Genel Kimya III (Analitik Kimya) Editör: Doç. Dr. Hüseyin BAĞ

Transkript

1 i

2 Editör: Hüseyin Bağ Genel Kimya 3 ISBN: Kitaptaki her bir bölümün tüm sorumluluğu yazarına aittir. 2007, Pegem A Yayıncılık Bu kitabın basım, yayın ve satış hakları Pegem A Yayıncılık Tic. Ltd. Şti.'ne aittir. Anılan kuruluşun izni alınmadan kitabın tümü ya da bölümleri, kapak tasarımı mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik, kayıt ya da başka yöntemlerle çoğaltılamaz, basılamaz, dağıtılamaz. Bu kitap T.C. Kültür Bakanlığı bandrolü ile satılmaktadır. Okuyucularımızın bandrolü olmayan kitaplar hakkında Yayınevimize bilgi vermesini ve bandrolsüz yayınları satın almamasını diliyoruz. 1. Baskı: Kasım 2007 Yayın Yönetmeni: Gürsel Avcı Kapak Tasarımı: Fikret Kaplan Baskı: Öncü Basımevi Ankara Tel: (0312) Pegem A Yayıncılık Eğitim Danışmanlık Hizmetleri Tic. Ltd. Şti. Adakale Sokak 4/1 Yenişehir ANKARA Tel: (312) Belgeç: (312) Dağıtım Tel: (312) İnternet: E-posta: pegema@pegema.com.tr ii

3 ÖNSÖZ Bu kitap; Eğitim Fakültelerinin Fen Bilgisi Bölümü nde okutulan Genel Kimya III dersine yönelik olarak hazırlanmıştır. Kitap hazırlanırken, 2006 yılında Eğitim Fakültelerinde okutulacak dersler için yapılan yeni kur tanımları dikkate alınmıştır. Kitaptaki konular, Fen ve Teknoloji öğretmen adaylarının hazır bulunuşluk düzeyleri yanında meslek hayatlarında kazanmaları hedeflenen bilgi düzeyleri de göz önünde bulundurularak ele alınmıştır. Kitap; Analitik Kimyaya Giriş, Sulu Çözeltilerin Kimyası, Kimyasal Reaksiyonlar ve Kimyasal Denge, Asitler ve Bazlar, Gravimetrik analiz, Titrimetrik analiz ve Kompleksometrik analiz bölümlerini i- çermektedir. Konuların daha iyi anlaşılmasını sağlamak amacıyla çözümlü örnek problemlere yer verilmiş, konu sonlarına da değerlendirme soruları eklenmiştir. Bilgi Çağı olarak da adlandırılan içinde yaşadığımız yüzyılın nesillerini yetiştirecek olan öğretmen adaylarının yetiştirilmesi oldukça büyük bir öneme sahiptir. Fen ve Teknoloji Öğretmen adaylarının yeterli alan bilgisine sahip bir şekilde yetiştirilmeleri, hem kendilerinin hem de yetiştirecekleri nesillerin yeniçağı yakalamalarını kolaylaştıracaktır. Yeterli alan bilgisi ancak yeterli bilgi kaynaklarının kullanılması ile mümkün olacağı şüphesizdir. Hazırladığımız bu kitabın, Fen ve Teknoloji Öğretmen adaylarının analitik kimya konusunda gereksinim duyacakları temel kavramlara ilişkin bilgi ve becerilerin kazandırılması açısından önemli bir kaynak olacağı düşünülmektedir.

4 Genel Kimya III (Analitik Kimya) Editör: Doç. Dr. Hüseyin BAĞ Bölüm 1: Analitik Kimyaya Giriş Doç.Dr. Hüseyin BAĞ Pamukkale Üniversitesi, Eğitim Fakültesi Bölüm 2: Sulu Çözeltilerin Kimyası Yrd.Doç.Dr.Erdal KENDÜZLER Ahi Evran Üniversitesi, Eğitim Fakültesi Bölüm 3: Kimyasal Reaksiyonlar ve Kimyasal Denge Yrd.Doç.Dr.Abuzer AKGÜN Adıyaman Üniversitesi, Eğitim Fakültesi Bölüm 4: Asitler ve Bazlar Doç.Dr.Sibel SARAÇOĞLU Erciyes Üniversitesi, Eğitim Fakültesi Bölüm 5: Gravimetrik analiz Doç.Dr.Hikmet SAYILKAN İnönü Üniversitesi, Eğitim Fakültesi Bölüm 6: Titrimetrik analiz Doç.Dr.Ümit DİVRİKLİ Pamukkale Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi Bölüm 7: Kompleksometrik analiz Doç.Dr. Hüseyin BAĞ Pamukkale Üniversitesi, Eğitim Fakültesi

5 vii İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ... iii İÇİNDEKİLER... viii Bölüm 1: ANALİTİK KİMYAYA GİRİŞ Kimyasal Analizde Hatalar Belirli (Sistematik) Hatalar Rasgele (Belirsiz) Hatalar Analiz Sonuçlarının Değerlendirilmesi Aritmetik Ortalama Ortanca Doğruluk Kesinlik Doğruluk ve Kesinlik Arasındaki İlişki Belirsizlik DEĞERLENDİRME SORULARI KAYNAKÇA Bölüm 2: SULU ÇÖZELTİLERİN KİMYASI Giriş Çözeltiler Çözünme Olgusu Elektrolitler Çözünürlük... 20

6 viii 2.6. Çözünürlüğe Etki Eden Etkenler Sıcaklık Basınç Derişim Birimleri Mol Kesri Yüzde Derişim, % Molarite, M Molalite, m ppm ve ppb Çözelti Hazırlama ve Çözeltilerin Seyreltilmesi DEĞERLENDİRME SORULARI KAYNAKÇA Bölüm 3: KİMYASAL REAKSİYONLAR ve KİMYASAL DENGE Kimyasal Reaksiyonlar Çökme Reaksiyonları Nötralleşme Reaksiyonları Kompleksleşme Reaksiyonları Redoks Reaksiyonları (Elektron alış -verişi olan reaksiyonlar) Redoks Reaksiyonlarının Eşitlenmesi Kimyasal Denge İyonik Denge İyonik Bileşiklerin Çözünürlüğü ve Çözünürlük Çapımı Çözünürlüğe Ortak İyonun Etkisi Çökme ve Çöktürmeyle Ayırma İyonik Dengeler ve İyonik Şiddet Aktiflik Katsayısı Çözünürlüğe İyonik Şiddetin Etkisi Suyun İyonlaşma Dengesi DEĞERLENDİRME SORULARI KAYNAKÇA... 60

7 ix Bölüm 4: ASİTLER VE BAZLAR Arrhenius Asit-Baz Kavramı Çözgen Sistemler Brønsted-Lowry Asit-Baz Kavramı Lewıs Asit-Baz Kavramı Kuvvetli veya Zayıf Asitler ve Bazlar Brønsted Asit ve Bazlarının Kuvvetliliği Asitlik Kuvvetleri ve Molekül Yapısı Nötralleşme Suyun İyonlaşması Zayıf Asit ve Bazların İyonlaşma Dengeleri Konjuge Asit/Baz Çiftleri İçin İyonlaşma Sabitleri Zayıf Asit ve Zayıf Baz Çözeltilerinde Hidronyum İyonu Derişimlerinin Hesaplanması Ph ve Poh Kavramları Zayıf Asit ve Bazların Ph Hesaplamaları Tuz Çözeltilerinin Ph Değeri Ph Değerinin Biyolojik Önemi Ph Değerinin Ölçülmesi Poliprotik Asitler ve Bazlar Ortak İyon Etkisi Tampon Çözeltiler Tampon Çözeltilerin Özellikleri Seyrelme Etkisi Tampon Kapasitesi DEĞERLENDİRME SORULARI KAYNAKÇA

8 x Bölüm 5 : GRAVİMETRİK ANALİZ GRAVİMETRİK YÖNTEMLER GRAVİMETRİK HESAPLAMALAR GRAVİMETRİK VERİLERDEN SONUÇLARIN HESAPLANMASI ÇÖKELEKLERİN VE ÇÖKTÜRÜCÜLERİN ÖZELLİKLERİ Çökeleklerin Tanecik Boyutu, Süzülebilirliği ve Saflığı Kolloidal Çökelekler Kristal Çökelekler Homojen Çözeltiden Çöktürme Çökeleklerin Kurutulması Ve Yakılması Gravimetrik Analizde Duyarlılık, Doğruluk, Seçimlilik Gravimetrik Yöntemlerin Duyarlılığı Gravimetrik Yöntemlerin Doğruluğu Gravimetrik Yöntemlerin Seçiciliği Gravimetrik Metotların Uygulamaları DEĞERLENDİRME SORULARI KAYNAKÇA Bölüm 6 : TİTRİMETRİK ANALİZ Bazı Terimlerin Tanımları Titrasyon İşlemleri Volumetrik Hesaplamalar Dönüm Noktası Tayin Yöntemleri İndikatörler Asit-Baz Titrasyonları Asit-Baz İndikatörleri Asit-Baz Titrasyon Eğrileri

9 xi Kuvvetli Bir Asitin Kuvvetli Bir Bazla Titrasyonu Kuvvetli Bir Bazın Kuvvetli Bir Asitle Titrasyonu Zayıf Bir Asitin Kuvvetli Bir Bazla Titrasyonu Zayıf Bir Bazın Kuvvetli Bir Asitle Titrasyonu Redoks Titrasyonları Redoks İndikatörleri Kompleks Oluşum Titrasyonları Kompleksometrik Dönüm Noktası Tayini Çöktürme Titrasyonları Titrasyon Eğrileri Anyon Karışımları İçin Titrasyon Eğrileri Çöktürme Titrasyonları İçin Dönüm Noktasının Belirlenmesi Çöktürme Titrasyonları İçin Kimyasal İndikatörler DEĞERLENDİRME SORULARI KAYNAKÇA Bölüm 7: KOMPLEKSOMETRİK ANALİZ İnorganik Ligandlı Kompleksler EDTA Titrasyonları EDTA Dengeleri Durum Oluşum Sabiti Titrasyon Eğrileri İndikatörler Tepkime hızının yavaş olması Uygun İndikatörün Bulunamaması DEĞERLENDİRME SORULARI KAYNAKÇA

10 xii EKLER EK 1: Çözünürlük Çarpımı Sabitleri EK 2: Asitlerin İyonlaşma Sabitleri Monoprotik Asitlerin İyonlaşma Sabitleri Poliprotik Asitlerin İyonlaşma Sabitleri EK 3 İndirgenme Potansiyelleri EK 4: Elementlerin Mol Kütleleri

11 Analitik Kimyaya Giriş 1 Bölüm 1: ANALİTİK KİMYAYA GİRİŞ Analitik kimya, kimya biliminin belirli bir maddenin kimyasal bileşenlerinin ya da bileşenlerden bir bölümünün niteliğinin ve niceliğinin belirlenmesini (kimyasal analiz) inceleyen koludur. Analitik kimyada kimyasal analiz kalitatif (nitel) ve kantitatif (nicel) olmak üzere iki şekilde uygulanır. Bir maddenin hangi bileşenlerden (element veya bileşiklerden) meydana geldiğini bulmaya yarayan analiz türüne kalitatif; bu bileşenlerden her birinin miktarlarını sayısal olarak bulmaya yarayan analiz türüne de kantitatif analiz denir. Nicel analizden önce maddenin nitel analizinin yapılması gerekir. Çünkü ne olduğu bilinmeyen türlerin miktarının bulunması hiçbir şey ifade etmez. Kantitatif analiz, metotlar yönünden klasik ve modern olmak üzere ikiye ayrılır. Klasik metotlar, maddenin ağırlık ve hacim özelliklerine dayanan metotlardır. Maddenin ağırlığı göz önüne alınarak yapılan analize gravimetrik, hacim göz önüne alınarak yapılana da volumetrik analiz denir. Gravimetrik ve volumetrik analizlerin her ikisi de günümüzde çok kullanılmaktadır. Özellikle fen ve şehirciliğin gelişmesiyle, medeniyeti tehdit etmeye başlayan çevre sorunlarının tespiti çalışmaları bu metotların önemini bir kat daha artırmıştır. Modern metotlara enstrümantal analiz da denilmekte olup, 1930 yılından sonra hızlı olarak gelişmeye başlamıştır. Bu metotlar, maddenin ışık absorbsiyonu, ışık emisyonu, magnetik, elektrik, radyoaktiflik gibi özellikleri üzerine kurulmuştur. Bugün sadece bir özellik üzerine kurulmuş olan metotlar ciltlerle kitap doldurulacak kadar çoğalmıştır. Enstrümantal analiz klasik analizden daha hassas, daha az zaman alıcı ve daha kolay olmakla beraber, sonuçlarının değerlendirilmesi için konunun uzmanı kimyacılara ihtiyaç vardır. Bir analiz için uygulanacak analiz metodu madde miktarına bağlı olarak değişir. 50 mg'dan daha fazla madde miktarı ile yapılan analize makro analiz, mg arasındaki miktarla yapılan analize yarı - mikro analiz, 1-10 mg arasındaki miktarla yapılan analize mikro analiz, 0,001-1 mg arasındaki miktarla yapılan analize ultramikro analiz ve 0,001 mg'ın altında kalan miktarla yapılan analize de sub-mikro

12 Sulu Çözeltilerin Kimyası 15 Bölüm 2: SULU ÇÖZELTİLERİN KİMYASI 2.1. Giriş Kimyadaki tepkimelerin büyük bir kısmı sulu çözeltilerde gerçekleşir, çünkü çözeltideki molekül ve iyonlar kısmen serbesttirler; kolayca hareket ederler, çarpışırlar ve etkileşirler. Plazma gibi bazı çözeltiler hayati önem taşırlar. Solunum sürecinde aldığımız oksijen, alyuvarlar tarafından kan dolaşımı yoluyla plazma içinde bütün vücudumuzu dolaşır. Plazma; tuzların, besin maddelerinin ve metabolizma artıklarının sudaki çözeltisidir. Dünyamızda karşılaşabileceğiz en büyük sıvı çözeltiler, dünya yüzeyindeki suların 1, tonunu oluşturan okyanuslardır. Hava, büyük ve hayati önem taşıyan bir gaz çözeltisidir Çözeltiler İki ya da daha fazla kimyasal maddenin herhangi bir oranda bir araya gelerek oluşturdukları homojen karışımlara çözelti denir. Diğer bir deyişle, bir maddenin başka bir madde içinde gözle görülmeyecek kadar küçük tanecikler halinde dağılarak, her yerinde aynı dağılımlı karışım oluşturma olayına çözünme, elde edilen karışıma da çözelti denir. Bir çözeltide en az iki bileşen vardır. Genellikle, çözelti içinde miktarı çok olan bileşene çözücü, miktarı az olan bileşen(ler)e ise çözünen(ler) denir. Doğada birçok çözücü ve çözünen madde vardır. Bilinen en iyi ve yaygın çözücü sudur. Çözücü ve çözünen; katı, sıvı ve gaz olabilir. Çizelge 2.1 de günlük hayatta ya da laboratuarlarımızda karşılaşabileceğimiz çeşitli çözeltiler verilmiştir. Tablo 2.1. Bazı katı, sıvı ve gaz çözeltiler Çözücü Çözünen Örnek çözelti Sıvı Sıvı Kolonya (Su + Alkol) Sıvı Katı Şekerli su (Su + Şeker) Sıvı Gaz Gazlı içecekler ( Su + CO 2 ) Katı Sıvı Amalgam (Gümüş + Civa) Katı Katı Prinç, alaşım (Bakır + Çinko) Gaz Gaz Hava (Azot + Oksijen + diğer gazlar)

13 Kimyasal Reaksiyonlar 39 Bölüm 3: KİMYASAL REAKSİYONLAR ve KİMYASAL DENGE 3.1. Kimyasal Reaksiyonlar Genel olarak kimyasal reaksiyonlar; 1. İyon-iyon reaksiyonları 2. İyon-molekül reaksiyonları 3. Molekül reaksiyonları Analitik kimyada en çok karşılaşılan reaksiyon türü iyon-iyon ve kısmen de iyon-molekül reaksiyonlarıdır. Molekül-molekül reaksiyonlarını organik kimya inceler. Bir iyon-iyon veya iyon-molekül reaksiyonunun nasıl meydana geldiğini anlamak için aşağıdaki belirtileri göz önünde bulundurmak gerekir. 1. Renkli veya renksiz bir çökeleğin meydana gelmesi 2. Çökeleğin çözülmesi 3. Renk değişimi 4. Çözeltinin ısınması veya soğuması 5. Gaz çıkışı olması veya koku gelmesi Analitik kimyanın incelediği iyon-iyon veya iyon-molekül reaksiyonları şunlardır: 1. Çökme reaksiyonları 2. Nötralleşme reaksiyonları 3. Kompleksleşme reaksiyonları 4. Redoks reaksiyonları 5. Bir çökeleği başka bir çökeleğe dönüştürme reaksiyonları

14 Asitler ve Bazlar 61 Bölüm 4: ASİTLER VE BAZLAR Günlük hayatta karşılaştığımız maddelerin bir kısmı asittir. Bunlar genellikle yakıcı ve tahriş edici olarak bilinmesine rağmen çoğu zaman da vazgeçemediğimiz yiyeceklerde bulunur. Mesela sirkenin yapısında asetik asit, limon suyunda sitrik asit, gazoz gibi içeceklerde karbonik asit, elmada maleik asit, yeşil yapraklı sebzelerde folik asit, kolada fosforik asit, portakal, mandalina gibi turunçgillerde askorbik asit, aspirinde asetil salisilik asit bulunmaktadır. Yine bir kısım asitler vücudumuzdaki proteinlerin yapıtaşlarını oluşturmaktadır. Nitrik asit, sülfürik asit, siyanür asidi gibi bazı asitlerin ise yenilip içilmesi canlı vücudu için tehlike arz eder. Elimizi sabunla yıkarken sabunun verdiği kayganlık hissini hepimiz fark etmişizdir. Yüzümüzü sabunla yıkarken gözümüze kaçtığında gözümüzün yanmasına sebep olur. Sabuna kaygan, yakıcı, acı olma gibi özellikleri veren madde bazdır. Bazlar temizlik maddelerinde, şampuanlarda ve diş macunu, sabun, çamaşır sodası, amonyaklı su, kostik (NaOH), kireç kaymağı (Ca(OH) 2 ) gibi daha birçok maddenin yapısında bulunur.

15 Gravimetrik Analiz 119 Bölüm 5 : GRAVİMETRİK ANALİZ 5.1. GRAVİMETRİK YÖNTEMLER Gravimetri, herhangi bir maddenin kütlesinin veya kütlesindeki değişimin ölçülmesi ile ilgili tüm teknikleri içerir. Kütle ölçümü tüm analitik ölçümlerin en temeli olup, gravimetri de, hiç tartışmasız en eski analitik tekniktir. Gravimetrik metotlar, bir maddenin kimyasal olarak ilgili olduğu diğer bir saf maddeye dönüştürülmesine dayanan kantitatif tayin metotları olup, kütlenin bir analitik terazi ile ölçümüne dayanır. Kütle ölçümüne dayanan gravimetrik metotlar genel olarak; 1) Çöktürme metodu ve 2) Uçucu hale getirme (yakma) metodu olmak üzere iki çeşittir. Çöktürme metodunda, analizi yapılacak madde, uygun bir reaktif kullanılarak, hemen hemen hiç çözünmeyen veya son derece az çözünen bir çökelek halinde çöktürülür. Süzülerek çözelti ortamından ayrılan çökelek, içerisinde bulunabilecek safsızlıkların uzaklaştırılması için yıkanır ve uygun ısıl işlemlerle, bileşimi belirli olan bir ürüne dönüştürülür. Son basamak olarak ürün tartılır ve madde miktarı tayin edilir. Bu işlemler basitçe aşağıdaki Şekil 5.1 de gösterilmiştir. Şekil 5.1: Çöktürme metodunda uygulanan işlemler

16 Titrimetrik Analiz 159 Bölüm 6 : TİTRİMETRİK ANALİZ Titrimetrik metotlar, hızlı, uygun, doğru oldukları ve kolaylıkla otomatik hale getirilebildikleri için rutin analizlerde çok yaygın olarak kullanılırlar. Konsantrasyonu bilinen bir çözeltinin analizi yapılan madde (analit) ile reaksiyona giren miktarının ölçümüne dayanan kantitatif analiz metotlarıdır. Titrasyon işleminde, derişimi bilinen asit veya baz çözeltisi (standart çözelti), büret denen bir cam düzenekten derişimi bilinmeyen asit veya baz çözeltisine nötralizasyon tamamlanana kadar yavaş yavaş eklenir. Volumetrik titrimetri, standart reaktifin hacminin ölçülmesi temeline dayanan bir titrimetrik metottur. İndirgenme-yükseltgenme reaksiyonları, asit-baz reaksiyonları, kompleks oluşum reaksiyonları, çöktürme reaksiyonları olarak dört bölümde incelenir. Gravimetrik (ağırlık) titrimetri, standart reaktifin kütlesinin ölçülmesine dayanan titrimetrik metottur. Kulometrik titrimetri ise, analit ile bir reaksiyonun tamamlanması için gerekli kulon cinsinden yük miktarının ölçüldüğü titrimetrik metottur Bazı Terimlerin Tanımları Standart Çözelti: Titrimetrik analizde kullanılan konsantrasyonu bilinen çözeltidir.ideal olarak şu özelliklere sahip olması gerekir: -Konsantrasyonu bir defa belirlendikten sonra uzun süre değişmeden kalabilmeli -Analit ile reaksiyonu hızlı olmalı -Analit ile seçici olarak reaksiyona girmeli, reaksiyon basit kimyasal denklemle gösterilebilmeli -Analit ile tamamen reaksiyona girmeli ve titrasyonda keskin bir dönüm noktası görülmelidir. Birincil Standart Madde: Bir titrimetrik analizde referans olabilecek çok yüksek saflıkta bir bileşiktir.önemli özellikleri şunlardır: -Çok saf olmalı -Kararlı olmalı

17 Kompleksometrik Analiz 205 Bölüm 7: KOMPLEKSOMETRİK ANALİZ Kompleks oluşumuyla gerçekleştirilen analize kompleksometrik analiz denir. Kompleksometrik analizler, şelat olarak adlandırılan koordinasyon bileşikleriyle ilgilidir. Bir elektron çifti sunarak bir katyon veya nötral bir metal atomu ile bir kovalent bağ oluşturan iyon veya moleküllere ligant adı verilir. bir katyonun tek bir ligantta bulunan iki veya daha fazla elektron çifti sunan gruba bağlanmasıyla oluşan bir halkalı komplekse de şelat denilir. tir. Kompleks oluşumu ile analiz yapılabilmesi için oluşan kompleksin oluşum sabitinin (Kol) büyük olması ve tek basamakta oluşması gerekir. Birden fazla basamakta oluşan komplekslerin oluşum sabitleri yeterince büyük değildir. Örneği Zn ve NH 3 dört basamakta kompleks oluşturur. Bu basamakların oluşum sabitleri küçüktür. Zn +2 + NH 3 [Zn(NH 3 )] 2+ K ol1 = 186 [Zn NH 3 ] 2+ + NH 3 [Zn(NH 3 ) 2 ] 2+ K ol2 = 220 [Zn(NH 3 ) 2 ] 2+ + NH 3 [Zn(NH 3 ) 3 ] 2+ K ol3 = 251 [Zn(NH 3 ) 3 ] 2+ + NH 3 [Zn(NH 3 ) 4 ] 2+ K ol4 = 112 Kompleksleşme reaksiyonlarında iki türlü bileşik görülür. Bunlar komplekse bağlanan ligandlara göre organik ve inorganik ligandı kompleksler olarak ayrılırlar İnorganik Ligandlı Kompleksler Yapısında H 2 O, NH 3, OH, CN, SCN, F, Cl, Br, I, S 2 O 3 2 gibi inorganik ligantlar olan komplekslere inorganik ligandı kompleksler denir.

18 EKLER 219 EK 1: Çözünürlük Çarpımı Sabitleri Bromür (Br ) Kç CuBr AgBr 5, Hg 2 Br 2 5, HgBr 2 1, PbBr 2 2, Karbonat (CO 2 3 ) Kç MgCO 3 3, CaCO 3 (kalsit) 4, CaCO 3 (aragonit) 6, SrCO 3 9, BaCO 3 5, MnCO 3 5, FeCO 3 2, CoCO 3 1, NiCO 3 1, Ag 2 CO 3 8, Hg 2 CO 3 8, ZnCO 3 1, CdCO 3 1, PbCO 3 7, Klorür (Cl ) Kç CuCl 1, AgCl 1, Hg 2 Cl 2 1, PbCl 2 1,7 10 5