı Geçiş Turnusol kağıdı Kırmızı Mavi Geçiş Fenol ftalein Renksiz Kırmızı Çizelge 11.5'de görüldüğü gibi metil oranj indikatörü ph'nin dörtten yüksek olduğu çözeltilerde sarı, düşük olduğu çözeltilerde ise kırmızıdır. Benzer şekilde fenol ftalein indikatörü ph 'nin 8 'den düşük olduğu çözeltilerde renksiz, ph 'nin 10 'dan yüksek olduğu çözeltilerde kırmızıdır. 6. TİTRASYN Asit ve bazların bir çözeltideki derişimlerini ölçmek için "titrasyon" denen işlemden yararlanılır. Titrasyonda nötralizasyon reaksiyonunu kullanırız. Titrasyon işleminde, derişimi bilinen asit veya baz çözeltisi "büret" denen bir cam düzenekten derişimi bilinmeyen asit veya baz çözeltisine nötralizasyon tamamlanana kadar yavaş yavaş ilave edilir. Nötrolizasyon işleminin bitişi ise, bir ph metre veya bir asit-baz indikatörü ile gözlenebilir

214 Büret Derişimi bilinen asit veya baz çözeltisi Erlen Derişimi bilinmeyen asit veya baz Şekil 11.2 Titrasyon Düzeneği. Titrasyon kandaki alkaliliği veya midedeki asitliği veya idrardaki asitliği ölçmek için kullanılır. 7. TAMPN ÇÖZELTİLER Bir asit çözeltisine yeterli miktarda baz ilave edildiğinde veya benzer şekilde bir baz çözeltisine yeterli miktarda asit ilave edildiğinde oluşan çözeltilerin nötür özellikte (ph = 7) olduklarını belirttik. Ancak tampon çözeltiler olarak bilinen bazı çözeltilerde durum farklıdır. Tampon çözeltiler hem asit hem de baz ilavelerine karşı oldukça farklı davranırlar ve bu tür çözeltilerde ph değişimi yüksek olmaz. Asit veya baz ilave edildiği zaman çok az ph değişikliği gösteren çözeltilere "tampon" çözeltiler denir. İnsan vücudundaki kan plazmasının ph değeri normal olarak 7,4 civarındadır. Bu ph değeri 7,0 den aşağıya veya 7,8 den yukarı çıkarsa insan sağlığı için tehlikeli sonuçlar ortaya çıkabilir. Bunun gibi laboratuarlarda yapılan çoğu deneylerde kullanılan çözeltilerin kendilerine asit veya baz ilave edildiği zaman ph değerlerinin fazla değişmemesi istenir

215 ? Bu iş nasıl başarılır? Tampon çözeltiler ile bu işlerin üstesinden gelinir. Tampon çözeltiler zayıf bir asit ile bu asitin yeterli miktardaki tuzundan oluşmuşlardır. Örneğin, zayıf bir asit olan asetik asit (CH 3 CH) ile bu asitin sodyum tuzu olan sodyum asetat (CH 3 CNa) belli oranlarda karıştırıldığında tampon çözelti oluştururlar. Diğer yaygın tampon çözeltiler de şunlardır, H 2 P 4 - / HP 4-2, NH 4 + / NH 3. Şayet ph 7 de bir litre 0,15 molar NaCl çözeltisine 1 ml 10 molar hidroklorik asit (HCl) ilave edersek, çözeltinin ph değeri 2 ye düşer. Buna karşılık, bir litre kan plazmasına 1 mol 10 molar HCl ilave edildiği zaman 7.4 olan kan plazmasının ph değeri sadece 7.2'ye düşer (Şekil 10.3). 1 ml 10 molar HCl ph=7 1 lt. 0,15 molar Na Cl ph=2 1 ml 10 molar HCl ph=7,4 1 lt. kan plazması ph=7,2 Şekil Tampon Etkisi.? Kan plazmasındaki ph değeri değişikliğinin bu kadar az olmasının sebebi nedir? Kan plazmasında temel tampon sistem karbonik asit - bikarbonat sistemdir. Aşağıdaki eşitliğe şöyle bir göz atalım. H + H 2 C 3 H C H + İlave edilen asit

216 Sisteme kuvvetli bir asit ilavesi H + derişimini arttırarak, reaksiyonun sağdan sola doğru yürümesine sebeb olacaktır. Yani daha fazla karbonik asit (H 2 C 3 ) oluşacaktır. Karbonik asit kararsız bir madde olduğu için parçalanarak karbon dioksit (C 2 ) ve suyu (H 2 ) oluşturacaktır. H 2 C 3 H 2 + C 2 luşan karbon dioksit vücuttan solunum yoluyla atılır. Bu tampon sistemi tüm karbonat karbon dioksit ve su olarak vücuttan atılıncaya kadar devam eder. Bikarbonat sistemi aynı şekilde sisteme kuvvetli bir baz ilave edildiği zaman sistemin ph 'sının aynı kalmasına yardımcı olur. H 2 C 3 H C H + H - ilave edilen baz İlave edilen baz ortamdaki hidrojen iyonu ile reaksiyona girerek su oluşturur. Azalan hidrojen iyonu derişimi reaksiyonu soldan sağa doğru gitmesine neden olur. Özet Asitler suda çözündükleri zaman elektriği ileten çözeltiler oluşturan bileşiklerdir. Asitler metaller ile reaksiyona girerek hidrojen açığa çıkmasına neden olurlar. Tatları ekşi olup mavi turnusol kağıdını kırmızıya çevirirler. Bazlar da suda çözündükleri zaman elektriği iletirler ve tatları acıdır. Bazlar kırmızı turnusol kağıdını maviye çevirirler. Brønsted- Lowry tanımlamasına göre asit bir proton (H + ) verebilen, baz ise bir proton kabul edebilen maddedir. Kuvvetli asit suda çözündüğü zaman tamamına yakın şekilde iyonize olur. Zayıf bir asit ise kısmen iyonlaşan asittir. Kuvvetli bir bazın protonlara karşı eğilimi zayıf bir baza nazaran daha çoktur. Asitler bazları nötürleştirirler. Eğer baz ve asitler eşdeğer miktarda kullanılıyor ise oluşan reaksiyona "nötralizasyon reaksiyonu" denir. Asit ve bazların bilinmiyen derişimlerini ölçmek için "titrasyon" denilen bir işlem kullanılır

217 Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Asitlerin çözünmesiyle oluşan çözeltiler elektriği iletir. B) Bazların suda çözünmesiyle oluşan çözeltiler elektriği iletir. C) Bazların tadları genellikle acıdır. D) Asitlerin tadları genellikle ekşidir. E) Bazlar mavi turnusal kağıdını kırmızıya çevirir. 2. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Sudaki çözeltilerine H + katyonu veren maddelere asit denir. B) Bir proton verebilen maddelere asit denir. C) Bir proton alabilen maddelere baz denir. D) Bazlar sudaki çözeltilerde H - iyonunu artırırlar. E) Sudaki çözeltilerine H + katyonu veren maddelere baz denir. 3. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Derişimleri aynı olan farklı asitlerin güçleri aynı değildir. B) Derişimleri aynı olan farklı bazların güçleri aynı değildir. C) Asitlerin güçleri moleküldeki H sayısı ile ters orantılıdır. D) Tamamen iyonlaşarak tüm protonlarını veren asitlere kuvvetli asit denir. E) Kısmen iyonlaşarak protonlarının bir kısmını veren asitlere zayıf asitler denir. 4. Aşağıdaki ifadede boş kalan yeri verilerden hangisi doğru şekilde tamamlar? Kuvvetli bir asit çözeltisini suya ilave ettiğimizde hidronyum iyonlarının derişiminde.... A) artış olur B) azalma olur C) değişme olmaz

218 5. Nitrik asitin (HN 3 ) konjuge bazı aşağıdakilerden hangisidir? A) N 2 - B) N 2 + C) N 3 - D)N 3 + E) NH 3 6. Aşağıdaki reaksiyonda boş kalan yeri doldurunuz. HCl + NH Cl - A) NH 2 - B) NH 2 + C) NH 3 D) NH 4 - E) NH litrede 10-5 mol H + iyonu içeren çözeltinin ph değeri nedir? A) -5 B) 5 C) 9 D) -9 E) 1 8. ph Değeri 3 olan bir çözeltinin hidrojen iyonu [H + ] derişimi nedir? A) [H + ] = 1 x 10-3 mol /lt B) [H + ] = 3 x 10-1 mol /lt C) [H + ] = 3 x 10 1 mol /lt D) [H + ] = 1 x 10 3 mol /lt E) [H + ] = 3 x 10-3 mol /lt

219 ÜNİTE 12 Yükseltgenme-İndirgenme Reaksiyonlar ve Elektrokimya Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Bir bileşik veya iyondaki elementlerin yükseltgenme sayısını belirleyebilecek, Yükseltgenme sayılarındaki değişmeye dayanan bir redoks reaksiyonunu tanımlayabilecek ve yükseltgenen indirgenen reaktantları belirleyebilecek, Bir redoks denklemini denkleştirebilecek, Bir elektrokimyasal pilin nasıl çalıştığını bilecek, İndirgenme potansiyeli tablosunu kullanacak, verilen reaksiyonun yürüyüp yürümeyeceğini belirleyebilecek, İlgili problemleri çözebilecek, Elektroliz olayını bileceksiniz. İçindekiler Giriş Yükseltgenme Sayısı Yükseltgenme ve İndirgenme Yükseltgenme Sayıları İle Redoks Denklemlerinin Denkleştirilmesi Elektrokimyasal Piller Elektroliz Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çalışmaya başlamadan önce formül yazımlarını ve ünite 4'ü gözden geçiriniz. Ünitede verilen örnekleri dikkatle inceleyiniz ve değerlendirme sorularını çözünüz.

220 1. GİRİŞ Bundan önceki ünitede, proton (H + ) aktarımlarının yer aldığı asit-baz reaksiyonlarını gördünüz. Bu ünitede ise elektron aktarımlarının yer aldığı yükseltgenme-indirgenme reaksiyonlarını göreceğiz. Elektron kaybı, "yükseltgenme", elektron kazanılması "indirgenme" olarak adlandırılır. Ancak bir reaksiyonda, bir reaktantın kaybettiği elektronu mutlaka bir diğer reaktant kazanmış olacaktır. Bu nedenle elektron aktarımının söz konusu olduğu, yükseltgenme ve indirgenme olayları daima bir arada yürür ve bu tür reaksiyonlar "yükseltgenme-indirgenme reaksiyonları" veya "redoks reaksiyonları" olarak adlandırılır. İndirgenme-yükseltgenme reaksiyonlarının uygun düzeneklerle oluşturulmaları ile kimyasal enerji elektrik enerjisine, elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülebilir. Kimyasal enerji ve elektriksel enerji arasındaki bağıntıları ele alan elektrokimya konusunda, burada elektrokimyasal piller ve elektroliz olayı görülecektir. 2. YÜKSELTGENME SAYISI Yükseltgenme-indirgenme reaksiyonlarının iyi anlaşılması bakımından yükseltgenme sayısı kavramını iyice bilmek yararlı olacaktır.deneysel olarak saptanamayan yükseltgenme sayısı, redoks reaksiyonlarında bir hesap aracı olarak kullanılır ve bir bileşikteki atomlara ait elektronları belirtme şeklidir. Bir bileşiği oluşturan elementlerin elektronegatiflikleri birbirlerinden oldukça farklı ise elektron yoğunluğu, elektronegatifliği yüksek olan atom üzerinde daha fazla olacağından bu elementin yükseltgenme sayısı negatif, diğeri ise pozitif değerle ifade edilir. Bu durumdaki bileşikler yüksek oranda iyonik karakterdedir. Alkali halojenürler bu tür bileşiklere örnek verilebilir. Örneğin NaCl bileşiğinde, sodyum elementinin yükseltgenme sayısı (+1), klor elementinin ise (-1) dir. Elektronegatiflik değerleri birbirinden az farklar gösteren bileşikler ise daha çok kovalent karakterde bağlar oluştururlar ve bu tür bileşiklerde elektron yoğunluğu elementlere pozitif veya negatif yükler verebilecek şekilde dağılmamıştır. Ancak redoks reaksiyonlarının daha iyi anlaşılabilmesi için, hem iyonik hem de kovalent karakterde olan bileşiklerin bütün elementlerine ilişkin birer yükseltgenme sayısı olduğu kabul edilir

221 Örneğin C 2 daha çok kovalent karakterde bir bileşiktir. Bu bileşikte karbonun yükseltgenme sayısı (+4), oksijenin ise (-2)'dir. Bileşiklerdeki elementlerin veya iyonların yükseltgenme sayılarını belirlemek için aşağıdaki kurallardan yararlanırız: Serbest ve birleşmemiş tüm elementlerin yükseltgenme sayısı sıfırdır. Örneğin, demir [Fe(k)] metalinde demir atomlarının yükseltgenme sayısı sıfırdır. ksijen [ 2 (g)], hidrojen [H 2 (g)] gibi serbest halde bulunan elementlerde de yükseltgenme sayısı sıfırdır. Bir iyonun yükseltgenme sayısı, yüküne eşittir. Örneğin, 1A grubu metal iyonları (+1), 2A grubu iyonları (+2) yükseltgenme sayısına sahiptirler. Hidrojenin bileşiklerinde yükseltgenme sayısı genellikle (+1) dir. Örneğin, H 2, H 2 2, NH 3 gibi bileşiklerde hidrojenin yükseltgenme sayısı (+1) dır. Ancak hidrojenin kendinden daha az elektronegatif elemente (metal gibi) bağlanarak hidrür oluşturduğu durumlarda yükseltgenme sayısı (-1) dir. Örnek olarak sodyum hidrür NaH, kalsiyum hidrür CaH 2 gibi bileşikler verilebilir. ksijenin bileşiklerinde yükseltgenme sayısı genellikle (-2) dir. Örneğin, H 2, C 2, Al 2 3 gibi bileşiklerde oksijenin yükseltgenme sayısı (-2) dir. Ancak H 2 2, Na 2 2, gibi peroksitlerde oksijenin yükseltgenme sayısı (-1) dir. Halojenlerin bileşikler içinde yükseltgenme sayısı genellikle (-1) dir. Ancak oksijenle yaptıkları bileşiklerde Örneğin KCI 3 'ta olduğu gibi pozitif yükseltgenme sayısına sahip olabilirler. Bir molekül veya bileşikteki atomların hepsinin yükseltgenme sayıları toplamı sıfırdır. Örneğin NaCl'de yükseltgenme sayıları (+1) ve (-1) olmak üzere toplam sıfırdır. Çok atomlu iyonlarda, atomların yükseltgenme sayılarının toplamı iyonun yüküne eşittir. Örneğin hidroksit iyonunda (H - ), oksijen (-2), hidrojen (+1) yükseltgenme sayısına sahiptir. Buna göre toplam (-2) + (+1) = - 1 olmak üzere hidroksil iyonuna ilişkin yükseltgenme sayısı, bu iyonun yüküne eşittir

222 Örnek 12.1 Amonyak ( NH 3 ) ve amonyum iyonunda (NH 4+ ), azotun yükseltgenme sayılarını bulunuz. Çözüm 12.1 Yükseltgenme sayıları formülün üzerinde yazılarak, x+1 x+1 NH 3 NH 4 + 1(x) + 3 (+1) = 0 1(x) + 4 (+1) = + 1 x = - 3 x = - 3 şeklinde hesaplanır. Amonyak ve amonyum iyonu içindeki azotun yükseltgenme sayıları (-3) olarak bulunur. Örnek 12.2 H 2 S 4 bileşiğinde, kükürtün, K 2 Cr 2 7 bileşiğinde kromun yükseltgenme sayılarını bulunuz. Çözüm Yükseltgenme sayıları formülün üzerinde yazılarak +1 x x -2 H 2 S 4 K 2 Cr (+1)+ x + 4 (-2) = 0 2 (+1) +2 (x) +7 (-2) = 0 x = +6 x = +6 şeklinde hesaplanır. H 2 S 4 içinde kükürtün yükseltgenme sayısı (+6), ve K 2 Cr 2 7 içinde kromun yükseltgenme sayısı (+6) olarak bulunur. - Örnek 12.3 iyonunda fosforun, HC 3 iyonunda karbonun yükseltgenme P 4-3 sayılarını bulunuz. Çözüm 12.3 Yükseltgenme sayıları formül üzerinde yazılarak, x x -2-3 P 4 - HC 3 1 (x) + 4 (-2) = - 3 (+1) + (x) +3 (-2) = -1 x = +5 x = + 4 şeklinde hesaplanır. P -3 4 içinde fosforun yükseltgenme sayısı (+5), HC - 3 iyonun içinde karbonun yükseltgenme sayısı (+4) olarak bulunur

223 3. YÜKSELTGENME VE İNDİRGENME Reaksiyonların pek çoğu yükseltgenme reaksiyonlarıdır. Bu tür reaksiyonlarda, atomların yükseltgenme sayılarında değişmeler meydana gelir. Bir atom yükseltgendiğinde; elektronlarını kaybeder ve yükseltgenme sayısı artar. Bir atom indirgendiğinde ise; elektronlar kazanır ve yükseltgenme sayısı azalır. Şekil 12.1'de yükseltgenme sayısındaki değişme ile yükseltgenme ve indirgenmenin ilgisi görülmektedir. (a) Yükseltgenme yükseltgenme sayısı (b) İndirgenme Şekil Yükseltgenme sayısındaki değişme (a) atom yükseltgenirken yükseltgenme sayısı artar, (b) atom İndirgenirken yükseltgenme sayısı azalır. Bir reaksiyonda, yükseltgenme sayılarına bakarak, reaksiyonda yükseltgenme ve indirgenmenin olduğu hemen görülebilir. Örneğin 0 2 Na + 0 Cl Na Cl - 1 reaksiyonunda sodyum atomu yükseltgenmiş, klor atomları ise indirgenmiştir. Yükseltgenme sayısı; sodyum metalinde 0'dan sodyum katyonunda + 1'e yükselmiş, klor molekülündeki her bir klor atomu 0'dan -1'e inmiştir

224 Çizelge Redoks Reaksiyonlarına Bazı Örnekler. 0 2H H KCl 3 2KCl N 2 + 3H NH Cu N 3 2 2Cu N Na H NaH + 0 H 2 Fe C 0 2 Fe +4 3C 2 0 2Al Cr 2 3 Al Cr 2Fe +3 + H 2 S -2 2Fe H + + S 0 Verilen örneklerde, bir atomun elektronlarını kaybederek yükseltgendiği ve bu süreç nedeniyle yükseltgenme sayısında artış olduğu görülmektedir. Bir veya daha fazla elektronunu vererek diğer atomu indirgeyen ve kendisi yükseltgenen maddelere "indirgeyici ajan" adı verilir. Metaller, elektronlarını verme eğilimlerinin fazla olmasına bağlı olarak kolayca yükseltgenirler ve tipik indirgeyici ajanlardır. İndirgeyici ajandan gelen elektronları kabul eden madde, yükseltgenmeye sebep olarak "yükseltgenme ajanı" adı alır. Elektronegatif atomlar, elektronları çekme eğilimlerinin fazla olmasına bağlı olarak tipik yükseltgeyici ajanlardır. Halojenler (F 2, Cl 2, Br 2, I 2 ), oksijen ( 2 ) ve oksijen içeren çok atomlu iyonlar - - ( -2 Mn 4,N3 ve Cr 2 7 gibi) bu tür yükseltgeyici ajanlara örnek verilebilirler. Yükseltgeyici ajan, elektronlar alarak kendisi indirgenir ve yükseltgenme sayısı daha negatif veya daha az pozitif olur. Bu değişme atomlarından birinin yükseltgenme sayısındaki azalma ile gösterilir. Bu bağıntılar Şekil 12.2'de özetlenmiştir

225 e - A İndirgeyici ajan elektron verir (kaybeder) yükseltgenir yükseltgenme sayısı artar B Yükseltgeyici ajan elektron alır (kazanır) indirgenir yükseltgenme sayısı azalır A tarafından kaybedilen elektron = B tarafından kazanılan elektron Şekil 12.2 Yükseltgenme - İndirgenme İşlemlerinin Özetlenmesi A Maddesinden, B Maddesine Elektron Aktarımı. Redoks reaksiyonlarında yer alan yükseltgenme ve indirgenme işlemlerini ayrı ayrı ifade etmek mümkündür. Redoks reaksiyonlarını iki yarı - reaksiyon şeklinde yazabiliriz. Örneğin sodyum ve klordan, sodyum klorür oluşumu reaksiyonu iki yarı reaksiyon olarak yazılabilir. Yarı reaksiyon denklemi, yarı-denklem olarak adlandırılır. Yükseltgenme yarı-reaksiyonu : 2 Na 2Na + + 2e - İndirgenme yarı-reaksiyonu : Cl 2 + 2e - 2Cl - Toplam redoks reaksiyonu : 2 Na + Cl 2 2 Na Cl Yarı reaksiyon kendisi tek başına yer alamaz. Çünkü indirgenme olmaksızın yükseltgenme, yükseltgenme olmaksızın indirgenme olamaz. İki yarı-reaksiyonun toplamı tüm toplam reaksiyonu gösterir. Reaksiyon sırasında verilen elektron sayısı alınan elektron sayısına eşit olmalıdır. Bu nedenle toplam redoks reaksiyonunda elektronlar yer almaz. 4. REDKS İÇEREN DENKLEMLERİN DENKLEŞTİRİLMESİ Redoks denklemlerinin katsayılarının bulunması, deneme yanılma yöntemi ile yürütülemeyecek kadar karmaşıktır. Bu nedenle sistematik denkleştirme yöntemleri kullanılır. İki ayrı yöntem vardır

226 Yükseltgenme sayısı değişmesi yöntemi; özellikle moleküler redoks reaksiyonlarına uygulanır. Yarı-reaksiyon yöntemi; özellikle iyonik redoks reaksiyonlarına uygulanır Yükseltgenme sayısı değişmesi yöntemi Bu yöntem, reaksiyonda oluşan yükseltgenme sayısındaki değişmeye dayanır. İndirgenme ajanı ile kaybedilen elektronların sayısının, yükseltgenme ajanı ile kazanılan elektronların sayısına eşit olması gerekir. Dolayısıyla bir atomun yükseltgenme sayısındaki toplam artma, diğer atomun yükseltgenme sayısındaki azalmaya eşit olmalıdır. Bu prensip, yükseltgenme sayısı değişmesi yöntemini kullanarak redoks denklemlerini denkleştirmenin temelidir. Bu yöntemin uygulanmasını; mangan dioksit ve hidroklorik asitten klor gazı elde edilmesini içeren denklemi 4 basamakta denkleştirilmesini görelim; Mn 2 (k) + HCl(suda) Cl 2 (g) + MnCl 2 (suda) + H 2 (s) Denkleşmemiş denklemde, reaktantlardan ürünlere yükseltgenme sayısında değişme olan atomlar belirlenir Mn HCl 0 Cl Mn -1 Cl H 2-2 Bu reaksiyonda mangan (+4)'den (+2)'ye indirgenmiş ve klor (-1)'den (0)'a yükseltgenmiştir. Yükseltgenme sayısında değişme olan atomlar için denkleştirilmiş yarı-denklemler yazılır yükseltgenme sayısındaki değişme +4 Mn +2 Mn Cl Cl

227 Yükseltgenme sayılarındaki değişmeler, uygun katsayılar kullanarak denkleştirilir. Mangan atomları için yükseltgenme sayısındaki değişme 2, klor atomları için 1 olduğuna göre, klor atomları 2 ile çarpılmalıdır. +4 Mn -1 2 Cl yükseltgenme sayısındaki değişme +2 Mn Cl =+2 0 Bu katsayılara göre denklemde HCl'in önüne 2 katsayısı yazılması gerekir. Mn 2 +2 HCl Cl 2 + MnCl 2 + H 2 Hidrojen ve oksijen sona bırakılarak, deneme-yanılma yolu ile redoksa girmeyen bileşikler için uygun katsayılar saptanır. Örnek reaksiyonda, MnCl 2 'deki Cl atomların yükseltgenme sayısı değişmemiştir. Dolayısıyla HCl'in katsayısı değiştirilmelidir. Mn 2 +4 HCl Cl 2 + MnCl 2 + H 2 Son olarak hidrojen ve oksijen atomları denkleştirilir. Denklemi her iki yanında her atom sayısının denkliği kontrol edilir. Mn 2 +4 HCl Cl 2 + MnCl 2 + 2H 2 Görüldüğü gibi son denklemde her iki tarafta atom sayıları birbirine eşittir. Örnek 12.4 Cu + NH 3 (s) Cu (k) + N 2 (g) + H 2 (s) Denklemini yükseltgenme sayısı değişmesi yöntemi ile denkleştiriniz. Çözüm 12.4 Yükseltgenme sayısında değişme olan atomlar belirlenir. + 2 Cu N 3 +1 H 3 0 Cu + 0 N 2 (g) H 2-2 Bakır (+2)'den (0)'a indirgenmiş, azot (-3) den (0)'a yükseltgenmiştir

228 Denkleştirilmiş yarı denklemler yazılır. Bunun için N 2 'un önüne 1/2 katsayısı yazılır. yükseltgenme sayısındaki değişme +2 Cu 0 Cu N N Yükseltgenme sayısındaki toplam değişme bakır atomlarını 3 ile, azot atomlarını 2 ile çarparak eşitlenir. yükseltgenme sayısındaki değişme +2 3 Cu -3 2 N 0 3 Cu 3-2 =-6 0 N =+6 0 Bu katsayılar denklemde yerleştirilir. 3 Cu + 2NH 3 3 Cu + N 2 + H 2 Denklemde kalan diğer atomlar denkleştirilir. 3 Cu + 2NH 3 3 Cu + N H 2 Görüldüğü gibi denklemde her iki tarafta atom sayıları denktir. 4.2 Yarı - Reaksiyon Yöntemi Bu yöntemde redoks reaksiyonu iki yarı-reaksiyona bölünerek yazılır ve her yarı reaksiyon denkleştirilir. Bunun için önce net iyonik reaksiyon yazılır. (Bu nedenle yöntemin diğer adı iyon-elektron yöntemidir.) Bu yöntemin uygulanmasını, bakır metali ile nitrik asit arasındaki reaksiyonu denkleştirerek görelim : Cu (k) + HN 3 (suda) N (g) + Cu (N 3 ) 2 (suda) + H 2 (s) Tüm reaksiyon için net iyonik denklem yazılır. Cu + H + + N 3 - N + Cu 2+ + H 2 Bu denklemde, sağ tarafta Cu(N 3 ) 2 'ta yer alan N 3 - iyonları değişiklik göstermediği için yazılmamıştır

229 Bu atomların yükseltgenme sayıları belirlenir. 0 Cu + +1 H N N Cu H 2-2 Bakır yükseltgenme sayısı (0)'dan (+2)'ye çıkmıştır ve bakır yükseltgenmiştir. Azot'un yükseltgenme sayısı (+5)'den (+2)'ye inmiştir ve azot indirgenmiştir. Yükseltgenme ve indirgenme yarı denklemleri yazılır. Yükseltgenme : Cu Cu +2 İndirgenme : +5 N N Her yarı denklem denkleştirilir. Bunun için, i. Önce H ve dışında bütün atomların sayıları denkleştirilir. ii. atomu eksik olan tarafa yeteri kadar H 2 eklenir. iii. Çözelti asidik ise; H atomu eksik olan tarafa yeteri kadar H + eklenir Çözelti bazik ise; H atomu eksik olan tarafa H sayısı kadar H 2 diğer tarafa da eklenen H 2 ile eşit sayıda H - ilave edilir. Cu Cu +2 N 3 + 4H + N + 2H 2 Bakır yarı-denkleminde atomlar denk durumdadır. Azotun indirgenmesini içeren reaksiyonda ise oksijen atomlarının sayısı denkleştirilmelidir. Bunun için oksijen atomu sayısı az olan tarafa H 2 eklenir ve hidrojen atomu sayısını denkleştirmek üzere de ortam asidik olduğundan H + eklenir. Her yarı reaksiyonda yükler; daha pozitif yüklü olan tarafa elektron eklenerek denkleştirilir. Cu Cu e N 3 + 4H + + 3e N + 2H 2 Birinci yarı-denklemde, yükleri denkleştirmek için sağ tarafa 2 elektron eklenir. İkinci yarı-denklemde; sol taraftaki yüklerin toplamı +3, buna karşın sağ tarafta yük toplamı sıfır olduğundan, sol tarafa 3 elektron eklenir

230 Yarı-denklemler, elektron sayıları eşit olacak şekilde uygun katsayılarla çarpılır ve taraf tarafa toplanır. 3 x ( Cu Cu e - ) 2 x ( N H + + 3e - N + 2H 2 ) 3 Cu + 2N H + 3Cu N + 4H 2 Bu reaksiyon denkleştirilmiş net iyonik denklemdir. Net iyonik denklemin katsayıları ile başlangıçta verilen denklemin katsayıları yazılır ve denklemde sağda veya solda tekrarlar varsa bunlar çıkarılır. 3 Cu + 8 HN 3 3Cu (N 3 ) 2 + 2N + 4H 2 Görüldüğü gibi son denklemde her iki tarafta atom sayıları denktir. Örnek 12.5 Aşağıdaki denklemi yarı-reaksiyon yöntemi ile denkleştiriniz. Na 2 S 3 (suda) + Cl 2 (g) + NaH (suda) Na 2 S 4 (suda) + NaCl (suda) + H 2 (s) Çözüm Basamak, S Cl 2 + H - S Cl - + H 2 2. Basamak, +4-2 S Cl H S Cl + H Basamak, yükseltgenme S 3-2 S 4-2 indirgenme Cl 2 2Cl - 4. Basamak S H - Cl 2 2 Cl - S H 2 5,6,7,8. Basamaklar S H - S H 2 + 2e - Cl 2 + 2e 2 Cl - -2 S 3 + Cl 2 +2H - S Cl - +H 2 Na 2 S 3 + Cl 2 + 2NaH Na 2 S 4 + 2NaCl + H

231 5. ELEKTRKİMYASAL PİLLER Yükseltgenme - indirgenme reaksiyonlarının uygun düzeneklerle oluşturulmaları ile, kimyasal enerji elektrik enerjisine veya elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülebilir. Bu amaçla hazırlanan düzeneklere "pil"denir. Düzenekte kendiliğinden yürüyen bir redoks reaksiyonun; elektron verme eğiliminde ve elektron alma eğiliminde olan türleri iki ayrı bölmede yer alır ve elektron alışverişi dış devreden akan elektronlarla sağlanır. Böylece dış devrede elektron akımı sağlanarak elektrik enerjisi elde edilir. Elektrokimyasal pil adını alan bu tür bir düzenek ile; türlerin yapılarından kaynaklanan potansiyel enerji farkı, elektrik enerjisine dönüşmüş olur. Şimdi bir elektrokimyasal pil örneğini Şekil 12.3 ile açıklamağa çalışalım. Şekildeki pilde; iki ayrı kapta Zn ve Cu metalleri kendi tuzlarının çözeltilerine batırılması ile iki yarı pil oluşturulmuştur. Bu iki çözelti bir tuz köprüsü (elektrik akımını iyi ileten KCl gibi bir elektrolitin çözeltisiyle doldurulmuş cam U boru) ile birleştirilmiştir. Elektrot olarak adlandırılan metal çubuklar da bir tel ile birbirine bağlanarak devre tamamlanır ve pilin akım verdiği gözlenir. Şimdi I. ve II. kaplarda oluşan değişimleri maddeler halinde verelim: I. Kapta Zn çubuk incelir Zn (k) Zn e - Zn çubuk dış devreye e - verir Çözeltiye Zn 2+ iyonları geçer Çözeltide (+) iyonlar fazlalaşır Tuz köprüsünden (-) iyonlar gelmeye çalışır. Yükseltgenme Bölgesi Zn e Ampermetre Tuz köprüsü e Cu Zn Cu +2 ZnS 4 (1M) CuS 4 (1M) I. kap II. kap II. Kapta Cu çubuk dış devreden e - alır. Gelen e - 'ler çözeltideki Cu +2 iyonları ile birleşir. Cu e - Cu (k) Cu çubuk kalınlaşır. Çözeltideki (+) iyonlar harcandıkça (-) iyonların oranı artar. Tuz köprüsü boyunca (+) iyonlar gelmeye çalışır. İndirgenme bölgesi Zn(k) + Cu +2 (suda) Zn +2 (suda) + Cu (k) Pildeki redoks reaksiyonu Şekil 12.3 Pil Düzeneği

232 Bir pil devresinde çözeltilere daldırılmış çubuklar "elekrot" olarak adlandırılır. Yükseltgenmenin olduğu elektrot "anot", indirgenmenin olduğu elektrot ise "katot "olarak adlandırılır. Anotta dış devreye elektron verilir ve bölgesindeki çözeltide (+) iyonlar fazlalaşır. Katotta ise dış devreden elektron alınır ve bölgesindeki çözeltide (-) iyonlar artar. Çözeltileri birleştiren tuz köprüsü aracılığıyla artan (+) iyonlar (-) yüklü bölgeye, (-) iyonlar ise (+) yüklü bölgeye göç ederler. Böylece çözeltilerde yük birikimi oluşmaksızın elektrokimyasal pil çalışmış olur. Bir pil sistemi kısaca bir şema ile ifade edilebilir. Şekil 12.3'teki pil düzeneğinde Zn anot, Cu katot olduğuna göre pil şeması, Zn (k) Zn S 4 (1M) Cu S 4 (1M) Cu (k) şeklinde yazılabilir. Buradaki tek düz çizgiler faz sınırlarını, düz çift çizgi ise tuz köprüsünü belirtir. Pil şemasının sağ yanı katot bölgesini, sol yanı anot bölgesini ifade eder Pil Gerilimleri İndirgenen ve yükseltgenen maddelerin niteliği pil devresinden geçen akım miktarını etkiler. Çünkü bir pil çalışırken; dış devreden elektronların akması, bir yarı pildeki türün elektron verme eğiliminde, diğer türün ise elektron alma eğiliminde olmasından kaynaklanır. Sistem potansiyel enerjisini düşürüp minumum enerjiye ulaşırken, sistemden ilk ve son durumların potansiyel farkına eşit elektriksel enerji elde edilir. Bu durumda farklı yarı reaksiyonlara göre çalışacak pillerdeki gerilim farklı olacaktır. Dolayısıyla maddelerin elektron alabilme veya verebilme kabiliyetleri gerilim ile ifade edilir. Pil gerilimleri, sıcaklık, derişim ve basınca bağlı olarak değişir. Bu nedenle genellikle gerilimler; 25 C'ta, çözeltilerde 1M iyon derişimi ve gazlarda 1 atmosfer kısmi basınç olmak üzere standard koşullarda belirlenir. Bu koşullarda belirlenen pil gerilimleri E ile gösterilir ve buna standart pil gerilimi denir. Aynı koşullardaki yarı-reaksiyon gerilimlerine de "standart yarı pil gerilimi veya standart indirgenme potansiyelleri " denir ve E ile gösterilir

233 Bir yarı pilin gerilimi doğrudan ölçülemez. Çünkü bir yarı reaksiyon tek başına oluşamaz. Akımın sağlanması için iki yarı pilin birbirine bağlanması gerekir. Standart yarı pil gerilimleri için bağıl bir sistem oluşturup sıralama yapabilmek amacıyla hidrojene ilişkin standart yarı pil gerilimi sıfır volt olarak kabul edilmiştir. 2H + (1M) + 2e - H 2 (1 atm) E = 0,00 V Hangi yarı pilin gerilimi belirlenecekse, hidrojen yarı pili ile bir pil oluşturulur. Ölçülen pilin gerilimi, bilinmeyen yarı pilin gerilimini verir. Hidrojen yarı piliyle oluşturulan bir yarı pil reaksiyonu, İndirgenme yönünde ise, indirgenme E ' ı (+) Yükseltgenme yönünde ise, indirgenme E ' ı (-) işaretle verilir. Elde edilen indirgenme gerilimlerinin (E ), cebirsel anlamda büyümesi; yarı reaksiyonların kolayca indirgenme yönünde oluşabileceğini ifade eder. Bir yarı reaksiyonun indirgenme gerilimi (E 1 ), cebirsel anlamda bir diğerine (E 2 ) göre küçükse, bu yarı reaksiyonun indirgenme eğilimi de diğerinden az demektir. Bu tür iki yarı reaksiyon bir araya getirilince, indirgenme gerilimi cebirsel anlamda daha küçük olanın indirgenme değil, yükseltgenme yönünde reaksiyon verdiği düşünülür. Çizelge 12.2'de bazı yarı pil reaksiyonları için standart indirgenme gerilimleri verilmiştir. Bu tablodaki E değerlerini kullanarak bir reaksiyonun hangi yönde kendiliğinden yürüyeceğini belirleyebiliriz. Örnek 12.6 Zn (k) + Cu +2 (suda) Zn +2 (suda) + Cu(k) Redoks reaksiyonun kendiliğinden yürüyüp yürümeyeceğini belirleyiniz. Çözüm 12.6 Bunun için redoks reaksiyonu iki yarı pil reaksiyonuna ayrılır. I. Cu +2 (suda) + 2e - Cu (k) E = 0,34 V II. Zn +2 (suda) + 2e - Zn (k) E = - 0,76 V

234 Bu iki yarı reaksiyondan; E 'ı cebirsel anlamda daha büyük olan yarı reaksiyonun e - alarak indirgenecek, daha küçük olan yarı reaksiyonun e - vererek yükseltgenecek şekilde yarı pil reaksiyonları yazılır. Ters çevrilen yarı reaksiyonun E değerinin işareti değiştirilir. Bundan sonra E 'ların cebirsel toplamı yapılarak standart pil gerilimi, E bulunur. Buna göre; bakırın E değeri, çinkonun E değerinden büyük olduğundan II. yarı reaksiyon ters çevrilir ve E 'ın işareti değiştirilir. Cu +2 (suda) + 2e - Cu (k) E = 0,34 V Zn (k) Zn +2 (suda) + 2e - E = 0,76 V Zn (k) + Cu +2 (suda) Zn +2 (suda) + Cu (k) E = 1.10 V Bu redoks reaksiyonu için E değeri pozitif bulunduğundan, reaksiyon belirtilen yönde kendiliğinden yürür sonucuna ulaşırız. E >0 İse reaksiyon belirtilen yönde kendiliğinden yürür. E <0 İse reaksiyon belirtilen yönde değil ters yönde yürür veya olmaz. Düzenleme sırasında bir yarı reaksiyonun herhangi bir sayı ile çarpılması, yarı reaksiyonun E değerini etkilemez. E Değerleri bu katsayılarla çarpılmaz

235 Çizelge Bazı Yarı Pil Reaksiyonları İçin Standart İndirgenme Gerilimleri (potansiyelleri). Yarı pil reaksiyonları E (volt) F 2 (g) + 2e - 2F - 2,87 H H + + 2e - 2H 2 1,77 Mn 4 + 8H + + 5e - Mn H 2 1,51 Cl 2 + 2e - 2 Cl - 1,36 Cr H + + 6e - 2 Cr H 2 1,33 indirgenme 2 + 4H + + 4e- 2H 2 eğilimi artar 1,23 Br 2 + 2e - 2Br - 1,09 Ag + + e - Ag 0,80 Fe +3 + e - Fe 2+ 0,77 I 2 + 2e - 2I - 0,54 Cu e - Cu 0,34 2H + + 2e - H 2 0,00 Pb e - Pb -0,13 Fe e - Fe -0,44 Zn e - Zn yükseltgenme eğilimi artar -0,76 2H 2 + 2e - H 2 + 2H - - 0,83 Al e - Al -1,66 Mg e - Mg -2,37 Na + + e - Na -2,71 K + + e- K -2,93 Li + + e- Li -3,05 Standart indirgenme potansiyellerinin büyüklüğü, bir yarı reaksiyonun indirgenme eğiliminin ölçüsünü gösterir. Aynı zamanda standard koşullarda bir pilden alınacak gerilimin hesaplanmasında ve denklemi verilen bir redoks reaksiyonun denklemin yazıldığı yönde kendiliğinden oluşup, oluşamayacağının saptanmasında da kullanılır

236 Örnek 12.7 Ni e - Ni E = - 0,25 V Cu e - Cu E = 0,34 V yarı reaksiyonlarına göre, aşağıdaki redoks reaksiyonlarının kendiliğinden olup olmayacağını belirleyiniz. I. Cu (k) + Ni +2 Cu +2 + Ni (k) II. Ni (k) + 2H + Ni +2 + H 2 (g) Çözüm 12.7 I. Redoks reaksiyonu için iki yarı pil reaksiyonunu yazalım. Cu (k) Cu e - E = -0,34 V Ni e - Ni (k) E = - 0,25 V Cu(k) + Ni +2 Cu +2 + Ni (k) E = - 0,59 V Bu redoks reaksiyonu için E değeri negatif olduğu için, bu reaksiyon kendiliğinden yürümez sonucuna ulaşırız. II. Redoks reaksiyonu için de aynı şekilde düşünerek, Ni (k) Ni e - E =0,25 V 2H + + 2e - H 2 (g) Ni(k) + 2H + Ni +2 + H 2 (g) E = 0,00 V E = 0,25 V Bu redoks reaksiyonu için E değeri pozitif olduğu için, bu reaksiyon kendiliğinden yürür, sonucuna ulaşırız. 5.2 Derişimin Pil Gerilimine Etkisi Çizelge 12.2'de verilen yarı pil reaksiyon gerilimleri, 1 atmosferde ortamdaki maddelerin derişimleri 1 molar olduğu durumlar için verilmiştir. Derişimlerin birim derişimlerden farklı olduğu durumlar da söz konusu olabilir. Böyle durumlarda W. Nernst tarafından bulunan Nernst Denklemi kullanılır. Örneğin, a mol yükseltgen b mol indirgenle dengede bulunuyorsa ve aktarılan elektron sayısı n ise, a yükseltgen + ne - b indirgen redoks denkleminin E gerilimi, Nernst denklemine göre

237 E pil = E - 2,303 RT n F log indirgen b yükseltgen a şeklinde yazılır. Burada R = 8,314 J mol -1 K -1, gaz sabiti; T, Kelvin cinsinden sıcaklık; n, aktarılan elektron sayısı; F = Coulomb, Faraday sabitidir. Köşeli parantezler indirgen ve yükseltgenin molar derişimlerini ifade eder. Çok hassas ölçümlerde molar derişim yerine aktivite kullanılır (Ancak aktivite bu kitabın kapsamına dahil edilmemiştir). Nernst eşitliğinde, 2,303 RT/F'in 25 C'daki değeri 0,059 volttur. Bu değer eşitlikte yerleştirilirse, E pil = E - 0,059 indirgen b log n yükseltgen a eşitliği elde edilir. Bir pilde oluşan reaksiyon için genel anlamda, aa + bb c C + d D Nernst denklemi, E pil = E - 0,059 n log C c A a D d B b şeklinde de yazılabilir. Örnek 12.8 Ni Ni +2 (? M) Cu +2 (0,75 M) Cu Piline ilişkin gerilimin 0,601 volt olması için Ni 2+ iyonun derişimi kaç molar olmalıdır? Çözüm 12.8 Pil şemasına ilişkin pil reaksiyonları yazılırsa Anot : Ni Ni +2 2e - E = 0,25V Katot : Cu e - CuE = 0,34 V Ni + Cu +2 Ni +2 + Cu E = 0,59 V E pil = E - 0,059 2 log Ni +2 Cu +2 E pil = 0,601 Volt olduğuna göre, [Ni +2 ] derişimi aşağıdaki şekilde hesaplanır

238 0,601 = 0,59-0,059 log Ni +2 0,75 log [Ni +2 ] = - 0,59 [Ni +2 ] = 0,26 M Nernst Denklemi kullanılarak, reaksiyon yönü irdelenebilir. Örneğin aa + bb c C + d D reaksiyonu için E pil = E - 0,059 n log C c A a D d B b eşitliği yazılır. E pil = 0 ise, reaksiyon dengededir denir Buna göre, 0 = E - 0,059 n log K veya E = 0,059 n log K olarak yazılabilir. Buradan K =10 n E 0,059 bulunur. E pil > 0 ise, reaksiyon soldan sağa doğru kendiliğinden yürür. E pil < 0 ise, reaksiyon ters yönde yani sağdan sola doğru olur veya hiç olmaz. Örnek 12.9 Pt H 2 (g) HCl (sulu) AgCl (k) Ag Pili için E = 0,223 V olduğuna göre pildeki reaksiyonu yazarak denge sabitini hesaplayınız. Çözüm 12.9 Pil şemasına göre anotta hidrojen yükseltgenirken, katotta gümüş indirgenir. Anot : 1/2H 2 H + + e - Katot : AgCl + e - Ag + Cl - Ag + Cl - + H + AgCl + 1/2H

239 E pil = 0 iken pildeki reaksiyon denge konumuna gelmiş olacağından. E pil = E - 0,059 n log H + Cl - 1/2 P H2 (gazların derişimi kısmi basınç olarak verildiğinden P H 2 1/2 yazılmıştır.) 0 = 0,223-0,059 1 log K log K = 0,223 0,059 = 3,758 K = = 5,73 x 10 3 olarak hesaplanır. 6. ELEKTRLİZ Kendiliğinden oluşmayan redoks reaksiyonlarının, bir dış kaynaktan sağlanan elektrik enerjisi ile oluşturulması işlemi "elektroliz" olarak adlandılır. Elektrokimyasal pillerde kullanılan terimler ve işleyiş biçimi elektrolizde de geçerlidir. Ancak tek fark devreye bir üreteç bağlanarak dışarıdan elektrik enerjisi sağlanması ve Seyreltik sülfürik asit sağlanan enerji ile bir redoks reaksiyonu oluşturulmasıdır. Elektroliz sırasın-da gerçekleşen reaksiyonun E değe- gazı ksijen Hidrojen gazı rinin negatif olması gerekir. Çünkü bu olay kendiliğinden oluşmaz. Bir elektroliz düzeneğinde, elektrokimyasal pil- Katot (indirgenme) de olduğu gibi bir katot ve Anot anot bulunur. Katot dış devreden e - alarak elektrolitteki (yükseltgenme) w Pil indirgenmeyi sağlar. Anotta ise dış devreye e - verebilmesi için elektrolitte bir yükseltgenme olur. 2 ve 2 'e ayırmak için Şekil Suyun elektrolizi, suyu H elektrik akımının kullanılması. H 2 'nin hacminin, 2 'nin hacminin iki katı olduğununa dikkat ediniz

240 Şekil 12.4'te suyun elektrolizi görülmektedir. Burada iki platin elektrot suyun içine batırılmıştır. Elektriği iletmesini sağlamak amacıyla suya çok az miktarda elektrolit (H 2 S 4 ) eklenmiştir. Elektrotlar bir güç kaynağına bağlanmış ve Yükseltgenme: 2 H H + + 4e - İndirgenme: 4 H 2 + 4e - 2H 2 + 4H - yarı-reaksiyonları oluşumu sağlanmıştır. Elektronlar, elektrik kaynağından elektrotlardan birine doğru hareket ederler ve bu elektrodu negatif yüklerler. Bu elektrot katot elektrodu olup indirgenme yarı reaksiyonu için elektron sağlar. Su molekülleri, katotta indirgenerek hidrojen gazı oluştururlar. Güç kaynağı diğer elektrot aracılığıyla elektronları çeker ve elektrot pozitif yüklenerek anotu oluşturur. Anotta su molekülleri oksijene yükseltgenir. Elektroliz işlemi ile genellikle bileşikler elementlerine ayrıştırılır. Önemli pek çok madde elektroliz ile üretilir. Örneğin; klor, sodyum hidroksit, hidrojen gibi maddelerin üretimi tuzlu suyun elektrolizi ile yapılır. Ayrıca elektroliz ile metaller saflaştırılabilir ve metal kaplamalar yapılır. Özet Elektron kaybı "yükseltgenme", elektron kazanılması "'indirgenme" olarak adlandırılır. Yükseltgenme ve indirgenme reaksiyonlarının bir arada yürüdüğü reaksiyonlara "yükseltgenme indirgenme" reaksiyonları denir. Yükseltgenme sayısı bir bileşikteki atomlara ait elektronları ifade etme şeklidir ve belirli kurallara göre saptanır. Bir veya daha fazla elektronunu vererek diğer atomu indirgeyen ve kendisi yükseltgenen maddelere "indirgeyici ajan" denir. İndirgeyici ajandan gelen elektronları kabul eden madde, yükseltgenmeye sebep olarak "yükseltgenme ajanı" adını alır. Redoks denklemleri; yükseltgenme sayısı değişmesi yöntemi veya yarı-reaksiyon yöntemi ile denkleştirilebilir. Redoks reaksiyonlarının uygun düzeneklerle oluşturulmaları ile kimyasal enerji elektrik enerjisine veya elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülebilir. Bu amaçla hazırlanan düzeneklere "pil" denir. Elektrokimyasal pil ile elektrik akımı sağlanır. Elektroliz olayında ise kimyasal değişmeyi sağlamak üzere dışarıdan elektrik enerjisi verilir

241 Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Ksenon tetraflorür (XeF 4 ) bileşiğinde ksenonun yükseltgenme sayısını bulunuz. A) - 4 B) - 1 C) + 1 D) + 2 E) Dihidrojen fosfat, H 2 P 4 - bileşiğinde fosforun yükseltgenme sayısını bulunuz. A) + 5 B) + 4 C) + 3 D) - 3 E) Ca 3 (P 4 ) 2 (k) +? C (k) + 6Si 2 (k) P CaSi 3 +? C reaksiyonunda C'un ve C'un önünde olması gereken katsayı kaçtır? A) 1 B) 2 C) 3 D) 7 E) 10 4.? Fe +2 (suda) + Cr H + (suda)? Fe +3 (suda) + 2Cr +3 (suda) + 7H 2 (s) Reaksiyonunda Fe +2 ve Fe +3 iyonları önünde olması gereken katsayı kaçtır? A) 1 B) 3 C) 4 D) 5 E) 6 5. Bazik ortamda Cr(H) 3 çökeltisi I 3 iyonları ile reaksiyona girerek I - ve Cr 4-2 ürünlerini oluşturur. Bu reaksiyon için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) Cr(H) 3 + 5H - Cr 4-2 B) I H2 I - + H - C) Cr (H) 3 + H - + I 3 - D) 2Cr (H) 3 + I H - I - + Cr 4-2 2Cr I H 2 E) 2Cr(H) 3 + I H - 2Cr I

242 6. Sn e - Sn (k) E = -0,14V Ni e - Ni (k) E -0,25V Yarı reaksiyonlarına göre çalışacak standart pilin gerilimi kaç volttur? A) -0,39 B) -0,11 C) +0,11 D) +0,39 E) 0,50 7. Zn Zn +2 (1,0 x 10-2 M) Cu +2 (1x10-1 M) Cu Pilinin gerilimi kaç volttur? A) 0,34 B) 0,76 C) 0,42 D) 1,13 E) 1,60 8. Çinko bakır pilinin E = 1,10 V olduğuna göre reasiyonun denge sabiti nedir? A) 10 B) 12 C) 23 D) 37,2 E) C 'da 0,1M Sn +2 iyonları içeren kalay elektrodunun elektrot gerilimi kaç volttur. A) -0,136 B) -0,166 C) -0,32 D) 0,166 E) 0, Cd Cd +2 Cu +2 Cu pili için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) Pil şemasının sağ yanındaki elektrot anottur B) Pilin E 'i pozitif, pil kendiliğinden çalışır C) Pilin E 'i pozitif, pil kendiliğinden çalışmaz D) Pilin E 'i negatif E) Pilin E 'i negatif, pil kendiliğinden çalışır

243 ÜNİTE 13 Radyoaktivite Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Radyoaktivite, Çekirdek kararlılığı, Radyasyon ve etkileri, İyonlaştırıcı radyasyon etkileri, Radyasyon ölçü ve birimleri hakkında bilgi edineceksiniz. İçindekiler Giriş Çekirdek Radyoaktivite Yarı-ömür Canlı Hücrelerine Radyasyonun Etkileri Radyasyon Ölçü ve Birimleri Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi kavrayabilmek için Ünite 2'de verilen atomun yapısını çok iyi anlamış olmanız gerekir.

244 1. GİRİŞ Radyoaktiflik, 1895 yılında Wilhelm Röntgen'in x-ışınlarını bulmasından sonra, 1896 yılında Henry Becquerel'in uranyumun gözle görülmeyen ışınlar yaydığını belirlemesiyle keşfedilmiştir. Bu buluşların ardından Marie ve Pierre Curie tarafından başka radyoaktif elementler bulunarak izole edilmiştir. Radyoaktif maddeler tarafından yayılan ışınların özellikleri ise, Ernest Rutherfort tarafından aydınlatılmıştır. 2. ÇEKİRDEK Atom yapısını irdeleyen önceki bölümlerde atom çekirdeğinin temel taşlarının proton (p) ve nötron (n) olduğu ve çekrideğin etrafında proton sayısına eşit sayıda elektronların yer aldığı belirtilmişti. Ayrıca pozitif yüklü proton ile yüksüz nötron taneciklerinin yaklaşık eşit kütlede oldukları ve negatif yüklü elektronun ise, diğer ikisine kıyasla çok daha küçük bir kütleye sahip olduğu açıklanmıştı. Atom çekirdeğinde yer alan proton ve nötron tanecikleri "nükleon" olarak adlandırılırlar. Buna göre bir çekirdekte yer alan nötron ve protonların toplam sayısı (n+p) veya farklı bir ifade ile nükleonların toplam sayısı, o çekirdeğe ilişkin "kütle numarasının" belirtir ve "A" harfi ile sembolize edilir. Öte yandan bilindiği gibi atom çekirdeğinde yer alan protonların toplam sayısı (nötür yapıdaki atomlar için elektron sayısı da olabilir), o çekirdeğe ilişkin "atom numarası" belirtir ve "Z" harfi ile sembolize edilir. Bir çekirdeğin atom numarası ve kütle numarası A veya şeklinde ifade edilir. Z X Z X A Ünite 2'de bir elemente ilişkin farklı izotoplar olabileceğini ve bu izotopların "atom numarası aynı ancak atom kütle numarası farklı çekirdekler" olarak tanımlanabileceklerini öğrenmiş ve çizelge 2.1'de bazı izotoplara ilişkin açıklamaların dökümü verilmişti. Hatırlanacağı gibi elementlerin birçoğu için birden fazla kararlı izotopun bulunmasına karşın, bazı izotoplarının kararsız radyoaktif izotoplar olduklarına değinilmişti. Örneğin oksijen elementinin doğal izotoplarının 16 kararlı olmalarına karşın 8, 17 8, gibi radyoaktif izotopları da bulunabilmektedir. Atom kütle numarası aynı (A = Z + n) ancak atom numarası (Z) farklı çekirdeklere ise "izobar" de- 8, 14 8, 15 8, ve 20 8 nir. Örneğin 40 ile K 20 Ca farklı elementlere ilişkin izobarlardır. Öte yandan hem atom kütle numaralarının (A) hem de atom numaralarının (Z) farklı olmalarına karşın, aynı sayıda nötron içeren çekirdeklere "izoton" denir. Örneğin 14 ile çekirdeklerinde yedişer nötron bulunmaktadır ve bu çekirdekler birbirlerinin 7 15 N 8 izotonodur

245 Tüm atom çekirdekleri için çekirdek yoğunluğunun sabit olduğu kabul edilir. Bu değer 2,44 x gr/cm 3 olarak hesaplanmıştır. Görüldüğü gibi atom çekirdeklerindeki yoğunluk çok yüksektir. Örneğin 1 cm 3 çekirdek maddesinin ağırlığı yaklaşık ton civarındadır. Çekirdeği bir arada tutan kuvvetlerin niteliğinin tam kesinlik kazanmamasına karşın, bu kuvvetlerin nükleonları bir arada tutabilmelerinden sorumlu oldukları ve protonlar arasındaki itme kuvvetlerinin üstesinden gelebilecek güçte oldukları açıktır Çekirdek Kararlılığı Atom çekirdeklerinin, parçalanmaya ve nükleer bozunmaya karşı dayanıklılığı "çekirdek kararlılığı" olarak tanımlanır. Çekirdek kararlılığında en büyük etken, atom çekirdeklerinin bünyesinde yer alan nötron ve protonların birbirlerine oranıdır. Atom kütlesi küçük olan çekirdeklerin kararlı olabilmesi için nötron/proton oranının bir veya bire yakın bir değerde olması gereklidir. Örneğin 12 6 C, 13 6 C ve 14 6 C izotoplarına ilişkin nötron/proton değerleri sırasıyla 1,00, 1,16 ve 1,33 dür. Bu nedenle doğal 12 karbon izotopları arasında 6 C ve 13 6 C'nın kararlı olmasına karşın, 14 6 C kararsız radyaktif bir elementtir. Atom kütlesi büyük olan çekirdeklerin kararlı olabilmesi için nötron/proton oranının yaklaşık 1,5 civarında bir değerde olması gereklidir. Örneğin civa elementini ele alırsak, Hg çekirdeğinde 80 proton ve 120 nötron olmasına ve nötron/proton oranının 1,5 olmasına karşın, bu çekirdeğin kararlı olduğunu görürüz. Eğer bir genelleme yapılacak olunursa, 40 kadar olan küçük kütleli 20 Ca atomlarda nötron/proton oranlarının yaklaşık bir olduğunu, daha yüksek kütleli atomlar için bu eşitliğin bozulduğunu belirtebiliriz (Şekil 13.1). Bu durumun nedenlerini, atom çekirdeklerindeki itme ve çekme kuvvetlerinde aramalıyız. Doğal olarak atomların atom numarası arttıkça, proton sayıları artmakta ve proton

246 lar arası itme etkileşimi de buna paralel artmaktadır. Yani çekirdeği birarada tutan çekme kuvvetlerine kıyasla, itme kuvvetleri gittikçe daha belirgin olmakta ve bir noktadan sonra ön plana geçebilmektedir. Bu durum ise çekirdeklerin kararlılığının azalmasına neden olur Nötron Sayıs N Z = Atom numarası Ca 'den yüksek çekirdeklerde bu itme kuvvetlerinin etkisini azaltmak için gittikçe artan nötrona gerek duyulur. İşte bu nedenle atom numarası yükseldikçe nötron/proton oranı 1,5'a doğru yükselir Proton Sayısı Şekil 13.1 Çekirdek kararlığının nötron proton oranına bağlılığı Atom çekirdeklerindeki nötron sayısı ne kadar çok olursa olsun, yine de kararlı bir çekirdekte bulunabilen proton sayısı sınırlıdır. En büyük atom numarasına sahip kararlı çekirdek, Bi çekirdeğidir. Daha büyük atom numarasına sahip çekirdeklerin hepsi "radyoaktif" özellik taşırlar. Radyoaktif çekirdekler, kararlı bir nötron/proton oranına ulaşıncaya kadar "radyoaktif çekirdek bozunması" olarak adlandırılan bir süreçle "radyasyon" yayarlar

247 Çekirdek kararlılığını etkileyen etkenlerden bir diğeri de nötron ve proton sayılarının tek veya çift oluşudur. Tek - çift kuralı olarak bilinen bir kurala göre, nötron ve (veya) proton sayıları çift olan çekirdeklerin kararlı oldukları saptanmıştır. Örneğin bilinen 264 kararlı çekirdekten 102 tanesinde nötron veya proton sayılarının çift olduğu, 157 tanesinde hem nötron hem de proton sayılarının çift olduğu ve sadece 5 tanesinde nötron ve proton sayılarının tek olduğu anlaşılmıştır. Çekirdek kararlığına ilişkin bir diğer ilginç durum ise "sihirli sayılar" olgusudur. Sihirli sayılar kuralına göre nötron ve/veya proton sayıları 2, 8, 20, 50, 82, 126 olan çekirdekler çok kararlıdırlar. Bu sebeple söz konusu sayılara "sihirli sayılar" adı verilmektedir. Aynı zamanda hem proton hem de nötron sayıları sihirli sayılardan birine eşit 4 gibi çekirdekler, bolluk dereceleri (doğal 2 He, 16 8, Ca, Pb dağılım oranları) yüksek olan kararlı izotoplardır. 3. RADYAKTİVİTE Doğada kararlı bir çekirdeğe sahip atom sayısı oldukça azdır. Daha önce değinildiği gibi bir çekirdeğin kararlı olması, belli sayıda nötrona ve protona sahip olmasına bağlıdır. Bu sayıların dışına çıkıldığı zaman, çekirdekler kararsız bir yapı kazanırlar. Kararlı hale gelebilmek için parçalanan bu tür çekirdekler, "radyoaktif çekirdek" ler olarak bilinirler. Ağır elementlerin çoğu radyoaktif özelliklere sahiptir. Radyoaktif çekirdekler kararlı bir nötron/proton oranına ulaşana kadar, bozunmaya uğrarlar. İlk bozunmaya uğrayan radyoaktif çekirdek "ana çekirdek", ve ana çekirdeğin radyoaktif bozunmaya uğraması sonucu oluşan çekirdek ise "yavru çekirdek" adını alırlar

248 Bozunma sürecindeki radyoaktif çekirdekler, alfa (α), beta (β) ve gamma (γ) radyasyonlarından birini veya birkaçını yayınlayarak, rahatlama yolunu seçerler. Radyasyon Kararsız çekirdek Yavru çekirdek (Kararsız) Yavru çekirdek (Kararsız) Yavru çekirdek (Kararlı) Şekil 13.2 Kararsız bir radyoaktif çekirdekten kararlı bir çekirdek oluşumu Bir radyoaktif ana çekirdekten alfa (α), beta (β) ve gamma (γ) bozunmaları sonucu yavru çekirdekler oluşturan seriler, "radyoaktif seriler" olarak tanımlanır. Radyoaktif seriler uranyum, toryum, aktinyum ve neptinyum serisi şeklinde dört grup oluşturulmuştur. Her seri, bozunma zincirini tamamladıktan sonra kararlı bir çekirdek haline dönüşür. Şekil 13.3 de Uranyum-238 serisi gösterilmiştir. α β, γ β, γ α U Th Pa U 90 Th 5x10 9 yıl 25 gün 7 saat 2, Uranyum Toryum Protaktinyum Uranyum Toryum 8x10 4 yıl β, γ α α α, γ α, γ Bi Pb 84 Po Rn 88 Ra 27 dak. 3 dak. 4 gün yıl Bizmut Kurşun Polonyum Radon Radyum β, γ 20 dak. α β, γ β α Po Pb Bi 84 Po Pb 16x yıl 5 gün 138 gün Polonyum Kurşun Bizmut Kurşun (Kararlı İzotop) Şekil Uranyum-238 radyoaktif serisi

249 3.1. Alfa (α) Bozunması Radyoaktif çekirdeklerin kararlı bir çekirdek yapısına ulaşmak için izlediği yollardan biri "α-bozunmasıdır." Alfa (α) bozunması, radyoaktif çekirdekten kütle numarası 4 atom numarası 2 olan bir taneciğin ayrılması sonucu gerçekleşir. Ayrılan tanecik aslında bir helyum çekirdeğidir.. Demek ki bir atom çekirdeği α bozunmasına uğradığı zaman kütle numarasında 4 ve atom numarasında 2 eksilme olur. Örneğin uranyum'un en bol bulunan izotopu uranyum-238 α bozunmasına uğradığı zaman toryum-234'e dönüşür. Bu tür bozunmalarda okun sol tarafı başlanfıçtaki radyoaktif çekirdeği, sağ taraf ise bu çekirdeğin radyoaktif bozunması sonucu oluşan ürünü gösterir. İfadenin doğruluğu ise her iki tarafta bulunan nötron ve proton eşitliğinin sağlanmasıyla kontrol edilir. Yukarıdaki ifade de, kun solu kun sağı Kütle numarası Atom numarası olduğundan doğru yazıldığı görülür. Bu ifade de oluşan toryum-234 (yavru çekirdek) de kararsız bir radyoaktif çekirdektir. 4 2 He U Th He Alfa (α) taneciklerinin giricilikleri (nufuz etme gücü) düşüktür. Bu tanecikler ince bir kağıt yardımıyla durdurulabilirler. İnsan derisi alfa (α) taneciklerini hücrelere ulaşmadan durdurabilir (Şekil 13.4)

250 Şekil 13.4 α, β ve g Işınlarının insan üzerine etkileri 3.2. Beta (β ) Bozunması Beta (β) taneciği aslında çekirdekten yayınlanan yüksek enerjili bir elektrondur -1 0 e. Beta (β) bozunması sürecinde, radyoaktif çekirdekte bulunan bir nötron, bir proton ile bir elektrona 0 β veya dönüşür. -1 e 1 0 n 1 1 p e + Enerji Nötron Proton Elektron ( β) Nötron/ proton oranı çok yüksek radyoaktif çekirdeklerde, beta bozunması n/p oranının azalmasına ve bu azalma nedeniyle kararlılık artışına neden olur. luşan elektron çekirdekten ani olarak fırlar ve bu fırlama sonucu, radyoaktif çekirdek ardında kütle numarası aynı fakat atom numarası farklı bir yavru çekirdek bırakır. Örneğin uranyum- 238 in α ışıması sonucu oluşturduğu toryum-234 bir β taneciği fırlatıcısıdır. Örnekte görüldüğü gibi ana ve yavru çekirdeklerin atom kütle numarasının değişmemesine karşın, yavru çekirdeğin atom numarasında bir eksilme olmaktadır Th Pa e Beta (β) tanecikleri, alfa (α) taneciklerinden çok daha küçüktür. Bu nedenle de α taneciğine göre daha etkilidir ve giricilikleri (nufuz etme özellikleri) de daha fazladır

251 Beta tanecikleri kağıttan geçerler fakat birkaç metre hava tabakası ve birkaç milimetrelik aluminyum levha bu ışınları durdurur. Beta ışınları, dış derideki ölü seviyeye nüfus eder, derinin iç kısmında durduğu için dış derideki dokulara yakarak zarar verir (Şekil 13.4) Gamma (γ) Bozunması Gamma (γ) ışınları tanecik değildir. Bunlar kısa dalga boylu ve yüksek enerjili (x- ışınları benzeri) ışınlardır. Alfa (α) ve beta (β) bozunması sırasında birçok atom çekirdeği uyarılmış birer yapıya (yüksek enerjili hale) ulaşırlar. Bu tür yüksek enerjili çekirdekler, gamma (γ) ışıması yardımı ile rahatlama yolunu seçerler. Özetle birçok alfa ve beta bozunmalarının, gamma ışımasını da birlikte sürdürdüklerini belirtebiliriz. (Bakınız şekil 13.3). Gamma ışıması sürdüren bir çekirdekte atom kütle numarası ve atom numarası değişikliğe uğramaz. Gamma (γ) ışımasının mekanizmasını aşağıdaki basamaktada özetleyebiliriz Ra Rn * He Rn * Rn + γ Toplam Çekirdek ifadesi Ra Rn He + γ Yüksek enerjili hal Düşük enerjili hal 4. YARI - ÖMÜR Radyoaktif maddeler, kendilerine özgü bir bozunma hızına sahiptir. Radyoaktif izotopların bozunma hızı "yarı-ömür" adı verilen bir sayı ile belirtilir ve yarı ömür "t 1/2 " olarak ifade edilir. Yarı ömür (t 1/2 ) radyoaktif ve bozunmaya uğrayan bir örnekteki atomların yarısının yok olması için geçen zaman olarak tarif edilir

252 Radyoaktif bir izotopun birinci yarı ömrü sonrsı yarı miktarı yok olurken, diğer yarısı değişmeden kalır. İkinci yarı-ömür sonrası başlangıç miktarının 1/4'ü, üçüncü yarı-ömür sonrası başlangıç miktarının 1/8'i vs. kalacak şekilde azalmaya uğrar (Şekil 13.5). x Kalan Miktar x 2 x 4 x 8 x 16 x x 64 Yarı-ömür sayısı Şekil 13.5 x Gram ağırlığında radyoaktif bir maddenin yarı-ömürleri ve kalan miktarları arasındaki ilişki Örneğin azot-13 izotopunun yarı-ömür süresi (t 1/2 ) 10 dakikadır. Eğer elimizde başlangıçta 1 gram azot - 13 izotopu varsa, ilk 10 dakika sonra 0,5 gram azot-13, ikinci 10 dakika sonra 0,25 gram azot-13, üçüncü 10 dakika sonra ve sadece 0,125 gram azot-13 kalacaktır. (Şekil 13.6). t 1/2 = 10 dk. 10 dk. 10 dk. 10 dk. 1 gram 1 gram 2 1 gram 4 1 gram 8 Şekil 13.6 Yarı-ömür sonrası kalan miktarlar Özellikle vurgulanması gereken bir nokta ise, radyoaktif özelliğe sahip farklı izotoplara ilişkin yarı ömürlerin ve yayınladıkları radyasyon türlerinin farklı olduklarıdır

253 Çizelge 13.1 de bazı izotoplara ilişkin yarı-ömür ve radyasyon türleri verilmiştir. Çizelge 13.1 Bazı radyoaktif izotoplar ve yarı-ömürleri Element İzotop Yarı-ömür Verdiği radyasyon Hidrojen 3 1 H 12 yıl Beta Karbon 14 6 C 5730 yıl Beta Fosfor P 14 gün Beta Potasyum K 1.28x10 9 yıl Beta ve gamma Kobalt Co 5 yıl Beta ve gamma Stronsiyum Sr 28 yıl Beta İyot I 8 gün Beta ve gamma Sezyum Cs 30 yıl Beta Polonyum Po 1,6x10-4 saniye Alfa ve gamma Radyum Ra 1600 yıl Alfa ve gamma Uranyum U 7,1x10 8 yıl Alfa ve gamma U 4,5x10 9 yıl Alfa Örnek 13.1 Fosfor-32 izotopundan biyolojik araştırmalara dönük çalışmalarda yararlanılır. Fosfor-32'nin yarı-ömür'ü 14 gündür. Laboratuvar araştırmalarında 500 mg Fosfor-32 ile başlanınsa, 70 gün sonra fosfor-32 nin kaç gramı bozunmadan kalır? Çözüm 13.1 Problemin çözümüne 70 günün kaç yarı-ömür karşılığı olduğunu bularak başlayalım. 70 gün x 1 yarı - ömür 14 gün = 5 yarı - ömür Şimdi Fosfor-32 izotopunun başlangıç miktarına x diyelim. bu durumda 5 yarı-ömür sonra kalan miktar x kadar olur. 32 x= 500 gr olduğuna göre Fosfor - 32 nin kalan miktarı = 500 mg 32 = 15,6 mg dır

254 5. CANLI HÜCRELERİNE RADYASYNUN ETKİLERİ 5.1. İyonlaştırıcı Radyasyon Radyoaktif materyallerin kullanımı, pekçok tıbbi teşhis alanında standart bir yöntem olarak yer almaktadır. Ayrıca bu tür materyaller, bazı hastalıkların tedavisinde de önemli rol oynamaktadır. Ayrıca bu tür materyaller, bazı hastalıkların tedavisinde de önemli rol oynamaktadır. Bu durumda radyoaktif maddelerin, insan sağlığına zarar veren etkilerine rağmen bazen sağlık sorunlarının çözümlenmesine yardımcı olabildiklerini belirtmeliyiz.? Radyoakitf maddelerin zararlı etkilerini nasıl açıklayabiliriz? Alfa, beta, gamma ve kozmik ışınlar, canlı dokuyla temas ettikleri zaman, iyon çiti olarak adlandırılan kararsız ve reaktif yüklü tanecikler oluştururlar. Bu sebepten dolayı, bu tür radyasyonlara "iyonlaştırıcı radyasyon" adı verilir. Buna ilaveten, bu tür radyasyonlar canlı dokuda moleküllere çok yüksek enerji transfer ederler ve bunun sonucu hücredeki moleküllerin ayrışmasıyla "serbest radikal" olarak adlandırılan yüksek enerjili, yüksüz taneciklerin oluşumuna da neden olurlar. luşan yüksek enerjili serbest radikaller, diğer molekülleri etkileyecek kabiliyettedir. Böylece canlı dokularını tamamen etkileyebilirler. İyonlar ve serbest radikaller birbirleriyle veya diğer moleküllerle etkileşerek, hücreye yabancı yeni maddeler oluşturma yoluyla tehlike yaratabilirler. Üretilen yeni maddeler radyoaktif olmamalarına karşın, çok yüksek enerjili olmaları nedeniyle, canlı yapısına zarar verici yeni reaksiyonların başlamasına neden olabilirler

255 Şekil 13.7 İyonize radyasyonun canlı hücreye isabet etmesiyle oluşan yüksek enerjili kararsız iyonlar ve radikaller İnsan vücudundaki tek bir hücre üzerine bir an için göz atıldığında iyonlaştırıcı radyasyonun büyük zarar veren iki ara etkisi görülür. Birincisi "direkt etki" ile sebep olabildiği zarardır. İyonlaştırıcı radyasyon önemli bir biyolojik moleküle direkt isabet ettiğinde moleküllün biyolojik olarak yararlı olmayan parçalara ayrılmasına sebep olabilir. Örneğin "DNA" canlılar için hayati önem taşıyan bir moleküldür. Bu molekül ikiye ayrılarak çoğalan bir yapıya sahiptir. Eğer DNA bütünüyle harap olursa, bölünme yapamaz ve hücre ölür. Birden fazla hücrede bu durum gerçekleştiğinde ise, doku ölür. Doğal olarak bu durum, organizmanın vaktinden evvel ölümüne neden olur. Öte yandan eğer bir tek DNA molekülü zarar görürse, hücre o durumda anormal bir bölünme yapar yeni hücrelerdeki DNA değişir. Böyle hücreler "değişen hücreler" olarak bilinir. Değişen bir hücre değişik DNA lara sahiptir ki bunlar insan vücudunda uzun süre kontrol edilir. Ancak hücre büyüyemeye başlar ve kontrolsuz parçalanırsa, normal hücreleri harap eder. Bu şekilde davranan hücrelere "habis ur" veya "kanser" adı verilir. Görülüyor ki, iyonlaştırıcı radyasyonlar genetik bozukluklar ve kanser dahil sağlığa zararlı birçok etkiye sahiptir. Biyolojik önem taşıyan moleküller üzerine iyonlaştırıcı radyasyonun direkt etkisi, hücreye zarar veren tek yol değildir. İyonlaştırıcı radyasyon "indirekt etki" ile de zarara sebep olabilir. Hayvan hücrelerinin yaklaşık %80 sudur ve iyonlaştırıcı radyasyon su moleküllerine etki ederek, canlı hürcede negatif ve pozitif iyonlar veya yüksek enerjili radikaller oluştururlar. Bu tür serbest radikaller suyu parçalayabilirler ve zararlı bir kimyasal madde olan hidrojen peroksit (H 2 2 ) oluşumuna neden olurlar. Hidrojen peroksit yüksek toksit etkisi olan bir maddedir. Bu sebeple hidrojen peroksit zehirlenmesine neden olabilmektedir. Serbest radikaller, oksijen ile reaksiyona girerek, hücre içinde, hidrojen peroksitten daha sakıncalı olan yeni peroksi radikallerin oluşumuna neden olurlar (Şekil 13.8)

256 Şekil 13.8 İyonlaştırıcı radyasyonun direkt ve endirekt etkisi 6. RADYASYN ÖLÇÜ VE BİRİMLERİ Radyasyon yayınlayan cihaz, makina ve radyoaktif maddeler endüstride geniş uygulama alanları bulmaktadır. Bu uygulamalar sırasında çok sayıda insan iyonlaştırıcı radyasyonun etkisinde kalmaktadır. Bu kişilerde, alınan radyasyon dozu ile orantılı olarak bazı zararlı biyolojik etkilere neden olduğu görülmüştür. İyonlaştırıcı radyasyon canlı hücrelerinden geçerken hücre molekülleri ile etkileşerek zarar vermektedir. İyonlaştırıcı radyasyona uğrayan kişilerde, etkilenilen radyasyon miktarı verdiği zararla orantılı olduğu için radyasyon miktarının ölçülmesi ve her birinin tanımlanması gerekmektedir. Bu amaçla, x - ışınlarının keşfinden bu güne kadar birçok birim tanımlanmış, fakat bazıları günümüzde kullanılmaz olmuştur. Uluslararası Radyoloji komisyonu (ICRU), Uluslararası birimler Sisteminin (SI) önerileri doğrultusunda 1971 yılında radyasyon ölçülmesiyle ilgili SI birimlerinin saplanmasından önceki yıllarda, radyasyon birimi olarak "röntgen"; soğurulma doz birimi olarak "rad" (radiaton absorbed dose), doz eşdeğer birimi olarak "rem" (roentgen equivalent man) ve radyoaktivite birimi olarak da "Curie" kullanılmıştır. Belli bir geçiş süresinden sonra günümüzde SI birimleri kullanılmaktadır

257 6.1. SI Birimleri Radyasyon Birimi (Röntgen) Röntgen yerine yeni bir isim gerek duyulmadığı için aynı isim üzerinden yeni birimin yürütülmesi düşürülmüştür. Yeni radyasyon birimi olarak "Coulomb/kg" tarif edilmiştir. Normal hava koşullarında ( C ve 1 atm basınç) havanın 1 kilogramında 1 Coulomb pozitif ve negatif elektrik yükü taşıyan iyonlar meydana getiren x - veya γ - radyasyon miktarına "Coulomb/kg" denir. 1 Coulomb/kg = 3876 R veya 1R = 2,58 x 10-4 C/kg dır Soğurulmuş Doz (D) ve Birimi Nükleer teknolojinin ilerlemesi ile elde edilen yüksek enerjili x ışınlarının α, β ve nötron gibi radyasyonlardan herhangi bir cisimde soğurulan enerjisinin ölçümünde coulomb/ kg veya röntgen yetersiz kalmıştır. Bu nedenle her çeşit radyasyon ve madde için soğurulan doz birimi olarak "gray" tanımlanmıştır. Herhangi bir maddenin kilogram başına 1 Joule'lük enerji soğurması meydana getiren radyasyon dozuna (miktarına) "gray" denir v kısaca "Gy" ile sembolize edilir. Soğurulmuş dozun (veya kısaca doz da denilebilir) SI öncesi kullanılan birimi "rad" olup, 1 rad = 100 erg / g 1 rad = 0,01J /kg 1 rad = 10-5 J /g 100 rad = 1 gray 1 gray = 1 J /kg'dır

258 Doz - Eşdeğeri (H) ve Birimi Radyasyon dozunun birimleri olan rad vegray radyasyonun insan sağlığı üzerindeki etkisini ifade etmekte yetersizdir. Zira soğurulan dozun meydana getirdiği zararlı biyolojik etkiler, hem iyonizasyon yoğunluğuna hem de radyasyonun türüne (α, β, γ vs.) göre farklılık göstermektedir. Örneğin aynı enerji ve şiddetindeki beta radyasyonu ile nötronların etkileri kıyaslandığında, 10 kez daha fazla tehlikeli oldukları anlaşılmıştır. Bu durum farklı türdeki radyasyonlara ilişkin dozların, aynı skalada ifade edilebilmeleri için, radyasyon dozunun yanısıra, radyasyonun türüne bağlı bir etki faktörünün de değerlendirilmeye alınmasını gerekli kılmaktadır. Buna göre kısaca "H" ile sembolize edilen doz-eşdeğeri hesaplamalarında, soğurulan doz ile radyasyonun türüne bağlı "etkinlik faktörünün" çarpımından yararlanıldığını belirlebiliriz. Bu yorum çerçevesinde kısaca "insan için eşdeğer radyasyon" sözcüklerinin İngilizcedeki karşılığı olan "radiation equivalent for man" sözcüklerinin baş harflerinden oluşan ve "rem" olarak ifade edilen "doz eşdeğeri birimi" ortaya atılmıştır. Bir rem dozunun hesaplanmasında, soğurulmuş radyasyonun (rad) ile radyasyonun türüne ilişkin zarar etkinliği faktörünün çarpımı yoluna gidilir. Daha önce de değinildiği gibi "rem" SI öncesi kullanılan birim olup, günümüzde halen geçerlidir. Doz eşdeğerinin (H) SI birimi "Sievert" dir ve kısaca "sv" ile sembolize edilir. Buna göre soğurulan dozun (D) kalite faktörü (Q) ve tüm diğer etkili faktörleri barındıran (N) faktörü ile çarpımının "Sievert birimi cinsinden doz eşdeğerini" verdiğini belirtebiliriz. H sievert = D gray x Q x N

259 6.2. Radyoaktivite Birimi Hastahane veya kliniklerde radyoaktif maddelerin kullanımı yaygındır. Kullanıcı satın aldığı radyoaktif maddenin aktivitesini bilmek ister. Radyoaktif maddenin saniye başına gerçekleştirdiği bozunma sayısına "aktivite" denir. Aktivitenin SI birimi "becquerel" olarak adlandırılır ve kısaca (Bq) ile sembolize edilir. Daha önce de belirtildiği gibi "curie" SI öncesi kullanılan radyoaktivite birimi olup kısaca "Ci" ile sembolize edilir. Bir gram radyumun saniyede uğradığı bozunma sayısı (3.7x10 10 bozunma/saniye) "curie" olarak tanımlanmış ve bu sayıda aktivite gösteren tüm diğer radyoaktif maddelerin aktivitesi 1 curie olarak belirtilmiştir. 1 Ci = 307 x bozunma/saniye 1 Ci = 3,7 x Bq 1 Bq = 2,703 x Ci 6.3. Tolerans Dozu Bir insanın tek bir göğüs filmi çektirmesi, yaklaşık 7 milliremlik (7x10 3 rem) bir doz alınmasını gerektirir. Ancak bir insanın maruz kaldığı toplam radyasyon dozunun belirlenebilmesi için, tüm diğer radyasyon türlerinden aldığı dozun rem (veya-sievert) cinsinden hesaplanıp, toplanması gerekir. Uluslararası Korunma komisyonu (ICRP) "maksimum izin verilen doz" kavramını ortaya atarak, bu dozu 0,3 rem/hafta olarak sınırlamıştır. İnsanlarda yaklaşık 300 rem civarında veya üstünde bir doz "öldürücü etki" gösterir

260 Özet Radyasyona, radyoaktif çekirdeklerin bozunması sonucu ortaya çıkar. Bir çekirdeğin kararlı olması çekirdekteki nötron/proton oranına bağlıdır Ca ka kadar olan küçük kütleli atomlarda nötron/proton oranı yaklaşık birdir. Radyoaktif ana çekirdek kararlı yavru çekirdek oluşturuncaya kadar bozunur. Bu bozunmalar α, β ve γ bozunmaları olarak bilinir. Alfa (α) taneciği aslında bir 2 He çekirdeğidir. 4 Beta (β) taneciği bir elektrondur. Gamma bozunması ise bir enerjidir. Her radyoaktif madde bir yarı-ömür ile tanınır. Yarı-ömür başlangıç radyoaktif maddenin ağırlığının yarıya inmesi için geçen süre olarak tarif edilir ve t 1/2 ile ifade edilir. Radyasyon canlı hücresine iyon çifti ve serbest radikal oluşturarak zararlı olur. Bu tür radyasyonlara "iyonlaştırıcı radyasyonlar" adı verilir. Radyasyon miktarı doz kavramıyle açıklanır. Doz miktarı çeşitli şekilde ölçülür. Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Ca - 40'a kadar bütün atom çekirdekleri radyoaktiftir. B) Nötron/proton sayıları 1 olan çekirdekler kararlıdır. C) En büyük atom numarasına sahip kararlı çekirdek Bi çekirdeğidir. D) Doğada bulunan kararlı çekirdeklerin çoğunda çift sayıda proton ve nötron bulunur. E) Atom numarası tek olan kararlı element sayısı 2 yi geçmez He helyum çekirdeği hangi bozunma sonucu oluşur? A) α bozunması B) β bozunması C) γ bozunması D) x - ışını E) Yavru çekirdek oluşumundan

261 3. Herhangi bir radyoaktif çekirdeğin 2 yarı-ömür sonra miktar olarak hangi oranda kalır? A) 1/2 B) 1/4 C) 1/8 D) 1/3 E) Tamamı yok olur dakika yarı-ömür'e sahip bir radyoaktif madde 1 gram geliyorsa, 10 dakika sonra kaç gram madde azalır? A) 0,1 gram B) 0,2 gram C) 0,3 gram D) 0,4 gram E) 0,5 gram 5. α - taneciği insan vücuduna ne kadar nüfus eder? A) İnsan derisini geçerek, hücrelere ulaşır B) İnsan derisini yakacak kadar C) İnsan derisini geçmeden durur D) Havadan geçemez E) Hücre içlerine kadar nüfus eder. 6. Aşağıdakilerden hangisi radyoaktivite miktarı ölçü birimidir? A) Becquerel B) Sievert C) Gray D) Rem E) Rad 7. Uluslararası Korunma Komisyonu tarafından "maksimum izin verilen doz miktarı" haftalık kaç rem olarak kabul edilmiştir? A) 0,1 rem B) 0, 2 rem C) 0,3 rem D) 0,4 rem E) 0,5 rem

262 8. Aşağıdaki ifadelerin hangisi doğrudur? A) İyonlaştırıcı radyasyonun direkt ve indirekt etkileri, canlılarda zarara neden olur. B) Bir SI birimi olan Curie,radyoaktivitenin miktarını belirtir. C) Bir SI birimi olan rad, soğurulan radyoaktivitenin dozunu belirtir. D) Bir SI birimi olan rem, soğurulan dozun zararını belirtir. E) Aktivitenin SI öncesi birimi, "becquerel" olarak bilinir. 9. Aşağıdaki ifadelerin hangisi doğrudur? A) B) C) D) E) Pb 83 Bi e He Pb 83 Bi + γ Pb 83 Bi + n Pb 83 Bi e + γ Pb 83 Bi He + γ 10. Aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur? A) B) C) D) E) Ra Po e He Ra Rn He + γ Ra Po He e Ra Rn e n Ra Rn + γ

263 ÜNİTE 14 rganik Kimya - I Hidrokarbonlar Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra; Anorganik ve organik kimya arasındaki farkı, rganik kimya'da fonksiyonel grup kavramını, Hidrokarbonların temel özelliklerini, Hidrokarbonların temel reaksiyonlarını öğreneceksiniz. İçindekiler rganik Kimya Nedir? rganik Bileşiklerde Bağlanma Hibritleşme rganik Bileşiklerin Yapıları Alkanlar Alkenler Alkinler Aromatik Hidrokarbonlar Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi kavrayabilmek için karbon, oksijen, azot ve hidrojen elementlerinin temel kimyasal özelliklerinin bilinmesi gerekir. Periyodik cetveli her zaman yanınızda bulundurunuz.

264 1. RGANİK KİMYA NEDİR? rganik kimya temel olarak karbon ve hidrojen elementi içeren bileşikleri inceleyen bir bilim dalıdır. Saç, cilt ve kasları meydana getiren RNA ve DNA; yediğimiz içtiğimiz gıdalar; giydiğimiz elbiseler; ve aldığımız tüm ilaçlar organik maddelerdir. rganik kimya'nın temeli 18. yüzyıl ortalarında simyacılar tarafından atılmıştır. tarihlerde simyacılar canlı kaynaklardan elde edilen maddeler ile minerallerden elde edilen maddeler arasında o zaman için açıklanması mümkün olmayan farklar gördüler. Bitkilerden ve hayvanlardan elde edilen bileşiklerin izole edilmesi ve saflaştırılması çoğu kez zordu. Bu maddeler saf olsalar dahi, bunlar ile çalışmak kolay iş değildi ve mineral kaynaklardan elde edilen bileşiklere nazaran bozulmaya daha fazla yatkınlardı. İsveç'li kimyacı Torbern Bergman 1770 yılında ilk defa olarak "organik" ve "inorganik" maddeler arasındaki farkı ifade etti. Bu tarihten sonra "organik kimya" sözcüğü çok kısa süre içinde canlı organizmalardaki bileşiklerin kimyası manasına ulaştı. yıllarda, kimyacıların çoğu organik bileşiklerde canlı kaynaktan gelen "yaşamsal kuvvet" (vital force)'in organik ve inorganik bileşikler arasındaki farkı yarattığını düşünüyorlardı. Bundan dolayı, kimyacılar organik bileşiklerin inorganik bileşikler gibi laboratuvarlarda elde edilemeyeceğini ve bu bileşikler ile deney yapılamayacağına inanıyorlardı. Dolayısıyla, organik kimyanın gelişmesi çok gecikmiş oldu. Michel Chevreul ( ) 1816 yılında hayvansal yağ ile alkalileri reaksiyona soktu. Elde edilen madde bildiğimiz sabun idi ve sabun bir kaç saf organik bileşiğe ayrılabildi. Bu maddelere "yağ asitleri" adı verildi. Böylece, ilk kez bir organik madde (yağ) dışarıdan bir itici güç (yaşamsal kuvvet) olmadan diğer organik bileşiklere (yağ asitleri) dönüştürülmüş oldu. Şayet yağ asitlerindeki uzun karbon-zincirini R ile gösterirsek, bu durumu aşağıdaki şekilde gösterebiliriz. R = Uzun karbon zinciri R C CH 2 R C R C Yağ CH CH NaH Alkali H 2 3 R C Sabun Na + H 2 C H HC H H 2 C H Gliserin

265 Friedrich Wöhler ( ) 1828 yılında inorganik bir tuz olan amonyum siyanatı daha önceleri bilinen organik bir madde olan üreye dönüştürerek "yaşamsal kuvvet" kuramını iyice çürüttü. NH 4 CN Amonyum siyanat Isı H 2 N C NH 2 Üre Kimyacıların çoğu 19. yüzyıl ortalarında "yaşamsal kuvvet" kuramını terk etmişlerdi. William Brande 1848 yılında organik ve inorganik kimya arasında keskin bir hat çizilemeyeceğini belirtmiştir. Kimya bugün birleşmiş durumdadır. En basit inorganik bileşikleri açıklayan temel bilimsel ilkeler en karmaşık organik bileşikleri de açıklayabilmektedir. Bununla birlikte, tarihsel nedenlerden dolayı organik ve inorganik kimya arasındaki bölünme kendini hala hissettirmektedir. 2. RGANİK BİLEŞİKLERDE BAĞLANMA rganik kimya, bugün karbon bileşiklerinin incelendiği bir daldır. Atom numarası 6 olan karbon atomu ikinci periyotta bulunan bir elementtir. Karbonun organik bileşikler içindeki en temel element olmasına karşın, organik bileşikler hidrojen, azot, oksijen, kükürt, fosfor ve halojenler başta olmak üzere çeşitli diğer elementleri de içine almaktadır. Karbon niçin özeldir? Periyodik cetvelde karbonu diğer tüm elementlerden ayrı kılan şey nedir? Bu soruların cevapları oldukça karmaşık ve zordur. Karbon atomları 4 değerlidir. Yani, diğer atomlar ile dört bağ yapma kapasitesine sahiptir. Karbon atomları kuvvetli karbon-karbon ve karbon-hidrojen bağları oluştururlar. Karbon atomu tüm elementler içinde aynı atomların kararlı uzun-zincirli bileşikler yapabilen tek elementtir. Sadece karbon ve hidrojen içeren ve "hidrokarbonlar" denilen onbinlerce farklı bileşik vardır

266 CH 4 CH 3 CH 3 ( CH - CH - CH ) x Metan Etan Polietilen (PET) Molekül ağırlığı: 16 Molekül ağırlığı: 28 Molekül ağırlığı (yaklaşık): Çap: Uzunluktan (en fazla) : cm 3. HİBRİTLEŞME s rbitali ve p orbitallerinin matematiksel olarak bir araya gelmesiyle oluşan yeni atomik orbitallere "hibrit" orbitalleri denir. Eğer hibritleşmeye s'nin yanında üç adet p orbitali de katılmış ise oluşan yeni orbital "sp 3 " orbitali adını, 2 adet p orbitali katılmışsa, "sp 2 " orbitali adını ve son olarak s'in yanında sadece 1 adet p orbitali hibritleşmeye katılmış ise bu durumda oluşan yeni orbital "sp" orbitali adını alır. + _ p orbitali p orbitali sp 3 orbitali 4. RGANİK BİLEŞİKLERİN YAPILARI Bugün için bilinen organik bileşik sayısı sekiz milyon kadardır. Bu bileşiklerin herbirinin kendine özgü erime noktası, kaynama noktası gibi fiziksel özellikleri ve dolayısıyla kendine özgü kimyasal reaktiviteleri vardır. Yıllar içinde kimyacılar organik bileşikleri yapısal özelliklerine göre sınıflandırmışlardır. Milyonlarca organik bileşiğin tek tek reaktivitesi ile uğraşmaktansa birkaç düzine genel organik bileşik ailesinin reaktivitelerini öğrenmek işleri çok kolaylaştırmıştır. Bileşikleri reaktivitelerine göre sınıflandırmaya imkân veren yapısal özelliklere "fonksiyonel grup" denir. Fonksiyonel grup büyük bir molekülün bir parçasıdır; kendine özgü kimyasal davranışlara sahip bir atom veya atomlardan meydana gelen bir gruptan meydana gelmiştir. Kimyasal olarak, belli bir fonksiyonel grup her molekülde yaklaşık olarak aynı şekilde hareket eder. Örneğin, en basit fonksiyonel gruplardan biri karbon-karbon çift bağıdır. Karbonkarbon çift bağı iki kısımdan meydana gelmiştir: her bir karbon atomundaki sp 2 orbitalle

267 rinin kafa-kafaya örtüşmesi ile oluşan bir sigma (σ) bağı ve her bir karbon atomundaki p orbitallerinin yan yana örtüşmesi ile oluşan pi (π) bağıdır. Pi bağı (üst) Sigma bağı C C Pi bağı (alt) Karbon-karbon çift bağının oluştuğu tüm moleküllerde karbon-karbon çift bağının elektronik yapısı yaklaşık olarak aynı kaldığından dolayı, bağın kimyasal reaktivitesi de aynı olur. Karbon-karbon çift bağına sahip eten'in (etilen) reaksiyonları ile çok daha karmaşık yapıya sahip bir molekül olan kolesterol'ün reaksiyonları hemen hemen aynıdır. H H C C H H Eten (Etilen) + Br 2 H 2 C CH 2 Br Br 1,2-Dibromoetan H 3 C H 3 C H H Br 2 H 3 C H 3 C H H H H H H Kolesterol H H H H Br Br Kolesterol dibromür 5. ALKANLAR Sadece karbon-karbon ve/veya karbon-hidrojen tekli bağ içeren bileşiklere "alkanlar" denir. Alkanların genel formülünü C n H 2n + 2 şeklinde gösterebiliriz. Burada "n" alkan bileşiğinde karbon sayısıdır. Alkanlar kimyasal açıdan reaktif maddeler değildirler. Bundan dolayı, bunlara "parafinler" de (lâtince, çok az ilgili manasında) denmektedir

268 5.1. Alkanların İsimlendirilmesi Milyonlarca organik bileşiğin her birine tek tek özel isim vermenin çok mantıklı bir iş olamayacağını gören bilim adamlarından oluşan bir komisyon (IUPAC) 1892 yılında Cenevre'de toplanarak bileşiklerin sistematik şekilde isimlendirilmelerine ilişkin bir dizi tavsiye kararları almıştır. Sistematik isimlendirmede mononükleer hidrürler temel olarak alınır ve diğer bileşiklerin isimlendirilmesi esas hidrür'ün başına ve/veya sonuna ekler getirmek suretiyle gerçekleştirilir. Örneğin, CH 4 Metan NH 3 Azan (Amonyak) SiH 4 Silan CH 3 H Metanol H C H H 2 N NH Metanal Diazan (Hidrazin) SiH 3 - SiH 2 - SiH 3 Trisilan CH 3 NH 2 Metanamin PH 3 Fosfan PH 2 - PH - PH - PH - PH 2 Pentafosfan Alkanların sistematik isimlendirilmesinde, en uzun karbon zinciri esas alınır ve bu zincirdeki karbon sayısına karşılık gelen sözcüğün sonuna "an" eki getirilir. Örneğin, CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 C H H 3 C C H 2-Metilpentan CH 3 CH 3 2-Metilpropan Alkanlarda bir hidrojenin çıkmasıyla geride kalan kısma "kök" veya "alkil" grubu denir. Örneğin, H H C H H Metan H H H C C H H Etan H H H H H C C C H H H Propan H

269 H H H H H H H H H H C H C C H C C C H C C C H H H H H H H H Metil Etil n-propil İzopropil H Bir alkanda bir uç hidrojen atomu bir metil grubu ile sürekli yer değiştirmek suretiyle düz-zincir alkan serisi elde etmiş oluruz. Bunlara "normal" veya "n-alkanlar" da denir. Çizelge İlk n Düz-Zincir Alkanlar. Alkan Kapalı formül Yapısal formül Alkil Metan CH 4 CH 4 Metil Etan C 2 H 6 CH 3 CH 3 Etil Propan C 3 H 8 CH 3 CH 2 CH 3 Propil Bütan C 4 H 10 CH 3 (CH 2 ) 2 CH 3 Bütil Pentan C 5 H 12 CH 3 (CH 2 ) 3 CH 3 Pentil Hekzan C 6 H 14 CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3 Hekzil Heptan C 7 H 16 CH 3 (CH 2 ) 5 CH 3 Heptil ktan C 8 H 18 CH 3 (CH 2 ) 6 CH 3 ktil Nonan C 9 H 20 CH 3 (CH 2 ) 7 CH 3 Nonil Dekan C 10 H 22 CH 3 (CH 2 ) 8 CH 3 Dekil 5.2. Alkanların Genel Özellikleri Alkanlardaki karbon atomları sp 3 hibritleşmesi gösteren karbon atomlarıdır. Her bir karbon atomu dört bağ yapmak zorundadır. Bir alkan bileşiğinde karbonlardan birini merkez atom olarak ele alırsak, buna bağlı diğer dört atom tetrahedral (dört yüzlü) bir yapı verecek şekilde bu merkez atomuna bağlanmışlardır. Bağlı atomlar arasındaki açı dır

270 Kapalı formül İki boyutlu formül Üç boyutlu formül 109.5º H H C H H H H H C H 109.5º Metan 109.5º CH º 109.5º Etan C 2 H 6 H H C H H C H H H H C H H H C H 109.5º 5.3. Alkanların Kimyasal Özellikleri Alkanlar fonksiyonel grup içermeyen tamamen doymuş hidrokarbon bileşikleri olduklarından dolayı kimyasal reaktiviteleri diğer bileşikler ile kıyaslandığında çok düşüktür. Alkanların en temel reaksiyonlarından biri oksijen ile verdikleri yanma reaksiyonudur. Örneğin, doğal gazın temel bileşenlerinden olan metan gazının oksijen ile yanması sonucu karbondioksit ve su çıkar. CH C 2 2 H 2 + ısı + Alkanlar halojenler ile "alkil halojenürleri" verirler. Örneğin, metan klor gazı ile 120 C de veya uygun dalga boyunda bir ışık kaynağı ile tepkimeye girdiğinde, bir alkil halojenür olan klorometan elde edilir. 120 C CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl H = kcal/mol veya ışık

271 Alkanlar büyük oranda petrolün damıtılması yoluyla elde edilmelerine karşın bazı önemli elde edilme yöntemleri vardır. Alkan ve alkinlerin hidrojenlenmesi alkanları verir. H 2 C CH 2 + H Raney-Ni 2 H 3 C CH Isı 3 Eten Etan H 3 C C C H Propin + H 2 Pd/C Isı CH 3 CH 2 CH 3 Propan Karboksilik asitlerin sodyum tuzlarının sodyum hidroksit ile reaksiyonu alkanları verir. H 3 C C Na Sodyum asetat + Na H 250 C CH 4 + Na 2 C 3 Metan 6. ALKENLER En azından bir adet karbon-karbon çift bağı içeren hidrokarbonlara "alkenler" denir. Bu bileşiklerin diğer bir ismi ise olefinlerdir. Alkenlerde çift bağ bir adet kuvvetli sigma (σ) bağı ile sigma bağına kıyasla biraz daha zayıf pi (π ) bağından oluşmuştur. Pi bağının kolayca kırılmasından dolayı, alkanlara kıyasla alkenler daha reaktiftirler

272 6.1. Alkenlerin İsimlendirilmeleri Alkenlerin isimlendirilmesi alkanların isimlendirilmesine benzer. Tek fark alkanlardaki son ek "an" alkenlerde "en" ekine dönüşmesidir. Örneğin, Etan Eten, Prapan Propen, Butan Buten,... v.s. Alkenlerin isimlendirilmesinde dikkat edilecek konulardan birisi de, en uzun karbon zincirinin tespit edilmesinde karbon-karbon çift bağının en küçük numarayı alabileceği yönde numaralandırmaktır. 1 H C CH 3 CH 2 CH 2 CH CHCH 3 CHCH CHCH 2 CH 3 2-Hekzen H 3 C 2-Metil-3-hekzen 6.2. Alkenlerin Genel Özellikleri Alkenlerin genel çift bağ özelliklerini eten (etilen) üzerinde ele alalım. alkenlerde karbon atomu üç adet sp 2 hibritleşmiş ve bir tane de hibritleşmemiş p orbitaline sahiptir. İki karbon atomu bağ yapmak üzere birbirlerine yaklaştıkları takdirde, iki çeşit bağ oluşur; sp 2 orbitallerinin kafa kafaya örtüşmesinden bir adet "sigma (σ) ve p orbitallerinin yan yana örtüşmelerinden oluşan bir adet "pi (π)" bağı oluşur. Çifte bağlı karbon atomları ve bunlara bağlı dört atom hepsi bir düzlem içinde bulunurlar. Bağ açıları da 120 dir. 120º H C H H C H 120º σ-bağı π- bağı 6.3. Alkenlerin Kimyasal Özellikleri Alkenler pi bağının nispeten elektronca zenginliğinden dolayı elektron bakımından fakir merkezler (elektrofiller) ile "katılma reaksiyonları" verirler. Örneğin, HBr'nin eten molekülüne katılması ile bromometan elde edilir

273 H C H H C H Eten (Etilen) + HBr H 2 C CH 3 + Br CH 3 CH 2 Br Karbonyum iyonu (Ara ürün) Bromoetan Alkenlerin katılma reaksiyonlarında, elektrofillerin karbon-karbon çift bağında hangi karbon atomuna bağlanacağı büyük önem taşır. Eğer karbon-karbon çift bağına bağlı hidrojenlerin sayısı her iki karbonda da eşit ise, bu durumda elektrofilin bu karbonlara bağlanma olasılığı yaklaşık aynıdır. Dolayısıyla, iki farklı ürün elde etme durumu ortaya çıkar. Örneğin, 2-Penten'in HBr ile reaksiyonunda iki ürün elde ederiz. CH3CH 2 CH CHCH 3 + HBr Eter CH 3 CH 2 CH 2 CHCH Penten Br 2-Bromopentan CH 3 CH 2 CHCH 2 CH 3 Br 3-Bromopentan Karbon-karbon çift bağına bağlı hidrojenlerin sayısı her iki karbon atomunda eşit değil ise, elektrofil hidrojen sayısı fazla karbon atomuna bağlanır. Bu kural, "Markovnikov kuralı" olarak bilinir. Örneğin, 2-metilpropan ile HCl arasındaki reaksiyondan iki ürün bekleyebiliriz. Fakat, bunlardan sadece biri oluşur. H 3 C C CH 2 H 3 C 2-Metilpropan CH 3 Eter + HCl H 3 C C Cl + CH 3 2-Kloro-2-metilpropan (luşur) H 3 C CH CH 2 Cl H 3 C 1-Kloro-2-metilpropan (luşmaz)

274 Alkenler halojenler ile 1,2-dihalojenür bileşikleri verirler. H H H 3 C C CH 2 + Br 2 CCl 4 H 3 C C CH 2 Propen Br Br 1,2-Dibromopropan Alkenler halojenler ile sulu ortamda reaksiyona girerse, bu durumda halohidrinler elde edilir. H H H H H 3 C C C CH 3 + Br 2 H 2 CH 3 C C CH 3 2-Büten Br H 3-Bromo-2-bütanol Bromlama maddesi olarak kullanımı daha kolay olan N-bromo süksinimit'i (NBS) kullanabiliriz. H H Br C CH2 + N Br H 2 DMS C CH2 H Stiren NBS 2-Bromo-1-feniletanol İyod azit alkenler ile katılma reaksiyonu verir. CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH CH 2 + I N 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH CH 2 I 1-Hekzen İyot azit N

275 Alkenlerin civa asetat ile sulu tetrahidrofuran (THF) içinde reaksiyonu alkolleri verir. Alkenlerin katalitik hidrojenlenmesi alkanları verir. Alkenlerin potasyum permanganat (KMn 4 ) veya osmiyum tetraoksit ile yükseltgenmesi 1,2-diol'leri verir

276 Alkenlerde karbon-karbon çift bağının ozon ( 3 ) ile parçalanması sonucu karbon atomlarına bağlı gruplara göre aldehit ve/veya ketonlar elde edilir. Alkenlerin en önemli elde edilme yollarından birisi "ayrılma reaksiyonları" veya eliminasyon reaksiyonları" olarak bilinen temel reaksiyonlar aracılığı ile gerçekleşir. 7. ALKİNLER Karbon-karbon üçlü bağ içeren hidrokarbonlara "alkinler" veya "asetilenler" denir. En basit alkin olan asetilen (H-C C-H) sanayide asetaldehit, asetik asit, vinil klorür gibi maddelerin başlangıç maddesi olarak kullanılmaktadır Alkinlerin İsimlendirilmesi Alkinlerin isimlendirilmeleri aynen alkinlerin isimlendirilmeleri gibidir. Tek fark alkenlerdeki son ek "en" alkinlerde "in ekine" dönüşür

277 7.2. Alkinlerin Genel Özellikleri Alkinlerin genel üçlü bağ özelliklerini etin (asetilen) üzerinde ele alalım. Alkinlerde karbon atomu 2 adet sp hibritleşmiş ve iki tane de hibritleşmeye girmemiş p orbitallerine sahiptir. İki karbon atomu bağ yapmak üzere birbirlerine yaklaştıkları takdirde, sp orbitallerinin kafa kafaya örtüşmelerinden bir adet kuvvetli sigma bağı ve p orbitallerinin yan yana örtüşmelerinden dolayı iki adet pi bağı oluşur. Üçlü bağlı karbon atomları ve bu karbon atomlarına bağlı iki atom bir doğru üzerinde bulunurlar. Yani bağ açıları 180 dir Alkinlerin Kimyasal Özellikleri Alkinlerin reaksiyonları alkenlerinkine çok benzer. Elektrofillerin alkenlere katılmasındaki kurallar aynen alkinlerde de geçerlidir. Örneğin, 1-hekzin 1:1 oranında HBr ile reaksiyonu 2-bromo-1-hekzen'i verirken aynı maddenin 1:2 oranında HBr ile reaksiyonu 2,2 dibromohekzan'ı verir

278 Alkinlerde dört pi elektron bulunduğundan dolayı, bunların elektrofilik katılma reaksiyonlarının alkenlerdekine kıyasla daha kolay olabileceği beklenebilir. Fakat durum bunun tersi şeklindedir. Bunun nedeni, alkinlerin elektrofilik katılma reaksiyonlarında oluşan ara ürünün alkenlerde oluşan ara ürüne kıyasla daha az kararlı olmasıdır. Bundan dolayı, alkenler sulu sülfürik asit ile kolayca katılma reaksiyonu vermelerine karşın, alkinler sulu sülfürik asit ile reaksiyon vermezler. Katılma ancak, civa sülfat katalizörlüğünde gerçekleşir. Bir metil keton elde etmek istiyorsak, bir terminal (uç) alkin'i eğer karışık keton elde etmek istiyorsak bir internal (iç) alkin'in civa sülfat katalizörlüğünde sulu sülfirik asit ile reaksiyona sokmak gerekir

279 Alkinler bir katalizör eşliğinde hidrojen katılması ile kolayca alkenlere indirgenirler. Terminal alkinlerin zayıf asidik özelliğinden dolayı, bu maddeler sodyum amit (NaNH 2 ) gibi kuvvetli bazlar ile asetilit anyonu oluşturur. Alken kimyası ile alkin kimyası arasındaki en önemli fark bu çeşit reaksiyondur. 8. ARMATİK HİDRKARBNLAR rganik kimyada "aromatik" kelimesi benzen ve benzene yapısal olarak benzeyen bileşikler için kullanılmaktadır. Aromatik bileşikler doymamış alifatik maddelere kıyasla oldukça farklı kimyasal özellikler gösterirler. Alkenlere ve alkinlerin kolayca elektrofilik katılma reaksiyonu vermelerine karşın benzen ve diğer aromatik bileşikler genellikle "elektrofilik yer değiştirme" reaksiyonu verirler

280 8.1. Aromatik Hidrokarbonların İsimlendirilmeleri Aromatik hidrokarbonlar sistematik (IUPAC) şekilde isimlendirilmesine rağmen, birçok bileşik geleneksel isimleri ile bilinmektedir. Sistematik isimlendirmede, benzen esas yapı olarak ele alınır. Buna bağlı gruplar "benzen" kelimesinin önüne önek olarak yazılırlar. Çizelge 14.3 Bazı Aromatik Bileşiklerin İsimlendirilmesi

281 8.2. Aromatik Hidrokarbonların Genel Özellikleri Aromatik hidrokarbonlar fiziksel açıdan diğer hidrokarbonlara benzerler. Polariteleri genellikle düşük olduklarından, suda çözünmemelerine karşın polariteleri düşük organik çözücülerde çözünürler. Aromatik hidrokarbonların büyük çapta elde edildiği iki kaynak petrol ve kömürdür. Benzen, toluen, ksilenler, inden, naftalin, antrasen ve fenantren kömürden elde edilen aromatik hidrokarbonlardan bir kaçıdır. Petrol büyük oranda alkanlardan oluşmuştur. Dolayısıyla, petrol çok az aromatik bileşiği içinde barındırmaktadır Aromatik Hidrokarbonların Kimyasal Özellikleri Aromatik hidrokarbonların en önemli reaksiyonları "elektrofilik yer değiştirme reaksiyonları" dır. Aromatik hidrokarbonların bromlanması bir Lewis asiti olan FeBr 3 ile brom eşliğinde gerçekleşir. Bromlama reaksiyonu tipik bir elektrofilik yer değiştirme reaksiyonudur. Reaksiyonda Br 2 / Fe Br 3 yerine Cl 2 / Fe Cl 3 kullanımı durumunda klorobenzen elde edilir

282 Aromatik hidrokarbonlar sülfirik asit ile sülfonik asitleri nitrik asit ile nitro bileşiklerini verirler. Bu reaksiyonlar da tipik birer elektrofilik yer değiştirme reaksiyonlarıdır. Özet rganik kimya temel olarak karbon ve hidrojen elementi içeren bileşikleri inceleyen bir bilim dalıdır. s ve p orbitallerin matematiksel olarak bir araya gelmesiyle oluşan yeni atomik orbitallere hibrit orbitalleri denir. Bilinen organik bileşik sayısı sekiz milyondur. Bileşikleri reaktivitelerine göre sınıflandırmaya imkân veren yapısal özelliklere fonksiyonel grup denir. Sadece karbon-karbon ve karbon-hidrojen tekli bağ içeren bileşiklere alkanlar denir. Genel formülleri C n H 2n+2 dir. Alkanlardaki karbon atomları sp 3 hibritleşmesi gösteren karbon atomlarıdır

283 En azından bir adet karbon-karbon çift bağı içeren hidrokarbonlara alkenler denir. Genel formülleri C n H 2n dir. Alkenlerdeki karbon atomları sp 2 hibritleşmesi gösteren karbon atomlarıdır. Alkenlerin en önemli reaksiyonları "elektrofilik katılma reaksiyonları"dır. Karbon-karbon üçlü bağ içeren hidrokarbonlara alkinler veya asetilenler denir. Alkinlerdeki karbon atomları sp hibritleşmesi gösteren karbon atomlarıdır. Alkinler alkenler gibi elektrofilik katılma reaksiyonu verirler. Aromatik hidrokarbonlar genellikle alken ve alkinlerin aksine elektrofilik yer değiştirme reaksiyonu verirler. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) rganik kimya temel olarak karbon ve hidrojen elementi içeren bileşikleri inceleyen bir bilim dalıdır. B) rganik bileşikleri laboratuvar şartlarında elde etmek mümkün değildir. C) Karbon atomu dört değerlidir. Dolayısıyla, dört bağ yapma kapasitesine sahiptir. D) rganik maddelerin temel kaynağı bitkiler, hayvanlar, kömür ve petroldür. E) Anorganik bileşiklerden organik bileşikleri elde etmek mümkündür. 2. Aşağıdaki bileşiklerden hangisi alkendir?

284 3. Aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? 4. Aşağıdaki hangi bileşikte sp hibritleşmiş karbon atomu vardır? 5. Aşağıdaki reaksiyon sonucunda hangi ürün oluşur? 6. Aşağıdaki yanma işleminin gerçekleşebilmesi için kaç mol 2 'ye gerek vardır? CH 3 CH 2 CH 2 CH C 2 + H 2 A) 15 / 2 C) 6 E) 13 / 2 B) 17 / 2 D)

285 7. Aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? A) Alkenler elektrofilik katılma reaksiyonu verirler, B) Alkinler elektrofilik katılma reaksiyonu verirler, C) Alkanlar elektrofilik katılma reaksiyonu verirler, D) Alkanlar oksijen ile yanma reaksiyonu verirler, E) Alkinler kuvvetli bazlar ile reaksiyon verirler. 8. Aşağıdaki reaksiyonun gerçekleşebilmesi için boş bırakılan yere en uygun maddeyi yazınız. A) CH 3 H B) CH 2 H C) HBr D) HBr E) H 2 9. Aşağıdakilerden hangisini elektrofilik yer değiştirme reaksiyonu vermez?

286 10. Aşağıdaki reaksiyon sonundan hangi ürün oluşur?

287 ÜNİTE 15 rganik Kimya - II Heteroatomlu Bileşikler Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra; Heteroatom kavramını, Heteroatom içeren bileşiklerin önemini, Heteroatom içeren bileşiklerin reaksiyonlarını, Heteroatom içeren bileşiklerin isimlerini öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Alkoller Eterler Aminler Alkil halojenürler Aldehitler Ketonlar Karboksilik asitler Karboksilik esterler Karboksilik amitler Karboksilik halojenürler Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi kavrayabilmek için karbon, oksijen, azot ve hidrojen elementlerinin temel kimyasal özelliklerinin bilinmesi gerekir. Kimyasal bağlanma nedir? Bu kavramın iyice anlaşılması gerekir. Tüm fonksiyonel gruplara ilişkin formüllerin bilinmesi gerekir.

288 1. GİRİŞ Ünite 14'de hidrokarbonları görmüştük. Daha önce belirttiğimiz gibi, karbon ve hidrojen atomunun dışındaki atomlara "heteroatom" demekteyiz. rganik kimyada göreceğimiz en önemli heteroatomlar oksijen (), azot (N), kükürt (S), fosfor (P) ve halojenler (F,Cl, Br, I) dir. 2. ALKLLER Doymuş sp 3 -hibritleşmiş karbon atomlarına hidroksil (H) grubu bağlı bileşiklere "alkoller" denir. Bu tanımlama fenollerin (aromatik bir hidrokarbona hidroksil grubunun bağlı olduğu bileşikler) ve enollerin (vinil alkoller) alkol sınıfına dahil edilmemeleri gerektiğini göstermektedir.. H H H H H H H H H Metanol Fenol Vinil alkol (Bir enol) Yapısal olarak yukarıdaki üç maddede de hidroksil grubu olmasına rağmen, bu maddelerin kimyasal özellikleri birbirinden oldukça farklıdır. Alkoller su molekülündeki hidrojen atomlarının bir organik grup ile yer değiştirmiş türevi kabul edilebilir. Genel formülleri R-H şeklindedir. H H Su molekülü R H Alkol R : Bir organik grup Etanol, mentol ve kolesterol doğada oluşan alkollerdir

289 H 3 C H H 3 C H H 3 C H CH 3 CH 2 H Etanol H 3 C H C H CH 3 H H H H H H Kolesterol Mentol 2.1. Alkollerin İsimlendirilmesi Alkoller sistematik (IUPAC) isimlendirmeye göre üzerinde (H) hidroksil grubu bulunduran en uzun karbon zinciri seçilerek hidroksil grubuna en küçük numarayı verecek tarzda numaralanır ve alkanların soneki "an" ın "ol" eki ile değiştirilmesiyle isimlendirilirler. CH 3 CH 2 CH 2 H Propanol H H 3 C C CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 2-Metil-2-pentanol IUPAC tarafından da kabul edilen alternatif bir diğer isimlendirme ise, "H" grubunun bağlı olduğu alkil grubuna göre isimlendirmedir. Bu durumda alkil grubundan sonra sonek olarak "alkol" eki getirilir. Benzil alkol CH 2 H CH 3 CH 2 H Etil alkol H CH 3 H 3 C C H H 3 C C H CH 3 CH 3 İzopropil alkol t-bütil alkol t : Tersiyer Alkoller hidroksil grubunun bağlı olduğu karbon atomuna bağlı karbon atomlarının (alkil gruplarının,r) sayısına bağlı olarak birincil (1 ) ikincil (2 ) ve üçüncül (3 ) olmak üzere üç sınıfta sınıflandırılırlar

290 R H C H R H C H R R C H H R R 1º-Alkol 2º-Alkol 3º-Alkol Buna göre hidroksil grubunun bağlı olduğu merkez karbona sadece bir tek alkil grubu bağlı ise, yapı "birincil alkol" olarak adlandırılır. Örneğin, etil alkol birincil bir alkoldür. Benzer şekilde merkez karbona iki adet alkil grubunun bağlı olması durumundaki alkoller "ikincil alkoller" ve üç adet alkil grubunun bağlı olması durumundaki alkoller ise "üçüncül alkoller" olarak adlandırılırlar. İzopropil alkol ikincil alkollere, t-bütil alkol ise üçüncül alkollere örnek olarak verilebilirler Alkollerin Genel Özellikleri Alkoller hidroksil grubunun polar yapısından dolayı alkan ve alkenlere kıyasla çok daha polar bileşiklerdir. Metanol, etanol, propanol ve bütanol gibi küçük alkollerin suda çok çözünmelerine rağmen, genelde karbon sayısı arttıkça alkollerin su içindeki çözünürlükleri azalır. Alkollerin suda çözünmeleri, alkol molekülleri ile su molekülleri arasındaki hidrojen bağlanmasının bir sonucudur. Öte yandan alkol molekülleri arasında da hidrojen bağı söz konusudur. Alkollerin kaynama noktaları beklenenden daha yüksektir. Bu durum hidrojen bağlanmasından kaynaklanmaktadır Alkollerin Kimyasal Özellikleri Alkollerin reaksiyonları karbon-oksijen ve oksijen-hidrojen bağından kaynaklanan reaksiyonlar olmak üzere iki grupta toplanır. C H -H Reaksiyonları C- Reaksiyonları Ünite 14 de değinildiği gibi alkollerin uygun şartlarda bir mol su kaybetmeleri ile "alkenler" elde edilir

291 Bu reaksiyonlar genel olarak "ayrılma" veya "eliminasyon" reaksiyonları olarak bilinirler. Ancak alkollerden bu reaksiyonlar aracılığı ile bir molekül su ayrılması durumunda "dehidratasyon reaksiyonları" olarak adlandırılırlar. Birincil ve ikincil alkoller tionil klorür (SCl 2 ), fosfor pentaklorür ve benzeri halojenlendirme maddeleri ile alkil halojenürlere (R - X) dönüşürler. CH 3 CH 2 CH 2 H + SCl 2 CH 3 CH 2 CH 2 Cl + S 2 + HCl Propanol Tionil klorür Klorapropan Alkollerin en önemli reaksiyonlarından birisi karbonil bileşiklerine yükseltgenme reaksiyonudur. C H Na 2 Cr 2 7 H 2, CH 3 CH, ısı Siklohekzanol Siklohekzanon CH 2 H Siklopentilmetanol Cr 3, H 2 S 4 H 2, aseton C H Siklopentankarboksilik asit

292 3. ETERLER Bir oksijen atomuna iki organik grubu bağlı bileşiklere "eterler" denir. rganik gruplar alkil, aril, veya vinilik olabilir. Bu durumda genel formülleri şöyle olur R - - R '. CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CH3 Dietil eter Metil fenil eter (Anisol) Tetrahidrofuran (THF, halkalı eter) 3.1. Eterlerin İsimlendirilmesi Eterlerin isimlendirilmesi biraz karışık olmakla birlikte, (IUPAC) iki çeşit isimlendirmeye izin vermektedir. Eğer oksijene bağlı gruplar basit ise, bu durumda bu grupların ismini belirterek sonek olarak "eter" kelimesini ilave ederiz. H 3 C CH 3 Dimetil eter Siklopropil fenil eter H CH 3 CH 2 CH 2 C CH 2 n-propil vinil eter Eğer birden fazla eter grubu veya daha önemli başka bir fonksiyonel grup varsa, bu durumda eterler ana bileşiğe bağlı gruplar gibi okunur. CH 2 CH CH3 CH 2 CH 3 1,2-Dietoksibenzen 1 4-Metoksi-1-siklohekzen

293 3.2. Eterlerin Genel Özellikleri Eterlerin polariteleri çok düşüktür. Bundan dolayı suda çok az çözünürler. Ancak eterler, düşük polariteli organik bileşiklerin çözünmelerinde çok uygun çözücüdürler Eterlerin Kimyasal Özellikleri Eterlerin en önemli kimyasal özelliklerinden birisi kimyasal reaktivitelerinin çok düşük olmasıdır. Eterler oksijen ile çok yavaş reaksiyona girerek peroksitleri oluştururlar. CH 3 CH 2 CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 Dietil eter Dietil peroksit Eterlerin önemli reaksiyonlarında birisi de yanma reaksiyonudur. H 3 C CH C H 2 + ısı Dimetil eter Eterler sulu HBr veya HI ile reaksiyona sokuldukları takdirde eter bağı parçalanır. H H 3 C C CH + H HI 2 CH 3 CH 2 I + 100ºC CH 2 CH İyodoetan 3 2-Etoksipropanoik asit H 3 C H C CH H Laktik asit Etil fenil eter CH2 CH 3 + HBr H 2 Kaynatma Fenol H + CH 3 CH 2 Br Bromoetan

294 4. AMİNLER Amonyak (NH 3 ) molekülündeki hidrojen atomlarından birinin veya daha fazlasının bir alkil, aril veya vinilik grup ile yerdeğiştirmesi ile elde edilen bileşiklere "aminler" denir. Eğer hidrokarbon grubu aromatik yapıda ise bu tür aminlere "aromatik aminler", şayet alkil veya vinilik yapıda ise bu tür aminlere "alifatik aminler" denir. Aminlerin genel formülü R - NH 2 dir. NH 2 CH 3 NH 2 Metilamin (Alifatik amin) Fenilamin (Anilin) (Aromatik amin)) 4.1. Aminlerin İsimlendirilmesi Aminler azota bağlı alkil sayısına bağlı olarak birincil (1 ) amin, ikincil (2 ) amin ve üçüncül (3 ) amin diye sınıflandırılırlar. H H N H H R N H R R N H R N R R Amonyak 1º-Amin 2º-Amin 3º-Amin Örneğin; H N CH 2 CH 3 H Etilamin N CH 2 CH 3 H N-Feniletilamin CH 2 CH 3 N CH 3 N-metil-N-feniletilamin Aminlerin IUPAC sistematik isimlendirilmesi yukarıdaki örneklerden de anlaşılacağı üzere, alkil grubunun sonuna "amin" soneki'nin getirilmesiyle olur

295 4.2. Aminlerin Genel Özellikleri Aminler oldukça polar maddeler olduklarından dolayı bunların kaynama noktaları eşdeğer molekül ağırlığına sahip alkanlara kıyasla çok daha fazladır Aminlerin Kimyasal Özellikleri Aminlerin en göze çarpan özellikleri bunların oldukça bazik özelliklere sahip olmasıdır. Aminler proton kabul eden bileşikler olduğu için, bunlar Brφnsted-Lowry bazıdırlar. Örneğin, Trimetilamin sudan proton kapak trimetilamonyum hidroksiti oluşturur. CH 3 H 3 C N CH 3 Trimetilamin (Lewis bazı) CH 3 + H H H 3 C N H H CH 3 Trimetilamonyum hidroksit Bilindiği gibi bir çift elektron kabul edebilecek alıcıya bir çift elektron verebilen maddelere "Lewis bazı" denmektedir. Bu tanıma uygun olan aminlerdeki azot atomunun eşleşmemiş bir çift elektronu bir Lewis asiti ile paylaşılabilir. CH 3 H 3 C N CH 3 Trimetilamin (Lewis bazı) CH 3 + H Cl H 3 C N H Cl CH 3 Trimetilamonyum klorür H 3 C CH 3 N CH 3 Trimetilamin (Lewis bazı) CH 3 + H 3 C I H 3 C N CH 3 I İyodometan CH 3 Tetrametilamonyum iyodür

296 Aminlerin en önemli reaksiyonları alkil ve asil halojenürler ile yaptıkları alkilleme ve asilleme reaksiyonlarıdır. H N CH 2 CH 3 H Etilamin + CH 3 I İyodometan H CH 2 CH 3 N CH 3 N-Metiletilamin H N CH 2 CH 3 H Etilamin + H H 3 C C Cl Piridin H 3 C C N Asetil klorür CH 2 CH 3 N-Etiletanamit Aminler uygun şartlarda alkenlere dönüştürülebilirler. CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 NH 2 + CH 3 I CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 N CH 3 I n-hekzilamin (fazlası) CH 3 İyodometan n-hekzil trimetilamonyum iyodür Ag 2 H 2 AgI + CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 N CH 3 H CH 3 n-hekzil trimetilamonyum hidroksit ısı CH CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH CH H 3 C N 1-Hekzen CH 3 Trimetilamin

297 5. ALKİL HALJENÜRLERİ Hidrokarbonlardaki hidrojenlerden birinin halojenür atomu ile yer değiştirmesi sonucu elde edilen yapılara "alkil halojenürler" denir. Genel formülleri R - X şeklindedir. Genel formüldeki X bir halojen atomu temsil etmektedir. CH 3 H 3 C F H 3 C C Cl Florometan (Metil florür) CH 3 2-Kloro-2-metilpropan (t-bütil klorür) 5.1. Alkil Halojenürlerin İsimlendirilmesi IUPAC sistematik isimlendirmeye göre halojenürler ana karbon zincirinde bağlı grup olarak düşünülür CH 3 CHCH 2 CHCHCH 2 CH 3 CH 3 CH 3 Br CH 3 CH 2 CH 2 I İyodopropan 5-Bromo-2,4-dimetilheptan Sistematik isimlendirmenin yanında, karbon sayısı düşük bazı alkil halojenürler geleneksel isimleri ile bilinirler. Yapı CH 3 I CH 2 Cl 2 CHCl 3 Sistematik isimlendirme (IUPAC) İyodometan Diklorometan Triklorometan Geleneksel isim Metil iyodür Metilen klorür Kloroform Br Bromosiklohekzan Siklohekzil bromür

298 5.2. Alkil Halojenürlerin Genel Özellikleri Alkil halojenürlerde karbon-halojen bağı sp 3 hibritleşmiş karbon atomu ile bir halojen orbitalinin örtüşmesinden oluşmuştur. Bundan dolayı alkil halojenürdeki karbon atomları aşağı yukarı tetrahadral bir geometriye sahiptir. H - C - X bağ açıları 109 civarındadır Alkil Halojenürlerin Kimyasal Özellikleri Alkil halojenürlerin gerçekleştirebildiği en önemli reaksiyonlarından biri "ayrılma" (eliminasyon) reaksiyonlarıdır. CH 3 CH 2 CH 2 Cl Kloropropan CH 3 CH CH 2 Propen + HCl Alkil halojenürler eter veya THF içinde mağnezyum ile etkileşerek organik kimyada çok büyük öneme sahip olan "Grignard bileşiklerini" verirler. R X + Alkil halojenür X = F, Cl, Br, I Mg Eter RMgX Alkilmağnezyum halojenür (Grignard bileşiği) Br + Mg Eter MgBr Bromobenzen Fenil mağnezyum bromür Grignard bileşiği) H 2 C 2-Bromopropen CH 3 CH THF 3 C + Mg H 2 C C Br MgBr İzopropenilmağnezyum bromür (Grignard bileşiği) Alkil halojenürler pentan gibi uygun çözücüler içinde metalik lityum ile etkileşerek yine büyük öneme sahip alkillityum bileşiklerini verir. CH 3 Br + 2 Li Pentan CH 3 Li + Bromometan Metillityum LiBr

299 Alkil halojenürlerin gerçekleştirebildiği bir diğer çok önemli reaksiyon ise "nükleofilik yer değiştirme" reaksiyonlarıdır. Bu reaksiyonlar aracılığı ile "alkil halojenürlerden aminler, alkoller vs. gibi maddeler oluşturulabilirler. CH 3 I + H 2 İyodometan CH 3 H Metanol + HI CH 3 CH 2 Br Bromoetan + NH 3 CH 3 CH 2 NH 2 Etilamin + HBr 6. ALDEHİTLER R - C - H Genel formülüne sahip maddelere "aldehit" denir. Aldehitler organik kimyada en önemli bileşiklerdendir. Doğada, yaşam için gerekli bir çok madde aldehittir. Aldehitler hayvan ve bitki organizmalarında yaygın şekilde bulunur. Badem yağının temelini benzaldehit, vanilyanın temelini vanilin ve tarçını ise sinnamaldehit oluştururlar. H C C H C H H 3 C C H C H Benzaldehit (Badem yağinda) H Vanilin (Vanilyada) Sinnamaldehit (Tarçında) Aminoasitlerin metabolik reaksiyonlarında rol alan koenzim piridoksal bir aldehittir. H C HH 2 C H N CH 3 Piridoksal

300 6.1. Aldehitlerin İsimlendirilmeleri Aldehitlerin IUPAC kuralına göre isimlendirilmesinde -CH grubunu içeren en uzun karbon zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "al" eki getirilir. Bazı basit ve/veya çok bilinen aldehitler ise, IUPAC tarafından da kabul edilen geleneksel isimleri ile bilinirler. Formül Geleneksel isim Sistematik isim H C H Formaldehit Metanal H 3 C C H Asetaldehit Etanal CH 3 CH 2 C H Propionaldehit Propanal CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 C C H H Bütiraldehit Valeraldehit Bütanal Pentanal C H Benzaldehit Benzenkarbaldehit Şayet -CH grubu bir halkaya bağlı ise, bu durumda aldehit "karbaldehit" soneki getirilerek isimlendirilir. 1 C 2 C H H H C Siklohekzankarbaldehit 2-Naftalinkarbaldehit 2-Furankarbaldehit 6.2. Aldehitlerin Genel Özellikleri Aldehitlerin en göze çarpan özelliklerinden birisi karbon-oksijen çift bağının polarizasyonundan kaynaklanan reaktiviteleridir. Karbon-oksijen çift bağında oksijen atomunun yüksek elektronegativitesinden dolayı pi elektronları oksijen atomu üzerine çekilir. So

301 nuç itibariyle, karbon atomu artı yüklü merkez haline gelerek elektronca zengin merkezler (nükleofiller) için uygun bir merkez olmuş olur. R C δ + δ R C H R C H Aldehit yapısı 6.3. Aldehitlerin Kimyasal Özellikleri Sıcak nitrik asit, potasyum permanganat ve sülfirik asit içinde C r 3 gibi yükseltgeyici maddeler aldehitleri kolaylıkla karboksilik asitlere dönüştürürler. CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 C H Cr 3, H 2 H 2 S 4, Aseton CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 C H Pentanal Pentanoik asit "Nükleofilik katılma" reaksiyonu aldehitlerin en önemli reaksiyonlarından biridir. C CH 3 CH 2 Propanal H HCN CH 3 CH 2 H C CN H 2-Hidroksibütannitril "Nükleofilik katılma" reaksiyonuna tipik bir örnek, Grignard bileşikleri ile aldehitler arasındaki reaksiyondur. C H + CH 3 MgBr MgBr C H H 3 H C H Benzaldehit CH 3 Ara ürün CH 3 1-Feniletanol Aldehitlerin asit katalizatörlüğünde alkoller ile reaksiyonları sonunda "asetal"ler elde edilirler

302 H 3 C C H Etanal (Asetaldehit) + CH 3 CH 2 H Etanol H 3 H 3 C CH 2 CH 3 C H CH 2 CH 3 1,1-Dietoksietan veya Etanal dietil asetal Aromatik aldehitler ve bazı alifalik aldehitler (CH grubunun bağlı olduğu karbon üzerinde hidrojen içermeyen alifatik aldehitler) derişik KH ile ısıtıldıklarında "Cannizaro reaksiyonu" olarak bilinen özel bir reaksiyon gerçekleştirirler. Bu reaksiyon sonunda iki mol aldehitten biri karboksilik asite yükseltgenirken diğeri alkole indirgenir. C H 1. H 2 /H 2. H 3 C H + CH 2 H Benzaldehit Benzoik asit Benzil alkol CH 3 CH 3 CH 3 1. H 2 /H H 3 C C C H 3 C C C + H 3 C C CH 2 H CH H 2. H 3 H 3 CH CH 3 3 2,2-Dimetilpropanal (Alifatik aldehit) 2,2-Dimetilpropanoik asit 2,2-Dimetil-propan-1-ol Aldehitlerin en önemli elde edilme yöntemlerinden birisi birincil alkollerin uygun yükseltgeyiciler ile yükseltgenmesidir. CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 H n-hekzanol PCC CH 2 Cl 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 Hekzanal C H N H PCC: Cr 3 Cl (Piridinyum klorokromat) Aldehitler en azından bir adet vinilik hidrojene sahip alkenlerin ozon ile yükselgenmesinden elde edilebilirler. C H 1. 3 C C 2. Zn/H 3 H 3 C CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 6-kzoheptanal 1-Metilsiklohekzen C H

303 7. KETNLAR R - C - R genel formülüne sahip maddelere "keton" denir. Keton yapısındaki hidrokarbon grupları (R) alkil, aril ve vinilik vs. olabilir. Ketonlar da aldehitler gibi doğal hayatta ve organik kimyada büyük öneme sahip bileşiklerdir. Aseton endüstride en çok kullanılan ketonlardan biridir. H 3 C 7.1. Ketonların İsimlendirilmesi C CH 3 Propanon (Dimetil keton) (Aseton) Ketonların IUPAC kuralına göre isimlendirilmesinde karbonil grubunu içeren en uzun karbon zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "on" soneki getirilir. Burada dikkat edilecek tek konu, en uzun karbon zincirini seçtikten sonra, bu zincirin karbonil grubuna en küçük numarayı getirecek şekilde numaralanmasıdır. C Karbonil grubu H 3 C C CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 C CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH CH CH 2 C CH 3 2-Bütanon 4-ktanon (Etil metil keton) n-bütil n-propil keton 4-Hekzen-2-on Bazı ketonlar geleneksel isimlerini muhafaza edebilirler. H 3 C C CH 3 C CH 3 C Aseton Asetofenon Benzofenon Ketonlar yukarıdaki örneklerden de anlaşılacağı üzere karbonil grubuna bağlı alkil veya aril gruplarına göre de isimlendirilebilir

304 7.2. Ketonların Genel Özellikleri Karbon-oksijen çift bağındaki polariteden dolayı ketonlar benzer molelül ağırlığına sahip alkanlara kıyasla daha yüksek kaynama noktalarına sahiptirler. Ancak, ketonlar hidrojen bağı yapamadıklarından dolayı, bunlara karşılık gelen alkollere nazaran kaynama noktası düşüktür Ketonların Kimyasal Özellikleri Ketonların kimyasal reaktiviteleri aldehitlerinkine çok benzemekle birlikte, aldehitlere kıyasla biraz daha düşük reaktiviteye sahiptirler. Bunun nedeni, karbonil grubuna bağlı hidrokarbon gruplarının (R) karbonil grubundaki karbon atomuna doğru elektronları itmesi dolayısıyla, karbonil grubundaki karbon-oksijen çift bağındaki polaritenin azalmasıdır. Ketonlar çoğu yükseltgeyicilere karşı duyarsız olmalarına rağmen, sıcak potasyum permanganat (KMn 4 ) ile reaksiyona girdiklerinde karbonil grubuna komşu karbon-karbon bağının kırılması ile sonuçlanan bir yükseltgenme reaksiyonu verir. (-C-) C KMn 4, ısı H 2, H C H CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 C H Siklohekzanon 1,6-Hekzandioik asit Aldehitler gibi ketonların da en önemli reaksiyonları "nükleofilik katılma" reaksiyonlarıdır. Ketonların Grignard bileşikleri ile reaksiyonları sonunda "üçüncül alkoller" elde edilirler. H 3 C C CH 3 Aseton 1. CH 3 MgBr 2. H 3 CH 3 H 3 C C H CH 3 t-bütil alkol

305 Ketonların asit katalizörlüğünde alkoller ile reaksiyonları sonunda "ketal"ler elde edilirler. CH 3 C H 3 CH3 + CH 3 H C CH 3 Metanol CH 3 Asetofenon Asetofenon dimetil ketal Ketonların elde edilme yöntemleri aldehitlerin elde edilme yöntemlerine çok benzer. İkincil alkollerin sulu sülfürik asit içinde Cr 3 ile yükseltgenmesi ketonları verir. H Siklopentanol + Cr 3 + H 2 S 4 H 2 CH 2 Cl 2 Siklopentanon Uygun alkenlerin ozon ile yükseltgenmesi ketonları verir. H 3 C C H 3 C CH 2 CH 3 C CH 3 2,3-Dimetil-pent-2-en Zn/H 3 H 3 C C CH 3 Aseton + H 3 C C CH 2 CH 3 2-Bütanon Aril ketonların hazırlanması ise, Lewis asidi eşliğinde karboksilik asit halojenürleri ile yapılır. + CH 3 CH 2 C Cl AlCl 3, ısı C CH 2 CH 3 Benzen Propanoil klorür Etil fenil keton

306 Metil ketonlar uç (terminal) alkinlerin civa asetat katalizörlüğünde su ile olan reaksiyonundan elde edilirler. CH 3 CH 2 C C H 1-Bütin H 3 Hg(Ac) 2 H 3 C C CH 2 CH 3 2-Bütanon Ac: H 3 C C (Asetat anyonu) 8. KARBKSİLİK ASİTLER Karboksilik asitler tüm canlı organizmalarda bulunan temel organik bileşiklerdendir. Karboksilik asitler terpenlerin, steroidlerin, uzun zincir yağ asitlerinin ve lipitlerin başlangıç maddeleridir. Genel formülleri şeklindedir. Bu formulasyonda yer alan hidrokarbon grupları (R) alkil, aril ve vinilik vs. olabilir. R - C - H H H CH 3 (CH 2 ) 7 C C (CH 2 ) 7 C leik asit H (Yağ asiti) 8.1. Karboksilik Asitlerin İsimlendirilmesi IUPAC karboksilik asitlerin isimlendirilmesinde asit molekülünün karmaşık olup olmadığına göre iki çeşit isimlendirmeye izin vermektedir. Bu isimlendirmenin ilki aldehitlerin isimlendirmesine benzer. Buna göre - C - H grubunu içeren en uzun karbon zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "oik" soneki getirilir. Karboksilik asit grubuna bağlı zinciri numaralama yaparken grubundaki karbon atomu her zaman 1 numarayı almalıdır. - C - H Cl CH 3 CHCH 2 CH 2 C H 4-Kloropentanoik asit Br C H C C H NC 3-Bromo-3-siyanopropenoik asit

307 Eğer - CH grubu bir halkaya bağlı ise, bu durumda halka isminde sonra "karboksilik asit" soneki getirilir. C H C H 4 Br Bromosiklohekzankarboksilik asit 1-Siklopentenkarboksilik asit Tarihsel nedenlerden dolayı IUPAC birçok karboksilik asitin geleneksel ismi ile kullanılmasına imkân tanımaktadır. Asit yapısı Sistematik isim (IUPAC) Geleneksel isim Asil grubu Asil yapısı H H 3 C C C H H Metanoik asit Etanoik asit Formik asit Asetik asit Formil Asetil H H 3 C C C CH 3 CH 2 C H Propanoik asit Propionik asit Propionil CH 3 CH 2 C CH 3 CH 2 CH 2 C H Bütanoik asit Bütirik asit Bütiril CH 3 CH 2 CH 2 C CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 C H Pentanoik asit Valerik asit Valeril CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 C CH CH Etandioik asit kzalik asit kzalil C C CH CH 2 CH 1,3-Propandioik asit Malonik asit Malonil C CH 2 C CH C CH 2 CH 2 CH 1,4-Bütandioik asit Süksinik asit Süksinil CH 2 CH 2 C H 2 C H C C H Propenoik asit Akrilik asit Akrilil H 2 C H C C H C C C H Propinoik asit Propiolik asit Propiolil H C C C

308 8.2. Karboksilik Asitlerin Genel Özellikleri Aynı molekül ağırlığına sahip bileşikler ile kıyaslandığında karboksilik asitlerin kaynama noktalarının beklenenden çok fazla olduğu görülür. Örneğin, formik asit, dimetil eter ve etanol aynı molekül ağırlığına sahip olmalarına rağmen, dimetil eterin kaynama nokası -25 C, etanolün kaynama noktası 79 C ve formik asidin kaynama noktası 101 C'dir. Karboksilik asitlerin bu yüksek kaynama noktalarına sahip olmaları, hidrojen-bağlı dimer oluşturmaları ile açıklanabilir. H C H H C H Formik asit (Dimer hali, k.n.= 101ºC) Karboksilik asit fonsiyonel grupları yapısal olarak hem ketonlara hem de alkollere (R - H) benzemekle birlikte, yine de büyük farklar vardır. Karboksil grubundaki - C - H karbon atomu sp 2 hibritleşmiş karbon atomudur. Dolayısıyla, karboksil asit grupları düzlemsel bir yapıya sahiptir. C - C - ve - C - bağ açıları yaklaşık 120 civarındadır. (R- C - R) Karboksilik asitler Brφnsted-Lowry asitleridir. Karboksil grubundaki proton bir baz tarafından kolaylıkla alınabilir. Karboksilik asitler "zayıf asit- ( - C - H ) ler" olarak bilinirler ve pk a değerleri yaklaşık olarak 0-5 civarındadır Karboksilik Asitlerin Kimyasal Özellikleri Karboksilik asitlerin zayıf asitler olduğunu daha önce belirtmiştik. Asidik özellikleri nedeniyle karboksilik asitler sodyum hidroksit ve sodyum bikarbonat gibi bazlar ile "metal karboksilat" lar denen tuzları oluştururlar. H 3 C C H Asetik asit + NaH H 3 C C + Na Sodyum asetat H

309 Karboksilik asitler kuvvetli hidrür bileşikleri alkollere kolayca indirgenebilirler. C H Benzoik asit 1. LiAlH 4, THF, ısı 2. H 3 Benzil alkol CH 2 H Karboksilik asitler alkoller ile "esterleri"; amonyak veya aminler ile "amitleri" ve uygun halojenlendirme bileşikleri ile "karboksilik asit halojenürleri " verirler. C H + CH 3 H H 3 C CH 3 Benzoik asit Metil benzoat H 3 C C H Asetik asit + CH 3 CH 2 NH 2 Etilamin H 3 C C N CH 2 CH 3 H N-Etiletanamit C H + SCl 2 Tionil klorür H 3 C Cl Siklohekzankarboksilik asit Siklohekzankarbonoil klorür Karboksilik asitler çeşitli yollardan elde edilebilirler. Alkenlerin potasyum permanganat ile parçalanması sonucu karboksilik asitler elde edilebilirler. CH 3 CH CH 2 Propen + KMn 4 H 3 C C + H Asetik asit H C H Formik asit

310 Grignard bileşiklerinin karbon dioksit ile reaksiyonu karboksilik asitleri verir. CH 3 CH 2 MgBr Etilmağnezyum bromür + H C 3 CH 3 CH 2 C H Propanoik asit Karboksilik asitlerin önemli elde edilme yöntemlerinden biri de aldehit ve alkollerin uygun yükseltgenler ile yükseltgenmeleridir. C H H 2, H 2 S 4 C H Cr 3 Benzaldehit Benzoik asit CH 3 CH 2 CH 2 H n-propil alkol H 2, H 2 S 4 Cr 3 CH 3 CH 2 Propanoik asit C H 9. KARBKSİLİK ESTERLER Esterler doğal olarak oluşan bileşikler içinde en önemli ve en yaygın şekilde bulunan bileşiklerdir. Yapısal olarak karboksilik asitlere çok benzer. Tek fark - CH grubundaki hidrojen atomunun bir alkil, aril, vinil ve vb. grup ile yer değiştirmesidir. Genel formülleri aşağıdaki şekildedir. R C R' Molekül ağırlığı düşük esterler genellikle hoş kokulu bileşiklerdir. Örneğin, metil bütanoat elmadan ve izopentil asetat muzdan izole edilebilirler

311 9.1. Karboksilik Esterlerin İsimlendirilmeleri Esterlerin isimlendirilmeleri aldehit ve karboksilik asitlerin isimlendirilmesine benzer. Karbonil grubunu içeren en uzun karbon zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "oat" soneki ve gru- C C - R' bundaki oksijene bağlı hidrokarbon grubuna (R') ait isim önek olarak verilir. Karboksilik asitlerde olduğu gibi bazı karboksilik esterler geleneksel isimleri ile bilinirler Karboksilik Esterlerin Genel Özellikleri Karboksilik asitler yapısal olarak aldehit, keton ve karboksilik asitlere benzemekle birlikte ester grubundaki R'- grubunun karbonil karbonuna C doğru (RC - R') elektron itme özelliğinden dolayı fiziksel ve kimyasal özellikleri farklılık gösterir Karboksilik Esterlerin Kimyasal Özellikleri Karboksilik esterlerin asidik veya bazik ortamda su ile reaksiyonu (hidroliz reaksiyonu) "karboksilik asitleri" verir

312 Esterler amonyak veya aminler ile "amitleri" verirler. H 3 C Etil asetat C CH 2 CH 3 + NH Eter 3 H 3 C C + CH 3 CH 2 H NH 2 Etanol Etanamit (Asetamit) Esterlerin Grignard bileşikleri ile reaksiyonları sonunda "tersiyer alkoller" oluşur. CH 3 1. CH 3 MgBr C C H 2. THF, H CH 2 CH 3 3 CH 3 Etil siklohekzankarboksilat 2-Siklohekzil-2-propanol Esterler lityum alüminyum hidrür (LiALH 4 ) ile kolaylıkla birincil alkollere indirgenirler. CH 3 CH 2 CH 2 C CH 2 CH 3 Etil bütanoat 1. LiAlH 4, eter 2. H 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 H n-bütanol + CH 3 CH 2 H Etanol 10. KARBKSİLİK AMİTLER R - C - N R R 1 2 genel formülüne sahip maddelere "amit" denir. Yapısal formülden de anlaşılacağı üzere karboksilik amitler karboksilik asit ve karboksilik esterlere benzerler. Karbonil grubuna bağlı hidrokarbon grubu (R) alkil, aril ve alkenil vs. olabilir. Azota bağlı R 1 ve R 2 grupları hidrojen, alkil, aril ve alkanil vs. grupları olabilir

313 10.1. Karboksilik Amitlerin İsimlendirilmesi Amitlerin isimlendirilmeleri esterlerinkine benzer. Önce - C - N grubunu içeren en uzun karbon-zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "amit" ve eğer azota bir grup bağlı ise buna karşılık gelen alkil veya aril önek olarak belirtilir CH 3 CH 2 CHCH 2 CH 2 CH 3 C N CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 Pentanamit C N H H 4,N-Dimetil-N-fenilhekzanamit (4-Metilhekzanoik asit metil-fenil-amit) Eğer - C - N grubu doğrudan bir halkaya bağlı ise bu durumda isimlendirme aşağıdaki şekilde olur. C N H C N CH 3 H Siklohekzankarboksamit CH 3 N,N-Dimetilsiklopentankarboksamit Sistematik isimlendirmenin yanında bazı amitler geleneksel isimleri ile bilinirler. H 3 C C N H Etanamit (Asetamit) H H C N CH 3 N,N-Dimetilmetanamit (Dimetilformamit, DMF) CH 3 C N Benzamit H H Karboksilik Amitlerin Genel Özellikleri Amitlerin en karakteristik özelliklerinden birisi amit azotunun nükleofillik ve bazlık özelliğinin buna karşılık gelen amine kıyasla çok azalmasıdır. Bunun nedeni azot ve karbon atomu arasındaki bağ tam olarak tekli bağ olmamasıdır. Gerçek elektronik yapı iki yapının arasında yani tek bağ ile çift bağ arasında düşünülmelidir

314 R C N R C N Amit yapısı Karboksilik Amitlerin Reaksiyonları Amitlerin önemli reaksiyonlarından birisi bunların asidik veya bazik ortamda su ile yaptıkları "hidroliz" reaksiyonudur. C N H Benzamit H HCl H 2 Benzoik asit C H + NH 3 Amitler lityum alüminyum hidrür (LiAlH 4 ) ile "aminlere" indirgenirler. CH 3 CH 2 CH 2 C N H N-Metilbütanamit CH 3 1. LiAlH 4, eter 2. H 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 N-Metilbütilamin CH 3 N H Amitler genellikle karboksilik asit halojenürlerinin amonyak veya aminler ile reaksiyonundan elde edilir. H 3 C C Cl Asetil klorür + CH 3 CH 2 NH 2 Etilamin H 3 C C N CH 2 CH 3 H N-Etiletanamit + HCl 11. KARBKSİLİK ASİT HALJENÜRLERİ Karboksilik asitlerdeki - H grubunun bir halojenür (F, Cl, Br, I) ile yer değiştirmesi sonucu elde edilen bileşiklere "karboksilik asit halojenürleri" denir. Genel formülleri şeklindedir. R alkil, aril, alkenil vs. grubu olabilir. R - C - X

315 CH 3 CH 2 C Cl Propanoil klorür Benzoil klorür C Cl Karboksilik Asit Halojenürlerinin İsimlendirilmesi Karboksilik asit halojenürlerinin IUPAC kuralına göre isimlendirilmeleri karboksilik asitlerin isimlendirilmesine benzer. grubunu içeren en uzun kar- - C - X bon-zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "oil" soneki getirilir CH 3 CH 2 CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 3 5-Metilheptanoil bromür C Br CH 3 CH CH 2 2-Bütenoil klorür C Cl Eğer grubu doğrudan bir halkaya bağlı ise bu durumda isimlendirme aşağıda belirtildiği gibi - C - X olur. C I Siklopentankarbonoil iyodür 2 1 C F 1-Siklohekzenkarbonoil florür Karboksilik Asit Halojenürlerinin Genel Özellikleri Karboksilik asit halojenür molekülündeki karbon-oksijen çift bağı (C = ) ve karbon-halojen (C - X) bağındaki yüksek polariteden dolayı, karbonil bileşikleri içinde en yüksek reaktiviteye sahip maddeler karboksilik asit halojenür bileşikleridir. Karboksilik asit halojenürleri havadaki sudan dahi etkilenerek kolayca karboksilik asitleri verirler. R C X X: F, Cl, Br, I + H 2 R C + H HX

316 11.3. Karboksilik Asit Halojenürlerinin Kimyasal Özellikleri Karboksilik asit halojenürlerinin temel reaksiyonları "nükleofilik yer değiştirme" reaksiyonlarıdır. R C X X: F, Cl, Br, I + Karboksilik asit halojenür Nü: Nükleofil Nü R C + Nü X Karboksilik asit halojenürleri amonyak veya aminler ile kolaylıkla etkileşerek "amitleri" verir. H 3 C C Cl + Asetil klorür CH H 3 C C H 3 CH 2 NH 2 N + Etilamin CH 2 CH 3 N-Etiletanamit CH 3 CH 2 NH 3 Cl Etilamonyum klorür Karboksilik asit halojenürler Grignard bileşikleri ile "üçüncül alkolleri" verirler. CH 2 CH 3 C Cl Benzoil klorür 1. CH 3 MgBr, eter 2. H 3 C H CH 2 CH 3 3-Fenil-3-pentanol Karboksilik asit halojenürler alkoller ile "esterleri" verirler. CH 3 CH 2 C + Piridin CH H 3 CH 2 C Br + HBr Propanoil bromür Siklopentanol Siklopentil propanoat (Propanoik asit siklopentil esteri) Karboksilik asit halojenürleri lityum alüminyum hidrür (LiAlH 4 ) ile "alkollere" indirgenir

317 Benzoil klorür C Cl 1. LiAlH 4, eter 2. H 3 Benzil alkol CH 2 H Karboksilik asit halojenürleri benzen gibi aromatik bileşikler ile Lewis asiti katalizörlüğünde "Friedel-Crafts" reaksiyonu gerçekleştirirler. Bu reaksiyonlar sonucu "ketonlar" elde edilir. AlCl H 3 C C 3 (susuz) + C Cl CH 3 Benzen Asetil klorür Asetofenon + HCl Özet Doymuş sp 3 hibritleşmiş karbon atomlarına (H) grubu bağlı bileşiklere "alkoller" denir. Alkoller su molekülündeki hidrojen atomlarının bir organik grup ile yer değiştirmiş türevidirler. Alkollerin en önemli reaksiyonları ayrılma (eliminasyon) reaksiyonlarıdır. Bir oksijen atomuna iki organik grubu bağlı bileşiklere "eterler" denir. Eterler su molekülündeki hidrojen atomlarının iki organik grup ile yer değiştirmiş türevidirler. Eterlerin kimyasal reaktiviteleri oldukça düşüktür. Eterlerin en önemli reaksiyonlarından birisi yanma reaksiyonudur. Amonyak molekülündeki hidrojen atomlarından en az birisinin veya daha fazlasının alkil, aril veya vinilik bir grup ile yer değiştirmesi ile elde edilen bileşiklere "aminler" denir. Aminlerin en önemli reaksiyonları alkil ve asil halojenürler ile yaptıkları reaksiyonlardır

318 Hidrokarbonlardaki hidrojenlerden birinin halojenür atomu ile yer değiştirmesi sonucu elde edilen yapılara "alkil halojenürler" denir. Genel formülleri R - X şeklindedir. Alkil halojenürlerin en önemli reaksiyonlarından birisi ayrılma (eliminasyon) reaksiyonlarıdır. Alkil halojenürlerin yaptığı önemli reaksiyonlardan birisi de nükleofilik yer değiştirme reaksiyonlarıdır. R - C = Genel formülüne sahip maddelere "aldehit" denir. H Aldehitlerin en önemli reaksiyonları nükleofilik katılma reaksiyonlarıdır. R C = Genel formülüne sahip maddelere "keton" denir. R Genel formülleri R - C - H olan bileşiklere "karboksilik asitler" denir. Karboksilik asitler genellikle zayıf asidik karakter sergilerler. Karboksilik asitler alkoller ile esterleri, aminler ile amitleri ve uygun halojenlendirme bileşikleri ile karboksilik asit halojenürleri verirler. Karboksilik asitlerdeki H grubunun alkoksi (R) grubu ile yer değiştirmesi sonucu elde edilen bileşiklere "karboksilik esterler" denir. Genel formülleri şeklindedir. R - C - R R R - C - N Genel formülüne sahip maddelere "karboksilik amitler" denir. R Genel formülüne sahip bileşiklere "karboksilik asit halojenürleri" denir. R - C - X Karboksilik asitlerin, karboksilik esterlerin, karboksilik amitlerin ve karboksilik asit halojenürlerinin en önemli reaksiyonları nükleofilik yer değiştirme reaksiyonlarıdır. Karboksilik asit halojenürleri karbonil bileşikleri içinde kimyasal reaktiviteleri en çok olan bileşiklerdir

319 Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki reaksiyonlardan hangisi gerçekleşebilir? A) H 3 C C H + CH 3 NH 2 H 3 C C H N CH 3 + H 2 B) H 3 C C H + CH 3 NH 2 H 3 C C CH 3 + NH 3 C) H 3 C C H + CH 3 NH 2 H 3 C C NH 2 + CH 4 D) H 3 C C H + CH 3 NH 2 H 3 C C CH 3 + NH 2 H E) H 3 C C H + CH 3 NH 2 H 3 C C CH 2 NH 2 + H 2 2. Aşağıdaki reaksiyonun gerçekleşebilmesi için boş kalan yere uygun gelen maddeyi yazınız.? CH 3 CH 2 C Cl + CH 3 CH 2 C CH 2 CH 3 A) CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 B) H 3 C CH 3 C) H 3 C C CH 2 CH 3 D) H 3 C C H E) CH 3 CH 2 H

320 3. Aşağıdakilerden hangisi Lewis bazı değildir? A) NH 2 B) C) D) CH 3 NH 2 NH 3 H N CH 3 E) H 3 C N Cl CH 3 4. Aşağıdakilerden hangisi benzaldehit ( Ph - C - H) ile tepkimeye girebilir? A) HCN B) C) H 2 H 3 C C CH 3 D) H 3 C CH 3 E) CH 3 CH 2 CH 2 CH

321 5. Aşağıdaki reaksiyon sonucu çıkan ürünü belirleyiniz. H + Na 2 Cr H 2 CH 3 CH ısı? A) B) C) D) E) 6. Aşağıdakilerden hangisi siklobutil fenil eter'e karşılık gelir? A) B) C) D) E)

322 7. Aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? A) Aldehitler nükleofilik katılma reaksiyonu verirler. B) Karbonil bileşikleri genellikle nükleofilik katılma ve nükleofilikle yer değiştirme reaksiyonları verir. C) Karbonil bileşikleri genellikle elektrofilik katılma reaksiyonu verir. D) Karboksilik asit esterleri genellikle nükleofilik yer değiştirme reaksiyonu verirler. E) Karboksilik asit klorürleri karboksilik asitlere kıyasla daha reaktif maddelerdir. 8. Aşağıdaki reaksiyonun gerçekleşebilmesi için boş kalan yere uygun maddeyi yazınız. H CH 3 CH 2 CH 2 C C CH 3 H +? H 2 100ºC H H CH 3 CH 2 CH 2 C C H + CH 3 I A) B) C) HI NaI 3 I 2 CH3 H D) E) NaH 9. Aşağıdakilerden hangisi ikincil alkoldür? A) CH 3 CH 2 H CH 3 B) H 3 C C H H C) D) H 3 C H 2 C CH 3 C H CH 3 H C H E) H 3 C CH

323 10. Aşağıdaki reaksiyon sonucu çıkan ürünü yazınız.? CH 3 CH 2 CH 2 I + CH 3 NH 2 + HI 1 mol 1 mol A) B) C) CH 3 NHI CH 3 NHCH 2 CH 3 CH 3 NHCH 2 CH 2 CH 3 CH 3 D) H 3 C N CH 3 I CH 2 CH 2 CH 3 E) CH 3 CH 2 CH 2 CH

324 ÜNİTE 16 Biyoelementler I (Makromineraller) Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Biyoelement kavramını tanımlayabilecek, Biyoelementlerin cinslerini ve göreceli miktarlarını öğrenecek, Makromineralleri, vücuttaki işlevlerini ve hangi kaynaklardan sağlanabileceklerini öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Yaşam İçin Gerekli Elementler Makromineraller Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çalışmadan önce Ünite 2'deki Periyodik Cetvel bölümünü gözden geçiriniz ve önünüze bir periyodik cetvel alınız. Üniteyi dikkatle okuduktan sonra, ünite sonundaki değerlendirme sorularını mutlaka çözünüz.

325 1. GİRİŞ Önceki iki ünitede organik kimyanın temel elementi olan karbon ile bunun hidrojen, oksijen ve azotla oluşturduğu organik bileşikler incelenmişti. Canlı organizmalarda bu dört elementin dışında, eksiklik veya fazlalığı sorunlara yol açan bir dizi element daha vardır ki, tüm bu elementler "biyoelementler" adı altında özgün bir küme oluştururlar. İyot elementiyle doğrudan ilişkili guatr hastalığı ve flor elementinin eksikliğinin yol açtığı diş çürümeleri bu konuda hemen akla gelebilecek iki örneği oluştururlar. Bu ve bir sonraki ünitenin konusunu karbon, hidrojen, oksijen ve azot dışındaki biyoelementler oluşturacaktır. 2. YAŞAM İÇİN GEREKLİ ELEMENTLER? İnsan vücudunda hangi elementler, hangi oranlarda bulunabilir? Önceki iki ünitede ele aldığımız dört temel element karbon, hidrojen, oksijen ve azot, çok fazla sayıda bileşik oluşturmakta ve insan vücudunda yer alan atomların yaklaşık %99,5 luk en önemli kısmını bu elementler oluşturmaktadır. Bunun dışında yirmi biyoelement daha vardır ve bunlar epeyce düşük bir oran oluşturmalarına karşın, yaşam için kritik önemde çok sayıda işleve sahiptirler. Bu kritik önem, sözkonusu elementlerden herhangi birinden yoksun olan bir kişinin bazı durumlarda sağlığını ölümcül düzeyde yitirebilmesi nedeniyledir. Çizelge 16.1 de yaşamsal önemi olan tüm biyoelementler sıralanmış ve vücut ağırlığına katkıları belirtilmiştir

326 Çizelge 16.1 Biyoelementler Çizelgeden izlenebileceği gibi, sözkonusu bu 20 element kalsiyumdan magnezyuma bir grup, demirden iyoda da bir başka grup oluşturmak üzere sınıflandırılmıştır. Kalsiyum ile başlayan ilk yedi elementin oluşturduğu grup "makromineraller" adını alır ve bu elementler verilen değerlerden de anlaşılabileceği gibi, diğer gruptakilere göre vücutta daha büyük miktarlarda bulunurlar. Vücutta çok düşük miktarlarda bulunan diğer elementlerin oluşturduğu grup ise "eser elementler" adı ile bilinir. Bu ünitede yalnızca makroelementler ele alınacak, eser elementler ise bir sonraki ünitenin konusunu oluşturacaktır.? Biyoelementler vücutta hangi şekillerde bulunurlar? Verilen 20 biyoelement, canlı organizmalarda ya iyonlar ya da organik moleküllerde kovalent bağlı olarak bulunurlar.? Biyoelementlerin vücuttaki işlevleri neler olabilir?

327 Bu elementlerin kimyasal özelliklerine ve vücuttaki doku veya sıvılarda yerleşme biçimlerine göre oldukça fazla çeşitte görevleri vardır. Örneğin hücrelerde ve vücut sıvılarında katyon-anyon dengesini kurarlar. Sinir impulslarının iletiminde ve kasların çalışmasında bunların üstlendikleri önemli görevler vardır. Vücut sıvılarının dokulara ve hücrelere hareketini biyoelementlerin derişimi denetler. Sindirim sistemi salgılarında yer aldıkları gibi, enzimleri aktive ederler. Vitaminlerin, hormonların ve proteinlerin yapılarına girerler. 3. MAKRMİNERALLER Yedi biyoelementten oluşan bu grup, vücutta miktarları ile orantılı işlevsel öneme sahip mineralleri ile oldukça önemli bir yer tutar. Bu bölümde, elinizdeki kitabını hacminin elverdiği ölçüde, makrominerallere vücudumuzdaki bolluk sıralamasına göre göz atılacaktır Kalsiyum Çizelge 16.1 de görüldüğü gibi vücuttaki atomların %0,31'ini ve yetişkin bir insanın ağırlığının yaklaşık kırkta birini oluşturacak miktardadır. Günümüzde, kalsiyumun kemik ve dişlerimiz için önemini duymayan kalmamış gibidir. Vücudumuzdaki kalsiyumun neredeyse %99'ı kemik ve dişlerde çeşitli anorganik kalsiyum tuzu halinde bulunur. Dişlerimizdeki kalsiyum değişik tabakalarında fosfat, hidroksit, klorür, florür ve karbonat bileşikleri şeklinde yeralmaktadır. Ünite 2'de belirtildiği gibi bir 2A grubu toprak alkali metali olan kalsiyum, grubundaki diğer elementler gibi iki adet değerlik elektronuna sahip olup, vücudumuzda kararlı Ca 2+ iyonları halinde bulunur. Kandaki kalsiyum iyon düzeyi ile D vitamini ve bazı hormonlar arasındaki,epeyce karmaşık bağlantı sayesinde bağırsaklarda emilime uğrayan kalsiyum miktarı kontrol edilebildiği gibi, kandaki kalsiyum iyon derişimi ile kemik ve dişlerde depolanan kalsiyum miktarı da böylece ayarlanabilmektedir. Örneğin paratiroid bezlerinin salgıladığı parathormon adlı hormon vücuttaki kalsiyum (ve fosfor) metabolizmasını ayarlar. (Metabolizma vücutta ortaya konan işlevlerin yürütülebilmesi için gerçekleşmesi geren kimyasal olayların tümüdür.) Bu hormonun ge

328 reğinden az salgılanması halinde tetani hastalığı ortaya çıkar. Bu hastalık el ve ayak parmaklarında kıvrılmaya neden olduğu gibi, gelişme çağındaki çocuklarda diş ve kemikler yeterince gelişemez, deri kurur ve kan basıncı düşer. Bu çocuklarda zeka geriliğine de çokça rastlanır. Aksine parathormonun gereğinden fazla salgılanması halinde kandaki kalsiyum miktarı artar ve bunun sonucunda kaslarda gevşeme görülür.? Vücuttaki kalsiyumun kemiklerde ve dişlerde yer almayan %1 lik diğer kısmı ne işe yarar? Vücuttaki kalsiyumun kemik ve dişlerde yer almayan kısmı diğer bazı süreçlerde oldukça önemli işlevler üstlenir. Kasların çalışmasında, sinir sisteminin uyarıcılara karşılık vermesinde, kanın pıhtılaşmasında ve nihayet diğer mineral iyonlarının koordinasyonunda kalsiyum iyonları yaşamsal önem taşır. Şimdi bu işlevlere kısaca bir göz atalım. Kalp kaslarının ritmik kasılmasının sağlanması başta olmak üzere, kalsiyum iyonlarının kasların çalışması için en uygun derişimlerde bulunması gerektiği bilinmektedir. Fazlasıyla düşük derişimler kasların kasılmasını tümüyle durdurabilmektedir. Kalsiyum iyonları sinir hücresi zarı üzerindeki kararlılaştırıcı etkisi ile, sinir sistemindeki iletim olayında aktif rol oynamaktadır. Kanda gereğinden fazla veya düşük kalsiyum varlığı, ya sinir impulslarında ve kasların bu impulslara karşılık vermesinde zayıflamaya, bu yüzden de insanın dış uyarıcılara karşı duyarsızlamasına yol açar; ya da sinirlerin ve kasların aşırı duyarlı olmasına neden olur. Bu aşırı duyarlılık kimi durumlarda yüksekçe bir ses, öksürme veya dokunma halinde kişide çok şiddetli ihtilaçlara yol açar. Böylesi bir durum kişiyi son derece bitkin düşürmekten başka, ölümüne bile yol açabilir. Kalsiyum iyonlarının beyin sıvısındaki düzeyinin vücut sıcaklığının denetlenmesinde kritik önem taşıdığı bilinmektedir. Kalsiyum derişiminin çok fazla yüksek olması vücut sıcaklığını düşürmektedir. Kalsiyum iyonları aynı zamanda kanın pıhtılaşması için de gereklidir. Bu nedenle kanda kalsiyum iyonlarını azaltan etkenler pıhtılaşmayı da engeller. (Kan emerek beslenen canlılarda beslenirken ve sindirirken pıhtılaşmayı engellemek için, kandaki kalsiyum iyonlarıyla reaksiyona giren bir madde salgılayabilme özelliği vardır). Taze kanda pıhtılaştırıcı reaksiyonları önlemek için, sitrat veya okzalat iyonlarının kandaki kalsiyum iyonları ile bileşmesi sağlanır. Transfüzyonlarda pıhtılaşma engelleyici olarak sodyum sitrat yaygın şekilde kullanılmaktadır

329 2C 6 H Ca 2+ Ca 3 C 6 H Sitrat iyonu Kalsiyum sitrat Kalsiyum iyonlarının aynı zamanda birçok enzimi aktive ettiği de bilinmektedir. Kalsiyum iyonları hücre içine ve dışına akışlarını düzenleyerek K +, Na + gibi diğer mineral iyonları arasında bir cins koordinatör görevi yapar.? Vücudumuz için gereken kalsiyumu hangi yolla sağlayabiliriz? Süt ve çeşitli süt ürünleri temel kalsiyum kaynağı olan besinlerimizdendir. Günde yarım litre süt içen yetişkin bir insan, günlük kalsiyum gereksinimini (1 gram) karşılamış demektir. Kandaki kalsiyum düzeyini denetleyen karmaşık düzen, düşük kalsiyumlu beslenme, kanda D vitamini ile gerekli hormonların miktarının normal ölçülerde olmaması gibi çeşitli nedenlerle altüst olabilmektedir. Vücutta D vitaminin çok düşük düzeyde olması raşitizm hastalığına yol açar. Bilindiği gibi bu hastalık kemiklerde yumuşama ve şekil bozukluklarına neden olur. (D vitamini güneş ışığına maruz kalan bünyede kendiliğinden oluşmakta, kimi durumlarda da fazladan D vitaminin dışarıdan sağlanması gerekmektedir. Ancak bu maddenin gereğinden fazla olması da kemiklerde sertleşme ve yumuşak dokularda kireçlenmelere yol açabilir) Fosfor Bir önceki bölümde kalsiyumun kemik ve dişler için önemi ortaya konulmuştu. Fosfor da kemik ve dişlerdeki kalsiyum tuzlarında yer alan önemli bir elementtir. Vücuttaki fosforun %90'ı kemik ve dişlerde fosfat iyonu, bulunur. P 4 3- şeklinde Fosfat iyonu fosforik asidin üç hidrojen iyonu, H +, vermesi ile oluşur

330 H 3 P 4 - H + - H 2 P 4 - H 2- HP 4 - H + 3- P 4 Fosforik Dihidrojen Monohidrojen Fosfat asit fosfat iyonu fosfat iyonu iyonu Bu olay esnasında oluşan dihidrojen ve monohidrojen fosfat iyonları vücut sıvılarının uygun ph değerlerinde kalmasını sağlamakta tampon görevi yaparlar. Fosforik asit aynı zamanda bir fosfat esteri oluşturmak üzere vücutta alkol gruplarıyla reaksiyona girer. Bu organik fosfat esterleri,hücre zarlarını ve sinir dokularını oluşturan fosfolipidlerde, protein sentezini ve kalıtımı denetleyen DNA ve RNA ile koenzimlerde bulunur. Kemik ve dişlerin yapılarında yeralma ve vücut sıvılarının nötralliğinin sağlanmasından başka, fosfat iyonları hücrelerimizin anlık enerji gereksinimi de karşılar. Belirli organik fosfat esterlerinin hidrolize uğraması önemli ölçüde enerjinin açığa çıkmasına yol açar. Böylesi fosfatlar "yüksek enerji fosfatları" adıyla bilinir ve hücrelerin anlık enerji gereksinimini bu bileşikler sağlar. Fosfor elementi günlük gıdalarımızda öylesine yaygın bulunur ki, hemen hemen herkes yetişkin bir insana gereken günlük 1 gramlık fosfor desteğini alabilmektedir Potasyum, Sodyum ve Klor Bu elementlerin vücudumuzdaki işlevleri epeyce karmaşık bir şekilde bağlantılıdır. Potasyum ve sodyum iyonları vücutta genellikle klorür tuzları şeklinde bulunur. Bu üç iyonun organizmadaki ana görevi hücrelerdeki, doku sıvılarında ve kanda katyon-anyon dengesini korumaktır. Böylesine bir denge ile vücuttaki sıvıları normal şekilde akışı sağlanırken, asitlerle bazlar arasındaki denge de denetlenmiş olur. Potasyum iyonu genellikle hücre içi sıvısında yer alırken, sodyum iyonu hücreleri çevreleyen hücrelerarası sıvılarda bulunur

331 Potasyum, sodyum ve klor iyonlarının bir başka önemli işlevi de, kandaki oksijen ve karbondioksidin taşınmasında kendini gösterir. Potasyum ve sodyum iyonlarının hücre zarlarından şekerlerin iletiminde ve bunların hücre içinde yıkımında da rolleri bulunur. Kalsiyum ve bir sonraki kesimde değinilecek magnezyum iyonlarından başka, potasyum ve sodyum iyonlarının da sinir ve kasların çalışmasında etkin olduğu bilinmektedir. Ne var ki potasyum ve sodyumun etkisi, kalsiyum ve magnezyumunkinin aksi yönde kendini gösterir ve bu yüzden bu dört iyonun derişimlerinin dengeli olması sinir ve kas sistemi için son derece önem taşır. Öte yandan sodyum klorür ve potasyum klorür büyük protein molekillerini çözeltide tutarak kanın viskozluğunu (kalınlığını) düzenlerler. Belirli yiyeceklerin midedeki sindirimini başlatan mide asidi hidroklorik asit, HCl, kandaki sodyum klorürden üretilir. Ayrıca mide özsuyu, pankreas sıvısı ve safra da kandaki sodyum ve potasyum tuzlarından elde edilir. Gözdeki retina tabakasının ışık impulslarına karşılık vermesi de, vücuttaki sodyum, potasyum ve klorür iyonlarının uygun derişimde olmasıyla ilişkilidir. Görüldüğü gibi vücutta gerçekleşen birçok önemli olay bu üç iyona bağlı olup, bunlardan herhangi birinin düzeyindeki dengesizlik vücutta ciddi etkilere yol açar. Bu nedenle sıcak havalarda fazlasıyla efor sarfederek aşırı terleyen bir insanda, örneğin bir koşucuda, vücutta bu iyonların derişimi önemli ölçüde düşer. (Terin tuzluluğu bundan kaynaklanır). Bu dengesizlik vücutta mide bulantısına, kusmalara, bitkin düşmeye ve kas kramplarına neden olabilmektedir. Bu yüzden koşucular genellikle önceden tuz tabletleri veya özel meşrubatlarla bu iyon kayıplarını telafi ederler. Normal beslenme koşullarındaki bir insanda, bu iyonların eksikliği sorunu gözlenmez. Bununla birlikte, uzun süreli ishallerde veya idrar söktürücü ilaç kullanımında, potasyum eksikliği kendini gösterir. Beslenme alışkanlığı aşırı tuz tüketimine yol açan bir kişide ise, fazlaca yükselen sodyum ödemlere,yağ metabolizmasında bozulmalara, mide salgılarında değişikliklere ve yüksek tansiyona neden olmaktadır

332 3.4. Magnezyum Vücudumuzdaki atomların %0,01'lik bir kısmını oluşturan magnezyum iyonları, Mg 2+, hücredeki bileşiklere fosfat gruplarının eklenmesi ve uzaklaştırılmasını denetleyen enzimleri aktive eder. Klorofil molekülünde yer alarak fotosentez olayına katkıda bulunur. Magnezyum yeşil sebzeler, fındık, ceviz, tahıllar ve deniz ürünleri gibi epeyce geniş bir besin grubunda bulunduğu için normal beslenme ile, vücuda gerekli günlük 400 mg civarındaki magnezyum dozunu almış oluruz. Bununla birlikte vücuttaki magnezyum düzeyi düşme gösterirse, kalsiyum eksikliğinde olduğu gibi kişide aşırı duyarlılık ve sinirlilik, saldırganlık, kas spazmları ve şiddetli kasılmalar gözlenebilmektedir. Kronik alkoliklerde, protein eksikliği olan çocuklarda ve diet uygulanan ameliyat olmuş hastalarda magnezyum eksikliği ortaya çıkabilmektedir. Öte yandan gereğinden fazla magnezyum alımı, kas ve sinir sisteminde duyarlılık azalmasına yol açabilmekte ve çok yüksek düzeyler lokal ya da genel anesteziye ve felçlere neden olabilmektedir Kükürt Ele alacağımız son makromineral olan kükürt, oksijen gibi bir 6A grubu elementi olup, oksijenin hidroksil grubuna, (-0-H) benzer sülfhidril grubu (-S-H) içeren bileşiklerinin yaygın birkullanım alanı vardır. Örneğin kötü kokularından dolayı gaz kaçaklarının saptanmasında merkaptan adı verilen bu tür bileşikler kullanılır. Sülfhidril grupları içeren diğer bazı bileşikler ise kokusuz olup, örneğin proteinleri oluşturan aminoasitlerden sistein sülfhidril grubu içeren önemli bir bileşiktir. NH 2 H - S - CH 2 - CH - CH Sistein rganik bileşiklerden eterlerin - C - - C - yapısında moleküllerden oluştuğunu öğrenmiştiniz. Tiyoeter veya organik sülfürler de, - C - S - C - yapısı içerirler. Soğana ve sarmısağa kendilerine özgü kokuları böylesi gruplar içeren bileşikler verir. H 2 C = CH - S - CH = CH 2 H 2 C = CH - CH 2 - S - CH 2 - CH = CH 2 Divinil sülfür (soğanda) Diallil sülfür (sarmısakta)

333 Metiyonin tiyoeter grubu içeren bir aminoasit olup, tüm vücut proteinleri bu amino asidi içerirler. Vücudumuz sisteini metiyoninden üretebilmektedir. NH 2 H 3 C - S - CH 2 - CH 2 - CH - CH Metiyonin Özet Canlı organizmanın yapısında yer alan elementler olan biyoelementlerin, hidrojen, oksijen,karbon ve azot dışında kalan yirmi adedinden yedisini oluşturan kalsiyum, fosfor, potasyum, kükürt, klor, sodyum ve magnezyum, "makromineraller" adını alır. Günlük alım gereği yarım gramdan birkaç grama değişen makrominerallerden başka, organizmada çok düşük miktarlarda yer alan ve günlük gereksinimin birkaç miligram düzeyinde olduğu onüç element de eser element adını alır. Biyoelementlerin tümünün de vücuttaki pek çok süreçte önemli görevleri vardır. Hücrelerde ve vücut sıvılarında katyon-anyon dengesinin sağlanması, kasların kasılması ve sinir impulslarının iletimi, vücut sıvılarının hareketinin düzenlenmesi bunlar arasındadır. Biyoelementlerin vücuttaki derişimleri birbirleriyle yakından ilişkilidir. Miktarlarının gereğinden az veya fazla olmaları halinde çeşitli hastalıklar ortaya çıkar. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdakilerden hangisi bir biyoelement olamaz? A) Karbon B) Klor C) Sodyum D) Kadmiyum E) Selenyum

334 2. Biyoelementlere ilişkin aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Biyoelementler hücrelerde ve vücut sıvılarında katyon-anyon dengesini kurarlar. B) Vücut sıvılarının akıcılık derecesini bir kısım biyoelementin oranı belirler. C) rganizmada çok miktarda ve serbest halde bulunan elementler makromineral adını alır. D) Sodyum, potasyum, kalsiyum ve magnezyum vücuttaki makromineralleri oluşturan metallerdir. E) Vücuttaki hormonların, vitaminlerin ve proteinlerin yapısında biyoelementlerin belirli bir yeri vardır. 3. Raşitizm, tetani gibi hastalıkların ve kanda pıhtılaşma gecikmesinin aşağıdaki biyoelentlerden hangisinin vücuttaki düzeyi ile yakın ilişkisi vardır? A) Fosfor B) Sodyum C) Kükürt D) ksijen E) Kalsiyum 4. "Protein sentezini ve kalıtımı denetleyen DNA ve RNA ile koenzimlerde bulunurlar. Hidrolize uğradıklarında önemli miktarda enerji açığa çıkar ve hücrelerin anlık enerji gereksinimi karşılanır." Yukarıdaki ifade aşağıdakilerden hangisini tanımlar? A) Kalsiyumun florür ve klorür tuzlarını B) rganik fosfat esterlerini C) Sülfhidril gruplarını D) Potasyum ve sodyumun klorür tuzlarını E) Kükürt içeren aminoasitleri 5. Ayağıda verilen biyoelement gruplarından hangisi büyük protein moleküllerini çözeltide tutarak kanın viskozite derecesini düzenler? A) Sodyum, potasyum, klor B) Kalsiyum, sodyum, potasyum C) Potasyum, magnezyum, hidrojen D) Sodyum, magnezyum, kükürt E) Kalsiyum, magnezyum, fosfor

335 6. Kükürt elementi sülfhidril, disülfür ve tiyoeter grupları ile vücutaki çeşitli önemli bileşiklerde yer alır. Aşağıdaki aminoasitlerden hangisinde veya hangilerinde sülfhidril grubu bulunmaktadır? I. CH 3 - S - CH 2 - CH 2 - CH - CH NH 2 NH 2 II. HC - CH - CH 2 - S - H III. HC - CH - CH 2 - S - S - CH 2 - CH - CH NH 2 NH 2 A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) II ve III E) I, II ve III 7. Aşağıdaki makrominerallerden hangisi, özellikle kemik ve dişdokusunda yeralırken diğerlerine göre vücutta en yüksek miktarda bulunur? A) Mg B) S C) Na D) Ca E) K 8. "Vücut sıvılarının uygun ph değerlerinde bulunmasını sağlayarak tampon görevi yaparlar". Yukarıdaki ifade verilen iyon çiftlerinden hangisi için uygundur? - 2- A) HP 4, H 2 P 4 B) Ca 2+ 3-, C 6 H 5 7 C) K + 3-, C 6 H 5 7 D) Mg 2+, S 2- E) Na +, Cl - 9. Aşağıdaki tuzlardan hangisi mide asidinin üretiminde kullanılır? A) CaH 2 P 4 B) K 2 S 4 C) NaCl D) Mg 3 (C 6 H 5 7 ) 2 E) Na 2 C "Yeşil sebzelerde, fındık ve ceviz gibi kabuklu meyvelerde, tahıllar ve deniz ürünlerinde bulunan bu eser elementin düzeyi, kronik alkoliklerde, protein eksikliği olan çocuklarda ve ameliyat sonrası diyeti uygulanan hastalarda epeyce düşmektedir." Verilen ifade hangi makrominerali tanımlamaktadır? A) Ca B) P C) Na D) Cl E) Mg

336 ÜNİTE 17 Biyoelementler II (Eser Elementler) Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Eser element kavramını tanıyacak, Eser elementlerin biyoelementler içindeki yer ve önemini kavrayacak, Sağlıklı bir yaşam ile organizmadaki eser elementlerin düzeyi arasındaki ilişkiyi öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Eser Elementler ve rganizma Eser Elementler Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çalışmadan önce bir önceki üniteyi dikkatlice okuyunuz.

337 1. GİRİŞ Bir önceki ünitede karbon, hidrojen, oksijen ve azot dışındaki yirmi biyoelement, organizmada yer alma miktarları açısından "makromineraller" ve "eser elementler" olarak gruplandırılmıştı. Canlı organizmada son derece düşük miktarlarda bulunması nedeniyle "eser element" adını alan onüç biyoelementten demir, manganez, kobalt, bakır, çinko, molibden, vanadyum, krom ve kalay'ın metal olmalarına karşın, flor, silisyum, selenyum ve iyot ametal özelliktedir. 2. ESER ELEMENTLER VE RGANİZMA Bu elementlerin vücutta son derece düşük miktarlarda bulunmalarına karşın, organizma için son derece önemli işlevleri vardır. kadar ki, bu elementlerden herhangi birinin vücutta tümüyle yol olması, ölüme bile neden olabilmektedir.? Eser elementlerin vücuttaki görevleri neler olabilir? Eser elementlerin vücutta son derece az miktarda bulunmaları işlevlerinin anlaşılmasını zorlaştırmakta ise de, yapılan araştırmalar organizmada önemli görevleri olduğunu ortaya koymuştur. Bunların çoğu enzimlerin önemli bir kısmını oluşturur. Enzimler tekrar tekrar kullanılabileceğinden bu elementlerin hücrelerde çok düşük derişimlerde olmalarına karşın etkinlikleri devam eder. Şimdi bu elementlere tek tek göz atalım. 3. ESER ELEMENTLER 3.1. Demir Kanımızdaki alyuvarlarda bulunan hemoglobin kanın kırmızı görünmesinden başka, akciğerlerden dokulara oksijenin iletilmesinden de sorumludur. Her hemoglobin molekülü dört demir atomu içermektedir. Her hemoglobin molekülünde demir (II) katyonu içeren hem gruplarından dört tane bulunur. (Şekil 17.1)

338 2 2 Fe Fe Fe Fe 2 2 Şekil 17.1 Dört hem grubu ile hemoglobin molekülü (Hem grupları ile gösterilmektedir.) Fe Aşağıdaki şekil 17.2 de formüllendirilmiş olan bu hem gruplarından herbiri bir oksijen molekülü taşıyabilmekte ve böylece bir hemoglobin molekülü dört oksijen molekülü taşıyabilmektedir. Şekil 17.2 Hem grubu. Sağlıklı bir insanın vücudunda 5-7 gram civarında -iki küçük çivideki kadar-demir bulunur. Kandaki demir düzeyinde az bir düşme bile, anemi denilen rahatsızlığa yol açar. Anemi vücutta genel bir zayıf düşme ve bitkinliğe neden olur. Demir eksikliğinin neden olduğu anemilere çocuklarda altı aylık iken, bayanlarda ise yaş arasında sık rastlanmaktadır.? Günlük demir gereksinimimiz ne kadardır? Yetişkin bir insanın günde yaklaşık 18 mg demir alması gerekir. Karaciğer, böbrek,yürek, yumurta sarısı, bazı kurubaklagiller ve deniz ürünleri demir içeren besinler arasındadır

339 Vücutaki demir ince bağırsakta Fe 2+ iyonu şeklinde emilir. Demirin bu emilimi C vitamini varlığında artar. Çünkü C vitamini Fe 3+ iyonlarını bağırsaklarda Fe 2+ iyonuna indirgemektedir. Normal koşullarda yediğimiz gıdalardaki demirin %5-15 kadarı vücutta alıkonur. Demirden yoksun bir beslenme alışkanlığı kişide çevreye kayıtsızlık ve bitkinlik, hastalıklara dirençte azalma ile kalp atışı ve solunum hızında yükselme gibi etkilere yol açar. Çocuklardaki demir eksikliği de büyüme sürecinin yavaşlamasına neden olmaktadır. Öte yandan, demirin gereğinden yüksek olması da sağlığa zararlıdır. Anormal ölçüde yüksek düzeylerdeki demir, karaciğerde siroza, pankreaste fibrosise yol açabilmekte, şeker hastalığına ve kalp rahatsızlıklarına neden olabilmektedir.? Vücuttaki eser elementlerin miktarları birbirine bağımlı olabilir mi? Demirin vücuttaki işlevi bu soruya iyi bir yanıt oluşturmaktadır. Bir hemoglobin molekülünün oluşabilmesi için bakır içeren bir enzim gerekir. Bu nedenle vücuttaki hemoglobinin derişimi yalnızca demir düzeyine değil, aynı zamanda bakır derişimine de bağımlıdır. Bakır derişimi yüksek olduğunda demir fazla miktarda harcanır. Eser elementler arasındaki bu ilişki aksi yönde de kendini gösterebilir. Örneğin molibdenin fazla miktarda vücuda alınması bakır emilimini azaltır ve hemoglobin oluşumunu yavaşlatır Manganez Bu element çeşitli enzimlerin görevlerini yapabilmeleri için vücutta gereklidir. Manganez hücrede enerjinin üretildiği mitokondria bölgesinde yüksek derişimlerde bulunur. Manganezden mahrum bir organizmada mitokondria yapısında anormallikler kendini gösterir. Manganez aynı zamanda normal tiroid çalışmasının sağlanmasında ve kıkırdak ile kemik gelişiminde de önem taşır. Bu elementin bir başka işlevi de, beyin ve sinir sisteminin normal çalışmasının sağlanmasında kendini gösterir. Gerçekten de epilepsi (sara) gibi hastalıklardan şikayetçi çocukların neredeyse üçte birinde, kandaki manganez düzeyi düşük bulunmaktadır. Yüksek düzeydeki manganez de vücut için tehlike oluşturur. Manganez elementiyle fazlaca teması olan kitlelerde, öneğin madencilerde, başağrıları, psikozlu davranışlar ve uyuşukluk vakaları yaygındır

340 3.3. Kobalt Kobalt ta vücudumuzda yer alan eser elementlerden biridir. Bu element kandaki eritrositlerin oluşumunda gerekli B 12 vitaminin bir parçasını oluşturur. Bu nedenle vücuttaki kobalt eksikliği, eritrosit oluşumunu engellediğinden, "pernisyöz anemi" adı verilen ağır bir kansızlık durumu oluşur ve hastalarda bitkin düşme ile genel zafiyet kendini gösterir Bakır Bakırın vücuttaki rolü 19. yüzyıldan beri bilinmektedir. Bakırın vücudumuzdaki miktarı çok düşük de olsa, bu değer normal vücut işlevleri için son derece önemlidir. rganizmaya, bakır birçok yönden gereklidir. Öncelikle bu element birçok önemli enzimin bileşimine girer. Bu sayede kanın, damarların, kirişlerin ve kemiklerin yapımında görev alır. Bakırdan yoksun bir beslenme, zayıflık ve kan damarları ile kemiklerde narinliğe yol açar. Bundan başka, sinirleri saran koruyucu kılıfın oluşumu da vücuttaki bakır miktarına bağımlıdır. Bakır eksikliği halinde, sinir sisteminde sinir impulslarının gereği şekilde iletilememesine yol açan bozukluklar ortaya çıkar. Öte yandan, bakır elementi vücudumuzu güneşin zarar verici morötesi ışınlarından korur. Çünkü rengini koyulaştırarak deriyi mor ötesi ışınlardan koruyan melanin pigmentinin oluşmasını sağlayan enzimin bir parçasını da bakır elementi oluşturur. Daha önce de belirtildiği gibi bakırın hemoglobinin oluşumunda önemli bir rolü vardır. Son olarak, yiyeceklerin lezzetini tadabilme duyumuzun da vücutta bakır varlığına bağımlı olduğunu belirtelim. Bakır elementi pekçok enzimin bir parçası olduğundan, bu elementten yoksunluk ciddi hastalıklara yol açabilmektedir. Aynı şekilde gereğinden yüksek düzeylerde bakır da zehirleyici etki göstermektedir. Bu olgu halk dilinde "bakır çalığı" adı ile bilinir. Bakır elementi hemen hemen tüm gıdalarda ve içme sularında bulunduğundan, vücudumuzda bakırın emilim ve atılımı belirli bir düzen içinde yürür. Vücuttaki bakır düzeyi, günlük beslenmedeki bakır, molibden ve sülfat dengesine bağımlıdır

341 3.5. Çinko Vücut gelişimi için son derece önem taşıyan bir eser element olan çinko, özellikle cenin aşamasındaki gelişimde ve küçük çocukların beslenmesinde oynadığı rol ile göze çarpar. Çünkü bu element hücredeki genetik madde olan DNA'nın oluşumu için gereklidir. Bu nedenle de cenindeki çinko eksikliği büyüme gecikmesine, vücutta bozuk oluşumlara ve kromozomlarda anormalliklere yol açar. Doğumdan sonraki çinko eksikliği ise cüceliğe, cinsel gelişmede gecikmeye, saç dökülmesine ve deri problemlerine neden olur. Anne sütü kandakinin neredeyse on katı fazla derişimde çinko içerir. Ayrıca bu çinko bebeğin gereksinimleri için en uygun kimyasal şekilde bulunur. Bu da anne sütünün önemini ayrıca gözler önüne sermektedir. Yetişkinler için günlük normal çinko gereksinimi 15 mg düzeyinde olup, fındık ve ceviz türü yemişler, yumurta, sığır eti ve karaciğer zengin çinko kaynağı sayılabilecek besinlerdendir Molibden Bu element hücre içi enerji aktarım reaksiyonlarına katılır ve çeşitli bağırsak enzimlerinin işlevlerini sürdürebilmelerine yardımcı olur. Öte yandan vücutta bakır emiliminin düzeyini denetleyen unsurlardan biridir. Bezelye türünden sebzeler, tahıllar, bira mayası molibden içeren gıdalardandır Vanadyum,Kalay ve Silisyum Bu üç eser elementin işlevleri henüz tümüyle açıklanamamıştır. Ancak çeşitli bitkilerin ve hayvanların, önemli besleyici unsurlarından oldukları anlaşılmıştır Krom Krom elementinin pankreasın salgıladığı insülin bileşiğinin etkisini artırdığı anlaşılmıştır. Bilindiği gibi kandaki şeker düzeyi dokuların, özellikle de beynin işlevleri üzerinde yaşamsal öneme sahiptir. Şeker miktarının ayarlanmasında yardımcı birçok faktörden biri

342 de insülindir. Böylece krom vücuttaki şeker düzeyinin normalde tutulmasına yardımcı olmaktadır. Krom eksikliği vakalarında şeker hastalığına benzer belirtilerin gözlenmesinin nedeni de budur. Bira mayası, tahıllar ve karaciğer zengin krom kaynağı besinlerdendir Flor Kemik ve diş yapısında yer alan flor elementi eksikliği veya fazlalığı vücutta zararlı sonuçlar doğuran eser elementlerden biridir. Yapılan araşıtrmalar bir yörede tüketilen içme suyu kaynağının 0,5 ppm (0,5 mg/litre) ve daha düşük düzeylerde florür iyonu, (F - ) içermesi halinde fazla miktarda diş çürüklerine rastlandığını, ppm değerlerindeki florür miktarının ise dişlerde beneklenmelere ve florosis'e neden olduğunu ortaya çıkarmıştır. İçme suyunun 1 ppm düzeyinde florür içermesi halinde ise diş çürümeleri ve beneklenme oldukça düşük miktarda gözlenmektedir. Çünkü uygun derişimdeki florür iyonu vücutta kalsiyum bileşiğine dönüşmekte ve bu bileşik diş minelerinin yapısına girerek çürütücü etkenlere karşı dirençli olmasını sağlamaktadır Selenyum Bu eser element çok düşük miktarlarda çok yararlı bir madde iken, epeyce yüksek miktarlarda olduğunda çok zehirlidir. Toprağın ve bitki örtüsünün selenyumca zengin olduğu bölgelerde yetiştirilen çiftlik hayvanlarında görme bozuklukları, kas zayıflığı, karaciğerde çürüme ve solumun yetmezliğinden ölüm vakaları görülmektedir. Vücutta gereğinden fazla selenyum bulunduğunda, birçok hücre bileşiğinde bu element kükürt ile yer değiştirmektedir. luşan bu selenyum bileşikleri daha reaktif olduğundan, hücrenin normal işlevlerine engel olmaktadır. Eser miktarlarda iken temel bir besin olan selenyum, glutatiyon peroksidaz enziminin yapısına girmekte, bu enzim de hücrelerde hidrojen peroksit ve organik peroksitlerin birikmesini engelleyerek kanser oluşumuna karşı vücudu korumaktadır. Selenyum zehirleyici etkilerini yüksek kobalt derişimleri artırabilmekte ve kalp ile karaciğerde büyümeye yol açmaktadır

343 3.11. İyot Yaşam için oldukça önemli bir ametal eser element te iyottur. Vücuttaki iyodun %70-80 kadarı boyundaki tiroid bezlerinde bulunmaktadır. Bu bezin salgıladığı tiroksin hormonu metabolizmayı düzenleyerek normal gelişmeyi sağlar ve iyot elementi bu hormonun bir parçasıdır. (Şekil 17.3). I I NH 2 H CH 2 CH C H I I Şekil 17.3 Tiroksin. Tiroksin hormonunun salgısında az veya çok herhangi bir düzensizlik insanı ölüme bile götürebilecek denli kötü sonuçlar doğurabilir. Öte yandan vücuda yeterli miktarda iyot alınmaması halinde tiroid bezi anormal derecede büyür. Guatr adıyla bilinen bu hastalığın yaygınlaşması, iyodür içeren tuzların kullanılmasıyla veya iyotça zengin besin kaynaklarının (çeşitli deniz ürünleri gibi) yeterince tüketilmesiyle önlenmeye çalışılmaktadır. Vücudun günlük normal iyot gereksinimi 0,2 miligram civarındadır. Özet Vücutta miktarda çok düşük düzeyde bulunmaları nedeniyle "eser element" olarak adlandırılan, demir, manganez, kobalt, kalay, flor, silisyum, selenyum ve iyot elementleri, normalin altındaki veya üzerindeki miktarlarda olduklarında son derece önemli sağlık sorunları ortaya çıkarabilen çok önemli elementlerdir. Enzimleri aktive eden, hücre içinde ve dışında pek çok olayda, bir kısmı henüz yeterince anlaşılamamış, aktif roller alan bu elementlerin organizmadaki düzeyleri birbirine bağımlılık gösterir. Bu elementlerden yeterince almayı sağlayacak bir beslenme rejimi sağlıklı bir yaşam için büyük önem taşır

344 Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki biyoelementlerden hangisi bir eser element değildir? A) Demir B) Sodyum C) Selenyum D) Bakır E) Silisyum 2. "Kandaki düzeyinin düşüklüğü anemi adı verilen rahatsızlığa yol açar ve bu da vücutta genel bir zayıf düşmeye, bitkinliğe neden olur?" Yukarıdaki ifadede sözü edilen eser element aşağıdakilerden hangisidir? A) Flor B) İyot C) Çinko D) Demir E) Bakır 3. Eksikliği halinde hücre yapısında mitokondrial anormallikler gözlenen eser element aşağıdakilerden hangisidir? A) Manganez B) Demir C) Kobalt D) Krom E) İyot 4. Cenindeki eksikliğinin büyüme gecikmesine, vücutta bozuk oluşumlara ve anormalliklere, doğumdan sonraki eksikliğinin ise cücelik, cinsel gelişme gecikmesi gibi sorunlara yol açtığı saptanan eser element aşağıdakilerden hangisidir? A) Demir B) Çinko C) Manganez D) Krom E) Bakır 5. Aşağıdaki eser elementlerden hangisi kandaki eritrositlerin oluşumu için gereken B 12 vitaminin bir üyesi olup, eksikliği halinde ağır bir kansızlığa neden olur? A) Bakır B) Vanadyum C) Kobalt D) Molibden E) İyot 6. "Pankreasın salgıladığı insülin bileşiğinin etkisini artırdığı için vücuttaki şeker düzeyinin normal ölçülerde tutulmasına yardımcı olmaktadır" Verilen ifade hangi eser elementi tanımlar? A) Demir B) Silisyum C) Çinko D) Flor E) Krom

345 7. Kandaki hemoglobin derişimi aşağıdaki element çiftlerinden hangisinin oranına göre değişebilir? A) Kalsiyum ve sodyum B) Potasyum ve çinko C) Fosfor ve kükürt D) Demir ve bakır E) Demir ve klor 8. Aşağıdaki eser elementlerden hangisi derinin rengini koyulaştırarak zararlı mor ötesi ışınlardan koruyan melanin pigmentinde yer alır? A) Cu B) Co C) Cr D) F E) I 9. "Kemik ve diş yapısında yer alan önemli bir ester element olan..., vücutta gereğinden az veya fazla bulunduğu takdirde dişlerde çürüme ve beneklenmeler ortaya çıkmaktadır." Yukarıdaki ifade de boş bırakılan yere aşağıdakilerden hangisi gelmelidir? A) Potasyum B) Selenyum C) Flor D) Manganez E) Çinko 10. Guatr hastalarının vücutlarında aşağıdaki biyoelementlerden hangisi gereğinden daha az bulunmaktadır? A) Karbon B) Kalsiyum C) Magnezyum D) Flor E) İyot

346 ÜNİTE 18 Laboratuvarda Uygulanan Temel İşlemler Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Kimya Laboratuvarında kullanılan temel malzemeler hakkında bilgi edinecek, Kimya Laboratuvarında uyulması gereken kuralları öğrenecek, Laboratuvarda karşılaşılabilecek kazalar ve yapılması gerekenleri bilecek, Laboratuvarda uygulanan temel işlemleri öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Kimya Laboratuvarında Kullanılan Temel Malzemeler Laboratuvarda Uyulması Gereken Kurallar Laboratuvarda Karşılaşılabilecek Kazalar ve Yapılması Gerekenler Laboratuvarda Uygulanan Temel İşlemler Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çalışmadan önce "Temel Kavramlar" konulu Ünite 1'i gözden geçiriniz.

347 1. GİRİŞ Bildiğiniz gibi kimya, maddelerin yapısını, özelliklerini ve başka maddelere dönüşüm reaksiyonlarını teorik (kuramsal) ve deneysel olarak inceleyen bir bilim dalıdır. Bu üniteye kadar temel kimya konularını teorik olarak gördünüz. Ancak temel ve uygulamalı bilimlerin öğrenimi sürecince çeşitli laboratuvarlarda uygulamalar yapılır. Bunların en basiti ve ilki Genel Kimya Laboratuvarıdır. Bu laboratuvarda; maddenin fiziksel ve kimyasal özellikleri, faz dönüşümleri, saflaştırma ve ayırma yöntemleri ve değişik koşullarda verdiği kimyasal reaksiyonlar incelenir. Bu yolla teori-deney ilişkisi kurulması sağlanmaya çalışırken, bir yandan da temel deney teknikleri öğrenilir, araştırma, gözlem ve deney yapma becerisi kazanılır. Günümüzde hızla gelişen teknolojinin sağladığı imkanlar ile eğitim, sağlık, endüstri, çevre ve tarım ile ilgili laboratuvarlarda çok gelişmiş aletler ile deneylerin yapıldığını görebiliriz. Ancak aletin kullanım düğmesine gelinceye kadar bazı temel laboratuvar bilgilerine gereksinim vardır. İnceleme yöntemleri ve mataryeli farklı olan meslek gruplarınca aynı yöntemler kullanılabilir, ancak amaçlarda farklılık görülmektedir. Bütün bu durumlar göz önüne alınarak, bu ünitede olanaklar ölçüsünde kimya laboratuvarında kullanılan malzemeler, dikkat edilmesi gereken kurallar ve temel işlemler ile ilgili ön bilgiler verilecektir. 2. KİMYA LABRATUVARINDA KULLANILAN TEMEL MALZEMELER Kimya Laboratuvarında kullanılan çok sayıda çok çeşitli malzemeler vardır. Bunları tek tek tanıtmak mümkün değildir. Bu nedenle, burada genel kimya laboratuvarında kullanılan temel alet ve malzemeler görülecektir. (Şekil 18.1)

348 Şekil 18.1 Çeşitli laboratuvar malzemeleri

349 Şekil 18.1 Çeşitli laboratuvar malzemeleri

350 Laboratuvarda deney yaparken kullanılan maddelerin miktarlarının doğru olarak kullanılması deneyin doğruluğu bakımından çok önemlidir. Burada "doğruluk" terimi ölçülen birdeğerin "gerçek" değere veya kabul edilen değere ne kadar yakın olduğunu belirtir. Bilindiği gibi katı maddeler tartılarak, sıvı ve gazlar ise hacim ölçümü ile ölçülürler. Tartım için kullanılan teraziler farklı duyarlılıkta olup çok çeşitlidir. Terazinin duyarlılığı, terazi dengede iken kefesine 1 mg konduğu zaman göstergenin yaptığı sapma ile ifade edilir. Örneğin 1 mg'da 10 taksimat sapan terazi 0,1 mg'a kadar duyarlı demektir. Bu duyarlılık terazinin yapılışına bağlıdır,ancak her terazinin duyarlılığı tartılan yük miktarının artışı ile azalır. Teraziler duyarlılıklarına ve kapasitelerine göre şu şekilde sınıflandırılır: Kaba teraziler : 500 g kapasite, 10 mg'a kadar duyarlı Makro teraziler : g kapasite, 0,1 mg'a kadar duyarlı Yarı-mikro teraziler : g kapasite, 0,01 mg'a kadar duyarlı Mikro teraziler : 20 g kapasite, 0,001 mg'a duyarlı Ultra mikro teraziler : 25 mg kapasite, 0,00002 mg'a kadar duyarlı Bu beş tip teraziden en çok kullanılanları; kaba tartımlar için kullanılan kaba teraziler, duyarlı tartımlar için kullanılan makro ve yarı-mikro terazilerdir. Yapılış bakımında da her duyarlılıktaki terazinin tek ve çift kefeli tipleri vardır. Şekil 18.1'de çift kefeli ve tek kefeli terazi görülmektedir. Tek kefeli teraziler çift kefelilerden daha pahalı olmalarına rağmen, tartım kolaylığı ve emin olması bakımından tercih edilirler. Sıvıların hacimlerinin ölçülmesinde ise genellikle cam ölçü malzemeleri kullanılır. Bu malzemelerin en çok kullanılanları balon joje, büret, mezür ve pipetlerdir. Balon jojelerle yalnızca belli hacimlerde ölçüm yapılır. Örneğin 100 ml'lik bir balon joje ile sadece 100 ml'lik bir hacmi ölçebiliriz. Büret ve mezürler ise ml ölçeklidir ve istenilen hacimde ölçüm yapılabilir. Pipetler hem ml ölçekli hem de belirli hacimde olabilirler. Ölçeklendirilmiş beher, erlen, balon, şişe gibi diğer cam malzemeler her ne kadar belirli hacimleri gösterseler de duyarlı hacim ölçümlerinde kullanılmaz. Isıtma veya vakum gerektiren deneylerde kullanılan cam malzemeler ise ısıya ve/veya vakuma dayanıklı cam malzemelerden özel olarak yapılmışlardır. Bazı madde ve malzemelerin nemden korunabilmesi için kullanılan desikatör de önemli cam malzemelerdendir. Bunların dışında, çeşitli amaçlarla kullanılan deney tüpü, cam çubuk (baget), cam boru (çeşitli çap, uzunluk ve açılarda), süzme işlemlerinde kullanılan huni, nuche erleni, ayırma işlemlerinde kullanılan ayırma hunisi, kurutma ve kristallendirmede kullanılan saat camı gibi cam malzemeler laboratuvarlarda bulunur (Şekil 18.1)

351 Şekil 18.2 Spor, kıskaçlar ve halkalar Cam malzemeler ile kurulan deney düzeneklerini sabitleştirmek için spor (bir destek üzerinde dikey olarak bulunur) kullanılır (Şekil 18.2). Kıskaç ve halkalar bu spora bağlanarak büret, huni vb. malzemeler sabitleştirilir. Deney tüpleri ise üzerinde tüplerin konulabileceği yerler bulunan tüplüklere yerleştirilir (Şekil 18.1). Isıtma ve buharlaştırma işlemlerinde bunzen beki veya elektrikli ısıtıcılar ile ateşe dayanıklı killerden yapılmış porselen krozeler ve kapsüller kullanılır (Şekil 18.1). Porselen krozelerden başka nikel, demir, platin vb. gibi metallerden yapılan krozeler de kullanılmaktadır. Bekteki ısıtma işlemlerinde kil üçgen (krozelerin ısıtılmasında), amyant tel (beher, erlen vb. cam malzemelerin ısıtılmasında) ve üç ayak kullanılır. Isıtılan malzemeler tahta veya metal maşa ile tutulur. Sıcaklık ölçümlerinde termometre, zaman ölçümlerinde kronometre kullanılır. Süzme işlemlerinde, huniler, gooch krozesi, nuche erleni gibi malzemeler kullanılır. Katı maddeleri öğütmek üzere havan, yıkama işlemlerinde cam veya plastikten yapılmış piset, fırça gibi malzemeler kullanılır (Şekil 18.1) 3. LABRATUVARDA UYULMASI GEREKEN KURALLAR Laboratuvarda yapılan deneyler belli bir itina ile yapıldığında emniyetlidir. Ancak kurallara uyulmadığında unutmayın ki bütün kimyasal deneyler tehlikelidir

352 Kurallara uyulduğu sürece laboratuvar tehlikeli ve korkulacak bir yer değildir! Öncelikle laboratuvarın ciddi çalışma yapılan bir yer olduğu akıldan çıkarılmamalı, beyaz laboratuvar önlüğü giyilmeli, saçlar dağınık olmamalıdır. Özellikle gözler kimyasal maddelerin etkilerinden korunmalı ve deneyler sırasında koruyucu gözlük kullanılmalıdır. Laboratuvarda kontak lenslerin kullanılması sakıncalıdır, kimyasal madde buharları göz ile kontak lens arasına sızarak etkisini yavaş gösteren zararlı oluşumlara yol açabilir. Kimyasal maddelerin ve çözeltilerin kullanımı sırasında ellere, yüze ve vücuda bulaşmamasına çok özen gösterilmelidir. Herhangi bir bulaşma durumunda ilk yardım düzeyinde laboratuvarda müdahele edilebilir. Ancak ağır olaylarda doktora başvurulmalıdır. Kimyasal maddeleri ve çözeltileri kesinlikle tatmamalı, çıplak elle tutmamalı, laboratuvarda yenilip içilmemeli, doğrudan burun yaklaştırılarak koklamamalıdır. Koku tanımlaması gerekiyorsa, kabın üzerinden elle yelpazelenerek buruna gönderilen bir miktar buharın kokusunun hissedildiği uzaklığa kadar yaklaşılarak yapılmalıdır (Şekil 18.4). Şekil 18.3 Koku tanımlaması Deneyde kullanılacak alet ve cam malzemenin temiz olmasına dikkat edilmeli, kırık ve çatlak araç-gereçle çalışmamalıdır. Deney bitiminde çalışma yeri ve kullanılan malzeme temizlenmelidir. Herhangi bir yere asit veya başka bir aşındırıcı kimyasal düküldüğünde anında bol su ile yıkanmalıdır. Kimyasal madde alırken, alınan kabın üzerindeki etiket dikkatle okunmalı, doğru maddenin alındığından emin olunmalıdır. Ayrıca kullanılan kimyasal maddeler doğrudan büyük şişelerden alınmamalıdır. Gereken miktar kadar sıvı reaktif

353 ler, reaktif şişelerine, katı maddeler de kapaklı geniş ağızlı cam veya plastik şişe ya da kavonozlara konulmalıdır. Reaktif şişeleri üzerine reaktif adını ve konsantrasyonunu belirten etiketler yapıştırılmalı ve kullanım sırasında kapakları açık bırakılmamalı sıkıca kapatılmalıdır. HN 3, HCl 4 gibi organik maddeleri etkileyen reaktifler için cam kapaklı cam şişeler kullanılmalıdır. Camı etkileyen HF ve derişik alkali hidroksit çözeltileri ise plastik şişelerde tutulmalıdır. Bir kimyasal madde veya çözeltiyi bulunduğu kaptan alırken kullanılan araç kesinlikle kuru ve temiz olmalıdır. Özellikle sıvılardan birini almak için kullanılan cam malzeme başka bir sıvı için kullanılmamalıdır. Asit, baz veya tuz çözeltilerinin hazırlanmasında; bu maddelerin üzerine su dökülmemelidir. Çünkü ani köpürmeler istenmeyen durumlara yol açabilir. Bu nedenle suyun üzerine bu tür maddeler yavaşça eklenmelidir. Laboratuvarda kullanılan birçok maddenin buharlarının solunulması zehirlenmelere ve solunum yollarında yara oluşumlarına yol açabilir. Laboratuvarda en çok kullanılan nitrik asit (HN 3 ), sülfürik asit (H 2 S 4 ), hidroklorik asit (HCl) gibi inorganik asitler; formik asit (HCH), asetik asit (CH 3 CH), kloroasetik asit (ClH 2 CH) gibi organik asitler ve pentan (C 5 H 12 ), benzen (C 6 H 6 ), etilalkol (C 2 H 5 4 ), asetik asitin etil esteri (CH 3 CC 2 H 5 ) gibi organik çözücülerin buharlaştırılmasında kaynama noktalarına uygun olarak seçilen değişik türde denetimli ısıtıcılar kullanılır. Özellikle bu maddelerin buharlarının zehirli olması çeker ocakta çalışmayı gerektirir. Alkol, eter gibi yanıcı organik sıvılar çeker ocakta bile asla çıplak alevde ısıtılmamalı uygun elektrikli ısıtıcı kullanılmaladır. Çeker ocak içinde hava emişi yapılabilen, ön tarafı sürgülü cam ile kapatılan birbölmedir (Şekil 18.1). İçerisinde hava emişini sağlayan bir aspiratör bulunur. Çalışma süresince aspiratör çalıştırılır ve ön sürgülü cam kapalı tutulur. Zehirli kimyasalları lavaboya akıtarak değil, size gösterilecek özel şişelere dökünüz. Katı kimyasal maddeler ve çözeltiler çöp sepetine dökülmemelidir. Lavaboya dökülmesi sorun yaratmayan çözeltiler bol su ile akıtılmalı; katı kimyasal maddeler ise toplama kabında toplanmalıdır

354 4. LABRATUVARDA KARŞILAŞILABİLECEK KAZALAR VE YAPILMASI GEREKENLER Laboratuvarda tüm önlemler alınmış olsa bile tamamen tehlikelerden uzaklaşılmış sayılmaz. Çalışma sürecince tüm dikkat ve ilgi çalışmaya verilmelidir. Karşılaşılabilecek tehlikeleri şöyle sıralayabiliriz: Yakıcı maddelerle çalışma (asit, baz vb), Patlayıcı maddelerle çalışma (yakıt maddeleri ile oksijenin birleşmesi), klorat ve Permanganatlarla sülfürik asitten oluşmuş karışımlar, zehirli madde ve gazlarla temas, zehirli gazların oluşması (arsenik hidrür,fosforik asit,hidrosiyanik asit,klor, brom gibi halojenler), zehirli maddelerle çalışma (kurşun bileşikleri, arsenik III oksit, siyanür tuzları, fosfor, civa gibi), cam malzemenin kırılması, yangın. Bütün bu tehlikelerin önüne geçmek için koruyucu gözlük kullanılmalı,tehlike taşıyan deneyler çeker ocakta yapılmalı, dietil eter, aseton, benzen, etil alkol gibi çabuk tutuşan maddelerle çalışırken yakın çevrede alev bulunmamasına özen gösterilmelidir. Yangın başlangıcı ile karşı karşıya kalındığında ise paniğe kapılmamak çok önemlidir. Eğer alev alan madde beher gibi bir kap içerisinde bir saat camı ile kapatılarak hava ile teması önleyerek alev boğulabilir. Ancak alev büyük alana yayılmış ise hemen gaz muslukları kapatılmalı,bütün yanıcı maddeler uzaklaştırılmalı, yangın söndürücülerle söndürmeye çalışılıp kum dökülmelidir. Yangın denetlenmez durumda ise derhal itfaiyeye haber verilmelidir. Ayrıca laboratuvarda, yanıklar, kesikler, asit ve baz yanıkları brom ve fosfor yanıkları, göz yaralanmaları, solunum yolu ile olan zehirlenmeler, yutulan maddeler ile olan zehirlenmeler ile karşı karşıya kalınabilir. Böyle durumlarda başvurulacak ilk Bardım dolabı mutlaka laboratuvarda bulunmalıdır. Ağır durumlarda doktora başvurulmalıdır! 5. LABRATUVARDA UYGULANAN TEMEL İŞLEMLER Laboratuvarda uygulananan kimyasal işlemler, kimyasal analiz ve kimyasal sentez olmak üzere iki grupta toplanabilir. Kimyasal analiz, bir kimyasal bileşikte veya karışımda bulunan element veya atom gruplarının aranması ve bunların o bileşik veya karışım içinde hangi oranlarda bulunduğunun saptanması için yapılan işlemlerin toplamına denir

355 Kimyasal analiz, kalitatif (nitel) analiz ve kantitatif (nicel) analiz olmak üzere iki bölümde incelenir. Kalitatif analiz, organik ya da inorganik özellikte bir maddenin bileşenlerini, kantitatif analiz ise bu bileşenlerin miktarlarını belirler. Kimyasal sentez ise basit yapılı maddelerden daha karmaşık yapılı maddelerin elde edilmesi için yapılan işlemlere denir (Kimyasal sentezin asıl uygulama alanı organik kimyadır). Bu bölümde, kimyasal sentez işlemlerine girilmeyecek, ancak kimyasal analizde en çok uygulanan heterojen karışımları ve homojen karışımları ayırma işlemleri üzerinde durulacaktır. Ayırma işlemleri, maddelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerinden yararlanarak yapılır. Kimyasal özelliklere dayanarak yapılan ayırma işlemlerinde, ayrılmak istenen maddelerden birinin bir reaktifle bileşik vermesi ve diğerinin ise bu bileşiği vermemesinden yararlanılır. Fiziksel özelliklere dayanarak yapılan ayırma işlemlerinde ise, maddelerin çözünürlük farklılığından veya kaynama noktalarının farklılığından yararlanılır. Bu tür ayırma işlemleri arasında; istenilen bir maddeyi uygun bir ortamdan çöktürerek ayırma, organik çözücülerde çözünen maddeleri sulu çözeltiden ekstraksiyon yoluyla ayırma, distilasyon, süblimasyon, kristallendirme işlemleri sayılabilir. Ayrıca, fiziksel ve kimyasal özellikleri birbirlerine çok yakın olan ya da eser miktarda ele geçen madde karışımlarını kısa sürede ayırabilen bir ayırma yöntemi de "kromatografi" olup günümüzde çok kullanılan bir yöntemdir Heterojen Karışımları Ayırma Yöntemleri Heterojen bir karışımı homojen kısımlara ayırma işlemlerine "temel işlemler" denir. Bu işlemlerde kullanılan belli başlı yöntemler kısaca aşağıda verilmiştir Çöktürme ve Çökeltilerin Çözeltilerden Ayrılması İki çözeltinin birbirine katılması sonucu ortamda çözünmeyen bir maddenin katı olarak ayrılması olayına "çökme" denir. Katı-sıvı heterojen karışımından, katı olarak ayrılan maddeye "çökelek" yapılan işleme ise "çöktürme" denir

356 Çöktürme işlemi; yeterli miktarda ya da iri taneli çökeleklerle çalışılıyorsa uygun büyüklükte bir beher içersinde, çok az miktarda olan çökeleklerle çalışılıyorsa santrifüj tüpünde yapılır Aktarma (Dekantasyon) Şekil 18.4 Aktarma işlemi luşan çökeleğin tümünün dibe çökmesi (sedimantasyon) beklenir ve üstteki duru sıvı bulandırılmadan dikkatlice başka bir kaba aktarılır. Bu şekilde üstteki sıvı kısmın ayrılmasına "aktarma" (dekantasyon) denir. Bu işlemde çökeleğin ağır, iri taneli ve kristal yapıda olması gerekir Süzme Şekil Süzme işlemi

357 luşan çökeleğin tanecikleri yeteri kadar iri taneli olmadığı durumlarda aktarma işlemi zorlaşır ve bu durumda süzme işlemi yapılır. Bu işlemde çökelek, sıvısından ince delikli birsüzgeçten geçirilerek ayrılır. Bu amaçla genellikle huni ve süzgeç kağıdı, porselen süzgeç vb. kullanılır. Kullanılacak süzgeç kağıdı; çökeleğin ince taneli, iri taneli veya jelimsi olmasına göre sırasıyla mavi bantlı (sık gözenekli), beyaz bantlı (orta gözenekli) ve siyah bantlı (geniş gözenekli) olanlardan seçilir. (Whatman süzgeç kağıtları, kağıdın delik çapına ve kimyasal yapısına göre özel renklerle (mavi, beyaz, siyah gibi) bandlandırılmıştır.) Vakumda Süzme Şekil Vakumda süzme (a) Su trompu yardımıyla (b) Vakum pompası yardımıyla Süzme işlemini kolaylaştırmak ve çabuklaştırmak için süzgeç altından vakum uygulanır. Bu işlem için genellikle yatay konumda delikli bir porselen yüzey içeren Büchner hunisi ve Nuche erleni kullanılır ve su trompu veya vakum pompası yardımı ile vakum yapılarak süzme işlemi gerçekleştirilir Santrifüjleme Şekil Santrifüj aleti