T.C. SAKARYA ÜNĐVERSĐTESĐ MÜHENDĐSLĐK FAKÜLTESĐ KĐMYA DERS NOTLARI

Transkript

1 Kaynaklar T.C. SAKARYA ÜNĐVERSĐTESĐ MÜHENDĐSLĐK FAKÜLTESĐ KĐMYA DERS NOTLARI Petrucci, H.R., Harwood, S.W., Herring, F.G., Genel Kimya Đlkeler ve Modern Uygulamalar, Çev. Uyar, T., Aksoy, S., Palme Yayıncılık, 2002, Ankara. Mortimer, C.E., Modern Üniversite Kimyası, Cilt 1, Çev. Altınata, T., Beşinci Baskı, Çağlayan Kitabevi, 2004, Đstanbul. Aydın A.O., Sevinç, V., Şengil, Đ.A., Temel Kimya, Aşiyan Yayınları, 2001, Adapazarı. Konular Madde ve Özellikleri Atomun Yapısı ve Özellikleri Periyodik Tablo ve Özellikleri Kimyasal Bağlar Kimyasal Bileşikler Kimyasal Reaksiyonlar ve Hesaplamalar Katılar, Sıvılar ve Gazlar Sulu Çözelti Tepkimeleri Asitler ve Bazlar Elektrokimya Kimyasal Denge Kimyasal Kinetik Termodinamik 1

2 KĐMYANIN AMACI Kimya dünyamızda çok hayati öneme sahip olan ve sürekli gelişen aktif bir bilimdir. Günümüzde modern kimya deneysel bir bilim halini almıştır. Biyoloji, fizik, jeoloji, ekoloji ve bir çok bilim dalında yapılan çalışmalarda kimyanın temel konularının bilinmesi gerekli olduğu için; kimya sık sık merkezi bilim olarak adlandırılır. Çevremize baktığımızda her şeyin kimyasal maddelerden yapılmış olduğunu ve güncel hayatımızda gerçekleşen bir çok olayın birer kimyasal tepkimeden başka bir şey olmadığını görürüz. Otomobilimizin motorunun, aküsünün çalışması, evlerimizi boyamada kullandığımız boyalar, kullandığımız ilaçlar vb. örnekler verilebilir Kısaca Kimya hayatımızın vazgeçilmez unsurlarındandır. Bir bilim olarak kimya maddenin yapısını ve özelliklerini inceler ve karakterize eder. Kimya bilimi o kadar geniş bir alana yayılmıştır ki günümüzde kimya ile ilgili araştırma yapılan ana bilim dallarına ayrılmıştır. Bunlar; Đnorganik kimya, Analitik kimya, Organik kimya, Fizikokimya, Çevre kimyası, Sınai kimya ve Biyokimya olarak sayılabilir. Đnorganik kimya karbon haricindeki elementleri ve özelliklerini incelerken, Organik kimya sadece karbon elementi üzerine kurulmuş bir bilimdir. Analitik kimya ise kimyasal maddelerin birbirinden ayrılmalarını ve tanınmalarını incelerler. Fizikokimya ise kimyanın tümüyle ilgili soruların cevaplarını fizik ile birlikte bulmaya çalışır. Bilimin bu kadar geniş alana yayılması bilim adamlarını fizik,kimya, biyoloji vb. bilimlerinin alt alanlarında ihtisaslaşma ve bilimsel yöntem geliştirmeye itmiştir. BĐLĐMSEL YÖNTEM Kimya biliminin deneysel kısmını üç aşamalı olarak düşünebiliriz. Birinci aşama gözlemdir. Kimyacı bir deneyde sıcaklık, renk, hal değişimlerini gözlemler. Đkinci aşamada ise kısa semboller, işaretler ve bilim dili ile deneyi kayıt eder ve verileri toplar. 2

3 Üçüncü aşamada ise elde etmiş olduğu verileri yorumlar. Bilimsel yöntem; bilimsel bir araştırma yaparken doğru soruların sorulması, doğru sonuçların elde edilmesi için doğru deneylerin yapılması ve elde edilen verilerin mantıklı olarak yorumlanmasıdır. Bütün bilimlerde araştırma için yapılan sistematik yaklaşıma bilimsel yöntem denir. Araştırmalarda elde edilen bilgiler hem nitel hem de nicel sonuçlar olabilir. Bütün bilimlerde araştırma için yapılan sistematik yaklaşıma bilimsel yöntem denir. Araştırmalarda elde edilen bilgiler hem nitel hem de nicel sonuçlar olabilir. Bir bilimsel araştırmada gözlemler sonucu elde edilen sonuçların geçici açıklamasına Hipotez denir. Hipotezin deneysel sonuçlarla çelişmediğine dair bilgiler toplanırsa, kurama dönüşür. Kuram doğal olayları açıklamak ve bunlara ilişkin yargılarda bulunabilmek için kullanılan bir modeldir. Kanun ise aynı koşullar altında aynı sonuçların elde edildiği olgular arasındaki ilişkilerin matematik ve sözlü olarak açıklanmasıdır. Bilimsel yöntem gözlemler, deneyler, yasa ve hipotezlerin formül haline getirilmesidir. Bilimde nadiren de olsa rastlantılarla da olsa birçok buluşlar yapılmıştır. Örneğin X- ışınları, radyoaktiflik, penisilin gibi birçok şey tesadüfen bulunmuştur. Bir bilimsel araştırmada gözlemler sonucu elde edilen sonuçların geçici açıklamasına Hipotez denir. Hipotezin deneysel sonuçlarla çelişmediğine dair bilgiler toplanırsa, kurama dönüşür. Kuram doğal olayları açıklamak ve bunlara ilişkin yargılarda bulunabilmek için kullanılan bir modeldir. 3

4 MADDENĐN SINIFLANDIRILMASI Boşlukta yer tutan ve kütlesi olan her şeye madde denir. Madde, atom dediğimiz çok küçük birimlerden oluşur. Bütün maddeler maddenin üç halinden yani katı, sıvı veya gaz hallerinden birinde bulunurlar. Katılarda moleküller birbirlerine bir kristal örgüsü için de sıkıca bağlı olup, moleküllerin hareket etmesi çok kısıtlıdır. Sıvılarda moleküller birbirlerine çok yakın ve katılara göre daha zayıf bağlarla bağlı olup, moleküller birbirlerine göre pozisyon değiştirebilmektedir. Sıvılar bu özellikleri ile akışkandırlar ve bulundukları kabın şeklini alırlar. Gaz halde ise moleküllerin boyutları ile karşılaştırıldığında moleküller arası uzaklığın çok fazla olduğu görülür. Maddenin üç hali birbirine dönüşebilirler. Madde ile enerji arasında çok önemli ilişki vardır. Örneğin maddenin bir halden diğerine geçişinde daima enerji alışverişi ile olur. Tabiatta ki maddeleri sınıflandıracak olursak saf maddeler ve saf olmayan maddeler (karışım) diye ayırabiliriz. 4

5 Saf maddeler elementler ve bileşiklerdir. Element : Kimyasal olarak daha basit maddelere ayrıştırılamayan maddelere denir. Kısaca tek cins atomdan oluşmuş maddelere element denir. Şimdiye kadar 115 element tanımlanmıştır. Ancak Tabiatta 83 adet element doğal olarak bulunmaktadır. Elementler sembollerle gösterilirler. Örneğin aşağıda bazı elementler ve sembolleri verilmiştir. Oksijen: O Nikel: Ni Kükürt: S Azot: N Alüminyum:Al Hidrojen: H Krom: Cr Kalsiyum: Ca Klor: CI Bakır:Cu Altın: Au Demir: Fe Flor: F Karbon: C Civa: Hg Sodyum: Na Bu elementler bir tablo halinde periyodik cetvel olarak adlandırılan bir çizelgede toplanmıştır. Bileşik: Farklı element atomlarının birleşmesi ile oluşan maddelere bileşik denir. Tabiatta elementlerin kimyasal reaksiyonu sonucu oluşmuş milyonlarca bileşik bulunmaktadır. Bazı bileşikler ve formülleri aşağıda verilmiştir. Su: H 2 O Amonyum nitrat: NH 4 NO 3, CaCl 2, NaOH, HCl, CaCO 3 5

6 Karışım saf olmayan maddelere denir. Karışımlar homojen ve heterojen olmak üzere ikiye ayrılırlar. Homojen karışımlara kısaca çözelti denir. Çözeltilerin bileşimi ve özellikleri verilen bir örneğin her tarafında aynıdır. Şekerli su, hava, deniz suyu homojen karışımlara örnek olarak verilebilir. Heterojen karışım ise özellikleri maddenin her tarafında aynı olmayan maddelerdir. Su-kum karışımı, ayran, bitki yaprağı, yağ-su karışımı heterojen karışıma örnek verilebilir. FĐZĐKSEL VE KĐMYASAL ÖZELLĐKLER Özellik; bir madde örneğini başka madde örneklerinden ayıran niteliklerdir. Fiziksel ve kimyasal özellik olarak iki gruba ayrılır. Fiziksel özellik Maddenin bileşimini değiştirmeyen ancak görünümü ile ilgili olan bir özelliktir. Örneğin metallerin ısı ve elektriği iletmesi, ametallerin nispeten iletmemesi, hal değişimleri fiziksel değişimlerdir. Fiziksel bir değişmede maddenin kimyasal özellikleri tamamen korunur. Kimyasal özellik Tamamen maddenin temel yapısı ile ilgilidir, kimyasal bir değişimde madde özelliklerini kaybederek farklı bir maddeye dönüşür. Güncel hayattan örnekleyecek olursak odun kömür vb. şeylerin yanması, metallerin paslanması, suyun elektrolizi ile hidrojen ve oksijen gazlarının elde edilmesi verilebilir. KARIŞIMLARIN AYRILMASI Karışımların ayrılması maddelerin fiziksel özellikleri yardımıyla gerçekleştirilebilir. Homojen ve heterojen karışımları bileşenlerine ayırma işlemlerine saflaştırma denir. Saflaştırma yöntemleri iki grupta toplanır. Heterojen Karışımları Ayırma Yöntemleri Homojen Karışımları Ayırma Yöntemleri 6

7 Heterojen Karışımları Ayırma Yöntemleri Sedimentasyon, dekantasyon, Süzme (Katı-sıvı) Santrüfüjleme (sıvı-sıvı) Ayırma Hunisi (sıvı-sıvı/yoğunluk farkı) Yüzeye Çıkma / Dibe Çökme (katı-katı) Manyetik Ayırma (katı-katı) Eleme (katı-katı) Homojen Karışımları Ayırma Yöntemleri Distilasyon (sıvı-sıvı) Kristallendirme (katı-katı/katı-sıvı) Kromatografi (adsorplanan maddeler) Ekstraksiyon (Çözünen maddeler) Süblimasyon (katı-sıvı) Kondensasyon (gaz-gaz) Bileşiklerin Ayrıştırılması Fiziksel değişmeler sırasında maddenin kimyasal yapısında değişiklik olmaz. Ancak, bir bileşiğin ayrışması kimyasal bir değişmeyi gerektirir. Bileşikler genellikle elektro kimyasal işlemler ile ayrıştırılırlar. Suyun elektrolizi ile oksijen ve hidrojen gazları açığa çıkar. 7

8 MADDENĐN ÖLÇÜLMESĐ Kimya, sayısal bir bilimdir. Maddenin birçok özelliğini ölçerek ve inceleyerek sayısal ifadelerle gösteririz. Örneğin su 1 atmosfer basınç altında C de kaynar ifadesinde suyun özelliği verilmektedir. Ölçümü bir sayı ile bir birimin çarpımı ile ifade ederiz. Bir büyüklüğü ölçmek ve karşılaştırmak amacıyla seçilen aynı cinsten büyüklüklere birim denir. Günümüzde evrensel olarak kullanılmakta olan SI Uluslararası birim sistemi kullanılmaktadır. Bu sistem metre (m) diye bilinen uzunluk birimini temel alan metrik sistemin modern şeklidir. SI sistemi Uzunluk, Kütle, Zaman, Sıcaklık, Madde Miktarı, Elektrik Akımı ve Aydınlık Şiddeti olmak üzere yedi temel birimden oluşur. Diğer tüm fiziksel nicelikler bu yedi birimden türetilen birimlere sahiptirler. SI ondalık bir sistemdir. Temel birimden, on un kuvvetleri kadar farklılık gösteren nicelikler, temel birimden önce belirtilir. Örneğin kilo ön eki temel birimin bin katını (10 3 ) gösterir. 1 Kilometre = 1000 metre ya da 1 km = 1000 m Fiziksel Nicelik Birim Kısaltma Uzunluk Metre m Kütle Kilogram kg Zaman Saniye s Sıcaklık Kelvin K Elektrik Akımı Amper A SI Ön Ekleri 10 9 giga (G) 10 6 mega (M) 10 3 kilo (k) 10 2 hekto (h) 10 deka (da) 10-1 desi (d) 10-2 santi(c ) 10-3 mili (m) 10-6 mikro (µ) 10-9 nano (n) 8

9 KÜTLE VE AĞIRLIK Kütle madde miktarını belirtir ve kilogram ile ölçülür. Ağırlık ise bir cisim üzerindeki yer çekimi kuvvetidir ve kütle ile doğru orantılıdır. W α m W = g x m Maddenin kütlesi nerede ve nasıl ölçüldüğüne bakılmaksızın sabittir. Diğer taraftan maddenin ağırlığı bulunduğu yere göre değişebilir. Çünkü yerçekimi ivmesi yeryüzünde her bölgede farklıdır. Örneğin Rusya da 100 kg.m/s 2 olan bir cisim, Panamada 96,6 kg.m/s 2 ve Ay da 17 kg.m/s 2 ağırlığa sahip olabilir. Ancak kütlesi sabittir. Ağırlık bir bölgeden bir bölgeye değişmekle birlikte cisim her üç bölgede de aynı kütleye sahiptir. HACĐM 1kg=1000g=1* kg = 1 ton 1g = 1000mg Maddenin hacmi genellikle metreküp, desimetreküp, santimetreküp, litre ve mililitre ile ifade edilir. 1cm 3 = 1*10-6 m 3 1dm 3 =1*10-3 m 3 1litre = 1000mL 1ml=1*10-3 L 1ml=1cm 3 YOĞUNLUK Birim hacimdeki maddenin kütlesine yoğunluk denir. Yoğunluk= kütle/hacim d=m/v 1g/cm 3 = 1g/ml= 1000 kg/m 3 Örnek: Bir metal parçası 96,4 g geliyor, hacmi 4,49 cm 3 olduğuna göre yoğunluğu nedir? d=m/v d=96,4 g/4,49 cm 3 = 21,5 g/cm 3 Örnek: Alkolün yoğunluğu 0,79 g/cm 3 tür. 17,4 ml alkolün kütlesi nedir? Örnek: Kenar uzunluğu 1 cm olan bir osmiyum küpünün ağırlığı 22,48 g dır. Osmiyumun yoğunluğu 22,48 g/cm 3 dür. Kenar uzunluğu 1,25 in olan Osmiyum kütlesi nedir? 9

10 Örnek: Kütlece %3,5 sodyum klorür (NaCl) içeren bir miktar deniz suyu buharlaştırılarak 75 g sodyum klorür örneği elde edilecektir. Bu amaçla kaç litre deniz suyu alınmalıdır? Örnek: Kütlece %90 benzin, %10 etanol içeren bir yakıtın 25 litresinde kaç kg etanol vardır? Yakıtın yoğunluğu 0,71 g/ml dir. SICAKLIK Sıcaklık eşeli olarak kabul edilen bütün sistemler keyfi olarak kabul edilmiştir. Bir sıcaklık eşeli kurmak için genellikle belli sabit noktalar ve dereceler olarak bilinen sıcaklık miktarları seçilir. Bu sabit noktalar buzun erime noktası ve suyun kaynama noktası dır. Fahrenhayt ( 0 F) sıcaklık biriminde buzun erime noktası 32 0 F, suyun kaynama noktası F olarak kabul edilmiştir. Celcius biriminde bu değerler 0 C ve 100 C dir. SI sıcaklık eşeli ise Kelvin eşelidir ve düşünülebilen en düşük sıcaklık 0 alınır(273). Negatif Kelvin eşeli yoktur. Kelvin eşeline mutlak sıcaklık eşelide denir.laboratuarda ve günlük hayatta biz genellikle Celcius eşelini kullanırız. Ancak kimyasal hesaplamalar yapılırken ekseriyetle mutlak sıcaklık kullanılır. Yukarıda verilen bütün sıcaklık ölçümü eşelleri birbirine çevrilebilir. T(K) = t( C) + 273,15 1,8*t( C) = t( F) 32 t( F) = 1,8*t( C) + 32 K = 0 C + 273,15 F = 1,8* C + 32 Örnek: 350 fahrenhaytı santigrat derece olarak ifade ediniz. 10

11 ANLAMLI RAKAMLAR 575 üç anlamlı bir sayıdır, 1,317kg dört anlamlı sayı, Eğer sıfır iki farklı rakamın arasında ise anlamlıdır. 606cm üç anlamlı, 40,503g beş anlamlı sayıdır. 0,08 bir anlamlı, 0, üç anlamlı, 0,00025 iki anlamlı 3,0 iki anlamlı, 3,0510 beş anlamlı sayı, 0,0090 iki anlamlı sayı, 0, dört anlamlı 500 kaç anlamlıdır 5*10 2 bir anlamlı 5,0*10 2 iki anlamlı 5,00*10 2 üç anlamlı Anlamlı sayılarda dört işlem 85,322+1,1=86,422 = 86 2,08-0,13=1,95 = 1,9 5,75/125,05 =0, = 0,0459 7,26+8,56/3=7,91 = 8 Bir hesaplamanın sonucu, anlamlı rakam sayısı en küçük olan sayı kadar anlamlı rakamla verilir. Bir toplama veya çıkarmanın sonucu en az sayıda ondalık kısım içeren sayı kadar ondalık ile belirlenir. Örneğin; 10, = 25,05 = 25 (en az anlamlı rakam sayısı 2 dir) Bir çarpma veya bölmenin sonucu ise verilerde en az anlamlı rakam içeren sayının rakamı kadar anlamlı rakamla verilir. Örneğin boyutları 1,8x10-3 m, 262 m ve 2 m olan bir kübün hacmini hesaplayalım. V = 1,8x10-3 x 262 x 2 = 9,432x10-2 m 3 = 9x10-2 m 3 ÇEVĐRME FAKTÖRÜ YÖNTEMĐ Kimyada bazı hesaplamalar yapılırken birimlerin birbirine çevrilmesi gerekir. 1m=100cm 1m/1m=100cm/1m eşitliğin sol tarafında pay ve payda benzerdir; birbirlerini götürürler. 11

12 1=100cm/1m sağ tarafta benzer değildirler,fakat eşittirler. Çünkü aynı uzunluğu temsil ederler.bu orana çevirme faktörü denir. Örneğin 4,35 m içinde kaç santimetre vardır. Niceliği bir ile çarpmak değerini değiştirmez. 4,35*1=4,35 4,35m*100cm/1m=435 cm tersten bir örnek yapacak olursak 385cm*1m/100cm=3,85m bulunur. aranan bilgi= verilen bilgi*çevirme faktörü Sayıların Yuvarlatılması Çok rakamlı sayıları daha az rakamlı sayılara indirme şekline yuvarlatma denilir. Sayıların yuvarlatılmasında genel olarak 5 den büyük olan sayılar yuvarlatılırken kendi önündeki sayı 1 arttırılır. 5 den küçük sayılar yuvarlatılırken kendi önündeki sayı aynen kalır. Eğer yuvarlatılacak olan sayı tam 5 ise önündeki sayı çift rakam ise aynı kalır; tek rakam ise 1 arttırılır. Örneğin; 16,763 = 16,76 16,767 = 16,77 16,765 = 16,76 16,775 = 16,78 olur. 12

13 KĐMYASAL BĐRLEŞME KURALLARI 1. Kütlenin Korunumu Yasası (Lavoisier Yasası) Bir kimyasal reaksiyonda reaksiyona giren maddelerin kütleleri toplamı, reaksiyondan çıkan maddelerin kütleleri toplamına eşittir. Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O 74 g 44 g 100 g 18 g 118 g 118 g 2. Katlı Oranlar Yasası Aynı iki element birden fazla bileşik meydana getiriyorsa (CO, CO2) bunlardan birinin aynı miktarıyla diğer elementin farklı miktarları arasında kütlece tam sayılarla ifade edilebilen basit bir oran vardır. Bu durum katlı oranlar yasası olarak tanımlanmaktadır. Örneğin; CO; C:12 CO2; C:12 (C miktarı sabit) O:16 O: 32 CO2 deki O2 /CO deki O2 = 32/16 = 2 * Mutlaka bir elementin miktarının eşit olması gerekmektedir. 3. Sabit Oranlar Yasası Bu yasaya göre bir bileşiği oluşturan elementlerin kütleleri arasında sabit ve değişmeyen bir oran vardır. Örneğin Sodyum Florür (NaF) bileşiğinde Sodyum ve Flor arasındaki oran = Na/F = 23/19 dur. Sabit Oranlar Yasası, karışımlar ile bileşikleri birbirinden ayıran en önemli faktördür. Bu yasaya göre bileşenler kütlece sabit bir oranda birleşirler. 4. Dalton Atom Kuramı Atomun temel özelliklerinin ortaya atılmasında çok büyük katkısı olan bu kuramı, Atom Yapısı ve Özellikleri bölümünde işleyeceğiz. 13