ORTAÖĞRETİM KİMYA 10 DERS KİTABI YAZARLAR

Transkript

1 ORTAÖĞRETİM KİMYA 10 DERS KİTABI YAZARLAR Mehmet Faruk DURSUN İbrahim GÜLBAY Serpil ÇETİN Ümit TEK Filiz Fatma ÖZKOÇ Mehtap GÜNTUT DEVLET KİTAPLARI DÖRDÜNCÜ BASKI..., 2012

2 MİLLÎ EĞİTİM BAKANLIĞI YAYINLARI...: 4660 DERS KİTAPLARI DİZİSİ...: ??.Y Her hakkı saklıdır ve Millî Eğitim Bakanlığına aittir. Kitabı metin, soru ve şekilleri kısmen de olsa hiçbir suretle alınıp yayınlanamaz. EDİTÖR Doç. Dr. Okan Zafer YEŞİLEL DİL UZMANI Halil İbrahim BAYRAKTAR PROGRAM GELİŞTİRME UZMANI Zeki YILDIRIM GÖRSEL TASARIM UZMANLARI İrfan HASRA Gülten Feryal KÜÇÜKER Çiğdem ÖKCÜN ÖLÇME DEĞERLENDİRME UZMANI Ender ATAMER REHBERLİK UZMANI Gülseren TOPUZ ISBN Millî Eğitim Bakanlığı, Talim ve Terbiye Kurulunun gün ve 42 sayılı kararı ile ders kitabı olarak kabul edilmiş, Destek Hizmetleri Genel Müdürlüğünün gün ve 3398 sayılı yazısı ile dördüncü defa adet basılmıştır.

3

4

5

6

7 GÜVENLİK LOGOSU AÇIKLAMA Bu sembol, açık alev etrafında tedbir alınması gerektiğinde görülür. Bu sembol deriye dokunması hâlinde yakıcı veya zehirleyici olabilen ayrıca cisimlere temas ettiğinde aşındırıcı etkisi olan kimyasal maddeler kullanılırken görülür. Bu sembol yapılacak deneylerde kullanılacak cam malzemelerin kırılabilecek türden olduğunu gösterir. Bu sembol, gözler için tehlikeli bir durum olduğunu gösterir. Görüldüğünde koruyucu gözlük takılmalıdır. Bu sembol, yanlış kullanımdan dolayı patlamaya sebep olacak kimyasal maddeleri gösterir. Bu sembol cilde zararlı bazı kimyasal maddelerle çalışırken eldiven kullanılması gerektiğini gösterir. Bu sembol, kesme ve delme tehlikesi olan keskin cisimler olduğu zaman görülür. Bu sembol, zehirli maddeler kullanılırken görülür. Bu sembol, yakıcı ve kolay tutuşabilir maddeler etrafında tedbir alınması gerektiğinde görülür. Bu sembol, elbiseyi lekeleyecek veya yakacak maddeler kullanılırken görülür. Bu sembol, elektrikli aletler kullanılırken dikkat edilmesi gerektiğinde görülür.

8 1.ÜNİTE : ATOMUN YAPISI 1.BÖLÜM: ATOM VE ELEKTRİK Elektriklenme Deneyimlerinden Atoma Faraday ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar Elektronun Keşfinin Tarihsel Gelişimi Elektronun Kütlesi ve Yükünün Bulunması Atomda Elektronun Yükü ile Pozitif Yükler Arasındaki İlişki Atomun Proton Sayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi BÖLÜM: ATOM MODELLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ Rutherford Atom modeli Atom Modeli Işınların Enerjisinin Dalga Özelliği Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması Işığın İkili Doğası Atom Spektrumları Bohr Atom Modeli ve Varsayımları BÖLÜM: KUANTUM (DALGA) MEKANİĞİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ Atom Altı Parçacıkların Dalga Özelliği Heisenberg Belirsizlik İlkesi BÖLÜM: ATOMUN KUANTUM MODELİ Atomun Kuantum Modeli Kuantum Sayıları Orbital Çeşitleri Atomların Elektron Dizilişleri BÖLÜM: BAĞIL ATOM KÜTLESİ VE MOL KAVRAMI Bağıl Atom Kütlelerinin Tarihsel Gelişimi Mol Kavramı İzotop Kütleleri ve Bağıl Atom Kütlesi 75 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME 78 2.ÜNİTE : PERİYODİK SİSTEM 1. BÖLÜM: PERİYODİK SİSTEMİN TARİHÇESİ Periyodik Sistemin Tarihçesi Moseley ve Modern Periyodik Yasa Modern Periyodik Sistem s ve p Blok Elementleri ile Yaygın Kullanılan Elementler BÖLÜM: PERİYODİK ÖZELLİKLERİN DEĞİŞİMİ 95

9 2.2.1 Atomların Büyüklüğü ve Atom Yarıçapı İyonlaşma Enerjisi Elektron İlgisi Elektronegatiflik Periyodik Sistemde Metalik ve Ametalik Özelliklerin Değişimi Periyodik Sistemde Elementlerin Asitlik Bazlık Özelliklerin Değişimi BÖLÜM: ELEMENTLERİN ÖZELLİKLERİ Bloklar ve Özellikleri s Bloku Elementleri p Bloku Elementleri d Bloku Elementleri (Geçiş Metalleri) Bazı Geçiş Metallerinin Kullanım Alanları f Bloku Elementleri Elementlerin Periyodik Sistemdeki Yerinin Bulunması 125 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÜNİTE : KİMYASAL TÜRLER ARASI ETKİLEŞİMLER 1. BÖLÜM: KİMYASAL TÜRLER VE ETKİLEŞİMLERİ Kimyasal Türler Kimyasal Türler Arasındaki Etkileşimler Kimyasal Bağların Oluşum Mekanizması Güçlü-Zayıf Bağların Oluşması ve Kopması BÖLÜM: GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER İyonik Bağların Sağlamlığı İyonik Bağlı Bileşiklerin Özellikleri Kovalent Bağların Oluşumu ve Orbital Örtüşmesi Kimyasal Bağların İyonik - Kovalent Karakteri Kovalent Bağların Polarlığı Metalik Bağın Oluşumu Metallerin Fiziksel Özelliklerinin Metalik Bağ ile Açıklanması BÖLÜM: ZAYIF ETKİLEŞİMLER Kalıcı ve İndüklenmiş Dipoller (Van der Waals Bağları) Dipol- Dipol Kuvvetleri Geçici Dipoller Arasındaki Bağlar İyon-Kalıcı Dipol ve İyon-İndüklenmiş Dipol Etkileşimleri Hidrojen Bağı Hidrojen Bağının Maddenin Fiziksel Özelliklerine Etkisi Kimyasal Türler Arasındaki Etkileşim Tiplerinin Belirlenmesi 170 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME 172

10 4.ÜNİTE : MADDENİN HÂLLERİ 1. BÖLÜM: GAZLARIN GENEL ÖZELLİKLERİ Maddenin Gaz Hâli Gazların Sıkışma ve Genleşme Özelliği Gazların Kinetik Teorisi Gazlarda Basınç, Hacim, Mol Sayısı ve Sıcaklık İlişkisi BÖLÜM: GAZ KANUNLARI Boyle - Mariotte Kanunu Charles Kanunu Avogadro Kanunu İdeal Gaz Denklemi BÖLÜM: GAZ KARIŞIMLARI Gaz Karışımları Dalton un Kısmi Basınçlar Kanunu BÖLÜM: GERÇEK GAZLAR Gerçek Gazlar İdeal Gaz Varsayımından Sapmalar Moleküller Arası Bağlar ve Gerçek Gazların Sıvılaşması Joule-Thomson Olayı Gaz, Buhar ve Kritik Sıcaklık BÖLÜM: SIVILAR VE ÖZELLİKLERİ Sıvılar ve Özellikleri Sıvıların Yüzey Gerilimi Adhezyon ve Kohezyon Kuvvetleri Yüzey Gerilimine Etki Eden Faktörler Viskozite BÖLÜM: HÂL DEĞİŞİMLERİ Maddenin Hâlleri Hâl Değişim Olayları ve Isı Suyun Hâl Değişimi Hâl Değişimleriyle İlgili Isı Hesaplamaları Buhar Basıncı Buharlaşma Hızını Etkileyen Faktörler BÖLÜM: AMORF VE KRİSTAL KATILAR Katılar 248 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME 253

11 5.ÜNİTE : KARIŞIMLAR 1. BÖLÜM: ÇÖZÜCÜLER VE ÇÖZELTİLER Çözücüler ve Çözeltiler Çözeltilerin Özellikleri Sıvı Çözeltilerde Çözücü ve Çözünen Arasındaki Etkileşim Çözünme Entalpisi BÖLÜM: ÇÖZELTİLERİN DERİŞİMİ Çözeltiler Çözelti Derişimleri BÖLÜM: ÇÖZELTİLERİN DERİŞİME BAĞLI (KOLİGATİF) ÖZELLİKLERİ Çözeltilerin Derişime Bağlı Özellikleri BÖLÜM: HETEROJEN KARIŞIMLAR Heterojen Karışımlar Koloitler 302 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME 307 CEVAP ANAHTARLARI 310 PROJE 313 PROJE VE SUNU DEĞERLENDİRME DERECELEME ÖLÇEĞİ 314 SÖZLÜK 315 DİZİN 317 KAYNAKÇA 319 PERİYODİK CETVEL 320

12 ORGANiZASYON ŞEMASI Ünitenin içeriğini yansıtan görseller İçerik Bölüm içindeki konuların başlıkları verilmiştir. Bölümün içeriğini yansıtan görseller Ünitenin numarası, adı ve üniteyle ilgili ön bilgiler verilmiştir. Saat konunun 3 saatlik programa ait olduğunu gösterir. Araştırma Konuyla ilgili bilgilerinizi derinleştirmek ve yeni durumlarda bu bilgilerden yararlanmanızı sağlamak amacıyla verilmiştir. Araştırmanın zamanı, süresi ve tartışma tarihi öğretmeniniz tarafından belirlenecektir. Etkinlik Etkinlikler, laboratuvar ve sınıf etkinlikleri olarak sınıflandırılmıştır. Bazı etkinlikler bildiğiniz kavramlardan hareketle yeni kavramları keşfetmek, bazıları bir bilgiyi ya da varsayımı doğrulamak, bazıları ise daha önceden bildiklerinizi anımsatmak ve o bilgilerle yeni bilgileri ilişkilendirmek amacıyla verilmiştir. Etkinliğin laboratuvar (deneysel) etkinliği olduğunu gösteren logodur. Bölümün adını ve içeriğini destekleyen ilgi çekici bilgiler ve sorular verilmiştir. Saatleri belirtilmemiş konular programın ortak konuları olup hem 2 hem de 3 saatlik programlarda işlenecektir. Güvenliğiniz için dikkat etmeniz gereken durumlar logolarla belirtilmiştir. Bu logoların açıklamaları kitabın ön kısmında verilmiştir. Araç ve Gereç Etkinlik sırasında size gerekli olan malzemeler belirtilmiştir. Aynı zamanda deneylerde kullanılan araç, gereç, alet ve cihazları tanımanız amaçlanmıştır.

13 Örnek Anlatılan konuların hemen arkasından gelen bu bölümde konunun pekiştirilmesi amacıyla verilen sorular çözümleriyle beraber yer almaktadır. Fonların renkleri ve köşedeki saatler konunun hangi programa (2 ya da 3 saatlik) ait olduğunu gösterir. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Anlatılan konuların arkasından verilen bu bölüm konuyu anlayıp anlamadığınızı tespit edebilmenizi sağlayacaktır. Okuma Metni Okuma metinlerinde merak edebileceğiniz konularla ilgili öğrendiklerinizi destekleyecek bilgiler verilmiştir. Sayfanın yan tarafındaki boşluklar konu ile ilgili notlar almanız ve soruları yazmanız için bırakılmıştır. Ayrıca burada ilginç bilgiler, resim, fotoğraf vb. açıklamalara yer verilmiştir. Haber Köşesi Konu ile ilgili ilgi çekici haberler. Ölçme ve Değerlendirme Her ünitenin sonunda açık uçlu, doğru yanlış ve çoktan seçmeli sorular bulunmaktadır. Bunları cevaplayarak öğrendiklerinizi pekiştirebilir, üniteyle ilgili eksiklerinizi belirleyebilirsiniz. Ölçme değerlendirme sayfalarındaki fon rengi farklı bölgeler, soruların sadece o programı takip eden öğrenciler tarafından çözüleceğini gösterir. Biliyor musunuz? Konularla ilgili ilginç bilgiler verilerek bilgi dağarcığınızı zenginleştirmek amaçlanmıştır.

14 ATOMUN YAPISI 1. Ünite Maddenin tüm fiziksel ve kimyasal özellikleri en küçük birimi olan atomun elektronik yapısı ile ilgilidir. Bu ünitede, elektronun keşfinden itibaren atomun yapısını açıklamaya yönelik modelleri tarihsel gelişim sürecine uygun olarak göreceksiniz. Ayrıca kuantum kuramının doğuşu, gelişimi ve atomun elektronik yapısı hakkında bilgi edinecek; atomdaki elektronların davranışıyla atom yapısının nasıl açıklandığını öğreneceksiniz. Kuantum kuramının kavramlarını, matematiksel anlamından çok fiziksel anlamları ile tanıyacaksınız. Maddenin elektrikle etkileşimini atom altı parçacıkların varlığı ile ilişkilendirerek atom kütlesi, bağıl atom kütlesi, mol sayısı kavramlarını görecek ve bu kavramları içeren problemler çözeceksiniz.

15 1. BÖLÜM İçerik 1. Elektriklenme Deneyimlerinden Atoma 2. Faraday ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar 3. Elektronun Keşfinin Tarihsel Gelişimi 4. Elektronun Kütlesi ve Yükünün Bulunması Millikan ın Yağ Damlası Deneyi 5. Atomda Elektronun Yükü ile Pozitif Yükler Arasındaki İlişki 6. Atomun Proton Sayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi ATOM VE ELEKTRİK Maddenin elektrik yüklü taneciklerden oluştuğunu gösteren ilk ciddi bulgular, Faraday ın elektroliz ile ilgili çalışmalarında ortaya çıkmıştır. Gaz tüplerinde elektrik boşalması ve katot ışınları konusundaki deneyler, atom yapısının açıklanması yönünden çok önemli gelişmeler sağlamıştır. J.J.Thomson un elektronun yük/kütle (e/m) oranını hesaplaması için yaptığı deney, elektron yükünün ve kütlesinin ayrı ayrı hesaplanmasını sağlayan Millikan ın yağ damlacığı deneyi ile atom çekirdeğinin varlığını kanıtlayan Rutherford (1911) deneyi bu konuda yapılan çalışmaların başlıcalarıdır. Bu bölümde yukarıda söz edilen deneyleri ve bilim insanlarının atom altı parçacıklara yönelik çalışmalarını tanımaya çalışacaksınız.

16 10. Sınıf Kimya Resim Süs eşyası yapımında kullanılan kehribar taşı Elektriklenme Deneyimlerinden Atoma Atomun yapısı ile ilgili teorilerin türetilmesi birçok elektriksel deneyle mümkün olmuştur. Elektrik yükü ilk kez antik dönem insanları tarafından, ağaç reçinesinin fosilleşmesiyle oluşan kehribarın (Resim 1.1.1) ipek ya da yüne sürtüldüğünde küçük cisimleri çekmesi ile gözlemlenip belirlenmiştir. Aynı olayı siz de plastik bir tarağı saçınıza sürttüğünüzde tarağın saçınızı çekmesinden veya Şekil deki gibi akan suya yaklaştırdığınızda suyu çekmesinden anlayabilirsiniz. Kapı tokmağına dokunduğunuzda ya da yün kazağınızı çıkarırken oluşan kıvılcım elektrik yükünün bir yerden diğer bir yere hareket ettiğini gösterir. Pozitif (+) ve negatif (-) olmak üzere iki tür elektrik yükü keşfedilmiştir. Bu yüklerin oluşumunu Etkinlik 1.1 i yaparak görelim. Etkinlik 1.1 Ebonit ve Cam Çubuktaki Elektriklenme Etkinliğin Amacı Farklı elektrik yüklerinin varlığını ayırt edebilme Şekil Sürtme sonucu elektrik yüklü hâle gelen tarak akan suya yaklaştırılınca suyu çeker. Bunu suyun akış doğrultusundaki değişimden anlayabiliriz. Tarak elektrik yüklü olduğuna ve suyu çektiğine göre suda da elektrik yükleri olmalıdır. Etkinliği Uygulayalım Bağlama parçası ile döküm ayağa şekilde- ki gibi yatay olarak tutturulmuş olan destek çubukla ebonit çubuğu yine yatay duracak şekilde birbirine iple bağlayınız. İpe bağlı ebonit çubuğa diğer ebonit ve cam çubuğu yaklaştırarak gözlemleyiniz. Diğer ebonit çubuğu saçınıza veya yünlü kumaş parçasına sürterek elektrikle sini yüklenmesağlayınız. Araç ve Gereç 2 adet ebonit çubuk 1 adet cam çubuk 30 cm uzunluğunda ip Döküm ayak Bağlama parçası Yünlü kumaş parçası 2 adet destek çubuğu Deney düzeneğindeki gibi ipe astığınız ebonit çubuğa elektrikle yüklü diğer ebonit çubuğu yaklaştırınız. Cam çubuğu saçınıza veya yünlü kumaş parçasına sürterek elektrikle yüklenmesini sağlayınız. Yatay olarak ipe astığınız ebonit çubuğa bu defa elektrik yüklü cam çubuğu yaklaştırınız. 16

17 1. Ünite Atomun Yapısı Etkinliği Sonuçlandıralım 1) Saçınıza veya yünlü kumaşa sürtmeden ebonit ve cam çubukları asılı duran ebonit çubuğa yaklaştırdığınızda ne gibi değişiklikler gözlemlediniz? Gözlemleriniz ışığında ebonit ve cam çubuğu elektriksel bakımdan nasıl nitelersiniz? 2) Saçınıza veya yünlü kumaşa sürttükten sonra ebonit ve cam çubukları asılı durmakta olan ebonit çubuğa yaklaştırdığınızda ne gibi değişiklikler gözlemlediniz? Gözlemleriniz ışığında ebonit ve cam çubuğu elektriksel bakımdan nasıl nitelersiniz? 3) Gözlemlediğiniz bu değişikliklerin nedeni veya nedenleri ne olabilir? Tartışınız. Etkinlik 1.1 den sonra elektriklenmeyi sorgulayalım. Demokritos (Demokritos) tan Dalton a kadar olan atom tanımlamaları düşünüldüğünde özellikle Dalton un atomu yekpare bir parça olarak gördüğü anlaşılır. O hâlde Etkinlik 1.1 ve benzeri durumlardaki elektriklenme nasıl gerçekleşir? Maddenin elektrikle yüklü hâle gelmesi maddede elektrik yüklerinin olduğunu ve bunların hareket ettiğini gösterir. Hareket eden bu yükün türü ne olabilir? Yaptığınız etkinlikte cam veya ebonit gibi bazı cisimlerde iki tür elektrik yükü olduğunu görüyorsunuz. Bunlardan cam çubukta oluşan elektrik yüküne pozitif elektrik yükü, ebonit çubukta oluşan elektrik yüküne negatif elektrik yükü adı verilir. Madde elektriklenmeden önce nötral olduğuna göre bir maddenin (+) yüklü olması maddeden (-) yükün ayrıldığını gösterir. Bu durum maddenin (+) ve (-) yüklü tanecikler içerdiğinin bir göstergesidir. Maddenin iki ayrı elektrik yükü içerdiğini, bu elektrik yüklerinin etkileşimini ve hangi yükün hareket ettiğini Şekil deki gibi bir elektroskop denemesiyle ortaya çıkarabilirsiniz. Bu çıkarımın nasıl yapılabileceğini tartışınız. Elektriklenme atom alış verişiyle olmaz. Eğer öyle olsaydı elektriklenmede bir maddenin atomunun diğer maddeye geçmesi gerekirdi. Bu gerçekleştiğinde ise iki maddenin de yapısının değişmesi gerekecekti. Ancak elektriklenme olayında maddenin yapısının değişmediği görülmektedir. Yün kumaş ile tarak arasındaki elektriklenme olayında yün kumaş ve tarak kendi yapısını korumuş, başka bir maddeye dönüşmemiştir. Etkinlikte kullandığımız ebonit çubuk, yün kumaşa sürtülüp elektriklenirken herhangi bir değişime uğramış mıydı? Faraday ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar Elektriklenmenin çeşitli maddelere etkisi eski dönemden beri araştırma konusu olmuştur. Bu konuda çalışan anatomi profesörü Luigi Galvani (Luici Galvani) kurbağa bacağının kas sinirine farklı metaller dokundurulduğunda seğirdiğini gözlemledi. Ona göre bu olay biyolojik elektrikten kaynaklanan bir durumdu. Galvani nin söz edilen çalışmaları fizik profesörü Alessandra Volta (Alessandra Volta) ya ilham kaynağı olmuştur. Volta, metal çiftler arasındaki etkileşimle oluşan elektriklenme olayından yararlanarak kendi adını taşıyan pili geliştirmiştir. Şekil Elektroskop ile yüklü kürelerin etkileşimi Dalton un teorisi ile Demokritos un teorisi arasındaki farklılık Demokritos un atom kavramının test edilmeyen felsefi bir evren anlayışı; Dalton un atom kavramının ise deneysel inceleme gerektiren bilimsel bir hipotez olduğu gerçeğidir. 17

18 10. Sınıf Kimya Araştırma Atomun kelime anlamını araştırıp bugün atom hakkında edindiğiniz bilgilerle atom kelimesinin anlamını tartışınız. Nasıl oluyor da pillerde bir kimyasal madde başka bir kimyasal maddeye dönüşürken elektrik akımı ortaya çıkıyor? Atomun yapısı hakkındaki bilgiler nasıl oluşturulmuştur? Elektronun farkına nasıl varılabilmiştir? Michael Faraday (Maykıl Faraday) ın yapmış olduğu deneylerdeki sonuçlar bizlere bu konularda ipucu vermektedir. Faraday ın, elektroliz deneylerini ilk defa yaptığı 1830 lu yıllarda atom teorisi ileriye sürülmüştü. Fakat bu yıllarda henüz kimse elektronların varlığını bilmiyordu. Elektriğin tanecikli birimlerden oluştuğunu söylemek için bilim insanlarının elle tutulur bir kanıtları da yoktu. Elektriğin tanecikli yapıdan meydana geldiğini kanıtlamaya yönelik Etkinlik 1.2 yi yapalım. Etkinlik 1.2 Atom Altı Parçacıkların Varlığı İçin Deliller Etkinliğin Amacı Elektriklenme olayı ile maddenin tanecikli yapısı arasındaki ilişkiyi kavrayabilme Etkinliği Uygulayalım Pb(NO 3 ) 2 ve CuSO 4 çözeltilerini 400 ml lik beherglaslara ayrı ayrı koyunuz. Üretecin negatif kutbuna bağlaya-- cağınız Pb elektrotu ve Cu elektrotu terazide hassas bir şekilde tartınız. Hangi elektrotun kaç gram olduğunu aşağıdaki tabloya not ediniz. Pb elektrotları Pb(NO 3 ) 2 çözeltisine, Cu elektrotları da CuSO 4 çözeltisine; elektrotlar birbirlerine temas etmeyecek şekilde ve tarttığınız elektrotların üretecin negatif kutbuna bağlı olmasına dikkat ederek yerleştiriniz. Bağlantı kabloları ile devreyi sayfa 19 daki resimde görüldüğü gibi kurunuz. Araç ve Gereç 2 adet Cu elektrot 2 adet Pb elektrot 2 adet 400 ml lik beherglas 400 ml lik 0,5 M Pb(NO 3 ) 2 çözeltisi 400 ml lik 1 M CuSO 4 çözeltisi Terazi 6 voltluk doğru akım sağlayan üreteç (pil veya güç kaynağı) 3 adet devre bağlantıları için kablo ve krokodil kablo Saf su Devreden dakika süre ile akım geçmesini sağlayınız. Süre bitiminde akımı keserek negatif kutba bağlı elektrotları çıkartınız. Damıtık su ile elektrotları durulayınız ve tartınız. Tartım değerlerini aşağıdaki tabloya not ediniz. Negatif kutba bağlı elektrot Pb Cu Deneyden önceki tartım (g) Deneyden sonraki tartım (g) 18

19 1. Ünite Atomun Yapısı Pb elektrotlar Cu elektrotlar Pb(NO 3 ) 2 çözeltisi CuSO 4 çözeltisi Etkinliği Sonuçlandıralım Negatif yüklü elektrotta toplanan Pb ve Cu miktarları arasında fark var mıdır? Varsa nedenini açıklayınız. Faraday, Etkinlik 1.2 dekine benzer deneyler yapmıştır. Bu deneylerde bir elementin çeşitli bileşiklerinin çözeltilerine elektrik akımı uygulamış, eksi yüklü elektrotta (katotta) bileşiği oluşturan artı yüklü iyonları element olarak elde etmiştir. Faraday, katotta belirli bir miktar madde biriktirmek için gereken elektrik yük miktarının daima sabit bir değere veya bu sabit değerin basit katlarına eşit olduğunu gözlemledi. Örneğin, cıva(ii) perklorat [Hg(ClO 4 ) 2 ]çözeltisinden 6,05 g metalik cıvayı biriktirmek için gerekli olan elektrik yük miktarı; cıva(ii) nitrat [Hg(NO 3 ) 2 ] çözeltisinde de aynı miktarda cıvanın birikmesine yol açar. Oysa ki aynı elektrik yük miktarı, cıva(i) perklorat [Hg 2 (CIO 4 ) 2 ] çözeltisinden geçirilirse tam iki kat (12,10 g) cıvanın birikmesine sebep olur. Devreden aynı miktarda elektrik akımı geçmesine rağmen katotta farklı miktarlarda (iki katı) cıva toplanmasının sebebini tartışınız. Faraday, aynı miktar elektrik yüküyle çeşitli elementlerin biriken kütlelerini bu elementlerin atom kütlelerine böldüğünde sabit tam sayı elde etmiştir. Faraday ın yaptığı deneylerden, bir atomun ancak belirli bir miktar veya bu miktarın bazı basit katları kadar elektrik yükü taşıyabileceği sonucu çıkarılabilir. Demek ki elektrik yükleri parçacıklar hâlinde taşınmaktadır. Bir atom bazen bir, bazen iki veya üç parçacık taşıyabilir. Taşınan bu yük parçacığı bütün atomlar için aynıdır. Elektrik yükünün parçacıklar hâlinde taşınması, elektriğin taneciklerden meydana geldiğini göstermektedir. Atomlar, elektrik yükleri taşıdığı için bu taneciklerin atomlarda bulunması gereklidir. Elektrik yük akışı atomlarda var olan bu parçacıkların akışı sonucudur. O halde atom yekpare değil ayrıntılı bir yapıya sahiptir. Resim Michael Faraday ( ) 19

20 10. Sınıf Kimya Elektrik ve kimyasal değişme arasındaki nicel ilişki ilk kez Michael Faraday tarafından bulunmuştur. AgNO 3 çözeltisi, elektroliz edildiğinde katotta toplanan gümüş metalinin miktarı belirlenerek elektroliz düzeneğinden geçen elektrik yük miktarı coulomb(c) olarak hesaplanır. AgNO 3 çözeltisinden 1,118 mg Ag açığa çıkaran elektrik yükü miktarı 1C dur. Etkinlik 1.2 ve Faraday ın yapmış olduğu deneyler incelendiğinde elektrotlarda toplanan madde miktarının devreden geçen yük miktarı ile doğru orantılı olduğu görülür. Bu durum m = A I t bağıntısı ile ifade edilir. Bu formülde geçen A, maddeye bağlı bir sabit; I, devreden geçen akım miktarı; t ise saniye cinsinden zamanı göstermektedir. Elektrik yükü miktarı Q = I t olarak gösterildiğine göre yukarıdaki formülü m = A Q şeklinde de yazabiliriz. Faraday ın yapmış olduğu deneyler ve bu deneylerden çıkarmış olduğu nicel sonuçlara göre maddeyi temsil eden en küçük birim olan atomu oluşturan ve bir atomdan diğer atoma taşınabilen alt parçacıklar mevcuttur. Bu alt parçacıklar daha sonra elektron olarak adlandırılmıştır. Thomson ın yapmış olduğu çalışmalar sonucunda atomda eksi yükler kadar artı yüklerin olduğu ve atomda bu yüklerin homojen dağıldığı fikri ortaya çıkmıştı. Acaba gerçekte durum bu şekilde miydi? Rutherford un yapmış olduğu çalışmalar (altın plaka deneyi) sonucunda atomdaki artı yüklü taneciklerin atomun merkezinde (çekirdeğinde) toplandığı ve atomun yaklaşık yarı kütlesini oluşturduğu sonucuna varılmıştır. Daha sonra Rutherford un öğrencilerinden Chadwick, Rutherford un işaret ettiği atomun yaklaşık yarı kütlesini oluşturan nötronu keşfetmiştir. Bütün bu bilim insanlarının keşifleri sonucunda Bohr tarafından öngürülen atom modeline göre proton ve nötronlar atomun çekirdeğinde çok küçük bir hacimde bulunurken elektronlar çekirdek etrafında çok daha büyük hacimli bir bölgede kendi yörüngelerinde dolanmaktadır. Sonra geliştirilen kuantum fiziğine göre çekirdek etrafında elektronlar belli yörüngelerde değil katmanlarda orbital adı verilen olası bölgelerde bulunmaktadır. Bütün bu öngörülere göre atomun şeklini aşağıdaki gibi çizebiliriz. Şekil Atomun yapısı 20

21 1. Ünite Atomun Yapısı Atomu oluşturan taneciklerden çekirdekteki proton ve nötronlar topluca nükleon olarak isimlendirilir. Elektronun kütlesi 9,1096x10-31 kg (9,1096x10-28 g), protonun kütlesi, 1,6726 x kg, nötronun kütlesi ise kg dır. Elektron, proton ve nötronun kütlelerini incelediğimizde proton ve nötronun kütlelerinin yaklaşık aynı, elektronun kütlesinin ise protonun kütlesinin yaklaşık 1836 da biri kadar olduğu görülür. Atomun kütlesini oluşturan nükleonlar (proton ve nötronlar) atom çekirdeğinde yoğunlaşmış bir hâlde bulunur. Yoğunlaşmış kütle çok küçük bir hacimde yer alır. Atomu bir futbol sahası büyüklüğünde tasavvur edecek olursak çekirdeğin hacminin atom hacmi yanındaki küçüklüğü futbol sahasının ortasında toplu iğne başı kadar hacim kaplayan kütlenin duruşuna benzetebiliriz. Çekirdekte bulunan proton pozitif, çekirdek etrafında hareket hâlinde olan elektron ise negatif elektrik yüküne sahiptir. Çekirdekteki nötron ise nötrdür. Protonlar elektronları güçlü bir şekilde çekirdeğe doğru çeker. Elektronlar ise çekirdeğin çekim etkisinden kurtulabilmek için çekirdeğin etrafında çok hızlı bir şekilde hareket eder. Bu hareket o kadar hızlıdır ki çekirdek ile elektronlar arası boşluk olmasına rağmen atomun berk bir küre gibi davranmasına neden olur Elektronun Keşfinin Tarihsel Gelişimi Dalton un atom teorisinde ve daha önceki kuramlarda atom, maddenin en küçük taneciği olarak kabul edilmiştir. 19. yüzyılın sonlarına doğru atomun daha küçük taneciklerden oluştuğu düşünülmeye başlanmıştır. Atomun yapısı hakkındaki düşüncelerde zamanla değişiklikler olmuştur. Bu düşüncelerdeki değişikliklerin nedeni elektroliz deneyleridir yıllarında ünlü İngiliz kimyacısı Humphry Davy (Hampri Devi) bileşikleri ayrıştırmak için elektrik akımı kullanarak potasyum, sodyum, kalsiyum, stronsiyum ve baryum elementlerini saf olarak bileşiklerinden ayırarak keşfetmiştir. Bu elementleri bulmak için yaptığı çalışmalara dayanarak Davy, bileşiklerde elementlerin elektriksel nitelikli çekim kuvvetleriyle bir arada tutulduklarını öne sürmüştü. Faraday ın çalışmalarına dayanarak George Johnstone Stoney (Corç Conston Stoney) atomlarda elektrik yüklü birimlerin bulunduğundan söz etti ve 1891 de bunlara elektron adının verilmesini önerdi. Stoney in elektron adını verdiği negatif yüklü bu taneciklerden her maddede farklı miktarlarda vardır. Maddenin nötr olması için bu negatif yüklere eş sayıda pozitif yük bulunması gerekir. Elektronların varlığına dair ilk kanıt 1870 lerde İngiliz fizikçi William Crooks (Vilyım Kruks) tarafından bulundu. Crooks geliştirdiği vakumlu tüp içerisinde gazların elektrikle etkileşim sonucu ortaya çıkan davranışlarını inceledi. Crooks tüpleri olarak da bilinen bu tüpler (Resim ve 1.1.4), televizyon tüplerinin de öncüsü olmuştur. Katot Anot Resim Crooks tüpleri 21

22 10. Sınıf Kimya Crooks tüpünde elektrotlar arasına yüksek gerilim uygulandığında tüpün cam çeperinde sarı-yeşil floresan ışık yansıması olur. Eğer tüpün ortasına bir nesne yerleştirilirse bu nesnenin görüntüsü tüpün sonunda bir gölge şeklinde oluşur. Crooks a göre gölgenin bu şekilde görülmesinin sebebi tüp içerisinde bazı ışınların oluşmasıdır. Bu ışınlar daha sonra katot ışını olarak adlandırıldı. Katot ışınları üzerinde yapılan daha ileri araştırmalar, bu ışınların tüpün içindeki gazın ve elektrotların yapıldığı maddenin cinsine bağlı olmadığını göstermiştir. Böylece ışınların doğrusal yol boyunca hareket eden negatif taneciklerden meydana geldiği ortaya çıkmıştır. Crooks tüpü günümüzde katot ışın tüpü olarak adlandırılır. Resim Crooks tüpleri televizyon tüplerinin öncüsü olmuştur. Katot ışınları denilmesinin nedeni bu ışınların (taneciklerin), (-) yüklü elektrottan (katottan) çıkıp (+) yüklü elektrota (anota) doğru hareket etmesidir. 19. yüzyılın sonlarında katot ışınlarının hızlı hareket eden eksi yüklü tanecikler olduğu kesinleşti. Bu taneciklere daha sonra Stoney in önerdiği gibi elektron adı verildi. Bu çalışmalardan yaklaşık 20 yıl sonra Joseph John Thomson (Jozef Con Tamsın), Crooks un deneylerini elektrik akımı (elektriksel alan) ve mıknatıs etkisinin (manyetik alan) uygulandığı ortamlarda tekrarladı. Thomson un deney tüpüne elektrik ve manyetik alan uygulamasının nedeni sizce ne olabilir? Elektronun Kütlesi ve Yükünün Bulunması 1858 de Julius Plücker (Julyüs Plüker), katot tüpünün yakınına bir mıknatıs getirerek oluşan katot ışınlarını gözlemleyip bu ışınların manyetik alandaki davranışlarını ilk kez inceleyen bilim insanıdır. Bu deneme ile Plücker, katot yakınlarında gördüğü parlak yeşil ışık lekelerinin yerini mıknatıs kullanarak değiştirmeyi başarmıştı; fakat tüpün havasını yeterince boşaltamadığı için denemesi tam başarılı olamamıştı. Katottan çıkan elektronlar anota doğru hareket eder. Anotta delik açılırsa elektronlar delikten geçerek floresan boya ile kaplı yüzeye (Şekil te gösterildiği gibi) B noktasında çarpar. Böylece ışıklı bir nokta görülmesine neden olur. Tüpe, elektriksel alan uygulanırsa yani tüpün altına ve üstüne zıt elektrikle yüklenmiş levhalar (saptırıcı levhalar) konursa elektronların artı yüklü levhaya doğru saptığı ve yüzeye A noktasında çarptığı görülür. Yüklü bir parçacığın elektriksel alanda sapma miktarı, parçacığın elektrik yükü ile doğru orantılıdır. Diğer taraftan kütlesi ile ters orantılı olması gereği de açıktır. Çünkü 22

23 1. Ünite Atomun Yapısı büyük kütleli bir parçacık, yüklü levhaların oluşturduğu elektrostatik çekimden daha az etkilenecektir. Elektriksel alana dik olacak şekilde bir manyetik alan uygulanırsa elektronlar eğimli bir yol çizerek tüpün yüzeyinde C noktasına çarpar. Thomson, deneylerinde elektriksel alana dik belli bir şiddetle manyetik alan uygulayarak elektron demetinin sapmasını ölçmüştür. Ayrıca elektriksel alan da uygulayarak sapmayı durdurmuş yani B noktasına getirmiştir. Elektriksel ve manyetik alanların şiddetlerinden yararlanarak elektronlar için e/m (yük/kütle) oranını 1,7588 x C kg -1 olarak bulmuştur. Thomson, Plücker in deneyini model alarak 1897 de yaptığı bu deneyde katot ışınlarının manyetik ve elektriksel alanda sapmalarını gözlemlemiş ve elektronlar için yük/kütle (e/m) oranını ölçmüştür. Bunun için kullanılan düzenek aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Resim Joseph John Thomson ( ) (a) + (c) Manyetik alan Floresan ekran Elektronların yolu e S N A - Katot Anot B (b) S N S N C - Elektronların yolu N Elektrik yüklü levhalar (elektriksel alan) Elektronların yolları S e - Şekil Elektronların; (a) elektrik alanda, (b) manyetik alanda, (c) elektriksel ve manyetik alanın beraber kullanılması durumunda izledikleri yol Resim Katot ışınlarının elektrik ve manyetik alandaki sapmaları 23

24 10. Sınıf Kimya Millikan ın Yağ Damlası Deneyi Elektron yükü, 1908 de Robert Andrews Millikan (Rabırt Endruv Milikan) tarafından ölçülmüştür. Elektrik yükü, Şekil teki düzenek ve e/m değeri kullanılarak hesaplanmıştır. Deneyde pülverizatör (püskürteç)den püskürtülen küresel yağ damlacıkları, kabın üst bölümüne gönderilir. Sis hâlinde dağılmış küçük yağ damlacıkları, üst levhadaki delikten aşağı inerken bu damlacıklara X-ışınları gönderilir. Bu ışınların ortamdaki havayı oluşturan N 2 ve O 2 molekülleri ile çarpışarak kopardığı elektronlar, yağ damlacıkları tarafından tutulur ve damlacıklar negatif yüklenir. Üst plaka pozitif (+), alt plaka negatif (-) yüklenirse negatif yüklü yağ damlacıklarının düşmesi durdurulabildiği gibi damlacıkların yukarıya hareket etmesi de sağlanabilir. Damlacığın davranışları ve düşme hızı, elektriksel alan yokluğunda (akım uygulanmadığında) mikroskop ile gözlemlenerek bulunabilir. Küçük yağ damlacıkları Pülverizatör Yüklü levha Yağ X- ışınları Yüklü levha Mikroskop Pencere Yağ damlasının mikroskop görüntüsü Şekil Millikan ın yağ damlası deney düzeneği Resim Millikan ın yağ damlası deneyinde kullandığı düzenek Resim Millikan, yağ damlası deneyini yaparken 24

25 1. Ünite Atomun Yapısı Damlacığın düşüşünü durdurmak için uygulanacak yük miktarı bilinirse her damla üzerindeki yük de hesaplanabilir. Millikan deneyi tekrarladığında yağ damlacıkları üzerindeki yükün en büyük ortak böleninin (ebob) daima -1,6022x10-19 coulomb değerini verdiğini görmüştür. Bunun sonucunda, yağ damlalarının birden fazla elektron taşıdıkları ve bir yağ damlası üzerindeki yükün tek bir elektron yükünün katları olması gerektiği sonucuna varmıştır. Millikan, bir elektron yükünü -1,6022x10-19 C olarak belirledikten sonra Thomson un e/m değerinden faydalanarak elektronun kütlesini aşağıdaki gibi hesaplamıştır. Elektronun kütlesi = yük yük / kütle m = e e/m m = -1,6022x10-19 C -1,7588x10 11 C kg -1 m = 9,1096x10-31 kg veya (9,1096x10-28 g) Okuma Metni Millikan Deneyi ile Elektron Yükünün Bulunması Millikan 1909 yılının başlarında Chicago (Şikago) Üniversitesinde profesör iken yağ damlası deneyi üzerinde çalıştı. Millikan ı bu çalışmaya iten sebep kendisinden önce bilim insanlarının elektronun yükünü ölçme çabalarıydı. Ancak diğer bilim insanları elektron yükünü ölçmek için su damlacıklarını kullanmışlardı. Millikan su damlacıkları ile yapılan deneyleri yağ damlacıklarını kullanarak geliştirdi. Deneyde kullanılan yağ düşük buhar basıncına sahipti, genellikle vakum düzeneklerinde kullanılan tipteydi. Bu çalışma sırasında bilinen yağları tercih etmemesinin sebebi bu yağların ışık kaynağının ısısıyla kolayca buharlaşması, böylece yağ damlalarının kütlesinin deney boyunca sabit kalmasıydı. Yağ damlası deneyinin önemi, temel fiziksel sabitlerden biri olan elektronun elektrik yükünü oldukça hassas bir şekilde belirlemesidir. Millikan ın deney düzeneği bunu oldukça basit ve yalın bir şekilde gösterir. Millikan yaptığı bu deneyle 1923 yılında Nobel Fizik Ödülü nü kazandı. Bu deneyin gerçekleştirilmesi oldukça zor ve maliyetli olmasına rağmen, hâlen öğrenciler tarafından tekrarlanmaktadır. Millikan ın yağ damlası deney düzeneğinde, yatay ve birbirine paralel iki plaka arasına büyük bir potansiyel farkı uygulanarak homojen bir elektrik alanı oluşturulur. Üst levha pozitif, alt levha negatif elektrikle yüklenerek elektrik yüklü yağ damlacığı hareketsiz tutulduğu zaman damlacığı yukarı çeken elektriksel kuvvetin damlacığa etki eden yerçekimi kuvvetine eşit olduğu görülür. E q = m g Bu eşitlikte, E elektriksel alan şiddetini; q damlacık üzerindeki elektrik yükünü; m damlacığın kütlesini ve g yerçekimi ivmesini göstermektedir. Damlacığın kütlesi bilinirse taşıdığı elektrik yükü 25

26 10. Sınıf Kimya bulunabilir. Yağın yoğunluğu (d) bilindiği için küre olarak kabul edilen yağ taneciğinin yarıçapı (r) ölçüldüğünde hacmi (V) ve dolayısıyla kütlesi (m) de hesaplanabilir. d = m/v d = m/(4/3)πr 3 m = 4/3 πr 3 d Millikan, damlacığın levhalar arasında serbest bir biçimde düşmesini gözlemlemiştir. Bir süre sonra damlacığın hızı, hava sürtünmesinin (viskozite değeri) yerçekimi kuvvetine eşit olması nedeni ile ulaşabileceği en fazla hıza erişecek ve damlacık bu hızla düşmeye devam edecektir. Sürtünme kuvvetinin [Stokes (Stoks) yasasına göre bulunabilir.] yerçekimi kuvvetine eşitliği için; mg = 6πhrv formülü yazılabilir. Burada, "h havanın viskozluk kat sayısı; v damlacığın eriştiği limit hızdır. Eşitlikten yarıçapı çekersek; r = mg / 6 πhv bağıntısını buluruz. m değerini eşitlikte yerine koyarsak damlacığın yarıçapı için; r 2 = 9hv / 2dg bulunur. Bu formülle damlacığın limit hızı ölçülebilir. Damlacık bu hıza eriştikten sonra düzgün doğrusal hareket yaparak düşeceğinden ve levhalar arasında yükseklik (l) belli olduğundan düşme süresi (t) bulunur. Hız bağıntısını yazacak olursak; v = l/t olarak bulunur. Sırasıyla damlacığın yarıçapı ve kütlesi hesaplanmış olur. Eq = mg eşitliğinden de damlacığın taşıdığı q yükü bulunur. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir Atomda Elektronun Yükü ile Pozitif Yükler Arasındaki İlişki Nötr bir atom veya molekülden bir veya daha çok elektron koparıldığında geriye kalan tanecik, koparılan elektronların toplamına eşit miktarda artı yük kazanır. Örneğin bir neon atomundan bir elektron koparıldığında Ne + oluşur. Bir Crooks tüpünde katot ışınları, tüpün içinde bulunan gaz atomlarından veya moleküllerinden elektronların ayrılmasına sebep olduğundan pozitif yüklü iyonlar oluşur. Bu pozitif yüklü tanecikler (iyonlar) negatif yüklü elektroda (katoda) doğru hareket eder. Katot olarak delikli metal katot kullanıldığında floresan boya ile kaplı arka yüzeyde ışıldama görülür. H H e e Proton H + Pozitif ışınlar H + Anot H e H + Delikli metal katot Floresan boya ile kaplı yüzey Şekil Katot ışınlarının delikli metal katotta hareketi 26

27 1. Ünite Atomun Yapısı Görülen ışınlamanın sebebi tüpte oluşan elektron akımı sırasında, katottan fırlayan elektronların nötral gaz atomları ile çarpışarak onlara elektron kaybettirmesi ve gaz atomlarının pozitif yüklü parçacıklar hâline gelmesidir (Şekil 1.1.5). Bu iyonlar katot tarafından çekilir ve bir kısmı deliklerden geçerek tüpün yüzeyine çarpar. Bunlara pozitif ışınlar veya kanal ışınları denir. Bu ışınlar ilk olarak Eugen Goldstein (Ögen Goldştayn) tarafından 1886 da araştırılmıştır. Elektrik ve manyetik alanların etkisinden dolayı pozitif ışınların sapmaları 1906 da J.J. Thomson tarafından araştırıldı. Pozitif yüklü iyonlar için e/m değerlerinin saptanmasında, katot ışınlarını incelemek için kullanılan yöntemin hemen hemen aynısı kullanıldı. Aynı pozitif yüklü iyonlar için e/m değeri, iyonun kütlesi küçüldükçe artar. Gaz boşalma tüpünde hidrojen gazı varsa pozitif iyonlar için gözlenen en büyük e/m değeri elde edilir. Sadece 1 tane pozitif yük barındırması nedeniyle hidrojen iyonu için elde edilen e/m değeri bu pozitif yüklü taneciğe (protona) ait değer olarak alınır. Bu yük değeri 1,6022x10-19 C dur. Kütlesi de 1,67x10-27 kg dır. Elektronun kütlesi hidrojenin en hafif izotupundan türeyen pozitif iyonun kütlesinin 1/1836 sı kadardır. O hâlde hidrojenin en hafif izotopu çekirdeği oluşturan bir proton ve çekirdek dışında bir elektron olarak düşünülebilir Atomun Proton Sayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi X-ışınları, görünür ışıktan daha yüksek enerjiye sahip olan elektromanyetik ışınlardır yıllarında Henry G. J. Moseley X-ışınlarını kullanarak değişik elementlerin farklı X-ışınları spektrumunu elde etmiştir. Her elementin sadece birkaç karakteristik spektral (Fraunhofer) çizgi içeren X-ışınları spektrumu olduğunu görmüştür. Elementlerde karakteristik olan bu çizgiler art arda gelen her elementte, deneyde kullanılan X-ışınları frekansının artma yönünde sola doğru kaymaktadır. Fraunhofer çizgilerini (Şekil a) inceleyen Moseley elementlerin çizgilerini karşılaştırdığında Ca ve Ti elementlerinin Fraunhofer çizgilerinin diğer elementlerin çizgileri gibi sistematik olmadığını gözlemledi (Şekil b). Atom kütlelerine göre sıralamaya baktığında iki element arasında başka bir elementin bulunması gerektiğini belirtti. Bu gerçekten hareketle Sc elementi keşfedilmiştir (Şekil c). Araştırma X-ışınları cihazlarının insan sağlığı üzerine etkilerini araştırarak poster oluşturup arkadaşlarınızla paylaşınız. Resim Henry G. J. Moseley ( ) (a) (b) (c) Şekil X- ışınları analizi sonucu ortaya çıkan bazı elementlerin Fraunhofer çizgileri (Moseley in 1913 tarihli bir yayınından alınmıştır.) 27

28 10. Sınıf Kimya Ayrıca spektrumda dikkat çeken diğer bir nokta ikiden fazla çizginin görüldüğü yerlerde örnek maddenin safsızlık içerdiği anlaşılmasıdır. Örneğin Co spektrumundaki çizgilerden biri, dikkat edilirse Fe spektrumundaki bir çizgiye denk gelmektedir. Bir diğeri de Ni spektrumundakine denktir. Bir bakır çinko alaşımı olan pirinç (Brass), iki Cu için ve iki de Zn için spektrum çizgileri göstermektedir. Moseley, 1912 de anotta çeşitli elementleri kullanarak her elementin farklı karakteristik X-ışınları spektrumu verdiğini ve elementin atom kütlesi arttıkça yayınlanan ışının frekanslarının buna paralel olarak arttığını gözlemlemiştir. Moseley, X-ışınları frekanslarının atomun çekirdeğindeki yükün karakteristiği olduğunu anlamıştı. Atom numaraları 13 ile 79 arasında olan 38 elementin X-ışınları spektrumunu inceledi. Her element için o elemente karşılık gelen karakteristik spektrum çizgisini kullanan Moseley, elementin atom numarası ile çizgi frekansının karekökü arasında doğrusal bir ilişki olduğunu buldu. Başka bir deyişle elementler atom numarası artışına göre dizildiğinde spektrum çizgisine ait frekansın karekökünün bir elementten diğerine gittikçe sabit bir miktarda arttığını tespit etti (Grafik 1.1.1). 4x10 9 3x10 9 2x10 9 1x Grafik Elementlerin atom numarası artışına göre spektrum çizgisi frekansının karekökü ile değişimi 28

29 1. Ünite Atomun Yapısı Bu tespitten hareketle Moseley, X-ışınları spektrumuna dayanarak elementlerin atom numaralarını doğru bir şekilde belirledi. Diğer taraftan Moseley periyodik sistemde Ce dan Lu a kadar olan seride 14 element bulunması ve bu elementlerin La dan sonra gelmesi gerektiğini bildirdi. Moseley in çalışmalarına dayanılarak periyodik yasa, Elementlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri atom numarasının periyodik işlevidir. şeklinde tekrar tanımlandı. Ayrıca Moseley atom numarasının atom çekirdeğinde bulunan artı birimlerin sayısı olduğunu da önerdi. Moseley atomda bir elementten diğerine gidildikçe artan temel bir nicelik bulunduğunu ifade ederek bu niceliğin ancak merkezdeki artı yüklü çekirdeğin yükü olabileceğini de belirtti. Okuma Metni X-ışınları Spektrumları ve Atom Numarası Atomların gözle görülen spektrumları bağı çok zayıf olan elektronların enerjilerini değiştirmeleri ile ortaya çıkar. Çok yüksek elektriksel uyarmalarda atomlar X-ışınları yayar. Bu ışınlar, atomun dış katmanlarındaki elektronlarının sebep olduğu görünür bölge spektrumlarını açıklamakta bilim insanlarına yardımcı olmuştur. Spektrumları kendi içinde sürekli ve kesikli spektrumlar olarak ikiye ayırabiliriz. Akkor hâline gelmiş bir metalin verdiği ışık bir prizmadan geçirilirse, kırmızıdan mora kadar bütün renkler sıra ile görülür. Arada boşluklar yoktur. Buna sürekli spektrum denir. Hidrojen gazı cıva buharı veya sodyum buharı içeren Geissler tüpünün verdiği ışık bir prizmadan geçirilip incelenirse bazı renklerin görüldüğü ve bu renkler arasında siyah boşluklar bulunduğu gözlenir. Bu tür spektrumlara kesikli veya çizgi spektrum denir. Çizgi spektrumu X-ışınlarının dalga boyu (λ), atomlar arası uzaklığın (d) kırılma açısı (θ) ile Bragg denklemi (nλ=2dsinθ) kullanılarak bulunabilir. Dalga boyu, ölçülen θ kırınım açısından hesaplanabilir. Moseley, anotta çeşitli elementleri kullanarak her elementin farklı karakteristik X-ışınları spektrumu verdiğini ve elementin atom kütlesi arttıkça yayınlanan ışınların frekanslarının buna paralel olarak arttığını gözlemleyerek bütün frekansların aşağıda gösterilen ampirik formüle uyduğunu bulmuştur. n =a(z-b) 2 Bu denklemde a ve b bütün elementlere uyan evrensel sabitlerdir. Z, periyodik cetvelde art arda gelen elementlerde düzenli olarak bir elementin çekirdeğindeki yük veya atom numarası olduğu sonucunu ortaya çıkardır. Bohr un teorisine göre tek elektronlu atomun yaydığı 29

30 10. Sınıf Kimya ışığın frekansı çekirdekteki yükün karesi (Z 2 ) ile doğru orantılı olmalıdır. Moseley, X-ışınları frekanslarının Z 2 ile değil, (Z-b) 2 ile orantılı olduğunu tespit etmiştir. Herhangi bir elektron ele alındığında etkin çekirdek yükü Z değil Z-b dir. Bu açıklama, atomdaki elektronların davranışları ve X-ışınları spektrumlarının kaynağı üzerine bugünkü bilgilerimizle tam bir uyum gösterir. Elementler, periyodik cetvelde atom kütlelerine göre yerleştirildiklerinde Ni-Co, Ar-K ve Tc-I elementlerinin kimyasal özelliklerine uymayan bir düzende yerleştiği görülür. Moseley, elementleri atom sayılarına göre sıraladıktan sonra bu çelişkinin ortadan kalktığını görmüştür. Kısacası, atom kütlelerinin değil atom numarasının kimyasal özelliklerde temel olduğunu göstermiştir. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir. 30

31 ATOM MODELLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ 2. BÖLÜM İçerik 1. Rutherford Atom Modeli 1. Atom Modeli 2. Işınların Enerjisinin Dalga Özelliği 3. Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği 2. Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması 3. Işığın İkili Doğası Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği Siyah Cisim Işıması Planck Kuantum Kuramı Fotoelektrik Olay 4. Atom Spektrumları 5. Bohr Atom Modeli ve Varsayımları Gökkuşağı yağmurlu bir günde güneşin görünmesiyle oluşan güzel bir doğa olayıdır. Geçmişte gökkuşağındaki tarifsiz renklerin oluşumu ile ilgili çeşitli efsaneler anlatılmıştır. Bugün ise gökkuşağının, güneş ışınlarının çok küçük yağmur damlalarına çarparak kırılmasıyla oluştuğu bilinmektedir. Bu bölümde ışığın özellikleri, ışık ile maddenin etkileşimi sonucu ışın yayılması ve buradan hareketle atomun yapısının nasıl aydınlatılmaya çalışıldığı anlatılacaktır.

32 10. Sınıf Kimya Şekil Thomson tasarladığı atom modelini üzümlü keke; kekteki üzümleri negatif yüke, keki ise pozitif yüke benzetmiştir. ZnS sürülmüş levha Rutherford Atom Modeli Thomson un yaptığı deneyler ve geliştirmiş olduğu atom modeli, acaba atomu açıklamakta yeterli miydi? Şimdi bu sorunun cevabını anlamaya çalışalım. Elektronların e/m oranı üzerine yaptığı deneyler sonucunda J.J.Thomson atomların, negatif elektronların içinde yüzdüğünü, pozitif yüklü elektrikten meydana gelmiş küreye benzediğini ve atomun kütlesinin büyük kısmının bu pozitif yüklü elektriklerden oluştuğunu ileri sürdü. Atom gerçekten böyle miydi? Aynı tarihte Rutherford, alfa taneciklerinin (pozitif yüklü taneciklerin) ince altın levhada saçılmalarını gözlemledi. Yaptığı deneyde dar bir aralıktan, paralel ve pozitif yüklü tanecikler demetini çok ince altın bir levhaya gönderdi. Sapmaya uğrayan taneciklerin açısal dağılımını, ZnS sürülmüş levha üzerinde beliren parıldamalar sayesinde belirledi (Şekil 1.2.2). Deneyin önemli nitel sonucu, pozitif yüklü taneciklerin büyük bir kısmının levhayı hiç sapmadan veya küçük açılarla saparak geçmesidir. Çok az sayıda tanecik 180 o ye kadar büyük açılarla sapar (Şekil 1.2.3). Bu sapmayı Rutherford bir top mermisinin ince bir kâğıda çarpıp geri dönmesi olayına benzetmiştir. Kinetik enerjileri çok büyük olan alfa taneciklerinin büyük sapmaya uğramaları güçlü elektriksel kuvvetin atom içinde çok küçük bölgeye (atom çekirdeğine) toplanmış olduğunu da gösterir. Oysa Thomson un atom modeline göre negatif ve pozitif yükler atomun içinde dağılmış durumda olduğundan alfa parçacıklarının metal levhadan geçerken dağılmaması gerekirdi. Bir başka deyişle atom, Thomson un ileri sürdüğü gibi düzenli bir şekilde dağılmış yük ve kütle yoğunluğunda değildir. Böylece Rutherford, Thomson atom modelinin geçerli olmadığını ispatlamış oldu. Alfa taneciklerinin saçılma deneyi, sadece çekirdeğin bulunuşunu gösteren nitel bir deney olmayıp aynı zamanda çekirdeğin yükünün ve büyüklüğünün nicel ölçümünü de verir. Elektronlar, atom içinde yaklaşık olarak m çapında bir hacmi kapladığı hâlde, pozitif elektrik çok küçük olmakla birlikte ağır bir çekirdek içinde toplanmıştır (10-14 m yarıçap). Doğrultusu değişmeyen ışınlar Altın levha Alfa ışın kaynağı Doğrultusu değişen (sapan) ışınlar Şekil Rutherford un altın levha deneyi Şekil Rutherford un deneyinde çekirdeğe (+ yüklü küreye) çarpıp geri dönen ve sapan alfa (pozitif yüklü) tanecikleri 32

33 1. Ünite Atomun Yapısı Rutherford, yaptığı deney sonucunda 1911 de yeni bir atom modeli geliştirdi. Bu atom modeline göre; Bir atomda pozitif yükün tümü, çekirdek denilen küçük bölgede toplanmıştır. Pozitif yüklerin toplam kütlesi, atomun kütlesinin yaklaşık yarısı kadardır. Alfa parçacıklarının çoğu, hiçbir sapmaya uğramadığına göre atom çoğunlukla boşluktan ibarettir. Elektronlar, çekirdek etrafında bulunur ve pozitif yüklere (proton) eşit sayıdadır. Rutherford un çalışmaları sonucunda ulaştığı önemli bir öngörüsü de; çekirdekte pozitif taneciklere eş kütlede yüksüz tanecikler bulunduğundan söz etmesidir. Bu yüksüz taneciklerin (nötronların) varlığı 1932 de James Chadwick (Ceymis Çedvik) tarafından kanıtlanmıştır. Rutherford atom modelinin, atomların yaydığı spektrumları açıklamada yetersiz kalması yeni teorilerin ortaya atılmasına neden olmuştur Atom Modeli Atomun yapısı ile ilgili olarak Faraday, Thomson, Rutherford ve Bohr un çıkarımlarını basitçe işlemiştik. Bu çıkarımlardan hareketle atomu, çekirdekte nükleonlar ve çekirdek etrafında ise elektronların bulunduğu bir sistem şeklinde tarif etmek mümkündür. Çekirdekteki nükleonları, proton ve nötronlar oluşturur. Nötronlar yüksüz, protonların ise pozitif (+) yüklü dür. Protonların pozitif yüklü olması dolayısıyla çekirdek de pozitif yüklü olur. Peki, çekirdekte pozitif yükler bir arada nasıl bulunabilmektedir? Protonların hepsi pozitif yüklü olduğuna göre birbirini itmezler mi? Çekirdek pozitif yüklü, elektronlar negatif yüklü olduğuna göre atomu oluşturan parçacıklar durgun mu, yoksa hareketli midir (statik mi / dinamik mi)? Nükleonların bir arada bulunuşlarında kütle ve elektriksel çekim kuvveti etkilidir. Proton ve nötron içi yük dağılımı, proton ve nötronu oluşturan daha alt taneciklerden dolayı tam simetrik değildir. Bu durum ise protonlar ve nötronlar arasında çekim etkileri meydana gelmesine neden olur. Çekirdek içinde sadece proton-nötron çekimi değil; protonproton, nötron-nötron çekimleri de gerçekleşir. Bu etkileşimler, protonlar arası itmeden daha fazla olduğu için protonların bir arada bulunmasını (çekirdeğin kararlılığını) sağlar. Nötronlar da nötron - proton arasındaki çekim etkileşmesiyle ve protonların aralarına girerek proton - proton itmesini azaltarak çekirdeğin bütünlüğü için katkı yapmış olur. Çekirdeğin kütlesi ile çekirdeği oluşturan proton ve nötronların kütleleri toplamı karşılaştırldığında çekirdeğin kütlesinin daha küçük olduğu görülür. Bunun sebebi nükleonların bir araya gelişleri sırasında bir miktar kütlenin enerjiye dönüşmesidir. Enerjiye dönüşen bu kütle çekirdeğin toplam bağlanma enerjisini sağlamış olur. Nükleonların sayısı çok arttığında nükleonların bir arada bulunmasını sağlayan çekim kuvvetlerine göre elektriksel itme kuvvetleri daha etkili olur ve çekirdek parçalanır. (Bu konu ile ilgili daha ayrıntılı bilgiler Kimya 11 in 5. ünitesinde verilecektir). Çekirdeğin, pozitif yüklü; elektronların ise negatif yüklü olmasına rağmen elektronların çekirdeğe düşmeden ayrı kalabilmesi elektronların dönmeye bağlı savrulması ile ilişkilidir. Normalde elektronların dönmeye bağlı savrulma hareketleri olmasaydı elektronlar çekirdeğe düşerdi. Elektronlar, çekirdeğin çekim etkisinden kurtulabilmek için çekirdek etrafında elektronun enerjisiyle doğru orantılı dönme hareketinde bulunur. 33

34 10. Sınıf Kimya Işınların Enerjisinin Dalga Özelliği Işığı araştıran bilim insanları ışığın yapısı ve özellikleriyle ilgili iki farklı model ortaya sürmüşler ve bu modelleri savunmuşlardır. Bilim insanlarının birçoğu ışığın dalga modeli ile dağıldığını, diğer bilim insanları ise ışığın tanecik modeli ile yayıldığını ortaya atmıştır. 19. yüzyılın başlangıcından önce ışığın, ışık kaynağından yayılan taneciklerin akışı olduğu kabul edilmiştir. Işığın tanecikler hâlinde yayıldığını ilk olarak ortaya atan Newton dur. Işığın tanecikler hâlinde yayılması yansıma ve kırılma gibi bazı bilinen olayların açıklanmasını sağlıyordu. Hollandalı fizikçi ve astronom (Gök bilimci) Christian Huygens (Kristın Huygıns), 1678 yılında yani Newton hayatta iken ışık kaynaklarının çok yüksek frekanslı titreşimler meydana getirdiğini ve bu titreşimlerin saydam ortamlarda dalgalar hâlinde yayıldığını ileri sürdü. Bu kanıya, dar bir aralıktan ışık ışınları geçirerek bu ışınların önündeki ekranda karanlık ve aydınlık alanlar oluşturmasını gözlemleyerek vardı. Işığın dalga teorisi hemen kabul edilmedi. Çünkü bazı bilim insanları ışık, dalga hareketi şeklinde dağılsaydı dalgalar köşeli engellerin çevresinde bükülecekler ve bunun sonucunda da köşelerin çevresini görebileceklerini düşünüyorlardı. Günümüzde ise ışığın cisimlerin kenarları çevresinde gerçekten büküldüğü bilinmektedir. Kırınım olarak bilinen bu olayı, ışık dalgaları kısa dalga boylu oldukları için gözlemlemek kolay değildir. Kırınıma ait deneysel kanıt olmasına rağmen çoğu bilim insanı dalga teorisini reddetti. Yüz yıla yakın bir süre kadar tanecik teorisine bağlı kaldılar. Huygens in ışığın dalga hareketi şeklinde olduğu fikri İngiliz fizikçi Thomas Young (Tomas Yang) ın deneyi ile kanıtlanmıştır. Bu deneye göre ışık ışınları, denizdeki dalgalar gibi bazen birbirini yok ediyor bazen güçlendiriyordu. Tanecik teorisi, bu durumu açıklayamamıştır. Jean Foucault (Jan Fako, ) nun 1850 de ışığın sıvılardaki hızının havadakinden daha az olduğunu kanıtlaması da tanecik teorisinin yetersizliğinin başka bir göstergesidir Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği Işık, elektromanyetik ışımanın gözle görülen bölümüdür. Elektromanyetik ışımanın hem dalga hem de parçacık yapısında olma özelliği vardır. Elektromanyetik ışımanın dalga kuramı, gözlenen pek çok özelliği açıklar. CD üzerinde ışığın kırılması ile görülen gökkuşağı renkleri, elektromanyetik ışımanın dalga girişimine örnek teşkil eder. Işıma enerjisinin parçacık özelliği için Max Planck (Maks Plank, ) tarafından kuantum kuramı önerilmiş, enerjinin ancak belli bir büyüklük hâlinde alınıp verilebileceği belirtilmiştir. Belli bir büyüklük hâlinde alınıp verilebilen bu enerjiye kuantum, ışıma enerjisine ise kuantlanmış enerji denir. Işımayı oluşturduğu ve ışık hızıyla hareket ettiği kabul edilen bu kuantumlar foton olarak adlandırılmıştır. O hâlde ışıma enerjisi hem ışıma dalgaları hem de foton akımlarıdır. Işıma enerjisi sürekli değil, kesikli bir biçimde, kuantumlar hâlinde alınıp verilebilir. Her iki özellik de deney yoluyla yapılan gözlemlere dayanır. 34

35 1. Ünite Atomun Yapısı Elektromanyetik Işınların Dalga Modeliyle Açıklanması Radyo dalgaları, kızıl ötesi (infrared) dalgalar, görünür bölgedeki ışık ve X-ışınları elektromanyetik ışıma türleridir. Elektromanyetik ışın, uzayda dalga hareketi ile ilerler. λ A Şekil Bir dalganın, dalga boyu (λ) ve genliği (A) Aşağıdaki terimler, bu dalgaları tanımlamada kullanılır. 1. Dalga boyu (λ, lamda): Ardı ardına gelen iki dalga üzerinde benzer noktalar arasındaki uzaklıktır (İki maksimum veya iki minimum nokta arasındaki uzaklık). 2. Genlik (A): Bir dalgada maksimum yüksekliğe veya minimum derinliğe denir. Dalganın şiddeti, genliğin karesi (A 2 ) ile orantılıdır. 3. Hız (c): Vakumda (boşlukta) elektromanyetik dalgalar dalga boyuna bağlı olmaksızın aynı hızla hareket eder. c sembolü ile gösterilen ve 2,99x10 8 ms -1 değerinde olan bu hıza ışık hızı denir. Işık hızı boşlukta ve maddesel ortamlarda farklıdır. Örneğin havada 2,99x10 8 ms -1 hızla hareket eden ışık, suda 2,25x10 8 ms -1, camda ise daha düşük bir hızla (yaklaşık 2 x 10 8 ms -1 ) hareket eder. 4. Işımanın frekansı (n, nü): Belli bir noktadan bir saniyede geçen dalga sayısıdır. Birimi Hz (herts) dir. Belli bir ışıma için dalga boyu ile frekansın çarpımı elektromanyetik dalgalar için ışık hızına eşittir. Buradan da bir saniyede alınan yola ulaşılabilir. Işığın frekansı ışık kaynağına bağlı olup ortamla değişmez. Resim Rutherford laboratuvarda çalışırken Uzunluk ölçü birimleri 1 Terametre (Tm) = m 1 Gigametre (Gm) = 10 9 m 1 Megametre (Mm) = 10 6 m 1 Kilometre (km) = 10 3 m 1 Hektometre (hm) = 10 2 m 1 Dekametre (dam) = 10 m 1 Metre (m) = 1 1 Desimetre (dm) = 10-1 m 1 Santimetre (cm) = 10-2 m 1 Milimetre (mm) = 10-3 m 1 Mikrometre (µm) = 10-6 m 1 Nanometre (nm) = 10-9 m 1 Angstrom (A o ) = m 1 Pikometre (pm) = m 1 Femtometre (fm) = m λn = c n = c λ Örnek Frekansı 9,7 x Hz (s -1 ) olan ışığın havada, suda ve camda dalga boyu kaç nanometredir? (c hava : 2,99x10 8 m.s -1,c su : 2,25x10 8 m.s -1, c cam : 2 x10 8 m.s -1 ) Çözüm c = λn Işığın havadaki dalga boyu 2,99x10 8 m.s -1 λ= 9,7 x s -1 λ= c n = 0,308 x 10-6 m (308 x 10-9 m) = 308 nm 35

36 10. Sınıf Kimya Işığın sudaki dalga boyu 2,25x10 8 m.s -1 λ= 9,7 x s -1 = 0,232 x 10-6 m (232 x 10-9 m) = 232 nm Işığın camdaki dalga boyu 2 x 10 8 m.s -1 λ= 9,7 x s -1 = 0,206 x 10-6 m (206 x 10-9 m) = 206 nm Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Frekansı 2,5 x Hz olan ışığın elmastaki dalga boyu 500 nanometre olduğuna göre ışığın elmastaki hızı kaç m s -1 dir. Cevap: 1,25 x 10 8 m s Işığın gliserindeki hızı 2,03 x 10 8 m s -1 dir. Gliserinde 406 nanometrelik dalga boyuna sahip olan ışığın frekansı kaç Hz dir? Cevap: 5 x Hz Radyo dalgaları çok uzun dalga boylarına, kızıl ötesi ışınlar orta uzunlukta dalga boylarına sahiptir. Radyoaktif bozunmadan oluşan gama ışınları (g) ise çok kısa dalga boylarına sahiptir. Görünür ışık ise dalga boyları yaklaşık (380 nm nm) arasındaki ışınları içerir. Uçucu olmayan bir katı, örneğin volfram metali kızdırılırsa beyaz ışık verir. Bu ışık bir cam prizmadan geçirildiğinde çeşitli renklere ayrılır. Görünen her renk, belirli bir dalga boyundaki ışıktan oluşur. Tek bir dalga boyuna sahip olan ışığa monokromatik ışık, dalga boyları farklı ışınlardan oluşan ışığa çok renkli anlamına gelen polikromatik ışık denir. Yeşil boyalı ampülden gelen ışık momokromatik ışığa, güneş ışığı ise polikromatiğe örnek verilebilir. Görünür bölgede bütün dalga boylarındaki ışınlardan oluşan beyaz ışık prizmadan geçirilirse renklere ayrılır. Bu ayrılma dalga boyu farklı olan ışınların kırılma açılarının farklı olmasından ileri gelir. Renk dizisi kırmızıdan başlar, mora kadar devam eder. Renkler arasında kırmızı en uzun dalga boyu ve en düşük frekansa; mor ise en kısa dalga boyu ve en yüksek frekansa sahiptir. Göz, ancak bu iki renk arasındaki ışınlara karşı duyarlıdır. Frekansı kırmızı renginkinden düşük ışınlara kızıl ötesi (IR); frekansı morunkinden yüksek olanlara ise mor ötesi (UV) ışınlar denir. Görünür bölge dışında kalan ve gözün duyarlı olmadığı ışınlar, dolaylı olarak gözlenebilir. Bütün frekansları kapsayan elektromanyetik ışın dizisine elektromanyetik dalga spektrumu denir. Spektrum, elektromanyetik ışının frekansı veya dalga boyuna göre gruplandırılır. 36

37 1. Ünite Atomun Yapısı λ (cm) g ışınları Hertz dalgaları (radyo, TV) yüksek enerji yüksek frekans kısa dalga boyu X- ışınları mor ötesi (ultraviyole) ışınlar kızıl ötesi (infrared) ışınlar mikro dalgalar düşük enerji düşük frekans uzun dalga boyu görünür bölge (ışık) mor mavi yeşil sarı turuncu kırmızı λ (nm) Şekil Elektromanyetik dalga spektrumu X- Işını kullanılarak çekilmiş röntgen görüntüsü Kızıl ötesi ışınlar kullanılarak yapılan görüntüleme Atom bombasının patlaması sırasında gama ışınları oluşur. Masa lambası görünür bölgede ışık yayar. Radyo dalgalarını yayan istasyon Resim Değişik dalga boylarındaki ışınların günlük yaşantımızda karşımıza çıktığı bazı alanlar Görünür bölge, elektromanyetik spektrumun çok dar bölgesidir (4x10 14 Hz (s -1 ) veya nm). Spektrumun değişik bölgelerindeki elektromanyetik ışınlar, madde ile farklı şekillerde etkileşir. Maddenin tanınmasında bu etkileşimlerden faydalanılır. Elektromanyetik ışımanın maddeyle (atomlar ve moleküller) etkileşmesini konu alan bilim dalına spektroskopi, bu etkileşmenin incelendiği aletlere spektroskop ve spektrumların kaydedildiği aletlere de spektrometre denir. Resim Spektrometre 37

38 10. Sınıf Kimya Etkinlik 1.3 te ısıtılan bazı maddelerin alevdeki renklerini (ışımalarını) inceleyerek maddelerin bu ışımaya bağlı olarak farklılığını görelim. Isıtılan Bazı Maddelerin Işıması Etkinliğin Amacı Işıma ile atomun yapısı arasındaki ilişkiyi açıklayabilme Etkinliği Uygulayalım Uyarı: Etkinliği uygularken tuzu almadan önce platin teli her seferinde bir defa HCl çözeltisine batırıp daha sonra aleve tutarak temizleyiniz. İmkân varsa her tuz için ayrı platin tel kullanınız. Ucu kıvrılmış platin teli cam çubuğa sarınız. Cam çubuğu tel sarılmamış tarafından tutarak telin ucu kıvrılmış olan bölümüne bir miktar madde (tuz) alınız. Platin teli bunzen bekinin mavi alevinin üstüne tutunuz. Alevin rengine dikkatle bakarak gözlemlediğiniz rengi aşağıdaki ilgili kutucuğa yazınız. Kullanılan Madde Gözlenen Renk Kullanılan Madde Gözlenen Renk Etkinlik 1.3 NaCl Na 2 CO 3 Etkinliği Sonuçlandıralım LiCl KNO 3 BaCl 2 NaNO CuCl 3 Cu(NO 3 ) 2 Araç ve Gereç Bunzen beki Deney tüpü Spatül HCl çözeltisi Katı NaCl Katı KCl Katı KNO 3 Katı BaCl 2 Katı Na 2 CO 3 Katı NaNO 3 Katı CuCl Katı Cu(NO 3 ) 2 Dereceli silindir Cam çubuk Saat camı Platin tel Tüplük 1) Maddeleri bunzen beki alevine tutunca alevin renginin değişmesinin nedeni ne olabilir? Alevdeki renkler nasıl oluşmaktadır? 2) Aynı element için farklı bileşiklerin bunzen beki alevinde aynı renk oluşturmasından nasıl bir sonuç çıkarabilirsiniz? 3) Atomların yapısı ile oluşan alev rengi arasında bir bağ kurulabilir mi? Değişik maddelere ait alev analizleri incelendiğinde her maddenin kendine özgü bir şekilde alev rengi verdiği gözlemlenmiştir. Alev renklerinin farklı olması maddenin ısıtıldığında farklı frekanslarda ışın yaydığının göstergesidir. Frekansla dalga boyu ters orantılıdır. Bir dalga boyun- 38

39 1. Ünite Atomun Yapısı dan diğerine geçişin sürekli olduğu spektrumlara sürekli spektrum denir. Örneğin, beyaz ışık, bir prizmadan geçirilirse sürekli spektrum elde edilir. Renkler (yani dalga boyları) arasında kesintisiz bir geçiş vardır. Sürekli spektrum verebilecek beyaz ışık bir gazdan (örneğin, He dan) geçirildikten sonra prizmada kırılırsa elde edilen spektrumda belirli frekanslarda siyah çizgiler görülür. Bu çizginin yeri ve sayısı, ışığın içinden geçtiği maddenin türüne bağlıdır. Bu durum maddelerin tanınmasına yarar. Spektrumun bu şekilde kullanılması insanların ayırt edilmesinde parmak izlerinin kullanılması durumuna benzemektedir Işığın İkili Doğası Işığı araştıran bilim insanları ışığın yapısı ve özellikleriyle ilgili iki farklı model ortaya sürerek bunları savunmuşlardır. Bilim insanlarının birçoğu ışığın dalga modeli ile dağıldığını, diğer bilim insanları ise ışığın tanecik modeli ile yayıldığını ortaya atmıştır. 19. yüzyılın başlangıcından önce ışığın, ışık kaynağından yayılan taneciklerin akışı olduğu kabul edilmiştir. Işığın tanecikler hâlinde yayıldığını ilk olarak ortaya atan Newton dur. Işığın tanecikler hâlinde yayılması yansıma ve kırılma gibi bazı bilinen olayların açıklanmasını sağlıyordu. Newton hayatta iken 1678 de Hollandalı fizikçi ve astronom (Gök bilimci) Christian Huygens (Kristiın Huygıns), ışık kaynaklarının çok yüksek frekanslı titreşimler meydana getirdiğini ve bu titreşimlerin saydam ortamlarda dalgalar hâlinde yayıldığını ileri sürdü. Bu kanıya, dar bir aralıktan ışık ışınları geçirerek bu ışınların önündeki ekranda karanlık ve aydınlık alanlar oluşturmasını gözlemleyerek vardı. Işığın dalga teorisi hemen kabul edilmedi. Çünkü bazı bilim insanları ışık, dalga hareketi şeklinde dağılsaydı dalgalar köşeli engellerin çevresinde bükülecekler ve bunun sonucunda da köşelerin çevresini görebileceklerini düşünüyorlardı. Günümüzde ise ışığın cisimlerin kenarları çevresinde gerçekten büküldüğü bilinmektedir. Kırınım olarak bilinen bu olayı, ışık dalgaları kısa dalga boylu oldukları için gözlemlemek kolay değildir. Kırınıma ait deneysel kanıt olmasına rağmen çoğu bilim insanı dalga teorisini reddetti. Yüzyıla yakın bir süre kadar tanecik teorisine bağlı kaldılar. Huygens in ışığın dalga hareketi şeklinde olduğu prensibini ispatlayabilmek için İngiliz fizikçi Thomas Young (Tomas Yang), Şekil da olduğu gibi düzeneği kurarak deney yaptı. Bu deney düzeneğinde bir ışık demeti, ortasında K deliği bulunan levhaya çarptığında bu delik noktasal ışık kaynağı gibi davranarak ışık dalgaları yayar. Dalgalar A dan B levhasına gelir. B levhası üzerinde K 1 ve K 2 delikleri yine etrafa ışık dalgaları yayar. Bu dalgaların birbiri içine girmesi (girişim) ile C ekranı üzerinde girişim çizgileri dediğimiz bir sıra aydınlık (kırmızı) ve karanlık çizginin belirdiği görülür. Young un deneyinde bu şekilde ortaya çıkan çizgiler, ışığın dalga özelliğini açıkça kanıtlamaktadır. K 1 ve K 2 deliklerinden biri kapatılınca aydınlık ve karanlık çizgiler yok olur. Bu deneye göre ışık ışınları, denizdeki dalgalar gibi bazen birbirini yok ediyor bazen güçlendiriyordu. Tanecik teorisi, bu durumu açıklayamamıştır. Jean Foucault (Jan Fako, ) nun 1850 de ışığın sıvılardaki hızının havadakinden daha az olduğunu kanıtlaması da tanecik teorisinin yetersizliğinin başka bir göstergesidir. Araştırma Bir metal para havuzun dibinde görülmektedir. Paranın bulunduğu derinlik ile göründüğü derinlik arasında fark var mıdır? Varsa sebebi sizce ne olabilir? Resim Thomas YOUNG ( ) 16 yaşındayken Latince, Yunanca, Fransızca, İtalyanca, Türkçe, İbranice, Arapça, Farsça, Sümerce biliyordu. Arkeoloji ve tarih başta olmak üzere birçok ilgi alanı vardı. Önce tıp okudu ve 1796 Göttingen de doktor unvanını aldı den 1804 e kadar Kraliyet Enstitüsünde fizik profesörlüğü yaptı. 39

40 10. Sınıf Kimya C Aydınlık A B Karanlık Aydınlık Işık demeti K K 1 K 2 Karanlık Aydınlık Karanlık Aydınlık Karanlık Aydınlık Şekil Young ın çift aralıklı ışık girişim deneyi Tanecik modeline göre ışığın hızı, camlarda ve sıvılarda, havadakinden daha yüksek olmalıydı. 19. yüzyıldaki gelişmeler ışığın dalga teorisinin genel olarak kabul edilmesine sebep olmuştur. Elektromanyetik Işımanın Dalga ve Parçacık Özelliği Elektromanyetik ışımanın hem dalga hem de parçacık yapısında olma özelliği vardır. Işık, elektromanyetik ışımanın gözle görülen bölümüdür. Elektromanyetik ışımanın dalga kuramı, gözlenen pek çok özelliği açıklar. CD üzerinde görülen gökkuşağı renkleri, elektromanyetik ışımanın dalga girişimine örnek teşkil ederken siyah cisimlerin ışıması ve fotoelektrik olay gibi olaylar ise ışımanın parçacıklardan oluşması ile açıklanabilir. Işıma enerjisinin parçacık özelliği için Max Planck (Maks Plank, ) tarafından kuantum kuramı önerilmiş, enerjinin ancak belli bir büyüklük hâlinde alınıp verilebileceği belirtilmiştir. Belli bir büyüklük hâlinde alınıp verilebilen bu enerjiye kuantum, ışıma enerjisine ise kuantlanmış enerji denir. Işımayı oluşturduğu ve ışık hızıyla hareket ettiği kabul edilen bu kuantumlar foton olarak adlandırılmıştır. O hâlde ışıma enerjisi hem ışıma dalgaları hem de foton akımlarıdır. Işıma enerjisi sürekli değil, kesikli bir biçimde, kuantumlar hâlinde alınıp verilebilir. Her iki özellik de deney yoluyla yapılan gözlemlere dayanır. Bunlardan ilk önce siyah cisim ışımasını oluşturan dalgaları anlamaya çalışalım. Siyah Cisim Işıması Soğurma: Bir ortamın ışık enerjisini belli nicelikte emmesi olayıdır. Üzerine gelen bütün ışınları soğuran cisimlere siyah cisim denir. Siyah cisim bir metalden veya kilden yapılmış, her yanı kapalı ve içi karbonla sıvanmış borunun üzerine bir delik açmakla hazırlanabilir. 40

41 1. Ünite Atomun Yapısı Siyah cisim ısıtılıp delikten çıkan ışımalar gözlendiğinde her çeşit dalga boyunda ışığın olduğu görülür. Isıtmadan sonraki her sıcaklıkta ışımanın şiddetinin arttığı gözlenir. Düşük sıcaklıkta az enerjili (uzun dalga boylu) ışımalar olurken sıcaklık yükseldikçe ışıma yüksek enerjili (kısa dalga boylu) olur. Siyah cisim ısıtılıp görünür ışık yaydığında önce kırmızı renk görülür (görünür bölgenin en uzun dalga boylu ışıması). Sıcaklık arttırılırsa gözlenen turuncu ve sarı ışıma mora kadar devam eder. Sonuçta beyaz ışık dediğimiz görünür bölge ışıması sırasıyla yayımlanmış olur. Şekil Siyah cisim üzerine gelen bütün ışınları soğurur; ısıtıldığında ise ışıma yapar. Grafik Siyah cisim ışımasının şiddetinin (üç farklı sıcaklık için) dalga boyuna göre değişimi Grafik de ışımanın şiddetinin sıcaklık arttıkça daha da arttığına dikkat ediniz. Grafikte ışımanın enerjisi eğri altındaki alanla orantılıdır. Planck Kuantum Kuramı Etkinlik 1.3 te gördüğünüz gibi cisimler ısıtıldıkça değişik renkte ışık yayar. Demir parçasını ısıttığımızda ilk önce kırmızı, sonra sarı en sonunda da beyaz renk oluşur. Sıcak cisimden yayımlanan ışık, prizmadan geçirilerek sürekli spektrum elde edilir. Işık şiddeti dalga boyu ile düzenli şekilde değişir. Işık kaynağına bağlı olarak belirli dalga boyunda ışık şiddeti maksimuma ulaşır. Klasik atom teorisine göre metal yüzeyine vuran ışığın şiddeti, yani ışık kaynağının birim yüzeyinden birim zamanda çıkan ışık miktarı arttıkça sökülen elektron sayısının ve onların kinetik enerjilerinin de artması bekleniyordu. Yani frekans aynı da olsa, yoğun bir kırmızı ışığın da metal yüzeyinden elektron sökmesi ve kırmızı ışığın şiddeti arttıkça hem sökülen elektron sayısının hem de onların enerjilerinin artması gerekiyordu. Oysa Max Planck, 1900 yılında önerdiği kuantum kuramında ışık şiddetinin sürekli artmadığını ileri sürdü. Ortaya attığı tez enerjinin de madde gibi sürekli olmadığıydı. Planck ın ileri sürdüğü kuantum kuramı ile klasik fizikçiler arasındaki fark, klasik fizikçiler cismin sahip olabileceği enerji miktarı için herhangi bir sınırlama getirmezken Planck ın kuantum kuramı enerjiyi belirli değerlerde özel paketler biçiminde sınırlar. Cismin iki enerji seviyesi arasındaki fark enerji kuantumu olarak adlandırılır. Başka bir ifadeye göre Planck, ışıma enerjisinin belli büyüklüklerde soğurulup yayımlanabileceğini yani kuantumlar hâlinde alınıp verilebileceğini ileri sürmüştür. Her kuantum enerjisi, ışımanın frekansı (n) ile doğru 41

42 10. Sınıf Kimya Elektron (a) Elektronlar (b) Hızlı elektron (c) Işıma Metal Metal Işıma Yüksek frekanslı ışıma Metal Şekil Fotoelektrik olay, (a) Metal yüzeyine düşen ışıma elektronları fırlatır. (b) Işımanın şiddeti arttırılırsa fazla sayıda elektron fırlar. (c) Işımanın enerjisi artarsa fırlayan elektronların hızı artar. orantılıdır. Planck bir kuantumun taşıdığı enerji için E = h n bağıntısını kullanmıştır. Bu bağıntıdaki h, Planck sabiti olup değeri 6,626196x10-34 Js dir. Işımanın frekansı arttıkça kuantumun enerjisi ve kuantumlardan oluşmuş enerji akımı olarak tanımlayabileceğimiz ışımanın enerjisi de artar. Dolayısıyla siyah cismin ışımasında, sıcaklık yükseldikçe enerji artarken dalga boyu kısalır. Siyah cismin ışıması üzerine yaptığı çalışmalar sonucunda kuantum fiziğinin doğmasına sebep olan görüşlerinden dolayı 1918 yılı Nobel Fizik Ödülü Planck a verilmiştir. Fotoelektrik Olay Bir kuram ya da model, deneysel sonuçları eksiksiz bir şekilde tahmin edilebiliyorsa geçerlidir. Planck ın enerjinin kuantlaştığı şeklindeki kuramı başlangıçta yeterli kabul görmedi. Einstein ın fotoelektrik etkiyi açıklamak için bu kuramı kullanmasından sonra Planck ın kuantum kuramı sağlam şekilde kabul gördü. Işık bir metal yüzeye çarpar ve yüzeyden elektron uzaklaşırsa fotoelektrik etki (olay) meydana gelir. Fırlatılan elektronların enerjisi, dalga kuramına göre ışımanın şiddeti (genliği) ile orantılı olmalıdır. Gerçekte ise ışımanın frekansı ile orantılı olduğu gözlenmiştir. Diğer taraftan bir metalden elektron koparabilmek için ışımanın belirli bir frekansa eşit veya daha yüksek frekansta olması gerekmektedir. Işımanın şiddetinin arttırılması, fırlatılan elektronların sayısını arttırır fakat enerjilerini değiştirmez. Deneysel fizikçi Millikan, Einstein ın bu varsayımının yanlış olduğunu ispatlamak için çalışmıştır. Millikan, Einstein ın varsayımına ışığın klasik elektromanyetik dalga teorisine aykırı olduğu gerekçesiyle karşı çıkmıştır. On yıl süren deneysel çalışmalar sonrasında başlangıçtaki beklentisinin tersine, Einstein ın varsayımını doğrulayan sonuçlar elde etmiştir. Millikan, Einstein ın varsayımına dayanarak Planck sabitini yüksek bir hassasiyetle ölçmeyi başarmıştır. Bu çalışmalar Millikan a 1923 yılında Nobel Fizik Ödülü nü kazandırmıştır. Einstein, Planck ın ortaya attığı kesikli ve belli büyüklükteki enerji kuantumlarının (fotonların) metal elektronları ile etkileşmesinin fotoelektrik olaya yol açtığını söylemiştir. Bir foton, bir metal atomuna çarptığı zaman tüm enerjisini elektronlara verir, fakat bir elektron koparması için minimum enerjiye sahip olması gerekir. Şekil de görüldüğü gibi belli frekansta bir ışımanın şiddetinin artırılması fotonların sayısını artıracak ama enerjilerini değiştirmeyecektir. Işımanın enerjisi artarsa elektronun hızı da buna bağlı olarak artacaktır. Okuma Metni Siyah Cisim Işıması ve Fotoelektrik Olay Üzerine düşen ışığın tümünü soğuran ideal bir siyah madde 1859 yılında Kirchhoff tarafından siyah cisim olarak belirlendi. Günlük hayatta aslında böyle bir madde olmamasına karşın küçük bir delikle dışarıya açılan içinde daha büyük bir oyuğa sahip maddelerin ideal siyah cisme oldukça yakın olduğu Alman fizikçi Wilhelm Wien (Vilhem Vien, ) tarafından 1894 yılında denel olarak ispatlanmıştır. Küçük delikten ortadaki büyük oyuğa giren, aynı delikten geri yansıma olasılığı sıfıra yakın olan ışının tamamı soğurulmaktadır. Soğurulan ışık, aynı anda geri yayınlanmaktadır. Soğurulan ve yayınlanan ışık şiddeti enerjinin sakınımı uyarınca birbirine eşit olmak zorundadır. 42

43 1. Ünite Atomun Yapısı Yayınlanan ışın şiddetinin, siyah cismin oluştuğu maddeye bağlı olmadığı; ancak sıcaklığa bağlı olduğu denel yoldan ispatlanmıştır. Fizikçi Josef Stefan (Jozef Sitefın) 1879 yılında yayılan enerjinin mutlak sıcaklığın dördüncü kuvveti ile orantılı olduğunu denel olarak göstermiştir. T 3 > T 2 > T 1 Rayleigh-Jeans denklemi r l r l Denel ve Planck denklemi T 3 T 2 T 1 Wien denklemi l(nm) l(nm) Siyah cisimdeki enerji yoğunluğunun yayınlanan ışığın dalga boyu ve sıcaklık ile değiştiği yukarıdaki grafikte görülmektedir. Belli bir süre yüksek sıcaklıkta tutulan bir katının sırayla kırmızı, beyaz ve mavi görünmesi enerji yoğunluğunun dalga boyu ile değişiminden kaynaklanmaktadır. Dalga boyu arttıkça yükselen enerji yoğunluğu maksimumdan geçtikten sonra düşmektedir. Yükselen sıcaklıkla enerji yoğunluğu artarken maksimumlar küçük dalga boylarına doğru kayar. Diğer grafikte ise Wien eğrisi daha kısa dalga boylarında Rayleigh-Jeans eğrisi ise daha uzun dalga boylarında denel eğriye yaklaşmaktadır. Öte taraftan, denel eğri maksimumdan geçtiği hâlde her iki kuramsal eğri de maksimum bulunmamaktadır. Alman fizikçi Heinrich Rudolf Hertz (Haynrih Rudolf Herts, ) 1887 yılında uygun frekanslarda üzerine ışın gönderilen metal yüzeylerinden elektron salındığını gözlemiş ve buna fotoelektrik olay adını vermiştir. Hertz, elektron salınıp salınmamasının metal yüzeyine gönderilen ışının frekansına bağlı olduğu halde şiddetine bağlı olmadığını, salınan elektron sayısının ise ışın şiddeti ile orantılı olduğunu söylemiştir. Şiddeti az bazı ışınlar, uzun sürede gönderildiği ışıma enerjisinin yalnızca ışın şiddetine bağlı olduğu fikri ile çelişmektedir. Bu çelişkiyi klasik fizik ile ne Hertz ne de P. Lenard açıklayamamıştır. Einstein, fotoelektrik olayı açıklayabilmek için Planck tan sonra kuantum teorisinin ikinci büyük adımını atmış ve sonradan foton adı verilen ışın kuantumu kavramını ileri sürmüştür. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir Atom Spektrumları Bir elektromanyetik ışın demeti, prizmadan geçirilirse ışın demetinin kırıldığı görülür. Prizmadaki kırılma, ışının dalga boyuna bağlıdır. Kısa dalga boylu ışınlar daha çok kırılır. Beyaz ışık (güneş ışığı) önce dar bir demet yapıcı yarıktan ve daha sonra prizmadan geçirilirse görünür bölgede mordan kırmızıya kadar değişen ve bütün renkleri içeren kesiksiz (sürekli) spektrum elde edilir. Elementler, gaz veya buhar hâlinde gerekli yüksek sıcaklığa kadar ısıtılırsa bir ışıma yayımlar. Işımanın prizmadan geçirilmesi bir kesikli (çizgi) spektrum verir. Çizgi spektrumunda elementler dolayısıyla atomlar görünür bölgenin değişik kesimlerinde parlak çizgiler oluşturur. Oluşan bu çizgi spektrumlarının nedeni, maddelerin enerji (ısı, elektrik) aldıklarında kendine özgü dalga boylarında ışık yayınlanmasıdır. Dolayısıyla her elementin kendine özgü belirgin yayınma çizgi spektrumu vardır. Resim Fotoelektrik etkiyle çalışan fotoselli kapı, musluk ve tavan lambası 43

44 10. Sınıf Kimya Hidrojen ile dolu gaz boşalma tüpü Mor l nm 410,1 Menekşe 434,0 Mavi-yeşil 486,1 Kırmızı 656,3 Hidrojenin görünür bölge çizgi spektrumu Yarıklar Ekran Prizma Şekil Hidrojenin görünür bölge yayınma (emisyon) çizgi spektrumu Her element atomunun kendine özgü bir yayınma spektrumu olduğu gibi bir de soğurma (absorpsiyon) spektrumu vardır. Çünkü elementler hangi dalga boyunda ışıma yayıyorsa o dalga boyundaki ışımaları soğurabilir. Örneğin beyaz ışık, gaz boşalma tüpünde hidrojenin içinden geçirildikten sonra analiz edilirse kesiksiz spektrumun üzerinde siyah çizgilerin oluştuğu görülür. Bunların dalga boyları, gazın yayınma spektrumundaki dalga boylarına karşılık gelir. Bu şekilde hidrojenin soğurma çizgi spektrumu elde edilir (Madde yani hidrojen, beyaz ışığın belirli dalga boylarını soğurduğundan). Spektrumdaki çizgilerin dalga boyları gazın yayınma spektrumundaki dalga boylarına karşılık gelir. Şekil deki görüldüğü gibi hidrojenin yayınladığı görünür bölge ışıması, beyaz ışıkta gözlenen tüm dalga boylarını değil sadece hidrojene özgü bir bölümünü içerir. Şekil de ise hidrojenin görünür bölge soğurma (absorbsiyon) çizgi spektrumu görülmektedir (Bu iki şekilde spektrumdaki çizgilerin dalga boylarının aynı olduğuna dikkat ediniz.). a) Hidrojen Spektrumu b) Cıva Spektrumu c) Neon Spektrumu Şekil Bazı elementlerin yayınma çizgi spektrumları Güneş ışığının kesiksiz spektrumunda soğurma dalga boyları siyah çizgiler şeklinde görülür. Bunlara Fraunhofer çizgileri denir. Bu çizgiler, Güneş yüzeyindeki gaz elementlerin ışığın bazı dalga boylarını soğurmaları nedeniyle oluşur. 44

45 1. Ünite Atomun Yapısı Hidrojen ile dolu tüp Yarık l nm 410,1 434,0 Ekran 486,1 656,3 Prizma Beyaz ışık Şekil Hidrojenin görünür bölge soğurma (absorbsiyon) çizgi spektrumu Cıva ve neonun yayınma çizgi spektrumları ile hidrojenin yayınma çizgi spektrumu karşılaştırıldığında (Şekil ) birbirinden farklı oldukları görülür. Spektrumlardaki bu farklılıklar insandaki parmak izleri gibi her maddede kendine özgüdür. Bundan yararlanılarak maddelerin tanınması sağlanır ve atomun yapısı hakkında ipuçları elde edilir. Hidrojenin yayınma ve soğurma spektrumları oldukça basittir fakat atomların elektron sayısı arttıkça spektrumlar daha karmaşık hâle gelir. Bu nedenle spektrumun açıklanması güçleşir. Hidrojenin görünür bölgedeki spektrumu dört çizgiden oluşur. En parlak çizgi (656,3 nm) kırmızı olup gaza uygulanan yüksek gerilim sırasında gaz bu hakim rengi alır. Bununla birlikte 486,1 nm de yeşilimsi mavi, 434,0 nm de menekşe ve 410,1 nm de mor renk görülür (Şekil 1.2.9). 19.yüzyılda bilim insanlarının amaçlarından biri de gaz atomlarının neden belirli bir frekansta ışık yayınladığını açıklamaktı. Gözlemlenen frekans miktarını matematiksel bağıntı ile ilk ifade etme girişimi J.Balmer ve J. Rydberg yapmıştır. Balmer ve Rydberg, hidrojenin görünür bölge yayınma spektrumundaki en uzun dalga boylu üç çizginin (kırmızı, yeşil, mavi) dalga boylarını hesaplamaya yarayan bir eşitlik geliştirdiler. Bu eşitlik Rydberg eşitliği olarak bilinir. Bu eşitlikte n spektrumdaki çizgilere karşılık gelen bir tam sayıdır. R Rydberg sabiti olup değeri ise 1,0974x10 7 m -1 dir. n=3 alındığında dalga boyu 6,56x10-7 m (656,1 nm) bulunur. Bu sayı hidrojen spektrumundaki kırmızı çizgiye karşılık gelir. 1 λ R 2 2 n 2 n>2 Rydberg Eşitliği n=4 alındığında yeşil çizginin dalga boyu, n=5 alındığında mavi çizginin dalga boyu elde edilir. Görünür bölgenin bu grubuna ait (n= 3, 4, 5, 6, 7, 8,...) çizgileri Balmer serisi olarak adlandırılmaktadır. Hollandalı 45

46 10. Sınıf Kimya fizikçi Niels Bohr, atomların spektrumları ile Planck ve Einstein ın kuantum düşüncesini ilk kez ilişkilendirmeyi başardı. Rutherford un çalışmalarından elektronların çekirdeğin dışında yer aldığı biliniyordu. Bohr, hidrojen için çekirdeğin çevresinde belirli bir yörüngede hareket eden elektrondan oluşan basit bir atom modeli önerdi Bohr Atom Modeli ve Varsayımları Bohr, atom kuramını hidrojenin yayınma spektrumuna dayanarak ve Planck ın kuantum kuramını göz önüne alarak geliştirmiştir. Spektroskopik gözlemlerde, yayılan ışımanın atomlarda elektronların yer değiştirmelerinden ileri geldiği düşünülmüştür. Hidrojenin çizgi spektrumu ışımanın belli miktarlar (kuantumlar) hâlinde yayıldığını gösterir. O hâlde hidrojenin elektronunun enerjisi kuantlanmıştır. Elektron, yüksek enerjili bir düzeyden daha düşük olan bir düzeye geçerken enerji farkı, ışıma kuantumu olarak yayılmakta ve yayınma spektrumundaki bir çizgiye karşılık gelmektedir. Atomun elektron yapısını açıklayabilmek için Bohr; atomun bir çekirdek ile çevresindeki elektronlardan oluştuğunu ve elektronların çekirdek üzerine düşmediği gerçeğinden yola çıkarak aşağıdaki varsayımları ileri sürdü. Bohr atom modeline göre; 1. Bir atomda bulunan her elektron çekirdekten ancak belirli uzaklıklarda küresel yörüngelerde bulunabilir. Her yörünge belirli enerjiye sahiptir. Bu yörüngelere enerji düzeyi de denir. Yörüngelerin ortak merkezi çekirdek olup yörüngeler; K, L, M, N, O gibi harflerle gösterildiği gibi 1, 2, 3, 4, 5 gibi rakamlarla da gösterilebilir. 2. Bir atomun elektronları en düşük enerji düzeyinde bulunmak ister. Bu düzeye temel hâl düzeyi adı verilir. Madde ısıtıldığında atomlarındaki elektronlar daha yüksek enerji düzeyine geçer. Bu durumdaki atomlar uyarılmış hâldedir. 3. Yüksek enerji düzeyinde (E y ) bulunan elektron düşük enerji düzeyine (E d ) inerse aradaki enerji farkına eşit enerjide ışın yayılır. Bir dış yörüngedeki (n d ) elektronun enerjisine E d ve bir iç yörüngedeki (n i ) elektronun enerjisine de E i diyelim. Elektron dış yörüngeden iç yörüngeye geçtiğinde (E d - E i ) kadar enerji bir ışık fotonu şeklinde yayılır. E için negatif değer, çekirdeğe yakın elektronun enerjisinin sonsuz uzaklıktaki elektronun enerjisinden daha düşük olduğunu gösterir. Buna göre her bir yörüngedeki elektronun enerjisi negatiftir. Planck eşitliğine göre bir fotonun enerjisi E = h n ye eşit olduğu için; hn = E d - E i = A 1 A λ = 1 1 hc 2 2 n i n d n i n d bulunur. n = A h 1 1 n i 2 n d 2 ya da h Planck sabiti olup değeri h = 6,626 x Js, A ise sabit bir sayı olup değeri 2,18 x J dür. 46

47 1. Ünite Atomun Yapısı A hc nin değeri 1,097x107 m -1 dir. Bu değerin 40. sayfada verilen Rydberg sabitinden yalnızca %0,05 farklı olduğuna dikkat ediniz. Böylelikle 1 λ = R 1 1 n i 2 n d 2 şeklinde bu eşitliği yazabiliriz. Aynı zamanda bu eşitlik Balmer tarafından deneysel verilerden elde edilen eşitlikle uyumludur. 1 λ = R n d Balmer (Rydberg) eşitliği. A h = s -1 (Hz) n = 3,289 x n i 2 n d 2 olur. Elektronun yüksek enerji düzeylerinden n=2 düzeyine olan geçişlerinde elde edilen spektrum çizgilerinin frekansı aşağıdaki formülle hesaplanır. 1 1 n = 3,289 x (n d = 3, 4, 5...) n d elektron n 2 n 1 n 1 ve n 2 elektronun enerji seviyesidir. Paschen serisi (Kızılötesi) Lyman serisi (Ultraviyole) n=3 n=2 434,0 nm (Menekşe) n=1 n=4 n=5 656,3 nm (kırmızı) Balmer serisi (Mor) 410,1 nm 486,1 nm (mavi-yeşil) Şekil Hidrojen atomunda bazı elektron geçişleri ve spektrumu Hidrojen atomunda yer alan bazı elektron geçişleri ile görünür bölgedeki spektral çizgiler arasındaki ilişki Şekil te görülmektedir. Elektron, yüksek enerjili bir katmandan n=1 katmanına inerse mor ötesi ışık (ultraviyole) şeklinde enerji yayınlanır. Lyman serisi adı verilen spektral seri meydana gelir. Yüksek enerjili bir katmandan n=2 katmanına olan elektron geçişleri görünür bölgede gerçekleşmiş olur ve Balmer serisi adını alır. Lyman serisinde Balmer serisine göre daha çok enerji açığa çıkar. Lyman serisindeki çizgilerin dalga boyları da Balmer serisindekilerden daha kısadır. Yine aynı şekilde yüksek enerjili 47

48 10. Sınıf Kimya Enerji düzeyi bir katmandan n=3 katmanına olan elektron geçişleri ise kızılötesi (IR, infrared) bölgede spektrum çizgileri oluşturarak Paschen serisi adını alır. Paschen serisindeki çizgiler Balmer serisindeki çizgilere göre daha uzun dalga boylarında oluşur. Yüksek enerjili katmanlardan n=4 katmanına olan elektron geçişlerine Brackett serisi, n=5 katmanına olan elektron geçişlerine ise Pfund serisi adı verilir. n = E =0 n = 6 n = 5 n = 4 n = 3 Paschen serisi Brackett serisi Pfund serisi IR n = 2 Balmer serisi l nm görünür bölge spektrum mor kırmızı ,1 434,0 486,1 656,3 n = 1 Lyman serisi E 1 = -2,18x10-18 J Şekil Hidrojen atomunda elektron geçişleri enerji düzeyi ve spektrum çizgileri Okuma Metni UV Güneşin ve Yıldızların Kimyasal Analizi Bilim insanları, Güneş te ve diğer yıldızlarda belirli elementlerin olduğunu biliyorlar. Bu bilgi nasıl elde edilmiştir? On dokuzuncu yüzyıl başlarında Alman fizikçi Josef Fraunhofer (Jozef Fraunhafır) Güneş in emisyon spektrumunu inceledi ve belirli dalga boylarında karanlık çizgiler olduğunu fark etti deki Güneş tutulması sonrasında Hindistan da çalışmalar yapan Fransız fizikçi Janssen ve İngiltere den İngiliz Lockyer birbirlerinden bağımsız bir şekilde yaptıkları spektrum analizi sayesinde, yeryüzünde bilinmeyen bir elementi Güneş te bulduklarını Fransız Bilimler Akademisine bildirdiler. Bu element spektrumunda, renk olarak sodyum çizgisini andıran sarı bir çizgi veriyordu. Ama bu çizginin sodyumla bir ilgisi yoktu. Bu iki bilim insanı da Güneş in emisyon spektrumuna uymayan karanlık yeni bir çizgi keşfettiklerini bildirdiler. Bu soğurma çizgilerini oluşturan elemente helyum (Helios, Yunancada güneş anlamına gelir.) adı verilmiştir. Yirmi yedi yıl sonra helyum İngiliz kimyacı William Ramsay tarafından uranyum minerallerinde keşfedildi. 48

49 1. Ünite Atomun Yapısı Atomlarda ışığın yayılma ve soğrulması aynı dalga boylarında olmakta fakat farklı görülmektedir. Renkli çizgiler yayılmayı; karanlık çizgiler soğrulmayı gösterir. Uzak yıldızlardan gelen emisyon spektrumundaki çizgiler ile bilinen elementlerin emisyon spektrumu karşılaştırılarak bilim insanları bu tür elementlerin yıldızlarda mevcut olduğu sonucuna varmıştır. Bilim insanları, güneş elementi nin bulunuşundan sonra Güneş e ait spektrografları (spektroskop kayıtları) defalarca incelediler ve Güneş hakkındaki her şeyi anlamaya çalıştılar. Güneş ten sonra sıra, yakın ve uzak yıldızlara geldi. Bilim insanları yıldızlardan gelen ışınları spektroskoplarla incelediklerinde her türden spektral çizginin oluşturduğu karışık çizgilerde yeryüzünde şu anda bilinen elementleri buldular. Yalnızca seksen yıl sonra Güneş teki helyumun yarattığı bilimsel şaşkınlık bu kez Mendeleyev çizelgesinde 43. kutuyu dolduran teknesyuma yöneldi. Yeryüzündeki cevherlerde eser miktarda bulunan teknesyum, ilk olarak belli yıldızların spektrumlarında bulunduktan sonra ve ancak bundan sonra yeryüzünde izine rastlandı. Teknesyum, yıldızlarda hiç de az rastlanır bir element değildir; nükleer tepkimelerin bir sonucu olarak sürekli oluşmaktadır. Uzaydaki kimyasal elementlerin dengesi yeryüzündekinden farklıdır. Dış uzayda oksijen ve silisyum değil, hidrojen ve helyum baskın durumdadır. Periyodik sistemin bu ilk iki temsilcisinin uzaydaki miktarı, geriye kalan tüm elementlerin toplamından birkaç kat fazladır. Hidrojen yayınma çizgi spektrumu Yazarlar tarafından düzenlenmiştir. 49

50 10. Sınıf Kimya KATMAN ELEKTRON SAYILARINI BELİRLEME KURALLARI 1. Katmanların barındırabileceği maksimum elektron sayıları aşılmamalıdır: Katman Nu. (n) elektron sayısı (2n 2 ) En dış katmanda 8 den, dıştan 2. katmanda 18 den fazla elektron bulunamaz. 3. Elektronlar iç katmandan başlanarak yerleştirilirken elde kalan elektron sayısı 8 i aşıyorsa, 2 elektronlu bir dış katman ve artan elektron kadar elektron barındıran başka bir katman yazılır. 4. Yazılan elektron dizilimi 12 2 veya 17 2 şeklinde bitiyorsa, sırası ile, 13-1 ve 18-1 şekline dönüştürülür. NOT: Pd, Re gibi bazı geçiş elementlerinin ve Ce gibi bazı nadir toprak metallerinin elektron dizilimleri kurallara uymaz. Örnek: 35 Br ==> Burada ilk 3 katman dolduktan sonra geriye 7 elektron kalmakta, bu 7 elektron dış katmana yerleştirilince 8 (oktet) aşılmadığı için tamamı 4. katmana yerleştirilmektedir. Örnek: 39 Y ==> Bu dizilimde, ilk 3 katman (2-8-18) sorunsuz olup maksimum elektron sayısı kullanılmakta kullanılan bu 28 elektrondan sonra geriye 11 elektron kalmakta, bu artan 11 elektronun 2 si 5. (en dış) katmana, 9 u 4. katmana yerleştirilmektedir. Kural 2 ve Kural 3 geçerlidir. Örnek: 58 Ce ==> Burada ilk 3 katman dolunca geriye 30 elektron artmakta, bunların tamamının 2 katmana yerleştirilmesi hâlinde (22-8) şeklinde sonlanan bir dizilim gerekmekte; dıştan 2. katman 18 i aştığı için bu Kural 2 ye aykırı olmakta, bu yüzden katman sayısını 6 ya çıkarmak gerekmektedir. Son 3 katman, içten dışa doğru, (20-8-2) olur. Örnek: 52 Te ==> Burada ilk 28 elektron yerleştirilince geriye kalan 24 elektron (22-2) düzeni ile yerleştirilemez; çünkü dıştan 2. katman 18 i aşmamalıdır. Doğru yerleştirme, (18-6) olmalı; yani yazılan dizilim tercih edilmelidir. Örnek: 86 Rn ==> Burada ilk 4 katman doludur. Arta kalan 26 elektron (18-8) yerleşim düzenine tam uymaktadır. Kural 2 ve Kural 3 tam işlemektedir. 50

51 1. Ünite Atomun Yapısı 1. Hidrojen spektrumunda n=3 ten n=2 ye olan elektron geçişini temsil eden çizginin frekans ve dalga boyunu bulunuz. Çözüm Örnek n = 3,289 x n i 2 n d 2 n = 3,289 x n = 0,4568 x n = 4,568 x s -1 λ = c n λ = 2,998 x 108 m s -1 4,568 x s -1 λ= 6,563 x 10-7 m λ = λ= 6,563 x 10 2 nm = 656,3 nm 6,563 x x 10-9 (Bu değerin Şekil teki deneysel değerle aynı olduğuna dikkat ediniz.) 2. Hidrojen atomu elektronunu, en düşük enerji düzeyinden uzaklaştırarak H + oluşturmak üzere verilmesi gereken enerjiyi (iyonlaşma enerjisini bir hidrojen atomu için) hesaplayınız. Çözüm En düşük enerji düzeyi için n=1 dir ve elektron n= düzeyine çıkarılırsa serbest kalır (Hidrojen atomu iyonlaşır.). E = E - E 1 = A A= 2,18 x Joule 1 = 0 olduğuna göre E = 2,18 x Joule olur. Bohr kuramı hidrojenin atom spektrumunu açıklamak için basit bir model oluşturmaktadır. Bu model aynı zamanda yapı olarak hidrojene benzeyen He + ve Li 2+ tek elektronlu iyonları için de kullanılır. Bu iyonlar için çekirdek yükü enerji düzeyi denkleminde; E A = -2,18 x x Z 2 n 2 şeklinde ifade edilir. Z= Atom numarası n= Enerji seviyesi Örnek Frekansı 5 x s -1 olan bir fotonun etkisi ile temel hâldeki Li 2+ iyonundan iyonlaşarak ayrılan elektronun kinetik enerjisini hesaplayınız (Li un çekirdek yükü Z = 3 tür.). Çözüm E = -2,18 x x Z 2 n 2 51

52 10. Sınıf Kimya E 1 = -2,18 x x = -1,962 x Joule E = E - E 1 = A A= 2,18 x Joule = 0 olduğuna göre E = 2,18 x J dür. n = 5 x s -1 olan fotonun enerji E = hn = 6,626 x Js foton -1 x 5x10 16 s -1 E = 3,313 x J foton -1 Fotondan elektrona aktarılan enerjinin fazlası ise kinetik enerjiye dönüşür. E k = 3,313 x ,962 x = 1,351 x J dür. Okuma Metni Fiber Optik: İletişimdeki Son Durum 1980 li yıllarda ışık dalgaları ile haberleşme ortaya çıktı. Fiber optik saç teli kalınlığında, cam veya plastikten oluşmuş, ışığın iletilmesinin yansıma prensibiyle çalıştığı bir iletim sistemidir. Fiber optiğin tercih edilmesinin en önemli nedeni nemli, rutubetli, parazitlerin yoğun olduğu ve elektromanyetik alandan etkilenmemesidir. Fiber kablodaki cam örtü tabakası ışığı soğurmayarak tam olarak yansıttığı için transfer edilen bilgiler kayıpsız bir şekilde karşı tarafa ulaşır. Oldukça yüksek bant genişliği vermesinin yanında, fiber optik sistemler önemli ölçüde daha küçük, mevcut telefon kablolarından daha hafif kablolara sahiptir. Tipik bir fiber-optik, koruyucu kılıfıyla birlikte, 0,635 mm çapındadır. Aynı miktardaki telefon sohbetlerini ve diğer sinyalleri taşımak için kullanılan 7,62 cm çapındaki bakır teller demetinin yerine kullanılabilir. Boyutun küçültülmesinin yanında, kütlede de bir azalma söz konusudur. Örneğin 94,5 kg lık bakır tel, 3,6 kg lık fiberoptik ile yer değiştirilebilir. Kütle azalması, savaş alanlarındaki haberleşme kablolarının daha hızlı yayılmasını sağladığı için askeri hizmetler açısından önemlidir. Sivil kesimde ise gövdesindeki çeşitli cihaz ve aletler arasında şaşırtıcı miktarda bakır kabloların kullanıldığı dev jet uçakları açısından da kütle azalması önemlidir. Kemirgenlerin fiber optik kabloya zarar vermesini önlemek için kablo, özel kimyasal maddelerle kaplanır. Bu maddeler kemirgenlerin kabloyu ısırdıklarında tiksinerek kabloyu koparmalarına engel olur. Telefon kablolarına kıyasla fiber optik sistemlerin bir başka avantajı ise onları gizlice dinlemek için bağlantı kurmanın güçlüğüdür. Aslında fiber optik sistemlerin genel olarak güvenli oldukları kabul edilmiştir. Bu da askerî alanda önemli bir özelliktir. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir. 52

53 3. BÖLÜM İçerik 1. Atom Altı Parçacıkların Dalga Özelliği Dalga-Tanecik İkiliği Elektronun Dalga Özelliği Elektronun Dalga Özelliğine Deneysel Kanıt 2. Heisenberg Belirsizlik İlkesi KUANTUM (DALGA) MEKANİĞİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ Sizce yukarıdaki görüntü neye aittir ve nasıl oluşturulmuştur? Işığın dalga ve tanecik özelliği gösterdiğini öğrendiniz. Atom altı parçacıkları da dalga ve tanecik özellikleri gösterebilir mi? Bohr a göre elektronlar yörüngelerde hareket etmektedir. Atomlarda bir elektronun hızı ve konumu belirlenebilir mi? Bohr un geliştirdiği atom modelindeki eksiklikler nelerdir? Bu bölümde yukarıdaki sorulara cevap arayacağız.

54 10. Sınıf Kimya Atom Altı Parçacıkların Dalga Özelliği Bir önceki bölümde Bohr un atom modelini görmüştük. Bohr atom modeli; H, He +, Li 2+ vb. gibi tek elektronlu türlerin spektrumlarını başarıyla açıkladığı hâlde birden fazla elektron içeren türlerin spektrumlarını açıklamada yetersiz kalmıştır. Bohr un hidrojen üzerinde yaptığı çalışmalardan on yıl sonra elektronlar için ortaya atılan iki temel kavram (tanecik ve dalga), kuantumun yeniden gözden geçirilmesine sebep olmuştur. Bu bölümde dalga mekaniği denilen kuantum mekaniğini incelemeye başlayacağız. Dalga - Tanecik İkiliği Louis de Broglie ve Schrödinger ışığın dalga ve tanecik teorilerini birleştirerek bugünkü dalga mekaniğinin temelini oluşturdular. De Broglie bir fotonun enerjisini hesaplayabilmek için Planck bağıntısını ve Einstein enerji eşitliğini birlikte kullandı. Einstein ın cismin toplam enerjisini kütle ve ışık hızı bağıntısına göre açıklayan formülü E = mc 2 ; Planck bağıntısı ise E = h.n dür. Bu kullanıma göre; E = h.n E = mc 2 Resim Louis de Broglie ( ) hn = mc 2 n = c λ olduğundan n yerine c λ yazıldığında h c λ = mc 2 h λ = mc l = h mc eşitliği bulunur. De Broglie, X-ışınları kırınımından yola çıkarak hareket eden maddesel parçacıkların dalga gibi davranabileceğini söyledi. Fotonun dalga boyunun hesaplanması için kullanılan yukarıdaki eşitlik maddesel bir parçacığın (örneğin elektronun) dalga boyunun hesaplanması için de kullanılabilir. Eşitlik, parçacığın kütlesi m, hızı v alındığında; l = h mv şeklinde yazılır. Bu eşitlik de Broglie eşitliği olarak bilinir. De Broglie, maddesel taneciklerle bir arada kabul edilen dalgalara madde dalgaları adını verdi. Küçük tanecikler için madde dalgaları varsa elektron gibi taneciklerin demetleri de dalgaların özelliklerini taşımalıdır. Eğer dalgaların dağıldığı nesneler arasındaki uzaklık, ışımanın dalga boyuna eşitse kırılma gerçekleşir. Maddenin bu ikili özelliği yani parçacık - dalga yapısı için deneysel kanıtlar da vardır. Fakat bunların açıklanması Üniversite seviyesinde verilecektir. Maddenin dalga özelliğinin geç bulunuşu çıplak gözle veya mikroskopla görülebilecek kadar büyük olan cisimlerin dalga boylarının gözlenemeyecek kadar kısa oluşundan ileri gelir. 54

55 1. Ünite Atomun Yapısı Elektronun Dalga Özelliği Bohr kuramına göre hidrojen elektronunun enerjisinin kuantlaşması bilim insanları tarafından hem ilgiyle karşılandı hem de sorgulanmaya başlandı. Bilim insanlarının ilgisini çeken çekirdek etrafındaki elektronun yörüngesinin neden belirli uzaklıklarda bulunması gerektiğiydi. Fotonlar gibi davranan ışık dalgacıklarından hareketle, de Broglie elektronların da dalga özelliği gösterebileceği fikrini ileri sürdü. Bu fikre göre elektron, duran bir dalga gibi davranmaktadır. Örneğin, gergin bir yayın çekilmesi sonucunda oluşan dalgalar gibi. Dalgalar yay boyunca hareket etmezler. Titreşen yay üzerinde düğüm olarak adlandırılan noktalar hareketsizdir. Dalga genliği sıfırdır. Titreşim frekansı büyüdükçe durgun dalgaya ait dalga boyu kısa ve düğüm sayısı da o denli fazla olacaktır. Dalga-tanecik ikiliği ancak dalga boylarının atom ya da çekirdek boyutlarına yakın olması durumunda önem kazanır. Aşağıdaki örnekle bir taneciğin (elektronun) dalga boyunu hesaplayalım. Şekil Gergin bir yaydaki dalga hareketi 1x10 6 m s -1 lik bir hızla hareket eden elektronun dalga boyu nedir? Bu dalga, elekromanyetik spektrumda hangi bölgede bulunur? Çözüm Örnek m (elektronun kütlesi) = 9,109 x kg v (elektronun hızı) = 1 x 10 6 m s -1 h (Planck sabiti) = 6,626 x J s = 6,626 x kg m 2 s -2 s = 6,626 x kg m 2 s -1 l = h mv l = 6,626 x kg m 2 s -1 (9,109 x kg) (1 x 10 6 m s -1 ) l = 7,274 x m = 0,7274 nm Bu dalga elektromanyetik spektrumda mor ötesinde X-ışınlarının bulunduğu bölgede yer alır. Öğrendiklerimizi Uygulayalım kg lık kütleye sahip madde, ışık hızının beşte biri hızla hareket ederse dalga boyu ne olur? Cevap: 1,214 x m pm lik de Broglie dalga boyunun ortaya çıkması için bir proton demeti hangi hıza sahip olmalıdır? (Protonun kütlesi: 1,673 x kg) Cevap: 3,96 x 10-7 m s -1 Elektronun Dalga Özelliğine Deneysel Kanıt De Broglie nin önerdiği madde dalgalarının ilk denel doğrulaması C.Davisson, L.H.Germer ve George Paget Thomson tarafından kanıtlanmıştır. Bu bilim insanları elektronun tıpkı X-ışınları gibi kristalde kırınıma uğradığını gösterdiler ve elektronların dalga boylarını ölçmeyi 55

56 10. Sınıf Kimya Işık bir dalga mıdır yoksa bir parçacık mıdır? Bu soruya de Brogli nin kuramından sonra Işık bir dalgadır. şeklinde yanıt verebiliriz. Ancak soruyu gözlenmekte olan olaya göre yanıtlamak daha doğrudur. Bazı olaylar, foton kavramı temeline dayalı olarak daha iyi açıklanabilirken, bazıları ise dalga modeliyle daha iyi açıklanabilir. Sonuçta foton ve dalga kuramı birbirinin tamamlayıcısıdır. başardılar. Davisson ve Germer düşük enerjili elektronların nikel bir hedeften saçılmasıyla ilgili deney yaptı. Deneyi yaparken nikel yüzey, kaza sonucu oluşan bir kırık yüzünden oksitlendi. Hidrojen buharı içinde ısıtarak oksit tabakasını yok etmek isteyen Davisson ve Germer elektronların belli özel açılarla saçıldıklarının farkına vardılar. Isıtma sonucu nikelin büyük kristal bölgeleri oluşturduğunu, bu kristal bölgelerin elektron dalgaları için birer kırınım ağı gibi görev yaptıklarını gördüler. Kaza sonucu gelişen bu durum Davisson ve Germer i, de Broglie nin önerisini doğrular boyuta getiriyordu. Davisson ve Germer kristal hedeften saçılan elektronlar üzerinde çalışarak daha yoğun kırınım ölçümleri tespit ettiler. Elektron kaynağı Hızlandırıcı plaka İnce alüminyum metal levha Ekran - + Işık demeti Şekil Alüminyum kullanılarak Davisson ve Germer deneyinin gerçekleştirilmesi (a) (b) Şekil (a) İnce bir alüminyum levhanın elektron kırınımı görüntüsü (b) İnce bir alüminyum levhanın X-ışınları kırınımı görüntüsü. Bu iki şeklin arasındaki benzerliklere dikkat edildiğinde elektronların da X-ışınları gibi dalga özelliği gösterdiği sonucuna ulaşılır. G.P.Thomson da Şekil de olduğu gibi çok ince metal levhadan elektronları geçirerek Davisson ve Germer gibi girişim ve kırınım desenlerini gözlemledi. Şekil 1.3.3a daki ince alüminyum levhanın elektron kırınımı görüntüsünü incelediğimizde Young ın ışıkla yaptığı deneydeki görüntüsüne benzediği anlaşılır. Bu görüntüde de ışık deneyinde olduğu gibi aydınlık ve karanlık bölgeler görünmektedir. Young ın deneyi, ışığın (elektromanyetik dalga) dalga karakterinde olduğunu göstermektedir. Öyleyse elektron aynı görüntüyü (kırınımı) oluşturuyor ise elektron da dalga özelliği gösterir sonucuna ulaşılır. Aynı sonuç başka madde atomları için de X-ışınları ile (Şekil 1.3.3b) benzer şekilde gözlemlendi. Bu deneyler sonucunda de Broglie nin kuramı sağlam temeller üzerine oturdu Heisenberg Belirsizlik İlkesi Klasik fizik yasaları bize kesin sonuçlar verir. Örneğin bir uzay mekiğinin ateşlendikten sonra ne kadar sürede hangi yörünge koordinatlarına yerleşeceğini hesaplayabiliriz. Uzay mekiğinin çizeceği rotayı etkileyen değişkenleri (parametreleri) duyarlı bir şekilde ölçersek hesaplarımız gerçeğe daha yakın olur. Gerçekte erişebilecek doğruluğun sınırı yoktur lerde Niels Bohr ve Werner Heisenberg (Verner Hayzenberg) atomlardan daha küçük taneciklerin örneğin elektronun davranışlarının nereye kadar belirlenebileceğini görebilmek için deneyler tasarladılar. Bunun için taneciğin (elektronun) konumu (x) ve hızı (v) gibi iki değişkenin ölçülmesi gerekir. 56

57 1. Ünite Atomun Yapısı Heisenberg in ulaştığı sonuca göre ölçümlerde daima bir belirsizlikle karşılaşılmaktadır. Bu belirsizlik, ( x). ( v) h 4pm şeklinde olmalıdır ( x: konum, v: hızdaki değişim). Formülü irdelediğimizde konumdaki değişimi ( x) ölçmeye çalıştığımızda eşitsizliği sağlamak için hızdaki değişim de ( v) farklılaşarak belirsiz hâle gelecektir. Elektronun konumunu bildiğimizi varsayarak hızının ne kadar belirsiz olacağını somut olarak göstermek için küçük bir hesap yapalım. Elektronun atom içindeki yerini bildiğimizi söyleyebilmek için onu olabildiğince küçük bir bölgeye (yaklaşık 5x10-12 m uzunluğunda bir bölgeye) yerleştirebilmemiz gerekir (H atomunun çapının %5 i kadar uzunlukta olan bu bölge elektronun boyutuna göre yine de çok büyüktür.) x in bu değerde olduğunu varsayarsak elektronun hızında neredeyse ışık hızı kadar bir belirsizlik ortaya çıkar. Kesin veya yaklaşık bir hızdan söz edemiyorsak enerjiden ve katmandan da bahsedemeyiz. Yani bu belirsizlik karşısında Bohr modelinde verilen kesin elektron yörüngelerinin hiçbir anlamı kalmaz. Böyle bir yörüngenin varlığı hiçbir suretle denel olarak gösterilemez. Resim Werner Heisenberg ( ) (a) Foton Elektron (b) Foton Elektron Şekil Heisenberg in belirsizlik ilkesi (a) Elektronu gözlemlemek için uzun dalga boylu ışın kullandığımızda elektronun hızı ve konumundaki belirsizlik yüksektir. (b) Kısa dalga boylu ışın kullandığımızda (yüksek enerji) hızdaki belirsizlik yüksektir. Kısa dalga boylu ışın kullanmanın sonucunda foton ile çarpışan elektrona enerji aktarılır ve hareket yönü değişebilir. Heisenberg in belirsizlik ilkesi olarak adlandırılan bu çıkarım bir taneciğin aynı anda konumunun ve hızının hassasiyetle ölçülemeyeceğini ortaya koyar. Örneğin, elektron gibi bir taneciğin konumunu kesin bir şekilde ölçebilecek bir deney tasarlarsak onun hızını hassasiyetle ölçemeyiz. Hızı belirleyecek şekilde deney tasarımını değiştirdiğimizde bu defa da konumun hassasiyetle ölçülemediğini görürüz. Daha basit bir ifadeyle eğer bir taneciğin nerede olduğunu kesin biliyorsak taneciğin nereden geldiğini veya nereye gideceğini kesin bir şekilde cevaplayamayız. Atom altı dünyada tanecikler daima belirsizliklere sahip olmalıdır. Bu belirsizliğin ölçü aletlerinin yetersizliğinden ileri gelen belirsizlikle hiçbir ilgisi olmadığına, yapısal bir belirsizlik olduğuna dikkat ediniz. Ölçü aletleri her şeyi kesin olarak gösterebilseler bile bu belirsizlik yine söz konusu olacaktır. 57

58 10. Sınıf Kimya Dalga-tanecik ikiliğinin sonucunun belirsizlik ilkesi olduğu anlaşıldığında Bohr atom modelindeki temel hatanın, bir elektronun tek boyutlu bir yörüngede (Tek boyut, elektronun yörünge dışında hareket edemeyeceği anlamındadır.) bulunduğunu kabul etmek olduğu anlaşılacaktır. Bu açıklamadan sonra atomdaki elektronların davranışı farklı bir yaklaşımla ele alınabilir. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıdaki çizelgede, sol tarafta verilen bilgilerle sağ tarafta verilen keşif, deney ve teorileri örnekteki gibi eşleştiriniz. Bilgi Keşif/Deney/Teori Eşleştirme 1. Maddenin atomlardan oluştuğunu dolaylı yoldan a. Davisson-Germer 1-ç gösterir. Deneyi 2. Katot ışınları gerçekte ışın değil (-) yüklü parçacıklardır ve bu parçacıklar atomun yapısında b. Millikan Deneyi mevcuttur. 3. Elektron yükü 1, C dur. c. Fotoelektrik Olay 4. Atom, çok küçük hacimli bir çekirdek ve onun çevresinde dolanan elektronların oluşturduğu, çok büyük bir kısmı boşluk olan bir yapı taşıdır. 5. Bir atomun ışın yayması/soğurması için o atomdaki elektronların, farklı enerji düzeyleri arasında geçiş yapması gerekir. ç. Kütlenin Korunumu Kanunu d. Bohr Atom Modeli 6. Atom altı tanecikler dalga karakteri de taşırlar. e. Rutherford Deneyi 7. Elektromanyetik ışınlar, kuantum (foton) denilen ve bölünemeyen birimlerden oluşur. 8. Atom altı bir taneciğe eşlik eden dalgaya ilişkin l değeri hesaplanabilir. f. De Broglie Hipotezi g. Thomson Deneyi Biliyor musunuz? 1906 yılında Nobel Fizik Ödülü nü kazanan J.J.Thomson elektronun tanecik özelliğinde olduğunu gösterirken 1937 yılında Nobel Fizik Ödülü nü kazanan oğlu G.P.Thomson ise elektronun dalga özelliğini göstermiştir. Elektronun tanecik-dalga ikiliği şeklinde oluşu Nobel ödüllü baba ve oğul tarafından ortaya çıkarılmıştır. 58

59 z 4. BÖLÜM x y İçerik 1. Atomun Kuantum Modeli 2. Kuantum Sayıları Baş Kuantum Sayısı Açısal Momentum (İkincil) Kuantum Sayısı Manyetik Kuantum Sayısı 3. Orbital Çeşitleri s Orbitalleri p Orbitalleri d Orbitalleri Orbitallerin Enerjileri 4. Atomların Elektron Dizilişleri Pauli İlkesi Atomlarda Elektron Diziliş Sırası Hund Kuralı (BU BÖLÜM 2 SAATLİK DERS İÇİN 3. BÖLÜM OLARAK İŞLE- NECEKTİR). ATOMUN KUANTUM MODELİ Önceki bölümde Bohr kuramının hidrojen gibi tek elektronlu türlerin yapısını başarıyla açıkladığını görmüştük. Bu bölümde ise Birden fazla elektronu bulunan atomlarda atomun yapısı nasıldır? sorusuna cevap arayacağız.

60 10. Sınıf Kimya Resim Erwin Schrödinger ( ) Atomun Kuantum Modeli Elektron sayısı birden fazla olan atomların ve iyonların emisyon spektrumlarını ve maddeye manyetik bir alan uygulandığında oluşan etkiyi açıklayamaması Bohr teorisinin eksiklerindendir. Tanecik hareketinden sonra elektronların dalga şeklindeki hareketlerinin keşfedilmesi bir dalganın konumunun nasıl belirlenebileceğini akla getirmektedir. Heisenberg in belirsizlik ilkesi hidrojen atomuna uygulandığında elektronun konumu ve hızının aynı anda kesin bir şekilde bilinmesinin mümkün olmadığı görülür. O hâlde Heisenberg belirsizlik ilkesine göre elektronu Bohr atom teorisinin öngördüğü gibi tam olarak tanımlanmış yörüngelerde dönen bir tanecik olarak belirtmek yanlıştır. Aynı yıllarda Erwin Schrödinger (Ervin Şırödinger) Heisenberg den bağımsız olarak de Broglie nin hipotezinden ilham alarak tüm parçacıkların hareketinin hesaplanabileceği bir dalga mekaniği oluşturdu. Buna göre; Schrödinger bir kuvvet etkisi altında olan dalgaların nasıl oluşacağını ve gelişeceğini açıklıyordu. Bu açıklama tanecik yoğunluğunun, dalga fonksiyonunun (Y, psi) karesi ile doğru orantılı olduğu yönündeydi. Bu da fotonun yoğunluğunun en yüksek olduğu yerin yani fotonun bulunma ihtimalinin en yüksek olduğu yerin dalga fonksiyonunun karesinin değer olarak en yüksek olduğu yer olacağının açıklamasıdır. Hidrojen atomunun elektronunun bulunabileceği enerji düzeyi ve dalga fonksiyonları Schrödinger denklemi ile açıklanabilir. Enerji düzeyleri ve dalga fonksiyonları kuantum sayıları ile ifade edilir. Schrödinger kendi adıyla anılan denkleminde kütle ile ifade edilen tanecik davranışları ve dalga fonksiyonunu ile ifade edilen dalga davranışlarını birleştirmiştir. Atomdaki elektronun bulunabileceği enerji düzeyleri ve dalga fonksiyonları kuantum sayıları ile gösterilir. Bohr atom modelinde elektronun bulunduğu yer için yörünge tanımlaması kullanılırken kuantum mekaniğinde bunun yerine orbital tanımlaması kullanılır. Orbital, elektronun kuantum sayıları ile belirlenen dalga fonksiyonudur. Orbital bir matematik fonksiyonudur ve bu fonksiyondan hareketle elektronun yerinin kesin olarak hesaplanması mümkün değildir. Ancak elektronun belirli bir uzay bölgesinde bulunma olasılığı hesaplanabilir. Bu olasılık da fonksiyonun karesi ile doğru orantılıdır. Her orbitalin kendine özgü bir elektron yoğunluğu ve enerjisi vardır. Schrödinger in bulmuş olduğu denklem de birden fazla elektronlu atomlar için tam bir açıklama getirememiştir. Bilim insanları çok elektronlu atomlar için hidrojen atomundaki dalga fonksiyonları ve enerjilerini kullanarak çok elektronlu atomları açıklayabilen çeşitli varsayımları ileri sürmüşlerdir Kuantum Sayıları Bohr atom kuramına göre, elektron çekirdek etrafında belirli enerji düzeylerinde dolaşmaktadır. Bu enerji düzeyleri kuantum sayıları ile belirtilebilir. Gerçekte, dalga eşitliklerinin çözümünde, dalga fonksiyonlarının herbiri üç kuantum sayısı ile belirlenir. Dalga 60

61 1. Ünite Atomun Yapısı fonksiyonlarının birden çok olması aynı sistemde tek elektronun çok sayıda enerji düzeyinde bulunabilirliği anlamına gelir. Diğer bir deyişle, çekirdek etrafında belli bir yerde (enerji düzeyinde) bulunan elektronun enerjisi bellidir. Dalga mekaniğine göre, atomlarda enerji düzeyleri belli sayıda elektron bulundurur. Elektronların dağılımı, bulundukları enerji düzeylerinin türü ve sayısı ile belirlenir. O hâlde elektronların atomda çekirdek etrafında hangi enerji düzeyinde bulunduğunu belirlemek için kuantum sayılarını bilmek gerekir. Bunlar sırasıyla baş kuantum sayısı, açısal momentum kuantum sayısı ve manyetik kuantum sayısıdır. Bu üç kuantum sayısı elektronların bulunma olasılığının en yüksek olduğu yerlerin ve bu yerlerdeki elektonların belirlenmesinde kullanılırken spin kuantum sayısı gibi bir başka kuantum sayısı ise elektronun davranışını belirlemede kullanılır. Bohr atom kuramında bir varsayıma dayanan kuantum sayıları, Schrödinger dalga denkleminde matematiksel analizin doğal bir sonucu olarak ortaya çıkar. Baş Kuantum Sayısı Baş kuantum sayısı n harfiyle gösterilir. n bir veya daha büyük tam sayılar olabilir (n = 1, 2, 3, 4...). Baş kuantum sayısı elektron katmanının çekirdeğe olan ortalama uzaklığı ile ilgilidir. n sayısının büyüklüğü elektronun çekirdeğe olan uzaklığı ve potansiyel enerjisi ile doğru orantılıdır. Açısal Momentum (İkincil) Kuantum Sayısı Açısal momentum kuantum sayısı l ile gösterilir. Teorik ve deneysel çalışmalar l nin baş kuantum sayısı n ye bağlı olarak n-1 e kadar bütün tam sayı değerlerini alabileceğini göstermiştir (l= 0, 1, 2, 3... (n-1)). Açısal momentum kuantum sayısı elektron bulutlarının şekillerini ve şekil farkı nedeniyle oluşan enerji seviyelerindeki değişmeleri belirtmekte kullanılır. Çekirdek ve onu bir katman gibi çevreleyen elektron bulutlarının atomu oluşturduğunu düşündüğümüzde baş kuantum sayısının belirttiği elektron enerji seviyesine katman denir. Bu katmanlar 1, 2, 3... gibi sayılarla gösterilirken K, L, M... gibi harflerle de gösterilebilir. Açısal momentum kuantum sayısı, baş kuantum enerji seviyelerinin de ayrıldıklarını gösterir. Meydana gelen bu enerji seviyelerine ikincil katman denir. İkincil katmanlar s, p, d, f gibi harflerle (orbital sembolleriyle) gösterilir. Bu harfler, l nin her bir sayısal değerine karşılıktır. n = 1 olursa l sadece 0 değerini alır. n = 3 olursa l 0, 1, 2 değerlerini alır. (l) Orbitalin sembolü s p d s = sharp (keskin) p = principal (asıl, baş) d = diffuse (yayılmış) f = fundamental (temel) n = 4 olursa l 0, 1, 2, 3 değerlerini alır. (l) Orbitalin sembolü s p d f 61

62 10. Sınıf Kimya Uzam: Sınırlandırılmış uzay m l parçası n orbital büyüklüğünü, l orbital şeklini, m orbitalin uzaysal l yönelimini belirtir. Şekil d orbitalinin dış manyetik alandaki yönelimleri Manyetik Kuantum Sayısı Manyetik kuantum sayısı m l ile gösterilir. İkincil katmanı oluşturan orbitaller uzamda çeşitli şekillerde bulunur. Bu orbitaller dış manyetik alanla etkileşerek çeşitli enerji seviyelerine ayrılır. İkincil katmandaki orbitallerden biri dış manyetik alana dik ise etkileşim olmaz yani enerji seviyesi değişmez (m l = 0). Diğer orbitaller, dış manyetik alanla yaptıkları açılara bağlı olarak enerji seviyelerini yükseltici veya düşürücü yönde olabilir. Yükseltici yönde olanlar artı (+), düşürücü yönde olanlar ise eksi (-) işaretlidir (Şekil 1.4.1). Manyetik kuantum sayısının değeri, açısal momentum kuantum sayısının değerine bağlıdır. Verilen l değeri için m l değeri 2l+1 kadar farklı değer alır. l = 0 olursa m l = 0 olur (s). l = 1 olursa [(2 x 1)+1] = 3 olduğundan, m l = -1, 0, +1 değerini alır (p x p y p z ). l = 2 olursa [(2 x 2)+1] = 5 olduğundan, m l = -2, -1, 0, +1, +2 değerini alır (d x 2 -y 2 d z 2 d xy d xz d yz ). Bir alt katmandaki orbital sayısını aşağıda bağıntıyla hesaplayabiliriz. Orbital Sayısı = 2l +1 Tablo Kuantum sayıları ve orbitaller n l m l Orbital s s , 0, -1 2p s , 0, -1 3p , +1, 0, -1, -2 3d s , 0, -1 4p , +1, 0, -1, -2 4d , +2, +1, 0, -1, -2, -3 4f Orbital Çeşitleri Orbitallerin dalga fonksiyonu olduğunu tespit eden Schrödinger den sonra bilim insanları bu defa da orbitallerin şekillerinin nasıl olduğu konusunu araştırmaya girişmişlerdir. Schrödinger dalga fonksiyonunun çekirdekten sonsuza kadar uzanması orbitalin yapısını açıklamayı oldukça zorlaştırır. Teorik olarak dalga fonksiyonuna göre de orbitalin sınırı olamaz. Buna rağmen atomlar arasında bağ yapılarını açıklayabilmek için orbitallerin belirli şekillerde olduğu kabul edilmiştir. s Orbitalleri Temel görüş, elektronun çekirdek etrafında her yerde bulunma olasılığına karşılık en çok çekirdeğe oldukça yakın yer aldığı şeklindedir. 62

63 1. Ünite Atomun Yapısı Grafik de görüldüğü gibi çekirdekten uzaklaştıkça elektron yoğunluğu azalır. Çekirdek etrafından yaklaşık 1 o A yarıçaplı kürede elektronun bulunma olasılığı çok yüksektir (%90). Bunun doğal sonucu olarak bütün s orbitalleri küresel şekildedir. Elektronun bulunma olasılığı olasılığı Çekirdekten uzaklık Şekil s orbitali (elektronun bulunma olasılığının yüksek olduğu bölge) Grafik Hidrojenin 1s orbitalindeki elektron yoğunluğunun, çekirdeğe olan uzaklığa karşı grafiği Baş kuantum sayısı arttıkça orbitalin büyüklüğü de buna bağlı olarak artmaktadır. s orbitallerinin bağıl büyüklükleri Şekil te gösterilmiştir. z y x 1s 2s 3s Şekil s, 2s ve 3s orbitallerinin elektron yoğunluğu (için) sınır yüzey diyagramları (Kürelerden her biri elektron yoğunluğunun %90 ını kapsar. Orbital büyüklüğü baş kuantum sayısının karesiyle doğru orantılıdır.) p Orbitalleri Elektronun s orbitalinde bulunma ihtimalinin açısal koordinatlara bağlı olmayıp çekirdeğe olan uzaklık olarak değiştiğini görmüştük. p orbitallerinde durum aynı değildir. p orbitalinde çekirdeğin merkezinden geçen simetri ekseni vardır. n=2 baş kuantum sayısı için l=1 değerine karşılık m l üç değer alabildiğine göre üç çeşit p orbitali vardır. Orbitaller karteziyen koordinat eksenleri (üç boyutlu) gibi birbirlerine karşılıklı olarak diktirler. p orbitallerinin alt indisleri orbitallerin yöneldikleri eksenleri gösterir (Şekil 1.4.4). Dolayısıyla bu orbitalleri birbirinden ayırtedebilmek için np x, np y, np z (n= 2, 3, 4...) diye isimlendirmek gerekir. p orbitallerinin boyutları 2p den 3p ye geçtiğinde baş kuantum sayısına bağlı olarak doğru orantılı şekilde artmaktadır. 63

64 10. Sınıf Kimya z z z y y y x x x 2p x 2p y 2p z Şekil p orbitallerinin elektron yoğunluğu (için) sınır yüzey diyagramları. Bu orbitaller şekil ve enerjiler bakımından özdeş olmalarına rağmen yönelişler bakımından farklıdır. d Orbitalleri n=3 baş kuantum sayısı ile başlar. l=2 için m l beş farklı değer alabilir (-2, -1, 0, +1, +2). Buna göre beş tane farklı d orbitali bulunur. Bu orbitallerin şekillerini inceleyecek olursak ikisinin (3d x 2 -y 2 3dz2) koordinat eksenleri üzerinde, diğer üçünün de (3d xy 3d yz 3d xz) simetri eksenleri üzerinde bulunduğunu görürüz (Şekil 1.4.5). p orbitallerindeki gibi d orbitallerinde de m l değerine bağlı olarak yönelişleri farklıdır. Baş kuantum sayısının 3 ten büyük olduğu durumları açıklamak için f, g gibi orbitallere ihtiyaç vardır. g ve daha büyük orbitaller ileri kimya konusu olduğu için işlenmeyecektir. z z z y y y x 3d x 2 -y 2 x 3d z 2 x 3d xy z z y y x 3d xz x 3d yz Şekil d orbitallerinin elektron yoğunluğu (için) sınır yüzey diyagramları Orbitallerin Enerjileri Hidrojen atomundaki elektronun enerjisi bulunduğu baş kuantumun numarasına göre değişir. Hidrojen atomunun n=2 deki s ve p orbitallerine ait elektron yoğunluğu farklı olmasına rağmen, elektron 64

65 1. Ünite Atomun Yapısı bunlardan hangisinde bulunursa bulunsun aynı enerjiye sahip olacaktır. Hidrojen atomunun en kararlı hâli elektronun 1s orbitalinde yer aldığı hâldir. Bu hâle temel hâl denir. Bu durumda elektron, çekirdeğe en yakın konumdadır ve çekirdek tarafından çok güçlü bir şekilde tutulur. Elektron, enerji alarak daha yüksek enerjili orbitallerde bulunursa bu duruma uyarılmış hâl denir. Uyarılmış hâlden temel hâle geçen elektronlar enerjilerini ışıma olarak verir (Resim 1.4.2). Enerji 5f O n=5 N n=4 M n=3 5s 4s 3s 5p 4p 3p 5d 4d 3d 4f L n=2 2s 2p K n=1 1s Resim Uyarılmış hâlden temel hâle geçen elektronlar enerjilerini elemente özgü ışıma olarak verir. Şekil Çok elektronlu bir atomda katman ve alt katmanların enerji düzeyleri diyagramı (Enerji düzeylerinin hem n hem de l ye bağlı olduğuna dikkat ediniz.) Katman ve alt katmanların enerji düzeyleri Şekil da verilmiştir. Diyagramda dikkat edilmesi gereken pek çok nokta vardır. Bunlardan başlıcaları şunlardır: a) Katmanların enerjileri, kuantum sayısı n nin artmasıyla doğru orantılıdır. b) Kuantum sayısı n arttıkça katmanlar arasındaki enerji farkı azalmaktadır. Dolayısıyla, üçüncü ve dördüncü katmanların ve alt katmanların birbiri içine girdiği görülür. Sonuçta 4s orbitalinin enerji düzeyi 3d orbitalinden daha düşüktür. Bu durum daha yüksek katmanlarda daha da karışmaktadır. 5s, 4d ve 4f orbitallerinden daha düşük enerji düzeyinde bulunur. c) Alt katmanların enerji düzeyleri bir kısa çizgi ile gösterilmiştir. Bu enerji düzeyleri atomlar temel hâlde ise aynıdır. Alt katmanların şekilde gösterilen enerji düzeyleri, atomlardaki elektron dizilişinin açıklanmasında önem taşımaktadır. Elektron, alt katmanlara, bu enerji düzeylerine göre yerleştirilerek elektron dizilişi yazılır. 65

66 10. Sınıf Kimya Çok elektronlu atomlarda, orbital türüne bağlı olarak enerji pozisyonu daha karmaşık bir yapıya sahiptir. Çok elektronlu atomlardaki elektronların enerjileri, baş kuantum sayısının yanı sıra açısal momentum kuantum sayısına da bağlıdır (Şekil 1.4.6). Örneğin, 3d enerji düzeyi 4s enerji düzeyine göre çekirdeğe çok yakındır. Buna göre 4s orbitalinin 3d orbitalinden önce doldurulması, toplam enerjinin daha düşük olmasına neden olacaktır. Örnek 4d alt katmanındaki orbitallerin n, l, m l değerlerini bulunuz. Çözüm n= 4 d orbitali olduğuna göre l=2 olmalıdır. m l = -2, -1, 0, +1, +2 değerlerini alabilir. Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. 3p alt katmanındaki orbitallere karşılık gelen kuantum sayılarını bulunuz katmanda bulunan toplam orbital sayısı kaç tanedir? Atomların Elektron Dizilişleri Resim Paul Adrien Maurice Dirac ( ) Kuantum fiziğinin kurucularından olan 1933 Nobel Fizik ödüllü İngiliz fizikçidir. Bir atomda elektronların orbitallere dağılışı elektron dizilişi diye bilinir. Çok elektronlu atomların temel hâllerinin elektron dizilişleri deneysel olarak spektroskopi ile belirlenir. Deney yoluyla belirlenen elektron dizilişlerini açıklayabilmek için dördüncü bir kuantum sayısına gerek vardır. Paul Adrien Maurice Dirac (Pol Edriyın Mouris Dirak), elektronların çekirdek çevresindeki dönme hareketi dışında kendi eksenleri etrafında da döndüklerini varsaymıştır. Elektron, yüklü parçacık olduğuna göre dönmeden dolayı açısal momentuma, dolayısıyla manyetik momente sahiptir. Elektronun spin denilen bu dönmesi m s kuantum sayısı ile tanımlanır. Bu eksen çevresinde elektronun, saat yönünde veya tersi yönde döndüğü düşünülebilir. Bu durum, 2 okla (spin-yukarı, m s =+½) ve (spin-aşağı, m s =-½) ile gösterilir. Bir elektron iki spin değerinden birini alabilir. Bu yüzden bir orbitalde spinleri farklı en çok iki elektron bulunabilir. Sonuç ve kural olarak, bir atomdaki her bir elektron dört kuantum sayısı (n, l, m l, m s ) ile gösterilebilir. Dolayısıyla elektronun bulunduğu katman ile birlikte dönme yönü de belirtilebilir. 66

67 1. Ünite Atomun Yapısı Pauli İlkesi Bir atomda herhangi iki elektronun bütün kuantum sayıları birbiriyle aynı olamaz. En az bir kuantum sayısının farklı olması gerekir. Neden? Atomların temel hâldeki elektron dizilişleri yazılırken en düşük enerjili orbitalden başlayarak elektronlar orbitallere yerleştirilir. Bu gösterim atomun en kararlı yapısının gösterimidir. Elektron dizilişleri yazılırken Wolfgang Pauli (Volfgang Pauli) tarafından önerilmiş ve Aufbau (Aufbau) kuralı olarak bilinen kuralı uygulayarak enerji sıralaması yapılır. Aufbau kuralı temel hâl için geçerlidir. Buna göre; 1. Orbitallerin enerjileri (n+l) değerinin artmasıyla yükselir. Kletchkowski-Madelung (Kleçkovski - Madelug) İlkesi). 1s<2s<3s<4s 3s<3p<3d 4p<5d 6s<4f n+l = (n+l) değerlerinin aynı olması hâlinde n sayısı büyük olan orbitalin enerjisi de yüksek olur (Örneğin 3d için n=3, l=2 dir. n+l = 5 dir. Aynı şekilde 4p ve 5s nin de n ve l değerleri toplamı 5 tir. n ve l değerleri toplamı aynı olmasına karşın n değeri en büyük olan s orbitali olduğu için 5s nin enerjisi 4p ve 3d den daha yüksektir.). 3d<4p<5s 4d<5p<6s n+l = Yukarıda 1 ve 2 numaralı kural kullanılarak orbitallerin enerji sıralaması aşağıdaki şekilde yapılır. 1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f<5d<6p<7s n = l = n+l = Çok elektronlu atomların elektron dizilişini yazmak için daha kolay olan, akılda tutulabilecek şema Şekil de verilmiştir. Atomlarda Elektron Diziliş Sırası 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 4f Şekil Elektronların orbitallere dizilim şeması 5f 67

68 10. Sınıf Kimya Hidrojenin bir elektronu orbitalde (kuantum sayılarıyla) aşağıdaki şekilde gösterilir. 1s 2 : Bir s kare olarak değil bir s iki olarak okunur. Orbital veya alt katmandaki elektron sayısı 1 H : 1s1 Baş kuantum sayısı Açısal momentum kuantum sayısı l yi gösterir. Atomdaki elektronların kendi ekseni etrafında döndüğü kabul edilir. Bu dönme saat yönü veya tersi yönde olabilir. Elektronlar birbirlerine zıt yönde hareket ederek oluşan manyetik alanları birbirini yok eder. Bir orbital şekli ile gösterilirken, elektron şeklinde ve orbitaldeki bir elektron ise şeklinde gösterilir. İkinci bir elektron orbital şeklinin içine çizileceği zaman spinlerinin zıt olduğunu belirtmek için şeklinde gösterilir. veya gösterimleri yanlıştır. H : 1 1s1 H: 1s 1 He : 2 1s2 He: 1s 2 3 Li : 1s2 2s 1 veya [He] 2s 1 ; [He] 1s 2 2s 1 2s 1 Be : 4 1s2 2s 2 veya [He] 2s 2 ; [He] 1s 2 2s 2 2s 2 5 B : 1s2 2s 2 2p 1 veya [He] 1s 2 2s 2 2p 1 2s 2 2p 1 Hund Kuralı Bir atomun elektron dizilişindeki en son orbitalin tam dolu ya da yarı dolu olması atoma küresel simetrik durum kazandırır. Bu durumdaki atom daha kararlıdır. Çünkü küresel simetri gösteren atomlarda elektronlar çekirdek tarafından simetrik çekilirler. Simetrik çekilen elektronu koparmak için fazla enerji gerekir. N : [He] 7 yarı küresel simetri için, Ne : [He] 10 tam küresel simetri için örnek teşkil eder. Elektronlar eş enerjili orbitallere birer birer yerleştirildikten sonra kalan elektronlar tek elektron içeren orbitalleri iki elektrona tamamlayacak şekilde yerleştirilir. C : [He] 6 2s2 2p 2 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2 2s 2 2p 2 Karbon atomunun bağ yapabilmesi için elektron dağılımının, C : [He] 6 2s2 2p 2 olması beklenirken 1s 2 2s 1 2p 3 şeklinde olması gerekir. Karbonun yandaki gösterimleri } yanlıştır. Çünkü orbitallerde tek olan elektronun spinlerinin aynı yönde olması gerekir. Ayrıca Hund kuralına göre eş enerjili orbitallere elektronlar öncelikle tek tek yerleşir. 68

69 11 Na+ : 1. Ünite Atomun Yapısı 7 N : [He] 2s2 2p 3 [He] 2s 2 2p 3 O : [He] 8 2s2 2p 4 [He] 2s 2 2p 4 F : [He] 9 2s2 2p 5 [He] 2s 2 2p 5 Ne : [He] 10 2s2 2p 6 [He] 2s 2 2p 6 Na ve Mg atomlarında 3s, Al ve Ar atomlarında 3p alt katmanları dolar; 4s nin enerji düzeyi 3d den düşük olduğundan 19 K ve Ca da 4s alt katmanı dolar. 4p alt katmanı ise daha sonra dolar Sc : [Ar] 4s 2 3d 1 Cr un elektron dizilimi Cr : [Ar] 24 şeklinde olması gerekirken 4s 2 3d 4 [Ar] şeklinde olduğu belirlenmiştir. Tam 4s 1 3d 5 dolu s orbitalindeki iki elektrondan biri d orbitalindeki boş olan orbitale geçerek atoma daha fazla kararlılık kazandırır. Aynı şekilde Cu ın elektron dizilimi Cu : [Ar] 29 4s 2 3d 9 yerine [Ar] şeklindedir. 4s 1 3d 10 İyonların elektron dağılımı atomun aldığı veya verdiği elektron sayısına göre düzenlenir. Örneğin, 11 Na, 9 F ve 26 Fe atomları ile 11 Na +, 9 F- ve 26 Fe 2+ iyonlarının elektron dizilimleri; Na : 11 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 F: 9 9 F- : 1s 2 2s 2 2p 5 1s 2 2s 2 2p 6 Fe : [Ar] Fe2+ :[Ar] şeklindedir. 4s 2 3d 6 3d 6 Atom elektronunu 3d den değil, 4s orbitalinden verir. Çünkü 3d elektronları çekirdeğe daha yakın olduğundan 4s elektronlarından daha güçlü çekilir. Bu nedenle elektron 4s den verilir. 69

70 10. Sınıf Kimya Öğrendiklerimizi Uygulayalım 38 Sr2+, 29 Cu +, 20 Ca 2+ iyonlarının elektron dizilimini yazarak nötral atomdaki hangi orbitalden elektron veya elektronların verildiğini arkadaşlarınızla tartışınız. Okuma Metni 70 Erwin Schrödinger (Ervin Şırödinger) Erwin Schrödinger, 12 Ağustos 1887 de doğdu. Kimya eğitimini bitirdikten sonra uzun yıllar ressamlığa ilgi duydu. Bundan sonra bir süre botanik ile uğraştı. Schrödinger in bu geniş ilgi yelpazesi lise yıllarında başladı. Sadece bilimsel konularla değil, eski Yunan dilleri ve Alman şiiriyle de ilgili 1906 dan 1910 a kadar Viyana Üniversitesinde okudu. Bu sürede Boltzman dan sonra gelen ve Boltzman ın yaptığı çalışmalara benzer çalışmalar yapan Fritz Hasenöhrl (Firitz Hazenörl) ün derin etkisinde kaldı. Fiziğin o zaman en çok ilgi duyduğu alanlardan biri olan Eigenvalue (aygenvalu) probleminin gizemini keşfetti. Böylece gelecekteki üstün çalışmalarına zemin hazırlamış oldu. Bundan sonra Franz Exner (Franz Ekzner) in asistanı olarak, arkadaşı K. W. F. Kohlrausch (Kolrauş) ile birlikte, öğrenciler için uygulamalı fizik alanında rehberlik etti. Stuttgart (Şututgart), Breslau (Breslau) ve Zurih (Zürih) Üniversitesinde profesör olarak görev yaptı. Görev yaptığı bu yerlerde Schrödinger teorik fiziğin değişik alanlarında yaptığı çalışmalarla en verimli dönemini yaşadı. Bu dönemde katıların özgül ısıları, termodinamik problemleri, atomik spektrum, renklerin fizyolojisi üzerine yoğunlaştı. Onun en büyük keşfi Schrödinger dalga denklemleridir. h - 2 d 2 y 8p 2 + Vy = Ey m dx 2 V= Potansiyel enerji E= Enerji x= Taneciğin doğrultusu Schrödinger dalga denklemi, onun Bohr atom teorisindeki kuantum koşulundan tatmin olmamasından ve atomik spektranın eigenvalue problemiyle belirlenmesi inancıyla ortaya çıktı. Bu çalışmasıyla Dirac (Dirak) la birlikte 1933 te Nobel fizik ödülünü aldı de Schrödinger, Planck ın halefi olarak Berlin e gitti. Bundan sonra ondan daha ünlü ve yaşça daha büyük olan meslektaşlarıyla haftalık sohbetlere büyük bir zevkle katılıyordu. Hitler in 1933 te güç kazanmasıyla Schrödinger Almanya da yapamayacağını anladı. Ingiltere ye gitti. Birkaç yer daha dolaştıktan sonra teorik fizik direktörü olacağı ve 1955 teki emekliliğine kadar kalacağı Dublin e gitti. Bu süre zarfında Gravitation ve elektromanyetizmin birleştirilmesi problemi de dâhil birçok araştırma yaptı ve yazı yayımladı. Atomik fiziğin temelleriyle derinden ilgilenmeyi sürdürdü. Schrödinger genel olarak atomun, dalga ve parçacık olarak açıklanmasından hiç hoşnut olmadı. Dalganın istatistiksel gösterimi yardımıyla yalnızca dalgalardan oluşan bir teori oluşturmaya çalıştı. Bu onu diğer önde gelen fizikçilerle uzlaşmazlığa düşürdü. Schrödinger bilimsel ve özel yaşamı boyunca hiçbir zaman kişisel bir amaç veya bir proje için çalışmadı. O, her zaman öğrencileri de dâhil başkaları ile çalışmayı zor buldu. Onun bu uzlaşmaz tutumunu, belki de en iyi anlatacak olay Brüksel konferansına giderken eşyalarını istasyondan otele kadar kendisinin taşıması ve yardım kabul etmemesi olabilir. Emekliliğinden sonra Viyana ya döndü. 4 Ocak 1961 de uzun bir hastalık döneminden sonra öldü. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir.

71 5. BÖLÜM İçerik 1. Bağıl Atom Kütlelerinin Tarihsel Gelişimi 2. Mol Kavramı 3. İzotop Kütleleri ve Bağıl Atom Kütlesi (BU BÖLÜM 2 SAATLİK DERS İÇİN 4. BÖLÜM OLARAK İŞLE- NECEKTİR). BAĞIL ATOM KÜTLESİ VE MOL KAVRAMI Elinizde terazi ve100 gramınız var. Bir pirinç tanesinin kütlesini nasıl belirlersiniz? Son derece küçük olduğunu bildiğiniz atomu sizce nasıl tartarız? Teraziyle tartmak mümkün müdür? Kütlesini nasıl belirleriz? İki kişinin kütlelerini tartım yapmadan karşılaştırırken ölçütleriniz ne olabilir? Bir elementi oluşturan bütün atomlar birebir aynı mıdır? Farklı yönleri var mıdır?

72 10. Sınıf Kimya Bağıl Atom Kütlelerinin Tarihsel Gelişimi Elementler, birbirleriyle hangi kütle oranlarında birleşerek bileşikler meydana getirir? Böyle bir karşılaştırmayı kolaylıkla yapabilmek için elementlerden birinin atomunu birim olarak seçmemiz gerekir. İlk akla gelen element, yoğunluğu en küçük olan hidrojen olmuştur. Çünkü hidrojenin atomları en basit ve en küçük atomlardır. Dolayısıyla hidrojen atomunun kütlesi bir (1) olarak kabul edilmiş ve diğer elementlerle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar, atom kütlesi hesaplanacak elementle hidrojenin hangi oranda bileşik meydana getirdiğini inceleyerek yapılmıştır. Hidrojen, o elementle bileşik meydana getiremiyorsa atom kütlesi bilinen başka bir elementle karşılaştırma yapılır. Yapılan karşılaştırma sonucunda oksijenin kütlesi 15,85 olarak bulunmuştur. Bu yöntem sadece bir atomun diğerinin kaç katı olduğunu (bağıl atom kütlesi) hesaplamakta kullanılmıştır. Tablo Hidrojenin yer aldığı bazı bileşiklerde bir gram hidrojen ile birleşen diğer element kütleleri H nin kütlesi (g) Diğer elementin kütlesi (g) HF 1 19 HCl 1 35,5 HBr 1 80 HI H 2 O 1 8 NH 3 1 4,7 akb (amu) ingilizce atomic mass unit in kısaltılmışıdır. Atom kütlesini belirten SI simgesi olan u, birleşmiş anlamına gelen İngilizce unified sözcüğünün baş harfidir. Tablo incelendiğinde, hidrojenle birleşen diğer element kütleleri genellikle tam sayı olmasına rağmen bazıları tam sayıya yakındır. Örneğin, HF bileşiğinde 1 gram hidrojenle birleşen florun gram miktarı hidrojenin gram miktarının 19 katı olmasına karşılık HCl bileşiğinde 1 gram hidrojenle birleşen klorun gram miktarı hidrojenin gram miktarının 35,5 katıdır. 19. yüzyıl bilim insanları böyle çizelgeleri incelediklerinde tam sayı yerine onlara yakın değerler bulunmasını, deney hatalarının bir sonucu zannettiler. Her elementin atomunun kütlesinin hidrojen atomu kütlesinin tam katı olduğu sonucuna varan bilim insanları ilk bağıl atom kütlelerini hidrojene bağlı olarak tayin ettiler. En hafif element olan hidrojenin kütlesi 1 kabul edilerek diğer elementlerin kütlelerinin hidrojenin kaç katı olduğunu (bağıl atom kütlesi) hesapladılar. Hidrojenle bileşik yapmayan elementlerin bağıl atom kütlelerini hidrojenle bileşik yapan ortak başka atomun bağıl atom kütlesi ile karşılaştırılarak buldular. Atomların kütlelerini ölçmek için standart kütle birimleri çok büyük olacağından atom kütlelerini ölçmek amacıyla yeni bir kütle birimi geliştirilmiştir. 1 atom kütle birimi akb (SI simgesi: u eskiden kullanılan birim: Dalton, Da) bir tane karbon-12 atomunun kütlesinin on ikide biri olarak tanımlanır. Karbon-12 izotopu seçilerek kütlesinin 12,0000 u kabul edilişi 1961 de Uluslararası Kuramsal ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) Kongresi nde kabul edilerek o tarihten beri bütün dünyada geçerlilik kazanmıştır. Bundan önce standart olarak oksijen kullanılmaktaydı. Fakat kimyacılar doğal oksijen atomunun kütlesini 16,0000 u kabul etmişlerdi. Fizikçiler ise oksijen 16 izotopunun kütlesini 72

73 1. Ünite Atomun Yapısı standart ve 16,0044 u olarak almışlardı. Gerçekte, doğal oksijen üç izotoptan (kütleleri 16, 17, 18) oluştuğu için bu ikiliği ortadan kaldırmak amacıyla karbon-12 ye dayanan birleştirilmiş bir ölçek geliştirilmiştir. Karbon-12 nin birim olarak seçilmesinin sebebi karbon iyonlarının kütle spektrometresiyle ölçülmesinin kolay oluşu ve karbonun daha sağlıklı ölçüm sonuçları vermesi ile karbonun büyük kütleli molekül iyonları ve bileşikleri meydana getirmesindendir. Günümüzde bütün atomların kütleleri, standart kabul edilen karbon-12 izotopunun kütlesine göre belirlenir (Atom kütleleri bazen birimsiz verilir. Bu değerler yine aynı standarda göre bağıl atom kütleleridir.) Mol Kavramı Kimyacılar Dalton dan başlayarak bağıl sayıların önemini kavramaya başladılar. Örneğin, iki hidrojen atomunun bir oksijen atomuyla birleşerek bir su molekülü oluşturduğu ifadesinin önemini kavradılar. Atomlar ve moleküller normal yollarla sayılamayacak kadar küçük olduklarından miktarlarının belirlenmesi, kütlelerinin ölçülmesinde kullanılan yöntemlerdeki gibi dolaylı yoldan olmalıydı. Aslında belirli sayıda çokluğu belirten birimlerin kullanılma düşüncesi yeni değildir. Örneğin çift (iki parça), düzine (12 parça) ve gross (144 parça) eskiden beri kullanılmaktadır. Bir başka örneğe göre de çok sayıda çiviye ihtiyaç duyulduğunda çiviyi sayarak değil, kutuyla veya kiloyla alırız. Sayılamayacak kadar küçük olan tanecikleri de yukarıdaki örneklere benzer şekilde topluca ifade edeceğimiz kavramlarla tanımlarız. Benzer şekilde kimyacılar da atom ve moleküllerin miktarlarını belirtmek için mol kavramını ortaya attılar. Ayrıca bağıl atom kütlesinin miktarı kadar gram element de bir mol olarak tanımlanır. Uluslararası birim sistemine (SI) göre mol, karbon-12 izotopunun içerdiği atom sayısı kadar tanecik (atom, molekül veya diğer tanecikler) içeren madde miktarıdır. 12 gram karbon-12 de bulunan gerçek atom sayısı deneysel olarak tayin edilir. Bu sayıyı ilk tespit eden bilim insanı Amedeo Avogadro dur (Resim 1.5.1). Bu nedenle Avogadro sayısı denir. Tablo de bazı elementlerin tek atom kütleleri verilmiştir. Hatırlayacağınız gibi atomların kütlelerinin kütle spektrometresi ile bulunabileceğini biliyorsunuz. Tablo incelendiğinde değerlerin son derece küçük olduğu görülür. Tablo Bazı elementlerin kütle spektrometresi ile ölçülmüş tek atom kütleleri Element Tek atom kütlesi (gram) Rb 1,420 x Sr 1,455 x Al 4,4817 x Bilim insanları 1800 lerin ilk yarısında 1 g hidrojenin birleştiği diğer elementin kütlelerini tam sayı bulmaları gerektiğine inandılar. Sonuçları farklı çıkınca deneylerinde yanlışlık olduğunu düşündüler (Örneğin HCl te 1 g hidrojene karşılık 35,5 g Cl birleşir.). Bilim insanları bu sonuçlara göre 1 gram hidrojende ne kadar atom varsa 1 mol elementte de o kadar atom olmalı fikrine vardılar. Resim Amedeo Avogadro ( ) İtalyan bilgini olan Avogadro nun kimyaya olan ilgisi onu kendi ismiyle anılan meşhur kanununu bulmaya götürmüştür. Ar 6,6358 x Farklı elementlerin mol kütlelerini tek atom kütlelerine ayrı ayrı bölerek başka bir tablo (Tablo 1.5.3) düzenlediğimizde tablodaki bölme sonuçlarının birbirine çok yakın değerler olduğu görülür. Kütle spektrometresi, bir örneğin veya molekülün element bileşimi tayini için kullanılan analitik bir tekniktir. 73

74 10. Sınıf Kimya Tablo Bazı elementlerin mol külesinin tek atom kütlesine oranı Element sembolü Mol kütlesi (gram) Tek atom kütlesi (gram) Mol kütlesi / Tek atom kütlesi B 10,810 1,796 x ,019 x K 39,098 6,494 x ,021 x Ti 47,880 7,953 x ,02 x Ba 137,330 22,81 x ,02 x Kütle spektrometresi ile karbon-12 izotopunun kütlesi 1,9926x10-23 g bulunmuştur. 12 g karbon-12 izotopundaki 12 g atom sayısı = 1,9926x10-23 g = 6,022x1023 tane atomdur. Avogadro sayısı N A ile gösterilir ve tam değeri ise; N A = 6, x tür ve 6,022 x e yuvarlanır. Bunu hidrojen atomu için sorgularsak; 1 mol hidrojen atomunda 6,022x10 23 tane hidrojen atomu, 1 mol hidrojen molekülünde 6,022x10 23 tane hidrojen molekülü vardır. 1 mol hidrojen molekülünü 2x6,022x10 23 tane hidrojen atomu içerdiği şeklinde de belirtebiliriz. Daha önceki yıllarda, moleküllerde ve formül birimlerinde her atomdan kaç tane bulunduğunu öğrenmiştiniz. Bu bilgileri mol ile ilişkilendirirsek; Örneğin, 1 mol Na 2 CO 3 taki Na atomu mol sayısı 2, C 1 ve O ise 3 tür. Tanecik sayısını temel aldığımızda ise 1 mol Na 2 CO 3 taki Na atomu sayısı 2 x 6,022x10 23 tane, C atomu sayısı, 6,022x10 23 tane ve O atomu sayısı ise 3 x 6,022x10 23 tanedir. 1 mol Mg(OH) 2 = 1 mol Mg atomu + 2 mol O atomu + 2 mol H atomu 6,022x10 23 tane Mg atomu + 2 x 6,022x10 23 t a n e O a t o m u + 2 x 6,02x10 23 tane H atomu 1 mol H 2 SO 4 = 2 mol H atomu + 1 mol S atomu + 4 mol O atomu 2 x 6,022x10 23 tane H atomu + 6,022x10 23 t a n e S a t o m u + 4 x 6,02x10 23 tane O atomu 1 mol FeCl 3 = 1 mol Fe atomu + 3 mol Cl atomu 6,022x10 23 tane Fe atomu + 3 x 6,022x10 23 tane Cl atomu anlamına gelir. Daha önce gördüğümüz gibi 1 mol karbon-12 atomunun tam kütlesi 12 g olup 6,022x10 23 tane C atomu içerir. Karbon-12 nin bu kütlesi mol kütlesi olup 1 mol atom ya da molekülün kütlesi olarak tanımlanır. Başka bir deyişle karbon-12 atomunun mol kütlesi (gram olarak) sayısal bakımdan akb cinsinden atom kütlesine eşittir. Benzer şekilde Na atomunun kütlesi 22,99 akb ve mol kütlesi 22,99 g; Mg atomunun kütlesi 24,31 akb ve mol kütlesi 24,31 g dır. 1 g = 6,022x10 23 akb 1 akb = 1,661x10-24 g 74

75 1. Ünite Atomun Yapısı Örnek Verilen bir bileşiğin bir molünün kütlesini hesaplayalım. (H: 1, S: 32, O: 16, Ca: 40, N:14, Na: 23 g mol -1 ) 1 mol H 2 SO 4 = (2x1) (4x16) = 98 gram 1 mol Ca(NO 3 ) 2 = 40 + (2x14) + (6x16) = 164 gram 1 mol NaOH = = 40 gram Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıda verilen bileşiklerin bir molünün kütlesi kaç gramdır? (H: 1, O: 16, Mg: 24, N:14, F: 19, Fe: 56, Al: 27) a. NH 4 NO 3 b. MgF 2 c. Fe 2 O 3 ç. Al(OH) 3 Cevap: a: 80, b: 62, c: 160, ç:78 Her ne kadar mol kütlesi yerine daha önceleri molekül ağırlığı, molekül kütlesi, formül kütlesi, atom ağırlığı, atom kütlesi gibi tanımlamalar kullanılmışsa da kavram karışıklığına neden olmamak için bu kavramların kullanılmaması daha doğru olacaktır (Örneğin molekül kütlesi denildiğinde 1 mol molekülün kütlesi anlaşılması gerekirken 1 tane molekülün kütlesi anlaşıldığından, hataya sebebiyet vermemek için kullanılmamalıdır) İzotop Kütleleri ve Bağıl Atom Kütlesi İngiliz fizikçi F.W. Aston, 1920 yılında kütle spektrometresini bulmuştur. Ancak bu cihaz günümüzdeki cihazlara göre daha az duyarlıydı. Buna rağmen Ne izotoplarında kesin sonuçlar vermiştir. Neon-20 için atom kütlesi 19,9924 akb ve doğal izotop bolluğu %90,92, neon-22 için ise atom kütlesi 21,9914 akb ve doğal izotop bolluğu %8,82 olarak bulunmuştur. Bulunma yüzdesi (%) 90,48 9,25 0,27 Ne Ne Ne 10 Atom kütlesi (akb) Resim Yukarıdaki kaplarda birer mol sırasıyla kükürt, brom, çinko ve karbon görülmektedir. Grafik Ne un doğadaki izotoplarının bulunma yüzdeleri Daha kapsamlı ve duyarlı spektrometrelerin bulunması ile Ne un doğal izotopları gözlenmiştir. Bunlardan ilkinin atom kütlesi 19, akb, doğal bolluğu %90,48; ikincisinin kütlesi 21, akb, doğal bolluğu %9,25; üçüncüsünün ise kütlesi 20, akb, doğal bolluğu %0,27 dir (Grafik 1.5.1). 75

76 10. Sınıf Kimya Bazı atom kütleleri (örneğin, F=18, akb), diğerlerine göre neden çok daha fazla basamak yazılarak gösterilir? F atomu doğada sadece flor- 19 olarak bulunur. Bu tür atomların duyarlılıkları en üst seviyede verilmelidir. Diğer taraftan akb 83,80 olan Kr un altı tane doğal izotopu vardır. Kr un izotoplarının yüzde dağılımları birbirinden az da olsa farklı olduğu için ortalama atom kütlesinin yüksek duyarlılıkla verilmesine gerek yoktur. Bu örnek deneysel duyarlılığın kimya gibi nicel bilimlerde ne kadar önemli olduğunu göstermektedir. Önceki denemelerde neon-21 izotopunun varlığı, doğal bolluğu %0,27 gibi az bir miktar olduğu için ölçülememiştir. Bir başka ifade ile Ne atomundan sadece 27 tanesi neon-21 dir. Moleküllerin kütleleri de benzer şekilde belirlenmektedir. Lityumun ortalama atom kütlesi 6,941 dir. Lityumun doğada bulunan izotopları lityum-6 ve lityum-7 dir. Kütleleri sırasıyla 6, ve 7, akb dir. Bu verilere göre iki izotoptan hangisinin doğadaki bolluğu daha fazladır? Çözüm Örnek Li = 6,941 akb olduğuna göre bu değer 7, e daha yakın olduğundan lityum-7 izotopunun bolluğu doğada daha fazladır. Tablo Bazı elementlerin izotopları ve doğadaki bolluk yüzdesi İsim Sembol Kütle Hidrojen Bolluk Yüzdesi 1 H 1, ,985 2 H 2, ,015 Karbon Klor 12 C 12, ,90 13 C 13, ,10 35 Cl 34, ,77 37 Cl 36, ,23 54 Fe 53, ,84 Demir 56 Fe 55, ,75 57 Fe 56, ,12 58 Fe 57, ,28 32 S 31, ,02 Kükürt 33 S 32, ,75 34 S 33, ,21 36 S 35, , Hg 195, , Hg 197, , Hg 198, ,87 Cıva 200 Hg 199, , Hg 200, , Hg 201, , Hg 203, ,87 76

77 1. Ünite Atomun Yapısı 112 Sn 111, , Sn 113, , Sn 114, , Sn 115, ,54 Kalay 117 Sn 116, , Sn 117, , Sn 118, , Sn 119, , Sn 121, , Sn 123, , Pb 203, ,40 Kurşun 206 Pb 205, , Pb 206, , Pb 207, ,40 Elementlerin izotop kütleleri ve tabiatta bulunma yüzdelerinden hareketle ortalama atom kütlesi aşağıdaki formülde gösterildiği gibi hesaplanır. Elementin atom kütlesi = (izotopun yüzdesi x izotopun kütlesi) 1 + (izotopun yüzdesi x izotopun kütlesi) Karbonun kütle spektrumu, kütlesi tam 12, akb olan %98,89 karbon-12 ve kütlesi 13, akb olan %1,11 karbon-13 ü verir. Bu verilerden yararlanarak karbon izotoplarının ağırlıklı atom kütlesini hesaplayabiliriz. karbon-12 nin kütlece katkısı = 0,9889x12 = 11,8668 akb karbon-13 ün kütlece katkısı= 0,0111x13, = 0, akb Doğal karbonun atom kütlesi = 11,8668 akb + 0, akb 12,011 akb Karbon-12 izotopunun atom kütlesi 12,011 akb denildiğinde bu değerin ortalama değer olduğunu unutmamalıyız. Eğer karbon atomları ayrı ayrı incelenmiş olsaydı karbon atomunun kütlesi ya 12,00000 akb ya da 13, akb olurdu. Hiçbir zaman 12,011 akb olmazdı. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıda verilen tablodaki boşlukları istenenleri sağlayacak şekilde doldurunuz (Elementlerin bağıl atom kütleleri: H: 1 Da; C: 12 Da; O: 16 Da; Mg: 24 Da; Al: 27 Da; S: 32 Da, Zn: 65 Da). 1,8x10 23 tane Zn atomu mol g Mg 2,5 mol 4,4 g CO mol 2 g H 2 S 6,02x10 23 tane H 2 S molekülü. g Al 2,4x10 23 tane Al atomu 3 mol H 2 SO 4.. g Organik maddelerin yaşlarının tespitinde kullanılan karbon-14 izotopu, atmosferin üst seviyelerinde oluşur. Yeryüzündeki karbon-14 izotopu, karbonun atom kütlesini değiştiremeyecek kadar azdır. 77

78 10. Sınıf Kimya ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME A. Aşağıdaki metinde numaralandırılmış boşlukları kutuda seçenekler hâlinde verilen kelimelerden uygun olan ile tamamlayınız. 1. a) belirsizlik b) kuantum c) ikili karakter ç) bölünmezlik d) dalga 2. a) hidrojen atomunun b) elektronların c) atomların ç) siyah cisimlerin d) moleküllerin 3. a) rastgele b) belirli c) küçük yarıçaplı ç) dairesel d) büyük yarıçaplı 4. a) ışının b) fotonun c) kuantumun ç) atomun d) dalganın 5. a) grafiği b) izdüşümü c) karesi ç) tersi d) türetilmesi 6. a) yörünge b) enerji düzeyi c) elektron dizilimi ç) orbital d) spektrum Geçen asrın ilk 30 yılı, atomun yapısı hakkında bugün bildiklerimizin çoğunun üretildiği, bilimsel açıdan verimli bir dönemdir. 20. yüzyılın başında Planck ın geliştirdiği (1) hipotezi, elektromanyetik ışınlara yeni bir bakış getiriyordu. Bu hipotez sadece (2) ışımasını açıklamakla kalmadı. Bohr, teorisini geliştirirken Planck ın önerdiği kuantum kavramından ve her kuantın enerjisini hesaplamada kullanılan E=hn bağıntısından yararlandı. Bohr a göre hidrojen spektrumunun çizgili bir yapı göstermesi, hidrojen atomundaki elektronun çekirdek etrafında dolanırken (3) yörüngeler seçememesiyle ilgiliydi. Planck, ışınların yerine göre dalga, yerine göre de tanecik karakteri gösterdiğini öne sürerken cesur bir adım atmıştı. De Broglie bir adım daha ileri gitti ve o güne kadar (1922) tanecik diye bilinen elektron, proton, alfa parçacığı gibi türlere birer (4) eşlik ettiğini öne sürdü. De Broglie ye göre bu dalganın l değeri, taneciğin kütlesi ve hızı cinsinden ifade edilebilirdi. Bu hipotez, Schrödinger in geliştirdiği kuantum atom modelinin de hareket noktası olmuştur. Schrödinger, hidrojen benzeri atomlardaki elektronun enerji, hız, konum gibi ölçülebilir özelliklerinin, ona eşlik eden dalganın matematik ifadesinden hesapla bulunabileceğini düşündü ve bu matematik ifadeyi türetmek için çalıştı. Onun bulduğu dalga denklemlerine, daha sonra orbital adı verildi. Elektron için birden çok orbital mümkündü ve bu orbitaller üzerinde yapılan işlemlerle, elektronun enerjisi hesaplanabiliyordu. Bugün yaygın kullanılan n, l ve m l kuantum sayıları da orbitallerle ilgilidir. Her orbital kendine ait n, l ve m l kuantum sayılarıyla bellidir. Başka bir ifadeyle, bu kuantum sayıları biliniyorsa orbital de biliniyor demektir. Orbital kavramının beş duyumuzla algıladığımız evrende fiziksel bir karşılığı yoktur. Ancak, orbital dediğimiz fonksiyonun (5), belli bir uzay bölgesinde elektronun bulunma olasılığı ile doğru orantılıdır. Çoğu zaman, orbital kavramına görünür bir anlam vermek için bu uzay bölgelerinde elektronun bulunma olasılığını gösteren çizim veya temsilî resimlerden yararlanırız. Bu anlamda (6), elektron bulunma olasılığının yüksek olduğu uzay bölgesi olarak tanımlanır. Tanım, yaygın olmakla birlikte tam doğru değildir ve fiziksel bir anlam taşıdığı için benimsenmiştir. B. Aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Faraday, yaptığı deneyler sonucunda atomun ancak belirli bir miktar veya bu miktarın basit katları kadar elektrik yükü taşıyabileceğini tespit etmiştir. Faraday ın ulaştığı bu sonuçtan sizce hangi çıkarımlara varılabilir? 2. Kırmızı renkli ışınlar, ne kadar şiddetli olursa olsun Na metalinden elektron koparamazken, mavi renkli ışınlar şiddeti çok küçükte olsa aynı metalden elektron koparabilmektedir. Sebebini açıklayınız. 78

79 1. Ünite Atomun Yapısı 3. Enerjisi 1,0x10 3 kj mol -1 olan ışımanın dalga boyunu nm cinsinden bularak bu ışımanın elektromanyetik spektrumun hangi bölgesinde olduğunu söyleyiniz. 4. Astronomlar, uzaktaki yıldızlarda hangi elementlerin bulunduğunu nasıl tespit ediyorlar? Açıklayınız. 5. Bir atomun elektronu n=3 enerji düzeyindedir. Alabileceği olası (l ve m l ) değerlerini yazınız. 6. La elementinin elektron dağılımını gösteriniz Al(OH) 3 ile H 2 SO 4 reaksiyona girerek Al 2 (SO 4 ) 3 oluşturur. Buna göre aşağıdaki soruları cevaplandırınız. (Elementlerin bağıl atom kütleleri: H: 1 Da; O: 16 Da; Al: 27 Da; S: 32 Da ) I. Verilen olayın kimyasal tepkime denklemini yazarak denkleştiriniz. II. 3 mol H 2 SO 4 ile.. gram Al(OH) 3 tamamen reaksiyona girer. III... mol Al(OH) 3 ten 17,1 g Al 2 (SO 4 ) 3 meydana gelir. 8. I. C 3 H 8(g) + O 2(g) CO 2(g) + H 2 O (g) II. Ca(OH) 2(suda) + HBr (suda) CaBr 2(suda) + H 2 O (s) III. NaOH (k) + CO 2(g) Na 2 CO 3(k) + H 2 O (s) IV. Al (k) + I 2(k) AlI 3(k) denklemleri verilmektedir. Tepkimeye giren maddelerin her birinden 10 gram alınıyor. Denklemleri ayrı ayrı denkleştirerek, a) Her tepkime için sınırlayıcı bileşeni belirleyiniz. b) Her tepkime için oluşacak her bir ürünün miktarını hesaplayınız. [Mol kütleleri (g/mol): H: 1; O: 16; C: 12; Na: 23; Al: 27; Ca: 40; Br: 80; I: 127 ] C. Aşağıda verilenleri dikkatlice okuyunuz. İfade doğru ise D harfini işaretleyiniz, yanlış ise Y harfini işaretleyerek doğrusunu yandaki kutucuğa yazınız. 1. Faraday deneyleri atomun bölünmez bir bütün olduğunu göstermiştir. 2. Moseley, elementlerin yaydığı X-ışınlarını inceleyerek atomlarda proton sayılarını deneysel olarak belirlemenin yolunu açmıştır. 3. Elektronun çarptığı yüzeylerden yansıması dalga özelliğine sahip olduğunu gösterir. 4. Beyaz ışık önce dar bir demet yapıcı yarıktan, daha sonra prizmadan geçirilirse görünür bölgede mordan kırmızıya kadar değişen ve bütün renkleri içeren sürekli bir spektrum elde edilir. 5. Siyah cisimlerin yaydığı ışınlar, ışınların dalga özelliği ile açıklanabilir. ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) 79

80 10. Sınıf Kimya 6. Bir taneciğin hem konum hem de hızı aynı anda tam olarak bilinemez şeklindeki teori de Broglie tarafından söylenmiştir. ( D ) ( Y ) Ca2+ iyonu için elektron dağılımı 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 3 şeklindedir. ( D ) ( Y ) 8. Birden fazla elektron eş enerjili orbitallere, eşleşmemiş elektronların sayısı en fazla ve spinleri paralel olacak şekilde yerleşir. 9. 4,0 g kalsiyum ve 4,0 g O birleşerek 8,0 g CaO oluşturur. (Ca:40 Da, O:16 Da) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) mol Ca ve 5 mol O 2 den 1 mol CaO oluşur. D. Aşağıdaki çoktan seçmeli soruları cevaplayınız. 1. Aşağıdaki Atom Modellerinden hangisinde ya da hangilerinde enerji düzeyi kavramı yer almaz? I. Bohr Atom Modeli II. J.J.Thomson Atom Modeli III. Rutherford Atom Modeli A) Yalnız I B) Yalnız II C) Yalnız III D) I ve III E) II ve III ( D ) ( Y ) 2. Millikan ın Yağ damlası deneyi nde ölçülen damla yükü için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) 1 protonun yüküdür. B) 1 elektronun yüküdür. C) 1 elektron yükünün tam katıdır. D) 1 nötronun yüküdür. E) Pozitif yüktür. 3. Farklı iki elementin nötr atomlarında aşağıdakilerden hangisi eşit olabilir? A) Proton sayısı B) Nötron Sayısı C) Çekirdek yükü D) Elektron sayısı E) Atom Numarası 80

81 1. Ünite Atomun Yapısı 4. Aşağıdakilerden hangisi E. Rutherford un altın plaka deneyi ile ulaştığı bilimsel sonuçlardan birisidir? A) Atom bölünmez, parçalanmaz bir taneciktir. B) Atom elektron, proton ve nötron atom altı parçacıklarından oluşmuştur. C) Elektronlar ve protonlar atomda homojen bir şekilde her yerde bulunurlar. D) Elektronlar atomda rastgele bir şekilde hareket ederler. E) Artı yüklü tanecikler atomun merkezinde bir arada bulunurlar. 5. Atomun temel hâl durumu aşağıdaki ifadelerden hangisinde doğru tanımlanmıştır? A) Uyarılmış atomdur. B) Elektronun enerjisinin en yüksek olduğu durumdur. C) Çekirdeğin parçalanmasıdır. D) Bir sistemin en düşük enerjili hâlidir. E) Bir atomun uyarılma derecesinin en büyük olduğu hâldir. 6. Rutherford un geliştirdiği Atom Modeli nin yetersizliği aşağıdakilerden hangisidir? A) Alfa ışınlarının büyük bir kısmının hiçbir sapmaya uğramadan geçmesi B) Alfa ışınlarının çok az bir kısmının büyük açılarla sapması veya geri dönmesi C) Çinko sülfür sürülmüş ekran üzerindeki parıldamaların sebebini açıklaması D) Elektronların konumlarının ve hızlarının belirlenmesi E) Atomun merkezinde çekirdeğin varlığını ispatlaması 7. Aşağıdakilerden hangisi ışığın sadece tanecik modeliyle açıklanır? A) Işığın renklerine ayrılması B) Işığın girişimi C) Işığın kırınımı D) Fotoelektrik olay E) Işığın aynı anda hem kırılması hem de yansıması 8. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Elektronun yüksek enerjili bir katmandan n=1 katmanına inmesi sonucu ultraviyole ışınları yayınlanır. B) Yüksek enerjili bir katmandan n=2 katmanına olan elektron geçişleri X-ışınlarının oluştuğu bölgede gerçekleşir. C) Yüksek enerjili bir katmandan n=3 katmanına olan elektron geçişleri kızılötesi bölgede gerçekleşir. D) Brackett serisindeki spektrum çizgileri Paschen serisindeki çizgilere göre daha uzun dalga boylarında oluşur. E) Pfund serisi n=5 katmanına olan elektron geçişlerini ifade eder. 81

82 10. Sınıf Kimya 9. Tc elementinin temel hâl elektron dağılımı aşağıdakilerden hangisinde doğru olarak verilmiştir? 43 ( 18 Ar, 36 Kr) A) [Kr] 5s 2 4d 4 B) [Ar] 6s 2 5d 5 C) [Kr] 5s 2 4d 5 D) [Ar] 5s 2 4d 5 E) [Kr] 5s 2 4d Rb elementinin izotoplarının tabiatta bulunma yüzdeleri %72,1 rubidyum-85 ve %27,9 rubidyum-87 olduğuna göre Rb elementinin ortalama atom kütlesi kaçtır? A) 85 B) 85,55 C) 85,75 D) 86,25 E) 86, Aşağıdakilerden hangisi bir tane altın atomunun kütlesine denktir? (Au: 196,96) A) 196,96 / 6,02 x B) 196,96 C) 196,96 x 6,02 D) 6,02x10 23 E)196,96 / 6,02 x Aşağıda 3d orbitaline ait sınır yüzey diyagram gösterimlerinden hangisi yanlıştır? A) B) C) z z z y y y x 3d x 2 -y 2 x 3d z 2 x 3dx2 y D) z E) z y y x 3d xz x 3d yz 82

83 1. Ünite Atomun Yapısı 13. 1,204 x10 25 sayısı kadar molekül içeren H 2 SO 4 te kaç mol oksijen atomu vardır? A) 2 B) 4 C) 40 D) 80 E) Bazı bakır bileşikleri alevle ısıtıldıklarında yeşil ışık yayarlar. Bu ışığın tek bir dalga boyu mu yoksa birden fazla dalga boyunun karışımı olup olmadığını aşağıdakilerden hangisi ile belirleriz? A) Prizma kullanarak B) Kütlesini ölçerek C) Alev testi yaparak D) Elektroliz yaparak E) Kristal yapısına bakarak 15. Heisenberg in bilimsel çıkarımları ile ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur? A) Elektronlar için kesin ve yaklaşık bir hızdan söz edildiğinde enerji ve katmandan bahsedilmez. B) Elektronu gözlemlemek için uzun dalga boylu ışın kullanıldığında elektronun hızı ve konumundaki belirsizlik düşüktür. C) Elektronu gözlemlemek için kısa dalga boylu ışın kullanıldığında elektronun hızı ve konumundaki belirsizlik düşüktür. D) Elektronun aynı anda hızı ve konumu hassasiyetle ölçülemez. E) Bir taneciğin nerede olduğu kesin biliniyorsa nereden geldiği ve nereye gideceği de kesin bir şekilde söylenebilir. 83

84 PERİYODİK SİSTEM 2. Ünite Aristo ya göre maddeleri oluşturan temel elementler hava, toprak, su ve ateştir. Çok eski zamanlarda bu dört elementin uygun oranlarda karıştırılmasıyla tüm maddelerin oluşturulabileceği düşüncesine inanılıyordu. Kimyasal çözümleme yöntemlerinde ve bilimde meydana gelen gelişmeler, elementin tanımında yeni düşünceler ortaya atılmasına neden oldu. Element tanımında ve sayısındaki artış, elementlerin özelliklerinin belirli bir sistematiğe göre düzenlenmesi gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Bu ünitede, elementlerin belirli bir sistematiğe göre nasıl düzenlendiğini, modern periyodik tablonun gelişim sürecini öğreneceksiniz. Elementlerin özelliklerinin (iyonlaşma enerjisi, atom çapı, elektronegatiflik, elektron ilgisi gibi) periyodik tabloda nasıl değiştiğini inceleyeceksiniz. Elementleri tabloda s, p, d ve f bloku şeklinde gruplandırarak incelemenin yararını keşfedeceksiniz.

85 1. BÖLÜM İçerik 1. Periyodik Sistemin Tarihçesi 2. Moseley ve Modern Periyodik Yasa 3. Modern Periyodik Sistem 4. s ve p Blok Elementleri ile Yaygın Kullanılan Elementler PERİYODİK SİSTEMİN TARİHÇESİ Bilim insanlarının elementleri fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre belli bir düzende yerleştirme çabasıyla periyodik sistemin temeli atılmıştır. De Chancourtois (Dö Şankortua) ile ilk defa başlayan bu yerleştirme işlemi, Newlands la devam etmiştir. Elementlerin periyodik sınıflandırması Lother Meyer in ve özellikle Mendeleyev in çalışmalarıyla günümüzdeki biçimine yaklaşmıştır. Periyodik sistem, yeryüzünde bulunan ya da insanoğlu tarafından yapay olarak üretilen yüzden fazla kimyasal elementin davranış kurallarının kodlanmış şeklidir. Bu bölümde periyodik sistemin gelişme sürecini öğreneceksiniz.

86 10. Sınıf Kimya Periyodik Sistemin Tarihçesi Altın Bakır Kükürt Demir Gümüş Ca un Ba un + atom kütlesi atom kütlesi Sr un = 2 atom kütlesi = 88,5 Cıva Karbon Resimlerde altın, bakır, gümüş ve demir elementlerinden yapılan cisimlerle cıva, karbon, kükürt ve bor elementlerini görüyorsunuz. Bu elementleri gruplandırmak isteseydiniz elementlerin resimde görülen ve daha önce bildiğiniz hangi özelliklerini göz önünde bulundururdunuz? Neden? Altın, gümüş, kalay, bakır, kurşun ve cıva gibi elementler eski çağlardan beri biliniyordu. Bu elementlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri tarih boyunca bilim insanlarının araştırma konusu olmuştur. Elementlerin deneysel olarak keşfedilme süreci, 1649 yılında Hennig Brand (Hening Brand) ın fosforu bulmasıyla başlamıştır yılına kadar da toplam 63 element bulunmuştur. 19. yy başlarında kimyasal çözümleme yöntemlerindeki hızlı gelişmeler bilinen elementlerin sayısını arttırmış, bu elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerine ilişkin geniş bir bilgi birikimi sağlamıştır. Bulunan element sayısındaki artışla birlikte bilim insanları, elementlerin özelliklerini temel alarak elementleri sınıflandırma gereği duymuşlardır. Johann Wolfgang Döbereiner (Yohan Volfkank Döberanynır, ), benzer kimyasal özelliklerine göre elementleri üçerli gruplar [(Ca, Sr, Ba), (Cl, Br, I), (S, Se, Te) gibi] hâlinde sınıflandırmıştır. Bu gruplarda ortadaki elementin atom kütlesi diğer iki elementin atom kütlelerinin ortalamasına hemen hemen eşit olmaktadır. Böylece ilk sistematik gruplandırma girişimi olan triadlar (üçlüler) kuralı ortaya çıkmıştır. Bor Öğrendiklerimizi Uygulayalım? işaretli elementlerin atom kütlelerini Döbereiner gibi hesaplayarak bulduğunuz kütleleri modern periyodik sistemdeki atom kütleleri ile karşılaştırınız. Li atom kütlesi = 6,9 Na atom kütlesi =? K atom kütlesi = 39,1 S = 32 Se =? Te = 128 Cl = 35,5 Br =? I = 126,9 86

87 2. Ünite Periyodik Sistem Birbirine benzeyen kimyasal ve fiziksel özelliklerinden yola çıkarak elementleri sınıflandıran Fransız bilim insanı A.E. Bequyer De Chancourtois tarafından ilk periyodik sistem oluşturuldu. De Chancourtois, oksijenin atom kütlesini (16) dikkate alarak bir silindirin çevresini 16 birime bölmüştür. Bu silindir üzerinde düşey sütunlara elementleri, kendi geliştirdiği kütle formülüne göre yerleştirmiştir (Resim 2.1.1). Her yedi elementte bir, elementlerin özelliğinin tekrarlandığını fark ederek silindir üzerinde benzer özellikteki elementlerin alt alta geldiğini görmüştür. Ayrıca bu sistemde elementlerle birlikte iyonlar da yer alıyordu. İngiliz kimyacı John Newlands (Can Nivlınds) yaptığı çalışmalarda benzer fiziksel özelliklere göre elementleri 11 gruba ayırmıştı. Newlands a göre elementler atom kütlelerinin artış sırasına göre dizildiklerinde sekizinci element birinciye, dokuzuncu element ikinciye benziyor ve bu ilişki bu şekilde devam ediyordu. Newlands, bu durumu müzik notalarındaki oktavlara benzetti. Elementler arasındaki bu ilişkiyi de Oktav kanunu (Law of Octaves) olarak tanımladı. Fakat gerçek ilişki Newlands ın varsaydığı kadar basit değildi. Newlands ın bu çalışmaları diğer kimyacılar tarafından yetersiz bulunmuş ve ciddiye alınmamıştır. Elementlerin modern sisteme en yakın sınıflandırması 1869 yılında yapılan Julius Lothar Meyer (Julis Lother Mayer) in ve özellikle de Dimitri Mendeleyev in çalışmalarına dayanmaktadır. Lothar Meyer, bilinen elementleri atom kütlelerine göre sıraladı. Rus kimyager Mendeleyev ise elementlerin atom kütlelerine göre sıralandığında düzenli (yani periyodik) olarak yinelenen özellikler gösterdiğini gözlemledi. 63 elementi artan atom kütlelerine göre ve özellikleri birbirine benzeyenler alt alta gelecek şekilde sıraladı. Böylece ilk periyodik sistemi oluşturdu. Mendeleyev periyodik sistemi hazırlarken her element için bir kart belirlemiştir. Belirlediği kartları atom kütlesi artışına göre yatay bir sıra hâlinde dizmiştir. Bir elementin özelliklerine benzer ikinci bir element geldiğinde ikinci elementi birinci elementin altına yerleştirerek yeni bir sıra yapmıştır. Her 8 veya 18 elementte bir benzer özelliklerin tekrarlandığını görmüştür. Tekrarlarda sisteme uymayan atlamaların olduğunu, bu atlamaların daha sonra bulunacak elementlerle doldurulabileceğini öngörmüş ve söz konusu elementler için boşluklar bırakmıştır. Mendeleyev, H i bir kenarda bırakarak Li ile başlayan sırayı, Na ile başlayan sıranın altına yerleştirdi. İlk güçlük K ile başlayan sırada çıktı. Ca dan sonra o zaman bilinen element Ti elementiydi. Ancak titanın özellikleri alüminyuma benzemediği için alüminyumun altına yerleştirilemedi. Mendeleyev Ca ile Ti arasında bir elementin bulunması gerektiğini söyleyerek iki elementin arasını boş bıraktı (Tablo 2.1.1). Fe, Co, Ni elementleri ile de ayrı bir grup oluşturdu. Ni den sonra gelen Cu elementinin yaygın iyon yüklerinden biri 41 olduğu için onu K un altına, iyon yükü +2 olan Zn yu da Ca un altına yazdı. Aynı sırada Zn dan sonra 3 ve 4. grup elementleri bilinmiyor, As biliniyordu. Resim De Chancourtois, elementleri silindirin üzerinde düşey sütünlara yerleştirdi. Atom Kütlesi = n 7 = Li un atom kütlesi n = Silindirdeki tur sayısı Na için atom kütlesi: 7 + (16.1) = 23 De Chancourtois nın atom kütle formülü ve Na elementi için uygulaması Bir notanın yedi nota inceltilerek elde edilen ince sesine kadarki bölümü bir oktavdır. Resim Alman kimyacı Julius Lothar Meyer ( ) periyodik sisteme katkılarının yanı sıra hemoglobinin oksijen ile olan kimyasal ilgisini de keşfetmiştir. 87

88 10. Sınıf Kimya Atom kütlesi Atom numarası 121,8 Sb ,6 Te 52 35,5 Cl 17 79,9 Br ,9 I ,3 Xe 54 Şekil Günümüzdeki periyodik sistem oluşturulurken elementler atom numaralarına göre sıralanmıştır. As için en uygun yer P un altı idi. Mendeleyev, As i P la aynı gruba yerleştirerek grubu tamamladı. Daha sonraki yıllarda keşfedilen elementlerle tamamlanan bu tablo kısa periyodik sistem adını aldı. Mendeleyev, elementleri periyodik sistemde sıralarken atom kütlelerinden çok elementlerin özelliklerini göz önünde bulundurmuştur. Örneğin, I un atom kütlesi Te den daha küçük olduğu hâlde, I periyodik sistemde Te den sonra yazılmıştır. Mendeleyev, bu durumu elementlerin atom kütlelerinin yanlış hesaplandığını ileri sürerek açıklamış ancak kendi görüşünün de hatalı olabileceğini düşünmemiştir (Şekil 2.1.1). Mendeleyev, Elementlerin özellikleri atom kütlelerinin periyodik fonksiyonudur. demiştir. Tablo Mendeleyev in periyodik tablosu Grup Sıra H:1 2 Li:7 Be:9,4 B:11 C:12 N:14 O:16 F:19 3 Na:23 Mg:24 Al:27,3 Si:28 P:31 S:32 Cl:35,5 4 K:39 Ca:40?:44 Ti:48 V:51 Cr:52 Mn:55 Fe:56, Co:59, Ni:59 5 Cu:63 Zn:65?:68?:72 As:75 Se:78 Br:80 6 Rb:85 Sr:87?Yt:88 Zr:90 Nb:94 Mo:96?:100 Ru:104, Rh:104, Pd:106 7 Ag:108 Cd:112 In:113 Sn:118 Sb:122 Te:128 J:127 8 Cs:133 Ba:137?Di:138?Ce: ?Er:178?La:180 Ta:182 W:184 Os:195, Ir:197, Pt: Au:199 Hg:200 Tl:204 Pb:207 Bi: Th:231 U:240 Mendeleyev in periyodik sisteminin asıl başarısı, yeni elementlerin bulunabileceğini öngörmesinde yatmaktadır. Galyum, germanyum ve skandiyum elementleri o dönemde bilinmiyordu. Ancak Mendeleyev bu elementlerin atom kütlelerinin ve diğer kimyasal özelliklerinin ne olacağını tahmin etmişti. Resim Dimitri Mendeleyev ( ) Mendeleyev in periyodik sistemde, silisyumun altında yer aldığı için eka-silisyum (silisyum ile aynı grupta) adını verdiği elementin tahmin ettiği özellikleri, 15 yıl sonra keşfedilen germanyum elementinin özelliklerine çok benzemekteydi (Tablo 2.1.2). Germanyum, günümüzün periyodik sisteminde 32 nci element olarak yerini almıştır (Resim 2.1.4). 88

89 2. Ünite Periyodik Sistem Tablo Germanyumun Mendeleyev tarafından tahmin edilen özellikleri Özellikler Mendelev in tahmin ettiği eka-silisyum 1886 da keşfedilen Germanyum elementi Atom kütlesi (g) 72 72,6 Oksidinin formülü EsO 2 GeO 2 Yoğunluk (g cm -3 ) 5,5 5,47 Renk Kirli gri Gri-beyaz Klorürünün formülü Kaynama noktası ( o C) EsCl 4 Yüksek GeCl 4 86 Erime noktası ( o C) Yoğunluğu (g cm -3 )? 1,9? 1,887 Resim Germanyum minerali Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Mendeleyev periyodik sistemde bazı yerleri neden boş bırakmıştır? Resim Silisyum minerali 2. Mendeleyev in hazırladığı periyodik sistemde, elementleri artan atom kütlelerine göre sıralamasının ne gibi sıkıntıları vardır? Örnekleri ile açıklayınız Moseley ve Modern Periyodik Yasa Mendeleyev in başlıca hatası, elementlerin özelliklerini belirleyen etkenin elementlerin atom kütleleri olduğunu düşünmesiydi. Elementlerde, periyodik özelliklerin atom kütlelerine göre belirli bir düzen göstermesi bir tesadüftür ancak daha sonra yapılan çalışmalar bazı istisnaların bulunduğunu da göstermiştir. Örneğin, argonun kütle numarası 39,95 iken potasyumun kütle numarası 39,10 dur. Kütle numaralarına baktığımızda potasyum elementi argon elementinin yerinde olmalıydı. Ancak argon, asal gaz; potasyum ise aktif bir metaldir. Bu durum, bilim insanlarına elementlerin atom kütlelerine göre düzenlenmesinin doğru bir yaklaşım olmadığını göstermiştir. Atom çekirdeğindeki proton sayılarının tespiti ve atomun özelliklerinin proton sayısı veya elektronların bir fonksiyonu olduğunun anlaşılması periyodik sistemin düzenlenmesinde dönüm noktası olmuştur. Atom numaralarının öneminin farkına varan bilim insanı, İngiliz fizikçi Henry Moseley dir. Moseley, X-ışınları ile yaptığı deneylerde çeşitli elementlerin atom numaralarını buldu. Periyodik sistemde elementlerin atom kütlesi yerine, atom numarasına göre gösterilmesini önerdi. Günümüzde elementlerin kimyasal özelliklerini elektron sayılarının belirlediği bilinmektedir. Nötr bir atomda, elektron sayısı proton sayısına eşittir. Proton sayısının atom numarasını belirlediği göz önüne alınırsa elementlerin kimyasal özelliklerinin atom numarası ile ilişkili olduğu söylenebilir. Resim Henry Moseley ( ) Periyodik sistemde elementleri atom numarasına göre düzenlenmesini öneren İngiliz fizikçidir. 89

90 10. Sınıf Kimya K.N E.N Öz kütle Atom numarası ,86 26 Fe Demir Elementin adı Bağıl atom kütlesi 58,84 Sembol Modern periyodik sistemde elementler, artan atom numaralarına göre yatay satırlar ve düşey sütunlar hâlinde düzenlenmiştir. Periyodik sistemde her element için ayrılan kutucuklar, o kutucukta belirtilen elementin sembolünü, atom numarasını ve çok kullanılan bazı bilgileri içerebilir (Fe elementinin gösteriminde olduğu gibi). Periyodik sistemdeki satırlara periyot denir. Periyodik sistemde 7 periyot bulunur. İlk periyotta 2, ikinci ve üçüncü periyotta 8, dördüncü ve beşinci periyotta 18 element vardır. Altıncı periyot 32 elementi içeren uzun bir periyottur. Bu periyodun 14 elementi çizelgenin altına ayrıca yerleştirilmiştir. Bunlara lantanitler denir. Yedinci yani son periyodun da 14 elementi yine aynı şekilde çizelgenin altına yerleştirilen aktinitlerdir. Modern periyodik sistemde periyotlarda neden farklı sayıda element bulunur? Sütunlarda yer alan elementler benzer dış katman elektron dizilimine sahiptir ve bu elementlerin kimyasal özellikleri birbirine benzerdir. Periyodik sistemdeki sütunlara grup denir. Gruplar iki şekilde adlandırılır. Birincisi harf (A, B) ve rakam ile adlandırma, diğeri ise IUPAC ın önerdiği yalnızca rakamlardan (1-18) oluşan adlandırmadır. Örneğin, oksijen elementi periyodik sistemde harf ve rakam ile adlandırıldığında 6A grubunda IUPAC a göre ise 16. grupta bulunur. 90

91 2. Ünite Periyodik Sistem Grupların bazılarının özel adları vardır. Bu adlar genellikle grup içindeki elementlerin kimyasal özellikleri ile ilişkilidir. Örneğin 7A grubunda bulunan elementlere genellikle metallerle tuz oluşturdukları için tuz oluşturan anlamına gelen halojenler denir. Benzer şekilde 1A grubu alkali metaller, 2A grubu toprak alkali metaller, B grupları geçiş metalleri, 8A grubu soy gazlar olarak adlandırılmıştır. Periyodik sistemde elementlerin dış katman elektron dizilimleri onların grup numarasını belirler. 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A Örneğin 1. gruptaki atomların dış katmanında s orbitalinde tek elektron bulunur. Aşağıda 1 ve 2. grup elementlerinin elektron dizilimleri verilmiştir. Element atomlarının dış katmandaki elektron sayısı ve orbital türü ile grup numarası arasındaki ilişkiye dikkat ediniz. Grup Atom Nu. Element Elektron Dizilimi 1A 1 H 1s Li [He] 2s 1 11 Na [Ne] 3s 1 19 K [Ar] 4s 1 37 Rb [Kr] 5s 1 55 Cs [Xe] 6s 1 87 Fr [Rn] 7s 1 Resim A grubu elementlerinden lityum Atomların dış katmanındaki s orbitali iki elektrona sahip ise element 2. gruptadır. Grup Atom Nu. Element Elektron Dizilimi 2A 4 Be [He] 2s 2 12 Mg [Ne] 3s 2 20 Ca [Ar] 4s 2 38 Sr [Kr] 5s 2 56 Ba [Xe] 6s 2 88 Ra [Rn] 7s 2 8A grubundaki atomlar (He dışında); en dış katmandaki s orbitalinde 2, p orbitalinde 6 elektrona sahip olup elektron dizilimleri ns 2 np 6 yapısındadır. Dış katmandaki toplam elektron sayısı sekizdir (oktet kuralı). 91

92 10. Sınıf Kimya Resim Sodyum elementi su ve havayla kolayca tepkime verdiğinden gaz yağı içinde saklanır. Resim Sodyum metalinin klor gazı ile olan tepkimesi Grup Atom Nu. Element Elektron Dizilimi 8A 2 He 1s 2 10 Ne [He] 2s 2 2p 6 18 Ar [Ne] 3s 2 3p 6 36 Kr [Ar] 4s 2 3d 10 4p 6 54 Xe [Kr] 5s 2 4d 10 5p 6 86 Rn [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 6p 6 Gruplardaki elektron dizilimlerini incelediğinizde dış katmanlardaki benzerlikleri görebilirsiniz. Dış katman elektron dizilimindeki benzerlikler aynı grupta bulunan elementlerin benzer kimyasal özellikler göstermesini sağlar. Örneğin, Li ve K elementleri dış katmanlarındaki elektron sayıları ve orbital türleri aynı olduğu için aynı grupta bulunur. 1A alkali metaller; 3 Li: [He] 2s 1 K: [Ar] 4s1 19 Bu elementlerin ikisi de aktif metaldir. Bıçakla kesilecek kadar yumuşaktırlar. Su ve havayla kolayca tepkime verirler. 7A halojenler; 9 F: [He] 2s2 2p 5 Cl: [Ne] 17 3s2 3p 5 Halojenler normal koşullarda moleküler hâlde bulunur. Metallerle kolayca tepkimeye girerek tuz oluşturur. F ve Cl elementleri dış katmanlarındaki elektron sayıları ve orbital türü aynı olduğundan benzer kimyasal ve fiziksel özelliklere sahiptir. Her ikisi de aynı grupta (7A) yer alır. 1B geçiş elementleri; 29 Cu: [Ar] 4s 1 3d 10 Ag: [Kr] 47 5s1 3d 10 Cu ve Ag elementlerinin her ikisi de 1B grubunda yer alır. Isı ve elektriği iyi iletir. Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Aşağıdaki tabloda verilen element atomlarının elektron dizilimini yazarak bu elementlerin hangi grupta yer aldığını belirtiniz. Resim Niels Bohr ( ) 1920 li yıllarda Niels Bohr, elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin, elektron dizilimiyle özellikle de dış katmandaki elektronlarla bağlantılı olduğunu belirtmiştir. Element Elektron Dizilimi Grubu 7 N 11 Na 18 Ar 21 Sc 30 Zn 2. Periyodik sistemi kullanarak aşağıdaki soruları cevaplayınız. a. Fosforun kimyasal özelliklerine benzer kimyasal özelliklere sahip element hangisidir? b. Atom numarası 20 den büyük olan ve magnezyuma benzer özelliklere sahip elementler hangileridir? 92

93 2.1.4 s ve p Blok Elementleri ile Yaygın Kullanılan Elementler Dış katman elektronlarının elementlerin kimyasal özelliklerini önemli ölçüde belirlediğinden söz ettik. Periyodik sistem, dış katman elektron dizilimindeki son orbitalin türüne göre s, p, d, f bloklarına ayrılır. s ve p blok elementleri ana grup elementleridir. Yaygın kullanılan elementler ve ana grup elementlerinin isimleri ile sembollerini öğrenmek için aşağıdaki etkinliği yapalım. Etkinlik 2.1 Elementleri Eşleme Etkinliğin Amacı Periyodik sistemde, ana grup elementleri ile yaygın kullanılan elementlerin ad ve sembollerini eşleme Etkinliği Uygulayalım Ana grup elementleri ve yaygın kullanılan elementlerin sembollerinin yazılı olduğu kartları torbanın içine atınız. Torbadan bir kart çekiniz. Elementin adının ne olabileceği tahmin ederek tahminlerinizi not alınız. Element adlarının yazılı olduğu kartları diğer torbaya koyunuz. Torbadan bir kart çekiniz. Elementin sembolünü tahmin ederek tahminlerinizi not alınız. Tüm kartlar bitene kadar işleme devam ediniz. Araç ve Gereç Element adlarının yazılı olduğu 10x10 cm boyutunda kartlar Element sembollerinin yazılı olduğu 10x10 cm boyutunda kartlar İki adet torba Yapışkan bant Elementin sembolünün yazılı olduğu kartı adının olduğu kartın üstüne yapıştırarak sembollerle adları eşleştiriniz. Tahminlerinizle eşleştirmelerinizi karşılaştırınız. Yanlış tahmininizin nedenini tartışınız. Etkinliği Sonuçlandıralım 1) Tahminlerinizde sembol ve adlar arasındaki farklılıklar neden kaynaklanmış olabilir? 2) Aşağıda adları verilen elementlerin sembollerini, sembolleri verilenlerin adlarını yazınız. Sodyum... Ba... Potasyum... Fe... Titan... Hg... Tablo Yaygın kullanılan elementlerin adları ve sembolleri Elementin Adı Elementin Sembolü Elementin Adı Elementin Sembolü Elementin Adı Elementin Sembolü Titan Ti Vanadyum V Krom Cr Mangan Mn Demir Fe Kobalt Co Nikel Ni Çinko Zn Molibden Mo Paladyum Pd Gümüş Ag Kadmiyum Cd Lantan La Aktinyum Ac Tungsten W Platin Pt Altın Au Cıva Hg Toryum Th Uranyum U Bakır Cu 2. Ünite Periyodik Sistem Resim Ayakları kromajla kaplanmış tabure Resim Kırılan termometreden saçılan cıva Resim Diş protezinde kullanılan platin tel 93

94 Tablo Ana grup elementlerinin adları ve sembolleri Elementin Adı Elementin Sembolü Elementin Adı Elementin Sembolü Elementin Adı Elementin Sembolü Hidrojen H Berilyum Be Bor B Lityum Li Magnezyum Mg Alüminyum Al Sodyum Na Kalsiyum Ca Galyum Ga Resim Gümüşten yapılmış takılar Potasyum K Stronsiyum Sr Indiyum In Rubidyum Rb Baryum Ba Talyum Tl Sezyum Cs Radyum Ra Silisyum Si Fransiyum Fr Karbon C Germanyum Ge Kalay Sn Kurşun Pb Azot N Fosfor P Arsenik As Antimon Sb Bizmut Bi Oksijen O Kükürt S Selenyum Se Tellür Te Polonyum Po Flor F Klor Cl Brom Br İyot I Astatin At Helyum He Neon Ne Argon Ar Kripton Kr Ksenon Xe Radon Rn Stronsiyum Biliyor musunuz? Bir metal olan bu element adını stronsiyum içeren cevherlerin ilk kez bulunduğu yer olan bir İskoç kasabası Strontian dan alır. Yumuşak ve gümüşsü olan bu metal, suyla tepkimeye girer ve havada yanar. Yanınca verdiği kırmızı alev nedeniyle havai fişeklerde kullanılır. Kimyanın Öyküsü nden alınmıştır. Resim Stronsiyum Resim Fosfor Fosfor Kar kadar beyaz bir madde imbiğin dibinde duruyordu. Koyu boğucu dumanlar çıkararak hızla yandı ve en ilginci bu maddenin karanlıkta parlamasıydı. Yaydığı soğuk ışık o kadar parlaktı ki eski simya eserleri artık bu ışıkta okunabiliyordu.... Böylece şans eseri, bir kimyasal element olan fosfor bulundu. İsmi Yunanca ışık taşıyan ya da ışık taşıyıcısı sözcüklerinden gelmektedir. Fosforun değerli ve önemli özellikleri çok fazladır. Aslında fosforsuz yaşam düşünülemez. Fosfor olmadan solunum işlemleri gerçekleşmez ve kaslar enerji depolamaz. Fosfor tüm canlı organizmaların en önemli yapı taşlarından biridir. Bilindiği gibi kemik dokusunun temel bileşeni kalsiyum fosfattır Kimya Öyküsü nden alınmıştır. 94

95 2. BÖLÜM İçerik 1. Atomların Büyüklüğü ve Atom Yarıçapı Periyodik Sistemde Farklı Gruplardaki Elementlerin İyon Büyüklükleri 2. İyonlaşma Enerjisi 3. Elektron İlgisi 4. Elektronegatiflik 5. Periyodik Sistemde Metalik ve Ametalik Özelliklerin Değişimi 6. Periyodik Sistemde Elementlerin Asitlik Bazlık Özelliklerinin Değişimi PERİYODİK ÖZELLİKLERİN DEĞİŞİMİ Mevsimler Dünya nın Güneş etrafında dönmesiyle oluşur. Dönme hareketi, Güneş ten alınan ısı miktarında farklılıklara yol açar. Dolayısıyla mevsimlerin özellikleri oluşur. Her mevsimin kendine özgü özellikleri vardır. Mevsimler arasındaki geçişler ani değildir. Örneğin, ilkbahar ve yaz mevsimi arasındaki sıcaklık değişimi birdenbire olmaz. Periyodik sistemde de periyot ve gruplardaki elementlerin özellikleri birdenbire değişmez, periyodik ve düzenli bir değişim gösterir. Bu değişim element atomlarının dış katmanlarındaki elektron dağılımları ile ilgilidir. Dış katmanlardaki elektron sayıları bir elementten diğerine gidildikçe periyodik olarak değişir. Dolayısıyla elementlerin atom yarıçapları, iyonlaşma enerjileri, elektron ilgileri, elektronegatiflik, metalik ametalik ve asitlik bazlık gibi özellikleri de düzenli ve sistematik bir biçimde değişmektedir. Bu bölümde yukarıda saydığımız özelliklerin periyodik sistemde nasıl değiştiğini öğreneceksiniz.

96 10. Sınıf Kimya Atomların Büyüklüğü ve Atom Yarıçapı Sodyum ve kalay elementlerinin her ikisi de metaldir. Sodyum suyla temas ettiğinde şiddetli tepkime verir ve bu sırada ısı açığa çıkar. Çıkan ısı o kadar fazladır ki oluşan hidrojen gazı hemen tutuşarak sarı renkte bir alev çıkarır. Araştırma Metallerde X-ışınları kırınımı ile metali oluşturan atomların çekirdekleri arasındaki uzaklık ölçülüp bu uzaklık ikiye bölünerek yarıçap bulunur. Bunun nasıl yapıldığını araştırınız. Cu 128 pm Cu Şekil Bakır atomunun yarıçapı 128 pm dir. Cl 99 pm Şekil Klor atomunun kovalent yarıçapı 99 pm dir. Cl Kalay ise suyla hemen hemen hiç tepkimeye girmez. Sodyum ve kalayın suya karşı birbirlerinden farklı tepki göstermesinin nedeni ne olabilir? Neden elementler farklı özelliklere sahiptir? Periyodik sistemde elementlerin kimyasal özelliklerinin yanı sıra atom yarıçapı, iyonlaşma enerjisi ve elektron ilgisi gibi özelliklerinin de nasıl değişim gösterdiğini açıklayacağız. Periyodik özelliklerin değişimine atomların büyüklüğü ve atom yarıçapından başlayabiliriz. Bir cıva atomunun yarıçapı, 1 cm olsaydı bir kaşık cıva neredeyse Marmara Denizi ni kaplardı. Atomlar bu kadar küçük olduğuna göre atom büyüklüğünü tanımlamak ve atom yarıçapını ölçmek oldukça zordur. Kuantum atom kuramına göre bir atomun büyüklüğünden kesin olarak söz edilemez. Çünkü bu kurama göre elektronların çekirdeğin etrafındaki katmanlarda bulunma olasılığı çekirdekten uzaklaştıkça azalır. Sonsuz uzaklıkta ise sıfır olur. Buradan anlaşılacağı gibi bir atomun (yalıtılmış, başka atomlarla etkileşmeyen) büyüklüğünden söz etmek anlamsızdır. Ancak atomların büyüklükleri bağ oluşturduklarında aralarındaki uzaklıkla hesaplanır. Örneğin, katı hâldeki bakır elementinde komşu iki atom arasında uzaklık 256 pm dir (1pm = m dir.). Tek bir bakır atomunun yarıçapı da 128 pm dir (Şekil 2.2.1). Atomlar küre olarak düşünüldüklerinden atomların büyüklükleri, atom yarıçapı olarak ifade edilebilir. Atomların yarıçapları bağ yaptıklarında (elektronlar ve çekirdeğin etkileşiminden dolayı) değişeceğinden kovalent, iyonik, van der Waals yarıçaplarından söz edilir. Kovalent yarıçap: Kovalent bağla bağlanmış iki atomun çekirdekleri arasındaki uzaklıktan hesaplanan yarıçaptır. Kovalent bağlar tekli, ikili, üçlü (örneğin Cl Cl, O O, N N gibi) olabildiklerinden üç farklı kovalent yarıçap hesaplanabilir. İki özdeş atomun (Cl 2 gibi) bağlı olması durumunda kovalent yarıçap çekirdekler arası uzaklığın yarısıdır. Bu şekilde Cl atomunun kovalent yarıçapı 99 pm dir (Şekil 2.2.2). Van der Waals yarıçapı: Soy gazlar yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta katı hâle gelirler. Bunları katı hâlde bir arada tutan kuvvetler 96

97 2. Ünite Periyodik Sistem van der Waals kuvvetleridir. Soy gazlar için katı hâlde hesaplanan yarıçapa van der Waals yarıçapı denir. İyon yarıçapı: İyonik bağla bağlanmış iyonların çekirdekleri arasındaki uzaklıktan ölçülür. İyonlar eş değer büyüklükte olmadığından iyon yarıçapı iyonlar arasındaki uzaklığın yarısı değildir. Uzaklık katyon ve anyon arasında uygun şekilde bölüştürülerek ayrı ayrı hesaplanır (Şekil 2.2.3). Bir iyonik bileşiğin fiziksel ve kimyasal özellikleri iyonların yarıçapı (büyüklüğü) ile ilgilidir. Çünkü nötr bir atom iyon hâline geçtiğinde büyüklüğü de değişir. Aşağıdaki şekilde 7A grubundaki bazı element atomlarının kovalent, van der Waals, iyon yarıçaplarının karşılaştırması verilmiştir (F 2 dan I 2 a atom büyüklüğünün değişimine dikkat ediniz.). 95 pm Na + Cl pm Şekil Na + ve Cl - yarıçapının model gösterimi 0,072 0,135 0,099 0,114 0,133 Kovalent yarıçap Bağ uzunluğu F 2 0,180 0,195 0,215 Cl 2 Br 2 I 2 Van der Waals yarıçapı 0,136 0,181 0,195 0,216 İyon yarıçapı F - Cl - Br - I - Bir metal atomu, pozitif bir iyon (katyon) oluşturmak üzere bir ya da daha çok elektron kaybettiğinde, çekirdekteki pozitif yük miktarı elektron sayısından daha fazla olur. Çekirdek, elektronları daha kuvvetli çeker ve bunun sonucu olarak katyonlar, nötr atomlarından daha küçük hâle gelirler. Na Mg 186 pm (a) 160 pm Na + Mg pm 72 pm (b) Şekil (a) Na ve Mg atomunun yarıçapları (b) Na + ve Mg 2+ nun iyon yarıçaplarından büyüktür. Bir ametal, negatif bir iyon (anyon) oluşturmak üzere bir ya da daha çok elektron aldığında çekirdek yükü sabit kalırken fazla elektron nedeniyle elektronlar arasındaki itme kuvveti artar ve bunun sonucu olarak anyonlar, kendilerini oluşturan nötr atomlardan daha büyük hâle gelirler. 97

98 10. Sınıf Kimya Cl Cl + 2e - Cl - Cl - Şekil Cl 2 molekülündeki Cl atomları birer elektron alarak iki Cl - iyonu oluşturur. Oluşan Cl - iyonu Cl atomundan büyüktür. + Li F Li + F - Yukarıdaki şekilde, lityum atomunun flor atomu ile tepkimeye girerek lityum florür bileşiğini oluşturması sırasında atom büyüklüklerinde meydana gelen değişiklik gösterilmektedir. Periyodik Sistemde Farklı Gruplardaki Elementlerin İyon Büyüklükleri Aynı grupta, yukarıdan aşağıya doğru inildikçe elementlerde atom yarıçapı ve iyon yarıçapı artmaktadır. Farklı gruplardaki elementlerin iyon büyüklüklerini karşılaştırabilmek için iyonların izoelektronik (aynı elektron dizilimine sahip) olmaları gerekmektedir. İzoelektronik iyonlar için katyonların anyonlardan daha küçük olduğu söylenebilir. Örneğin 19 K + iyonunun büyüklüğü, 17 Cl - iyonundan küçüktür. Çünkü her iki iyonun elektron sayıları eşit olmasına rağmen çekirdek yükleri farklıdır. 19 K + iyonu daha fazla proton içerdiğinden çekirdek, elektronları daha güçlü çeker. Bu da iyon yarıçapının daha küçük olmasına neden olur. İzoelektronik katyonlar arasında, iyon yükü arttıkça yarıçap küçülmektedir. Örneğin 3. periyotta bulunan üç izoelektronik iyonun büyüklüklerini karşılaştıracak olursak 13 Al 3+ < 12 Mg 2+ < 11 Na + şeklinde olur. İzoelektronik katyonlardan iyon yükü daha büyük olanın, iyon yarıçapı daha küçük olur. İzoelektronik anyonlar arasında ise iyon yükü arttıkça yarıçap artmaktadır. S 2- ile Cl - iyonlarının yarıçaplarını karşılaştırırsak 16 S 2- > 17 Cl - olur. Dolayısıyla izoelektronik anyonlarda iyon yükü büyük olanın iyon yarıçapı da büyük olur. Çekirdekle dış katmanlarda bulunan elektronlar arasındaki çekim kuvveti ne kadar büyük olursa atom yarıçapı da o kadar küçük olur. Örneğin 3. periyot elementlerinden sodyum atomunun dış katman elektronu 11 protonla çekilirken, argon atomunun dış katman elektronları 18 proton ile çekilir. Aynı periyotta soldan sağa doğru element atomlarının çekirdek yükü arttıkça yarıçapı azalır. Periyodik sistemin aynı grubunda yukarıdan aşağıya doğru çekirdek yükü artar. Dış katman elektronları, çekirdekten daha uzakta bulunur. Böylece atomun çekirdeğinin elektronu çekme gücü zayıflar, atom yarıçapı artar. Örnek Periyodik sistemi kullanarak aşağıda verilen atomların yarıçaplarını büyükten küçüğe doğru sıralayınız. K, Ca, Br Çözüm: Her üç elementte periyodik sistemin aynı periyodunda yer alır. Aynı periyotta atom numarası arttıkça atom yarıçapı küçülür. Atom yarıçaplarının sıralaması 19 K > 20 Ca > 35 Br şeklinde olur. 98

99 2. Ünite Periyodik Sistem Tablo Bazı elementlerin atom ve iyon yarıçaplarının gruplarda ve periyotlarda değişimi (Tabloda renkli bölgeler atom yarıçaplarını, kesikli çizgiler iyon yarıçaplarını göstermektedir. Birimler o A cinsinden verilmiştir.) 1A GRUPLAR 1 H: 0,31 2A 3A 4A 5A 6A 7A 2 N: 0,74 Li: 1,52 Li + : 0,68 Be: 1,11 Be 2+ : 0,31 B: 0,79 B 3+ : 0,20 C: 0,77 C 4+ : 0,15 N 5+ : 0,11 N 3- : 1,71 O: 0,73 O 2- : 1,40 F: 0,709 F - : 1,36 3 P: 1,10 PERİYOTLAR 4 Na: 1,86 Na + : 0,95 Mg: 1,60 Mg 2+ : 0,65 Al: 1,43 Al 3+ : 0,50 Si: 1,17 Si 4+ : 0,41 P 5+ : 0,34 P 3- : 2,12 As: 1,15 S: 1,02 S 2- : 1,84 Cl: 0,99 Cl - : 1,81 K: 2,27 K + : 1,33 Ca: 1,97 Ca 2+ : 0,99 Ga: 1,22 Ga 3+ : 0,62 Ge: 1,22 Ga 4+ : 0,53 As 5+ : 0,47 As 3- : 2,22 Se: 1,16 Se 2- : 1,98 Br: 1,14 Br - : 1,95 5 Sb:1,41 Rb: 2,48 Rb + : 1,48 Sr: 2,15 Sr 2+ : 1,13 In: 1,62 In 3+ : 0,81 Sn: 1,41 Sn 4+ : 0,71 Sb 5+ : 0,62 Sb 3- : 2,45 Te: 1,3 Te 2- : 2,21 I: 1,33 I - : 2,16 6 Cs: 2,65 Cs + : 1,69 Periyodik sistemde aynı periyotta atom yarıçapları soldan sağa gidildikçe küçülür. Aynı grupta yukarıdan aşağıya gidildikçe de büyür. Biliyor musunuz? Dayanıklı Cam Ba: 2,17 Ba 2+ : 1,35 Tl:1,71 Tl 3+ : 0,95 Pb: 1,75 Pb 4+ : 0,84 Bi: 1,55 Bi 5+ : 0,74 Po: 1,4 At: 1,4 Günlük hayatta kullandığımız maddeler üretilirken kullanım kolaylığı, dayanıklılık gibi özellikler göz önünde bulundurulur. Maddelerde atom ve iyonların farklı yarıçapa sahip oluşları bu maddelerin farklı fiziksel özellikler göstermesine neden olur. Örneğin, pencere camı Na + ve Ca 2+ iyonları içerir. Bu cam dayanıksızdır, çabuk kırılır. Dayanıklı cam oluşturulurken cam yüzeyindeki Na + iyonları K + iyonları ile değiştirilir. K + iyonları daha büyük olduğu için yüzeydeki boşlukları doldurarak kırılmaya karşı camı daha dirençli hâle getirir. 99

100 10. Sınıf Kimya Resim Bakır tel Esnek çarpışma F Na Na V Bu elektronlar enerji kaybetmez. - + Bu elektronlar enerji kaybeder. F Esnek olmayan çarpışma Na V Na - + (a) Şekil Sodyumun iyonlaşma enerjisinin ölçülmesi Araştırma e - e - Elek P I (b) Elek e - e - Sodyumun son enerji katmanındaki elektron Filaman tarafından gönderilen elektronlar İyonlaşma enerjisi ölçülürken neden atomun gaz hâlde olması gerekir? P I İyonlaşma Enerjisi Bakır tel elektrik iletiminde en çok kullanılan maddelerden biridir. Bakır telin elektriği iletmek amacıyla diğer metallerden daha fazla kullanılmasının nedeni ne olabilir? Elektrik akımı, elektronların hareketinden kaynaklanır. O hâlde, bakır metalinin iyi iletken olması atom çekirdeklerinin değerlik elektronlarına zayıf kuvvet uygulamasıdır. Bunun sonucunda elektronlar, boş değerlik orbitallerinde rahatlıkla hareket eder ve iletkenlik sağlanmış olur. Metal atomu çekirdeğinin elektronlara zayıf kuvvet uygulaması elektronların az bir enerjiyle atomdan uzaklaştırabileceğini yani, iyon hâline geçebileceğini gösterir. Gaz hâlde bulunan nötr bir atomdan, bir elektronun uzaklaştırılması için gereken enerjiye iyonlaşma enerjisi denir. İyonlaşma enerjilerinin temeli enerjisini bilinen elektronların element atomlarına çarparak elektron koparması ve element gazının iletken hâle geldiği noktada iyonlaşmanın gerçekleşmesi ile açıklanabilir ( Şekil ) Atomun iyonlaşma enerjisi gaz boşaltım tüplerine doldurulmuş gaz hâldeki elementin iyonlaştırılmasıyla hesaplanır. İyonlaşma enerjisinin ölçümünde kullanılan aygıt, katot tüpüne benzer bir yapıdadır. Katot olarak elektron yayan ısıtılmış bir filaman (F) ve anot olarak bir metal plaka (P) kullanılır. Elek şeklindeki levha ise düşük enerjili elektronları yakalamaya yarar. Tüpe düşük basınçta iyonlaşma enerjisi ölçülmek istenen element, gaz hâlinde doldurulur. Tüpe sodyum (Na) koyduğumuzu kabul edelim. Voltaj verildiğinde filamandan kopan elektronlar, eleğe doğru hızlanarak yol alırlar. Bu elektronlar sodyum atomunun en dış enerji katmanındaki bir elektronu koparmak için metal enerjiye sahip değildir. Ayrıca, atomlarla çarpışmaları esnek olduğundan enerji kaybına uğramazlar. Yeterli enerjiye sahip olanlar eleği geçerek metal plakaya (anota) ulaşırlar. Bu esnada devreden akım geçmeye başlar (Şekil a). Voltaj (V) yavaş yavaş artırıldığında devreden geçen akım artar (Şekil b). Voltajın artırılmasıyla filamandan kopan elektronların kinetik enerjisi de artar. Böylece elektronlar sodyum atomundan bir elektronu koparabilecek enerjiye sahip olur. Atomdan elektron kopması sırasında elektron, enerjisinin bir kısmını kopardığı elektrona aktarır. Böylece enerjileri düşen elektronlar elekten geçemezler. Sonuç olarak anota ulaşan elektron sayısının azalması akımda ani ve büyük bir azalmaya neden olur. Filamandan kopan elektronların enerjisi (ev), dış devreden geçen akımda meydana gelen ani değişme anındaki voltaj değerinden hesaplanabilir. Bu enerji atomun iyonlaşma enerjisine eşittir. 1 mol atomun iyonlaşma enerjisini bulmak için; İE = e V NA bağıntısı kullanılır. Gaz hâlindeki nötr bir atomdan bir elektron uzaklaştırmak için gerekli enerji birinci iyonlaşma enerjisidir (İE 1 ). Örneğin bakır için 1. iyonlaşma enerjisi; Cu (g) Cu + (g) + e- İE 1 = 745,1 kj mol -1 olur. +1 yüklü iyondan ikinci elektronu uzaklaştırmak için gerekli enerji miktarı ikinci iyonlaşma enerjisidir (İE 2 ). 100

101 2. Ünite Periyodik Sistem Örneğin Cu için ikinci iyonlaşma enerjisi; Cu + (g) Cu2+ (g) + e- İE 2 = 1955 kj mol -1 dir. Daha sonraki iyonlaşma enerjileri İE 3, İE... şeklinde gösterilir. 4 Bir sonraki iyonlaşma enerjisi her zaman için bir önceki iyonlaşma enerjisinden daha büyüktür. Yani, İE n...> İE 4 > İE 3 > İE 2 > İE 1 dir. Örneğin, bir elektron vererek iyonlaşan gaz hâldeki bir iyondan tekrar bir elektron koparmak daha zordur. Bunun nedeni de çekirdek tarafından elektrona uygulanan çekim kuvvetinin artmasıdır. Dolayısıyla ikinci elektronu koparmak için gereken enerji bir öncekinden daha büyük olacaktır. Tablo ve 3. periyot elementlerinin birinci, ikinci ve üçüncü iyonlaşma enerjileri (İE kj mol -1 olarak verilmiştir.) e - Z Element Birinci İkinci Üçüncü 1 H He Li Be B C N O F Ne Na 495, Mg 738, Al 577, Si 786, P S 999, Cl Ar K 418, Ca 589, Nötr atom + Katyon e - Şekil Nötr bir atomdan bir elektron uzaklaştırmak için çekirdeğin çekiminden elektronu uzaklaştıracak kadar enerji verilmelidir. Bir katyondan ikinci elektronu uzaklaştırmak için daha fazla enerji gerekir (Enerjinin bağıl büyüklüğü oklarla gösterilmiştir.). Tablo de verilen elementlerin birinci, ikinci ve üçüncü iyonlaşma enerjileri incelendiğinde 1A grubunda bulunan Li, Na ve K elementlerinin birinci iyonlaşma enerjisi ile ikinci iyonlaşma enerjisi arasındaki artış miktarının beklenenden fazla olduğu görülür. Bu artış elementlerin elektron dizilimi ile ilişkilendirilebilir. Na: 11 1s2 2s 2 2p 6 3s 1 Na atomundan bir elektron uzaklaştırıldığında Na 1+ nın elektron 101

102 10. Sınıf Kimya dizilimi soy gaz elektron dizilimine benzer. Na 1+ dan 1 elektron uzaklaştırılması soy gaz elektron dizilimini bozar. Bu nedenle ikinci elektronun uzaklaştırılması için gereken enerji beklenenden fazla olur. Benzer durum 2A grubu elementlerinde ikinci ve üçüncü iyonlaşma enerjileri arasında da görülür. Periyodik sistemde diğer gruplardaki iyonlaşma enerjileri arasındaki yüksek ve ani artışın nerelerde olması gerektiğini tartışınız. İyonlaşma enerjisini, atom yarıçapı, çekirdek yükü, iç katman elektronlarının çekirdeğin çekim gücünü azaltması ve uzaklaştırılan elektronların bulunduğu orbital türü (s, p, d, f) gibi faktörler de etkiler. Bu faktörler genellikle birbiriyle ilişkilidir. Atom yarıçapı küçük bir atomdaki değerlik elektronları, çekirdek tarafından daha güçlü çekildiği için atom yarıçapı büyük olan bir atomdaki değerlik elektronlarına göre daha sıkı tutunur. Dolayısıyla atom yarıçapı ne kadar küçükse iyonlaşma enerjisi de o kadar büyüktür. Periyodik sistemin birinci grubunu oluşturan alkali metaller en düşük iyonlaşma enerjisine sahip iken soy gazlar en yüksek iyonlaşma enerjisine sahiptir. Periyodik sistemin aynı periyodunda alkali metallerden soy gazlara gidildikçe bazı düzensizlikler olmasına rağmen iyonlaşma enerjisi genellikle artar. Bu düzensizliklerden biri 2A grubu ile 3A grubu arasındadır. 3A grubu elementlerinin birinci iyonlaşma enerjisi, 2A grubu elementlerinin birinci iyonlaşma enerjisinden küçüktür. Bu durumu 2A grubu elementlerinden Be ve 3A grubu elementlerinden B atomlarında açıklayalım. 4 Be : 1s2 2s 2 dolu orbital (kararlı) 5 B : 1s2 2s 2 2p 1 yarı dolu orbital (yarı kararlı) Bor atomunun yarı dolu olan p orbitalinden elektron koparmak, berilyum atomunun tam dolu olan s orbitalinden elektron koparmaktan daha kolaydır. Çünkü bor atomunun p orbitalindeki elektronunun enerjisi berilyum atomunun 2s orbitalindeki bir elektronunun enerjisinden daha fazladır. Bor atomunun p orbitalindeki elektronunu vermesi için daha az enerji gerekir. Bu nedenle 3A grubundaki elementlerin iyonlaşma enerjileri 2A grubundaki elementlerden daha küçüktür. Aynı durum 5A grubu ile 6A grubu arasında da görülür. Bunu N ve O atomunun elektron dizilimini yazarak açıklayalım. 7 N : 1s2 2s 2 2p 3 O : 8 1s2 2s 2 2p 4 102

103 2. Ünite Periyodik Sistem 5A grubunda bulunan N atomunun elektronları Hund kuralına göre üç ayrı orbitaldedir. 6A grubunda bulunan oksijen atomunun ise fazladan p orbitalinde 1 elektronu daha olup kararsız durumdadır. Oksijen atomu p orbitalinde fazla olan elektronunu verdiğinde yarı kararlı hâle ulaşır. Bu nedenle 6A grubunun iyonlaşma enerjileri 5A grubundan daha küçüktür. O hâlde periyodik sistemin aynı periyodunda iyonlaşma enerjisi değişimi, 1A < 3A < 2A < 4A < 6A < 5A < 7A < 8A şeklindedir. 1. İyonlaşma Enerjisi (kj mol -1 ) He Ne F Ar N Cl H Be O P C Mg S B Si 1.periyot 2. periyot 3. periyot 4. periyot Li Na Al K Ca Atom numarası (Z) Grafik Atom numarası 20 ye kadar olan elementlerin 1. iyonlaşma enerijileri İyonlaşma olayında önce enerjisi en yüksek olan elektron koparılır. Çünkü bu elektronu koparmak için gereken enerji en küçüktür. Bir elektronu uzaklaştırmak için verilecek enerji, elektronun çekirdekten olan uzaklığına bağlıdır. Bu nedenle aynı grupta yukarıdan aşağıya doğru inildikçe atom yarıçapı arttığı için iyonlaşma enerjisi azalacaktır. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıdaki elementleri birinci iyonlaşma enerjilerine göre küçükten büyüğe doğru sıralayınız. 11 Na, 13 Al, 14 Si, 17 Cl, 18 Ar Örnek Periyodik sistemin 3. periyodundaki bazı elementlerin elektron dizilişleri, ilk dört iyonlaşma enerjileri ve değerlik elektron sayıları aşağıdaki tabloda verilmiştir. Element Elektron dizilişi İE 1 İE 2 İE 3 İE 4 elektron sayısı Değerlik Na s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p Al Elementlerin iyonlaşma enerjilerindeki ani artışların hangi iyonlaşma enerjileri arasında olduğunu belirleyerek nedenini açıklayınız. Çözüm: Na elementi için ani artış birinci iyonlaşma enerjisinden sonradır. İE 1 ile İE 2 arasındaki enerji farkı dokuz kattır. Diğer iyonlaşma enerjileri arasında bu kadar fark yoktur. İE 1 ile İE 2 arasındaki farkın nedeni en dış enerji düzeyindeki bir tane elektronun çekirdek tarafından 103

104 10. Sınıf Kimya Araştırma Periyodik sistemin 13.grupta (3A) bulunan alüminyum ve galyum elementlerinin yaklaşık olarak eşit iyonlaşma enerjisine sahip olmasının nedenini araştırınız. zayıf olarak çekilmesidir. Kolay koparılan elektronlar değerlik elektronlarıdır. Bu nedenle değerlik elektronunu koparmak için daha az enerji gerekir. İyonlaşma enerjisindeki ani artışın sebebi ikinci elektronun artık kararlı hâle gelmiş olan Na + ndan uzaklaştırılmasıdır. Na + nun son enerji düzeyi Na a göre bir alt enerji düzeyindedir. Alt enerji düzeyine geçildiğinde, çekirdeğin elektronu çekim gücü artacağından elektronu koparmak için daha fazla enerji vermek gerekir. Benzer durum magnezyumda İE 2 ile İE 3 alüminyumda ise İE 3 ile İE 4 arasındadır. Çünkü magnezyumun değerlik elektron sayısı 2, alüminyumun ise 3 tür. Bir atomun değerlik elektron sayısı aynı zamanda grup numarasını verdiği için iyonlaşma enerjisindeki ani artıştan grubunu da belirleyebiliriz (Bu durum A grubu elementleri için geçerlidir.). Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıda K, Ca, Mg, Na elementlerinin ilk üç iyonlaşma enerjileri verilmiştir. İyonlaşma enerjileri verilen elementler için; Element İE 1 İE 2 İE 3 K Ca Mg Na a. Değerlik elektron sayılarını bulunuz. b. Grup numaralarını belirleyiniz. c. Hangi elementlerin kimyasal özelliklerinin birbirine benzediğini belirtiniz Elektron İlgisi Elementlerin özelliklerini etkileyen faktörlerden biri de elektron alma yetenekleridir. Periyodik sistemde aynı periyotta soldan sağa doğru gidildikçe elementlerin çekirdek yükü artarken atom yarıçapı azalır. Atom yarıçapı azaldığı için atomun elektron çekme gücü de artar. Örneğin 7A grubunda bulunan flor ve klor element atomlarının yarıçapı 1A grubunda aynı periyotlarda yer alan Li ve Na element atomlarından daha küçüktür. Bunun sonucunda F ve Cl un elektron alma isteği daha fazladır. F ve Cl gibi periyodik sistemin 7A grubunda bulunan elementlerin dış katman p orbitallerinde 5e - bulunur. 1e - aldıklarında asal gaz elektron dizilimine benzeyecekleri için elektron ilgileri büyüktür. Bu tür atomlar elektron almak için enerjiye ihtiyaç duymadıkları gibi elektron aldıklarında da enerji açığa çıkarırlar. Atoma yaklaşan elektron atoma ait elektron bulutu tarafından itilirken çekirdek tarafından çekilir. Çekme itmeden büyük olursa enerji açığa çıkar. Elektron ilgisi, gaz hâldeki bir atomun bir elektron alması sırasında oluşan enerji değişimidir. F (g) + e - F - + Enerji Eİ = -333 kj mol-1 (g) Elektron ilgisi pozitif veya negatif olabilir. Örneğin, F atomunun elektron ilgisi negatifken N atomunun elektron ilgisi pozitiftir (Tablo 2.2.3). 104

105 2. Ünite Periyodik Sistem Tablo Periyodik sistemde bazı elementlerin elektron ilgileri (kj mol -1 ) 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A H He Li Be B C N O F Ne ~ Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn * Pembe renk, element sembollerini, mavi renk elementlerin elektron ilgilerini göstermektedir. Periyodik sistemde 7A grubu elementleri en büyük elektron ilgisine sahip iken asal gazların elektron ilgileri çok küçüktür. Periyodik sistemde aynı grupta yukarıdan aşağıya doğru inildikçe atom yarıçapı artar, elektron ilgisi azalır Elektronegatiflik (EN) HF molekülü oluşurken hidrojen ve flor atomları birer elektronlarını ortaklaşa kullanır. Ortaklaşa kullanılan bu elektronlar hangi atoma daha yakın olabilirler? Hidrojenin elektron ilgisi 73 kj mol -1, florun elektron ilgisi 333 kj mol -1 dir. Hidrojenin iyonlaşma enerjisi 1312 kj mol -1, florun iyonlaşma enerjisi 1681 kj mol -1 dir. Bu değerler de bize gösteriyor ki flor atomunun elektrona karşı ilgisi hidrojenden daha fazladır. O hâlde HF molekülünde ortak kullanılan elektronlar flor atomuna daha yakın olmalıdır. Elektronegatiflik, bir atomun kimyasal bağdaki elektronları kendine doğru çekme yeteneğinin bir ölçüsüdür. Elektronegatiflikte, iyonlaşma enerjisi ve elektron ilgisinde olduğu gibi enerji alınıp verilmez. Elektronegatiflik bağdaki atomların birbirine göre elektronları çekme eğiliminin bağıl büyüklüğünü gösteren bir sayıdır. Elektronegatiflik değeri doğrudan ölçülemediğinden bu değerin belirlenmesi için çeşitli yaklaşımlar öne sürülmüştür. Bunlardan önemlileri; 1932 yılında Pauling (Paulink) ve 1934 yılında Mulliken (Muliken) in öne sürdüğü yaklaşımlardır. Bütün bu yaklaşımlar dikkate alındığında elektronegatifliğin kimyada bir çok uygulaması olduğu görülür. Bunların başında bağ enerjilerinin irdelenmesi, bağ ve molekül polarlığının öngörülmesi, elementlerin katıldığı tepkime türlerinin açıklanması gibi uygulama alanları gelir. Elekronegatifliği bağ enerjileri ile ilişkilendiren bilim insanı Pauling dir. Pauling, elektronegatifliği farklı olan atomların yaptığı bağların daha sağlam olduğunu gözlemiştir. O hâlde bağın sağlamlığını etkileyen faktörlerden bir tanesi atomların bağ enerjisi; diğeri ise atomların birbirini H F Şekil HF molekülünde elektron yoğunluğu dağılımı (Noktalar çekirdeklerin pozisyonunu göstermektedir.) 105

106 10. Sınıf Kimya çekme gücüdür. Pauling, bağ enerjisini (B) elementlerin elektronegatifliklerini veya farklarını ölçmek için kullanmıştır. Örneğin; HF molekülündeki hidrojen atomunun elektronegatifliğini aşağıdaki formülle hesaplamıştır. EN F - EN H = 0,1017 B H-F - B F-F + B H-H 2 Formülde öncelikle H-H, F-F ve H-F moleküllerinin ortalama bağ enerjileri ve F atomunun elektronegatiflik (EN F ) değerini bilmemiz gerekir. Araştırma Elektron ilgisi ile elektronegatiflik arasındaki farkları araştırınız. B H-H = 436 kj mol -1 B F-F = 159 kj mol -1 B H-F = 565 kj mol -1 EN F = 4 F atomu için elektronegatiflik değeri 4,0 olarak kabul edilmiştir. Çünkü elektronegatifliği en yüksek olan flor atomudur. Bu atomun elektronegatiflik değeri Tablo te gösterilmiştir. Formüldeki 0,1017 katsayısı enerjileri kj birimine çevirmek için kullanılmıştır. Çünkü bu formül ilk önce elektron volt cinsinden düzenlenmişti. Yukarıda verilen değerler formülde yerine yerleştirildiğinde H atomunun elektronegatiflik değeri; 4- EN H = 0, EN H = 2,3 olarak bulunur k [İE + Eİ] EN = 2 k = sabit İE = İyonlaşma Enerjisi Eİ = Elektron İlgisi Bu değer, Pauling yöntemi ile hesaplanmış yaklaşık değerdir. Ayrıca bu yöntemle bağ yapan iki atom arasındaki elektronegatiflik farklı büyük ise bağ iyonik karakterli; fark küçük ise kovalent karakterlidir. Elektronegatiflik elektron ilgisi ve iyonlaşma enerjisi ile de ilgilidir. Bir atom yüksek elektron ilgisi (elektronları kolaylıkla alma eğilimi) ve yüksek iyonlaşma enerjisine (elektronları zor verme eğilimi) sahipse, bir bileşik oluşurken elektron kazanır. Hem iyonlaşma enerjisi hem de elektron ilgisi düşükse, bu atom elektron kazanma yerine elektron kaybetme eğilimi gösterir. Bu bilgiler doğrultusunda elektronegatifliği iyonlaşma enerjisi ve elektron ilgisinin aritmetik ortalaması şeklinde düşünebiliriz ve yandaki formülle gösterebiliriz. Periyotlarda soldan sağa doğru iyonlaşma enerjisi ve elektron ilgisi arttığı için elektronegatiflik de artar. Gruplarda ise yukarıdan aşağıya doğru iyonlaşma enerjisi ve elektron ilgisi azaldığından elektronegatiflik de azalır. Elektronegatiflikleri en yüksek olan elementler periyodik sistemin sağ üst köşesinde bulunan halojenler, oksijen, azot ve kükürttür. Elektronegatiflikleri en düşük elementler ise periyodik sistemin sol alt köşesinde bulunur. 106

107 2. Ünite Periyodik Sistem Tablo Pauling e göre periyodik sistemde elementlerin elektronegatiflikleri Elektronegatiflik değerleri farklı renklerle gösterilmiştir Periyodik Sistemde Metalik ve Ametalik Özelliklerin Değişimi Elementlerin metalik ve ametalik özellikleri grup ve periyotta değişkenlik gösterir. Atomların elektron dizilişlerine göre elementleri metal, ametal ve yarı metal olarak da sınıflandırabiliriz. Metal elementlerin az sayıda değerlik elektronları vardır. Asal gaz elektron dizilişine sahip olmak için az bir enerji ile elektronlarını kolayca kaybedebilirler. Ametal elementler ise az sayıda elektron alarak asal gaz elektron dizilişine sahip olurlar. Metalik ve ametalik özelliklerin değişimini, 3. periyot ve 4A grubu elementlerinde görebiliriz (Tablo 2.2.5). Elektron verme eğilimi iyonlaşma enerjisiyle ilişkilidir. 3. periyot elementlerinin iyonlaşma enerjileri (birkaç istisna hariç) ve değerlik elektron sayıları periyot boyunca soldan sağa doğru artmaktadır. Bu durumda elementlerde elektron verme eğilimi zorlaşacağından elektron alma eğilimi (elektron ilgisi) başlar. Düşük iyonlaşma enerjisine sahip olan Na, Mg ve Al elementleri metalik karakter kazanırken Si yarı metal; P, S, Cl ise ametalik karakter kazanır. Tablo periyot elementlerinin fiziksel özellikleri 3.Periyot Elementlerinden Bazıları Fiziksel Özellikler Na Mg Al Si P S Cl Erime noktası ( o C) Mineral sertliği 0,5 2,5 2,75 6,5 _ 2,6 _ 300 K deki ısı iletkenliği (W cm -1 K -1 ) 1,4 1, ,48 2,3x10-3 2,7x10-3 8,9x10-5 Aynı grup içerisindeki elementlerin değerlik elektron sayıları aynı kalırken baş kuantum sayıları n artar. Dolayısıyla değerlik elektronları çekirdekten uzaklaşır ve çekirdeğin çekim kuvvetinin etkisi zayıflar. Elementler az bir enerjiyle kolay elektron kaybederler. Elementlerin grupta yukarıdan aşağıya doğru elektron alma eğilimleri (elektron ilgisi) azalırken elektron 107

108 10. Sınıf Kimya Öğrendiklerimizi Uygulayalım vermeleri daha kolaylaşır. Bu durum 4A grubu elementlerinde çok belirgin bir şekilde görülür. İyonlaşma enerjisi en yüksek olan C bir ametal, Si ve Ge yarı metal, Sn ve Pb ise metaldir. İyonlaşma enerjisi ve elektron ilgisi grupta aşağıya doğru azalırken elementlerin metalik karakteri artar, ametalik karakteri azalır Yandaki şekilde verilen kırmızı oklar aynı periyot ve grupta artmayı, sarı oklar aynı periyot ve grupta azalmayı göstermektedir. Aşağıda verilen periyodik sistemde aynı grup ve aynı periyottaki değişimi gösterecek şekilde boş bırakılan kutulara okların üzerindeki uygun olan sayıları yazınız (Not: Aynı sayıyı birden fazla özellik için kullanabilirsiniz.). Atom yarıçapı Elektron ilgisi Ametal özelliği İyonlaşma enerjisi Asidik özellik Bazik özellik Metal özelliği Periyodik Sistemde Elementlerin Asitlik Bazlık Özelliklerinin Değişimi Periyodik sistemde elementlerin asitlik bazlık özelliklerinin değişimini, elementlerin hidroksit bileşikleri üzerinden inceleyebiliriz. Bazı metal oksitler, suyla tepkimeye girerek metal hidroksitler oluşturur. Örneğin sodyum oksit aşağıdaki tepkimede görüldüğü gibi su ile sodyum hidroksit bileşiğini oluşturur. Na 2 O (k) + H 2 O (s) 2NaOH (suda) Oluşan metal hidroksit bileşikleri sulu ortamda OH - iyonu verir. Oluşturdukları çözeltiler de baziktir. NaOH (suda) Na + (suda) + OH- (suda) (Bazik Çözelti) Resim Sodyum hidroksit 2A grubu Be Amfoter Mg Aynı gruptaki elementlerin hidroksit bileşiklerinde, yukarıdan aşağı doğru inildikçe bazlık kuvveti artar. Çünkü, hidroksit bileşiklerinde hidroksit iyonunun bağlı olduğu atomun (merkez atom) elektronegatifliği azalmakta, yarıçapı artmaktadır. Bu durumda merkez atom O-H bağındaki elektronları zayıf bir şekilde çektiğinden O-H bağı yapısını korur ve elementlerin bazlık kuvveti de artar. 2A grubu elementlerinin çoğu bazik oksitler oluşturan aktif metallerdir. Genel olarak metal oksitleri sulu çözeltilerinde bazik özellik gösterir. BeO (k) + H 2 O (s) Be(OH) 2(suda) (Amfoter) Ca Sr Ba Bazlık kuvveti artar. MgO (k) + H 2 O (s) Mg(OH) 2(suda) (Bazik) CaO (k) + H 2 O (s) Ca(OH) 2(suda) (Bazik) SrO (k) + H 2 O (s) Sr(OH) 2(suda) (Bazik) BaO (k) + H 2 O (s) Ba(OH) 2(suda) (Bazik) 108

109 2. Ünite Periyodik Sistem 3. periyot elementlerinin oksitleri incelendiğinde bazik özellikten asidik özelliğe doğru geçiş olduğu görülür. Bu geçiş periyot boyunca hangi elementler arasında ve nasıl gerçekleşir? Na 2 O ve MgO suda çözündüğünde oluşturdukları metal hidroksitler [NaOH, Mg(OH) 2 ] ve çözeltileri bazik özellik taşır. NaOH kuvvetli bir baz iken Mg(OH) 2 zayıf bir bazdır. Fakat Al 2 O 3 hem asit hem de baz özelliği gösterir. Bu tür özelliği olan oksitlere amfoter oksitler denir. Al un bu özelliğinin sebebi 3. periyottaki metaller arasında atom yarıçapı en küçük metal olmasıdır. Al 2 O 3 bileşiğinin amfoter oluşu 3. periyotta elementlerin soldan sağa bazik özelliklerinin asidik özelliğe doğru geçişlerini gösterir. SiO 2 bir asidik oksit olarak kabul edilir. 3. periyot elementlerinden bazılarının hidroksit [P(OH) 5, S(OH) 6, Cl(OH) 7 ] bileşikleri asitlik özelliği gösterir. Çünkü, hidroksit iyonunun bağlı olduğu merkez atomun elektronegatifliği periyodik sistemde soldan sağa doğru arttığından yarıçap küçülmektedir. Merkez atom, O-H bağındaki elektronları daha kuvvetli çekeceğinden bağ zayıflar, bileşik kolaylıkla H + iyonu verebilir. Resim Magnezyum hidroksit Na Mg Al Si P S Cl Bazlık kuvveti artar. Amfoter Asitlik kuvveti artar. Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi aynı periyotta soldan sağa doğru gidildikçe elementlerin hidroksit bileşiğinin bazlık özelliği azalır, asitlik özelliği artar. Resim Alüminyum hidroksit minerali Periyodik sistemde aşağıda verilen özellikler gösterilen ok yönünde değişmektedir. Değerlik elektron sayısı artar. Atom numarası artar. Atom çapı küçülür. İyonlaşma enerjisi artar. Metalik özellik azalır. Ametalik özellik artar. Elektron ilgisi artar. Atom kütlesi artar Değerlik elektron sayısı değişmez. Atom numarası artar. Atom çapı artar. İyonlaşma enerjisi azalır. Metalik özellik artar. Ametalik özellik azalır. Elektron ilgisi azalır. Atom kütlesi artar. Periyotlar 2 Alkali Metaller Toprak Alkali Metaller 3 Gruplar Geçiş Metalleri Halojenler Soy gazlar Lantanitler Aktinitler 109

110 10. Sınıf Kimya Haber Köşesi Okuma Metni d ve f Blok Elementleri Periyodik sistemin s ve p blokları arasında bulunan periyodik sistemin büyük bir bölümünü oluşturan elementlere d-blok elementleri denir. Bu elementler aynı zamanda geçiş elementleri veya geçiş metalleri olarak da adlandrılır. d-bloku elementlerinin değişik yükseltgenme basamaklarına sahip olması onların karakteristik özellikleridir. d-blok elementleri bileşik oluşturuken önce s değerlik orbitallerindeki elektronlarını, daha sonra d orbitallerindeki elektronlarını kaybederler. d-orbitallerindeki elektronları farklı sayıda verdikleri için farklı yükseltgenme basamaklarına sahip olurlar. Örneğin; kromun bileşiklerdeki değerliği genellikle +2, +3 veya +6 dır. Geçiş metallerin çoğu iyi elektriksel iletkendir. Parlaktırlar. Dövülerek işlenebilirler. Geçiş elementlerinden aynı grupta bulunan elementler farklı özellikler gösterebilirler. Örneğin; 2B grubunda bulunan Zn oda koşullarında katı; Hg ise sıvıdır. Zn, yüksek erime ve kaynama noktasına sahip iken; Hg nin erime ve kaynama noktası daha düşüktür. Geçiş elementleri geniş kullanım alanlarına sahiptir. Altın ve gümüş kuyumculukta; bakır, elektrik kablolarında; tungsten akkor ampullerin içindeki tellerde; titan uzay araçları yapımında; varadyum petrokimya endüstrisinde; geçiş metallerinin bileşikleri boyar madde yapımında, güneş ışığının elektriğe dönüştürülmesinde ve kanser tedavilerinde kullanılmaktadır. Periyodik sistemin f blok elementlerine iç geçiş elementleri denir. 6. periyottaki iç geçiş elementlerine lantanitler; 7.periyottaki iç geçiş elementlerine aktanitler denir. Kimyasal özellikler dış katmandaki elektronlara bağlıdır. Lantanitler aktif metal, aktinitler ise radyoaktif metaldir. Amerikalı bilim insanlarının Mars yüzeyinde karbonat keşfetmeleri, Kızıl Gezegen de geçmişte bulunduğu tahmin edilen suyun pek de asitli olmadığını ve yaşamın ortaya çıkmasına elverişli bir ortam sağladığını düşündürüyor. Science (Sayns) dergisinde yayımlanan makaleye göre Amerikan Havacılık ve Uzay Kurumunun (NASA) Mars ın yörüngesinde bilimsel çalışmalarını sürdüren bilim insanı, spektrometresi sayesinde yaptığı keşif ile bu gezegenin sularının, 3,6 milyar yıldan fazla zaman önce mineraller oluşmaya başladığında nötr bir ph ı bulunduğunu gösteriyor. Karbonat, dünya yüzeyinde bolca bulunan ve asitte çabucak çözünen bir mineral. Bilim adamları, Mars yüzeyinde karbonatın varlığının, Kızıl Gezegen in tarihinde asitli bir çevrenin egemen olduğu yönündeki yaygın teoriye ters düştüğüne işaret ediyor. Bu çalışmaya katılan bilim insanları, Mars ta karbonatın bulunmasının tersine, değişik tipte nemli çevreler bulunduğuna işaret ettiğini ve bu çevrelerin çeşitliliği arttıkça yaşamın oluşması şansının da arttığını belirtiyorlar Anadolu Ajansı Biliyor musunuz? Fosfor yaşamsal bir elementtir. İnsan vücudunun sadece %1 ini oluşturmasına karşın bu oran çok önemlidir. İnsan iskeletinin % 23 ü minerallerden oluşur. Kalsiyum fosfat Ca 3 (PO 4 ) 2 bu mineral yapının % 20 sini kapsar. Fosfor kemik ve diş oluşumu ile gelişimde etkilidir. Kas ve sinir hareketleri için gereklidir. DNA ve RNA nın sentezinde rol alır. 110

111 2. Ünite Periyodik Sistem Okuma Metni Element Kütüğü Bir zamanlar ilginç bir adam yıldızlardan, onların yapılarından ve niçin ışık yaydıklarından söz ederken Bütün hepsini anlayabiliyorum! Ama asıl bilmek istediğim gök bilimcilerin çeşitli yıldızların isimlerini nasıl keşfettiği? demiş... Yıldızlara ilişkin kataloglarda yüz binlerce gök cismi yer alır. Ama tüm yıldızlara Betelgeuse ve Sirus gibi sevimli isimler yakıştırıldığını sanmayın. Gök bilimciler yıldızları harf ve şekillerden oluşan bir tür kodlamayla belirlemeyi yeğ tutarlar. Eğer böyle yapmasalardı büyük bir kargaşa olurdu. Uzman kişi, koduna göre bir yıldızın yerini kolaylıkla anlar ve onu tayfına göre sınıflandırabilir. Kimyasal elementlerin sayısı yıldızlarla karşılaştırılamayacak kadar azdır. Ama isimlerin ardında, bulunuşlarına ilişkin heyecan verici öyküler gizlidir. Kimyacılar, yeni bir element bulduklarında yeni doğan elemente isim bulmakta çoğunlukla güçlük çekerler. En azından elementin özelliklerini kısmen vurgulayan bir isim düşünmek çok önemlidir. Beğenseniz de beğenmeseniz de bunlar iş isimleridir. Romantik olduklarını söylemek oldukça güçtür. Örneğin, hidrojen Yunanca su üreten ; oksijen asit yapan ve fosfor ışık veren anlamına gelir. Bu isimler elementlerin önemli özelliklerini anımsatır. Bazı elementlere güneş gezegenlerinin ismi verilmiştir. Selenyum Yunanca Ay, tellür yeryüzü anlamındadır. Uranyum, neptünyum ve plütonyum da bu tür isimlerdendir. Diğer isimler mitolojiden alınmıştır. Bunlardan biri tantaldır. Zeus un en değerli oğlu Tantalus tanrılara karşı geldiği için insafsızca cezalandırılmıştı. Boynuna kadar suyun içinde ayakta tutulmuş ve başının üstüne lezzetli mevyaları olan dallar asılmıştı. Ama ne zaman susuzluğunu gidermek istese su kendisinden uzağa akıyor ve ne zaman açlığını yatıştırmak için bir meyvaya uzansa dallar uzaklaşıyordu. Filizinden tantalum elementini ayırmayı başarana kadar kimyacıların çektikleri sıkıntılar yalnızca Zeus un oğlunun çektiği sıkıntılarla karşılaştırılabilirdi... Titan ve Vanadyum isimleri de Yunan mitolojisinden esinlenerek bulunmuştur. Bazı elementlerin isimleri çeşitli ülke ya da kıtaların onuruna verilmiştir. Germanyum (Almanya), galyum (Fransa nın eski ismi Gaul den), polonyum (Polonya), skandiyum (Skandinavya), fransiyum, rutenyum (Latince Rusya), evropyum (Avrupa) ve amerikyum gibi. Diğer elementlerin isimleri şehirlerden alınmıştır. Bunlar: hafniyum (Kopenhag), lutesyum (Latince Paris), berkelyum (A.B.D nin Berkeley kasabasının onuruna), terbiyum, erbiyum, iterbiyumdur (Ytterby, İsveç te küçük bir kasabadır. Söz konusu elementi içeren mineral ilk kez orada bulunmuştur.). Son olarak da bazı elementlere büyük bilim insanlarının isimlerini ölümsüz kılmak için verilen adlar vardır: Küriyum, fermiyum, einsteinyum, mendelevyum ve lavrensyum. Antik çağa dayanan elementlerin isimlerinin kökeni, bilim adamları arasında hâla bazı anlaşmazlıklara neden olmaktadır. Niçin kükürde kükürt, demire demir ya da kalaya kalay dendiğini kimse bilmemektedir. Resim Titan Resim Plütonyum Resim Vanadyum Yazarlar tarafından bu kitap için düzenlenmiştir. 111

112 10. Sınıf Kimya Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Aşağıda tabloda verilen elementlerin 1. iyonlaşma enerjileri ve elektron ilgileri üzerinden karşılaştırma yaparak elementlerin metal mi yoksa ametal mi olduklarına karar veriniz. Bu kararınızın nedenlerini açıklayınız (Elementlerin iyonlaşma enerjisi değerleri aralarındaki farkın kolay algılanması için 10-3 kat sayısıyla çarpılmıştır.). Element 1. İyonlaşma Elektron İlgisi Atom Enerjisi (~) (~) Numarası Metal Ametal (kj mol -1 ) (kj mol -1 ) Hidrojen (H) Lityum (Li) Berilyum (Be) < 0 Oksijen (O) Neon (Ne) < 0 Flor (F) Kalsiyum (Ca) < 0 Kükürt (S) Sodyum (Na) Azot (N) < 0 2. Periyodik sistemi kullanarak atom numarası 87 olan Fransiyum, atom numarası 11 olan Na ve atom numarası 55 olan Cs un periyodik özelliklerini karşılaştırıp sonuçları tartışınız. Periyodik Özellikler Na Cs Fr Atom Çapı 1. İyonlaşma Enerjisi Metalik Özellikler Elektron İlgisi 3. Aşağıdaki tabloda kavramları tanımlarla eşleştiriniz. Tanımlar Kimyasal bir bağdaki elektronları bir atomun kendine doğru çekme isteğidir. Gaz hâlde bulunan nötr bir atomdan bir elektron uzaklaştırmak için gereken enerjiye denir. Birbiri ile bağ oluşturmayan birbirine benzer atomların çekirdekleri arasındaki uzaklığın yarısıdır. Gaz hâlde bulunan nötr bir atomun bir elektron alması sırasında oluşan enerji değişimidir. İyonik bağla bağlanmış iyonların çekirdekleri arasındaki uzaklıktır. Eşdeğer iki atomun çekirdekleri arasındaki uzaklığın yarısıdır. Kavramlar İyonlaşma Enerjisi Elektron ilgisi Elektronegatiflik Van der Waals yarıçapı Kovalent yarıçap İyonik yarıçap 112

113 3. BÖLÜM İçerik 1. Bloklar ve Özellikleri 2. s Bloku Elementleri 3. p Bloku Elementleri Halojenler Asal Gazlar 4. d Bloku Elementleri (Geçiş Metalleri) 5. Bazı Geçiş Metallerinin Kullanım Alanları 6. f Bloku Elementleri 7. Elementlerin Periyodik Sistemdeki Yerinin Bulunması ELEMENTLERİN ÖZELLİKLERİ Bazı maddeleri, özelliklerine ve kullanım alanlarına göre sınıflandırmak yaşantımızı kolaylaştırır. Farklı maddelerin bazı karakteristik özellikleri incelenerek belirli yönlerden tamamen birbirinden farklı olan maddeler özelliklerine göre farklı sınıflara yerleştirilir. Eczacılar, ilaçları; kütüphaneciler, kitapları; tıp doktorları, hastalıkları sınıflandırır. Bu bölümde elementleri bloklar şeklinde sınıflandırarak bu bloklardaki elementlerin özelliklerini öğreneceksiniz.

114 10. Sınıf Kimya Bloklar ve Özellikleri Periyodik sistem 4 bloka ayrılır. Bir yılda dört mevsim olduğunu ve her mevsimin kendine özgü özellikleri bulunduğunu biliyoruz. Periyodik sistemi bir yıl, mevsimleri de periyodik sistemdeki bloklar gibi düşünürsek mevsimlerde olduğu gibi periyodik sistemdeki 4 blokun da kendilerine ait özellikleri vardır. Periyodik sistemdeki elementler hidrojen ve helyum dışında değerlik orbitallerinin doluşuna göre s, p, d ve f olmak üzere dört ana bloka ayrılır. s ve p blok elementleri ana grup elementleri olarak da bilinir. s blok p blok Geçiş elementleri d blok Resim Potasyumun suyla tepkimesi İç geçiş elementleri f blok Elementlerin hangi blokta olduğu bulunurken element atomlarının elektron dizilimi yazılır. Elektron diziliminde son orbitali s ile sonlananlar s, p ile sonlananlar p, d ile sonlananlar d, f ile sonlananlar f blokta bulunur. Resim Kalsiyumun suyla tepkimesi Bu blokları ve bloklarda bulunan elementlerin özelliklerini aşağıda göreceğiz s Bloku Elementleri Bu blokta 1A ve 2A grubu elementleri vardır. Alkali metal I A Elektron dağılımı H 1s 1 Toprak Alkali II A Elektron dağılımı Li [He] 2s 1 Be [He] 2s 2 Na [Ne] 3s 1 Mg [Ne] 3s 2 K [Ar] 4s 1 Ca [Ar] 4s 2 Rb [Kr] 5s 1 Sr [Kr] 5s 2 Cs [Xe] 6s 1 Ba [Xe] 6s 2 Fr [Rn] 7s 1 Ra [Rn] 7s 2 114

115 2. Ünite Periyodik Sistem Verilen IA (alkali metal) ve IIA (toprak alkali metal) elementlerinin elektron dizilimleri incelendiğinde alkali metallerin değerlik katmanındaki elektron diziliminin ns 1 ; toprak alkali metallerin değerlik katmanındaki elektron diziliminin ns 2 ile sonlandığı görülür. Bu elementlerden alkali metaller bileşik oluştururken son katmandaki bir elektronu vererek +1 yüklü iyon oluşturur. Toprak alkali metaller ise son katmandaki iki elektronu vererek +2 yüklü iyon oluştururlar. Ayrıca toprak alkali metallerin atom yarıçapları alkali metallerden küçüktür. Çünkü periyodik sistemde aynı periyotta soldan sağa gidildikçe proton sayısı artar; atom yarıçapı küçülür. Bu nedenle toprak alkali metallerin iyonlaşma enerjileri alkali metallerden yüksek, aktiflikleri alkali metallerden daha az, erime ve kaynama noktaları daha yüksektir. 1A grubu elementleri (Alkali metaller): H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr elementlerinden oluşur. H hariç hepsi metaldir. Bu gruptaki element atomlarının elektron dizilimleri ns 1 ile sonlanmaktadır. Değerlik katmanlarında tek bir elektron bulunur. İyonlaşma enerjileri düşük olduğundan bu elektron kolayca uzaklaştırılarak elementler +1 yüklü iyon oluşturur. Bu grup elementlerinin erime sıcaklıkları düşüktür. Grupta yukarıdan aşağıya doğru erime ve kaynama noktası değerleri küçülür (Tablo 2.3.1). Öz kütleleri diğer metallerden daha düşüktür. Bu gruptaki elementler oldukça kolay tepkime verdikleri için asla doğada saf hâlde bulunmaz. Yer kabuğunda en çok bulunan alkali metaller sodyum ve potasyumdur. Bu elementler yer kabuğunun önemli bir bölümünü oluşturan alüminosilikatlarda bulunur. Yer kabuğunda rubidyum ve sezyum elementinin minerali çok azdır. Çoğunlukla potasyum minerallerinin içerisinde bulunurlar. Tablo Alkali metallerin bazı özellikleri Özellikler Li Na K Rb Cs Yer kabuğundaki bulunma oranı (%) 0,0065 2,83 2,59 0,028 0,0003 Öz kütle (g cm -3 ) 0,534 0,97 0,87 1,53 1,87 Erime noktası ( o C) ,9 63,7 38,5 28,5 Kaynama noktası ( o C) İyonlaşma enerjisi ( kj mol -1 ) A grubu elementleri (toprak alkali metaller): Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra elementlerinden oluşur. Bu gruptaki element atomlarının elektron dizilimleri ns 2 ile sonlanmaktadır. Bu elementler son katmandaki iki elektronu vererek +2 yüklü iyonlar oluşturur. İyonlaşma enerjileri yukarıdan aşağıya doğru azalır; metalik özellikleri artar. Bu grup elementleri yumuşaktır ve işlenebilir. Alkali metallerden daha az aktiftir. Erime ve kaynama noktaları ise yüksektir. Atom yarıçapları alkali metallerden daha küçük, iyonlaşma enerjileri daha yüksektir (Tablo 2.3.2). 2A grubu elementlerinin suya karşı ilgileri birbirinden farklıdır. Oksijene karşı ilgileri Be dan Ba a doğru artar. Mg, Ca, Sr, Ba sulu asit çözeltileri ile tepkimeye girdiklerinde H 2 gazı açığa çıkartır. Resim Be elementi 115

116 10. Sınıf Kimya Tablo Toprak alkali metallerin bazı özellikleri Özellikler Be Mg Ca Sr Ba Yer kabuğundaki bulunma oranı (%) 0,0006 2,09 3,63 0,015 0,04 Öz kütle (g cm -3 ) 1,85 1,74 1,54 2,6 3,5 Erime noktası ( o C) Kaynama noktası ( o C) İyonlaşma enerjisi ( kj mol -1 ) Resim Sulu BaSO 4 süspansiyonu sindirim sistemi hastalıklarının tanısında kullanılır. s bloku elementleri, bütün özellikleri ile aktif birer metaldir. Her iki grubun en alt kısmında bulunan elementlerin iyonlaşma enerjilerinin en düşük olması ve değerlik elektronlarını çok kolay verebilmeleri, metalik karakteri artırmaktadır. Bu nedenle Cs ve Ba iki grubun en şiddetli tepkime veren elementleridir. 2A nın en üst kısmında yer alan Be, bu blokta (s) iyonlaşma enerjisi en yüksek olan elementtir. Bu nedenle değerlik elektronunu 2A da bulunan diğer elementlere göre daha zor verir (Berilyum hariç s bloku elementlerinin bileşikleri iyoniktir.). Elementlerin hepsi bazik oksitler oluşturur (Tablo 2.3.3). Toprak alkali metaller içinde yer kabuğunda en çok bulunan elementler magnezyum ve kalsiyumdur. Mineraller içinde ve deniz suyunda magnezyum, kalsiyum, stronsiyum ve baryum yaygın olarak bulunur. Tablo A grubu elementlerinin fiziksel ve kimyasal özellikleri Fiziksel Özellikler Kimyasal Özellikler Asitlerle reaksiyona girerler. Elektriği iyi iletirler. Bazik oksitler oluştururlar. Yüzeyleri parlaktır. Katyon oluştururlar. Katı hâlde bulunurlar. Halojenlerle iyonik bileşik oluştururlar. Erime noktaları düşüktür. Isıyı iyi iletirler. İyonlaşma enerjileri düşüktür. Elektron ilgileri düşüktür p Bloku Elementleri p blokunda 3A, 4A, 5A, 6A, 7A ve 8A grubu elementleri yer alır. Bu blok elementleri periyodik sistemin sağ tarafında bulunur. Blokta elementlerin en yüksek değerlik katmanındaki p orbitalleri dolmaya başlar. Bu bloktaki elementler değişik pozitif yükseltgenme basamağına sahiptir. Elektron vererek oktete ulaşmaları zor olduğundan genellikle elektron alarak oktete ulaşırlar. Bu blokun bazı gruplarında yukarıdan aşağıya doğru elementlerin ametalik özellikten metalik özelliğe geçişleri hızlıdır. Periyodik sistemde 3A da yer alan B ve Al un elektron dizilimlerine baktığımızda değerlik katmanlarında toplam 3 elektron olduğunu görürüz. B ve Al bu elektronları vererek +3 yükseltgenme sayısına sahip olur. Ancak B un katman sayısı Al dan daha az olduğu için iyonlaşma 116

117 2. Ünite Periyodik Sistem enerjisi daha yüksektir. 4A grubunda yer alan C, Si ve Ge un dış katmanlarında ns 2 np 2 olmak üzere toplam 4 elektron bulunur. Aynı grup içinde elementler benzer elektron dağılımına sahiptir. Ancak baş kuantum sayısı artarken değerlik elektron çekirdekten uzaklaşır. Elektronlarla çekirdek arasındaki uzaklığın artması çekim kuvvetinin zayıflamasına neden olur. Bu durum aynı grupta aşağıya doğru inildikçe iyonlaşma enerjisinin azalmasına, metalik karakterin artmasına neden olur. Bu nedenle 4A grubunda C bir ametal iken Si ve Ge yarı metal, Sn ve Pb ise metaldir. 5A grubu elementlerinden N ve P un dış katmandaki elektron dizilimi ns 2 np 3 şeklinde sonlanmaktadır. N ve P elementleri oktetini tamamlamak için +5 ten -3 e kadar değişken yükseltgenme basamaklarına sahip olabilir. Ancak N ve P da değerlik katmanındaki p orbitallerinin yarı dolu olması atoma kararlılık kazandırdığı için elektron verme yerine elektron almaları daha kolay olur. Bu nedenle genellikle -3 yükseltgenme basamağına sahiptir. N ta üç elektron alarak N 3- iyonu oluşturma eğilimindedir. IIA grubu ile iyonik bileşik oluşturur. Mg 3 N 2 gibi. N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) tepkimesiyle oluşan NH 3 ta azot -3 yükseltgenme basamağına sahiptir (Şekil 2.3.1). Amonyak gübre yapımında ayrıca azotlu bileşiklerinin sentezinde de kullanılır. NH 4 NO 3(k) N 2 O (g) + 2H 2 O (g) H H H H H H H 2 molekülleri + N N N 2 molekülü Amonyum nitratın bozulmasıyla elde edilen N 2 O te iki azot atomunun da yükseltgenme basamakları +1 dir. Diazot monoksit günlük yaşamda dişçilikte, güldürücü gaz olarak ve anestetik (bayıltıcı) olarak kullanılır. 6A grubu elementlerinden O ve S ün değerlik katmanındaki elektron dizilimi ise ns 2 np 4 şeklindedir. Bu grup soy gazlara yakın olduğu için gruptaki elementler kimyasal tepkimeye girdiklerinde çoğunlukla iki elektron alarak soy gaz elektron dizilimine ulaşır ve -2 yükseltgenme basamağına sahip olur. Ancak bu elementlerin farklı yükseltgenme basamakları da vardır. Örneğin; S (k) + O 2(g) SO 2(g) tepkimesinden elde edilen SO 2 teki kükürt +4 yükseltgenme basamağına sahiptir. SO 2, H 2 SO 4 sentezi için gerekli olan SO 3 bileşiğinin elde edilmesinde kullanılır. SO 3 ve H 2 SO 4 te kükürt +6 yükseltgenme basamağına sahiptir. Doğada element hâlinde var olan oksijen ve azot ancak moleküler hâldeyken kararlı; atom hâline dönüşünce oldukça reaktif olur. Aynı periyotta soldan sağa gidildikçe atom yarıçapının azalması, iyonlaşma enerjisinin artmasına ve oktete ulaşmak için elektron vermenin zorlaşmasına neden olur. Böylece metalik özellik azalırken ametalik özellik artar. Aynı grupta ise atom yarıçapı yukarıdan aşağıya doğru arttığı için iyonlaşma enerjisi azalır, buna bağlı olarak metalik özellik artarken ametalik özellik azalır. NH 3 molekülleri Şekil Hidrojen ve azot moleküllerinden amonyak moleküllerinin oluşumu 117

118 10. Sınıf Kimya p blok elementleri, oda koşullarında katı, sıvı ve gaz hâlde bulunabilir. Örneğin oksijen, azot ve klor gaz; brom sıvı; karbon ise katıdır. Ametaller, katı hâldeyken kırılgan yapıdadır ve dövülerek şekil verilemez. Tel ve levha hâline getirilemez. Ametaller, metallerden farklı bir kimyasal yapıya sahiptir. Isı ve elektriği iletmezler (Grafit hariç). Seyreltik asitlerle tepkimeye girmezler. Hava veya oksijenle yakıldıklarında oksitlerini oluştururlar. p blokundaki bazı elementler kimi özellikleri yönünden metallere, kimi özellikleri yönünden ametallere benzer. Bu elementlere yarı metal veya yarı iletken denir. Ametallerin genel özellikleri Tablo te verilmiştir. Tablo Ametallerin genel özellikleri Resim Astatin Fiziksel Özellikler Elektriği iletmezler (Grafit hariç). Tel ve levha hâline getirilemezler. Yüzeyleri mattır. Katı, sıvı ve gaz hâlde bulunurlar. Erime noktaları düşüktür. Isıyı iletmezler. Kimyasal Özellikler Asitler ile tepkimeye girmezler. Asidik oksitler oluştururlar. Anyon oluştururlar. İyonlaşma enerjileri yüksektir. Elektron ilgileri yüksektir. Klor Brom Halojenler p blok elementlerinden 7A grubunda bulunan elementlere halojenler denir. Halojen Yunanca bir kelime olup tuz yapan anlamına gelir. Bu grup elementleri flor, klor, brom, iyot ve astatin (Resim 2.3.5) dir. Astatin grupta yer almasına rağmen halojen olup olmadığı tartışılmaktadır. Hepsi ametal olup kimyasal özellikleri en iyi bilinen elementlerdir. Doğada asla elementel hâlde bulunmayıp iki atomlu moleküler yapıdadırlar (F 2, Cl 2, Br, I ). Tepkimeye girme eğilimleri yüksek olduğundan bileşikler 2 2 hâlinde görülürler. Klor, brom ve iyot halojenürleri (Resim 2.3.6) deniz suyunda, flor ise florit (CaF 2 ) ve kriyolit (Na 3 AlF 6 ) minerallerinde bulunur. Elektron dizilimleri ns 2 np 5 ile bitmektedir. Asal gaz yapısına yakın olduklarından bir elektron alarak kolayca -1 yüklü iyonlar (F -, Cl -, Br -, I - ) oluştururlar. Halojenler bileşiklerinde -1 den +7 ye kadar değişik yükseltgenme basamağına sahip olabilir. Sadece flor elementinin tek yükseltgenme basamağı vardır ve bu sayı da -1 dir. Halojenler metallerle iyonik bileşik oluşturur. NaCl, KF gibi. İyot Resim Oda koşullarında klor gaz, brom sıvı, iyot katıdır. Halojenlerin iyonlaşma enerjileri ve elektron ilgileri büyük, elektronegatiflikleri yüksektir. Elektronegatifliği en yüksek olan element flordur. Fakat elektron ilgisi klor atomunun elektron ilgisinden küçüktür. Flor atomunun yarıçapı küçük olduğundan elektronlar arası itme kuvveti büyüktür. Klorun HCl molekülünde yükseltgenme sayısı -1 iken ClO 2 molekülünde +4 tür. Bromun yükseltme sayısı Br 2 O molekülünde +1, BrO 2 molekülünde +4 tür. İyotun ise I 2 O 5 molekülünde yükseltgenme sayısı +5, 118

119 2. Ünite Periyodik Sistem HIO molekülünde +1 dir. Halojenlerin hidrojenli bileşikleri asit özelliği gösterir. Grupta yukarıdan aşağı doğru inildikçe erime ve kaynama noktaları artar (Tablo 2.3.5). Halojenler ve bileşiklerinin endüstride, tıpta ve daha pek çok alanda yaygın olarak kullanıldığı görülmektedir. İçme suyuna çok az miktarda katılan NaF gibi florür bileşikleri diş çürüklerini azaltır. Endüstride flor, politetrafloroetilen(teflon) üretiminde kullanılır. İnsan vücudunda klorür iyonu, hücre içi ve hücre dışı sıvılarda temel anyondur. Klor yüzme havuzlarının ve içme sularının temizlenip dezenfekte edilmesinde de kullanılır. ClO - iyonu bakterileri etkisiz hâle getirir. Brom bileşikleri bazı deniz canlılarının yapısında bulunur. 1,2 dibrom etan (BrCH 2 CH 2 Br) böcek ilacı olarak kullanılabildiği gibi kurşunlu benzinlerdeki kurşunla birleşerek motorun tıkanmasını önler. Gümüş bromür fotoğraf filmlerinde kullanılır. Kütlece %50 iyot içeren alkol çözeltisi tıpta antiseptik olarak kullanılır. İyot troid hormonu olan troksinin ana bileşenidir. Tablo Halojenlerin bazı özellikleri Element İE kj mol -1 Eİ kj mol -1 Elektronegatiflik Erime Noktası ( o C) Kaynama Noktası ( o C) Yükseltgenme Basamakları Fiziksel Özellikler F ,0 4,0-219, Cl ,0 3, ,8-1,1,3,5,7 gaz, açık sarı gaz, yeşilimsi sarı Br ,0 2,8-7,2-59,7-1,1,3,5,7 sıvı, kırmızı I ,0 2,5 113,7 185,4-1,1,3,5,7 At , ,1,3,5,7 katı, morsiyah katı, radyoaktif Asal Gazlar (Soy Gazlar) Periyodik sistemin en sağında bulunan 18. grup (8A) elementlerine asal gazlar denir. ns 2 np 6 elektron dizilimi ile sonlanmalarından dolayı kararlı yapıya sahiptirler. Genelde kimyasal reaksiyonlara ilgisiz olup bağ yapmama özeliklerinden dolayı kaynama noktaları düşüktür. Çok düşük sıcaklıklarda < -260 o C akışkan kalabilen helyum bu özelliğinden dolayı dondurucu sıvı olarak kullanılır lı yıllara kadar hiçbir elementle birleşmediği düşünülen asal gazlar koşullar uygun hâle getirilirse bileşik oluşturabilir. Asal gazların bileşik oluşturabilmesi için; İyonlaşmaları, Elektronegatifliği fazla atomlarla etkileşmeleri gerekir. Resim Ksenon far 119

120 10. Sınıf Kimya Resim Asal gazlar ışıklandırmada kullanılır. Bu özellikleri sağlayan Xe un farklı yükseltgenme basamaklarına sahip olduğu çeşitli bileşikler sentezlenmiştir. Örneğin XeF 2, XeF 4, XeOF 2, XeF 6, XeO 3... gibi. XeF 2, XeF 4, XeF 6 bileşikleri renksiz katı kristaller olup suyla temas etmedikleri sürece kararlılıklarını korurlar. Xe un oksitleri, florürlerinden elde edilir. Beyaz bir katı olan XeO 3 ile renksiz bir gaz olan XeO 4 patlayıcıdır. Asal gazlar genellikle atmosferde bulunur. Sıvı havanın damıtılmasıyla elde edilir. İlk olarak keşfedilen asal gaz helyumdur. Hidrojenden sonra en hafif element olduğundan uçan balonları ve zeplinleri doldurmak için kullanılır. Ayrıca dalgıçların kullandığı oksijen tüplerinde bir miktar helyum bulunur. Düşük basınçta neon gazı içeren bir tüpün içinden elektrik akımı geçirilirse uyarılmış neon atomları kırmızı bir ışıma oluşturur. Vitrinlerdeki neon lambaları bu şekilde yapılır (Resim 2.3.8). Doğada en fazla bulunan asal gaz argondur. Gaz boşaltım lambaları ve çelik endüstrisinde sıcak alaşımın kalıba dökülmeden önce hava ile temasını kesmek için Ar gazı kullanılır. Asal gazların bazı özellikleri Tablo da verilmiştir. Tablo Asal gazların bazı özellikleri Element İE kj mol -1 Eİ kj mol -1 Elektronegatiflik Erime Noktası ( o C) Kaynama Noktası ( o C) Yükseltgenme Basamağı Fiziksel Özellikler He ,2* gaz Ne gaz Ar gaz Kr ,2 gaz Xe ,2,4,6,8 gaz Rn gaz, radyoaktif *(26 atm de -272,2 o C) Kısaca söz ettiğimiz periyodik sistemin son 6 grubunda yer alan elementlerin yaptığı bağlar genelde kovalent karakterlidir. Bunun nedeni elektronegatifliklerinin çok farklı olmamasından kaynaklanır. Periyodik sistemin son altı grubunda yer alan elementlerin elektron dizilimlerini ve alabilecekleri iyon yüklerinden kısaca söz ettik. Bu konuyu daha iyi anlayabilmek için aşağıda verilen öğrendiklerimizi uygulayalımı gerçekleştirelim. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıda verilen soruları cevaplayınız A grubu elementlerinin hepsi metaldir (H hariç). Neden? 120

121 2. Ünite Periyodik Sistem 2. p- Blokundaki gruplarda hem metal hem de ametal karakterli elementler bulunabilir. Örnekler veriniz. Aynı grupta hem metal hem de ametal bulunabilmesini açıklayınız. 3. Aşağıda elektron dizilimleri verilen VA, VIA, VIIA grubu elementlerin tek atomlu anyonlarının alabileceği iyon yüklerini karşılarına yazınız. Bu anyonların IA, IIA, IIIA metalleri ile yapacağı iyonik bileşiklere örnek verinir. Grubu Element Elektron dilizlimi VA N [He] 2s 2 2p 3 Alacağı iyon yükü Örnek VA P [Ne] 3s 2 3p 3 VIA O [He] 2s 2 2p 4 VIA S [Ne] 3s 2 3p 4 VIIA F [He] 2s 2 2p 6 VIIA Cl [Ne] 3s 2 3p d Bloku Elementleri (Geçiş Metalleri) Periyodik sistemin s ve p blokları arasında bulunurlar. d blokunun bütün elementleri metaldir. d blok elementlerine geçiş elementleri veya geçiş metalleri denir. d bloku elementlerinin karakteristik özelliklerinden biri, bileşiklerde değişik yükseltgenme basamaklarında olabilmeleridir. Örneğin titan [Ar]3d 2 4s 2 elektron dağılımına sahiptir (Tablo 2.3.7). Ti atomu, Ar yapısı dışında kalan dört elektronu vererek +4 yükseltgenme basamağına sahip olabilir. 4s 2 elektronlarını vererek +2 yükseltgenme basamağına sahip olduğu bileşikleri de vardır. Bakırın yükseltgenme basamağı +1 ve +2; demirin ise +2 ve +3 tür. Geçiş metallerinin çoğunda d orbitalleri kısmen doludur. d orbitallerinin kısmen dolu olması orbitaller arası elektron geçişlerini kolaylaştırarak bu metallere ve bu metallerden oluşan bileşiklerin bazılarına geçici manyetik özellik kazandırır. Ayrıca geçiş elementi bileşiklerinin katı hâlde ve çözeltilerinde renkli olmasını sağlar. Geçiş metallerinin çoğunun metalik özelliklerine göre önemli kullanım alanları vardır. Örneğin; demir yapısal dayanıklılığı, bakır iyi elektrik iletkenliği nedeniyle geniş kullanım alanları bulmuştur (Resim 2.3.9). Ayrıca geçiş elementlerinden bazılarının katyonları organizmada da önemli görevlere sahiptir. Geçiş metalleri sertlikleri, yoğunlukları, ısı ve iletkenlikleri, erime ve kaynama noktalarının yüksek olması ile tanınır (Tablo 2.3.8). Resim Demir, yapısal dayanıklılığı nedeniyle çelik köprü yapımında kullanılır. 121

122 10. Sınıf Kimya Tablo Geçiş metallerinin bazılarının elektron dizilimleri Element Sembol Atom Nu. Elektron Dizilimi Skandiyum Sc 21 [Ar] 3d 1 4s 2 Titan Ti 22 [Ar] 3d 2 4s 2 Vanadyum V 23 [Ar] 3d 3 4s 2 Krom Cr 24 [Ar] 3d 5 4s 1 Mangan Mn 25 [Ar] 3d 5 4s 2 Demir Fe 26 [Ar] 3d 6 4s 2 Kobalt Co 27 [Ar] 3d 7 4s 2 Nikel Ni 28 [Ar] 3d 8 4s 2 Bakır Cu 29 [Ar] 3d 10 4s 1 Çinko Zn 30 [Ar] 3d 10 4s 2 Tablo Bazı geçiş metallerinin özellikleri Özellikler Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Atomik yarıçap (pm) Erime noktası( o C) Kaynama noktası ( o C) Yoğunluk (g cm -3 ) 2,4 5,4 6 7,1 7,2 7,9 8,9 8,9 8,9 7,1 İE( kj mol -1 ) Toprak alkali metal, alkali metal, halojen ve geçiş metali türünden pek çok element elektron alma-verme eğilimlerinin yüksek olmasından dolayı doğada element hâlinde bulunmaz. Doğada oksijen ve azot moleküler hâlde iken kararlıdır. Atom hâlinde ise kararsız olduğundan oldukça reaktiftir Bazı Geçiş Metallerinin Kullanım Alanları Geçiş elementlerinin karakteristik özellikleri onlara geniş bir kullanım alanı sağlamıştır. Krom: Sertlik özelliğinden dolayı metal sanayinin en önemli metallerindendir. Yüzeyinde oluşan ve gözle görülmeyen koruyucu oksit tabakası nedeniyle parlaktır. Paslanmaya dirençli olduğundan diğer metalleri kaplamada kullanılır. 122

123 2. Ünite Periyodik Sistem Mangan: Yer kabuğunda %1 oranında bulunur. V ve Cr gibi çelik üretimi için oldukça önemlidir. Mn, kükürt ve oksijen ile tepkimeye girerek demirin saflaştırılmasında kullanılır ve bunların curuf şeklinde uzaklaştırılmasını sağlar. Mn çeliğin sertliğini arttırır. Yüksek Mn içeren çelik, sert ve aşınmaya dirençli olduğu için tren raylarının, buldozer ve greyderlerin yapımında kullanılır. Demir: En önemli metallerdendir. Yer kabuğunda %4,7 oranında bulunur. Çelik yapımında kullanılır. Arabalar, endüstri makinaları, köprüler demirden yapılmıştır. Saf demir kullanışlı olmadığından alaşımları tercih edilir. Demir mavisi olarak bilinen bileşikler [K 4 Fe(CN) 6 ve K 3 Fe(CN) 6 ] yazı mürekkeplerinde, sanatsal boyalarda, kozmetikte ve matbaacılıkta kullanılır. Fe 2 O 3 bilgisayarlarda manyetik depolama ünitelerinin yapımında kullanılır. Nikel: Oldukça sert olup gümüş beyazı bir metaldir. Nikelin havaya karşı gösterdiği oksitlenme direnci nedeniyle bozuk para üretiminde, alman gümüşü gibi alaşımların yapımında, kaplamacılıkta katalizör olarak kullanılır. Bakır: Dayanıklı ve aşınmaya çok dirençli olması nedeniyle yüzyıllarca para basımında kullanılmıştır. Ucuz ve iyi iletken olması nedeniyle elektrik tellerinde kullanılır. Bakırdan yapılan çatı, oluk ve bronz heykellerde görülen yeşil rengin nedeni bakırın nemli havada yeşil renkli bazik bakır (II) karbonat meydana getirmesidir. Bronz Cu- Sn alaşımıdır. Bu alaşım metali kaplayarak fazla paslanmaya engel olur. Çok az miktarda Cu yaşam için gereklidir. Fazlası bakteri, deniz yosunları ve mantarlar için zehirlidir. Ticari açıdan en önemli bakır bileşiği CuSO 4. 5H2 O tır. CuSO 4 tarımda, pillerde, kaplamacılıkta kullanılır. Cu(I) bileşikleri (Cu 2 O hariç) renksizdir. Cu (II) bileşiklerinden CuO ve CuS siyah, CuSO 4. 5H2 O mavi renklidir. Çinko: Çinko çoğunlukla demiri paslanmadan korumak için kaplamacılıkta kullanılır. Ayrıca pirinç alaşımında, kuru pil ve matbaa harflerinin yapımında, inşaat malzemesi olarak çatı kaplamada kullanılır. Çinko bileşiklerinin de oldukça yaygın kullanım alanları vardır. ZnO kauçuğu güçlendirmede ve fotokopi makinelerinde foto iletken olarak kullanılır. ZnS; X-ışını ve televizyon ekranlarında, ZnSO 4 ; ahşap malzemelerin korunmasında ve hayvan yiyeceği yapımında kullanılır. Kadmiyum: Zehirli olmasına rağmen parlaklığı ile özel kullanım alanına sahiptir. Demirin paslanmasının önlenmesinde çinkonun yerini alır. Kadmiyum, düşük erime noktalı lehimlerde, alüminyum yapımında, bakırın sertliğini arttırmada, nötron tutma özelliğinden dolayı da nükleer reaktörlerde kontrol çubuklarının yapımında kullanılır. CdO kaplamacılıkta, pillerde; CdS güneş pillerinde; CdSO 4, kaplamacılık ve standart volta pillerinde kullanılır. Geçiş elementlerinin, birçok bileşiği ve bunların çözeltileri renklidir. Örneğin Cd sarı, CdO kahverengi, TiO beyaz, Na 2 CrO 4 sarıdır. Bu renklenme dolmamış d orbitallerden kaynaklanan görünür bölgedeki ışığın soğurulmasından oluşur. Renkli bileşikler 9. sınıftan da anımsayabileceğiniz gibi boya sanayinde pigment olarak kullanılır. Resim Yakuta kırmızı rengini veren krom (III) oksittir. Resim Zümrüte yeşil rengini veren krom (II) oksittir. Resim Tren raylarındaki mangan aşınmaya dirençli olduğu için çeliğin sertliğini artırır. Resim Taksim deki bronz Atatürk Anıtı nda yeşil renkte bakır (II) karbonat oluşmuştur. 123

124 10. Sınıf Kimya f Bloku Elementleri Bu blok elementlerine iç geçiş elementleri de denir. Periyodik sistemin 6. periyodunda atom numarası 58 den başlayarak 71 i de kapsayan on dört elemente lantanitler (nadir toprak elementleri) adı verilir. Periyodik sistemin 7. periyodunda atom numarası 90 dan başlayarak 103 ü de kapsayan on dört elemente de aktinitler adı verilir. Resim Seryum elementi 6. periyot, f blok elementleri ve ana grup elementleri ile birlikte toplam otuz iki element içeren uzun bir periyottur. Periyodik sistemi bu uzunluktan kurtarmak için f blok elementleri sistemin alt kısmına yerleştirilmiştir. f blok elementlerinden lantanitlerde 4f orbitalleri, aktinitlerde ise 5f orbitalleri dolmaktadır (Tablo 2.3.9). Kimyasal özellikleri dış katmandaki elektronlara bağlıdır. f orbitalleri iç katmanda olduğundan dış katmandaki elektronlara etkisi azdır. Bu nedenle f blok elementleri kimyasal özellikleri bakımından birbirine çok benzerdir. Kimyasal özelliklerdeki benzerliğin nedenlerinden biri de f blok elementlerinin atom yarıçaplarının birbirine çok yakın olmasıdır. 3B grubu elementlerinde olduğu gibi +3 yüklü iyonlar oluşturur. f blok elementlerinin bazı bileşiklerinde +4 yükseltgenme basamağına da rastlanabilir fakat bunlar kararsızdır. Lantanitlerin çoğu doğada bir arada bulunur. Aktif metal olup büyük bir kısmı gümüş beyazı rengindedir. Sadece prometyum radyoaktif elementtir. Aktinitlerin hepsi radyoaktif metaldir ve birbirlerine benzer özelliklere sahiptir. Tablo f blok elementlerinden bazılarının elektron dizilimleri Element Sembol Atom Nu. Elektron Dizilimi Seryum Ce 58 [Xe] 4f 1 5d 1 6s 2 Gadolinyum Gd 64 [Xe] 4f 7 5d 1 6s 2 Erbiyum Er 68 [Xe] 4f 12 6s 2 Protaktinyum Pa 91 [Rn] 5f 2 6d 1 7s 2 Küriyum Cm 96 [Rn] 5f 7 6d 1 7s 2 Fermiyum Fm 100 [Rn] 5f 12 7s Elementlerin Periyodik Sistemdeki Yerinin Bulunması Arkadaşınızın internetten gönderdiği iletiler size nasıl ulaşır? Arkadaşınız İnternet adresinizi yanlış veya eksik yazarsa gönderdiği iletiler size ulaşabilir mi? Arkadaşınızın gönderdiği iletilerin size ulaşması için e-posta adresinizin olması ve bu adresin her karakterinin doğru yazılması gerekir. Periyodik sistemde de her elementin bir adresi vardır. 124

125 2. Ünite Periyodik Sistem Bu adresi belirleyen elementin atom numarasıdır. Atom numarası bilinen bir elementin, elektron diziliminden yararlanarak periyodik sistemdeki grubunu ve periyodunu bulabiliriz. Periyodik sistemde bir elementin yerini bulabilmek için aşağıdaki özelliklere dikkat etmek gerekir. 1. En yüksek temel enerji düzeyini gösteren baş kuantum sayısı, o elementin bulunduğu periyodu belirtir. 2. En yüksek enerji düzeyindeki toplam elektron sayısı o elementin grubunu belirtir. 3. Elektron dizilimindeki son orbital türü, elementin bulunduğu bloku belirler. Elektron dizilimi s ile bitenler s blok, p ile bitenler p blok, d ile bitenler d blokta yer alır. Lantanit ve aktinitler bu kurala uymaz. s ve p blok elementleri A gruplarını, d ve f blok elementleri de B gruplarını oluşturur. Örnek 1. C, O, Al, K, Sc elementlerinin periyodik sistemdeki yerini bulunuz. Çözüm 6 C : 1s2 2s 2 2p 2 4A grubu (en yüksek temel enerji düzeyinde 2+2 = 4 elektron bulunduğu ve p blok elementi olduğundan) elementidir. 2. periyot (en yüksek temel enerji düzeyi 2 olduğundan) tadır. C elementi 2. periyot 4A grubunda bulunur. 8 O : 1s2 2s 2 2p 4 6A grubu (en yüksek temel enerji düzeyinde 2+4 = 6 elektron bulunduğu ve p blok elementi olduğundan) elementidir. 2. periyot (en yüksek temel enerji düzeyi 2 olduğundan) tadır. O elementi 2. periyot 6A grubunda bulunur. 13 Al : 1s2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3A grubu (en yüksek temel enerji düzeyinde 2+1 = 3 elektron bulunduğundan ve p blok elementi olduğundan) elementidir. 3. periyot (en yüksek temel enerji düzeyi 3 olduğundan) tadır. Al elementi 3. periyot 3A grubunda bulunur. 125

126 10. Sınıf Kimya 19 K : 1s2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 1A grubu (en yüksek temel enerji düzeyinde 1 elektron bulunduğu ve s blok elementi olduğundan) elementidir. 4. periyot (en yüksek temel enerji düzeyi 4 olduğundan) tadır. K elementi 4. periyot 1A grubunda bulunur. 21 Sc : 1s2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1 3B grubu (en yüksek temel enerji düzeyi ve dolmamış d orbitalindeki elektron sayısı 2+1= 3 olduğundan ve d blok elementi olduğundan) elementidir. 4. periyot (en yüksek temel enerji düzeyi 4 olduğundan) tadır. Sc elementi 4. periyot 3B grubunda bulunur. 2. Periyodik sistemde 3. periyot 6A grubunda bulunan X elementinin atom numarasını bulunuz. Çözüm: 3. periyot, en yüksek temel enerji düzeyinin 3 olduğunu 6A grubu ise en yüksek temel enerji düzeyinde toplam 6 elektron bulunduğunu belirtir. Buna göre elektron dağılımı 3s 2 3p 4 ile bitecek şekilde yazılır. X : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 elektron dizilimine göre X elementinin 16 elektronu vardır. Nötr bir atomda atom numarası elektron sayısına eşit olduğundan X elementinin atom numarası 16 dır. Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Aşağıda atom numaraları verilen elementlerin periyodik sistemdeki yerlerini bulunuz. 5 B, 7 N, 20 Ca, 22 Ti 2. Periyodik cetvelde 4. periyot 4A grubu elementinin atom numarasını bulunuz. Okuma Metni Bitki Vitaminleri : Mikroelementler Element kelimesinin pek çok anlamı vardır. Örneğin, çekirdek yükü aynı olan bir türün atomları anlamına gelebilir. Peki mikroelementler nelerdir? Bitki ve hayvan organizmasında çok küçük miktarlarda bulunan kimyasal elementlere bu adı veririz. İnsan organizması %65 oksijen, yaklaşık %18 karbon ve %10 hidrojen içerir. Bunlar, büyük miktarda bulunduklarından makroelementlerdir. Oysa her biri organizmada yüz binde bir oranında bulunan titan ve alüminyum mikroelement olarak adlandırılır. 126

127 2. Ünite Periyodik Sistem Biyokimyanın ilk günlerinde hiç kimse böyle önemsiz miktarlarla ilgilenmemişti. Yüz binde bir aslında sözünü etmeye değmeyecek bir miktardı, zaten o tarihlerde bu kadar küçük miktarlar saptanamıyordu bile. Mühendislik ve analiz yöntemleri geliştikçe bilim insanları canlı maddede daha başka elementler de buldular. Bununla birlikte, mikroelementlerin rolü uzun süre bilinmeden kaldı. Bugün bile herhangi bir örnekteki milyonda ve hatta yüz milyonda bir düzeyindeki yabancı madde kimyasal analizle saptanabildiği hâlde, çoğu mikroelementin bitki ve hayvanların yaşamsal etkinliklerindeki önemi henüz belirlenememiştir. Ama bilinen bazı şeyler de vardır. Örneğin; bazı organizmaların kobalt, bor, bakır, manganez, vanadyum, iyot, flor, molibden, çinko hatta eser miktarda olsa bile radyum gibi elementler içerdiği bilinmektedir. Yeri gelmişken söyleyelim, insan organizmasında şimdiye kadar yaklaşık 70 kimyasal element bulunmuştur ve insan vücudunun tüm periyodik sistemi içerdiğine inanmanın belli bir dayanağı vardır. Üstelik her element belirli bir rol almaktadır. Hatta, çoğu hastalıkların organizmanın mikroelement denge dağılımının bozulmasından kaynaklandığına ilişkin bir görüş bile vardır. Demir ve manganez, bitki fotosentezinde önemli rol oynar. Bir bitki eser miktarda bile demir içermeyen toprakta büyütülürse yaprakları ve sapı kağıt gibi beyaz olacaktır. Bu bitkiye bir demir tuzu çözeltisi püskürtülürse doğal yeşil rengini hemen kazanır. Fotosentez için bakır da gereklidir; bakır azotun bitki organizması tarafından özümlenmesini etkiler. Bakır eksikliği, bir bileşenleri de azot olduğu için proteinlerin yeterince oluşmamasına neden olur. Kompleks organik molibden bileşikleri, çeşitli enzimlerin bileşenidir. Azot özümlenmesini arttırırlar. Molibden yetersizliği, bitkinin molibdensiz özümlenmediği nitratların aşırı birikmesi yüzünden, yaprak hastalığına neden olur. Molibden, bitkilerdeki fosfat içeriğini de etkiler. Molibden yoksa anorganik fosfatlar organik fosfatlara dönüşür. Molibden eksikliği bitkilerdeki pigment (renk maddesi) birikimini de etkiler; yapraklar lekeli ve mat bir hâl alır. Bitkiler, bor yoksa fosforu iyi özümleyemez. Bor çeşitli şekerlerin bitki sistemi içerisinde daha iyi aktarımını sağlar. Mikroelementler, hayvan organizmasında da önemli bir rol oynar. Hayvan yeminde hiç vanadyum bulunmamasının iştahsızlığa, hatta ölüme yol açabileceği saptanmıştır. Öte yandan, domuz yemindeki vanadyum miktarının artırılması, hızlı büyümeye ve kalın bir yağ tabakası oluşumuna neden olur. Çinko metabolizmada önemli bir rol oynar ve hayvan eritrositinin bir bileşenidir. Bir hayvan (veya insan) heyecanlanınca karaciğer genel kan dolaşım sistemine manganez, silisyum, alüminyum, titanyum ve bakır salgılar. Fakat merkezî sinir sistemi engellenirse silisyum ve alüminyum oluşumu gecikir. Kana yalnızca manganez, bakır ve titan salgılanır. Kanın mikroelement içeriği karaciğerle birlikte beyin, böbrekler, akciğerler ve kaslar tarafından ayarlanır. Bitkilerle hayvanların büyüme ve gelişmesinde mikroelementlerin rolünün aydınlatılması, kimya ve biyolojinin önemli ve çok heyecan verici bir görevidir. Problemin çözümü yakın gelecekte kuşkusuz önemli sonuçlar verecek ve ikinci bir doğanın yaratılması yolunda bilime katkıda bulunacaktır. 107 Kimya Öyküsü Tubitak Popüler Bilim Kitapları 127

128 10. Sınıf Kimya ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME A. Aşağıdaki metinde numaralandırılmış boşlukları kutuda verilen kelimelerden uygun olan ile tamamlayınız. atom kütlesi, benzer elektron dizilimi, triadlar, on altı, Dimitri Mendeleyev, periyodik sistem, kimyasal özellikler, yedi, oktavlar, grup, oktav kanunu, periyot PERİYODİK SİSTEM Elementlerle ilgili yapılan ilk gruplandırma girişimleri Johann Wofgang Döbereiner in benzer kimyasal özelliklere sahip olan stronsiyumun atom kütlesinin kalsiyum ve baryumun atom kütlelerinin toplamının yarısına hemen hemen eşit olduğunu bulması (1) kuralı olarak bilinir. Newlands, elementleri atom kütlelerine göre sıraladığında her yedi elementte bir elementlerin özelliklerinin birbirine benzediğini gördü. Bu benzerliği müzik notalarındaki (2) benzetti ve (3) olarak tanımladı. Elementlerin modern periyodik sınıflandırılması (4) çalışmalarına dayanır. Bu çalışmalarda bilinen elementleri artan. (5) göre sıralamıştır. Böylece ilk (6) oluşturulmuştur. Dimitri Mendeleyev o gün keşfedilemeyen bazı elementlerin yerlerini boş bıraktı. Periyodik çizelgenin aynı grubundaki elementler. (7) sahiptir. Bu durum bu elementlerin benzer (8) göstermesine neden olur. Periyodik sistem (9) grup ve (10) periyottan oluşmuştur. Periyodik sistemdeki yatay satırlara (11), düşey sütunlara (12) denir. B. Aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Bakır, demir, alüminyum gibi metallerin ısı ve elektriği iletmesinin nedenlerini açıklayınız. 2. Aynı periyotta atom numarası arttıkça iyonlaşma enerjisi arttığı hâlde aynı grupta atom numarası arttıkça iyonlaşma enerjisi azalır. Nedenini açıklayınız. 3. Asal gazların tepkimeye yatkın olmayışlarının nedenlerini elektron dizilimleriyle ilişkilendirerek açıklayınız. 4. Periyodik sistemdeki A grubu elementlerinin 1. iyonlaşma enerjileri genellikle aynı periyotta soldan sağa artar. Ancak 2A ile 3A da ve 5A ile 6A da sapmalar görülür. Bu sapmaların nedenini elektron dizilimleri ile açıklayınız. 5. Periyodik sistemde her periyot neden eşit sayıda element içermez? Açıklayınız. 6. Periyodik sistemin aynı periyodunda soldan sağa doğru atom kütlesi arttığı hâlde atom yarıçapı azalmaktadır. Nedenini açıklayınız. 7. Elementlerin dublet veya oktete ulaşmak için elektron alma ve verme nedenini açıklayınız. 128

129 2. Ünite Periyodik Sistem 8. Fe, Ca, Na metalleri neden doğada bileşikler hâlinde bulunurlar? Açıklayınız. 9. Sodyum, potasyum gibi bazı elementler neden gaz yağı içinde saklanırlar? 10. Halojenler doğada elementel hâlde bulunmaz moleküler hâlde bulunurlar. Nedenini açıklayınız. C. Aşağıda verilenleri dikkatlice okuyunuz. İfade doğru ise D harfini işaretleyiniz, yanlış ise Y harfini işaretleyerek doğrusunu yandaki kutucuğa yazınız. 1. Metaller, genellikle düşük iyonlaşma enerjilerine sahipken ametallerin elektron ilgileri yüksektir. 2. Moseley, periyodik sistemde elementlerin kütle numarasına göre sıralandığını buldu. 3. Lantanit ve aktinit tam dolu olan f alt katmanlarından dolayı, periyotta benzer özellik gösteren başka bir seri oluşturur. 4. Atomların iyonlaşması işlemi sırasında atomlar veya iyonlar enerji soğurduğu için iyonlaşma enerjisinin değeri negatiftir. 5. Li +, Na +, K +.. gibi katyonların hepsi kendine en yakın soy gazlarla izoelektroniktir. 6. Elektron ilgisi, gaz hâldeki bir atomdan elektron koparmak için gerekli olan enerji miktarıdır. 7. 2A grubundaki elementlerin değerlik elektron sayısı aynı olduğu hâlde kimyasal özelliklerinde büyük farklılıklar vardır periyot elementlerinden fosfor, kükürt ve klorun oksitleri asidik özellik gösterir. ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) 9. 4A grubu elementleri sadece +4 yükseltgenme basamağına sahip bileşikler oluşturabilir. 10. Değerlik elektron sayısı aynı olan elementler benzer özellik gösterir. ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) 129

130 10. Sınıf Kimya D. Aşağıdaki çoktan seçmeli soruları cevaplayınız. 1. Bir elementin periyodik sistemdeki yerini bulmak için hangisi kullanılamaz? A) Proton sayısı B) Atom numarası C) Çekirdek yükü D) Nötr hâldeki elektron sayısı E) Kütle numarası periyot 3A grubunda bulunan alüminyum elementinin, oksijen elementi ile yaptığı bileşiğin formülü Al 2 O 3 tir. Bileşikteki iyonlar, izoelektronik (eş elektronlu) olduğuna göre O in periyodik sistemdeki yeri neresidir? A) 2. periyot 5A B) 2. periyot 6A C) 2. periyot 7A D) 3. periyot 5A E) 3. periyot 6A 3. Periyodik sistemde aynı periyotta soldan sağa doğru gidildikçe atom yarıçapı küçülürken; I. Metalik özellik II. İyonlaşma enerjisi III. Elektron ilgisi niceliklerden hangisi ya da hangilerinin artması beklenmez? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I, II D) II, III E) I, II ve III 4. Aşağıdaki iyonlardan hangisinin çapı en küçüktür? A) 8 O 2- B) 9 F - C) 11 Na + D) 12 Mg 2+ E) 13 Al Periyodik sistemdeki elementlerin asitlik-bazlık özelliklerinin değişimi ile ilgili verilen aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? 6. A) 2A grubu metal oksitlerinin sulu çözeltileri bazik özellik gösterir. B) NaOH kuvvetli MgOH zayıf bir bazdır. C) SiO 2 bir asidik oksittir. D) Aynı periyotta soldan sağa doğru elementlerin hidroksit bileşiklerinin bazik özelliği artar. E) Al 2 O 3 amfoter oksittir. X Q T Z Y Periyodik sistemde yerleri belirtilen elementlerle ilgili olarak aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Atom yarıçapı en büyük olan Q dur. B) Z ve Y ametaldir. C) Birinci iyonlaşma enerjisi en küçük olan X tir. D) T geçiş metalidir. E) X ile Y, X 2 Y bileşiğini oluşturur. 7. Aşağıda verilenlerden hangisi soy gazlar için hesaplanan yarıçaptır? A) İyon yarıçapı B) Kovalent yarıçap C) Metal yarıçapı D) Van der Waals yarıçapı E) Atom yarıçapı 130

131 2. Ünite Periyodik Sistem 8. X, Y, Z elementleri için; I. X in birinci iyonlaşma enerjisi Y nin birinci iyonlaşma enerjisinden büyüktür. II. Z nin birden fazla yükseltgenme basamağı olabilir. III. Y periyodik sistemin 8A grubundadır. ifadelerinden hangisi ya da hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I, II D) I, III E) II, III 9. X + ve X 2+ aynı elementin iyonları olduğuna göre; I. Kimyasal ve fiziksel özellikleri farklıdır. II. X 2+ nun iyon çapı, X + nun iyon çapından küçüktür. III. Birim elektron başına düşen çekim kuvvetleri farklıdır. ifadelerinden hangisi ya da hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I, II D) II, III E) I, II ve III 10. Periyodik sistem için aşağıdaki ifadelerden hangisi uygun değildir? A) Elementler artan atom numaralarına göre sıralanmıştır. B) Benzer özellik taşıyan elementler aynı düşey sütunda toplanmıştır. C) Değerlik elektron sayıları aynı olanlar aynı periyotta toplanır. D) Yatay sıralara periyot, düşey sütunlara grup denir. E) s ve p bloku elementleri A grubu elementleridir. 11. Aşağıda verilen atom ve iyonların hangisinden elektron koparmak en kolaydır? A) 7 N 3- B) 8 O 2- C) 10 Ne D) 11 Na + E) 12 Mg X, 16 Y, 34 Z elementleri için; I. Farklı periyotlarda bulunurlar. II. Elektron ilgileri X > Y > Z şeklinde sıralanır. III. Birinci iyonlaşma enerjileri X > Z > Y şeklindedir. ifadelerinden hangisi ya da hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) Yalnız III C) I, II D) I, III E) I, II ve III 13. Periyodik sistemle ilgili aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? A) Her periyot bir alkali metalle başlar. B) Birinci periyotta 2 element vardır. C) 7. periyot, 16 gruptan oluşur. D) Benzer kimyasal özellik gösterenler, aynı grupta bulunur. E) Aynı periyottaki elementlerin baş kuantum sayıları aynıdır. 14. Br 2 molekülünde çekirdekler arası uzaklık 228 pm olduğuna göre moleküldeki Br atomunun yarıçapı kaç pm olur? A) 456 B) 220 C) 171 D) 114 E)57 131

132 KİMYASAL TÜRLER ARASI ETKİLEŞİMLER 3. Ünite Güneş sistemini bir arada tutan kuvvet, kütle çekim kuvvetidir. Bu kuvvet sayesinde gezegenler Güneş çevresinde yörüngelerde bulunur. Kimyasal türleri bir arada tutan kuvvet ise elektrostatik kuvvettir. Elektrostatik kuvvet sayesinde de atomlar, moleküller, iyonlar ve radikaller çeşitli şekillerde kombine olarak bir arada bulunurlar. Bu ünitede, kimyasal türler arasındaki etkileşimi inceleyerek bu etkileşimler sonucunda maddenin kimliğinde değişiklik olup olmadığını irdeleyeceğiz.

133 1. BÖLÜM İçerik 1. Kimyasal Türler 2. Kimyasal Türler Arasındaki Etkileşimler 3. Kimyasal Bağların Oluşum Mekanizması 4. Güçlü-Zayıf Bağların Oluşması ve Kopması KİMYASAL TÜRLER VE ETKİLEŞİMLERİ Resimde gördüğünüz muhteşem ışık şölenine güney ışığı (aurora australis) adı verilir. Kuzey yarım kürede oluşan ışık olayına da kuzey ışığı (aurora borealis) denir. Güneşteki şiddetli patlamalar sonucunda saçılan yüksek enerji yüklü tanecikler, Dünya nın manyetik alanının etkisine girdiğinde kutuplara doğru yönelir ve atmosferdeki kimyasal türlere (atom, molekül, iyon, radikal) çarpar. Bu çarpışmalar sonucunda kimyasal türler kazandıkları fazla enerjiyi ışıma ile yayar. Çarpılan kimyasal türe ve çarpma yüksekliğine göre ışımanın rengi değişir. Kutup ışıkları kimyasal türlerin varlığını gösteren bir olaydır. Kimyasal türler bir araya geldiğinde aralarında oluşan etkileşimler her zaman aynı tipte ve aynı güçte midir? Kimyasal türler arasında meydana gelen etkileşimleri nasıl sınıflandırabiliriz? Bu bölümde kimyasal türler arası etkileşimlerin sonucunda ortaya çıkan bağ tiplerini ve farklı tipteki bağların madde özelliklerini nasıl etkilediğini inceleyeceğiz. Güçlü etkileşimlerin yeni kimyasal türler meydana getirdiğini, ancak her etkileşimin kimyasal değişime yol açmayacağını ve maddenin fiziksel hâlinin değişebileceğini göreceğiz.

134 10. Sınıf Kimya Kimyasal Türler Resim Atmosferden bir görünüm Dünyamızı diğer gezegenlerden farklı kılan bir yapı da hiç şüphesiz atmosferinin olmasıdır. Bildiğimiz gibi atmosfer canlılar için yaşanılabilir bir ortam sağlar. Atmosfer tabakasında kimyasal tür olarak adlandırdığımız pozitif ve negatif iyonlar, nötr atomlar, moleküller ve radikaller vardır. Atmosferdeki kimyasal türler yer kabuğunun ve canlıların yapısında hangi şekillerde bulunuyorlar? Acaba birbirleri ile çeşitli şekillerde etkileşerek bütün bir evreni oluşturan kimyasal türleri ayırt edebiliyor muyuz? Bazı kimyasal türleri birbirinden ayırt edebilmek için Lewis yapılarını inceleyelim. Kimyasal Tür Azot (N 2 ) Oksijen (O 2 ) Argon (Ar) Karbon dioksit (CO 2 ) Neon (Ne) Helyum (He) Lewis Yapısı N N O O Ar O C O Ne He Resim Kuzey ışığı olarak adlandırılan ışıma olayı atmosferdeki atom, molekül, iyon ve radikallerden kaynaklanır. Atmosferin bileşimindeki soy gazlar aşağıda verilen Lewis yapılarından da anlaşılacağı gibi en yüksek enerji düzeyinde maksimum sayıda elektron bulundurdukları için kararlıdır ve doğada atom hâlindedir. He Ne Ar Soy gazlardan başka element atomlarını da atoma örnek verebiliriz. Kr H C Cl O 134

135 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Ancak verdiğimiz bu örneklerdeki atomlar, değerlik elektron sayılarından da anlaşılacağı gibi kararsızdır ve doğada tek atom olarak bulunmaları güçtür. Kararlı yapıya ulaşabilmek için birbirleriyle ya da başka kimyasal türlerle etkileşirler. Bu etkileşimler sonucunda her biri bağımsız olma özelliğini kaybederek molekül hâline geçer. N 2, O 2 ve CO 2 bu moleküllere örnek olarak verilebilir. N N O O O C O Lewis yapılarından da anlaşılabileceği gibi atmosferde de bulunan bu moleküller kararlı yapıya sahiptir. Ancak güneşten gelen yüksek enerjili ışın ya da atom altı taneciklerin etkisiyle iyonlara dönüşerek kararsız olurlar. N N 2 N N 2 molekülünün Lewis yapısı; 2 N 2 [ N ] + + 2e - O O [ O O ] + + e - N N veya şeklinde gösterilebilir. N N Cl Cl 2 Cl 2 Cl + 2e - 2 [ Cl ] - Yukarıdaki örneklerde oluşan [ N ] +, [ O O ] + ve [ Cl ] - iyon olduğuna göre N ve Cl hangi kimyasal tür sınıfına girer? Oktetini tamamlamamış Cl, N gibi bir ya da daha fazla ortaklaşmamış elektronu bulunan kimyasal türlere serbest radikaller veya radikaller adı verilir. Radikaller, yüksek enerjili ve kararsız ara ürünlerdir. Radikaller Cl, N, O şeklinde yazılabileceği gibi, ortaklanmamış elektron bir tek noktayla da gösterilebilir. H, Cl, O, N gibi... Molekül tanımına da uyan NO, NO 2, CH 3, OH ve ClO 2 de aynı zamanda radikal sayılabilir. Doğal gaz yakıldığında alev içinde CH 3 ve OH radikalleri geçici yapılar olarak bulunur. Ayrıca OH fotokimyasal tepkimeler sonucunda, atmosferde eser miktarda oluşur. Atmosferde oluşan çoğu tepkimelerde serbest radikaller önemli bir rol oynar. OH + CO CO 2 + H tepkimesindeki gibi bir radikal başka radikallerin oluşumuna da yol açabilir. Serbest radikaller aşağıdaki reaksiyonda olduğu gibi dimerleşerek kararlı molekülleri de oluşturabilir. Resim Füzelerdeki ateşleme sisteminde, hızlı tepkimeye girdikleri için serbest radikaller kullanılır. CH 3 + CH 3 C 2 H 6 Ayrıca iki atomlu moleküllerin yanı sıra çok atomlu moleküller de atomlara veya radikal gruplarına ayrışabilir. H 2 O HO - OH H + OH 2 OH Radikaller, zincirleme reaksiyonların gerçekleştirilmesinde başlatıcı olarak görev yapar (Resim 3.1.3). Bazen istenmeyen reaksiyonlara da sebep olabilirler. 135

136 10. Sınıf Kimya Biliyor musunuz? Serbest Radikaller İnsan vücudunda kendiliğinden veya çeşitli dış etkiler sonucunda ( O, OH, CO gibi) çeşitli radikaller oluşmaktadır. Oluşan radikaller vücutta istenmeyen bazı reaksiyonlara neden olabilir. Özellikle sigara, zirai ilaçlar, petrokimya ürünleri, ilaçlar ve radyasyon gibi etkiler radikallerin vücuttaki oluşumunu arttırmaktadır. Vücudumuzdaki serbest radikaller, vücuttaki hücrelere saldırarak onların tahrip olmalarına neden olur. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Resimde verilen yeryüzü kesitindeki kimyasal türleri atom, molekül, iyon ve radikal olarak sınıflandırıp aşağıdaki tabloya yazınız. CO 2 O 2 H 2 O H O NO 2 Ca Mg, Al Fe N 2 H 2 NO ClO 2 CH 2 O, N, S NO - 2-3, SO 4 H 2 O, Na +, Cl - 2+ CO 2, H 2 O, Mg Atom Molekül İyon Radikal 136

137 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Kimyasal Türler Arasındaki Etkileşimler Aşağıda birbirinden bağımsız olan bir dizi deney örneği verilmiştir. Verilen deneylerde kimyasal türler arasında meydana gelebilecek etkileşimleri inceleyerek bu etkileşimler sırasında türler arasında bağ oluşup oluşmadığını ve yeni kimyasal türlerin ortaya çıkıp çıkmadığını belirlemeye çalışalım. Deney 1: K ile Cl 2 etkileşimi K metali Cl 2 gazı KCl (a) (b) (c) (ç) a) Oda sıcaklığında bir miktar potasyum metali alınıyor. b) Alınan potasyum metali uygun bir kapta erime noktasına kadar ısıtılıyor. c) Eritilen potasyum metali klor gazı bulunduran kabın içine boşaltılıyor. ç) Beyaz renkli KCl kristalleri elde ediliyor. Deney 2: Pb 2+ ile I - nun etkileşimi Pb 2+ I - PbI 2 (a) (b) (c) a) İki ayrı deney tüpünde Pb 2+ ve I - içeren çözeltiler hazırlanıyor. b) Pb 2+ içeren çözelti ile I - içeren çözeltiler karıştırılıyor. c) Sarı renkli PbI 2 katısı elde ediliyor. 137

138 10. Sınıf Kimya Deney 3: HCl ile NH 3 etkileşimi HCl + NH 3 HCl NH 4 Cl NH 3 (a) (b) (c) a) Bir parça pamuğa birkaç damla HCl alınıyor. b) Başka bir parça pamuğa da birkaç damla NH 3 alınıyor. c) NH 3 ve HCl damlatılmış pamuklar cam borunun uçlarına aynı anda kapatılıyor. Cam boruda NH 4 Cl ün beyaz bir halka oluşturduğu görülüyor. Deney 4: H 2 O ve HCl ile Zn etkileşimi Zn metalleri H 2 O HCl çözeltisi H 2 O HCl çözeltisi ZnCl 2 çözeltisi (a) (b) (c) a) İki deney tüpünden birine bir miktar saf su, diğerine HCl çözeltisi konuyor. b) Her iki deney tüpüne de aynı anda bir parça Zn metali atılıyor. c) Saf su bulunan deney tüpünde Zn metalinde herhangi bir değişiklik olmadığı gözlenirken HCl çözeltisi bulunan tüpte ise Zn metalinin HCl çözeltisi ile etkileştiği gözleniyor. Deney 1 de K metali ile Cl 2 gazının etkileşimi sonucunda KCl oluştuğunu gördünüz. Bu olayda K atomları ile Cl atomları arasında kimyasal bağlar oluşmuştur. Oluşan KCl ün kimyasal özellikleri K metali ile Cl 2 gazının kimyasal özelliklerinden oldukça farklıdır. 138

139 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Deney 2 de Pb 2+ ve I - iyonları arasında meydana gelen etkileşimler sonucunda da bir kimyasal bağ oluştuğunu söyleyebiliriz. Pb 2+ ve I - iyonları kimliklerini kaybederek yeni bir kimyasal tür olan PbI 2 oluşmuştur. Deney 3 te HCl molekülleri ile NH 3 molekülleri arasındaki etkileşimler sonucunda yeni bir kimyasal bağ oluşarak NH 4 Cl meydana gelmiştir. Deney 4 te ise H 2 O molekülleri ile Zn metalinin atomları etkileşmemiş ancak HCl molekülleri ile Zn metali atomları etkileşerek yeni bir tür olan ZnCl 2 bileşiğini oluşturmuşlardır. Sonuç olarak kimyasal türler arasındaki etkileşimler sırasında oluşan kimyasal bağlarla yeni kimyasal türler ortaya çıkabilir. Atomlar bağ oluşturmak için bir araya geldikleri zaman, çekirdeklerine en uzakta bulunan elektronlar etkileşir. Dolayısıyla bağlanma için değerlik katmanı ve değerlik elektronları önemlidir. Birbirine yaklaşan kimyasal türler arasında farklı şekilde etkileşimler meydana gelir. Bu etkileşimleri her bir bağımsız türün elektron bulutları ve çekirdekleri arasında meydana gelebilecek itme-çekme kuvvetlerinin şiddetini göz önünde bulundurarak inceleyebiliriz Kimyasal Bağların Oluşum Mekanizması Birbirinden çok uzakta bulunan iki bağımsız kimyasal tür, birbirine yaklaştığında, türlerin elektron bulutları ve çekirdekleri arasında çeşitli elektrostatik etkileşimler meydana gelir. + + Şekil İki bağımsız kimyasal tür arasındaki etkileşimler + atom çekirdeğini elektronu göstermektedir. Yukarıdaki modelde birbirine yaklaşan iki bağımsız kimyasal türün elektron bulutları ve çekirdekleri arasında meydana gelen elektrostatik çekme ve itme kuvvetleri gösterilmiştir. Birbirini itenler ve çekenler için aynı renk ok kullanılmıştır. Bu kuvvetleri şu şekilde de özetleyebiliriz. 1. Negatif yüklü elektronlar birbirini iter. 2. Pozitif yüklü çekirdekler birbirini iter Pozitif yüklü çekirdekler komşu kimyasal türün elektronlarını çeker

140 10. Sınıf Kimya Aynı anda gerçekleşen etkileşimler karşılaştırıldığında çekme kuvvetlerinin itme kuvvetlerine karşı aşırı baskın olduğu durumlarda güçlü etkileşimler oluşur. Güçlü etkileşimlere kimyasal bağ denir. Çekme-itme kuvvetleri farkının küçük olduğu durumlarda ise zayıf etkileşimler meydana gelir. Zayıf etkileşimlere de fiziksel bağ denir. Güçlü Etkileşimler 1. İyonik Bağlar 2. Kovalent Bağlar 3. Metalik Bağlar Zayıf Etkileşimler 1. Van der Waals bağları a. Dipol-dipol bağları b. İyon-dipol bağları c. İndüklenmiş dipol bağları i. İyon-indüklenmiş dipol bağları ii. Dipol-indüklenmiş dipol bağları iii. London kuvvetleri (İndüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol) 2. Hidrojen bağları Güçlü-Zayıf Bağların Oluşması ve Kopması İki veya daha fazla kimyasal tür (farklı ya da aynı olabilir) neden bir araya gelerek yeni kimyasal türler oluşturur? Bütün kimyasal türler birbirleri ile güçlü etkileşim yapabilir mi? Kimyasal türler arasında meydana gelen zayıf etkileşimlerin nedeni türlerin kararlı olabilmek için daha düşük enerjili durumu tercih etmesidir. Örneğin H atomu tek elektrona sahip olduğu için kararsızdır. Kararsız durumda kalabilmesi için yüksek enerji gerekir. Başka bir H atomu ile kimyasal bağ yaparak hem kararlı hem de düşük enerjili hâle gelir. Düşük enerjili hâle geçerken bulunduğu ortama enerji verir. Bu olayı aşağıdaki gibi ifade edebiliriz. H (g) + H (g) H 2(g) kj mol -1 H 2 molekülündeki 1 mol H-H bağını kırarak H atomlarını elde etmek istersek bu defa ortama 436 kj enerji vermemiz gerekir. H 2(g) kj mol -1 H (g) + H (g) Bir kimyasal bağ oluşurken açığa çıkan veya bu bağı kırmak için moleküle verilmesi gereken enerjiye bağ enerjisi denir. Bağ enerjisi kırılan bir mol bağ başına kj (kilojoule) cinsinden verilir. Fiziksel değişmelerde de madde düşük enerjili durumu tercih eder. Bu nedenle katının erimesi, sıvının buharlaşması enerji isteyen değişmelerdir. CH 4(s) + 8,1 kj mol -1 CH 4 (g) Ancak madde gazdan sıvıya, sıvıdan katıya geçerken düşük enerjili hâle geldiği için ortama enerji verir. 140

141 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler CH 4(g) CH 4 (s) + 8,1 kj mol -1 Madde hâl değiştirdiğinde yeni bir kimyasal tür oluşmaz. Bu nedenle bu değişmeler yüksek enerji gerektirmez. Ancak yeni kimyasal türlerin oluştuğu değişimler fiziksel değişmelere göre yüksek enerji gerektirir. Kimyasal türleri birbirinden ayırmak için yaklaşık olarak 40 kj mol -1 veya daha yüksek enerji gerekiyorsa bu türler arasında bağ oluştuğu kabul edilir.zayıf etkileşimleri yenmek için ise yaklaşık 40 kj mol -1 den daha az enerji gerekir. Bunlar moleküller arası etkileşimler olarak da bilinir. Moleküller arası etkileşimlerin gücü maddenin fiziksel hâlini belirler. Aşağıda bazı değişmeler verilmiştir. Bu değişmeler için gerekli olan enerji değerlerine bakarak hangilerinin güçlü etkileşimlerin, hangilerinin zayıf etkileşimlerin kırılması sonucunda oluştuğunu söyleyebilir misiniz? a. Hg (s) + 59 kj mol -1 Hg (g) b. I 2(k) kj mol -1 2I (g) c. NaCl (k) kj mol -1 Na + (g) + Cl- (g) ç. MgO (k) kj mol -1 Mg 2+ (g) + O2- (g) d. Ar (s) + 6,4 kj mol -1 Ar (g) e. N 2(g) kj mol -1 2N (g) f. H 2 O (s) + 43,9 kj mol -1 H 2 O (g) g. H 2 O (g) + 463,4 kj mol -1 2H (g) + OH (g) a, b, c, ç, e ve g değişmelerinin gerçekleşebilmesi için gerekli olan enerji çok yüksek olduğundan bu reaksiyonların güçlü bağların kırılması sonucunda meydana geldiğini söyleyebiliriz. Ayrıca güçlü bağların kırılması sonucunda tepkimeye giren kimyasal türlerin kimliğinin değiştiği de açıkça görülmektedir. d deki değişikliğin gerçekleşmesi için oldukça düşük enerji gerekmektedir. Ayrıca bu değişikliğin sonucunda madde hâl değiştirmiştir. Yeni bir kimyasal tür oluşmamıştır yani madde kimliğini korumuştur. f deki değişikliğin gerçekleşmesi sırasında güçlü etkileşimlerin mi yoksa zayıf etkileşimlerin mi kırıldığını söyleyebilmek için yalnızca enerji değişikliğine bakmak yeterli olmayacaktır. Çünkü bu değişim esnasında kimyasal bağlar kırılmamıştır. H 2 O sıvı hâlden gaz hâle geçmiştir. Bu nedenle f deki değişim de zayıf etkileşimlerin kırılması sonucunda meydana gelmiştir. Sonuç olarak kimyasal bağlar oluştuğunda veya koptuğunda yeni kimyasal türler meydana geldiği için maddenin kimliği değişir. Fiziksel bağlar oluştuğunda veya koptuğunda ise maddenin fiziksel hâlinde değişiklik olur ancak kimliğinde değişiklik olmaz. 141

142 10. Sınıf Kimya Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Aşağıda bazı bağların oluşumu veya kırılması sırasında gerçekleşen enerji değişimleri verilmiştir. Bu değişimlerden hangilerinin güçlü etkileşimlerin, hangilerinin zayıf etkileşimlerin sonucu olduğunu belirtiniz. a. C 2 H 10 O (s) + 27,1 kj mol -1 C 2 H 10 O (g) b. NaI (k) kj mol-1 Na + (g) + I- (g) c. NaCl (k) kj mol -1 Na + (g) + Cl- (g) ç. Ca 2+ (g) + O2- (g) CaO (k) kj mol -1 d. C 2 H 5 OH (g) C 2 H 5 OH (s) + 6,4 kj mol -1 e. C 6 H 6(s) + 33,8 kj mol -1 C 6 H 6(g) f. 2O (g) O 2(g) kj mol -1 g. HBr (g) kj mol -1 H (g) + Br (g) 2. Yukarıda verilen değişmeler sonucunda oluşan yeni kimyasal türler varsa adlarını aşağıya yazarak bu kimyasal türlerin hangi değişmeler sonucunda oluştuğunu sorgulayınız. 142

143 2. BÖLÜM İçerik 1. İyonik Bağların Sağlamlığı 2. İyonik Bağlı Bileşiklerin Özellikleri 3. Kovalent Bağların Oluşumu ve Orbital Örtüşmesi 4. Kimyasal Bağların İyonik- Kovalent Karakteri 5. Kovalent Bağların Polarlığı 6. Metalik Bağın Oluşumu 7. Metallerin Fiziksel Özelliklerinin Metalik Bağ İle Açıklanması GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER 20 Şubat 1970 de yapımına başlanan ve 30 Ekim 1973 tarihinde açılışı yapılan Boğaz Köprüsü nün uzunluğu 1070 metredir. Asya Kıtası nda Beylerbeyi; Avrupa Kıtası nda Ortaköy e dikilen iki çelik kule iki çelik halat ile birbirine bağlanmıştır. Yıllardır yoğun araç trafiğine açık olan Boğaz Köprüsü nün dayanıklılığının sebepleri neler olabilir? Kuleler ve halatlar neden çeliktir? Çeliği diğer maddelerden farklı kılan özellikler nelerdir? Bu bölümde kimyasal türler arasında meydana gelen güçlü etkileşimlerin ne kadar kuvvetli olduğu, güçlü etkileşim sınıfında yer alan metalik, iyonik ve kovalent bağların nasıl oluştuğu ve de birbirinden nasıl ayırt edilebileceği ile bu bağların maddeye ne gibi fiziksel özellikler kazandıracağını öğreneceksiniz.

144 10. Sınıf Kimya İyonik Bağların Sağlamlığı Resim Demir -çelik fabrikasında elektrik ark ocağı Resim Sıvı çelik Yukarıdaki resimler demir çelik fabrikalarında çekilmiştir. Parlak sarı görünen madde, sıvı çeliktir. Demirin erime noktası yüksek olduğuna göre acaba bu fabrikalarda demiri eritmek için kullanılan fırınları (elektrik ark ocağı) oluşturan maddelerin erime noktaları ne kadar yüksektir? Demir çelik alaşımlarını şekillendirmek için kullanılan kalıplar hangi malzemelerden yapılmıştır? Resim Elektrik ark ocağı yapımında MgO içeren tuğlalar kullanılır. Resim Elektrik ark ocağındaki tuğlaların çelik üretimi sırasındaki görünümü Resim Magnezyum oksit içeren mineral Demir-çelik fabrikalarında demirin eritildiği fırınların yapımında kullanılan malzemenin erime noktasının demirin erime noktasından daha yüksek olması gerekir. Bunun için de demir çelik fabrikalarında kullanılan fırınlar magnezyum oksit içeren tuğlalardan yapılmıştır. Bu tuğlalardan fırın yapımı ve fırınlarda demirin eritilmesi aşamaları Resim ve te görülmektedir. Tablo de göreceğiniz gibi magnezyum oksidin erime noktası oldukça yüksektir. Bunun nedeni ne olabilir? Tablo de bazı iyonik bağlı bileşiklerin erime noktaları verilmiştir. Tabloyu inceleyerek iyonik bağlı bileşiklerde iyonların türü ile erime noktası arasında bir ilişki olup olmadığını söyleyebilir misiniz? 144

145 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Tablo Bazı iyonik bileşiklerin erime noktaları Bileşik Erime Noktası ( o C) NaF 993 NaCl 801 NaBr 750 NaI 662 KCl 772 KBr 735 KI 680 BaO 1918 CaO 2614 MgCl MgO 2852 Tablo deki NaF, NaCl, NaBr ve NaI iyonik bileşiklerinden hangisinde iyonik bağın daha sağlam olduğunu anlayabilmek için bileşiklerin erime noktalarını karşılaştırabiliriz. Bu bileşiklerde aynı Na + ile bağ yapan F -, Cl -, Br - ve I - nun iyon yarıçapı arttıkça erime noktasının azaldığını gözlemleyebiliriz. Bu iyonların yarıçapı arttıkça çekirdek yükünün Na + iyonuna uyguladığı çekim azaldığı için iyonik bağın gücü azalır. K bileşikleri de bu durumu doğrular niteliktedir. CaO ile BaO bileşiklerindeki iyonik bağlardan hangisinin daha sağlam olduğuna karar verebilmek için Ca 2+ ve Ba 2+ iyonlarının iyon yarıçaplarını karşılaştıralım. Bunun için iyon yarıçapı değerlerinden veya elektron sayılarından yararlanabiliriz. Ca 2+ Ba2+ F pm Cl pm Br pm I pm Şekil A grubu element iyonlarının pikometre olarak yarıçapları 20 Ca2+ 18 İyon yükü İyon yarıçapı= 99 pm İyon yarıçapı= 135 pm 20 Ca Ba2+ 54 Aynı yüklü farklı iyon yarıçapına sahip Ca 2+ ve Ba 2+ iyonları O 2- iyonu ile iyonik bağ yapmıştır. Yukarıda verilen iyon yarıçapları ve elektron sayılarından da anlaşılacağı gibi Ca 2+ nun iyon yarıçapı daha küçüktür. Bu nedenle CaO bileşiğindeki iyonik bağ BaO bileşiğindeki iyonik bağdan daha sağlamdır ve erime noktası da daha yüksektir. Atom numarası (proton sayısı) Elektron sayısı MgCl 2 ve MgO in erime noktaları karşılaştırıldığında zıt yüklü iyon çiftleri arasındaki çekim kuvvetinin ametal iyonunun yüküyle arttığı, iyon yarıçapının büyüklüğüyle de azaldığı görülür. Bu Coulomb kanununun doğal sonucudur. Bu nedenle MgO in erime noktası 2852 o C iken MgCl 2 ün erime noktası 714 o C tur. Aynı zamanda MgO bileşiğindeki iyonik bağ MgCl 2 bileşiğindeki iyonik bağdan daha sağlamdır. Şekil Coulomb kanununun matematiksel ifadesi 246 pm 205 pm Cl - Mg O 2-2+ Cl - Mg2+ İyon yarıçapları: Mg 2+ = 65 pm Cl - = 181 pm O 2- = 140 pm 145

146 10. Sınıf Kimya İyonik bileşiklerde hangi iyonik bağın daha sağlam olduğunu anlayabilmek için iyonların yarıçaplarına ve yüklerine bakabiliriz. İyonların yarıçapı arttıkça iyonlar arasındaki elektrostatik çekim gücü azaldığı için iyonik bağın gücü azalır. Ayrıca iyon yükü arttıkça iyonik bağın kuvveti de artar. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıda verilen iyonik bileşiklerin erime noktalarını büyükten küçüğe doğru sıralayarak bağların sağlamlığını karşılaştırınız ( 3 Li, F, Cl, Br, I) LiCl, LiI, LiF, LiBr İyonik Bağlı Bileşiklerin Özellikleri İyonik bileşiklerde zıt yüklü iyonlar arasındaki çekim kuvveti (iyonik bağ) bileşiklerin sertlik, erime noktası ve çözünürlük gibi özelliklerini belirler. İyonik katılara darbe uygulandığında aynı yüklü iyonlar yan yana gelmeye zorlanır. Aynı yükler birbirini iteceğinden iyonik katı kırılır ve şekil verilemez. Bu olay aşağıdaki şekilde de gösterilmiştir (Aynı yüklü iyonlar için aynı renk kullanılmıştır.). Resim İyonik bileşik modeli İyonik katıların büyük bir kısmı suda çözünebilir. MgO ve Ca 3 (PO 4 ) 2 gibi iyon yükü büyük ve iyon yarıçapı küçük olan bazı iyonik katılar çözünürlükleri çok az olduğundan suda çözünmez olarak nitelendirilebilir. İyonik bağlı bileşikler katı hâldeyken iyonlar serbest hareket etmediğinden elektriği iletemez. Ancak iyonik katı, suda çözündüğünde iyonlar su molekülleri tarafından sarılarak birbirinden ayrılır ve serbest hareket eder hâle gelir. Bu serbest hareketli iyonlar çözeltinin elektriği iletmesini sağlar. Sonuç olarak elektriği ileten (elektrolit) çözelti meydana gelir. İyonik katılar eritildiği zaman da iyonlar serbest duruma gelir. Böylece iyonik katıların sıvı hâlleri de elektriği iletir. Biliyor musunuz? Resim İnsan iskeleti İskeletimiz Ca 3 (PO 4 ) 2 tan oluşur. Ca 3 (PO 4 ) 2 ta +2 yüklü kalsiyum iyonları ile -3 yüklü fosfat iyonları birbirini kuvvetle çektikleri için suda çözünmeyen sert bir yapı oluşturur. Ca 3 (PO 4 ) 2 suda çözünseydi iskeletimiz vücut sıvısında bile çözünebilirdi. Ancak şunu unutmamak gerekir ki bizim çözünmez olarak kabul ettiğimiz birçok madde suda eser miktarda çözünebilir. Her gün az miktarda Ca 3 (PO 4 ) 2 da vücudumuzda çözünür. Çözünen Ca 3 (PO 4 ) 2 ın yerine yenisinin oluşabilmesi için günlük olarak yeterli miktarda kalsiyum almalıyız. 146

147 3.2.3 Kovalent Bağların Oluşumu ve Orbital Örtüşmesi Aynı hâlde bulunan iki ametal atomu birbirine yaklaştığında çekirdekleri arasında elektron yoğunluğu artar. Artan elektron yoğunluğu, negatif bir yük olup pozitif yüklü çekirdekleri çeker. Sonuç olarak çekirdekler arasında elektron yoğunluğunun artması kimyasal bağı oluşturur. İki atom tarafından iki veya daha fazla elektronun ortaklaşa kullanılması ile kovalent bağ oluşur. İki atom arasında gerçekleşen kovalent bağı göstermek için atomlar arasında paylaşılan elektron çifti, tek bir çizgi ile gösterilir (H H, H HCl, H Br gibi). Kimyasal bağları çizgilerle ifade etmek bize gösterim kolaylığı sağlar. Ancak hiçbir kimyasal bağ türünde bizim gündelik hayatta algıladığımız biçimiyle bir bağlanma gerçekleşmez. Kimyasal bağ dendiğinde algılamamız gereken elektrostatik çekim kuvvetidir. Birbirine yaklaşan H atomları arasında çekme kuvvetleri baskın olduğu için güçlü bir etkileşim (kimyasal bağ) oluşur. Bu oluşum aşağıdaki şekilde gösterilebilir. 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Hidrojende s orbitali yarı dolu (1 elektron daha alabilir) hâlde bulunmaktadır. Hidrojen atomu 1 elektrona sahiptir ve bu elektronun bulunma ihtimalinin yüksek olduğu bölge 1s orbitalidir. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi iki hidrojen atomu birbirine yaklaştığında 1s orbitalleri birbiri içine girmeye başlar. Bu olaya orbitallerin örtüşmesi denir. Pozitif yüklü iki çekirdek arasında negatif yüklü elektron yoğunluğu artacağından çekim kuvveti artar. Böylece kovalent bağ oluşur. H atomunun 1s orbitali H atomunun 1s orbitali H atomlarındaki 1s orbitallerinin örtüşmesi H 2 molekülündeki orbital Hidrojen atomunun helyum elektron dizilimine ulaşması için s orbitallerinin örtüşmesi yeterlidir (Dublet Kuralı); ancak hidrojen dışındaki atomlar en yüksek enerji düzeyindeki elektron sayısını sekize tamamlayıncaya kadar bağ oluşturma eğilimi gösterir (Oktet Kuralı). Bunun için s ve p orbitalleri de birbirleriyle örtüşebilir. Örneğin, HCl molekülü oluşurken hidrojenin yarı dolu 1s orbitali ile klorun 3p deki yarı dolu orbitali örtüşür ve hidrojen atomu ile klor atomu arasında kovalent bağ oluşur. 147

148 10. Sınıf Kimya 1 H : 1s1 Cl : 17 1s2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 HCl oluşumu H atomunun 1s orbitali Cl atomunun yarı dolu 3p orbitali Hidrojenin 1s orbitali ile klorun 3p orbitalinin örtüşmesi HCl molekülündeki örtüşen orbital Cl 2 molekülü oluşurken klor atomlarının 3p orbitalleri aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi örtüşür ve Cl atomları arasında kovalent bağ oluşur. 17 Cl : 1s2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 17 Cl : 1s2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Cl 2 molekülü oluşumu Cl atomunun yarı dolu 3p orbitali Cl atomunun yarı dolu 3p orbitali 3p-3p orbitallerinin örtüşmesi Cl 2 molekülündeki kovalent bağın oluşumu 148

149 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler 1 H : 1s1 Oksijen atomunda iki tane yarı dolu p orbitali bulunur. Bu nedenle oksijen atomunun su molekülünü oluştururken iki tane hidrojen atomu ile bağ yapması gerekir. Hidrojen atomunun yarı dolu s orbitali ile oksijen atomunun yarı dolu p orbitalleri örtüşür ve H 2 O molekülü oluşur. 8 O : 1s2 2s 2 2p 4 1 H : 1s1 H 2 O molekülünün oluşumu H atomlarının yarı dolu s orbitalleri Oksijen atomunun dolu p orbitali Oksijen atomunun yarı dolu p orbitalleri Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Aşağıda verilen kovalent bağlar oluşurken atomların hangi orbitalleri örtüşür? Karşılarına yazınız. ( 1 H, 7 N, 8 O, 9 F, 35 Br) Kovalent Bağlar H F H Br N N O O 2. Kovalent bağ oluşurken örtüşen orbital sayısı ile bağ sayısı arasında nasıl bir ilişki vardır? Açıklayınız Kimyasal Bağların İyonik - Kovalent Karakteri İyonik bağ, Na ve Cl gibi elektronegatiflikleri çok farklı atomlar arasında; kovalent bağ ise elektronegatiflikleri aynı veya yakın atomlar arasında gerçekleşir. Gerçekte ise bir kimyasal bağ, iyonik bağla kovalent bağ arasında özellikler taşır. Bir kimyasal bağda elektronlar elektronegatifliği yüksek olan atomun çekirdeği tarafından daha kuvvetli çekilir. 149

150 10. Sınıf Kimya Dolayısıyla elektronun elektronegatifliği yüksek olan atoma daha yakın bölgede bulunma olasılığı daha fazla olur. Örneğin HF molekülünde F un elektronegatifliği yüksek olduğu için ortaklaşa kullanılan elektronların F a yakın bölgede bulunma olasılığı daha fazladır. H F + yüklü iyon - yüklü iyon Şekil İyonik bağ oluşturan iyonlar Şekil Atomlar arasındaki elektronegatiflik farkı nedeniyle iyon şekillerinin bozulması Yukarıdaki şekil HF molekülündeki elektron yoğunluğu dağılımını göstermektedir. Hidrojen atomu ile F atomu arasında ortaklaşa kullanılan elektronların her iki atom tarafından da eşit kuvvetle çekildiğini söyleyebilir miyiz? Hidrojen atomunun elektronegatifliği 2,1; F un elektronegatifliği ise 4,0 olduğuna göre HF molekülünde ortaklaşa kullanılan elektronlar, F atomu etrafında daha çok vakit geçireceklerdir. Bu nedenle hidrojen atomu F atomuna elektron vermiş gibi davranacak ve hidrojen atomu tarafında geçici pozitif yük oluşacaktır. Aynı şekilde F atomu da elektron almış gibi davranacak burada ise geçici negatif yük oluşacaktır. Bu durumda H F bağının biraz da iyonik bağ karakteri taşıdığını yani %100 kovalent olmadığını söyleyebiliriz. Kısacası farklı tür atomlar arasındaki bir kimyasal bağın kesinlikle kovalent ya da kesinlikle iyonik karakter taşıdığını söylemek doğru değildir. Bu nedenle bir kimyasal bağın iyonik mi yoksa kovalent mi olduğunu tanımlamak için % iyonik karakter tanımı kullanılır. Bağ yapan iki atom arasındaki elektronegativite farkı çok küçükse bağ oldukça kovalenttir, elektronegativite farkı çok büyükse bağ oldukça iyoniktir. Aşağıda tabloda verilen bileşikleri oluşturan atomlar arasındaki bağın iyonik-kovalent karakterlerini tartışınız. Şekil Polar kovalent bağ Tablo Bazı bileşikler ve bu bileşikleri oluşturan atomlar arasındaki elektronegatiflik farkı Bileşikler Atomların Elektronegatiflikleri Elektronegatiflik Farkı AgF Ag: 1,9 F: 4,0 2,1 Şekil Apolar kovalent bağ AgCl Ag: 1,9 Cl: 3,0 1,1, AgBr Ag: 1,9 Br: 2,8 0,9 AgI Ag: 1,9 I: 2,5 0,6 *Elektronegatiflik değerleri Pauling skalasına göre yazılmıştır. Kimyasal bağları oluşturan atomların elektronegatiflikleri arasındaki fark büyüdükçe bağın iyonik karakteri artar. Bu durumda Tablo de verilen bileşikleri iyonikten kovalente doğru sıralayalım. AgF AgCl AgBr AgI İyonik kısmen iyonik polar az polar 150

151 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Tablo Bazı bileşikler ve bu bileşikleri oluşturan atomlar arasındaki elektronegatiflik farkı Bileşikler Atomların Elektronegatiflikleri Elektronegatiflik Farkı NaF Na: 0,9 F: 4,0 3,1 MgF 2 Mg: 1,2 F: 4,0 2,8, AlF 3 Al : 1,5 F: 4,0 2,5 SiF 4 Si : 1,8 F: 4,0 2,2 PF 5 P : 2,1 F: 4,0 1,9 SF 6 S : 2,5 F: 4,0 1,5 ClF 7 Cl : 3,0 F: 4,0 1,0 Tablo te verilen bileşikleri oluşturan atomların elektronegatiflik farklarından yararlanarak bileşiklerdeki bağları iyonikten kovalente doğru sıralayalım. NaF MgF 2 AlF 3 SiF 4 PF 5 SF 6 ClF 7 İyonik (çok polar) Kovalent (az polar) Bu seride ClF 7 molekülünü incelediğimizde Cl F bağının az polar olduğunu görmekteyiz. Oysa Cl F bağını oluşturan atomların elektronegatiflik farkı ile AgCl ü oluşturan atomların elektronegatiflik farkını karşılaştırdığımızda aralarında büyük bir fark olmadığını görürüz. Ag Cl bağının ise kısmen iyonik olduğunu söylemiştik. O hâlde iyonik - kovalent bağ tiplerini kesin bir sınırla ayırmak doğru değildir. Ancak verilen bileşikleri kendilerini oluşturan atomların elektronegatiflik farkına bakarak iyonikten kovalente doğru sıralayabiliriz. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıda verilen elementlerden oluşabilecek bileşiklerin formüllerini tabloya yazınız. Tabloda verilen atom numaralarından faydalanarak bu bileşiklerde baskın olan bağ karakterinin iyonik mi yoksa kovalent mi olduğuna karar veriniz. Kararınızın nedenini belirtiniz. ( 11 Na, 8 O, N, C, Mg, H, Cl) Bileşik Formülü NaCl İyonik Bağ x Kovalent Bağ Neden H 2 x 151

152 10. Sınıf Kimya Şekil Metal levhalara elektriksel alan uygulanmadığında dipollerin hareketi Şekil Metal levhalara elektriksel alan uygulandığında dipollerin hareketi Tablo Bazı atomların elektronegatiflikleri Atom Elektronegatiflik H 2,1 F 4,0 C 2,5 K 0,8 N 3,0 P 2,1 Cl 3,0 Ca 1,0 B 2,0 O 3, Kovalent Bağların Polarlığı Halat çekme oyununda, fiziksel olarak güçlü olan taraf halatı kendine doğru daha fazla çeker. Bu oyunda karşılıklı tarafları atom; ortadaki halatı elektron olarak düşünebiliriz. Kovalent bağı oluşturan farklı türdeki atomlar ortaklaşa kullanılan elektronları eşit kuvvetle çekemez. Elektronegatiflikleri farklı atomlar arasında oluşan kovalent bağlarda elektronegatifliği yüksek olan atom d- (kısmi negatif) yükle; elektronegatifliği düşük olan atom ise d+ (kısmi pozitif) yükle yüklenir. Bu nedenle çoğu molekül, pozitif ve negatif olmak üzere iki kutuplu (dipolar) yapıya sahiptir. F 2 HF CsF Elektronegatiflik 4,0-4,0 = 0 4,0-2,1 = 1,9 4,0-0,7 = 3,3 farkı Bağ türü: Apolar kovalent Polar kovalent İyonik bağ F 2 molekülünde elektronlar iki flor atomu arasında eşit şekilde paylaşılır. Bu yüzden F 2 molekülü apolar kovalenttir. HF de flor atomunun elektronegatifliği hidrojenden fazla olduğu için elektronlar moleküldeki atomlar tarafından eşit kuvvetle çekilemez, bağ polardır. Elektronegativitesi büyük olan flor atomu elektron yoğunluğunu elektronegativitesi daha düşük olan hidrojen atomundan daha fazla çeker. Böylece hidrojen atomundaki elektron yoğunluğunun bir kısmı flor atomuna doğru çekilir. Kısmi olarak flor atomunda negatif, hidrojen atomunda pozitif yük oluşur. Bu durum H d+ F d- şeklinde gösterilir. CsF de elektronegatiflik farkı çok büyük olduğundan sezyumun elektronunu tamamen flor atomuna verdiği kabul edilir. Bunun sonucunda Cs + ve F - iyonları arasında iyonik bağ oluşur. Herhangi bir elektriksel alanda polar bir molekülün kısmi negatif yüklü ucu pozitif kutba; kısmi pozitif yüklü ucu ise negatif kutba yönelir (Şekil 3.2.8). Bununla beraber moleküllerin kinetik enerjileri nedeniyle bu yönelme pek düzgün değildir. Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Tabloda verilen, kimyasal türlerde gösterilen kovalent bağların polar olup olmama nedenlerini karşılarına yazınız. Bileşik Kovalent bağ Polar / Polar değil (Neden) HCl H Cl Cl 2 Cl Cl N 2 N N NH 3 N H 2. Atomların yanda verilen elektronegatiflik değerlerinden yararlanarak aşağıda verilen bağların polarlıklarını büyükten küçüğe doğru sıralayınız. H F K F C H N H Ca Cl C N P O 3. Aşağıda verilen kimyasal bağ çiftlerinden hangi bağ daha polardır? Her moleküldeki kısmi negatif yüklü atomu Tablo ü kullanarak belirtiniz. a) B Cl C Cl b) P F P Cl 152

153 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Metalik Bağın Oluşumu Metal metal atomları arasında elektron alışverişi veya ortaklaşması olmadığına göre metal atomları nasıl bir arada durur? Metallerin iyi iletken olmasının nedenleri nelerdir? Günlük yaşamda oldukça geniş kullanım alanına sahip metallere kullanılabilirlik sağlayan özellikler nelerdir? Metal atomlarının en son enerji katmanında bulunan elektronları çekirdek tarafından kuvvetle çekilmez. Metaller, değerlik elektronlarını vererek soy gaz enerji düzeyine benzemeye çalışır. Bu nedenle metal atomlarının değerlik elektronları diğer element atomlarının elektronlarına göre daha serbesttir ve daha fazla hareket edebilir. Metallerde değerlik elektron sayısından daha fazla boş değerlik orbitali vardır. Bu özellik sayesinde birden fazla metal atomu bir arada bulunduğunda değerlik elektronları hem ait oldukları atomların boş değerlik orbitallerine hem de komşu atomların eş enerjili boş değerlik orbitallerine rahatlıkla geçebilir. Böylece hareketli elektronlar adeta bir elektron denizi oluşturur. Negatif yüklü elektronların oluşturduğu elektron denizi, metal iyonlarını bir arada tutar (Şekil 3.2.9). Pozitif ve negatif yükler birbirine eşittir. Bu elektron denizi ile pozitif metal iyonları arasındaki elektrostatik çekime metalik bağ denir. Metal atomları bir araya geldiğinde (metalik bağda) ortamda hareket eden değerlik elektronları ve değerlik elektronunu vermiş gibi davranan metal katyonu bulunur. Elektron Metal iyonu Şekil Metal bağlarını gösteren model (-) Elektron (+) Metal iyonu Şekil Metalik bağ modeli Şekil da anlaşılacağı üzere metalik bağ (-) yüklü elektron denizinde yüzen (+) yüklü katyonlar olarak açıklanır. Metallerin en önemli özellikleri, ısı ve elektrik iletkenliğine sahip olmalarıdır. Bu iletkenliğin sebebi, tüm yapıya dağılan hareketli elektronlardır. Resim Altın tozu Metallerin Fiziksel Özelliklerinin Metalik Bağ İle Açıklanması Görebilmemiz için ışığa ihtiyaç vardır. Işığın mutlaka yansıyarak gözümüze gelmesi gerekir. Cama baktığımızda (cam yüzeyinde herhangi bir engel yok ise) arkasını rahatlıkla görebiliriz. Aynalarda da cam kullanılır. Fakat aynaya baktığımızda (camdan farklı olarak) cam yüzeyin arkasındakileri değil kendi görüntümüzü görürüz. Aynada görüntü oluşumunu sağlayan olay nedir? Metallerin genellikle parlak gri renkte olmalarına karşın bakırın kırmızı, altının sarı renkte olmasının nedeni nedir? Resim Bakır tel 153

154 10. Sınıf Kimya gelen ışınlar Şekil Metal yüzeyde ışığın yansıması yansıyan ışınlar Şekil Metallere güç uygulandığında metal atomları ve elektron denizi kolaylıkla birbirinin üstünden kayacağı için metaller kırılmaz. Metaller, elektron hareketliliğinden dolayı önemli özellikler kazanır. Bu özelliklerden biri metalik parlaklıktır. Dışarıdan gelen ışın demeti metal yüzeye çarptığında ışının oluşturduğu elektriksel alan metaldeki serbest elektronları yüksek enerji katmanına uyarır. Kısa bir sürede eski enerji katmanına dönen bu uyarılmış elektronlar, soğurdukları ışının tamamını geri yayar. Metal yüzeylerin parlak olmasının nedeni gelen ışının yansımasıdır. Bu olay yandaki şekilde gösterilmektedir. Bakırın kırmızı, altının sarı renkte olmasının nedeni, bu metallerin görünür ışıktaki bu renklerden birini yansıtırken diğerlerini soğurmasıdır. Gelen ışın demeti ile bir üst enerji düzeyine uyarılan elektronlar, gelen ışın ile aynı frekansta ışın yayar. Bir aynadaki görüntünün yansıyan nesne ile tamamen aynı oluşunu bu şekilde açıklayabiliriz. Aynada görüntü oluşmasına neden olan olay, aynayı oluşturan metal film içindeki hareketli elektronların yansıtılan renklere uygun frekanslarda titreşim hareketi yapmasıdır. Metallerin bir özelliği de tel ve levha hâline getirilebilmeleridir. Metal katyonları, elektron denizi ile sarılı olduğu için dışarıdan bir darbe uygulandığı zaman katyon komşu atomlar tarafından itilebilir. Bu durum Şekil de görülmektedir. Elektron denizi, iyonik katıların aksine darbe altında kolayca kayar ve metal kristalleri parçalanmadan şekil değiştirebilir. Kovalent bağlı kristallerde ise şekil değiştirme, kristaldeki kovalent bağların kırılmasıyla gerçekleştiği için kristal parçalanır. Metalik bağların hâkim olduğu katılarda, dış zorlamalarla metal atomlarının yeri değişince metalik bağ kopmayacağı için metaller esnektir, dövülebilir ve çekilebilir. Kısacası metaller şekillendirilebilir. Tablo te verilen 1A grubu metallerinin erime noktalarına ve sertliklerine bakarak metalik bağın sağlamlığı hakkında yorum yapabiliriz. Li den Cs a doğru gidildikçe (atom hacmi arttıkça) erime noktası ve sertliği küçüldüğüne göre metalik bağ kuvvetinin azaldığını söyleyebiliriz. Tablo grup metallerinin erime noktaları ve sertlikleri Metal Erime Noktası ( o C) Sertlik (Mohs skalasına göre) Li 181 0,6 Na 98 0,5 K 64 0,4 Rb 39 0,3 Cs 29 0,2 154

155 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Tablo da verilen 4. periyot metallerinin erime noktalarına ve sertliklerine bakarak metalik bağ sağlamlığını güçlüden zayıfa doğru sıralayınız. 4. periyot geçiş metallerinin katman elektron dizilimlerini inceleyerek erime noktaları ve sertliklerinin 1. grup metallerinin erime noktaları ve sertliklerinden yüksek olmasının nedenlerini tartışınız. Tablo periyot geçiş metallerinin değerlik katman elektron dizilimleri, erime noktaları ve sertlikleri Metal Değerlik katman elektron dizilimleri Erime Noktası ( o C) Sertlik (Mohs skalasına göre) 21 Sc [ 18 Ar] 4s 2 3d Ti [ 18 Ar] 4s 2 3d ,0 23 V [ 18 Ar] 4s 2 3d ,7 24 Cr [ 18 Ar] 4s 1 3d ,5 25 Mn [ 18 Ar] 4s 2 3d ,0 26 Fe [ 18 Ar] 4s 2 3d ,0 27 Co [ 18 Ar] 4s 2 3d ,0 28 Ni [ 18 Ar] 4s 2 3d ,0 29 Cu [ 18 Ar] 4s 1 3d ,0 30 Zn [ 18 Ar] 4s 2 3d ,5 155

156 10. Sınıf Kimya Geçiş metallerindeki kimyasal bağ metalik karakterin yanı sıra kovalent karakter de gösterir. d orbitallerindeki eşleşmemiş elektron sayısı arttıkça kovalent karakter artar. Resim Çinko Tablo daki değerlik katman elektron dizilimlerinde görüldüğü gibi 23 V da d orbitallerindeki eşleşmemiş elektron sayısı 3 tür ve d orbitalleri örtüşerek kovalent bağ yapabilir. Cr ve Mn da ise daha fazla eşleşmemiş elektron olmasına rağmen bu elementler V dan daha düşük erime noktasına sahiptir. Bunun nedeni ise Cr ve Mn ın yarı küresel elektron dizilişine ulaşmış olması ve d orbitallerindeki elektronların kovalent bağ yapımına katılmamasıdır. Mn dan Zn ya doğru gidildikçe d orbitallerindeki eşleşmiş elektron sayısı artmaktadır. Eşleşmemiş elektron sayısı azaldıkça erime noktası ve metalik sertlik de azalmaktadır. Zn da tam küresel simetriye ulaşıldığı için Zn daki metalik bağ kovalent karakter içermez. Bu nedenle 4.periyot geçiş metalleri içinde Zn nun erime noktası en küçüktür. Aşağıda çeşitli katıların elektrik iletkenlikleri verilmiştir. Tablo yi inceleyerek elektrik iletkenliği ile bağ türü arasında ilişki kurulup kurulamayacağını tartışınız. Tablo Bazı katıların elektrik iletkenliği Katı Bağ türü İletkenlik (ohm cm -1 ) Gümüş Metalik 6,3x10 5 Bakır Metalik 6,0x10 5 Sodyum Metalik 2,4x10 5 Çinko Metalik 1,7x10 5 Sodyum klorür İyonik 10-7 Elmas Kovalent Kuartz Kovalent Bazı katıların elektrik iletkenliğini incelediğinizde metallerin elektrik iletkenliğinin iyonik ve kovalent bağlı bileşiklerden çok yüksek olduğunu görürsünüz. Bunun nedeni metallerdeki elektron hareketliliğidir. Şekil Metallerde elektrik iletimi Metal atomlarındaki hareketli elektronların metallere kazandırdığı diğer bir özellik de iletkenliktir. Metallere elektriksel akım uygulandığında hareketli elektronlar bu akımı komşu elektrona iletir. Bu iletme olayı metalin içinden akım geçinceye kadar devam eder. Bu olay yukarıdaki şekilde gösterilmiştir. 156

157 3. BÖLÜM İçerik 1. Kalıcı ve İndüklenmiş Dipoller (Van der Waals Bağları) 2. Dipol-Dipol Kuvvetleri 3. Geçici Dipoller Arasındaki Bağlar 4. İyon-Kalıcı Dipol ve İyon-İndüklenmiş Dipol Etkileşimleri 5. Hidrojen Bağı 6. Hidrojen Bağının Maddenin Fiziksel Özelliklerine Etkisi 7. Kimyasal Türler Arasındaki Etkileşim Tiplerinin Belirlenmesi ZAYIF ETKİLEŞİMLER Yukarıdaki resimde oldukça uzun gövdeye sahip bir ağaç türünü görüyorsunuz. Bu ağacın bu kadar uzun bir gövdeye sahip olmasına rağmen yapraklarının oldukça canlı olması dikkatinizi çekiyor mu? Yaprakların canlılığını sağlayan su, acaba bu yapraklara nasıl iletilir? Sıvıları bir arada tutan ve onların fiziksel özelliklerini belirleyen kuvvetler nelerdir? Gaz moleküllerinin düşük sıcaklık ve yüksek basınçta bir araya gelerek sıvı damlacıkları oluşturduklarını biliyorsunuz. Gaz taneciklerinin bir araya gelerek sıvı oluşturmasını sağlayan kuvvetler neler olabilir? Bu kuvvetler nasıl oluşur ve kimyasal türler arasında ne kadar etkilidir?

158 10. Sınıf Kimya Kalıcı ve İndüklenmiş Dipoller (Van der Waals Bağları) HF ve IF gibi moleküllerde atomlar arasındaki elektronegatiflik farklı olduğu için bu atomlar arasında oluşan kimyasal bağ, polar kovalent bağdır. Polar kovalent bağlarda d+ ve d- kutupların oluşacağından bahsetmiştik. Elektronegatiflikleri farklı iki atom arasında oluşan polar kovalent bağlar sonucunda molekülde oluşan d+ ve d- kutuplara kalıcı dipol denir. HCl, HBr gibi elektronegatiflikleri farklı moleküller polar moleküllerdir. Aynı elementin atomlarını içeren iki atomlu moleküller ise polar olmayan moleküllerdir. Örneğin H 2, O 2 ve F 2 polar değildir. Resim Van der Waals ( ) Hollandalı fizikçi Üç ya da daha çok atomdan oluşan moleküllerin polar olup olmadığını anlayabilmek için molekül geometrisinin de bilinmesi gerekir. Aşağıda verilen CO 2, BF 3, H 2 O gibi moleküllerin molekül geometrisini inceleyerek hangi moleküllerde kalıcı dipol karakter bulunabileceğini belirtelim. O C O F F B F H O H CO 2 molekülünde C atomunun elektronegatifliği 2,5; oksijen atomunun elektronegatifliği 3,5 olduğundan elektron yoğunluğu oksijen atomlarına doğru kaymıştır. Ancak molekül doğrusal olduğundan ve iki taraftaki çekim gücü de eşit olduğu için bu kuvvetler birbirini etkisiz hâle getirir. Bu nedenle, CO 2 molekülünde kalıcı dipoller oluşamaz. BF 3 molekülü düzlem üçgen şeklindedir. F atomunun elektronegatifliği 4,0; B atomunun elektronegatifliği 2 olduğu için elektron yoğunluğu F atomları tarafında daha fazla olur. Molekül geometrisi düzlem üçgen olduğundan elektron yoğunluğu simetrik dağılır. Bu nedenle BF 3 molekülünde kalıcı dipoller oluşmaz, molekül apolardır. H 2 O molekülünde ise oksijen atomunun elektronegatifliği 3,5 hidrojen atomunun elektronegatifliği 2,1 olduğundan elektron yoğunluğu oksijen atomları tarafındadır. Buradaki elektriksel kuvvetler molekül geometrisinden dolayı dengelenemez. Bu nedenle oksijen atomu tarafı d-, hidrojen atomu tarafı d+ yükle yüklenir. Bu nedenle molekülde kalıcı dipoller oluşur. H 2, F 2 ve Cl 2 gibi aynı atomdan oluşan moleküllerde özellikle de He, Ne ve Ar gibi soy gazlarda elektron yoğunluğu eşit olarak dağılır. Bu nedenle de kalıcı dipollerin oluşmasını beklemeyiz. Etki ile elektriklenme sonucunda yüksüz bir cismin elektrikle yüklenebileceğini biliyorsunuz. Bu bilgiler ışığında He atomuna aşağıdaki etkiler yapıldığında He atomunun yük dağılımında meydana gelebilecek değişiklikleri tartışınız. a. He b. He Cam çubuğa He atomu yaklaşıyor. Ebonit çubuğa He atomu yaklaşıyor. 158

159 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler c. He He He atomları çarpışıyor. ç. He d+ d- d+ He atomuna H 2 O molekülü kısmi pozitif yüklü ucu ile yaklaşıyor. d+ d. He d- d+ He atomuna H 2 O molekülü kısmi negatif yüklü ucu ile yaklaşıyor. Herhangi bir anda elektronların, ait olduğu atomun ya da molekülün bir bölgesine yığılma ihtimali vardır. Bu nedenle apolar olan tanecikler polar yapı kazanabilir. Bu durumda geçici dipol yapı oluşur. Elektronların bir bölgede yığılma ihtimali, komşu taneciklerin yükleri nedeniyle veya taneciklerin çarpışması sonucunda ortaya çıkabilir. Bu şekilde ortaya çıkan dipollere indüklenmiş dipol denir. Yukarıdaki olaylar sonucunda He atomlarında indüklenmiş dipoller oluşur. Elektron sayısı arttıkça molekülün kutuplanabilirliği (polarlanabilirliği) artar. Yukarıda He atomu yerine Ar atomu kullanılsaydı He atomuna göre Ar atomunun kutuplanabilirliği daha fazla olurdu. Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Aşağıda verilen apolar bileşikleri artan kutuplanabilirliklerine (polarlanabilirliklerine) göre sıralayınız. ( 1 H, 6 C, 18 O, 17 Cl, 36 Kr) H Cl a) H C H b) Cl C Cl c) Kr ç) O C O H Cl d) O O e) H H 2. Aşağıda molekül geometrileri verilen moleküllerde kalıcı dipoller mi geçici dipoller mi oluşur? Belirtiniz. O S O F O F H H C H H 159

160 10. Sınıf Kimya Dipol-Dipol Kuvvetleri Polar iki molekül, birbirine yaklaşırken aralarında ne gibi etkileşimler olmasını beklersiniz? Bu etkileşimler molekülün kimliğinde herhangi bir değişim meydana getirebilecek güçte midir? Dipoller, çeşitli şekillerde yönlenebilir. İki polar molekül, yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi birbirine yaklaşırken birinin pozitif kutbu ile diğerinin negatif kutbu arasında elektrostatik bir çekim kuvveti oluşur. Bu şekilde polar moleküller arasında oluşan etkileşimlere dipol-dipol kuvvetleri denir. Fakat bu etkileşim polar moleküllerdeki kısmi yüklerden kaynaklandığı için zıt yüklü iyonlar arasında gerçekleşen çekim kadar kuvvetli değildir. Ayrıca moleküller, hareket hâlinde olduklarından aralarında gerçekleşen çarpışmalar dipollerin düzgün bir biçimde bir araya gelmesine engel olur. Şekil Su molekülleri sıcaklık ve basınç etkisi ile birbirlerine yaklaştıklarında aralarında dipol-dipol kuvvetleri etkin olur. Aynı zamanda iki polar molekülün aynı yüklü uçları arasında itme kuvvetleri gerçekleşir. Bütün bu sebeplerden dolayı dipol-dipol kuvvetleri iyonik bağ veya kovalent bağ kadar kuvvetli değildir. Ancak güçlü etkileşimlerin %1 i kadar kuvvetlidir. Dipol-dipol etkileşimi sıcaklıktan oldukça etkilenir. Yüksek sıcaklıkta moleküllerin kinetik enerjileri artar, bunun sonucunda da dipol-dipol etkileşimi azalır. Madde hâl değiştirir. Normal şartlar altında gaz hâldeki polar moleküller, birbirinden uzaktadır ve aralarındaki dipol-dipol kuvvetleri çok zayıftır. Gazın basıncı arttıkça moleküller birbirine yaklaşır. Aynı anda ortamın sıcaklığı da düşürülecek olursa polar taneciklerin kinetik enerjisi azalacağı için dipol-dipol etkileşimleri artar. Bu şekilde gazın sıvılaşması hatta katılaşması bile mümkün olur. Dipol-dipol kuvvetlerinin şiddeti, polar maddelerin erime ve kaynama noktalarını belirler. 160

161 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler O C O CO 2 in kaynama noktası, -78 o C iken SO 2 in kaynama noktası - 10 o C tur. CO 2 molekülünün apolar olduğundan daha önce bahsetmiştik. Apolar molekülde, kalıcı dipol oluşması mümkün değildir ancak indüklenmiş dipoller oluşabilir. O S O Yandaki molekülde ise S atomunun elektronegatifliği 2,5; oksijen atomunun elektronegatifliği 3,5 olduğu için oksjien atomlarının olduğu taraflar -d; S atomunun olduğu taraf +d yüklüdür. SO 2 molekülü polardır. SO 2 molekülleri bir araya geldiğinde de zıt kutuplar arasında elektrostatik bir çekim oluşur. Bu elektrostatik çekim, dipol-dipol kuvvetlerinden kaynaklanır. SO 2 molekülleri arasında oluşan dipol-dipol kuvvetleri nedeniyle SO 2 in kaynama noktası, CO 2 in kaynama noktasından yüksektir. Bu durumda kaynama noktası yüksek olan moleküllerde, moleküller arası bağların daha sağlam olduğunu söyleyebilir miyiz? Ayrıca polar moleküllerin arasında oluşan dipol-dipol kuvvetleri sonucunda polar moleküller birbiri içinde çözünür. Etil alkol ve su moleküllerinin her ikisi de polar olduğundan her oranda karışabilirler. Resim Karbon dioksitin süblimleşmesi Geçici Dipoller Arasındaki Bağlar Kimyasal bağ oluşturmadığı için helyumun mutlak sıfır (0 Kelvin) sıcaklığına kadar gaz hâlde kalması beklenebilir. Helyum çok düşük sıcaklıklara kadar gaz hâlde kalmasına rağmen, 4 Kelvin de (-269 o C) yoğunlaşır ve 1 Kelvin de 25 atmosfer basınçta donar. Bu durumda He atomları arasında, çok zayıf da olsa, moleküller arası kuvvetlerin bulunduğu söylenebilir mi? Sıcaklık ve basınç etkisi ile ortam şartları değiştirilerek maddenin fiziksel hâlinde değişiklik meydana getirilir. Moleküller arasındaki etkileşimler olmasaydı maddelerin fiziksel hâli değişebilir miydi? He atomları arasında meydana gelen zayıf etkileşimler, taneciklerin birbiri ile çarpışması sonucunda oluşan geçici (indüklenmiş) dipollerden kaynaklanır. Polar olmayan moleküller arasında çekim kuvvetleri olmasaydı soy gazlar, hidrojen, azot, karbon dioksit veya metan gibi apolar maddelerin sıvı hâle geçmesi mümkün olmazdı. Resim Fritz London ( ) İndüklenmiş dipol- indüklenmiş dipol kuvvetleri, ilk kez Fritz London (Resim 3.3.3) tarafından açıklandığı için bu kuvvetlere London kuvvetleri de denir. London kuvvetleri, elektronların kinetik ve potansiyel enerjiye sahip olmalarından kaynaklanır. Elektronlar, hareket hâlinde olduğundan herhangi bir anda moleküldeki elektron dağılımı düzgün olmayabilir ve molekülde anlık dipoller oluşur. Başka bir anda anlık dipolün yönü farklı olacaktır. Çünkü elektronlar sürekli olarak hareket hâlindedir. 161

162 10. Sınıf Kimya Tablo i inceleyerek London kuvvetleri ile elektron sayısı arasında bir ilişki kurulup kurulamayacağını tartışınız. Tablo Bazı maddelerin kaynama noktaları 7A Grubu Molekülleri Toplam Elektron Sayısı Kaynama Noktası ( 0 C) F Cl Br I Kaynama Soy Elektron Noktası Gazlar Sayısı ( 0 C) He Ne Ar Kr Xe Rn Toplam Kaynama 5A Grubu Elektron Noktası Hidrürleri Sayısı ( 0 C) CH SiH GeH SnH Tablo de soy gazların, halojenlerin ve 5A grubu hidrürlerinin normal kaynama noktaları görülmektedir. Soy gaz moleküllerinin kaynama noktaları karşılaştırıldığı zaman elektron sayısı arttıkça kaynama noktalarının da arttığı görülmektedir. London kuvvetleri elektron hareketliliğine bağlı olduğu için elektron sayısı arttıkça soy gaz molekülleri arasındaki etkileşimler artar. Bunun sonucunda da kaynama noktası artar. Halojenlerde de görüldüğü gibi durum farklı değildir. d+ d- d+ d- Şekil İndüklenmiş dipoller arasında yalnızca çekme kuvveti vardır. London kuvvetlerinin etkisi nedeniyle oda koşullarında F 2 ve Cl 2 gaz hâlde; Br 2 sıvı hâlde; I 2 ise katı hâlde bulunur. 5A grubunun hidrürlerinde de moleküldeki elektron sayısı arttıkça London kuvvetlerinin artmasıyla kaynama noktası yükselmiştir. Apolar moleküllerde yönü sürekli olarak değişen anlık dipoller oluşur. Bu dipollerin zaman içindeki yükleri ortalaması sıfırdır. Anlık dipolü olan molekül ile çevresindeki indüklenmiş dipol arasında bir çekme kuvveti oluşur. İndüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol arasında yalnızca çekme kuvveti vardır. London kuvvetleri indüklenmiş dipoller sonucunda oluştuğu için London kuvvetlerinin etkisi altındaki molekülleri, etkileyenler ve etkilenenler olarak gruplandıramayız. Gruplandırma yapamayışımızın nedeni, anlık dipolün her molekülde oluşması ve çevresindeki molekülleri de indüklemesidir. London kuvvetleri elektron hareketliliğinden kaynaklandığı için, elektron sayısı dolayısıyla atom numarası büyük olan moleküllerde elektron hareketi daha fazla olacağından bu molekülün polarlanabilirliği daha yüksektir. Bu olay, soy gazların atom numarası arttıkça kaynama noktasının neden arttığını da açıklar. İndüklenmiş dipoller arasındaki çekme kuvveti, güçlü olmakla beraber kısa süreli oluştuğu için London kuvvetleri moleküller arası etkileşimlerin en zayıfıdır. Polar moleküller de elektron içerdiğine göre bu moleküller arasında da London kuvvetleri oluşur. Apolar moleküllerde ise yalnızca London kuvvetleri bulunur. Polar moleküller arasında diğer van der Waals bağlarının yanı sıra London kuvvetleri de vardır. Ancak bunlar çoğu zaman ihmal edilebilecek kadar küçüktür. 162

163 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Biliyor musunuz? Politetrafloroetilen, teflon adı ile bildiğimiz bir polimerdir. Teflonda bulunan elektronegatifliği yüksek olan F atomu, çevresindeki elektronların hareketlerini zorlaştırır. Bu nedenle politetrafloroetilen molekülleri arasındaki London kuvvetleri zayıftır. Teflon yüzeyinin yapışmama özelliği bu kuvvetlerin zayıf olmasından kaynaklanır. Kapalı formülleri C 5 H 12 olan, aşağıda açık formülleri ve topçubuk modelleri verilen n-pentan ve neo-pentanın kaynama noktaları arasındaki fark nereden kaynaklanmaktadır? Resim Teflon tava d d n-pentan (C 5 H 12 ) K.N. 36 o C n-pentan molekülü çubuk şeklindedir. d d neo-pentan (C 5 H 12 ) K.N. 9,5 o C neo-pentan molekülü küreseldir. n-pentan uzun ve zincir şeklinde olduğundan daha kolay polarlanabilir. London kuvvetleri bu tipteki moleküller arasında daha etkindir. Neopentanda ise molekül küreseldir ve indüklenmiş dipoller birbirine fazla yaklaşamaz. Küresel moleküllerde London kuvvetlerinin etkisi daha azdır. Polar bir maddenin apolar bir çözücüde çözünmesi veya apolar bir maddenin polar bir çözücüde çözünmesi, dipol-indüklenmiş dipol etkileşimidir. London kuvvetleri (indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol) etkin olan moleküller birbiri içinde daha kolay çözünür. İyot, apolar bir maddedir ve CCl 4 içerisinde çözünerek menekşe rengi bir çözelti oluşturur (Resim 3.3.5). Burada polar molekülün ne kadar güçlü kısmi yükler oluşturabildiği ve apolar molekülün de polarlanabilirliği bu etkileşimin gücünü belirler. Resim İyot suda çözünmediği hâlde CCl 4 de çözünür. 163

164 10. Sınıf Kimya CCl 4 ve HBr ün molekül yapılarını inceleyerek bu moleküller arasında ne tür Van der Waals bağı olabileceğini tartışınız. Cl C Cl Cl Cl H-Br CCl 4 molekülü apolar olduğuna göre moleküller arasında London kuvvetlerinin bulunduğunu söyleyebiliriz. HBr molekülü polar olduğuna göre moleküller arasında yalnızca London kuvvetlerinin var olduğunu söylemek doğru mudur? HBr molekülleri arasında dipol-dipol kuvvetleri de vardır. London kuvvetleri dediğimizde dipol-dipol etkileşimlerinden bahsetmiş olmuyoruz. Yalnızca indüklenmiş dipollerden kaynaklanan kuvvetleri kastetmiş oluyoruz. Moleküller arasında gerçekleşen bütün zayıf etkileşimler (hidrojen bağı hariç), Van der Waals kuvvetleri olarak bilindiğine göre van der Waals kuvvetleri dediğimizde London kuvvetleri de bu alanın içine girecektir. Bu nedenle London kuvvetleri ile Van der Waals kuvvetleri eş anlamlı olarak kullanılmamalıdır. Örneğin ağaç dediğimiz zaman gövdesi, yaprağı ve köküyle bir bütünü algılarız; ancak yaprak dediğimiz zaman bütün bir ağacı algılayamayız. London kuvvetleri de Van der Waals kuvvetlerinin bir kısmıdır. Van der Waals kuvvetleri ise moleküller arasında gerçekleşen zayıf etkileşimlerin tamamıdır. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıda iki farklı izomeri verilen C 4 H 10 moleküllerinden hangisinin kaynama noktası daha yüksektir? bütan (C 4 H 10 ) izobütan (C 4 H 10 ) İyon-Kalıcı Dipol ve İyon-İndüklenmiş Dipol Etkileşimleri NaCl, KBr gibi iyonik katılar, su gibi polar çözücülerde nasıl çözünür? Çözünme olayında da tanecikler arasında herhangi bir etkileşim meydana gelir mi? Bu etkileşimler ne kadar güçlüdür? 164

165 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler NaCl kristali, suya atıldığında polar su molekülleri zıt yüklü uçları ile iyonlara yaklaşır ve onları kristal örgüsünden kopararak ayırır. Bu etkileşim iyon-dipol etkileşimidir. Şekilde gördüğünüz gibi polar su molekülü -d ucu ile pozitif yüklü iyona +d ucu ile de negatif yüklü iyona doğru yaklaşmıştır. Sodyum iyonu Sodyum klorür kristalleri Klorür iyonu Su molekülü İyonik bir maddenin polar olmayan bir çözücüde çözünmesi olayı iyon-indüklenmiş dipol etkileşimidir. CCl 4 gibi apolar olan maddelerde yalnızca indüklenmiş dipoller oluşabileceğinden ve iyon-indüklenmiş dipol etkileşimleri oldukça zayıf olduğundan bu sıvılarda polar moleküllerin çözünürlüğü yok denecek kadar azdır. Apolar maddeler genellikle apolar çözücülerde çözünür Hidrojen Bağı Resim Kar tanesi Kar taneleri neden hegzagonal biçimindedir (Resim 3.3.6)? Göller neden yüzeyden donmaya başlar? Neden buzun yoğunluğu sıvı hâldekinden daha düşüktür? Bu soruların yanıtı moleküller arası etkileşimlerle açıklanabilir mi? 165

166 10. Sınıf Kimya Tablo , 5, 6 ve 7A grubu elementleri 4-A 5-A 6-A 7-A C N O F Si P S Cl Ge As Se Br Sn Sb Te I * Tabloda elementlerin verildiği sütunların renkleri ile grafikte aynı elementin hidrürlerinin kaynama noktası-periyot numarası eğrileri aynı renkle gösterilmiştir. Aşağıdaki grafikte 4, 5, 6 ve 7A grubu bazı elementlerin hidrürlerinin kaynama noktaları verilmiştir. Aynı grupta bulunan elementlerin grupta yukarıdan aşağı doğru atom kütleleri dolayısıyla oluşturdukları hidrürlerinin de molekül kütlesi artar, kaynama noktası da artar. 4A grubu elementlerinin hidrürleri bunu doğrular. Ancak grafikten anlaşılacağı üzere 5, 6 ve 7A gruplarının ilk üyeleri olan N, O ve F elementlerinin hidrürleri bu kuralı bozmaktadır. N, O ve F elementlerinin hidrürlerinin normal kaynama noktası neden beklenenden farklıdır? Grafik de H 2 O, NH 3 ve HF ün beklenen kaynama noktaları kesikli çizgi ile gösterilmiştir. Kaynama Noktası o C H 2 O HF H 2 Te NH 3 H SbH 2 Se 3 H HI 2 S AsH H SnH 2 O? 3 HCl 4 NH 3? HBr PH 3 HF? GeH 4 CH 4 SiH 4 Periyot Numarası Grafik , 5, 6 ve 7A grup element bileşiklerinin kaynama noktaları 4A grubunda bulunan elementlerin hidrürleri olan CH 4, SiH 4, GeH 4, SnH 4 apolardır ve bu bileşiklerde yalnızca London kuvvetleri etkilidir. Tablo ,5,6 ve 7A grubu Bileşiğin molekül kütlesi arttıkça London kuvvetleri de artacağından elementlerinin elektronegatiflik değerleri noktası yukarıdan aşağıya doğru gidildikçe artar. 5, 6 ve 7A grubu periyodik sistemde 4A grubu elementlerinin hidrürlerinin kaynama hidrürleri polar olduğu için bu bileşiklerin molekülleri arasında dipol-dipol ve London kuvvetleri etkili olduğuna göre NH 3, H 2 O ve HF ün kaynama noktasının beklenenden yüksek olması nasıl açıklanabilir? Acaba bu moleküller arasında başka etkileşimler olabilir mi? N, O ve F elementlerinin elektronegatiflikleri kendi gruplarında bulunan elementlerin elektronegatiflikleri ile karşılaştırıldığında oldukça yüksektir (Tablo 3.3.3). N, O ve F a bağlı bulunan bir H atomu, bu bağı bozmadan başka bir molekülde bulunan ve ortaklanmamış elektron çifti taşıyan diğer bir atoma da bağlanabilmektedir. H atomu böylece iki molekül arasında bir köprü oluşturmuş gibidir. Bu şekilde hidrojen ile moleküller arasında oluşan etkileşime hidrojen bağı denir. Hidrojen bağının nasıl oluştuğunu HF örneği ile açıklayalım. F atomunun elektronegatifliği büyük olduğundan HF molekülündeki elektronların hemen hemen tamamı F atomuna doğru çekilmiştir. Bu moleküldeki H atomu neredeyse çıplak bir proton hâline gelmiştir. Dolayısıyla komşu moleküldeki ortaklanmamış elektron çifti ile kuvvetli bir etkileşime girer. 166

167 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Bu etkileşim, iki molekülü dipol-dipol etkileşiminden daha güçlü bağlar. Hidrojen bağını, kimyasal bağlardan (kovalent bağ) ayırt etmek için bağ H F H şeklinde gösterilir. Elektronegatiflik farkı HF de en büyük olduğundan H bağı da bu moleküller arasında en fazladır. Hidrojen bağları H 2 O da daha zayıf, NH 3 ta en zayıftır. Hidrojen bağının oluşabilmesi için hidrojen atomunun molekülde bulunması gerekir. Diğer atomlarda hidrojen bağının çok zayıf olmasının nedeni atom hacimlerinin büyüklüğü dolayısıyla atomların çekirdeklerinin çekim kuvvetinin iç katman elektronları tarafından engellenmesidir. Van der Waals bağları ile hidrojen bağları karşılaştırıldığında hidrojen bağları daha güçlüdür. Aynı tür moleküller arasında hidrojen bağları oluşabileceği gibi farklı tür moleküller arasında da hidrojen bağları oluşabilir. H H H H H H O H O F F H N H H Aynı tür moleküller arasında hidrojen bağları H N H H O H O H O H O H H C H H H C H H H İki farklı tür olan H 2 O ve CH 3 OH arasındaki hidrojen bağları H atomu F atomu Şekil HF molekülleri arasındaki hidrojen bağları Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıda bazı kimyasal türler verilmiştir. Kimyasal türlerin yapılarından yararlanarak tablodaki boşlukları doldurunuz. Kimyasal Tür H 2 O CH 3 OH CHCl 3 CH 3 NH 2 H Cl H Yapısı O H C O H H C Cl H C N H H H H Cl H H Adı Su Metil alkol Kloroform Metilamin Dipol-Dipol Etkileşimi Oluşturur/Oluşturmaz. Neden? London Kuvveti Oluşturur/Oluşturmaz. Neden? Hidrojen Bağı Oluşturur/Oluşturmaz. Neden? 167

168 10. Sınıf Kimya Resim Suyun katı hâldeki yoğunluğu sıvı hâldekinden daha küçük olduğu için buz su üstünde yüzer Hidrojen Bağının Maddenin Fiziksel Özelliklerine Etkisi Bir metal eritip içine aynı metalin katı hâlinden birkaç parça atılırsa katı olan hemen dibe çöker. Ancak suda aynı durum gözlenmez. Çünkü buzun yoğunluğu sudan daha küçüktür. Suyun farklı davranmasının nedeni molekülleri arasındaki hidrojen bağından kaynaklanır. Moleküller arasındaki etkileşimin şiddeti; yoğunluk, çözünürlük, erime ve kaynama noktası gibi birçok fiziksel özelliği etkiler. Molekülleri arasında daha güçlü etkileşim olan maddenin kaynama noktası daha yüksektir. Örneğin, etil alkol (C 2 H 5 OH) molekülleri arasında dipol-dipol etkileşimi, hidrojen bağı ve London kuvvetleri etkin olduğu hâlde; dimetil eterin (CH 3 OCH 3 ) molekülleri arasında yalnızca London kuvvetleri etkindir. Bu nedenle etil alkol 78,5 o C ta kaynarken dimetil eter -23 o C ta kaynar. Benzer moleküller arası etkileşimlerin etkisi altındaki moleküller birbiri içinde daha çok çözünür. Oda koşullarında 100 gram suda; 0,0193 gram I 2, 37 gram NaCl, 171 gram da sakkaroz (C 12 H 22 O 11 ) çözünür. Sakkarozun suda çözünürlüğünün yüksek olmasının nedeni ne olabilir? Aşağıdaki etkinliği yaparak sakkarozun yapısını anlamaya çalışalım. Etkinlik 3.1 Tatlınıza Karamel İster misiniz? Etkinliği Uygulayalım Etkinliğin Amacı Hidrojen bağı ile kovalent bağın kuvvetini karşılaştırma 2 tane özdeş deney tüpü alarak bu tüplere eşit miktarda sakkaroz (çay şekeri) koyunuz. Birinci tüpü hafif ateşte çevirerek ısıtınız. İkinci tüpü, birinci tüpten biraz daha fazla ısıtınız. Birinci deney tüpündeki sakkaroz kömür rengine gelince ısıtma işlemini durdurunuz. Etkinliği Sonuçlandıralım Sakkaroz ısıtıldığı zaman gerçekleşen değişimin nedeni ne olabilir? Molekül yapısını da dikkate alarak tartışınız. Araç ve Gereç Isı kaynağı Sakkaroz (çay şekeri) Spatül 2 adet deney tüpü Kıskaç Tüplük Hidrojen bağlarının oluşumu ne iyonik bağlara ne de kovalent bağlara benzemez. Bu nedenle hidrojen bağları güçlü etkileşimlerden (kimyasal bağlar) çok daha zayıftır. Ancak Van der Waals kuvvetlerinden de yaklaşık 10 kat daha kuvvetlidir. 168

169 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Tablo Hidrojen bağı enerjileri ile kovalent bağı enerjilerinin karşılaştırılması (kj mol -1 ) Hidrojen Bağı Örnekleri Hidrojen Bağı Enerjisi Kovalent Bağ Örnekleri Kovalent Bağ Enerjisi HS H SH 2 7 S H 363 H 3 N H NH 3 17 N H 386 HO H OH 2 22 O H 464 F H F H 29 F H 565 Tablo te bazı hidrojen bağı enerjileri ile kovalent bağ enerjilerinin karşılaştırmasını görmektesiniz. Yaptığınız etkinlikte kullandığınız sakkarozun kömürleşmesinin erime sürecinden önce meydana gelmesinin nedeni ne olabilir? Sakkaroz (C 12 H 22 O 11 ) un molekül yapısını inceleyerek bu durumu anlamaya çalışalım. Sakkaroz (C 12 H 22 O 11 ) un yapısından da anlaşılacağı gibi moleküldeki çok sayıda hidrojen bağı, kovalent bağdan daha sağlam olabilir. Moleküller arası etkileşimler buharlaşma ısısını da etkiler. Hidrojen bağları moleküllerin birbirinden ayrılmasını zorlaştıracağından maddenin buharlaşma ısısının daha yüksek olmasına neden olur. Su molekülleri arasındaki hidrojen bağı çok uzun boylu bazı ağaçlarda suyun yapraklara kadar iletilmesini sağlayan faktörlerden biridir. Hava basıncı suyu bir sütunda en çok 10 metre yüksekliğe çıkarabilir. Bir kızılağacın boyu ise 100 metreye ulaşabilmektedir. Su molekülleri hidrojen bağları sayesinde bir zincir gibi birbirine bağlanır. Yapraktan bir su molekülü buharlaştığında zincirdeki diğer su molekülleri yukarı çekilir ve ağacın kökünden buharlaşan su molekülü yerine yeni bir su molekülü zincire katılır. Biliyor musunuz? Yumurtanın beyazını albümin adı ile bildiğimiz protein oluşturur. Albümin proteininin yapısında birçok hidrojen bağı vardır. Yumurta pişirildiğinde albüminin yapısında bulunan hidrojen bağları ısı etkisi ile kırılır ve düzensiz bir yapı oluşur. Bu yapı nedeniyle yumurtanın akı saydamdan beyaza dönüşür. Resim Su molekülleri arasındaki hidrojen bağı kızılağaçta suyun yapraklara kadar iletilmesini sağlayan faktörlerden biridir. 169

170 10. Sınıf Kimya Kimyasal Türler Arasındaki Etkileşim Tiplerinin Belirlenmesi İnsan sosyal bir varlıktır ve çevresindeki diğer insanlarla iletişim kurmak zorundadır. Ancak ortak yönlerimizin fazla olduğu insanlarla daha çok vakit geçiririz. Kimyasal türler de bu şekilde kendilerine benzeyen türlerle daha çok etkileşirler. Örneğin H 2 O polar bir moleküldür; diğer H 2 O molekülleri ile dipol-dipol etkileşimi ve hidrojen bağı yapar. H 2 O, aynı moleküller arası etkileşimleri yapan CH 3 OH (metil alkol) molekülleri ile de etkileşebilir. Bu nedenle H 2 O ve CH 3 OH birbiri içinde çözünür. H 2 O ve CH 3 OH molekülleri arasında dipol-dipol etkileşimleri, hidrojen bağı ve London kuvvetleri oluşur. İki molekül arasında birden fazla moleküller arası etkileşim gerçekleşebilir. Br 2 apolar bir madde olduğu için kendine benzeyen (apolar) C 6 H 6 içinde çözünür. H 2 O molekülleri ile Br 2 molekülleri arasında London kuvvetleri ve dipol-indüklenmiş dipol kuvvetleri meydana gelir. Ancak bu etkileşimler çok zayıf olduğu için Br 2 molekülleri, H 2 O molekülleri içinde oldukça az çözünür. Aşağıda verilen etkinliği yaparak kimyasal türler arasındaki etkileşim tiplerini belirlemeye çalışınız. Etkinlik 3.2 Kimyasal Türler Etkinliği Uygulayalım Etkinliğin Amacı Kimyasal türler arasındaki etkileşim türlerinin belirlenmesi 10 adet deney tüpü alarak ilk beşinin yarısına kadar saf su doldurup ad ve numaralarını 1 den 5 e kadar etiketleyiniz. Kalan beş deney tüpünün yarısına kadar da CCl 4 doldurarak ad ve numaralarını 1 den 5 e kadar etiketleyiniz. Birinci deney tüplerindeki H 2 O ve CCl 4 ü birbirleri ile karıştırınız. Araç ve Gereç 10 adet deney tüpü Saf su CCl 4 Etil alkol (C 2 H 5 OH) Şeker (C 12 H 22 O 11) İyot (I 2 ) Aseton (C 3 H 6 O) İkinci deney tüplerine eşit miktarda etil alkol (C 2 H 5 OH) ekleyerek karıştırınız. Üçüncü deney tüplerine eşit miktarda I 2 ekleyerek karıştırınız. Dördüncü deney tüplerine eşit miktarda şeker (C 12 H 22 O 11 ) ekleyerek karıştırınız. Beşinci deney tüplerine eşit miktarda aseton (C 3 H 6 O) ekleyerek karıştırınız. 170

171 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Etkinliği Sonuçlandıralım Yaptığınız etkinlikte maddelerin birbiri içinde çözünüp çözünmediği ile ilgili gözlemlerinizden yola çıkarak madde molekülleri arasındaki etkileşimin türünü belirleyip aşağıda verilen tabloda uygun sütuna yazınız. Karışımlar Çözündü/Çözünmedi Moleküller Arasındaki Etkileşimin veya Etkileşimlerin Adı CCl 4 -H 2 O H 2 O-C 2 H 5 OH CCl 4 -C 2 H 5 OH H 2 O-I 2 CCl 4 -I 2 H 2 O-C 12 H 22 O 11 CCl 4 -C 12 H 22 O 11 H 2 O-C 3 H 6 O CCl 4 -C 3 H 6 O Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıda bazı kimyasal tür çiftleri verilmiştir. Bu çiftler arasındaki etkileşimleri belirleyerek birbirleri içinde çözünüp çözünemeyeceklerini yazınız. Kimyasal Tür Çiftleri NaCl / H 2 O Zayıf Etkileşimler Çözünür/ Çözünmez NaCl / CCl 4 C 2 H 5 OH / H 2 O CCl 4 / H 2 O O 2 / H 2 O 171

172 10. Sınıf Kimya ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME A. Aşağıdaki metinde numaralandırılmış boşlukları kutuda verilen kelimelerden uygun olan ile tamamlayınız. indüklenmiş dipoller, orbitallerin örtüşmesi, iyon, hidrojen bağı, zayıf etkileşimler, radikal, molekül, iyon kalıcı dipol, atom, güçlü etkileşimler Kimyasal tür adıyla bilinen... (1),... (2),... (3) ve... (4) yapıları birbirleriyle veya kendileri ile çeşitli şekillerde etkileşir. Bu etkileşimler sonucunda her bir kimyasal tür bağımsız olma özelliğini kaybeder. Kimyasal türler arasındaki etkileşimleri... (5) ve... (6) olarak iki sınıfta inceleyebiliriz. Kovalent bağlar... (7) sonucunda elektronların eşleşmesi ve eşleşmiş elektron çiftinin oluşturduğu (-) yüklü bulutun iki atomu bir arada tutması ile oluşur. He, O 2 ve CO 2 gibi türlerden oluşan maddeler... (8) sayesinde sıvılaşabilir. Na +, K + gibi katyonlar ve Cl -, Br - gibi anyonlarla H 2 O molekülleri arasındaki elektrostatik etkileşimler... (9) bağlarına örnek verilebilir. Sakkaroz, yapısında bulunan çok sayıda... (10) sayesinde ısıtıldığında erimeden önce karamelleşir. B. Aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Çevrenizden veya evinizden seçtiğiniz 10 maddenin listesini yapınız. Bu maddelerin; a. Bazı fiziksel özelliklerini gözlemleyiniz. b. Maddelerin fiziksel özelliklerine yönelik gözlemlerinize dayanarak söz konusu maddelerde ne tür bağların olduğunu tahmin ediniz. c. Kimyasal bileşimlerini belirlemeye çalışınız. ç. Maddelerin günlük yaşamda kullanımları ile içerdiği kimyasal bağlar arasındaki ilişkiyi yorumlayınız. 2. Aşağıdaki molekül çiftleri arasında oluşabilecek etkileşim türlerini belirleyerek tartışınız. a. O 2 - H 2 O b. HCl - H 2 O c. C 2 H 5 OH - H 2 O 3. Aynı C 2 H 6 O kapalı formülüne sahip etil alkolün (C 2 H 5 OH) ve dimetil eterin (CH 3 OCH 3 ) normal kaynama noktaları sırasıyla 78,5 o C ve -23 o C tur. Kaynama noktaları arasındaki farklılığın nedenini açıklayınız. 172

173 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler 4. NaF, MgF 2, AlF 3 bileşiklerinin erime noktalarını büyükten küçüğe doğru sıralayınız. ( 11 Na, 12 Mg, 13 Al) 5. Aşağıda verilen kimyasal türleri kaynama noktaları azalacak şekilde sıralayıp nedenini açıklayınız. ( 1 H, 3 Li, 6 C, 8 O, 9 F, 14 Si, 17 Cl, 53 I, 54 Xe) a) SiO 2 b) CCl 4 c) BaO d) H 2 O e) Xe f) LiF g) LiI h) H 2 6. AlCl 3, PCl 4, NaCl, SiCl 4, PCl 5, MgCl 2 bileşiklerini oluşturan elementlerin atomlarının elektronegatiflik değerleri aşağıda verilmiştir. Bu bileşikleri oluşturan atomlar arasındaki bağın iyonik karakterini büyükten küçüğe doğru sıralayınız. Atom Si Cl Na S Mg P Al Elektronegatiflik 1,8 3,0 0,9 2,5 1,2 2,1 1,5 7. Aşağıda verilen kovalent bağlar oluşurken atomların hangi tür yarı dolu orbitalleri örtüşür? Karşılarına yazınız. ( 1 H, 7 N, 8 O, 9 F, 17 Cl, 16 S) H Cl S O N H Cl Cl S F 8. Aşağıdaki örnekten yola çıkarak verilen çiftlerden hangilerinin diğerine göre birbiri içinde daha çok çözündüğünü yazınız. Örnek: CH 3 (CH 2 ) 6 CH 2 OH (1-oktanol) CH 3 OH (metil alkol) H 2 O H 2 O Metil alkoldeki apolar uç küçük olduğu için suyun içinde oktil alkolden daha çok çözünür. a) CS 2 (Karbon disülfür) C 3 H 6 O (Aseton) CS 2 CH 2 O (formaldehit) b) CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3 (heksan) CH 3 (CH 2 ) 6 CH 3 (oktan) CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3 H 2 O 9. Aşağıda verilen kimyasal türlerin polar mı apolar mı olduğunu belirtiniz. H H Sn H H S O O S C S H H 173

174 10. Sınıf Kimya 10. Aşağıdaki organik bileşiklerden hangisinin suda çözünmesini beklersiniz? Açıklayınız. a) Etan b) Asetik asit c) Asetaldehit C. Aşağıda verilenleri dikkatlice okuyunuz. İfade doğru ise D harfini işaretleyiniz, yanlış ise Y harfini işaretleyerek doğrusunu yandaki kutucuğa yazınız. 1. H, O, Cl gibi bir ya da daha fazla eşleşmemiş elektronu bulunan atomlar da radikal sınıfına girer. ( D ) ( Y ) 2. Bağ enerjisi 40 kj mol -1 veya daha fazla olan etkileşim türüne zayıf etkileşimler denir. 3. İndüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol bağları (London kuvvetleri) yalnızca polar moleküller arasında geçerlidir. 4. Hidrojen bağları zayıf etkileşimlerin en güçlü olanıdır. 5. Kovalent bir bağın iyonik karakter taşıması kesinlikle mümkün değildir. 6. İyonik bağı oluşturan iyonların çapı arttıkça iyonlar arasındaki etkileşimin şiddeti artacağı için iyonik bağ sağlamlaşır. ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) 7. K + / Cl Cl C Cl ikilisi arasında iyon- Cl indüklenmiş dipol etkileşimleri gerçekleşir. ( D ) ( Y ) 8. Çarpışmalar ve elektriksel yük etkisiyle soy gaz atomları ve apolar moleküller geçici dipol karakter kazanır. 9. Sıvılar birbiri içinde çözünüyorsa molekülleri arasındaki bağ türleri benzerdir. 10. C 2 H 5 OH ve H O molekülleri arasında 2 yalnızca hidrojen bağları vardır. ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) 174

175 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler D. Aşağıda verilen çoktan seçmeli soruları cevaplayınız. 1. Cl, Al, N 2, Mg +2 kimyasal türlerinin sırasıyla sınıflandırılması hangi seçenekte doğru verilmiştir? A) Radikal, atom, iyon, molekül B) İyon, atom, molekül, radikal C) Radikal, atom, molekül, iyon D) Radikal, molekül, iyon, atom E) Atom, iyon, molekül, radikal 2. Apolar moleküller arasında hangi etkileşim türü vardır? A) Dipol-dipol B) London kuvvetleri C) İyon-indüklenmiş dipol D) İyon-dipol E) Hidrojen bağı 3. Kalsiyumun bazı halojenlerle yaptığı CaBr 2, CaI 2, CaF 2, CaCl 2 şeklindeki bileşik serisinin iyonik bağların sağlamlığına göre büyükten küçüğe doğru sıralanışı aşağıdakilerden hangisidir? ( 20 Ca, 9 F, 17 Cl, 35 Br, 53 I) A) CaCl 2, CaI, CaBr, CaF B) CaF 2, CaI, CaBr, CaCl C) CaF 2, CaBr, CaI, CaCl D) CaF 2, CaCl, CaI, CaBr E) CaF 2, CaCl, CaBr, CaI Aşağıda verilen bileşiklerden hangisinin molekülleri arasında hidrojen bağı oluşmaz? A) SiH 4 B) H 2 O C) NH 3 D) CH 3 COOH E) HF 5. Atom H N O C Elektronegatiflik 2,1 3,0 3,5 2,5 Yukarıdaki tabloda verilen bazı atomların elektronegatiflik değerlerden yararlanarak aşağıdaki bağlardan hangisinin polarlığının en az olduğunu bulunuz. A) O-C B) N-H C) N-C D) O-H E) C-H 6. Aşağıda verilen molekülleri karşılaştırdığınızda hangi molekülde London kuvvetlerinin daha etkin olmasını beklersiniz? ( 1 H, 2 He, 6 C, 7 N) A) He B) H 2 C) CH 4 D) C 3 H 8 E) N 2 7. Aşağıdaki bileşiklerden hangisinin erime noktasının en büyük olmasını beklersiniz? ( 4 Be, 8 O, 12 Mg, 20 Ca, 38 Sr, 56 Ba) A) BeO B) MgO C) CaO D) SrO E) BaO 8. Aşağıdaki kovalent bağlardan hangisi oluşurken s-p orbitalleri örtüşmüştür? ( 1 H, 7 N, 8 O, 17 Cl) A) O 2 B) N 2 C) H 2 D) HCl E) Cl 2 9. Aşağıdaki maddelerden hangisinin sıvı hâle geçmesinde yalnızca London kuvvetleri etkilidir? A) Na B) CH 3 OH C) Fe D) H 2 O E) CO 2 175

176 10. Sınıf Kimya 10. Aşağıdaki maddelerden hangisinin karşısında verilen çözücüde çözünmesi beklenmez? Çözünen Çözücü A) CH 3 OH H 2 O B) CH 3 OH C 2 H 5 OH C) KCl H 2 O D) CH 4 CCl 4 E) HCl CCl Aşağıda bazı kimyasal türler ve karşılarında bu türler arasında oluşan en baskın etkileşimler verilmiştir. Buna göre hangisi yanlıştır? Kimyasal Türler Etkileşim Türü A) H 2 O - CO 2 Dipol - indüklenmiş dipol B) Ca 2+ - CCl 4 İyon - dipol C) H 2 O - C 2 H 5 OH Dipol - dipol D) CH 4 - CCl 4 London E) K + - H 2 O İyon - dipol 12. Aşağıda verilen moleküllerden hangisinde atomlar arasındaki bağ polar olduğu hâlde molekül apolardır? H A) O O B) Cl Cl C) N D) E) S H C H H H H H H H 13. İyon-indüklenmiş dipol etkileşimi aşağıda verilen türlerden hangilerinin arasında görülür? A) KCl ve C 2 H 5 OH B) C 2 H 5 OH ve H 2 O C) NaCl ve H 2 O 14. Kimyasal türler arasındaki etkileşimlerle ilgili; D) CCl 4 ve CCl 4 E) LiCl ve CCl 4 I. Kimyasal bağı oluşturan atomların elektronegatiflikleri arasındaki fark büyüdükçe bağın polarlığı artar. II. Kimyasal bağı oluşturan atomların elektronegatiflikleri arasındaki fark büyüdükçe bağın iyonik karakteri artar. III. Alaşımları bir arada tutan kuvvet metal bağıdır IV. Kovalent bağlar boş orbitallerin örtüşmesi sonucunda meydana gelir. bilgilerinden hangisi ya da hangileri doğrudur? A) Yalnız IV B) I ve II C) I, II ve III D) I, III ve IV E) I, II, III ve IV 15. Kimyasal türler arasındaki etkileşimlerle ilgili aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? A) Polar moleküller arasında yalnızca dipol-dipol kuvvetleri etkindir. B) Metallerde değerlik elektronlarının serbest hareketi ile elektrik akımı iletilir. C) Kimyasal türler arasındaki zayıf etkileşimlere fiziksel bağ da denir D) Kimyasal türler arasındaki güçlü etkileşimlere kimyasal bağ denir. E) Bir kimyasal bağın iyonik karakteri bağı oluşturan atomların elektronegatiflik farkına bağlıdır. 176

177 3. Ünite Kimyasal Türler Arası Etkileşimler E. Aşağıda yer alan Türler Arasındaki Etkileşim tablosundaki boşluklara verilen terimlerden uygun olanı yazınız. a. Güçlü etkileşimler g. Orbital b. London kuvvetleri h. İyon-dipol bağları c. İyonik bağlar ı. Zayıf etkileşimler d. Van der Waals bağları i. Oksijen bağı e. Metalik bağlar j. Radikaller f. Ametalik bağlar k. İndüklenmiş dipol bağları Kimyasal Türler Arası Etkileşimler Kovalent bağlar Hidrojen bağları Dipol-dipol bağları İyon-indüklenmiş dipol bağları Dipol-indüklenmiş dipol bağları 177

178 MADDENİN HÂLLERİ 4. Ünite Dev bir okyanus gemisi olan Titanik, 1912 de buzul dağına çarpmış ve batmıştır. Titanik, batarken suyun hâl değişiminin ve kural dışılığının kurbanı olmuştur. Havalar çok soğuduğunda dere, göl ve ırmaktaki sular donmaya başlar. Öyle ki buzun kalınlığına göre üstünde araçla bile gidilebilir. Sıcaklık arttığında ise buzun eriyişi kadar tanıdık bir manzara yoktur. Peki sadece buz mu erir? Sertlikleri ile tanıdığımız metallerin de buz gibi erimeleri mümkün müdür? Galyum ya da sezyum metalleri avucumuzun içinde bile erir. Çünkü erime sıcaklıkları 30 o C un altındadır. Fakat tungsteni eritmek için sıcaklığı 3400 o C un üzerine çıkarmak gerekir. Bu metallerin erime sıcaklıkları arasındaki fark nereden kaynaklanır?eritilen metaller gaz hâle gelebilir mi? Güneş yüzeyindeki sıcaklık kadar yüksek kaynama noktasına sahip metaller de vardır. Bu ünitede maddenin farklı hâllerini ve bu hâllerdeki davranış farklılıklarını öğreneceksiniz.

179 1. BÖLÜM İçerik 1. Maddenin Gaz Hâli 2. Gazların Sıkışma ve Genleşme Özelliği 3. Gazların Kinetik Teorisi Graham Difüzyon Kanunu 4. Gazlarda Basınç, Hacim, Mol Sayısı ve Sıcaklık İlişkisi Basınç Hacim Mol Sayısı Sıcaklık GAZLARIN GENEL ÖZELLİKLERİ Dünya üzerinde en yüksek noktada olsaydınız neler hissederdiniz? Himalayalar da, Çin-Nepal sınırı üzerinde yer alan Everest, görkemli yapısı ve yüksekliği nedeniyle bütün dağcıların ilgi odağı olmuştur. Yüksekliği (8847m), atmosferdeki oksijenin çok az olduğu katmana kadar ulaşır. Oksijenin azlığı, sert rüzgârlar ve aşırı soğuklar Everest e tırmanan dağcıları birçok fiziksel ve kimyasal durumla karşı karşıya getirir. Düşük atmosfer basıncı buraya tırmanan dağcıların biyolojik sistemini oldukça zorlar. Bu bölümde gazların fiziksel özelliklerini inceleyeceğiz.

180 10. Sınıf Kimya Maddenin Gaz Hâli Resim Sıvılaştırılmış azot gazı Maddenin kaç hâli vardır? Modern fizikçiler en az yedi hâlinden söz ederler. Bunlardan en çok bilinenler maddenin gaz, sıvı ve katı hâlidir. Doğrusunu söylemek gerekirse günlük yaşantımızda maddenin başka bir hâliyle pek karşılaşmayız. Yüzyıllar boyunca kimya bilimi de bu üç hâl ile ilgilenmiştir. Yalnızca son yıllarda maddenin dördüncü hâli yani plazma hâli dikkate alınmaya başlanmıştır. Biz bu bölümde maddenin gaz hâlini incelerken, gaz hâldeki maddelerin kendine özgü davranışlarını belirleyeceğiz. Ayrıca yaşamımızda önemli bir yeri olan gazların en iyi şekilde nasıl kullanıldığını öğreneceğiz. Yaşamımızda gaz olarak algıladığımız maddelerin başında bir gaz karışımı olan hava gelmektedir. Dünyamızın atmosferinde bulunan hava olmasaydı canlıların da olmayacağını düşündüğümüz zaman, havanın ve maddenin gaz hâlinin önemi kendiliğinden ortaya çıkmaktadır. Resim LPG yandığında ısı açığa çıkar. Gazların, maddenin diğer iki hâlinden yani katı ve sıvılardan farklılığını görmek için kendilerine özgü olan sıkıştırılabilme ve genleşme özelliklerini inceleyelim Gazların Sıkışma ve Genleşme Özelliği Günlük yaşantımızda yakıt olarak kullanılan LPG (sıvılaştırılmış petrol gazı) tüplerindeki propan ve bütan sıvı hâldedir. Normal koşullarda gaz hâlde bulunan bu maddeler nasıl sıvı hâle getirilmiştir? Burada gaz moleküllerinin hangi fiziksel özelliğinden yararlanılmıştır? Bütün gazlar sıvılaştırılabilir mi? Resim Doğal gaz sıvılaştırılmadan borularla taşınır. Şekil de oda sıcaklığında sürtünmesiz hareket edebilen pistonla kapatılmış iki silindir kap içinde belli miktarda CO 2 ve He gazları bulunmaktadır. Sürtünmesiz hareketli piston Sürtünmesiz hareketli piston Basınç arttıkça Basınç arttıkça CO 2(gaz) (a) CO 2(sıvı) He (gaz) (b) Şekil (a) CO 2 gazının ve (b) He gazının basınçla sıkıştırılması He (gaz) Silindir içinde bulunan gaz molekülleri basıncın etkisiyle sıkıştırılmıştır. Bu sıkıştırılma sonucunda CO 2 gazının bir süre sonra sıvılaştığı, He un ise gaz hâlde kaldığı görülür. Bu iki gazın göstermiş olduğu davranış farkı, ancak moleküller arası boşluklarla ve moleküller arası çekme kuvvetleri ile açıklanabilir. Ortam sıcaklığı azaldıkça ve basınç arttıkça birbirine yaklaşan moleküllerin arasındaki çekme kuvvetinin etkin olduğu durumda gaz sıvı hâle geçer. Moleküller arası etkileşimi olan ve moleküllerin birbirinden etkilendiği gazlara gerçek gazlar denir. Molekülleri arasındaki etkileşimlerin sonucunda gerçek gazlar basınçla sıvılaşabilir. Gerçek gazlarda moleküllerin hacmi ihmal edilemez. Molekülleri arasında birbirinin davranışından etkilenmeyen 180

181 4. Ünite Maddenin Hâlleri ve aralarında çekim kuvveti olmayan gazlara ideal gazlar denir. İdeal gazlarda toplam hacim yanında gaz moleküllerinin hacmi çok küçük olduğundan gaz moleküllerinin hacmi ihmal edilebilir. Şekil de oda sıcaklığında (aynı şartlarda bulunan) He ve CO 2 gazlarından CO 2 in basınç uygulanarak sıvılaştığı ancak He un sıvılaşmadığı görülür. Bu durumda CO 2 gazını gerçek gaz, He gazını ise ideale yakın gaz olarak nitelendirebiliriz. Doğada bulunan gazların hiçbiri ideal gaz değildir. Ancak gerçek gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçta idealliğe yaklaşır. Sürtünmesiz hareketli piston Sıcaklık arttıkça Sıcaklık arttıkça He (g) (a) He (g) CO 2(g) (b) CO 2(g) Şekil (a) He gazının ve (b) CO 2 gazının genleşmesi Şekil de He ve CO 2 gazlarının bulunduğu kapların sıcaklığı arttırıldığında sıcaklığı artan gaz molekülleri daha hızlı hareket eder. CO 2 ve He gazı moleküllerinin kinetik enerjileri sıcaklıkla doğru orantılı olarak artar. Hızın artmasıyla kabın çeperlerine çarpma sayısı da artar. Her çarpma itme gücünü arttıracağı için hareketli piston yukarı doğru itilir ve gaz moleküllerinin bulunduğu hacim büyür. Sıcaklığın artırılmasıyla gazların hacimlerinde meydana gelen bu değişime ısıl genleşme denir. Gazların sıcaklıkla değişen hacim miktarlarına bakıldığında genleşmenin en fazla He gazında olduğu görülmektedir. Gazların sıkıştırılabilirlik ve genleşme özelliklerinden pek çok alanda yararlanılır. Örneğin bir kapta bulunan sıvı-gaz karışımı püskürtülürken gazla birlikte sıvı da püskürtülmüş olur (Resim 4.1.4). Bu işlemden yararlanılarak ilaçlama sistemleri, oto boyama makineleri yapılmıştır. Ayrıca bazı otomobil ve kamyonların fren sistemlerinde gazların basınçla sıkıştırılabilme özelliğinden yararlanılır. Oksijen tüplerinde, LPG tüplerinde sıkıştırılarak sıvılaştırılmış gazlar bulunur. Gazların genleşme özelliğinden sıcak hava balonlarında ve soğutma sistemlerinde yararlanılır. Gazların sıkıştırılabilme özelliği gaz molekülleri arasındaki boşlukların, moleküllerin kendi hacimleri yanında çok büyük olduğunu göstermektedir. Gazların bulundukları kabın her tarafına yayılmaları da onların sürekli hareket hâlinde olmalarının bir sonucudur. Geceleyin sokak lambasından gelen ışın demetine baktığımızda havadaki toz parçacıklarının sürekli hareket hâlinde olduğunu görebiliriz. Toz parçacıklarının hareketli olması onlarla çarpışan taneciklerin (havadaki moleküller) de hareketli olduğunu gösterir. Toz parçacıklarının bu hareketi gaz moleküllerinin hareketlerine benzetilebilir. Bu hareketler devamlı ve gelişigüzeldir. İlk defa 1827 yılında Robert Brown (Rabırt Bıravn), gaz moleküllerinin göstermiş olduğu doğrusal ve zigzaglı hareketler üzerine çalışmalar yapmıştır. Gaz moleküllerinin bu hareketlerine Brown Hareketi adı verilmiştir. Gazların katı ve sıvılardan farklı olan bu davranışları Resim İlaçlama sırasında gaz basıncı sayesinde sıvı püskürtülür. Resim Robert Brown ( ) İskoç botanikçi 181

182 10. Sınıf Kimya Şekil Bir gazın molekülleri birbiriyle ve kabın çeperiyle çarpışır. A gazı A gazı Engel (a) Engel (b) B gazı B gazı Şekil Gazların birbiri içinde yayılması kinetik teorinin temellerini oluşturmuştur. Bilim insanları gaz moleküllerinin arasındaki boşlukları ve etkileşimleri kinetik teori olarak ortaya koydukları varsayımlarla açıklamışlardır Gazların Kinetik Teorisi 19. yüzyılın başlarında Ludwig Boltzman (Ludvig Boltzman), James Clerk Maxwell (Ceyms Klark Maksvel) ve diğer bilim insanlarının çalışmaları gazların kinetik teorisini ortaya koymuştur. Bu teoriye göre; 1. Bir kap içinde gaz molekülleri birbirinden çok uzaktadır. Gaz molekülleri arasındaki bu uzaklığın yanında moleküllerin hacmi ihmal edilebilir. 2. Gaz molekülleri, sürekli olarak gelişigüzel hareket ederken aynı zamanda birbirleriyle ve kabın çeperleriyle çarpışırlar (Brown Hareketi). Bu çarpışmalar hızlı ve esnektir. 3. Moleküller arası çarpışma sırasında oluşan zayıf kuvvetler dışında başka kuvvetlerin olmadığı kabul edilir. 4. Farklı gazların aynı sıcaklıkta moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri birbirine eşit ve sıcaklıkla doğru orantılıdır. Kinetik teori varsayımlarına uyan gazlara ideal gaz tanımlaması yaparken bu varsayımlara yakın bir farkla uyan gazlara da ideale yakın gazdır tanımlaması yapabiliriz. Graham Difüzyon Kanunu Odadaki parfüm kokusunu veya doğal gaz kaçağı olduğunda çıkan gaz kokusunu hemen hissedebiliriz. Bu durumun sebebi gaz moleküllerinin bulunduğu ortama yayılmalarıdır. Aynı veya farklı koşullarda tüm gazlar birbirleri içerisinde yayılarak homojen karışımlar oluşturur (Şekil 4.1.4). Gazların bu özelliğini Etkinlik 4.1 i yaparak görelim. Etkinlik 4.1 Gazların Difüzyonu Etkinliği Uygulayalım Etkinliğin Amacı Gazların yayılma özelliğini ve yayılma hızlarını kavrayabilme İki ucu açık cam boruyu yatay şekilde destek çubuğuna yerleştiriniz. Toplu iğneleri mantar tıpaya tutturunuz. Mantar tıpaya tutturduğunuz toplu iğnelere biraz pamuk dolayınız. Hazırladığınız pamuklu mantar tıpaların bir tanesine hidroklorik asit, diğerine 6-8 damla amonyak çözeltisi damlatınız. Araç ve Gereç İki ucu açık, 50 cm uzunluğunda bir cam boru 2 adet mantar tıpa 2 adet toplu iğne Az miktar pamuk 2 adet destek çubuğu Bağlama parçaları Hidroklorik asit (HCl) ve amonyak (NH 3 ) çözeltisi Damlalık 182

183 4. Ünite Maddenin Hâlleri Mantar tıpaları, pamuklu taraflar borunun içinde kalacak şekilde cam borunun iki ucuna aynı anda yerleştiriniz. HCl çözeltisi Pamuğa emdirilmiş NH 3 çözeltisi Bir süre cam boruyu gözleyerek oluşan beyaz halkanın (NH 4 Cl) borunun iki ucundan olan uzaklığını ölçünüz. Gözlem sonuçlarınızı arkadaşlarınızla tartışınız. Etkinliği Sonuçlandıralım 1) Oluşan NH 4 Cl (k) ün cam borunun hangi ucuna daha yakın olduğunu belirterek nedenini HCl ve NH 3 ın molekül kütlelerini de dikkate alarak açıklayınız. 2) Bu deneyde HCl ve NH 3 gazından hangisinin daha hızlı hareket ettiğini anlayabilir miyiz? Moleküllerin hızıyla molekül kütleleri arasında nasıl bir ilişki olabilir? Etkinlik 4.1 de farklı iki gazın birbiri içerisinde yavaş yavaş karıştığını gördük. Gazların birbiri içerisinde karışmasını gaz moleküllerinin sürekli ve gelişigüzel hareket ederken birbirlerine ve kabın çeperlerine çarpmalarıyla açıklayabiliriz. Bu çarpışmalar sırasında moleküller arası kinetik enerji aktarımı olur. Fakat sistemin toplam kinetik enerjisi değişmez. Sistemde farklı gazlar olsa bile aynı sıcaklıkta bütün gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri birbirine eşittir. Bu durumda eşit sıcaklıkta iki farklı gaz örneği birbiriyle karıştırıldığında moleküllerinin ortalama kinetik enerjilerinin eşitliği aşağıdaki gibi yazılabilir. E KA = E KB E KA : A molekülünün ortalama kinetik enerjisi E KB : B molekülünün ortalama kinetik enerjisi 1 2 m A v A 2 = 1 2 m B v B 2 v A 2 v B 2 = m B m A m A : A molekülünün kütlesi m B : B molekülünün kütlesi v A v B = m B m A v A : A gazının yayılma hızı v B : B gazının yayılma hızı Gazların molekül kütlelerinin yerine mol kütleleri alındığında aşağıdaki eşitlik elde edilir. v A v B = M AB M AA Elde edilen eşitlik, gazların yayılma hızlarının mol kütlelerinin karekökü ile ters orantılı olduğunu göstermektedir. Bu ters orantı yılları arasında Thomas Graham (Tamıs Gıraham) ın yaptığı deneysel çalışmaların sonucunda bulunmuş ve Graham Difüzyon Kanunu adını almıştır. Etkinlik 4.1 de oluşan NH 4 Cl (k) ün cam borunun HCl ya da NH 3 uçlarından birine daha yakın oluşu, bu gaz moleküllerinin 183

184 10. Sınıf Kimya yayılma hızının farklı olmasının bir sonucudur. Gazların öz kütleleri mol kütleleriyle doğru orantılıdır. Bu durumda Graham Dizüfyon Kanunu gazların yayılma sürelerini de dikkate alarak daha genel bir biçimde aşağıdaki eşitlikler şeklinde yazılabilir. v A v B = M AB d B = = M AA d A t B t A d B : B gazının öz kütlesi d A : A gazının öz kütlesi t B : B gazının yayılma süresi t A : A gazının yayılma süresi M AB : B gazının mol kütlesi M AA : A gazının mol kütlesi Aynı sıcaklık ve basınçta farklı iki gazın difuzyon hızları karşılaştırıldığında gazlardan mol kütlesi küçük olan büyük olana göre hızlı ve daha kısa sürede yayılır. Aşağıdaki örnekleri çözerek gazların hızları ve mol kütleleri arasındaki ilişkiyi görelim. Örnek 1. He ve SO 2 gazlarının sabit basınç ve sıcaklıktaki difüzyon hızlarının oranı nedir? Hesaplayınız. (He:4, S:32, O:16) Çözüm v He M A v SO He v= 16 = = = 2 2 He v v = SO2 M A He SO2 v 4 4 SO2 2. H 2 moleküllerinin difüzyon hızları ortalaması 400 m s -1 dir. Aynı koşullarda O 2 moleküllerinin difüzyon hızları ortalaması kaçtır? Hesaplayınız. (H:1, O:16) 8 2 Çözüm v H 2 v O2 = M A O2 M AH2 400 v O2 = 32 2 v O2 = 100 m s -1 Okuma Metni Resim Tennessee de Uranyum-235 difüzyon tesisindeki bir difüzyon kademesi (Tüm tesiste bu kademe gibi binlercesi vardır.) 235 U izotopunun zenginleştirilmesi Doğada sık rastlanan uranyum filizi Uranyum-238 ve Uranyum-235 izotoplarını taşır. Nükleer güç üretimi, uranyum filizinden ayrıştırılan Uranyum-235 izotopu ile sağlanır. Uranyum-235 in ayırma işleminde uranyum filizini uçuculuğu fazla olan uranyum hekzaflorür (UF 6 ) hâline çevirmek için bir seri tepkime gerçekleştirilir. Daha sonra UF 6 gazının bir seri gözenekli zara difüzyonu sağlanır. 235 U ihtiva eden UF 6 molekülleri, daha hızlı difüzyona uğrar ve böylece izotoplar ayrılabilir. Fakat aynı miktar 235 UF 6 ve 238 UF 6 ün difüzyonları için geçecek zamanların oranları sadece 1,004 tür. Bundan dolayı her bir basamakta çok az ayırma sağlanır. Ayırmayı arttırmak için gaz pek çok basamaklı difüzyon işlemine uğratılır. Netice olarak tesisler oldukça büyük olmalıdır. Amerika da, Tennesse deki tesis, 175 dönüm arazi üzerine kurulmuştur. Temel Kimya Peter Atkins - Loretta Jones Sayfa

185 4. Ünite Maddenin Hâlleri Biliyor musunuz? Gazların Efüzyonu Gaz a b Yukarıdaki resimde yeşil balon He gazı, kırmızı balon ise hava ile doldurulmuştur (a). Belirli bir zaman sonra He gazı ile doldurulmuş balonun hava dolu balondan daha önce söndüğü görülür (b). Bunun sebebi hava moleküllerinden daha hafif olan He atomlarının kauçuğun gözeneklerinden dışarı daha hızlı bir şekilde çıkmasıdır. Bu olaya gazların efüzyonu (dışarı yayılması) denir. Efüzyon sabit bir basınçta kapalı bir kaptaki gazın küçük bir delikten, kabın iç basıncı dış basınca eşit olana kadar, dışarıya doğru yayılmasıdır Gazlarda Basınç, Hacim, Mol Sayısı ve Sıcaklık İlişkisi Gaz ve gaz karışımlarından oluşan sistemlerin daha iyi anlaşılabilmesi için gazların kimyasal özelliklerinden çok fiziksel özelliklerinin bilinmesi gerekir. Bu fiziksel özelliklerden bazıları gazın basıncı, hacmi, kütlesi ve sıcaklığıdır. Basınç Gazlar, temas ettikleri tüm yüzeylere basınç uygular. Çünkü gaz molekülleri sürekli hareket hâlindedir. Atmosferdeki gazlar (hava) da tüm yüzeylere olduğu gibi vücudumuza bir basınç uygular. Balıklar nasıl suyun basıncını hissetmiyorsa biz insanlar da etrafımızdaki havanın basıncını hissetmeyiz. Kinetik teoriye göre gaz molekülleri bulundukları kaba homojen olarak dağılırken hem birbirlerine hem de kabın çeperlerine çarparak çarptıkları yüzeye bir kuvvet uygulamış olurlar. Bu kuvvete gazın basıncı denir ve P ile gösterilir. Araştırma Astronatlar uzayda neden koruyucu elbise giyerler? Basınç = Kuvvet Alan ve P = F S şeklinde gösterilir. Gazın basıncı birim hacimdeki taneciğin sayısı, hızı ve çarpışma sayısıyla orantılıdır. Dünyamızı saran atmosfer bir gaz karışımıdır ve yeryüzüne basınç uygular. Atmosfer basıncını ölçmek için kullanılan araçlara barometre denir. Kapalı kaplardaki gazların basınçlarını ölçmeye yarayan araçlara da manometre denir. Şekil te manometre çeşitleri gösterilmiştir. a) Kapalı uçlu manometre Gaz h Hg Gaz h P atm b) Açık uçlu manometre Araştırma Everest Tepesi ne tırmanmış bir dağcı, pipet yardımıyla suyu tepenin eteklerinde mi yoksa zirvesinde mi daha rahat içmiştr? P gaz = P h P gaz = P h + P atm Şekil Manometre çeşitleri 185

186 10. Sınıf Kimya Basıncın SI (uluslararası birim sistemi) ya göre birimi newton/metrekare (N m -2 ) veya Paskal (Pa) olarak tanımlanır. Diğer basınç birimleri ise bar (bar), mbar (milibar), atm (atmosfer), mm Hg (milimetre cıva) dır. 1 paskal = 1 N m -2 = 1 kg m -1 s -2 1 bar = 10 5 paskal 1atm = 760 mm Hg 1 atm = N m -2 = Pa =760 mm Hg Örnek Aşağıdaki birim dönüşümlerini yapınız. a) 1,2 atm =... Pa c) 1520 mm Hg =...Pa b) 228 mm Hg =...atm d) 23 Pa =... bar Çözüm a) 1 atm = Pa 1,2 x = Pa b) 1 atm = 760 mm Hg = 0,3 atm c) 760 mm Hg = Pa 1520 x = Pa 760 d) 1 bar = 10 5 Pa 23 = 2,3 x 10-4 bar 10 5 Hacim Bir gazın hacminden bahsedilebilmesi için gazın sıcaklığı ve basıncının bilinmesi gereklidir. Çünkü gazların hacimleri sıcaklık ve basınçtan katılara ve sıvılara göre daha fazla etkilenir. Gazlar, birbirinden oldukça uzak ve bağımsız hareket eden taneciklerden oluşmuştur. Bir gazın hacmi dendiğinde, kapalı bir sistemdeki hacimden söz edilir. Gazlar bulundukları her hacmi doldurur. Bu durumda bir gazın hacmi doldurduğu kabın hacmine eşit olmaktadır. Açık bir kaptaki gazın hacminden bahsetmek anlamsız olur. Neden? Laboratuvarda gazların hacmi belli bir sıcaklık ve basınçta gaz büretleri ile ölçülür. Ölçülen gazların hacimlerini miktar olarak belirtirken kullanılan birimler cm 3, m 3, dm 3 veya L, ml dir. 1mL = 1 cm 3 1dm 3 = 1 x 10-3 m 3 1 L = 1 dm 3 = 1000 ml = 1000 cm 3 tür. Mol Sayısı Kinetik teori gaz moleküllerini, kütlesi olan ama hacmi olmayan nokta küreler olarak tanımlar. Bu nokta kürelerin miktarı ancak Avogadro nun ileri sürdüğü hipotezle hesaplanabilir. Aynı sıcaklık ve basınçta tüm gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda atom ya da molekül bulunur. Basıncın 1 atm, sıcaklığın 0 o C (273 K) ve hacmin 22,4 L olduğu koşullarda tüm gazlarda 6,02x10 23 tane atom ya da molekül bulunur. Bu madde miktarı da bir mol olarak tanımlanır. Bir mol atom ya da molekül içeren bir gazın toplam kütlesi, mol kütlesini (M A ) ifade eder. Gazların fiziksel özellikleri incelenirken madde miktarı, mol sayısı ile mol kütlesi üzerinden verilir. Mol-kütle ilişkisini aşağıdaki örnekler üzerinden hatırlayalım. 186

187 4. Ünite Maddenin Hâlleri Örnek 1. Belli bir sıcaklık ve basınçta kütlesi 6 g olan NO (g) için verilen aşağıdaki soruları cevaplayınız. (N:14, O:16) a) Kaç moldür? b) Kaç tane molekül içerir? Çözüm a) 1mol NO gazı molekül kütlesi (M A ) = = 30 g m 6 n = = 0,2 mol NO M A 30 b) n = N N A ; N 0,2 = = 1,2 x tane NO 6,02 x molekülü 2. Aşağıdaki gazların mol sayılarını hesaplayınız. (N:14, O:16, C:12, H:1) a) 3,2 g CH 4(g) b) 34 g NH 3(g) Çözüm a) b) m m n = n = M A M A 3,2 g n = 0,2 mol CH 16 g mol -1 = 4 (g) n = 34 g 2 mol NH 17 g mol -1 = 3 (g) Sıcaklık Bir maddenin moleküllerinin ortalama hızı (kinetik enerjisi) sıcaklığı ile orantılıdır. Sıcakta gaz molekülleri daha hızlı hareket ederken soğuk ortamda hareketleri yavaşlar. Gazların fiziksel özelliklerinden basınç ve hacim, sıcaklığa bağlı olarak değiştiğinden gazın durumu belirtilirken sıcaklık değerinin verilmesi gerekir. Bu değer gazların birbirleriyle karşılaştırılmasında da önemlidir. Gazlar için kinetik enerji mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Sıcaklık termometre ile ölçülür. Ölçülen sıcaklık değerleri Celsius ( o C), Fahrenheit (F), Reaumur (R) ve Kelvin (K) gibi birimlerle gösterilir. Biz daha çok K ve o C birimlerini kullanacağız. Suyun kaynama noktası bölme 100 bölme 180 bölme 80 bölme Suyun donma noktası Celcius ( o C) Kelvin (K) Fahrenheit (F) Reomur (R) Şekil Sıcaklık ölçekleri (Celcius ile Kelvin ölçeklerinin bölmelerinin eşit ancak başlangıç noktalarının sayısal değerinin farklı olduğuna dikkat ediniz.) 187

188 10. Sınıf Kimya Okuma Metni Toriçelli boşluğu Şekil Toriçelli deney düzeneği (Basit bir basınçölçer) Resim Metal barometre (Aneroid barometre) 3 cm Atmosfer Basıncı Nasıl Ölçülür? 1643 yılında İtalyan Fizikçi Evangelista Toriçelli (Evangelist Toriçelli), basit bir düzenekle atmosfer basıncını ölçmüştür. Bu düzenekte bir kabın içine 3 cm yüksekliğinde cıva konulmuştur. Bir metre uzunluğunda, bir ucu kapalı ve cıva doldurulmuş cam borunun açık tarafı cıva kabına batırılır. Borudaki bir miktar cıva, kaba akar. Cıva seviyesi 760 mm ye kadar düşer ve orada kalır. Boruda kalan cıvanın ağırlığı, kaptaki cıvanın yüzeyine etki eden atmosfer basıncı tarafından dengelenir. Bu atmosfer basıncı deniz seviyesinde, 0 o C ta tam olarak 760 mm yükseklikteki bir cıva sütununun yapmış olduğu basınca eşit olur. Buna standart atmosfer basıncı (1 atm) denir. Modern barometre türü, aneroid barometre diye tanımlanan metal barometrelerdir yılında Vidie (Vidi) tarafından geliştirilmiştir. Bu tür barometrelerde cıva ya da herhangi bir sıvı kullanılmaz. Barometre havası alınmış oyuk ve yuvarlak bir metal kutudan oluşur. İçinde ince ve kıvrımlı bir maden kapsül bulunur. Kapsülün üzerine etki eden hava basıncı ileticiler yoluyla göstergeden izlenir. Maden kapsül ya fosfor bronzdan ya da berilyum bakırdan yapılmıştır. Gazların Basıncı Nasıl Ölçülür? Gazların basıncını ölçmek için kullanılan aletlere manometre denir. Bir atmosfer ve daha küçük basınçları ölçmek için kapalı veya açık uçlu manometreler kullanılır. Bir atmosferden daha büyük basınçları ölçmek için de basınç göstergeli manometreler kullanılır. Bunların yanında düşük basınçta bulunan gazların iyonlaşma ve iletkenlik özelliklerinden yararlanılarak yapılmış elektronik manometreler de vardır. Resim Manometre Manometrelerin kullanım alanları oldukça geniştir. Yangın söndürücülere, büyük buhar kazanlarına, doğal gaz kazanlarına basıncı kontrol etmek ve daha güvenli bir şekilde kullanmak amacıyla manometreler takılır. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir. Resim Basınç göstergeli manometre 188

189 2. BÖLÜM İçerik 1. Boyle-Mariotte Kanunu 2. Charles Kanunu Mutlak Sıcaklığın Molekül Hızlarının Dağılımına Etkisi 3. Avogadro Kanunu Birleştirilmiş Gaz Denklemi 4. İdeal Gaz Denklemi GAZ KANUNLARI Bu bölümde sıcak hava ya da helyum gazıyla dolu bir balonun havada neden yükseldiğini, kaza anında otomobillerde bulunan hava yastıklarının çalışma prensibinin ne olduğunu, bir gaz kaçağının niçin ateşle asla kontrol edilemeyeceğini öğreneceksiniz. Bu gibi olayların neden ve sonuçlarını gazların basınç, hacim, sıcaklık ve kütle ilişkilerinde aramaya çalışacağız.

190 10. Sınıf Kimya Resim Spor ayakkabının esnekliğini sağlayan bir etken de hava cepleridir Boyle - Mariotte Kanunu İnsanlar yürüyüş yaparken spor ayakkabıyı tercih ederler. Çünkü spor ayakkabının vermiş olduğu rahatlığı ve esnekliği diğer ayakkabılar sağlayamaz. Bunun sebebi spor ayakkabısının tabanında bulunan hava cepleridir (Resim 4.2.1). Adım atıldığında hava ceplerinde bulunan havanın basıncı artar. Hava kabarcıkları basıncın artmasıyla sıkışmaya karşı direnç gösterir. Havanın yavaş yavaş sıkıştırılırken ve gevşetilirken, uğradığı hacim değişikliği ayaklarımıza yastık etkisi yapar. Gaza uygulanan basıncın gazın hacmine etkisini Şekil de basit bir düzenek üzerinde görelim. Sabit sıcaklıkta bir miktar gaz örneği pistonla kapatılmış silindir içine konulur. Silindirde bulunan gaz üzerine değişik basınç değerleri uygulandığında hacimde meydana gelen değişiklikleri inceleyelim. Gaz Gaz Gaz Resim Hava basıncı üzerindeki çalışmalarıyla gazların basınç altındaki davranışlarını inceleyen Robert Boyle İrlanda asıllı kimyacı ve fizikçidir. P 1 = 5 atm P 2 = 10 atm P 3 = 15 atm V 1 =? V 2 =? V 3 =? Şekil Gazlarda basınç-hacim ilişkisi Basınç uygulandığında hacimde meydana gelen bu değişiklikler Tablo ve Grafik de sayısal olarak verilmiştir. Tablo Basınç-hacim ilişkisi Basınç P (atm) Hacim V (L) Hacim(L) Basınç (atm) Grafik Basınç-hacim ilişkisi Yukarıda tablo ve grafikte sabit sıcaklıkta belirli miktardaki gaza uygulanan basıncın hacmi nasıl etkilediği görülmektedir. Basınç ile hacim arasında nasıl bir matematiksel bağıntı vardır? Basınç ile hacim arasındaki ilişki ilk defa 1662 yılında Robert Boyle (Rabırt Boyle) tarafından açıklanırken aynı yıllarda bu ilişkiye, Fransız bilgini E. Mariotte (Mariotte) benzer deneyler yaparak dikkat çekmiştir. Tablo de basınç başlangıç basıncının iki katına çıktığında hacmin yarıya düştüğü, basınç 3 katına çıktığında ise hacmin 1/3 oranında azaldığı görülmektedir. Bu durum bize bir gazın basıncıyla hacminin ters orantılı olarak değiştiğini göstermektedir. 190

191 4. Ünite Maddenin Hâlleri Boyle-Mariotte kanunu olarak tanımlanan basınç ve hacim arasındaki bu ilişkinin matematiksel ifadesi şu şekildedir. P a 1 ve P V= k (sabit) V Bu ifade sabit sıcaklıkta belli bir miktar gazın basıncının hacmiyle ters orantılı olduğunu fakat çarpımlarının daima sabit kaldığını göstermektedir. O hâlde sabit sıcaklıkta aynı miktar gaz örneği için farklı basınçtaki hacim değerleri; P 1 V 1 = P 2 V 2 = P 3 V 3 =... = k bağıntısı şeklinde yazılabilir. Gazın miktarı (mol sayısı) veya sıcaklığı değiştirilseydi k sabitinin bundan nasıl etkilendiğini görmek için de aşağıdaki grafikleri inceleyelim. Hacim (L) Hacim (L) Araştırma Balık adamlar, denizin derinliklerinden yüzeye doğru çıkarken bazen vurgun olayıyla karşılaşır. Vurgun olayının sebebini Boyle-Mariotte Kanunu ile ilişkilendirerek araştırınız n = sbt T 2 >T T = sbt n 2 >n T 2 T n 1 n Basınç (atm) Grafik Farklı sıcaklıklardaki P-V ilişkisi Basınç (atm) Grafik Farklı mol sayılarındaki P-V ilişkisi Grafik de basınç 2 atm olduğunda ve sıcaklık T 1 den T 2 ye yükseldiğinde hacim 4 L ye ulaşmakta ve buna bağlı olarak P V = k bağıntısındaki k sabitinin değeri de artmaktadır. Aynı durum gazın farklı mol sayılarını içeren Grafik te de görülmektedir. Grafikte basınç 3 atm olduğunda mol sayısının n 1 den n 2 ye çıkartılmasıyla gaz hacminin 4 L ye ulaştığı ve k sabitinin de değiştiği çıkarımına ulaşılır.yukarıdaki grafiklerden de anlaşılacağı gibi P V = k bağıntısındaki k sabiti gazın sıcaklığına ve mol sayısına bağlı olarak değişmektedir. 1. Sabit sıcaklıktaki bir gazın 0,7 atm deki hacmi 350 cm 3 olarak ölçülüyor. Bu gazın aynı sıcaklık ve 1 atm deki hacmi kaç cm 3 olur? Çözüm P 1 = 0,7 atm V 1 = 350 cm 3 P = 1 atm 2 V 2 =? P 1 V 1 = P 2 V 2 0,7 x 350 = 1 x V 2 V 2 = 245 cm o C ta 3,2 g lık bir gaz örneği, 1,2 atm basınçta 3,5 L hacim kaplamaktadır. Aynı sıcaklıkta 2,6 atm de hacmi ne olur? Çözüm Örnek P 1 = 1,2 atm V 1 = 3,5 L P 2 = 2,6 atm V 2 =? P 1 V 1 = P 2 V 2 1,2 x 3,5 = 2,6 x V 2 V 2 1,6 L 191

192 10. Sınıf Kimya Öğrendiklerimizi Uygulayalım Sabit sıcaklıkta, belli bir miktardaki gazın hacmi değişik basınçlarda ölçülerek aşağıda bulunan tablo hazırlanmıştır. Hacim V (cm 3 ) Basınç P (atm) PV (atm cm 3 ) 80 0, , , , ,00... Tablodaki verileri kullanarak PV değerlerini hesaplayınız. Elde ettiğiniz sonuçlarla; a) P ye karşı V b) PV çarpımının V ye göre c) PV çarpımının P ye göre değişimlerini grafiklerle gösteriniz. Biliyor musunuz? Mısır Niçin Patlar? Pek çok insan patlamış mısırı sever. Dünyada her yıl milyonlarca ton mısır tüketilmektedir. Peki nasıl oluyor da bir tahıl ürünü bu kadar çok tercih ediliyor? Bu sorunun cevabının bir kısmı mısırın içerdiği nişastada ve diğer bir kısmı da gazların fiziksel davranışlarında saklıdır. Mısır yalnızca su ve nişastadan oluşmuştur. Tohumu üç tabakadan meydana gelir. En üstte kabuk kısmı, onun altında nişastadan oluşan bir katman ve içte embriyo yer alır. Mısır taneleri yüksek sıcaklığa kadar ısıtıldığında içinde bulunan su molekülleri buhar hâline dönüşür. Mısır taneleri bu sıcaklığa, oda sıcaklığında değilde ocakta ısıtıldığında ya da sıcak yağda ulaşır. Resim Havacılık üzerine çalışarak ilk hidrojen balonunu yapan Jocques A.C. Charles( )Fransız matematikçi ve fizikçidir. Buharlaşan ve hızla hareket eden su molekülleri mısır tanesinin içinde büyük bir basınç oluşturur. Yaklaşık 900 kpa basınç altında buharlaşan su molekülleri nişasta tanelerinin içine girer. Böylece basınç birdenbire 100 kpa a kadar düşer. Basınç düşmesi, suyun buharlaşması ve moleküllerin yayılması (Boyle-Mariotte Kanunu) nişastanın orijinal büyüklüğünün yaklaşık otuz kat fazlasına ulaşmasına sebep olur. Bu patlama öyle hızlıdır ki saniyenin küçük bir miktarında bir mısır tanesi bir anda beyaz bir mısır patlağına dönüşür Charles Kanunu Boyle Kanunu nda sistemin sıcaklığı sabit tutularak belirli bir miktar gazın basıncı ile hacmi arasındaki ilişki incelenmişti. Acaba basıncı sabit tutup sıcaklığı değiştirseydik gazın hacmi nasıl etkilenirdi? 192

193 4. Ünite Maddenin Hâlleri I.durum II.durum III.durum Resim Balondaki gaz hacminin sıcaklıkla olan ilişkisi Resim te I. durumdaki şişirilmiş balon buz dolu bir kap üzerine yerleştirildiğinde balon hacminin belli bir zaman sonra azaldığı görülüyor (II. ve III. durum). Balon kap üzerinden alınıp oda sıcaklığına bırakıldığında balon hacminin tekrar arttığı ve eski hâline geldiği gözlenir. Hava ile dolu bir balon ısıtıldığında ya da soğutulduğunda hacminde neden değişiklik meydana gelir? Bunun sebebi sıcaklığın artmasıyla hava moleküllerinin ortalama kinetik enerjilerinin artmasıdır. Kinetik enerjileri artan gaz molekülleri daha çok kuvvet uygulayarak iç basınç sabit kalacak şekilde esnek olan balonu genişletir. Sıcaklık azaltıldığında hava moleküllerinin kinetik enerjileri azalacağından balonun hacmi de azalır yılında Fransız fizikçi Jocques Charles (Jak Çarls) gazların hacmiyle sıcaklığı arasındaki bu ilişkiyi ortaya çıkarmak için yukarıdaki çalışmaya benzer denemeler yapmıştır. n = sabit P = sabit Sıcaklık artışı Şekil Hacim-sıcaklık ilişkisi Şekil de bir miktar gaz, basıncı sabit kalacak şekilde serbest hareket eden piston yardımıyla bir silindire yerleştirilir. Gazın sıcaklığı arttırıldığında pistonun yukarı doğru yükseldiği gözlenir. Bu durumun sebebi gazın hacminde meydana gelen artıştır. Sıcaklığa bağlı olarak hacimde meydana gelen bu değişiklikler Tablo ve Grafik te gösterilmiştir. Resim Charles ın sıcak hava balonlarına olan ilgisi sıcaklığın bir gazın hacmine etkisi hakkında araştırmalar yapmasına neden olmuştur. 193

194 10. Sınıf Kimya Tablo Sıcaklık-hacim ilişkisi Sıcaklık T ( o C) Hacim V (ml) 20 64, , , , , Hacim (ml) n = sbt P = sbt Sıcaklık ( o C) ,5 Grafik Sıcaklık-hacim ilişkisi Tablodaki veriler ve grafik incelendiğinde sabit basınçta gazın sıcaklığı arttırılırsa hacminin de arttığı görülmektedir. Buna göre sabit basınçta bir gazın hacmi sıcaklıkla doğru orantılıdır, diyebiliriz. Tablo deki verileri Grafik ile karşılaştırdığınızda benzerlikler buluyor musunuz? Belirtiniz. Basıncın sabit tutulduğu bir ortamda hacim, sıcaklığa karşı grafiğe geçirildiğinde düz bir doğrunun elde edildiği görülmektedir (Grafik 4.2.4). Hacim(mL) Sıcaklık( o C) 194 Laboratuvar koşullarında 0, K sıcaklığına ulaşılmıştır. Ancak sıfır K e hâlâ ulaşılamamıştır. Celcius 100 o C 0 o C -273,15 o C Kelvin 373 K 273 K 0 K Şekil Celcius ile Kelvin sıcaklığı arasındaki ilişki -273, Grafik Gaz hacminin sıcaklıkla değişimi Bu doğru uzatıldığında sıcaklık eksenini (x eksenini) -273,15 o C ta kestiği görülür (Grafik 4.2.5). Bu noktada bir gazın hacminin sıfır olması gerekir, ancak bu mümkün değildir. Deneyler de göstermektedir ki bütün gazlar bu düşük sıcaklığa gelmeden önce yoğuşarak sıvı hâle geçer. Bu durumu ilk kez İskoç fizikçi Lord Kelvin (Lort Kelvin) fark ederek en düşük sıcaklık olan -273,15 o C u mutlak sıfır noktası olarak tanımlamıştır. Mutlak sıfır noktasını başlangıç noktası olarak alan sıcaklık ölçeğine Kelvin (mutlak) sıcaklık ölçeği adı verilmiştir. Sıcaklıklar genelde Celcius ölçeğine göre ölçülür fakat hesaplamalarda Kelvin e dönüştürülerek kullanılır. Celcius ile Kelvin sıcaklık ölçeği arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir. T(K) = t( o C) + 273,15 formülündeki 273,15 değeri hesaplamalarda genellikle 273 olarak alınır. Sabit basınçta gaz hacminin mutlak sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişiminin matematiksel ifadesi; V a T veya V = k T şeklinde yazılabilir. Bu eşitlik Charles Kanunu olarak bilinir. Buradaki k sabit olup gazın miktarına ve basıncına bağlı olarak değişir. Bir gaz örneği için sabit basınçta iki farklı sıcaklık-hacim koşulları karşılaştırıldığında; V 1 V 2 = ilişkisi yazılabilir. T 1 T 2

195 4. Ünite Maddenin Hâlleri Charles Kanununun matematiksel ifadesindeki orantıya benzer bir orantı da sabit hacimde belirli miktarda gazın basıncı ile sıcaklığı arasında vardır. Bu ilişkiyi Gay-Lussac (Gay Lussak), gazlar üzerinde yaptığı çalışmalar sonucunda ortaya koymuştur. Buna göre sabit hacimde bir gazın basıncı sıcaklık arttırıldığında artar, azaltıldığında azalır. Bu ilişki; P a T veya P= k T şeklinde yazılabilir. Eşitlikteki k sabiti gazın miktarına ve hacmine bağlı olarak değişir. Basınç (atm) P 1 = P 2 T 1 T 2 şek- Eşitlik, bir gazın iki farklı sıcaklık-basınç durumunda linde yazılabilir. Gazın sıcaklığı arttıkça gaz molekülleri daha hızlı hareket eder, bulundukları kabın çeperlerine daha sık ve hızlı çarparak basıncı arttırır. Sıcaklık ( o C) Grafik Bir gazın sıcaklıkbasınç ilişkisi ml azot gazı 18 o C tan 157 o C a kadar sabit basınçta ısıtılıyor. Son hacmi ne olur? Çözüm Örnek V 1 = 380 ml T 1 = 18 o C T 2 = 157 o C V 2 =? T 1 = = 291 K T 2 = = 430 K V 1 V 2 = T 1 T V 2 = V 2 561,5 ml 2. Hacmi sabit bir kapta 127 o C ve 7 atm deki bir gazın sıcaklığı 600 K e çıkarılırsa son basınç ne olur? Çözüm T 1 = = 400 K T 2 = 600 K P 1 = 7 atm P 2 =? P 1 P 2 = T 1 T 2 7 P 2 = P 2 = 10,5 atm Mutlak Sıcaklığın Molekül Hızlarının Dağılımına Etkisi Soğuk bir havada, üşüdüğünüzü hissedip ellerinizi ovuşturduğunuz zaman elinizin ısındığını hissedersiniz. Bu olay sıcaklıkla hareket arasında bir ilişki olduğunu gösterir. Gazların kinetik teorisi de sıcaklıkla taneciklerin hızları arasındaki ilişkiyi, taneciklerin ortalama kinetik enerjisi olarak ifade eder. Tek bir taneciğin kinetik enerjisi mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Taneciğin ortalama kinetik enerjisi; E K = 1 2 m v2 = 3 2 k T şeklinde yazılabilir. 195

196 10. Sınıf Kimya Bir gazın bir molünün toplam kinetik enerjisi ise 3 RT'ye eşittir. 2 Sıcaklığı sabit olan bir kapta belli bir anda kaç tane molekül belli bir hızla hareket edebilir? Bu sorunun cevabını ancak taneciklerin hız karelerinin ortalamasını hesaplayarak bulabiliriz. Bir mol gazın toplam kinetik enerjisi 3 2 RT ye eşit yazıldığında; 3 2 R T = N A ( 1 2 m v2 ) N A m = M A (Mol Kütlesi) v 2 = 3 R T M A R = 8,314 J K -1 mol -1 v = 3 R T M A denklemi ortaya çıkar. Bu denklemde gaz moleküllerinin hızının sıcaklığa ve mol kütlesine bağlı olarak değiştiği görülmektedir. Oda sıcaklığında (25 o C ta) He atomunun hızını hesaplayınız. (He:4) Çözüm Örnek v = 3 R T M A v = R = 8,314 J K -1 mol -1 1J = 1 kg m 2 s -2 dir. = = M A He = 4 x 10-3 kg mol -1 v = 3 x 8,314 x x ,86 x 10 6 J kg -1 1,86 x 10 6 kg m 2 s -2 kg -1 1,36 x 10 3 m s -1 Gaz moleküllerinin belirli bir andaki hızları birbirinin aynı olmadığı gibi bir molekülün de değişik anlardaki hızı aynı değildir. O hâlde gaz moleküllerinin hızları birbirinden farklı olacağından moleküller bir hız dağılımı meydana getirebilir. Grafik de üç farklı sıcaklıktaki bir gazın hız dağılım eğrileri görülmektedir. Grafik de ise aynı sıcaklıkta üç farklı gazın hız dağılım eğrileri görülmektedir. T 1 Cl 2 (70,90 g mol -1 ) Moleküllerin Sayısı T 2 T 1 < T 2 < T 3 Moleküllerin Sayısı N 2 (28,02 g mol -1 ) He (4,003 g mol-1 ) T Molekül Hızı (m s -1 ) Grafik T 1, T 2, T 3 sıcaklıklarındaki bir gazın hız dağılımı Molekül Hızı (m s -1 ) Grafik Cl 2, N 2, He gazlarının 300 K deki hız dağılımı 196

197 4. Ünite Maddenin Hâlleri Hız dağılımı eğrileri, verilen bir sıcaklıkta, belirli bir hızda hareket eden moleküllerin sayısı hakkında bilgi verir. Eğrinin tepe noktası en fazla sayıdaki moleküllerin hızını ifade eder. Sıcaklık arttıkça eğri düzleşmeye başlar ki bu durum daha fazla sayıda molekülün daha hızlı hareket ettiğini gösterir. Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Grafik deki Cl 2, N 2, ve He gazlarının hız dağılım eğrilerine bakılarak gazların hızları hakkında neler söylenebilir? (300 K de) 2. Oda sıcaklığında azot molekülünün hızını hesaplayınız. (N:14) Cevap: v= 5,151 X 10 2 m s -1 Biliyor musunuz? Dünya atmosferinde bulunan hidrojen ve helyum miktarı Jüpiter in atmosferinden daha azdır. Bunun sebebi ne olabilir? Dünya, Jupiter den daha küçük bir gezegendir. Hafif moleküller üzerinde yeterli derecede yer çekimi kuvvetine sahip değildir. Dünyanın yer çekimi kuvvetinden kurtulmak isteyen bir molekülün 1,1 x 10 4 m s -1 e eşit veya daha fazla hıza sahip olması gerekir. Helyum atomlarının kaçış hızı, azot ve oksijen moleküllerinden daha fazladır. Bu yüzden uzaya kaçan helyum atom sayısı daha çoktur. Sonuçta Dünya atmosferinde az miktarda helyum atomu kalır. Jupiter in kütlesi Dünya kütlesinin yaklaşık 320 katıdır ve Dünya'dan daha fazla çekim kuvvetine sahiptir. Bundan dolayı Jupiter in atmosferi hem ağır hem de hafif gazları tutabilmektedir. Bu yüzden hidrojen ve helyum, Jupiter de Dünya ya oranla daha fazladır. Resim Kütlesi büyük olan Jupiter in atmosferi yalnızca hidrojen gazından oluşur Avogadro Kanunu Basıncın ve sıcaklığın sabit tutulduğu bir sistemde bir gazın miktarı değiştirildiğinde hacminin de değiştiği gözlenmiştir. Şekil te serbest hareket eden bir piston yardımıyla bir miktar gaz silindire sıkıştırılmıştır. Tablo Gazın miktarı (mol) ve hacim ilişkisi Gazın miktarı n (mol) Hacim V (ml) Gaz Silindir Şekil Gazlarda miktar (mol)-hacim ilişkisi 0,20 0,40 0,80 1,60 3,

198 10. Sınıf Kimya Sıcaklığın ve basıncın sabit tutulduğu bir ortamda Şekil teki gibi bir silindire gaz ilave edildiğinde gazın hacminin değiştiği görülür. Bu şekilde gaz eklenerek hacim değişimleri ölçülmüş ve ölçülen değerler Tablo te gösterilmiştir. Tablo teki hacim değerleriyle gazın miktarı grafiğe geçirilerek Grafik elde edilmiştir. Grafikte ortaya çıkan doğru, gazın mol sayısı ile hacminin doğru Hacim(mL) ,20 0,40 0,80 1,60 3,20 Gazın miktarı (mol) Grafik Miktar-hacim ilişkisi Bir gazın iki farklı hacim ve mol sayısı arasındaki ilişki; orantılı (V a n) olduğunu gösterir. Bu orantı V = k n şeklinde yazılır. Bağıntı, gazın miktarı artış oranı kadar hacminde de artışın olacağını ifade eder. Buradaki k sabiti gazın sıcaklığına ve basıncına bağlı olarak değişir. Hacim(L) V 1 V = 2 n 1 n 2 eşitliği şeklinde yazılabilir. Gazın hacim ve mol sayısı arasındaki ilişkiye benzer bir ilişki de gazın sıcaklığı ve hacmi sabit tutularak basıncı ve mol sayısı arasındaki ilişkidir. Bu ilişki; 22,41 P 1 P = 2 n 1 n 2 eşitliği şeklinde ifade edilebilir. 0 Gazlar 1 Mol(n) Grafik Bir mol ideal gazın NK daki hacmi Tablo Bazı gazların normal koşullardaki hacmi Hacim (L) İdeal Gaz 22,41 Argon (Ar) 22,12 Karbon dioksit (CO 2 ) 22,30 Azot (N 2 ) 22,44 Oksijen (O 2 ) 22,43 Hidrojen (H 2 ) 22,46 Sabit sıcaklık ve basınçta ideal gazların belli sayıdaki moleküllerinin kapladığı hacim ölçümleri ile ilgili deneyler yapılmıştır. Bu deneyler sonucunda gazın cinsine bakılmaksızın belli sayıdaki gaz moleküllerinin aynı hacmi kapladığı görülmüştür. Ortaya çıkan bu durum Amedo Avogadro nun ileri sürdüğü eşit hacimde eşit sayıda tanecik ifadesinin gerçekleştiğini göstermiştir. Bu ifadeden bütün gazların aynı koşullarda bir molünün hacminin birbirine eşit olduğu anlaşılmaktadır. Gazların özellikleri basınç ve sıcaklığa bağlı olarak değiştiğinden belirli bir basınç ve sıcaklık değerinin belirtilmesi gerekir. Gazlar için belirtilen basınç ve sıcaklık koşulları normal koşul ve standart koşul olmak üzere iki şekilde adlandırılır. Bir mol ideal gaz için normal koşulda sıcaklık 0 o C (273 K), basınç 1 atm iken standart koşulda sıcaklık 25 o C (298 K), basınç 1 atm dir. 1 mol ideal gazın normal koşuldaki hacmi 22,41 L, standart koşuldaki hacmi 24,5 L olarak ölçülmüştür (Grafik ). Öğrendiklerimizi Uygulayalım Normal koşullarda (0 o C ve 1 atm) çeşitli gazların ve ideal bir gazın mol hacimlerini içeren tablo yanda görülmektedir. Tablo teki verileri kullanıp hangi gazın ideal gaza yakın veya uzak olduğunu belirterek nedenleriyle açıklayınız. 198

199 4. Ünite Maddenin Hâlleri Birleştirilmiş Gaz Denklemi Önceki konularda gazların basınç, sıcaklık ve hacim gibi fiziksel özellikleri arasındaki ilişkiler incelenmiştir. Bu ilişkiler incelenirken P, V ve T gibi özelliklerinden biri veya birkaçı sabit tutulmuştur. Belli miktardaki bir gazın bu özelliklerinin hepsinin değiştiği düşünülecek olursa nasıl bir durumla karşı karşıya kalınır? Bunu basit bir örnek üzerinde açıklamaya çalışalım. Sıcaklığın 25 o C ve basıncın 5,3 atm olduğu bir gölün tabanından hacmi 2,7 ml olan küçük bir hava kabarcığı, sıcaklığın 27 o C ve basıncın 1,2 atm olduğu su yüzeyine çıkıyor. Kabarcığın içindeki hava miktarının sabit kaldığı düşünülürse son hacim ne olur? Hava kabarcığının hacmi hesaplanırken hacmin basınçla ters, sıcaklıkla doğru orantılı olarak değiştiği unutulmamalıdır. Hava kabarcığının sahip olduğu ilk durum ve son durum dikkate alınarak P, V ve T değerleri aşağıdaki gibi yazılır. İlk Durum P 1 = 5,3 atm Son Durum P 2 = 1,2 atm V 1 = 2,7 ml V 2 =? T 1 = =298 K T 2 = =300 K İlk durumdaki sıcaklık sabit tutulursa Boyle Kanunu ndan yola çıkarak hava kabarcığının hacmi (V x ); P 1 V 1 = P 2 V x 5,3 x 2,7 = 1,2 x V x 5,3 x 2,7 V x = 1,2 şeklinde hesaplanır. İlk durumdaki basınç sabit tutulursa Charles Kanunu na göre sıcaklık 27 o C a çıkarıldığında hava kabarcığının son hacmi (V 2 ); 5,3 x 2,7 V x T = 1 1,2 298 = V V 2 T 2 12 ml olur V 2 Bu durumda hava kabarcığı yüzeye doğru çıkarken basıncın düşmesi ve sıcaklığın artmasıyla hava kabarcığının hacminin de arttığı görülür. Bir gazın miktarı sabit tutulup Boyle ve Charles Kanunları birleştirildiğinde yeni bir eşitliğe ulaşılır. Bu eşitlik; P 1 V 1 P 2 V 2 = şeklinde yazılarak birleştirilmiş gaz T 1 T 2 denklemi adını alır. Bu eşitliği yukarıdaki örneğin tekrar çözümü için kullanınız. Bulduğunuz değerler aynı mıdır? Örnek Bir miktar ideal gaz 1140 mm Hg basınç ve 30 o C'ta 20 L hacim kaplamaktadır. NK daki hacmini hesaplayınız. 199

200 10. Sınıf Kimya Çözüm P 1 = 1140 / 760 = 1,5 atm P 2 = 1 atm V 1 = 20 L V 2 =? T 1 = = 303 K T 2 = 273 K P 1 V 1 P 2 V 2 = => T 1 T 2 1,5 x = 1 x V V 2 27 L İdeal Gaz Denklemi Kinetik teori temellerinin, gaz moleküllerinin sayısı, hacmi, sıcaklığı ve basıncı üzerine kurulduğu söylenebilir. Bunlar arasındaki ilişkilerin matematiksel ifadesi de gaz kanunları olarak ortaya konulmuştur. Boyle Kanunu nda T ve n sabit V ile P arasındaki ilişki; 1 V a şeklindedir. P Charles Kanunu nda ise P ve n sabit V ile T arasındaki ilişki; V a T dir. Avogadro Kanunu nda da P ve T sabitken mol sayısı gazın hacmiyle; V a n şeklinde değiştiği ortaya çıkmıştır. Bu ilişkiler P, V, T ve n gibi dört gaz niceliği arasındaki ilişkiyi içeren tek bir eşitlikle ifade edilebilir. Bir gazın hacmi, mol sayısı ve sıcaklıkla doğru, basınçla ters orantılıdır. Orantı kısaca; V a n T P şeklinde yazılabilir. Orantı (a) yerine orantı sabiti (R) konulup eşitlik tekrar düzenlendiğinde P V = n R T denklemi ortaya çıkar. Bu denkleme ideal gaz denklemi denir. Orantı sabiti (R), gaz sabiti diye de adlandırılır. R gaz sabitinin değeri 1 mol gazın normal şartlardaki hacim (22,41 L), sıcaklık (0 o C) ve basınç (1atm) değerleri ideal gaz denkleminde yerine konularak bulunabilir. P V = n R T 1 atm x 22,41 L = 1mol x R x 273 K 22,41 R = 273 0,0821 atm L mol -1 K -1 R sabitinin değeri, SI sisteminde hacim m 3, basınç Pa alındığında, P V 1,01325x10 R 5 Pa x 2,241x10-2 m 3 = = = 8,3145 m 3 Pa mol -1 K n T -1 1 mol x 273 şeklinde bulunur. Bu değer aynı zamanda R= 8,3145 J mol -1 K -1 e eşittir. Neden? 200

201 4. Ünite Maddenin Hâlleri İdeal gaz denklemi kullanılarak gaz hâldeki bir maddenin mol kütlesi ve yoğunluğu da hesaplanabilir. Denklemdeki mol sayısı yerine; m m n = ifadesi yazıldığında P V = R T M A M A eşitliği ortaya çıkar. Burada m, gazın kütlesi, M A ise mol kütlesidir. Eşitlik tekrar düzenlendiğinde; m R T M A = elde edilir. P V Böylece gazın molekül kütlesi bu bağıntıdan bulunabilir. m Bir gazın yoğunluğu d = formülü ile gösterilir. İdeal gaz denkleminde gerekli düzenlemeler V yapılarak; P V = m M A R T ; P M A = m V R T eşitliği elde edilir. Eşitlikte m V P M A = d R T ; yerine d konularak; 1. Kükürt hekzaflorür (SF 6 ) renksiz, kokusuz, çok etkin olmayan bir gazdır. 45 o C ta 1,82 molü çelik bir kapta 5,43 L hacim kaplamaktadır. Bu koşullarda çelik kaba uygulamış olduğu basıncı hesaplayınız. Çözüm Örnek d = P M A R T şeklinde bir denklemle gazın yoğunluğu hesaplanabilir. T = = 318 K n = 1,82 mol V = 5,43 L P =? P P P n R T = V 1,82 x 0,0821 x 318 = 5,43 8,75 atm 2. 5 L lik bir depolama tankını 10,5 atm basınçta 30 o C ta helyum ile doldurmak için kaç mol He gazı gereklidir? (He: 4) Çözüm T = = 303 K V = 5 L P = 10,5 atm n =? PV = n R T P V n = R T n = n ~ = 10,5 x 5 0,0821x303 2,11 mol 201

202 10. Sınıf Kimya Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıdaki soruları cevaplayınız atm basınçta hidrojen gazı ile doldurulan meteoroloji balonunun hacmi 150 L dir. Balon, basıncın 0,75 atm olduğu 2500 m yüksekliğe ulaştığı zaman; a) Bu yükseklikte sıcaklığın sabit kaldığı kabul edilirse balonun hacmi ne olur? Cevap: 200 L b) Basıncın sabit kaldığı kabul edilirse balonun dolum sıcaklığı 29 o C ve 2500 m yükseklikte sıcaklık -10 o C olduğunda balonun hacmi ne olur? Cevap: 130,6 L 2. Bir CO 2 örneğinin 1000 o C sıcaklıkta hacmi 30 L dir. Sıcaklık 25 o C olduğu zaman basıncın sabit kaldığı kabul edilirse hacmi kaç L olur? Cevap: 7 L 3. Çelik kaptaki gaz örneğinin sıcaklığı -100 o C ve basıncı 30 atm dir. Sıcaklık 500 o C olduğunda çelik kaptaki son basınç nedir? Cevap: 134 atm 4. Bilim insanları BaO 2 (baryum peroksit) in ısıtılması ile açığa çıkan oksijen gazının uzay kapsülünde kullanılabileceğini düşünüyorlar. BaO 2 ; 2BaO 2(k) 2BaO (k) + O 2(g) tepkimesiyle bozunduğuna göre; a) 25 o C ve 1 atm basınçta 1000 L hacmindeki uzay kapsülünü dolduracak kadar oksijen elde edebilmek için gerekli olan BaO 2 kütlesini hesaplayınız. (O: 16 ; Ba: 137) Cevap: 13,83 kg b) 20 o C ve 1 atm basınç altında saniyede 1 L oksijen gazı tüketildiğine göre uzay kapsülündeki oksijen ne kadar süre yeterli olur? Cevap: 9,8 x 10 2 s 202

203 3. BÖLÜM İçerik 1. Gaz Karışımları Kuru Havanın Bileşimi (Deniz Seviyesinde) Doğal Gaz ve Bileşenleri LPG (Sıvılaştırılmış Petrol Gazı) ve Bileşenleri 2. Dalton un Kısmi Basınçlar Kanunu Mol Kesri Gazların Su Üzerinde Toplanması Atmosferde Su Buharı GAZ KARIŞIMLARI Gazlar uzayın sonsuz derinliklerine göre Dünya atmosferinde oldukça yoğun bir şekilde bulunur. Dünya atmosferi çeşitli gazların değişik oranlarda bulunduğu tabakalardan oluşmuştur. Bir gaz kütlesi olan atmosfer, canlılar için hayati önem taşıyan azot, oksijen, argon, kripton, hidrojen, helyum ve karbon dioksit gibi gazlardan meydana gelir. Bulutları ve yağmuru oluşturan su buharının temel kaynağıdır. Atmosferdeki hava, canlıların yaşamı için uygun koşullar hazırlar. Örneğin ışık, ses ve sıcaklığı iletirken güneşten gelen zararlı ışınları engeller. Atmosferdeki gazlar ve su buharı olmasaydı Dünyamız gündüzleri sıcaktan kavrulan, geceleri buz gibi soğuyan, hiçbir canlının yaşamadığı, hiçbir sesin duyulmadığı ıssız bir çöle dönüşürdü. Dünya atmosferinde bulunan gazlardan başka, üzerinde yaşadığımız yer kabuğunun derinliklerinde de gazlar bulunmaktadır. LPG,doğal gaz ve bileşenleri gibi bazı gazlar fosil kaynaklıdır. Sanayi ve teknolojinin gelişmesiyle bazı gazların (CO 2, CO, SO 2 gibi) atmosferdeki bileşiminin değişmesi insan hayatını ve doğayı olumsuz yönde etkilemiştir. Bu bölümde yukarıda bahsedilen bazı gaz karışımlarının özelliklerini öğreneceksiniz.

204 10. Sınıf Kimya Gaz Karışımları Astronatlar uzaydan baktıklarında sanki Dünya nın ince, mavi bir kabukla çevrili olduğunu görürler. Bu kabuk adına atmosfer dediğimiz bir gaz karışımı olup değişik gaz tabakalarından oluşmuştur. Atmosferin gaz tabakalarından troposfer tabakası insan ve diğer canlılar için hayati bir önem taşır. Resim Güneş ışınlarının atmosfer içinde difüzyona uğramasından dolayı atmosfer mavi görünür. Hava, başta azot ve oksijen olmak üzere karbon dioksit, argon ve başka gazları içeren bir gaz karışımıdır. Yer kabuğunda oluşan, endüstride kullanılan gazların çoğu da bir gaz karışımı hâlindedir. Doğal gaz, hava gazı, LPG de bir gaz karışımı olup, amaca göre ya doğrudan ya da bileşenlerine ayrılarak kullanılır. Hava da belli bir basınç altında sıvılaştırılır. Sıvı havanın sıcaklığı yavaş yavaş arttırıldığında karışımdaki bütün gazlar sırasıyla saf olarak elde edilir. Kuru Havanın Bileşimi (Deniz Seviyesinde) Havanın nemini oluşturan su buharı miktarı atmosfer koşullarına göre sürekli olarak değişiklik gösterir. Su buharı içermeyen havaya kuru hava denir. Aşağıda kuru havanın bazı bileşenleri ve hacimce yüzdeleri verilmiştir. Bileşen Yaklaşık hacimce yüzdesi (%) Azot (N 2 ) 78,084 Oksijen (O 2 ) Argon (Ar) Karbon dioksit (CO 2 ) Neon (Ne) Helyum (He) Metan (CH 4 ) Hidrojen (H 2 ) 20,946 0,934 0,031 0, , ,0002 0,00005 Kükürt dioksit (SO 2 ) Amonyak (NH 3 ) Karbon monoksit (CO) Çok az miktarda bulunur. İyot (I 2 ) Doğal Gaz ve Bileşenleri Doğal gaz yer kabuğunun içinde bulunan bir gaz karışımıdır. Petrol gibi doğal gaz da kayaçların mikroskobik gözeneklerinde bulunur ve kayaç içerisinden çıkartılarak üretim kuyularına ulaştırılır. Doğal gazın yüzde bileşimi aşağıdaki gibidir. Bileşen Metan (CH 4 ) Etan (C 2 H 6 ) Propan (C 3 H 8 ) Bütan (C 4 H 10 ) Diğer gazlar Yaklaşık hacimce yüzdesi (%)

205 4. Ünite Maddenin Hâlleri Doğal gazın kaynama sıcaklığı oldukça düşük (-163 o C) olduğundan sıvılaştırılamaz ve boru hatlarıyla gaz hâlde taşınır. Doğal gazda, karbon dioksit (CO 2 ) ve azot (N 2 ) çok az miktarda bulunur. LPG (Sıvılaştırılmış Petrol Gazı) ve Bileşenleri LPG sıvılaştırılmış petrol gazı olup propan ve bütan gazlarının karışımından oluşur. Atmosfer basıncında ve normal sıcaklıkta gaz hâlde bulunur. Petrol kuyularından çıkartılabildiği gibi ham petrolün damıtılma sırasında da elde edilir. Normalde kokusuz, havadan ağır bir gazdır. Dolayısıyla bir kaçak hâlinde çukur ve kuytu yerlerde biriktiği için dikkatli kullanmayı gerektirir. Gaz kaçaklarının kolayca hissedilebilmesi için LPG nin içine metil merkaptan (CH 3 SH) dediğimiz kokulu bir gaz karıştırılır. LPG nin Yaklaşık hacimce Bileşenleri yüzdesi(%) Propan (C 3 H 8 ) 50 Bütan (C 4 H 10 ) 50 Otomotiv sektöründe kullanılan LPG ler %30 propan, %70 bütan içerir Dalton un Kısmi Basınçlar Kanunu Daha önceki bölümlerde saf hâlde bulunan gazların davranışlarını öğrenmiştik. Fakat çevremizde bulunan gazların çoğu karışım hâlindedir. Saf hâldeki gazlar gibi gaz karışımlarının özelliklerini bilmek uygulama alanlarında karşımıza çıkabilecek sorunların çözümünde etkili olacaktır. + Gazların Karıştırılması (H 2 ) P = 2 atm H 2 T = 25 o C V = 5 L H 2 (He) P He = 2 atm T = 25 o C V He = 10 L (H 2 + He) P T =? T = 25 o C V T = 15 L P T : Toplam basınç V T : Toplam hacim Yukarıdaki hareketli piston düzenekleri özdeştir. Hidrojen gazıyla, aynı şartlarda helyum gazı karıştırıldığında (karıştırılan gazlar birbiriyle reaksiyona girmemeli), gaz karışımının toplam basıncı ne olur? Basınç, karışımda bulunan gaz moleküllerinin birbirine veya kabın çeperlerine çarpmasıyla oluşacaktır. O hâlde, bu basıncı oluşturacak tanecik sayısını yani mol sayısını bilmek gerekir. Bir gaz karışımında toplam basınç (P T ), gaz moleküllerinin yapısına değil, karışımdaki gazların toplam mol sayısına bağlıdır. Karışımın mol sayısını H 2 ve He gazlarının mol sayıları toplamı oluşturacaktır. Bu gazların mol sayıları ideal gaz denklemi kullanılarak hesaplanabilir. n H = 2 P V 2 x 5 n H = n R T 2 H 0,4 mol 0,0821 x ( ) 2 n He = P V R T 2 x 10 n He = 0,0821 x ( ) n He 0,8 mol 205

206 10. Sınıf Kimya Hidrojen ve helyum gazlarının mol sayıları toplandığında karışımın toplam mol sayısı; n T = n + n He H 2 = 0,4 + 0,8 n T = 1,2 mol olur. Bulunan mol sayısı ideal gaz denkleminde yerine konulduğunda toplam basınç hesaplanmış olur. P T V T = n T R T P T x 15 = 1,2 x 0,0821 x ( ) P T ~ 1,95 atm Gaz karışımının toplam basıncı bulunduktan sonra bu basınca her bir gazın yapmış olduğu katkı nedir? Sıcaklık aynı kalmak koşulu ile H 2 ve He gazlarının toplam hacimde tek başına yapmış olduğu basınç aşağıdaki gibi hesaplanabilir. n R T H P 2 H = 2 V T P He = n He R T V T P H 2 P H 2 = ~ 0,4 x 0,0821 x ( ) 15 0,65 atm P He P He 0,8 x 0,0821 x ( ) = 15 ~ 1,3 atm Resim John Dalton Bulunan basınç değerleri gazların kendi (kısmi) basınçlarıdır. Kısmi basınçlar toplandığında toplam gaz basıncı değerine ulaşılır. P T = P H 2 + P He P T = 0,65 + 1,3 P T = 1,95 atm Bu durumda gaz karışımının toplam basıncı, gazların kısmi basınçlarıyla ilişkili olmaktadır yılında Dalton, bir gaz karışımına ait toplam basıncın, karışımdaki her bir gazın kısmi basınçlarının toplamına eşit olduğunu belirledi. Bu ifade Dalton un kısmi basınçlar kanunu olarak bilinir. Genel anlamda gaz karışımlarının toplam basıncı aşağıdaki gibi ifade edilebilir. P T = P A + P B + P C +... Sıcaklığın sabit olduğu durumda ve toplam basınç altında, karışımdaki her bir gazın tek başına doldurduğu hacim (kısmi hacim) bulunabilir mi? Bunu yukarıdaki örnekte verilen He ve H 2 için hesaplayalım. V H = 2 n R T H 2 P T V 0,4 x 0,0821 x ( ) H = 2 1,95 V H 2 ~ 5L V He = n He R T P T V He = 0,8 x 0,0821 x ( ) 1,95 10L V He ~ 206

207 4. Ünite Maddenin Hâlleri Bulunan gazların hacimleri (kısmi hacim) toplandığında gaz karışımının toplam hacmine eşit olduğu görülür. V T = V H2 Mol Kesri + V He V T = V T = 15 L Bir gaz karışımının toplam basıncının, toplam mol sayısına bağlı olduğunu söylemiştik. Bu ilişkiyi önceki hidrojen-helyum gaz karışımı örneği üzerinde görelim. Hidrojen gazının kısmi basınç formülünü, gazın toplam basınç formülüne oranladığımızda aşağıdaki bağıntı elde edilir. P H 2 P T = n H 2 R T / V T n T R T / V T P H 2 = n H 2 P n T T Elde edilen n H 2 bağıntısı hidrojenin mol kesridir ve X n H ile T 2 gösterilir. Mol kesri, gaz karışımındaki bir gazın mol sayısının, karışımdaki bütün gazların mol sayıları toplamına oranıdır. Karışımdaki herhangi bir gazın mol kesri aşağıdaki gibi gösterilir. mol kesri X = n n T gazın mol sayısı karışımdaki toplam mol sayısı Buna göre karışımda bulunan hidrojen ve helyum gazlarının mol kesirlerini bulalım. X 0,4 0,8 X H = X 2 1,2 He = 1,2 X ~ 0,33 X 0,67 He ~ H 2 ve He gazlarının mol kesirleri toplandığında 1 e eşit olduğu görülür. Herhangi bir gaz karışımındaki bütün gazların mol kesirleri toplamı daima 1 e eşittir. İdeal gaz karışımında bir gazın kısmi basıncının toplam basınca oranı ile, kısmi hacmin toplam hacme oranı birbirine ve mol kesrine eşittir. P H 2 H 2 H 2 P T = = n H 2 n n + n X = He X He H + X H = 1 n + n 2 2 He He H 2 V n H H 2 2 = = X H V T n 2 T 0,33 + 0,67 = 1 Yukarıdaki eşitliklere bakıldığında ideal gaz karışımlarıyla yapılan çalışmalarda mol kesrinin, hacim yüzdesi, basınç yüzdesi veya mol yüzdesi olarak da verileceği görülür. H 2 207

208 10. Sınıf Kimya Örnek Örnek 1. Havanın hacimce yaklaşık yüzde bileşimi %78 N 2, %21 O 2, %0,963 Ar ve %0,037 CO 2 şeklindedir. 748 mm Hg basıncındaki bir hava örneğindeki bu dört gazın kısmi basınçları nedir? Çözüm V hava = V toplam = V N2 + V O2 + V Ar + V CO2 1 atm= 760 mm Hg 748/760 ~ 0,98 atm P V P V N N O O P Ar V P Ar CO 2 = = = = P T V P T T V T P T V T P T P P N O 2 2 P P = = Ar 0,963 CO 2 0,037 = = 0, , , , P =~ ~ 0,76 atm PO ~ 0,2 atm P ~ 0,94 x10-2 atm P 2 Ar CO ~ 2 N 2 V CO 2 V T 0,4 x10-3 atm 2. 1 g H 2 ve 5 g He karışımı 20 o C ta 5 L lik bir kaba konduğunda karışımın uyguladığı basınç ne olur? (H:1, He:4) (R = 0,0821 L atm K -1 mol -1 ) Çözüm n = m M A A n H = 1 H n = 1 2 = 0,5 0,5 mol mol 5 n = He 4 = 1,25 mol n T = n H 2 + n He n T = 0,5 + 1,25 n T = 1,75 mol P T V T = n T RT 1,75 x 0,0821 x ( ) P T = 5 P T ~ 8,4 atm Öğrendiklerimizi Uygulayalım Bir doğal gaz örneği, 8,240 mol metan (CH 4 ), 0,421 mol etan (C 2 H 6 ) ve 0,116 mol propan (C 3 H 8 ) içermektedir. Toplam basınç 1,37 atm ise gazların kısmi basınçları nedir? (C:12, H:1) Cevap: P CH = 1,29 atm, 4 P C 2 H = 0,07 atm, P 6 C 3 H 8 = 0,018 atm Gazların Su Üzerinde Toplanması KClO 3 ve MnO 2 O 2(g) Su üzerinde gaz toplama yöntemi karışımlardaki gazları saf olarak elde etmek için kullanılır. Gazın su üzerinde toplanabilmesi için suyla tepkime vermemesi ve suda çözünmemesi gerekir. Örneğin H 2, O 2 ve N 2 gibi gazlar, hem suda çözünmez kabul edilir hem de tepkimeye girmezler. Dalton un kısmi basınçlar kanunu, su üzerinde toplanan gazların basıncının hesaplanmasında da kullanılır. Şekil deki gibi bir düzenekte, potasyum klorat (KClO 3 ) ısıtıldığında açığa çıkan oksijen gazı su dolu tüp içerisinde toplanmaya başlar (MnO 2 katalizördür.). Toplanan oksijen gazı saf değildir. Çünkü tüpte su buharı da vardır. Toplam gaz basıncı, oksijen gazının kısmi basıncı ile su buharının kısmi basıncının toplamına eşittir. P T = P O2 + P H2 O Şekil Su üzerinde gaz toplamak için kullanılan düzenek Su buharının basıncı sıcaklığa bağlıdır. Toplam basınç hesaplanırken o sıcaklıktaki suyun buhar basıncı bilinmelidir. Örneğin, 19 o C ta suyun buhar basıncı 16,48 mm Hg dır. 208

209 4. Ünite Maddenin Hâlleri Potasyum kloratın (KClO 3 ) ısıtılmasıyla su üzerinde 21 o C ta O 2 gazı toplanmaktadır. Su üzerinde toplanan O 2 gazının kısmi basıncını bulunuz. (21 o C ta P : 18,65 mm Hg, P atm : 760 mm Hg) H O ısı 2 2KClO 3(k) 2KCl (k) + 3O 2(g) Çözüm P T = P + P 760 = P + 18,65 P O 2 Örnek O 2 O 2 H 2 O = 741,35 mm Hg ~ 0,975 atm Atmosferde Su Buharı Baharda ve serin geçen yaz günlerinde sabahın erken saatleri çiçeklerin yapraklarında oluşan su damlacıklarını görebiliriz. Çiçeklerin yapraklarında yoğuşan bu su damlaları (çiğ) güzel bir resim oluşturur. Bunun sebebi havadaki nem miktarıdır. Hava hacimce %4 e varan miktarda su buharı içerir. Bir hava örneğindeki su buharının oranı sıcaklık arttıkça artar. Havanın su buharı içeriği genellikle bağıl nem kavramı ile ifade edilir. Bağıl nem, su buharı kısmi basıncının aynı sıcaklıkta suyun buhar basıncına oranıdır ve % ile tanımlanır. Su buharının kısmi basıncı Bağıl nem = x 100 Suyun buhar basıncı Örnek Bağıl nemin %51,3 olduğu bir yerde, 25 o C sıcaklıktaki havada bulunan su buharının kısmi basıncı nedir? (25 o C ta suyun buhar basıncı 23,8 mm Hg) Çözüm P H2 O 51,3 = x ,8 ~ 12,2 mm Hg P H2 O Resim % 100 bağıl nemde sıcaklık azaldığında su buharı çiğ olarak yoğuşur. Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Bağıl nemin %85 olduğu bir yerde, 27 o C sıcaklıktaki havada bulunan su buharının kısmi basıncı nedir? (27 o C ta suyun buhar basıncı 26,7 mm Hg) Cevap: 22,70 mm Hg g O 2, 60 g Ne, 204 g H 2 S, 160 g Ar gazı bulunduran bir tanktaki toplam basınç 2 atm olduğuna göre aşağıdaki tabloyu tamamlayınız. [Mol kütleleri (g mol -1 ): H: 1 ; O: 16 ; Ne: 20; S:32 ; Ar: 40] Mol sayısı Mol kesri Kısmi basınç O 2 Ne H 2 S Ar Toplam 209

210 10. Sınıf Kimya g kireç taşı, aşağıdaki tepkimeye göre yeteri kadar HCl ile etkileşirken oluşan CO 2 su üzerinde toplanıyor. Tepkime sonunda gazın ölçülen basıncı 740 mm Hg, hacmi 5,2 L, sıcaklığı 24 o C olduğuna göre; CaCO 3(k) + 2HCl (s) CaCl 2(k) + CO 2(g) + H 2 O (s) a. Oluşan CO 2 in mol sayısını hesaplayınız. Cevap: 0,2 mol b. Kireç taşındaki CaCO 3 ın yüzdesini bulunuz. Cevap: %78 c. Suyun buhar basıncının sıcaklıkla değişimini gösteren aşağıdaki tablodan yararlanarak CO 2 gazının 24 o C taki kısmi basıncını ve kısmi hacmini hesaplayınız. Cevap: P = 717,6 mm Hg CO 2 CO 2 = 5,0 L (Mol kütleleri: Ca: 40 g mol -1, O: 16 g mol -1, C: 12 g mol -1 ) V Sıcaklık ( o C) Suyun Buhar Basıncı (mm Hg) 0 4, , , , , , , , ,0 Okuma Metni Gerçek (İdeal Olmayan) Gazlar İdeal gaz kanunları ve kinetik teori, gaz hâlindeki moleküllerin birbirine itme ve çekme kuvveti uygulamadığını varsaymaktadır. Oysaki doğada tüm gazlar gerçektir ve gerçek gazlarda da moleküller arası etkileşim vardır. Bu yüzden de gerçek gazlar ideal gaz denklemine uymazlar. Gazlarda moleküller arası etkileşimler yüksek sıcaklık ve düşük basınçta en azdır. İdeal gaz denklemine göre P.V/R.T=1 dir. Oysa tabiatta bulunan gazlar bu orandan sapma gösterirler. Bir gazın ideal gaz koşulunu sağlaması veya ideal gaza yaklaşması bu orana yaklaşılması veya uzaklaşılması ile ölçülebilir. Gerçek gazlarda deneysel olarak belirlenen P.V/R.T oranının 1 e yakınlığı, gazın ne kadar ideal davrandığının ölçüsüdür. Gerçek gaz molekülleri yüksek sıcaklık ve düşük basınçta birbirlerinden uzaklaşarak idealliğe daha çok yaklaşırlar. Bu kitap için yazarlar tarafından düzenlenmiştir. 210

211 4. BÖLÜM İçerik 1. Gerçek Gazlar 2. İdeal Gaz Varsayımından Sapmalar 3. Moleküller Arası Bağlar ve Gerçek Gazların Sıvılaşması 4. Joule-Thomson Olayı 5. Gaz, Buhar ve Kritik Sıcaklık GERÇEK GAZLAR Tabiatta ideal gaz var mıdır? Havadaki gazları sıvılaştırmak için hangi yöntemler kullanılır? Geri dönüşümlü olarak erime sıcaklığında katı sıvıya; kaynama sıcaklığında ise sıvı buhara dönüşür. Buhar ile gaz arasında bir dönüşüm var mıdır? Gazlarla ilgili hesaplama yaparken sıcaklık birimi olarak Kelvin i kullandığımızı biliyorsunuz. Maddeleri 0 (sıfır) Kelvin e kadar soğutmak mümkün müdür? Soğutucuların çalışma prensipleri nedir?

212 10. Sınıf Kimya Gerçek Gazlar Bir tünel yapılırken bazen kazı işlemleri her iki uçtan başlatılır. Yaklaşık 5 kilometrelik bir tünelde yapılan karşılıklı kazı çalışmalarının merkezlerindeki sapma oranı 2-5 mm arasındadır. Tünel yapımına başlayan insanlar bunu bilirler ancak bu durum tünel yapılmasına engel olmaz. Bazen yapacağımız hesaplamaların yaklaşık sonuçlar vereceğini biliriz ve hesaplamadaki bu küçük sapma miktarını ihmal ederiz. Başka bir örnek vererek ihmal etmenin ne demek olduğunu anlamaya çalışalım. Normal şartlarda 900 km olan bir yolu otomobille 10 saatte gideriz. Bu kadarlık bir mesafede 10 dk lık bir gecikme ihmal edilebilir düzeydedir. Ancak 9 km olan bir yolu 6 dk yerine 16 dk da gitmek ihmal edilebilir düzeyde değildir. Büyük sayısal değerlerin yanındaki küçük değerler hesaplamada kolaylık sağlamak için ihmal edilebilir. Çünkü bu ihmaller sayesinde işimiz daha da kolaylaşır. Gazların davranışlarını açıklayabilmek için kinetik teoriye göre bazı ihmallerde bulunulduğunu gördük. Bu ihmallerden birincisi gaz moleküllerinin hacimlerini bulunduğu kabın hacmine göre ihmal etmek, ikincisi ise gaz molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerini yok saymaktır. gaz molekülü Şekil Herhangi bir gazın hacmi bulunduğu kabın hacmi olarak alınır. Gaz molekülünün kendi hacmi ise kabın hacmine göre çok küçüktür. Gazların özelliklerinin bilinmesi, endüstriyel gelişimde oldukça önemlidir. Çünkü gazlar endüstride pek çok alanda kullanılmaktadır. Azot (N 2 ) elektronik sanayi, metallerin işlenmesi, besinlerin dondurulmasında kullanılır. Oksijen (O 2 ); çelik üretimi ve diğer metalürji işlemlerinde, kimyasal madde üretiminde ve tıpta kullanılır. Amonyak (NH 3 ); gübre, plastik, lif üretimi ve patlayıcı yapımında kullanılır. Klor (Cl 2 ); farklı organik maddelerin sentezinde, plastik üretimi, kâğıt hamuru ve kâğıt yapımında kullanılır. Etilen (C 2 H 4 ); plastik üretimi, antifriz ve lif yapımında kullanılır. Gaz moleküllerinin kendi hacimleri (öz hacim) toplam hacim yanında ihmal edilebilecek kadar küçük olan ve molekülleri arasında etkileşme bulunmayan gazlar ideal gaz varsayımına uyar. Düşük basınçta ve yüksek sıcaklıktaki gazlar (atmosferi oluşturan gazlar laboratuvar koşullarında basınçları düşük yani yaklaşık 2 atm nin altında olduğu zaman) ideal gaz yasasını büyük bir oranda doğrular. Ancak yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta moleküller arasındaki etkileşimler artacağı için gazlar ideal gaz varsayımından sapar. Örneğin, bir gazın sabit sıcaklıktaki basıncı 2 atm den 4 atm e yükseltilirse hacmi ilk hacminin yarısına düşer (Boyle Kanunu). Aynı gazın basıncı 2000 atm den 4000 atm e yükseltildiği zaman, hacmi ilk hacminin yarısından farklı olur. 212

213 4. Ünite Maddenin Hâlleri Düşük ve sabit basınç altında bulunan bir gaz, 400 K sıcaklıktan 200 K sıcaklığa kadar soğutulursa hacmi ilk hacminin yarısına iner (Charles Kanunu). Fakat aynı gaz, 40 K den 20 K gibi çok düşük sıcaklığa kadar soğutulduğunda, son hacmi ilk hacminin yarısına eşit olmaz. Gaz yasaları, kinetik teori varsayımları ile uyumludur. Ancak gazlarla ilgili deneysel sonuçlar gerçek gazlara aittir. Bir gaz için ideal gaz denkleminden elde edilen sonuçlar yaklaşık değerlerdir İdeal Gaz Varsayımından Sapmalar İdeal gaz denklemi PV= nrt olduğuna göre 1 mol gaz için PV/RT = 1 dir. İdeal gazlar farklı sıcaklık ve basınç koşullarında da bu eşitliği doğrular. Ancak gerçek gazlar her koşulda bu eşitliği sağlamaz. Grafik de değişik sıcaklıklarda CH 4 (metan) gazının PV/RT oranının basınçla değişimini görmektesiniz. PV RT 200 K 500 K 640 K 1000 K ideal gaz Grafik de görüldüğü gibi CH 4 gazı 200 K (-73 o C) sıcaklığında ideal gaz denkleminde hesaplanan değerden oldukça çok sapmıştır K sıcaklığında ise ideal gaz denkleminden hesaplanan sonuca oldukça yaklaşmıştır. P (atm) Grafik CH 4 (metan) gazının değişik sıcaklıklarda PV/RT oranının basınçla değişimi ve ideal gaz denkleminde hesaplanan değerden sapması PV/RT=1 değerindeki sapma miktarı gazın ideal gaz denkleminde hesaplanan sonuçtan ne kadar saptığını gösterir. Gerçek bir gazın ideal gaz denkleminde hesaplanan sonuçtan sapması gazın cinsi (molekülün polarlanabilirliği), basıncı ve sıcaklığı gibi nedenlere bağlıdır. Yukarıdaki grafikte sıcaklık azaldıkça ve basınç arttıkça CH 4 gazının ideallikten sapma miktarının da arttığı görülmektedir. PV RT H 2 CH 4 O 2 CO 2 ideal gaz Grafik de verilen farklı gazların PV/RT değerlerinden ideal gaz denkleminde hesaplanan sonuç esas alındığında en çok sapan gazın C 2 H 4 olduğu görülür. C 2 H 4 P (atm) Grafik Farklı gazların PV/RT oranının basınçla değişimi ve ideal gaz denkleminde hesaplanan değerlerden sapmaları 213

214 10. Sınıf Kimya Grafik yi inceleyerek farklı gazların ideallikten sapma miktarlarının farklı olmasının nedenlerini tartışınız. Kinetik teoriye göre gaz moleküllerinin öz hacmi, toplam hacim yanında ihmal edilebilir. Şekil a-i ve b-i de görüldüğü gibi düşük basınçta birbirinden oldukça uzakta bulunan gaz moleküllerinin bulundukları hacmin yanında öz hacimlerini ihmal etmek büyük bir hataya neden olmaz. Ancak mutlak sıfır sıcaklığında gaz üzerindeki basınç arttırıldığı zaman hacmin sıfıra yaklaşması gerekir. Bu durumun mümkün olamayacağı Şekil a-ii ve b-ii de de görülmektedir. Çünkü, gerçek gaz moleküllerinin öz hacmi sıfır değildir. I (a) II Şekil (a) Öz hacimleri farklı olan 2He ve (b) I 36 (b) II Kr a basınç uygulanması Yüksek basınçta moleküller birbirlerine oldukça yaklaşır ve moleküller aralarındaki mesafenin yanında moleküllerin öz hacimleri, ihmal edilemez bir düzeye gelir. Bu nedenle gerçek bir gazın ölçülen h=px hacmi ideal gaz denklemiyle hesaplanan hacminden daha büyüktür. 1 mol gerçek Şekil de de görüldüğü gibi farklı gaz moleküllerinin öz hacimleri X(g) birbirinden farklı olduğuna göre her gazın ideal gaz denkleminden sapma miktarı da farklı olur. Yukarıda örneği verilen 2He ile 36Kr Hg gazlarını karşılaştırdığımız zaman helyumun öz hacmi kriptonunkinden oldukça küçüktür. Bu durumda helyumun öz hacminden kaynaklanan PX < PX ideal gerçek hacim artması, kriptonun öz hacminden kaynaklanan hacim artmasına Şekil Düşük sıcaklıklarda göre daha azdır. Kısacası molekül hacmi kriptona göre daha küçük olan gerçek gazların basıncı ideal helyum idealliğe daha yakındır. gaz denkleminden hesaplanan basınçtan daha küçüktür. İdeal gazlarda, moleküller arasındaki etkileşimler de ihmal edilir. Oysa bütün gazlar sıcaklıkları düşürüldüğünde sıvılaşır. Yaşadığımız koşullarda bazı gaz molekülleri arasındaki çekme kuvvetleri ihmal edilebilecek kadar az olduğu için bu gazların ideal gaz gibi davrandığı söylenebilir. Yüksek sıcaklıklarda gaz molekülleri çok hızlı hareket ettiklerinden moleküller arasındaki çekme kuvvetleri moleküllerin kinetik enerjileri yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Düşük sıcaklıklarda ise çekme kuvvetleri molekülleri hb 1 mol 1 mol birbirine yaklaştırır. Bu durumda gerçek bir gazın ölçülen ha (CO2) basıncı, ideal gaz denkleminden hesaplanan basınçtan daha (SO2) (g) (g) küçüktür (Şekil 4.4.3). Molekülleri arasındaki etkileşimleri 1 L 1L yüksek olan gazların ölçülen basıncı, ideal gaz denkleminde a b Hg hesaplanan basınçtan daha düşüktür. Örneğin, SO2 molekülü polar olduğu için molekülleri arasında dipol-dipol etkileşimleri; apolar Şekil Düşük sıcaklıklarda aynı mol sayısına ve hacme olan CO2 molekülleri arasında ise daha zayıf olan London kuvvetleri sahip SO2 ve CO2 gazlarının görülür. Bu nedenle SO2 gazının CO2 gazına göre ölçülen basıncı ideal basınçlarının karşılaştırılması gaz denklemiyle hesaplanan basıncından daha düşüktür (Şekil 4.4.4). Buna göre moleküller arası etkileşimi daha küçük olan CO2 gazının SO2 gazına göre idealliğe daha yakın olduğunu söyleyebiliriz. 214

215 4. Ünite Maddenin Hâlleri He, H 2, Cl 2 gibi moleküller arasında yalnızca London kuvvetlerinin etkili olduğunu biliyorsunuz. Farklı apolar moleküller arasındaki etkileşimlerin şiddeti de farklıdır. Örneğin, CH 4 molekülleri ile SiH 4 moleküllerini karşılaştırdığımız zaman ( 6 C, 14 Si) molekül hacmi büyük olan SiH 4 molekülleri arasında London kuvvetlerinin daha etkin olduğu görülür. Buna göre SiH 4 gazı, CH 4 gazına göre ideallikten daha çok sapar. Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Aşağıda verilen molekül çiftlerinden hangisinin ölçülen basıncının, ideal gaz denkleminde hesaplanan basıncından daha düşük olmasını beklersiniz? Neden? ( 9 F, 35 Br, 10 Ne, 54 Xe) A) C 2 H 6 -C 4 H 10 B) Ne Xe C) F 2 Br 2 2. Aşağıda verilen molekül çiftlerinden hangisinin ölçülen hacminin, ideal gaz denkleminde hesaplanan hacminden daha yüksek olmasını beklersiniz? Neden? ( 1 H, 10 Ne, 7 N, 9 F, 35 Br, 54 Xe) A) C 2 H 6 -C 4 H 10 B) Ne Xe C) F 2 Br 2 D) CH 4 C 3 H 8 E) H 2 N Moleküller Arası Bağlar ve Gerçek Gazların Sıvılaşması Tablo de bazı gazların 1 atmosfer basınçtaki kaynama noktaları (yoğuşma sıcaklıkları) ve molekülleri arasındaki etkileşimin türü verilmiştir. Bu tabloyu inceleyerek moleküller arasındaki etkileşimler ile ideallikten sapma arasında bir ilişki kurulup kurulamayacağını tartışınız. Tablo Bazı gazların kaynama noktaları ve molekülleri arasındaki etkileşimler Gazlar Kaynama Noktası ( o C) H 2 O 100 CH 3 OH 64,96 SO 2-10 Molekülleri Arasındaki Etkileşimin Türü Dipol-dipol Hidrojen bağı London kuvvetleri Dipol-dipol Hidrojen bağı London kuvvetleri Dipol-dipol London kuvvetleri Cl 2-34,6 London kuvvetleri CO 2-78,5 London kuvvetleri O 2-182,9 London kuvvetleri F 2-188,1 London kuvvetleri He -268,6 London kuvvetleri * Tablodaki kaynama noktaları gazların sıvı hâlinin 1 atm basınçtaki değerleridir. 215

216 10. Sınıf Kimya Resim James Prescott Joule ( ). Termodinamiğin 1.kanununu keşfeden İngiliz fizikçinin bu alandaki çalışmalarından dolayı enerji birimine soyadı verilmiştir. Tablo incelendiğinde gazların kaynama sıcaklığının molekülleri arasındaki etkileşimlere bağlı olduğu görülmektedir. Moleküller arasındaki etkileşimin şiddeti arttıkça gaz daha yüksek sıcaklıklarda sıvılaşabilir. Tablo de yukarıdan aşağıya doğru inildikçe moleküller arasındaki etkileşimin şiddeti azalırken kaynama sıcaklığının da azaldığı görülür. Bu durumda gaz molekülleri arasındaki etkileşimin şiddeti ne kadar az ise gaz, idealliğe o kadar yakındır. Gaz molekülleri arasındaki etkileşimin şiddeti arttıkça madde, gaz hâlden sıvı hâle geçeceği için ideallikten uzaklaşır Joule-Thomson Olayı Buzdolabının ve derin dondurucuların olmadığı dönemlerde insanlar yaşadıkları yerleşim bölgelerinin yakınında bulunan dağların zirvelerinden kar getirerek soğutucuya olan gereksinimlerini karşılıyorlardı. Herhangi bir maddeyi soğutmanın yollarından birisi kendisinden daha soğuk başka bir maddenin içine koymaktır. Bu amaçla kullanılan soğutucu maddeler; buz, sıvı hava, kuru buz (katı CO 2 ), aseton-alkol veya aseton-eter karışımıdır. Sıvı hava bulunduğu ortamı -180 o C a kadar, sıvı hidrojen ise -250 o C a kadar soğutabilir. Normal şartlar altında hava ve hidrojen sıvı hâlde bulunamayacağına göre gazlar bulundukları ortamın sıcaklığından daha düşük sıcaklıklara kadar nasıl bir yöntemle soğutulabilir? Bu konu hakkında ilk defa çalışan bilim insanları James Joule ve William Thomson dır. Joule ve Thomson Şekil e benzer bir düzenek kullanmıştır. Termometre Delik T 1 T 2 P 1 A B P 2 Manometre Şekil Joule-Thomson olayı Isıca yalıtılmış bir silindir, üzerinde çok küçük bir delik bulunan engelle iki bölüme ayrılmıştır. A bölmesinde yüksek basınçta bulunan gaz sıkıştırılarak B bölmesine geçirilmiştir (Gazı, A bölmesinden B bölmesine geçirebilmek için P 1 basıncının P 2 basıncından daha büyük olması gerekir. Bu basıncın etkisi ile A bölmesindeki gazın tümü geri dönüşümsüz olarak B bölmesine geçmektedir.). Gaz, A bölmesinden B bölmesine geçirildikten sonra T 2 sıcaklığı ölçülerek T 1 sıcaklığı ile karşılaştırıldığında T 2 < T 1 ; T 2 > T 1 veya T 2 = T 1 olduğu görülmüştür. Joule ve Thomson yaptıkları deneyin sonucunda hızla genleştirilen gazların farklı davrandıklarını, bazı gazların sıcaklığında değişiklik olmadığını, bazı gazların ısındığını, bazı gazların ise soğuduğunu 216

217 4. Ünite Maddenin Hâlleri gözlemlemişlerdir. Gazların ani genleşmesi ile soğumasının nedeni ne olabilir? Bir gazın kinetik enerjisinin sıcaklığa bağlılığını gösteren kinetik teorinin formülü aşağıda verilmiştir (Formülde k sabit T ise mutlak sıcaklıktır.). E K = 3 2 k T Buna göre gazın sıcaklığı arttırıldığında kinetik enerjisi artar. Sıcaklığı azaltıldığında ise kinetik enerjisi azalır. Gazların kinetik enerjisini düşürebilmek için gaz moleküllerine bir iş yaptırmak gerekir. Gaz molekülleri düşük sıcaklıkta düşük ortalama hıza sahip olduklarına göre molekülleri yavaşlatmak, gazı soğutmak anlamına gelir. Gazlar genleştirilldiğinde moleküller birbirinden uzaklaşır ve ortalama hızları düşer. Genleşen gazın molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinin yenilmesi için gereken enerji dış sistem ısıca yalıtılmış olduğundan ortamdan alınamaz. Bu durumda moleküller enerjiyi kendi öz ısılarını kullanarak karşıladıklarından hızla genleştirilen gazlar soğur. Soğuyan gaz bulunduğu ortamı da soğutur. James Joule ve William Thomson ın anısına bu gözleme Joule- Thomson olayı veya Joule-Thomson genleşmesi denir. Joule- Thomson olayı sonucunda genişleme sırasındaki sıcaklık değişimi ne kadar küçük ise gaz ideale o kadar yakındır. Joule-Thomson olayından yararlanarak 1877 yılında Cailletet oksijen ve azotu soğutulmuş havayı hızla genleştirerek elde etmiştir. Geniş ölçüde sıvı hava üretimi 1902 yılında Claude tarafından gerçekleştirilmiştir. Joule-Thomson genleşmesi ile sıvılaştırılan hava içindeki azot ve oksijen, damıtma yapılarak birbirinden ayrılır. Joule-Thomson olayıyla gündelik hayatta ısıca yalıtılmamış ortamlarda da karşılaşırız. Örneğin bisiklet pompası ile bisikletinizin tekerini şişirmek istediğinizde pompanın gaz çıkış vanasının ısındığını, bisikletinizin sibobunda ise soğuma olduğunu hissedebilirsiniz. Çünkü sıkıştırılan gazlar ısınır, genişleyen gazlar ise bulundukları ortamı soğutur. Soğutucularda da Joule-Thomson olayından yararlanılarak amonyak, metil klorür, propan gibi kolay buharlaşabilen akıcı maddeler kullanılır. Sıvı hâle getirilen madde borularla dolabın iç yüzeyine verilir. Madde borular içinde gaza dönüşürken dolabın içini soğutur. Aynı gaz kompresör tarafından basınç altında yeniden sıvı duruma getirilir. Ayrıca araçlarda ve evlerde kullanılan klimalardaki gaz bir kompresör aracılığıyla emilip sıkıştırılarak sıvılaştırılır. Sıkıştırma sırasında açığa çıkan ısı bir fan vasıtası ile atmosferik çevreye (dış ortama) atılır. Bu sıvı daha sonra üzerindeki basıncın düşürülmesi ile bulunduğu ortamdan ısı çekerek gaz hâle dönüşür. Bu esnada bulunduğu ortamdan ısı çektiği için ortam sıcaklığını da düşürmüş olur. Soğutma akışkanı kompresör tarafından emilerek çevrim aynı şekilde tekrarlanır. Şekil da havanın sıvılaştırılması amacı ile kullanılan Linde tipi bir soğutucu görmektesiniz. Bu soğutucunun işleyiş ilkesi de yukarıda anlatılan Joule -Thomson olayındaki gibidir. Yalnızca kullanılan gaz freon yerine metil eterdir. Düşük sıcaklıklara ulaşmak ve ortam sıcaklığını düşürmek, gıda ve ilaç endüstrisi açısından oldukça önemlidir. Resim Louis Paul Cailletet ( ) Isı değiştirici Kompresör Sıvılaşan gaz Musluk Şekil Soğutucularda gazları sıvılaştırmak için Joule-Thomson olayından yararlanılır. 217

218 10. Sınıf Kimya Gaz ve buhar, benzer özellikler gösterdiğinden buhar için gaz terimi kullanılabilir. Ancak gaz için buhar terimi kullanılamaz. Bu nedenle buhar da gaz gibi g harfi ile simgelenebilir Gaz, Buhar ve Kritik Sıcaklık Bulunduğu sıcaklıkta, hiçbir basınç altında sıvılaştırılamayan sıkıştırılabilir akışkanlar gaz olarak tanımlanır. Gaz molekülleri birbirine yaklaştığında etkin olan çekme kuvvetleri, moleküllerin hareketini kısıtlar. Ancak sıcaklık düşürüldüğünde moleküllerin kinetik enerjileri azalır ve moleküller arası çekim kuvvetleri daha etkin bir hâle gelerek sıvılaşma sağlanır. Yüksek basınç ve düşük sıcaklıktaki gazlar, ideal gaz davranışından çok büyük oranda saparak sıvı hâle geçer. Bir gazın sıcaklığı ne kadar yüksek ise sıvılaşması o kadar zordur ve gazı sıvılaştırmak için gereken basınç da o kadar yüksektir. Her bir gaz için farklı değerde olan öyle bir sıcaklık vardır ki bu sıcaklığın üzerinde bulunan gaz hiçbir basınç altında sıvılaştırılamaz. Her gaz için ayrı olan bu sıcaklığa kritik sıcaklık adı verilir. Kritik sıcaklık, bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklıktır ve T K ile gösterilir. Gazlar gibi davrandıkları hâlde, bulundukları sıcaklıkta basınçla sıvılaştırılabilen akışkanlara buhar adı verilir. Kritik sıcaklık değeri; kaynama ve donma noktası, öz kütle, iletkenlik gibi maddenin kimlik özelliklerinden biridir. Erime sıcaklığında geri dönüşümlü olarak katı sıvıya, kaynama sıcaklığında ise geri dönüşümlü olarak sıvı buhara dönüşür. Buhar ile gaz arasında ise bir dönüşüm yoktur. Buhar özelliğinin ortadan kalkarak gaz özelliğinin başladığı sıcaklık, kritik sıcaklıktır. Aşağıda Tablo de bazı maddelerin kritik sıcaklık ve kaynama noktaları verilmiştir. Bu bilgilerden yararlanarak oda koşullarında hangi maddelerin buhar, hangi maddelerin gaz hâlde bulunduğunu belirleyiniz. Tablo Bazı maddelerin kritik sıcaklıkları ve kaynama noktaları Madde Kritik Sıcaklık ( o C) Kaynama Noktası ( o C) He -267,8-268,6 Kritik sıcaklık maddeler için kimlik özelliği olup madde kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda buhar, kritik sıcaklığın üstündeki sıcaklıklarda gaz hâlde bulunur. Ancak maddenin sıvı hâlde olup olmadığını anlamak için kaynama noktasına da dikkat edilmelidir. Ne -228,6-245,93 Ar -122,3-185,7 H 2-240,01-252,75 O 2-118,2-182,82 N 2-146,8-195,79 F ,1 Cl ,6 Br ,3 CO 2 31,2-78 H 2 O 374,3 100 NH 3 132,4-33,34 CH 4-82,4-164 CCl 2 F 2 (Freon-12) ,8 218

219 4. Ünite Maddenin Hâlleri Oda koşullarında Tablo de verilen maddelerden He, Ne, Ar, H 2, O 2, N 2, F 2, ve CH 4 gaz hâlde, Br 2 ve H 2 O sıvı hâlde, Cl 2, CO 2, NH 3 ve CCl 2 F 2 (Freon 12) buhar hâlinde bulunur. Buharlaşırken ortamdan ısı alarak ortam sıcaklığının düşmesine neden olan maddelere soğutucu akışkanlar denir. Bu maddelerden hangileri soğutucu akışkan olarak kullanılabilir? Helyumun kaynama noktası ve kritik sıcaklık değerleri oldukça düşüktür. Ayrıca Joule-Thomson genişlemesi ile soğumaz. Çünkü oda koşullarında He ideal gaza en yakın gazdır. H 2 O yun kritik sıcaklık değeri oldukça yüksektir ancak kaynama noktasının da yüksek olması oda koşullarında sıvı hâlde bulunmasına neden olur. Soğutucu akışkan olarak kullanılacak maddenin basınçla sıvılaştırılabilmesi ve üzerindeki basınç kaldırıldığında genleşerek buhar hâle geçmesi gerekmektedir. H 2 O oda koşullarında sıvı hâlde bulunduğu için bu koşulları sağlayamaz ve soğutucu akışkan olarak kullanılamaz. NH 3 ın kaynama noktası düşük ve kritik sıcaklığı yüksek olduğu için oda koşullarında buhar hâlde bulunur. Basınçla sıvılaştırılabilir ve üzerindeki basınç kaldırıldığı zaman Joule-Thomson genişlemesiyle soğur. Bu nedenle soğutucu akışkan olarak kullanılabilir. Tablo de verilenlerden soğutucu akışkan olarak kullanılabilecek en uygun madde freon 12 dir. Çünkü soğutucu akışkanların kritik sıcaklığının yüksek olması ve düşük kaynama noktasına sahip olması çok düşük sıcaklıklarda uygulama imkânı sağlar. Soğutucularda daha önceleri NH 3 (amonyak) gibi maddeler kullanılmaktaydı. Bu maddelerin zehirli etkisi nedeniyle daha sonraki yıllarda keşfedilen CCl 2 F 2 (Freon-12) soğutucularda kullanılmıştır. Ancak CCl 2 F 2 (Freon-12) nin ozon tabakasına zarar verdiği son yıllarda saptandığı için kullanımı bazı ülkelerde yasaklanmıştır. Onun yerine puron adı verilen soğutucu akışkanın kullanımı yaygınlaştırılmaya çalışılmaktadır. Puron kütlece %50 oranlarında iki hidroflorokarbon (diflorometan, pentafloro etan) karıştırılarak elde edilir (Resim 4.4.3). Kaynama noktası -53 o C, kritik sıcaklığı 73 o C tur. Soğutucu akışkanların sahip olması gereken bazı özellikler aşağıda verilmiştir; a. Uygulanabilir basınç altında buharlaşmalı ve sıvılaşmalıdır. b. Kritik sıcaklığı yüksek olmalıdır. c. 1 atm de mümkün olduğunca düşük kaynama noktasına sahip olmalıdır. ç. Kimyasal olarak zehirli ve yanıcı olmamalı, metallerle tepkimeye girmemelidir. d. Çevreye zarar vermemelidir. e. Kolay temin edilebilir ve üretim maliyeti düşük olmalıdır. f. Daha az enerji tüketmelidir. Resim Günümüzde buzdolaplarında soğutucu akışkan olarak puron kullanılmaya başlanmıştır. 219

220 10. Sınıf Kimya Okuma Metni Buzdolabı ve Kriyojenik Teknoloji Düşük sıcaklıklarda gerçekleşen olayları oluşturan ve bunların uygulamalarını inceleyen bilim dalına kriyojeni denir. Maddeleri soğutmak için kullanılan sıvılara da kriyojen adı verilir. İlk olarak 1877 yılında oksijen 90 K (-183 o C) e kadar soğutularak sıvılaştırılmıştır yılında hava 40 K e kadar soğutularak sıvılaştırılmış ve ana bileşenlerine ayrılmıştır. Daha sonraki yıllarda helyum sıvılaştırılmış (4,2 K) ve 1930 larda mutlak sıfır sıcaklığının yakınlarına ulaşılmıştır. Gıdaların soğutularak uzun süre saklanmasını sağlayan, buhar sıkıştırma yöntemi ile çalışan soğutma makinalarının evlerde kullanılan tipine buzdolabı denir. Soğutma makinalarının çalışma prensiplerini anlayabilmek için buzdolaplarında kullanılan bazı mekanik parçaları tanımak gerekir. Kompresör: Buharlaştırıcıdan çıkan gazı yoğuşma basıncına kadar sıkıştırır. Yoğuşturucu: Kompresörden çıkan buharın soğuyup yoğuşmasını sağlayarak açığa çıkan ısıyı dışarıya verir. Kılcal boru: Soğutucu akışkanın basıncını ve buharlaşma sıcaklığını düşüren bölümdür. Genleşme vanası Kompresör Soğutucu Şekil Buzdolaplarında kriyojenik teknolojiden yararlanılır. Buzdolapları bunlardan başka buharlaştırıcı, filtre, termostat gibi mekanik parçaların sistemli olarak çalışmasıyla soğutma işlemini yapar. Kompresör, emme vanası açıldığında buharlaştırıcıdan gelen buhar hâlindeki soğutucu akışkanı emer. Soğutucu akışkan, kompresör içinde basınç kaybına uğrar ve piston vasıtasıyla sıkıştırılır. Böylece soğutucu akışkan, basma vanasının açılmasıyla yüksek basınç ve sıcaklıkta pompalanır. Yoğuşturucuya gelen soğutucu akışkan, önce ortama ısı vererek yoğuşur, sonra yüksek basınçta sıvı hâle geçer. Yoğuşturucuda basınç kaybına uğrayan soğutucu akışkan, kılcal borudan geçtiğinde basıncı ve buharlaşma sıcaklığı düşer. Buzdolabı içindeki havadan ve hava aracılığı ile yiyeceklerden aldığı ısı sayesinde tekrar gaz hâle geçer. Dönüş borusu ile kompresöre gelerek sıkıştırılır ve çevrim bu şekilde devam eder. Kriyojenik teknoloji sanayi ve tıpta geniş uygulama alanı bulmuştur. Örneğin, doğal gazın depolanması ve taşınmasında, gıda sanayinde besin maddelerinin saklanmasında kullanılır. Tıpta dokuların dondurularak tedavi edilmesinde, sinir ve göz cerrahisinde, bazı kanser türlerinin tedavisinde kriyojenik teknolojiden yararlanılır. Kriyojenik teknoloji uzay araçlarında da uygulama alanı bulmuştur. Ayrıca bu teknoloji sayesinde çok düşük sıcaklıklara kadar soğutulan çoğu metalden daha yüksek şiddette akım geçirilmesi mümkün olmuştur. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir. 220

221 5. BÖLÜM İçerik 1. Sıvılar ve Özellikleri 2. Sıvıların Yüzey Gerilimi 3. Adhezyon ve Kohezyon Kuvvetleri 4. Yüzey Gerilimine Etki Eden Faktörler 5. Viskozite SIVILAR VE ÖZELLİKLERİ Yukarıdaki resimde su yüzeyinde yürüyebilen bir kertenkele türünü (basilisk) görmektesiniz. Peygamber kertenkelesi olarak da bilinen bu kertenkele, saniyede 20 adım atarak suyun üstünde çılgınca koşar. Kertenkelenin ayakları suya değdiği anda, her bir parmak iyice kasılarak ayağın yüzey alanının artmasını ve suyu kolayca itmesini sağlar. Böylelikle vücudun ağırlığını rahatlıkla dengeleyen ayaklardan biri, suyu iterken su yüzeyinde bir hava baloncuğu oluşturarak fazladan destek sağlar ve diğer ayağın dönüşünü tamamlayıp suya değmesi için zaman kazandırır. Böylelikle kertenkelenin ayağının su yüzeyine uyguladığı kuvvet suyun yüzey geriliminden daha düşük olur. Bu nedenle kertenkele su yüzeyinde yürüyebilir. Su yerine başka bir sıvı olsaydı kertenkele bu sıvı üzerinde yürüyebilir miydi? Bütün sıvılar aynı özellikleri mi gösterir?

222 10. Sınıf Kimya Sıvılar ve Özellikleri Vücudumuzun 3/4 ünü oluşturan su, günlük hayatta kullandığımız maddelerin birçoğu; örneğin boyayı çözen tiner, içtiğimiz çay, ojeyi çözen aseton vb. hepsi normal koşullarda sıvıdır. Acaba sıvı hâl maddeye ne gibi özellikler kazandırır? Bu özelliklerin moleküller arası bağlarla ve moleküller arasındaki boşluklarla ilgisi olabilir mi? Sıcaklık düşürüldükçe kinetik enerjileri azalan gaz molekülleri sıvı hâle geçer. Sıvı hâldeki moleküller birbirine temas edecek kadar yakın olduğundan aralarındaki çekim kuvvetleri gazlara göre daha fazladır. Moleküllerin sıvı hâldeki hareketleri gaz hâldeki hareketlerine göre daha kısıtlıdır. Gaz molekülleri gelişigüzel (Brown) hareket eder, sıvı molekülleri ise titreşim hareketinin yanı sıra öteleme hareketi de yapar. Bu hareket sonucunda sıvılar doldurdukları kabın bulunduğu bölümünün şeklini alır. Sıvıların hacimleri belirlidir. Aşağıda farklı kaplardaki sıvılar görülmektedir. Resim Sıvılar bulundukları kabın şeklini alır. Sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvveti gaz moleküllerine göre fazla olduğundan moleküller arası boşluklar gazlara göre daha azdır. Sıvılara basınç uygulandığında sıvı hacminde ölçülebilir bir değişiklik meydana gelmez. Gazlar sıkıştırılabilir akışkandır; ancak sıvılar ise hemen hemen hiç sıkıştırılamayan akışkanlardır. Resim Kırmızı mürekkebin su içinde dağılması Resim de görüldüğü gibi su ile kırmızı mürekkep karıştırıldığında başlangıçta mürekkep damlaları ile su arasında kesin bir sınır olduğu; bir süre sonra ise mürekkebin renginin suyun tamamını kapladığı görülür. İki sıvı bir araya getirildiğinde biri diğerinin içinde zamanla yayılır. Gazlardaki yayılma ise çok daha hızlıdır. Yayılmanın nedeni, moleküllerin kinetik enerjiye sahip olmaları ve moleküller arası boşlukların büyük olmasından dolayı bir yerden bir yere kolayca gidebilmeleridir. Moleküller arası boşluklar gazlara göre daha az olduğundan sıvıdaki moleküller, komşu moleküller ile çarpışmadan çok fazla yol alamaz. 222

223 4. Ünite Maddenin Hâlleri Sıvıların Yüzey Gerilimi Resim Suyun farklı yüzeylerde aldığı şekiller Kürenin hacmine göre yüzey alanı, diğer geometrik yapılara oranla küçüktür. Yukarıdaki resimlerde gördüğünüz gibi su damlaları küreseldir. Küresel olmasının nedeni ne olabilir? Kütle çekim kuvvetinin olmadığı bir yere örneğin uzay boşluğuna bırakılan bir miktar sıvının küre biçimi almasının nedeni ne olabilir? Yüzeydeki moleküller İçteki moleküller Yukarıdaki resimde de görüldüğü gibi sıvılarda, içteki moleküller her yönden eşit ölçüde çekildiği için, moleküller arası bağlarla dengelenmiştir. Yüzeydeki moleküller ise moleküller arası bağlarla dengelenmemiştir. Bu nedenle pek çok molekül sıvının içine gitmeye çalışırken az sayıdaki molekül ise yüzeyde kalır. Bir sıvının yüzey alanını genişletmek için moleküllerin sıvının içinden yüzeyine doğru hareket ettirilmesi gerekir ki bu da bir iş yapılması demektir. Bir sıvının yüzey alanını arttırmak için gereken enerji ya da işe yüzey gerilimi denir. SI da yüzey gerilimi birimi J m -2 veya N m -1 dir. Sıcaklık, moleküller arası kuvvetleri azalttığı için sıcaklığın artması yüzey gerilimini düşürür. Tablo de H 2 O, CCl 4, C 6 H 6, C H OH ve CH COOH in sıcaklıkları arttıkça yüzey gerilimlerinin düştüğü görülür. Tablo Bazı sıvıların farklı sıcaklıklardaki yüzey gerilimleri Sıcaklık ( o C) H 2 O CCl 4 C 6 H 6 C 2 H 5 OH CH 3 COOH 0 7,56 x ,90 x ,16 x ,40 x ,95 x ,19 x ,61 x ,82 x ,18 x ,71 x ,79 x ,31 x ,50 x ,98 x ,46 x ,35 x ,02 x ,19 x ,20 x 10-4 * Değerler N m -1 olarak verilmiştir. Etkinlik 4.3 ü yaparak farklı sıvıların yüzey gerilimlerini inceleyelim. 223

224 10. Sınıf Kimya Etkinlik 4.3 Yüzey Gerilimi Etkinliğin Amacı: Farklı sıvıların yüzey gerilimlerinin incelenmesi Etkinliği Uygulayalım 2 adet 50 ml lik büret alınız. Büretlerden birisine su, diğerine etanol doldurunuz. Su dolu büretin musluğunu biraz açarak suyun damla damla akmasını sağlayıp damlaların boyutlarını ve biçimlerini inceleyiniz. Aynı işlemi etanolle yapıp etanol damlalarının boyutlarını ve biçimlerini inceleyiniz. Etkinliği Sonuçlandıralım Araç ve Gereç 2 adet 50 ml lik büret 2 adet 100 ml lik beherglas Su Etanol Etanol ve su damlaların biçim ve boyutlarının farklı olmasının nedenini tartışınız. Sıvılar, yüzey gerilimi nedeniyle yüzey alanlarını minumum düzeyde tutmak ister. Bu nedenle sıvı damlaları küre biçimindedir. Ancak yer çekimi nedeniyle kürenin biçimi bir miktar bozulur. Yaptığınız etkinlikte de gördüğünüz gibi farklı sıvıların yüzey gerilimleri farklı olduğundan sıvı damlalarının boyutları da farklıdır Adhezyon ve Kohezyon Kuvvetleri Bir sıvı damlası, herhangi bir yüzey boyunca film şeridi hâlinde yayılırsa sıvının yüzeyi ıslattığı söylenir. Sıvının bir yüzeyi ıslatması ya da yüzeyde küresel damlalar hâlinde kalması, aşağıda tanımlanan iki kuvvete bağlıdır. Sıvı molekülleri (benzer moleküller) arasındaki çekim kuvvetlerine kohezyon kuvvetleri; sıvı molekülleri ile kap çeperleri (farklı moleküller) arasındaki çekim kuvvetlerine de adhezyon kuvvetleri denir. Kohezyon kuvvetleri, adhezyon kuvvetlerinden daha büyükse damla biçimini korur. Teflon ve para yüzeyindeki su damlaları bu olaya örnek verilebilir. Eğer adhezyon kuvvetleri büyükse damla film şeridi şeklinde yayılır, yüzeyi ıslatır. Toprağın ve kumaşın su ile ıslanması bu olaya örnektir. Resim Bazı sıvılar herhangi bir yüzey boyunca film şeridi gibi yayılır. Resim Cıva ve suyun deney tüpündeki yüzey görünümü 224

225 4. Ünite Maddenin Hâlleri Resim te su ile cam arasındaki adhezyon kuvvetleri su molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetlerinden büyük olduğundan su yüzeyi iç bükeydir. Cıvada ise kohezyon kuvvetleri, adhezyon kuvvetlerinden büyük olduğundan cıva yüzeyi dış bükeydir. Şekil de görüldüğü gibi içinde su ve cıva bulunan iki ayrı deney tüpüne kapiler boru daldırıldığında su kapiler boruda yükselir; çünkü su ve cam arasındaki adhezyon kuvvetleri, su molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetlerinden büyüktür. Cıva ise kapiler boruda alçalır. Bu da cıva ve cam arasındaki adhezyon kuvvetlerinin cıva molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetlerinden küçük olmasıyla açıklanır. Cıva oda sıcaklığında buharlaştığı için cıvanın solunmasıyla ciddi sağlık sorunları ortaya çıkabilir. Eser miktarda bile oldukça zehirlidir. Cıvaya temas edildiğinde deri yoluyla vücuda girer. Kana karışan cıva, organizmada uzun süre kalabilir. Beyin ve böbrekleri etkiler, organlarda birikir, sinir sistemini etkiler. H 2 O Hg Şekil Sıvıların kapiler borudaki davranışları Sıvı ve cam gibi maddeler arasındaki adhezyon kuvvetleri büyükse sıvı molekülleri kılcal cam boruda yükselir. Bu olaya kapiler etki denir (Şekil 4.5.1). Kılcal cam boru ile sıvı molekülleri arasında meydana gelen adhezyon kuvvetleri, kohezyon kuvvetlerinden küçük ise kılcal cam boruda sıvı seviyesinde alçalma meydana gelir. Kapiler etki sonucunda kâğıt havlu, sünger, kesme şeker suyu emer. Bitkilerde kökteki suyun bitkinin yapraklarına kadar ulaştırılması kapiler etki sayesinde gerçekleşir. Gaz lambasındaki fitilin gaz yağı ile ıslanması da kapiler etkiye örnektir. Resim Ördeklerin tüylerinin ıslanmamasının nedeni; suyun kohezyon kuvvetlerinin, tüyle su arasındaki adhezyon kuvvetlerinden büyük olmasıdır. Biliyor musunuz? Su Yüzeyinde Yürümek İnsanın su yüzeyinde su kertenkelesinin (basilisk) yürüdüğü gibi yürüyebilmesi için saniyede 30 metre koşması ve vücudunun kas esnemesinin azami 15 katı bir esneme yapması gerekir Yüzey Gerilimine Etki Eden Faktörler Suya konulan bazı küçük parçaların (iğne, talaş vb.) su yüzeyinde kaldığını hepiniz görmüşsünüzdür. Resim de de yüzey gerilimi sayesinde bazı böceklerin su yüzeyinde yürüyebildikleri görülür. Suya başka maddeler eklendiğinde ya da suyun sıcaklığı değiştiğinde de bu böcekler su yüzeyinde yürüyebilir mi? Sıvıların yüzey gerilimine etki eden faktörlerden biri sıcaklık bir diğeri ise sıvının içine çözünen veya çözünmeyen başka bir sıvının ya da katının eklenmesidir. Bu faktörlerin yüzey gerilimini arttırıcı yönde mi azaltıcı yönde mi etki ettiğini Etkinlik 4.4 ü yaparak anlamaya çalışalım. Resim Yüzey gerilimi sayesinde bazı böcekler su yüzeyinde rahatlıkla yürüyebilir. 225

226 10. Sınıf Kimya Etkinlik 4.4 CH 3 - CH 2...CH 2 - SO 3 Na Hidrofob Hidrofil Şekil Yüzey aktif maddenin (deterjan) molekül yapısı Sıvıların Yüzey Gerilimine Etki Eden Faktörler Etkinliği Uygulayalım Etkinliğin Amacı Sıvıların yüzey gerilimine etki eden faktörlerin incelenmesi Asetat kâğıdından 2x4 cm boyutunda parçalar kesiniz. Araç ve Gereç 3 adet beherglas Asetat kağıdı Saf su Deterjan Makas 3 ayrı beherglası sırasıyla saf su, deterjanlı su ve sıcak su ile yarısına kadar doldurunuz. Her bir beherglasa asetat kâğıdı parçalarından birer tane, sıvı yüzeyine paralel olacak şekilde ve yavaşça koyarak gözlemleyiniz. Etkinliği Sonuçlandıralım Asetat kâğıdının, sıcak su ve deterjanlı sudaki davranışlarını göz önüne aldığınızda sıcaklık ve detarjanın (yüzey aktif madde) yüzey gerilimini nasıl etkilediğini tartışınız. Bazı erimiş metaller dışında, birçok sıvının yüzey gerilimi sıcaklık arttıkça azalır. Moleküller arası çekim kuvvetlerinin yok sayılabileceği kritik sıcaklık civarında çok küçük bir değere ulaşır. Saf sıvıya bu sıvıda çözünmeyen başka bir sıvı eklendiğinde sıvının yüzey gerilimi bir miktar düşer. Bunun nedeni sıvının diğer sıvı molekülleri ile arasında gerçekleşecek zayıf etkileşimlerdir. Saf sıvıya (çözücü) içerisinde çözünen bir madde eklendiğinde ise çözünen ve çözücünün yapısına bağlı olarak yüzey gerilimi değişir. Çözücünün yüzey gerilimini düşüren maddelere yüzey aktif maddeler, değiştirmeyenlere ise yüzey inaktif maddeler denir. Örneğin deterjan, asitler, alkoller, esterler yüzey aktif; şeker, gliserin, organik asit tuzları yüzey inaktif maddelerdir. Ayrıca sıvı üzerindeki gaz yoğunluğunun arttırılması da yüzey gerilimini bir miktar azaltır. Okuma Metni Yüzey Aktif Maddeler Sıvıların yüzey gerilimini önemli ölçüde düşüren maddelerden birisi de yağ asitleridir. Çünkü yağ asitleri yapılarında hem polar hidrofil (suyu seven) grup hem de apolar hidrofob (suyu sevmeyen) grup bulundurur. Apolar (hidrofob) grup Polar (hidrofil) grup Yüzey aktif madde molekülü 226

227 4. Ünite Maddenin Hâlleri Yüzey aktif bir madde sulu bir çözeltiye konduğunda polar grubu maddenin sudaki çözünürlüğünü artırır. Apolar grubu ise iç kısımlarda bulunmak istemediği için yüzey aktif madde suyun yüzeyinde birikir. Bu olay aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Polar grup Apolar grup Yaklaşık olarak 2 mg yüzey aktif madde suyun 1m 2 lik yüzey alanını kaplamak için yeterlidir. Yüzey aktif maddelerin oldukça geniş uygulama alanı vardır. Temizlik maddesi olarak kullandığımız çeşitli bulaşık ve çamaşır deterjanları, şampuanlar ve sabunlar yüzey aktif madde içerir Viskozite Resimlerde gördüğünüz sıvıların akışkanlıklarının birbirinden farklı olmasının nedeni ne olabilir? Sıvıların akmaya karşı gösterdiği dirence viskozite denir. Bir sıvının viskozitesi ne kadar büyükse o kadar yavaş akar. Viskozluğun tersine ise akıcılık denir. SI de viskozitenin birimi Paskal saniye (Pa s) dir. Sıvıların akmaya karşı gösterdiği direnç, molekülleri arasındaki bağların bir göstergesidir. Mol kütlesi ve moleküllerinin geometrik şekli farklı olan sıvıların viskoziteleri de farklıdır. Büyük kütleli ve doğrusal bir molekül yapısına sahip sıvıların viskozluğu, küçük ve küresel moleküllerden oluşan sıvının viskozluğundan çok daha yüksektir. Sıcaklık arttıkça moleküller arasındaki çekim kuvvetleri azalacağından sıvının viskozluğu azalır, akıcılığı artar. Moleküller arası kuvvetleri büyük olan sıvılar, moleküller arası kuvvetleri zayıf olan sıvılara göre daha yüksek viskoziteye sahiptir. Örneğin 20 o C suyun viskozitesi 1,0x10-3 Pa s, gliserinin viskozitesi ise 1,42 Pa s dir. Su, hidrojen bağı oluşturabildiği için birçok sıvıdan daha yüksek viskoziteye sahiptir. Gliserinin yandaki molekül yapısını inceleyerek viskozitesinin yüksek olmasının hidrojen bağı sayısı ile ilişkili olup olamayacağını tartışınız. Ayrıca gliserin molekülleri doğrusal olduğu için moleküllerin birbirinin yanından kayması güçleşir. Bu örnekten de anlaşılacağı gibi viskozite moleküller arası çekme kuvvetinden başka molekül biçimiyle de ilgilidir. Farklı sıvıların molekül şekilleri ve bu sıvılarıın molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinin farklı olması sıvıların akış hızını nasıl etkiler? Bu durumu daha iyi anlamak için Etkinlik 4.5 i yapalım. H H H H C C C OH OH OH Gliserin H 227

228 10. Sınıf Kimya Etkinlik 4.5 Viskozite ve Akış Hızı Etkinliği Uygulayalım Etkinliğin Amacı Sıvıların viskoziteleri ile akış hızları arasındaki ilişkinin incelenmesi Oda sıcaklığında bulunan eşit miktardaki saf su, gliserin, zeytinyağı ve balı sırasıyla beherglasa akıtarak kronometre ile akış süresini tespit edip not alınız. Etkinliği Sonuçlandıralım 1) Farklı sıvıların akış hızları birbirine eşit midir? Araç ve Gereç Saf su Gliserin Zeytinyağı Bal Kronometre 4 adet 100 ml lik beherglas 2) Akış hızı ile moleküller arası çekme kuvveti arasında nasıl bir ilişki olabilir? Tartışınız. Yukarıdaki etkinlikte farklı sıvıların viskoziteleri ile akış süreleri (hızları) arasındaki farklılığı gördünüz. Sıvıların viskoziteleri değiştirilebilir mi? Yollara asfalt dökülürken neden zift ısıtılarak yayılır? Kızarmış sıcak ekmeğin üstüne sürdüğünüz bal neden buzdolabından çıktığı hâldekinden daha hızlı akar? Sıvılar ısıtıldığında viskoziteleri azalır. Viskozite, akmaya karşı gösterilen direnç olduğundan sıcaklık arttıkça sıvının akıcılığı da artar. Sanayi ve inşaat boyalarının hem kolay sürülebilir hem de akışkan olmaması istenir. Özellikle gıda sanayinde sıcaklıkla viskozite değişiminden yararlanılarak şişeleme, yayma gibi işlemler yapılır. Yediğimiz ve içtiğimiz çoğu besin maddesi belirli bir viskozite aralığında olmalıdır. Örneğin kaşığımıza aldığımız çorbanın belli bir viskozite aralığında olması gerekir. Reçel, bal, fındık ezmesi ekmeğimize sürülebilir olmalıdır. Bütün bunların sağlanabilmesi için kullanılan maddelerin viskozite değerlerinin belirli aralıkta olması gerekmektedir. 228

229 6. BÖLÜM İçerik 1. Maddenin Hâlleri Plazma Hâli 2. Hâl Değişim Olayları ve Isı Erime ve Donma Buharlaşma ve Yoğuşma Süblimleşme 3. Suyun Hâl Değişimi 4. Hâl Değişimleri ile İlgili Isı Hesaplamaları 5. Buhar Basıncı Bağıl Nem Kaynama ve Kaynama Noktası Kaynama Noktasına Dış Basıncın Etkisi 6. Buharlaşma Hızını Etkileyen Faktörler HÂL DEĞİŞİMLERİ Lavlar, maddenin hâl dönüşümlerine örnektir. Bu, aynı zamanda kayaların bile uygun koşullarda sıvı olabileceğini gösterir. Suyun; yüzerken sıvı hâliyle, paten yaparken katı (buz) hâliyle, soluk alıp verirken gaz hâliyle karşılaşırız. Karşılaştığımız durumlar bize suyun doğada üç farklı hâlde bulunabileceğini gösterir. Yaşantımızda hâl değişimleri oldukça önemlidir. Yukarıda söz ettiğimiz suyun hâl değişimi olmasaydı su döngüsü gerçekleşebilir miydi? Su döngüsü gerçekleşmeseydi yaşantımız nasıl olurdu?

230 10. Sınıf Kimya Maddenin Hâlleri Katı Sıvı Gaz Resim Farklı maddelerin katı, sıvı ve gaz hâlleri ve bu hâllerdeki atom veya moleküllerin yerleşim düzeni Resim de gördüğünüz gibi atom ve moleküller maddenin katı, sıvı ve gaz hâlinde farklı yerleşim düzenine sahiptir. Yerleşim düzenindeki bu farklılık nasıl gerçekleşmiştir? Genellikle katılarda atom, iyon veya moleküller arasındaki boşluklar çok az olduğundan tanecikler arasındaki öteleme (yer değiştirme) hareketleri yok denecek kadar azdır ve bulundukları yerde titreşim hareketi yaparlar. Ancak tanecikler arasındaki etkileşimler de oldukça kuvvetlidir. Katı hâlin en önemli özelliği düzenli yapıya sahip olmasıdır. Katı tanecikleri, bir araya gelerek kristal denilen belirli geometrik yapıları meydana getirir. Bir buz parçasını kapalı bir kabın içine koyduğumuzu düşünelim. Başlangıçta buz kendi şeklini korur. Bu durum katı hâldeki maddelerin davranışıdır. İçinde bulunduğu kabın şekli ne olursa olsun hâl değiştirme sıcaklığına ulaşmadığı sürece katılar bulunduğu kabın şeklini almaz. Sıvı tanecikler arasındaki boşluklar, katılara göre daha fazla; tanecikler arası etkileşim daha zayıftır. Sıvı tanecikleri birbiri ile temas hâlindedir. Birbirleri üzerinden kayarak yer değiştirebilirler. Sıvıların, belirli hacimleri vardır; fakat belirli şekilleri yoktur. Sıvılar bulundukları kabın şeklini alır ve akışkandır. Katı ve sıvı tanecikleri arasında boşluklar çok azdır ve birbiriyle temas hâlinde olduklarından fazla sıkıştırılamazlar. Sıvılar, normal koşullarda gazlara göre daha yoğundur. Maddenin sıvı ve katı hâli ile gaz hâli arasındaki en önemli fark tanecikler arasındaki boşluktur. 230

231 4. Ünite Maddenin Hâlleri Gaz tanecikleri arasındaki boşluk katı ve sıvılara göre daha fazladır. Gaz tanecikleri düzensiz ve sürekli hareket hâlindedir. Bu hareketler sırasında gaz tanecikleri bulundukları kabın çeperlerine ve birbirlerine çarparlar. Çarpışmalarda taneciklerin yönü ve hızı değişebilir. Gazlar basınç uygulandığında sıkıştırılabilir. Bu nedenle belirli hacimleri ve şekilleri yoktur. Gaz tanecikleri bulundukları kaba yayılarak kabın şeklini alır. Yukarıda sözünü ettiğimiz maddenin üç temel hâli yanında başka hâlleri de vardır. Bunlardan biri plazma hâlidir. Plazma Hâli Yukarıda resimlerini gördüğünüz yanan mumlar, şimşek, Güneş ve yıldızlarda maddenin önceden bildiğiniz katı, sıvı, gaz hâllerinden başka hangi hâli bulunabilir? Maddenin katı, sıvı ve gaz hâline yeterli enerji verilirse madde bu üç hâlden başka bir hâle dönüşebilir mi? Katı bir cismi oluşturan ve hareketleri çok az olan taneciklerin enerjisi herhangi bir yöntemle (ısıtılarak, gerilim uygulanarak vb.) arttırıldığında madde önce sıvıya sonra da gaza dönüştürülür. Eğer gaz hâlinden sonra da maddeye enerji verilmeye devam edilirse gaz atomunun elektronu çekirdeğin çekiminden kurtulur. Geriye iyon hâlinde gaz kalır. Bu olay defalarca tekrarlanabilir, sonucunda serbest elektron ve iyon bulutları oluşabilir, bazı atomlar nötr kalmaya devam eder. Oluşan bu iyon, elektron ve nötr atom karışımı (iyonize olmuş gaz) plazmadır. Başka bir ifadeyle plazma sürekli hareket hâlinde olan ve birbiriyle etkileşimde bulunan yüklü parçacıklar topluluğudur. Plazma elektriği iyi iletmesine karşın nötral yapıdadır. Plazmada pozitif yüklerin sayısı negatif yüklerin sayısına eşittir. Güneşte gerçekleşen şiddetli patlamalar sonucunda oluşan yüklü parçacıklar Dünya mıza ulaştığında atmosferde bulunan oksijen gazını iyonize ederek etkileyici görüntülere sahip kutup ışıklarının oluşmasını sağlar. Resim Günlük yaşamda kullanılan floresan lambalarda, eğlence yerlerini ve kentleri aydınlatan neon lambalarda ve ateşte maddenin plazma hâline rastlanabilir. 231

232 10. Sınıf Kimya Şekil Maddenin katı, sıvı, gaz ve plazma hâllerinin tanecikli yapısı Katı Sıvı Gaz Plazma Demir (Fe) Brom (Br 2 ) Oksijen (O 2 ) İyonize gaz (H 2, H, H +, e - ) Oda koşullarında Oda koşullarında Oda koşullarında t > o C Tanecikler sıkı istiflenmiştir.bulundukları yerde titreşim hareketi yaparlar. Tanecikler arası boşluk katılara göre fazladır. Tanecikler birbiri üzerinden kayar. Tanecikler arası uzaklık fazladır. Düzensiz ve sürekli hareket hâlindedirler. Tanecikler geniş bir alanda hareket eder. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Aşağıdaki tabloda size verilen maddelerin karşısında bulunan kutucuklara maddenin oda koşullarındaki fiziksel hâlini, maddeyi oluşturan türleri, türlerin yerleşim düzenini ve yerleşim düzenindeki türlerin hareket tiplerini yazınız. Madde Altın Fiziksel Hâli Maddeyi Oluşturan Türler Türlerin Yerleşim Düzeni Yerleşim Düzenindeki Türlerin Hareket Tipleri Su Cıva Sodyum klorür Neon Okuma Metni Plazma ve Yaygın Kullanım Alanları Isıtılan gazlar önce atomlarına ayrılır. Atomda dış katman elektronlarının kopması ile pozitif yüklü iyon oluşur. Molekül, atom, pozitif yüklü iyon ve elektron bulunan bir karışım meydana gelir. Bu karışıma plazma denir. Plazma üretildiği yönteme, korunma biçimine, kullanıldığı alana, yoğunluğuna, basıncına, sıcaklığına ve kullanıldığı gazın cinsine göre adlandırılabilir. Güneş te madde plazma hâlindedir ve sıcaklığı milyonlarca Kelvin ile ifade edilen yüksek sıcaklığa sahiptir. Düşük sıcaklığa sahip olan mumun ve kibritin alevi de plazma olarak kabul edilebilir. Plazma yüksüz olmasına rağmen çok iyi bir iletkendir. Yüksek sıcaklıkta düşük yoğunluğa sahiptir. Fazla enerji yaymaz ve manyetik alana etki edebilir. 232

233 4. Ünite Maddenin Hâlleri Bu özellikler sebebi ile gelişmiş ülkelerde, kâğıt endüstrisinde, uzay endüstrisinde, elmas yapımında, yarı iletken teknolojisinde, elektronik çip yapımında, iletişim teknolojisinde, kristal büyütmede, radar ve füzyon araştırmasında denenerek kullanılmaktadır. Dünya nın şu an içinde bulunduğu ve gelecek yıllarda giderek büyücek olan enerji krizine karşı da bu teknoloji önümüzdeki yıllarda önem kazanacak ve yaygın olarak kullanılacaktır. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir. Buz Su Biliyor musunuz? Plazma TV Nasıl Çalışır? Plazma paneller, iki paralel cam tabakanın arasında yer alan ızgara şeklinde yerleşmiş, içi neon ve ksenon ile dolu binlerce odacıktan oluşur. Odacıklarda bulunan neon ve ksenon atomları nötr hâldedir. Görüntü oluşturmak için plazma panele ait bilgisayar sisteminden elektrotların kesişim noktasına voltaj gönderilir. Bu voltaj gaz dolu odacıklarda elektron akışına neden olur. Nötr atomlarla çarpışan elektronlar gaz atomlarını uyararak elektron kopmasına ve pozitif yüklü parçacıklar oluşmasına neden olur. Bu taneciklerin birbiriyle çarpışması sonucunda insan gözünün algılayamadığı ultraviyole ışık parçacıkları yayar. Bu ışık parçaları, odacıkları kaplayan fosfor tabakasına çarparak fosfor atomlarını uyarır. Fosfor ışıma yapar ve parlamaya başlar. Her odacıkta kırmızı, yeşil, mavi parlayan bölmeler bulunur. Uygulanan elektrik akımı ile parlama oranı değiştirilerek farklı renklerin yansıması sağlanır. Bu şekilde ekran yüzeyinde oluşan binlerce üçlü nokta grubu (piksel) bir araya gelerek görüntüyü meydana getirir Hâl Değişim Olayları ve Isı Maddenin hâl değişimlerine ısı eşlik eder. Bu dönüşümlerde madde ısı alır veya ısı verir. Aşağıdaki şemada maddenin ısı alışverişini ilk örnekteki gibi oklar yönünde gösteriniz. Isı alır? Su Su buharı İyot Su buharı?? İyot buharı Kırağı Resim Plazma TV?? Naftalin Su Buz Naftalin buharı Bu gösterimde maddenin hâlleri göz önüne alınarak ısı akışının yönünü tahmin ettiniz. Isı akış yönüne göre de hangi hâlinde maddenin sıcaklığının daha fazla olduğu söylenebilir. Bir katıyı ısıttığımız zaman katının molekül, atom veya iyonları gittikçe daha hızlı hareket eder. Komşu tanecikler ile arasındaki çekim kuvvetlerinin etkisinden kurtulur, koparak ayrılır. Çekim kuvvetlerinin etkisinden kurtulmak enerji ister. Enerji, iş yapabilme kapasitesidir. Sıcak bir cisimden soğuk bir cisme aktarılan enerjiye ısı denir. Yani ısı, sıcaklık farkından ileri gelen enerjidir. Isı akımı sadece sıcaklıkta değişikliğe neden olmaz, aynı zamanda bazı durumlarda, maddenin hâlini de değiştirebilir. Madde hâl değiştirirken çoğu kez ısı alır veya verir. 233

234 10. Sınıf Kimya Maddenin bir hâlden diğer hâline dönüşümüne hâl değişimi denir. Şekil de suyun erime, donma, buharlaşma, yoğuşma, süblimleşme gibi hâl değişimleri ve değişimler sırasındaki tanecik düzeni gösterilmiştir. İnceleyiniz. geri süblimleşme donma yoğuşma erime buharlaşma Katı Sıvı Gaz Isı verir Isı alır süblimleşme Şekil Suyun hâl değişimi Erime ve Donma Katıları oluşturan atom, iyon ya da molekül gibi taneciklerin titreşim hareketi yaptığını biliyorsunuz. Genellikle katılar ısıtılınca yapısında bulunan taneciklerin titreşim hareketleri hızlanır. Öyle bir sıcaklığa ulaşılır ki bu titreşimler sonucu atom ya da moleküller arasındaki etkileşimler zayıflayarak birbirinin üzerinden kayar, katı özelliğini kaybeder ve sıvıya dönüşür. Bu olaya erime; erimenin olduğu sıcaklığa da erime noktası denir. Katı madde erirken ısı alır. Galyumun erime noktası çok düşük olduğundan oda koşullarında sıvılaşır (Resim 4.6.4). Resim Galyum (Galyumun erime noktası düşük olduğu için oda koşullarında sıvılaşır.) Sıvılar soğutulduğu zaman tanecikleri gitgide daha yavaş hareket eder. Soğutma işleminin devamında öyle bir sıcaklığa gelinir ki tanecikler arası çekim kuvvetleri onların bir kristal içinde istiflenmesine sebep olur. Bir sıvının katıya dönüşmesine donma; donmanın olduğu sıcaklığa da donma noktası denir. Sıvı bir madde donarken ısı verir. Bir sıvının erime noktası ile donma noktası sıcaklık değeri aynıdır. Buharlaşma ve Yoğuşma Sıvıyı oluşturan tanecikler katılara oranla birbirlerine daha uzak ve sıvı taneciklerin arasındaki çekim kuvvetleri daha zayıftır. Sıvıları buharlaştırmak (gaz hâle getirmek) için tanecikleri arasındaki çekim kuvvetlerini yenmek amacıyla enerji vermek gerekir. Yeterli enerji ile tanecikler sıvı yüzeyinden kurtularak gaz hâle geçerler. Bu olaya buharlaşma denir. Sıvı madde buharlaşırken dışarıdan ısı alır. Denizden çıktığımızda üşümemizin, elimize kolonya döktüğümüzde serinlik hissi duymamızın da nedeni budur. Kaynayan suyun üzerine bir kapak kapattığımızda kapakta oluşan su damlacıklarına hepimiz tanık olmuşuzdur. 234

235 4. Ünite Maddenin Hâlleri Bu su damlacıkları kaynama sırasında oluşan buharın tekrar sıvı hâle geçtiğini gösterir. Bir gaz ya da buharın sıvıya dönüşmesine yoğuşma denir. Buhar, sıvıya dönüşürken ısı verir. Süblimleşme Giysilerimizi güveden korumak için aralarına naftalin koyarız. Koyduğumuz naftalinin azalarak bir süre sonra yerinde olmadığını görürüz. Madde, yoktan var; vardan yok olmadığına göre koyduğumuz naftaline ne olmuştur? Sıvılarda olduğu gibi yeterli enerji verilirse katılar da buharlaşır. Ancak sıvılara göre katı molekülleri arası etkileşimler daha güçlü olduğundan belli bir sıcaklıkta sıvılar kadar uçucu değildir. Maddenin katı hâlden sıvı hâle dönüşmeden gaz hâle dönüşmesine süblimleşme denir. Katıdan gaz hâle geçerken madde ısı alır. Süblimleşmenin tersine maddenin gaz hâlden doğrudan katı hâle geçmesine geri süblimleşme denir. Gaz hâldeki su moleküllerinin katı hâle geçmesine (su molekülerinin geri süblimleşmesine) ise kırağılaşma denir (Resim 4.6.5). Genellikle maddelerin hâl değişim ısıları, bir mol madde için hesaplanır. Örneğin, 1 mol yani 18 gram buzu 0 o C ta su hâline getirmek için 6 kj lük bir enerji gerekir. 0 o C ta 1 mol su donarken 6 kj ısı verir. H 2 O (k) + 6 kj H 2 O (s) 100 o C ta 1 mol suyu 100 o C taki buhar hâline getirmek için 40,7 kj ısı vermek gerekir. H 2 O (s) + 40,7 kj H 2 O (g) Resim Kırağı, hava sıcaklığı 0 o C un altında olduğu zaman su buharının, havanın temas ettiği yüzeyde buz kristalleri şeklinde yoğuşmasıdır. 1 mol buz süblimleşirken mol başına alması gereken ısı 1 mol suyun erime ısısı ile 1 mol suyun buharlaşma ısısının toplamına eşittir. 1 mol su buharının geri süblimleşme ısısı 1 mol su buharının yoğuşma ve donma ısısının toplamına eşittir. O hâlde, 1 mol suyun süblimleşme ısısını hesaplayarak nedenini tartışınız. Gaz hâldeki bir maddenin çok yüksek sıcaklıklara ısıtılması hâlinde maddede ne gibi değişiklikler olur? Su buharını da çok yüksek sıcaklığa kadar ısıttığımızı düşünürsek suyun başka bir hâlini elde edebilir miyiz? Suyun plazma hâlinde oluşan türlerini tahmin edebilir miyiz? Suyun Hâl Değişimi Katı Katı-Sıvı Sıvı Sıvı-Gaz Yukarıda resimlerde gördüğümüz gibi saf su; 1 atm basınçta 0 o C sıcaklığın altında buz (katı), 0 o C ile 100 o C arasında su (sıvı), 100 o C un üzerinde gazdır. 235

236 10. Sınıf Kimya Resim Elimizde tuttuğumuz kar bir süre sonra erir. Kartopu oynarken elinizde tuttuğunuz karın bir süre sonra eridiğini hissedersiniz (Resim 4.6.6). Çünkü elinizden kartopuna ısı geçişi olmuştur ve bu ısı kartopunu eritmiştir. Kartopunu eriten bu ısının miktarı hesaplanabilir mi? Hâl değiştirme ısısının hesaplanabilmesi için aşağıda verilen kavram ve bağıntıların bilinmesi gerekir. Hâl değişim ısısı (L): Maddenin 1 gramının bir hâlden başka bir hâle geçmesi sırasındaki ısı değişimdir. Birimi joule/gram (J g -1 ) dır. Hâl değişim ısısı madde eriyorsa, erime gizli ısısı (L e ), madde buharlaşıyorsa buharlaşma gizli ısısı (L b ) şeklinde ifade edilir. Erime sıcaklığındaki bir mol katının erimesi için gerekli ısı molar erime ısısı, kaynama noktasındaki bir mol sıvının buharlaşması için gerekli ısı molar buharlaşma ısısıdır. Kütle (m): Hâl değişimine uğrayan maddenin kütlesidir. Birimi gram (g) dır. Öz ısı (c): Bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 o C artırmak için gereken ısı miktarıdır. Birimi Joule/gram derece Celcius (J g -1 o C -1 ) tur. Sıcaklık farkı ( t): Son sıcaklık ile ilk sıcaklık arasındaki farktır. Sıcaklık birimi Celcius ( o C) tur. Hâl değişimi sırasında erime, donma, kaynama ve yoğuşma süresince sıcaklık değişmez. Alınan veya verilen ısı tanecikler arası bağları koparmak için kullanılır. Bu süreçteki ısı miktarı Q= m L bağıntısı ile maddenin sıcaklığının değiştiği durumlarda ise alınan veya verilen ısı Q= m c t bağıntısı ile hesaplanır. -20 o C taki buzun buhar hâline geçişine kadar olan ısı değişim hesaplamaları için kullanılacak bağıntılar aşağıda kısaca özetlenmiştir. Tablo o C taki buzun buhar hâline geçişi sırasındaki ısı değişimi -20 o C 0 o C 0 o C 100 o C 100 o C ısınma erime ısınma kaynama ısınma soğuma donma soğuma yoğuşma soğuma Buz Buz Su Su Buhar (katı) katı) (sıvı) (sıvı) (gaz) Q=m c t Q=m L e Q=m c t Q=m L b Q=m c t 236

237 4. Ünite Maddenin Hâlleri Zaman-sıcaklık verilerinden (Çizelge 4.6.1) yararlanarak 1 gram buzun ısınması için verilmesi gereken ısı miktarlarını hesaplayarak sıcaklık-ısı çizelgesi oluşturalım. -20 o C taki 100 gram buzu 0 o C taki 100 gram buz hâline getirmek için gereken ısı; 0 o C taki 100 gram buzu 0 o C ta 100 gram su hâline getirmek için gereken ısı; Q 2 = m L e Q 1 = m c buz t c buz = 2,09 J g -1 o C -1 Q 1 = 100 x 2,09 x [0-(-20)] Q 1 = 4180 Joule dür. L e = 334, 4 J g -1 Q 2 = 100 x 334,4 Q 2 = Joule olarak hesaplanır. Çizelge o C ta 100 gram buzun ısınmasına ait sıcaklık-zaman değerleri Sıcaklık Zaman (dk) ( o C) o C taki 100 gram suyu 100 o C ta 100 gram su hâline getirmek için gereken ısı; Q 3 = m c su t c su = 4,18 J g -1 o C -1 Q 3 = 100 x 4,18 x (100-0) Q 3 = Joule dür. 100 o C taki 100 gram suyu 100 o C ta 100 gram buhar hâline getirmek için gereken ısı; Q 4 = m L b L b = 2257,2 J g -1 Q 4 = 100 x 2257,2 Q 4 = Joule olur. -20 o C taki 100 gram buzu 100 o C ta buhar hâline getirmek için gereken ısı miktarını hesaplamak için tüm ısıları toplamamız gerekir. Q top = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 Q top = Q top = Joule ısı gereklidir. Hesaplanan bu ısı değerlerinden yola çıkılarak Çizelge oluşturulmuştur. Isı miktarını hesapladığımıza göre Çizelge ve Çizelge yi inceleyerek suyun hâl değişimi grafiğini çizmek istersek hangi çizelgedeki verileri kullanmamız gerekir? Zamanın sıcaklığa karşı grafiği mi yoksa sıcaklığın ısıya karşı grafiği mi çizilirse daha doğru olur? Suyun zaman-sıcaklık çizelgesi deneysel verilerden hareketle oluşturulurken su, beherglas, termometre, ispirto ocağı ve kronometreye ihtiyaç duyulur. Oluşturulan çizelge, çizelge e benzer. Çizelge i incelediğimizde sıcaklık değerlerinin 2-15 dakika ile dakika arasında sabit olduğu gözlenir. Saf maddelerde hâl değişim süresince sıcaklık değişmediğinden bu çizelgede hâl değişikliğinin olduğu zaman aralığı rahatça gözlenebilir. Çizelge o C taki 100 gram buzun buhar hâline gelmesi sürecindeki sıcaklık-ısı değerleri Sıcaklık Isı (Joule)

238 10. Sınıf Kimya Çizelge deki veriler kullanılarak -20 o C taki 100 g buzun buhar hâline gelme sürecindeki sıcaklık-ısı değişim grafiğini çizmek doğru değildir. Çünkü suyun alacağı ısıyı etkileyen farklı faktörler vardır. Örneğin, beherglastaki su ısıtılırken ispirto ocağı kullanılmaz. Çünkü ispirto ocağı ile beherglas arasındaki hava akımı suyun alacağı ısı miktarını etkiler. Ayrıca suyun kaynama noktasına yaklaşırken alacağı ısı başlangıçta aldığı ısıdan daha fazla olacağı için elde edilen ısı değerleri kesin değildir. Bu yüzden sıcaklık - ısı grafiği yerine Çizelge deki verilerden yararlanılarak buzun, buhar hâline gelme sürecindeki sıcaklık değişimini gösteren zaman - sıcaklık grafiği çizilir. Dolayısıyla hâl değişim grafiklerinde zaman ve sıcaklık değişkenini kullanmak daha doğru olacaktır. Çizelge deki verilerden yararlanarak çizilmiş grafik aşağıdaki gibidir. Sıcaklık ( o C) 100 IV V 65 III 10 0 II Zaman (dk) I -20 Grafik Buzun buhar hâline gelme sürecindeki değişimini gösteren zaman- sıcaklık grafiği Grafikte de dört farklı bölge görüyoruz. Bu bölgeler hangi hâl değişimine ve ısınma olayına karşılık gelir? I.bölge: -20 o C ta 1 gram buzu ısıtmaya başladığımızda 0 o C a kadar buzun sıcaklığı artar. Sıcaklık arttıkça su moleküllerinin kinetik enerjileri artarak titreşim hareketleri hızlanır ve moleküller birbiri üzerinden kayar. II.bölge: Sıcaklık 0 o C a gelince bir kısım buz eridiği için 0 o C ta buzsu karışımı olur. Düzenli biçimde ısı vermeyi sürdürürsek buz erirken sıcaklık sabit kalır. Verilen ısı moleküller arası etkileşimleri koparmak için kullanılır. Bu olay buzun tamamı eriyinceye kadar devam eder. III.bölge: Buzun tamamı eridikten sonra sıcaklık tekrar yükselmeye başlar. Verilen ısı suyun sıcaklığını yükseltir. Bu yükselme 100 o C a kadar devam eder. Resim Suyun hâl değişimi (Kırmızı oklar maddenin ısı almasını, mavi oklar ise maddenin ısı vermesini gösterir.) IV.bölge: 100 o C a gelince buharlaşma hızlanır. Sıcaklık yine sabit kalır. Sıcaklık verilmeye devam edilirse tüm su buharlaşır. V.bölge: Sıcaklık artmaya devam eder. Tüm su buharlaşmıştır. 238

239 4. Ünite Maddenin Hâlleri Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Çizelge ü kullanarak suyun gaz hâlden sıvı hâle, sıvı hâlden de katı hâle geçinceye kadar olan soğutma sürecini gösteren grafiği çiziniz. 2. Kurşunun erime noktası 327 o C, kaynama noktası 1740 o C tur. Kurşunun ısınmasına ait grafiği çizerek grafikte hâl değişiminin olduğu bölgeleri belirtiniz Hâl Değişimleriyle İlgili Isı Hesaplamaları Maddelerin hâl değişim grafiğini çizerken sıcaklığın zamana karşı grafiğe geçirilmesinin daha doğru olacağından söz etmiştik. Aynı grafiği hâl değişim ısılarını hesaplarken kullanabilir miyiz? 1 gram buzu eritmek için gereken ısı, 1 gram demiri eritebilir mi? 1 gram buzu eritmek için verilen ısı 1 gram suyu buharlaştırabilir mi? Birim miktardaki bir maddenin erimesi ya da kaynaması için gereken ısı, öz kütle, erime ve kaynama noktaları ayırt edici bir özelliktir. Bir maddenin 1 gramın sıcaklığını 1 o C yükseltmek için gereken ısı miktarının öz ısı olduğunu öğrendiniz. Bu değer bir maddenin katı, sıvı ve gaz hâlleri için farklıdır. Ayrıca farklı maddeler için de farklı bir değerdir. Örneğin, buzun öz ısısı 2,09 J g -1 o C -1, suyun sıvı hâli için bu değer 4,18 J g -1 o C -1, yemek tuzu için 0,8778 J g -1 o C -1 tur. Öz ısı, maddeler için ayırt edici özelliktir. Bir katı, sıvı ya da gazın aldığı veya verdiği ısı hesaplanırken öz ısı (c) nın yanında kütle (m) ve sıcaklık değişimi de ( t) bilinmelidir. Erime ve kaynama süresince sıcaklık değişmediğinden t sıfırdır. Erime ve kaynama sırasındaki ısı miktarı Q=m c t bağıntısı ile hesaplanamaz. Q=m L e veya Q=m L b bağıntılarıyla hesaplanır. Bu nedenle maddelerin erime gizli ısısı ve buharlaşma gizli ısısı genellikle sorularda verilir. Örneğin, buzun erime gizli ısısı 334,4 J g -1, suyun buharlaşma gizli ısısı 2257,2 J g -1 dir. Hâl değişim ısıları ile ilgili problemler çözülürken genellikle ısının sıcaklığa karşı grafiklerinden yararlanılır. Aşağıda hâl değişim ısıları ile ilgili örnekler verilmiştir. 1. Sıcaklık ( o C) I Çözüm Örnek 627 II 919,6 III Isı (Joule) Şekilde, 1 gram katı demirin ısınma grafiği verilmektedir. a) Demirin sıcaklığını 1 o C yükseltmek için gereken ısı kaç J dür? b) Demirin erime gizli ısısını kaç J g -1 dir? a) Grafikte I. bölge demirin ısınma bölgesidir. 60 o C tan 1560 o C a kadar ısınmada, t= = 1500 o C tur. Çizelge Suyun gaz hâlden katı hâle geçme sürecini gösteren zaman - sıcaklık değerleri Zaman (dk) Sıcaklık ( o C) Tablo Bazı maddelerin hâl değişim sıcaklıkları Madde e.n. ( o C) k.n. ( o C) Alüminyum Alkol Demir Kurşun Altın Su Sodyum Klorür Cıva Oksijen

240 10. Sınıf Kimya Bu aralıkta gereken ısı 627 J dür o C sıcaklık değişimi için 627 Joule ısı gerekiyorsa 1 o C sıcaklık değişimi için X Joule ısı gerekir X x = 1500 X=0,418 Joule ısı gerekir. b) Grafikte II. bölge demirin erime bölgesidir. 919,6-627 = 292,6 J ısı gerekir. O hâlde demirin erime gizli ısısı 292,6 J g -1 dir ml etil alkolün sıcaklığını 20 o C tan 40 o C a çıkarmak için kaç Joule ısı gerekir? (d=0,8 g ml -1, c alkol =2,340 J g -1o C -1 ) Çözüm m d = V m 0,8= 200 m=160 gram Q= m c t Q= 160 x 2,340 x (40-20) Q= 7488 Joule olur o C sıcaklığındaki 10 gram buzu +50 o C sıcaklığındaki su hâline getirmek için verilmesi gereken enerji kaç kaloridir? c buz = 2,09 J g -1 o C -1 L e = 334,4 J g -1 c su = 4,18 J g -1 o C -1 Çözüm -5 o C sıcaklıktaki 10 gram buzun 0 o C sıcaklığa kadar ısıtılması için gereken ısı; Q= m c t Q= 10 x 2,09 x [0-(-5)] Q= 104,5 J olarak bulunur. 0 o C sıcaklıktaki buzu 0 o C su hâline geçmesi için verilmesi gereken ısı; Q= m L e Q= 10 x 334,4 Q= 3344 J dür. 0 o C taki 10 gram suyu 50 o C a çıkarmak için verilmesi gereken ısı; Q= m c t Q= 10 x 4,18 x (50-0) Q= 2090 J olur. Toplam enerji = 104, = 5538,5 J olarak hesaplanır. 240

241 4. Ünite Maddenin Hâlleri 4. Bakırın molar erime ısısı 12,54 kj dür. 32 gram bakırı eritmek için kaç kj ısı gerekir? (Cu: 64) Çözüm n cu = m 32 = =0,5 mol dür. M A 64 1 mol bakır eritmek için 12,54 kj lük enerji gerekirse 0,5 mol bakırı eritmek için X kj lük enerji gerekir X= 0,5 x 12,54= 6,27 kj ısı gerekir o C taki 54 gram su buharı 20 o C a kadar soğutularak yoğuşması sırasında kaç kj ısı açığa çıkar? (Molar yoğunlaşma ısısı= 40,62 kj, c su = 4,18 J g -1 o C -1 ) Sıcaklık ( o C) Grafikten de gördüğünüz gibi Q 1 ve Q 2 ısılarının toplamı kadar ısı açığa çıkar Q 1 Q2 Çözüm n m = 54 H = =3 mol 2 O M A 18 Zaman (dk.) 1 mol 40,62 kj 3 mol X X= 121,86 kj = Q 1 Q 2 = m C t Q 2 = 54 x 4,18 x (100-20) = 18057,6 J= 18,0576 kj Q T = 18, ,86 = 139,9176 kj Öğrendiklerimizi Uygulayalım o C taki 100 gram suyun sıcaklığını 80 o C a çıkarmak için kaç J ısı verilmesi gerekir? (c su = 4,18 J g -1o C -1 ) Cevap: J 2. 0 o C taki 7,2 gram suyun donması ile açığa çıkan ısı, 100 o C taki kaç gram suyu buharlaştırır? (Molar donma ısısı = 6,019 kj mol -1, molar buharlaşma ısısı = 40,5 kj mol -1 ) Cevap: 1,07 g o C ta bir miktar kurşuna 1250 J luk ısı enerjisi verildiğinde kurşunun sıcaklığı 120 o C a çıkıyor. Kurşunun öz ısısı 0,125 J g -1 o C -1 olduğuna göre kütlesi kaç gramdır? Cevap: 100 g 4. Isıca yalıtılmış bir kapta 45 o C taki 30 gram su ile 5 o C taki 30 gram su karıştırılıyor. Sistemin son sıcaklığı kaç o C o l u r? (c su = 4,18 J g -1 o C -1 ) Cevap: 25 o C 241

242 10. Sınıf Kimya Buhar Basıncı Açık bir kapta bırakılan suyun bir süre sonra tamamen buharlaşacağını biliriz. Eğer buharlaşma kapalı bir kapta olursa aynı durumla karşılaşır mıyız? Buharlaşan moleküller Yoğuşan moleküller Buharlaşmış moleküller Şekilde görüldüğü gibi sıvı ve buharın bir arada bulunduğu kapalı bir kapta, buharlaşma ve yoğuşma aynı zamanda gerçekleşir. Bir behere yarısına kadar su doldurarak üzerini kapattığımızda zamanla su seviyesinin azaldığını görürüz. Gözlemlemeye devam edersek koşullar (sıcaklık, basınç vb.) değişmediği sürece bir süre sonra su seviyesinin sabitlendiği ve zamanla hiç değişmediği görülür. Başlangıçta su seviyesinin azalması suyun buharlaştığını gösterir. Daha sonra su seviyesi sabitlendiğine göre buharlaşma durmuş mudur? Hg Hg I II Şekilde gördüğünüz gibi manometre takılmış kapalı bir kaptaki suyun ısıtılma sürecinde ısıtma ve buharlaşma işlemi başlamadan önce U şeklindeki manometre tüpündeki cıva seviyeleri eşittir (I). Sıvı yüzeyindeki birkaç molekül sıvıyı terk eder etmez bir buhar basıncı oluşturur ve cıva seviyesi yavaş yavaş yükselmeye başlar (II). Isıtma işlemi başladığında su moleküllerinin kinetik enerjileri ve buharlaşma hızlanır. Isıtma ve buharlaşma devam ettikçe sıvı üzerinde birikmiş buharlaşan molekül sayısı artar. Sıcaklık sabitlendiğinde buharlaşan molekül sayısı yoğuşan molekül sayısına eşit olur ve manometredeki cıva seviyelerinin de eşitlendiği görülür. Buharlaşma hızının yoğuşma hızına eşit olduğu bu durumda sıvı buharıyla dengededir. H 2 O (s) buharlaşma yoğuşma H 2 O (g) Sıvısıyla dengede bulunan bir buharın oluşturduğu basınca denge buhar basıncı denir. Buharıyla dengede olan bir sıvıyı günlük 242

243 4. Ünite Maddenin Hâlleri yaşantınızdaki gelir gider bütçenize benzetebiliriz. Aldığınız harçlıkla harcadığınız para arasında bir denge olmalıdır. Örneğin ailenizden aldığınız kadar para harcayabilirsiniz. Nasıl ki her birinizin, ailesinin gelirine göre sabit bir harçlığı varsa bütün sıvıların da belli bir sıcaklıkta kendisine özgü bir buhar basıncı vardır. Sıcaklık değişmediği sürece buhar basıncı değişmez. Herhangi bir sıvının sıcaklığı artırılırsa buhar hâline geçen molekül sayısı artacağından sıcaklığa bağlı olarak buhar basıncı da artar. Sıvının buhar basıncını sıvı içinde bulunduğu kabın hacmi, şekli ve sıvı miktarı etkilemez. Aşağıdaki çizelgede suyun farklı sıcaklıklardaki buhar basıncı verilmiştir. Çizelge Suyun farklı sıcaklıklardaki buhar basıncı Sıcaklık ( o C) Çözüm Buhar Basıncı (mm Hg) Sıcaklık ( o C) Buhar Basıncı (mm Hg) 0 4, ,4 10 9, , , , , , , , Örnek Piston H 2(g) Su Öğrendiklerimizi Uygulayalım Şekildeki pistonlu silindirde bir miktar su ve Piston üzerinde He gazı bulunmaktadır. 25 o C ta suyun buhar basıncı 24 mm Hg, toplam basınç 224 mm Hg dir. He (g) Su Yandaki pistonlu silindirde bir miktar su ve H 2 gazı bulunmaktadır. Bu sıcaklıkta suyun buhar basıncı 24 mm Hg ve toplam basınç 624 mm Hg dır. Piston aşağı itilerek kap içindeki H 2 gazının hacmi yarıya indiriliyor. Sıcaklık değişmediğine göre toplam basınç ne olur? Su buharının kısmi basıncı sadece sıcaklıkla değiştiğinden hacim değişimi su buharının kısmi basıncını değiştirmeyecektir. Hacim değişimiyle sadece H 2 nin basıncı değişir. P T = P H + P H P = P T - P 2 2 O H H 2 2 O P = = 600 mm Hg Hacim yarıya düştüğüne göre H 2 gazının basıncı 2 katına çıkar ve 1200 mm Hg olur. Öyleyse yeni basınç; P T = P + P H P T = = 1224 mm Hg dır. 2 O H 2 H 2 Piston yukarı çekilerek hacim 2 katına çıktığında toplam basınç ne olur? Cevap: 124 mm Hg 243

244 10. Sınıf Kimya P T = P su buharı + P kuru hava P T : Toplam basınç P su : S u b u h a r ı n ı n k ı s m i basıncı P kuru hava : K u r u h a v a n ı n k ı s m i basıncı Dalton un kısmi basınçlar kanunu Oda sıcaklığında yüksek buhar basıncına sahip sıvılara uçucu sıvılar, düşük buhar basıncına sahip olan sıvılara uçucu olmayan sıvılar denir. Bir sıvının uçucu olup olmamasını moleküller arası kuvvetlerin büyüklüğü belirler. Bu kuvvetler azaldıkça uçuculuk artar. Örneğin aseton uçucu bir sıvıdır ve 25 o C ta buhar basıncı 231 mm Hg dır. Su orta uçuculukta bir sıvıdır ve 25 o C ta buhar basıncı 23,8 mm Hg dır. Bir sıvının buhar basıncı sıvının türüne ve sıcaklığına bağlıdır. Bağıl Nem Atmosferi meydana getiren havanın bir gaz karışımı olduğunu biliyorsunuz. Bu gaz karışımında başlıca azot, oksijen, argon ve su buharı bulunur. Havanın içinde bulunan bu su buharının su döngüsünde de önemli görevi vardır. İçinde su buharı bulunmayan hava kuru hava olarak adlandırılır. Nemli hava ise içinde su buharı ve kuru havanın bulunduğu karışımdır. Gaz karışımları konusundan da hatırlayacağınız gibi bir gazın kısmi basıncı onun mol kesri ile doğru orantılıdır. Dolayısıyla hava örneğindeki su buharının kısmi basıncı da miktarı ile orantılıdır. Dalton un kısmi basınçlar kanunu gereği atmosferdeki havanın toplam basıncı, kuru havanın ve su buharının kısmi basınçlarının toplamına eşittir. Havada bulunabilecek su buharına nem denir. Nem sıcaklıkla doğru orantılıdır. Hava ısındıkça havanın nem miktarı artar. En çok nemden şikayet edilen yaz aylarıdır. Hava soğudukça nem miktarı azalır. Bir hava kütlesinin bulunduğu sıcaklık derecesine göre alacağı nem miktarının sınırı vardır. Bu sınıra havanın doygunluk noktası denir. Doygunluk noktasına gelen hava daha fazla nem almaz. Hava nem yönünden doygunluğa ulaştığında sıcaklık da düşükse yağış başlar. Örneğin suyun 25 o C taki buhar basıncının alabileceği en yüksek değer 23,8 mm Hg dır. Bu değer 25 o C ta su buharının aldığı en yüksek değerdir. Havadaki su buharının basıncı 23,8 mm Hg dan fazla ise bir kısım buhar suya yoğuşarak yeryüzüne yağış olarak dönecektir. Bağıl nem havadaki nem miktarını göstermez. Bağıl nem, su buharı kısmi basıncının aynı sıcaklıkta havayı doyuran su buharının kısmi basıncına oranıdır ve yüzde ile verilir. su buharının kısmi basıncı Bağıl nem= x 100 suyun buhar basıncı Ayrıca bağıl nem herhangi bir sıcaklıkta hava içinde bulunan nem miktarının aynı sıcaklıkta o havanın bulundurabileceği maksimum nem miktarı olarak da tanımlanabilir. Bağıl nem havanın olduğundan daha sıcak veya daha soğuk hissedilmesine neden olur. Örneğin; havanın bağıl nemi 5 iken 35 o C sıcaklık 32 o C hissedilirken; bağıl nem 50 olduğunda 35 o C sıcaklık 41 o C hissedilir. Örnek 25 o C ta havadaki su buharının kısmi basıncı 11,9 mm Hg, aynı sıcaklıkta suyun buhar basıncı 23,8 mm Hg olduğuna göre havadaki bağıl nemi hesaplayınız. Çözüm su buharının kısmi basıncı Bağıl nem= x 100 suyun buhar basıncı 11,9 Bağıl nem= x 100 = %50 23,8 244

245 4. Ünite Maddenin Hâlleri 1) 30 o C ta havadaki su buharının kısmi basıncı 12,2 mm Hg, aynı sıcaklıkta suyun buhar basıncı 31,8 mm Hg olduğuna göre havadaki bağıl nemi hesaplayınız. Cevap: 38,36 2) 10 o C ta su buharının kısmi basıncı 6,2 mm Hg, aynı sıcaklıkta suyun buhar basıncı 9,2 mm Hg olduğuna göre havadaki bağıl nemi hesaplayınız. Cevap: 67,39 3) 40 o C ta havanın bağıl nemi %60, suyun buhar basıncı 55,3 mm Hg olduğuna göre su buharının kısmi basıncını hesaplayınız. Cevap: 33,18 mm Hg Hissedilen Sıcaklık Günlük işlerimizi planlarken özellikle evimizin dışındaki ortamlarda işimiz olduğunda genellikle hava durumuna bakmayı alışkanlık hâline getirdik. Hava durumunda havanın güneşli, yağmurlu, sisli veya karlı olmasının dışında en çok ihtiyaç duyduğumuz bilgi hava sıcaklığıdır. Yaşantımızın ayrılmaz bir parçası olan hava durumu konusunda son yıllarda hissedilen sıcaklık olarak söz edilen bir kavramla karşılaşıyoruz. Peki nedir bu hissedilen sıcaklık? Hava sıcaklığı, nem, güneş ve rüzgâr hızı değerlerinden hesaplanan bir indeks değeridir. Hissedilen sıcaklık ise sıcaklık ve neme ilaveten rüzgârın soğutma etkisini ve güneşin ısıtma etkisini de içerdiğinden sıcaklığın nasıl hissedildiğini ortaya koyan en iyi indekslerden biri sayılabilir. Aşağıdaki tabloda verilen değerlere bakılarak hava sıcaklığının (kırmızı sütun) bağıl nemle birlikte hissedilen sıcaklığa nasıl dönüştüğü kolayca bulunabilir. Örneğin, hava sıcaklığı 32 o C iken nem %5 oranında ise hissedilen sıcaklık 30 o C, ama havadaki sıcaklık 32 o C iken nem oranı %85 ise hissedilen sıcaklık 47 o C tur. Aşağıdaki verilen grafiğe bakarak bulunduğunuz şehirdeki sıcaklık ile bağıl nem oranını kesiştirirseniz hissedilen sıcaklığı siz de bulabilirsiniz. Bağıl Nem (%) Sıcaklık ( o C) Öğrendiklerimizi Uygulayalım Okuma Metni KATEGORİ I II III IV Tabloda hissedilen sıcaklık değerleri renklere bölünmüştür. Hissedilen sıcaklık arası kırmızı, derece sarı, arası mavi, arası beyaz renkte gösterilir. İndeks bir ya da daha fazla değişkenin zaman, mekân veya diğer özelliklere göre gösterdiği değişmelerin ölçülmesinde kullanılan oranlar. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir. 245

246 10. Sınıf Kimya Tablo Yükseklik değiştikçe hava basıncının değişmesi ve buna bağlı olarak suyun kaynama noktası değişimi Yükseklik (m) Hava Basıncı (mm Hg) Suyun k.n. ( o C) Resim Düdüklü tencere üzerindeki basınç, atmosfer basıncı ile buhar basıncının toplamı olduğundan düdüklü tenceredeki su 100 o C tan daha yüksek sıcaklıkta kaynar ve besinler daha kısa sürede pişer. Hava basıncı her 10,5 m de 1 mm Hg düşer. Kaynama ve Kaynama Noktası Bir sıvı açık bir kapta ısıtıldığında belli bir sıcaklıkta, yalnız yüzeyde değil sıvının her yerinde buharlaşma görülür. Sıvı içindeki buhar kabarcıkları sıvının yüzeyine çıkar ve sıvıyı terk eder. Sıvıyı terk eden moleküllerin oluşturduğu basınç (buhar) dış basınca (atmosfer basıncına) eşitlendiği anda kaynama gerçekleşir. Kaynama sırasında ısı şeklinde alınan enerji, sadece sıvı hâldeki molekülleri buhar hâline dönüştürmek için kullanılır. Sıvının buhar basıncının, atmosfer basıncına (1 atm = 760 mm Hg) eşit olduğu sıcaklığa normal kaynama noktası denir. Diğer bir deyişle normal kaynama noktası bir sıvının 1 atm basınçtaki kaynama noktasıdır. Kaynama Noktasına Dış Basıncın Etkisi Yorucu bir tırmanıştan sonra Ağrı Dağı na çıktığınızı düşününüz. Karnınız acıktı ve yumurta haşlamaya karar verdiniz. Suyun her zamankinden çabuk kaynadığını görürsünüz. Yumurtayı haşlamak için evinizdeki ile aynı süreyi tutmanıza rağmen, yumurtayı soymaya çalıştığınızda pişmemiş bir yumurta ile karşılaşırsınız. Bu durumun nedenini nasıl açıklarsınız? Kaynama noktası dış basınca bağlı olduğundan dış basınç değiştiğinde kaynama noktası da değişir. Tablo ü incelediğinizde yüksek rakımlara çıkıldığında atmosferin uyguladığı basıncın azaldığını görürsünüz. Basınç azalınca suyun kaynama noktası da düşer. Örneğin, 2040 metre rakımda dış basınç 680 mm Hg suyun kaynama noktası 80 o C tur. Düşük kaynama sıcaklığında besinlerin suda pişirilmesi daha uzun zaman alır. Basınç arttıkça kaynama noktası artar. 2 atm basınçta suyun kaynama noktası yaklaşık 120 o C tur. Yüksek sıcaklıkta besinler daha çabuk pişer. 3 dakika haşlanan yumurtanın Ağrı Dağı nda pişirilmesi daha çok zaman ister Buharlaşma Hızını Etkileyen Faktörler Yeterli enerji verildiğinde sıvı yüzeyine yakın moleküllerin sıvı yüzeyinden kurtularak gaz hâle geçmesinin buharlaşma olduğunu hatırlayacaksınız. Moleküllerin kaçabileceği gaz hâlinde bir ortam olduğu sürece sadece buharlaşma sıvıların özelliği değildir. Katıların da buharlaşabileceğini biliyorsunuz. Katı maddeler ile sıvı maddelerin buharlaşma hızı farklıdır. Buharlaşma hızı öncelikle sıcaklık ve yüzey alanına bağlıdır. Maddenin sıcaklığı arttığında molekülün kinetik enerjisi dolayısıyla ortalama hızları da artar. Yüzeye yakın ve yüzeye dik doğrultuda hareket eden yüksek kinetik enerjiye sahip moleküllerden bazıları çevresindeki çekim kuvvetlerini yenerek gaz hâle geçer. Buharlaşma hızlanır. Yazın yere dökülen su kısa sürede buharlaştığı hâlde kışın çok daha uzun sürede buharlaşır. Buharlaşma yüzeyde gerçekleştiği için yüzey alanının genişletilmesi de buharlaşmayı hızlandırır. Deney tüpüne ve beherglasa eşit miktarda su aynı koşullarda bırakılırsa beherglasın yüzey alanı geniş olduğundan daha kısa sürede buharlaşma görülür. Havanın bağıl nemi de buharlaşmayı etkiler. Havada yeteri kadar su buharı yoksa buharlaşma daha hızlı olur. Kuru havada çamaşırın kuruma süresi nemli havaya göre daha hızlıdır. Rüzgâr da difüzyon ve konveksiyon ile su buharının su yüzeyinden uzaklaşmasını sağladığı için buharlaşmayı hızlandırır. Gaz geçirme işleminde gaz molekülleri su moleküllerini tutacağından buharlaşmayı hızlandırır. 246

247 7. BÖLÜM İçerik 1. Katılar Amorf Katılar Kristal Katılar AMORF VE KRİSTAL KATILAR Gaz ve sıvılar genellikle katıdan yapılan kaplar içine konularak saklanır. Kömür ve diğer madenler, evlerimizde kullandığımız araç-gereçler, otomobil, uçak ve günlük yaşantımızda kullandığımız birçok alet de katı maddeden yapılmıştır. Resimlerde gördüğünüz katı maddeler; plastik, buz, grafit, elmas, cam, tuz kristali ve bakırdır. Bu katıların mekanik sağlamlıkları, sertlikleri, ısı ve elektrik iletkenlikleri, erime noktaları farklı olduğu için değişik kullanım alanları vardır. Bu bölümde, katıların farkılılıklarını ve farklı olmalarına neden olan etkenlerin neler olduğunu öğreneceksiniz.

248 10. Sınıf Kimya Katılar Yukarıdaki resimlerde bazı katı madde atomlarının yerleşim düzenlerini görüyorsunuz. Bu maddeler, aynı tür katılar olabilir mi? Resimlerde atomların yerleşim düzenleri neden farklıdır? Katılarda atomların yerleşim düzenlerini belirleyen etken ne olabilir? Sıvı hâldeki bir maddenin sıcaklığı yeterince düşürüldüğünde moleküllerin kinetik enerjisi düşerek moleküller arası kuvvetler maddeye düzenli bir yapı kazandırır. Katı maddeleri, sıvı ve gazlardan ayıran en önemli özelliklerden birisi düzenli yapıya sahip olmasıdır. Doğada genellikle iki tür katı gözleriz. Birinci tür katılar sert ve sıkıştırılamaz olmalarına rağmen belirli geometrik şekilleri yoktur. Bu tür katılara şekilsiz anlamına gelen amorf katılar denir. İkinci tür katılar ise (buz, tuz, şeker vb.) serttir, sıkıştırılamaz ve belirgin geometrik şekilleri vardır. Bu türdeki katılara kristal katılar denir. Amorf Katılar Amorf katılarda tanecikler, düzensiz bir şekilde gelişigüzel istiflenmiştir. Kesilmediği ve eritilmediği sürece belirli şekilleri yoktur. Cam, lastik, plastik, tereyağı amorf katılara örnektir. Kristal katılarla amorf katılar arasında gözlenen en önemli fark, kristal katıların belli bir sıcaklıkta erimesi, amorf katıların ise belli bir sıcaklık aralığında yumuşayarak ve daha da yüksek sıcaklıklarda akıcılık kazanmasıdır. Yumuşamanın başladığı sıcaklığa camsı geçiş sıcaklığı adı verilir. Örneğin, cam ısıtıldığında önce yumuşar, sıcaklık artırılmaya devam edilirse daha akıcı hâle gelir. Akıcı hâle geldiği sıcaklıkta cama çeşitli şekiller verilerek soğutulur. Cam molekülleri soğutulduğunda komşu moleküllerle kalıcı bağlar kurar ve moleküller sabit konuma yerleşir. Fakat moleküllerin yerleştikleri konumlar kristaldeki gibi düzenli değil, tamamen gelişigüzeldir. Bu nedenle camda düzgün yüzeyler yoktur. Cam kırıldığında düzlemler yerine iç içe daireler şeklinde kıvrımları olan bir yüzey meydana gelir. Böyle yüzeyler sıvılardaki düzensiz yapıyı andırır. X-ışınları ile yapılan gözlemler, camda sıvılara benzeyen bir yapının olduğunu göstermektedir. Böylece amorf maddeler de sert olma dışındaki özellikler açısından sıvıya benzer. 248

249 Kristal Katılar Kristal katıda atom, iyon veya moleküller düzenli bir şekilde istiflenir. Kristal katılar kararlı bir yapıya sahiptir. Bu kararlılık iyonik bağlar, kovalent bağlar, van der Waals kuvvetleri, hidrojen bağları ve bunların birleşimi ile sağlanır. Doğadaki maddelerin çoğu kristal hâldedir. Bakır, demir, çinko, gümüş ve altın kristal yapılara örnek verilebilir. Kalsiyum klorür,sodyum klorür, potasyum nitrat gibi iyonik bileşikler de katyon ve anyonların elektrostatik çekim kuvvetiyle oluşturdukları kristallerdir. Kristallerin büyüklüğü ve şekli, kristallenme ortamına ve kristallenme süresine yani kristalin oluştuğu şartlara göre değişir. Örneğin, elmas ve grafit karbon elementinin iki farklı şekilde düzenlenmesinden oluşmuş maddelerdir. Bu tür maddelerin fiziksel özellikleri de birbirinden farklıdır. Kristal katılar serttir ancak her sert madde kristal katı değildir. Örneğin, pencerelerde kullanılan cam sert olmasına rağmen kristal katı değildir. Kristal katılarda yapı, erime noktası, yoğunluk, sertlik gibi fiziksel özellikler onların atom, iyon ve moleküllerini bir arada tutan çekim kuvvetlerine bağlıdır. Kristaller, tanecikler arasındaki çekim kuvvetlerine göre; a) İyonik b) Moleküler c) Kovalent ç) Metalik kristaller olarak gruplandırabilir. Kristal türleri ve bunların özellikleri Tablo de özetlenmiştir. Tablo Kristal türler ve özellikleri Kristal Türü Kristal Birimi Tutan Kuvvetler İyonik Moleküler Kovalent Metalik Artı ve eksi iyonlar arasındaki elektrostatik çekim London kuvvetleri, dipol-dipol kuvvetleri, hidrojen bağı Kovalent bağ Metalik bağ Genel Özellikler Sert, kırılgan, yüksek erime noktası, iletken değil 4. Ünite Maddenin Hâlleri Örnekler NaCl, LiF, MgO Yumuşak, erime noktası düşük, iletken değil CO 2, H 2 O, C 12 H 22 O 11, I 2 Çoğunluğu sert, yüksek erime noktası, iletken değil Yumuşak ya da sert, düşük veya yüksek erime noktası, parlak, iletkenliği fazla Resim Çinko kristali Resim Demir kristali C (Elmas), SiO 2 (Kuartz), B (Bor) Na, Mg, Fe, Cu, Au, Hg, Pt 249

250 10. Sınıf Kimya a. İyonik Kristaller: İyonik kristallerde iyonlar, iyonik bağlarla bir arada bulunur. İyonların bir kısmı negatif, bir kısmı pozitif yüklüdür. Zıt yüklü iyonların elektrostatik çekim kuvveti ile birbirini çekmesi sonucu bir araya gelirler. İyonik katıların oldukça karmaşık yapılarının yanında NaCl de olduğu gibi iyonların ikisinin de tek yüklü (Na +, Cl - ) olduğu veya CaO deki gibi her iki iyonun da 2 yüklü (Ca 2+, O 2- ) olduğu basit yapılar vardır. Resim NaCl Kristali - + Sodyum klorür bileşiğinde klorür anyonları köşelerde ve küp yüzeylerinin merkezinde, daha küçük yarıçaplı sodyum katyonları da kenar merkezinde ve iç merkezde bulunur. Her bir sodyum katyonu 6 klorür anyonuyla; her bir klorür iyonu da 6 sodyum katyonuyla çevrilidir. Bu birim sürekli tekrarlanarak sodyum klorür kristalini oluşturur. Sodyum klorür yapısından daha az rastlanan bir yapı da sezyum klorür bileşiğinin yapısıdır. Sezyum klorür yapısında 8 adet klor anyonu kübün köşelerinde, sezyum katyonu ise kübün merkezinde bulunur. Sezyumun en yakın komşu anyon sayısı sekizdir. Böylece sodyum klorürden farklı bir yapı oluşturur. Resim Şeker moleküler kristaldir. İyonik katılar, iyonları bir arada tutan güçlü etkileşimlerden dolayı çok yüksek erime noktasına sahiptir. İyonik katılarda iyonlar sabit konumda bulunduklarından elektriği iletmez. Ancak bu katılar eritildiklerinde ya da suda çözündüklerinde iyonlar serbestçe hareket ettiği için, elektriği iletir. b. Moleküler Kristaller: Moleküler kristalleri Van der Waals kuvvetleri veya hidrojen bağları tarafından bir arada tutulan atom veya moleküller oluşturur. Moleküler kristale örnek olarak dipol-dipol çekim kuvvetlerinin etkili olduğu katı SO 2 verilebilir. Buzun üç boyutlu kristal yapısı da moleküller arası hidrojen bağları tarafından sağlanır. Hidrojen bağlarından bazıları buz eridiği zaman kırılır ve düzenli yapı bozulur. Düzenli yapı bozulurken moleküller düzgün olmayan ama daha yoğun bir şekilde istiflenir. Buzdaki açık ağ örgüsünün erime sırasında bozulması ve sıvıdaki daha sık yerleşim, buzun yoğunluğunun suyun yoğunluğundan küçük olmasını açıklar. 250

251 4. Ünite Maddenin Hâlleri Buz dışındaki moleküler kristallerde, boyut ve şekillerin izin verdiği ölçüde sık istiflenme gerçekleşir. Kovalent ve iyonik bağlarla karşılaştırdığımızda Van der Waals ve hidrojen bağları oldukça zayıf olduğundan bu tür kristaller kolay bozulur. Erime ve kaynama noktaları düşüktür. Bazı moleküler katılar, uzun zincirli hidrokarbonların bir karışımı olan parafin kadar yumuşaktır. c. Kovalent Kristaller: Kovalent kristallerde atomlar kovalent bağlarla üç boyutlu ağ yapısında bir arada bulunmaktadır. Kovalent kristallerde, moleküler kristallerde olduğu gibi farklı atomlardan oluşan moleküller yoktur. En iyi bilinen kovalent kristaller, karbon atomunun allotropları olan grafit ve elmastır. Elmasta her karbon atomu diğer dört karbon atomuna bağlıdır (Resim 4.7.6). Kuvvetli kovalent bağlar elmasın çok sert ve yüksek erime noktasına sahip madde olmasını sağlar. Grafitin kristal yapısında karbon atomları altıgen halkalar şeklinde dizilmiştir (Resim 4.7.7). Grafitte 2p orbitalinde bulunan elektronların orbitallerde serbestçe hareket etmesi nedeniyle bu madde elektriği iletir. Grafitte zayıf van der Waals kuvvetleri bulunur. (a) (b) Resim (a) Grafit ve (b) elmas kovalent kristaldir. Resim Elmasta, her C atomu dört komşu atoma kovalent bağlarla bağlanmıştır. Resim Grafitte, C atomları altıgen düz tabakalar hâlinde dizilir. Bu tabakalar arasında zayıf çekim kuvvetleri bulunur. Resim Kuartz (SiO 2 ) Grafit, kurşun kalemlerde, daktiloların şeritlerinde ve günlük yaşamda birçok alanda kullanılır. Kuartz (SiO 2 ) da kovalent kristale örnek verilebilir (Resim 4.7.8). Kuartztaki silisyum atomlarının dizilişi, karbonun elmastaki dizilişine benzer. Sertlik ve yüksek erime noktası gibi birçok özellikleri bakımından da SiO 2 elmasa çok benzerdir. ç. Metalik Kristaller: Metal kristallerinin büyük bir kısmı, soy gaz yapısındaki artı yüklü iyonlardan oluşmuştur. Metalik kristalin yapısı, diğer kristal yapılara göre daha basittir. Metaldeki değerlik elektronları, metal atomları tarafından kuvvetle tutulmadıkları için katı içerisinde her yöne doğru kolaylıkla akabilen bir bulut oluşturur. Bu nedenle metal kristallerin bir elektron bulutu içine düzenli bir şekilde yerleşmiş artı yüklü iyonlardan oluştuğunu söyleyebiliriz. Metaldaki bağ elektronları da tüm kristal boyunca dağılmıştır. Bu dağılımdan kaynaklanan büyük kohezyon kuvvetleri metallerin sertlik ve dayanıklıklarını belirler. Bu özellikler, metalik bağ elektronlarının sayısı arttıkça artar. Örneğin bir değerlik elektrona sahip sodyum 97,6 o C ta erirken, üç değerlik elektrona Resim Kuartz (SiO 2 ) ın molekül modeli Silisyum atomu, Oksijen atomu 251

252 10. Sınıf Kimya sahip alüminyum 666 o C ta erir. Değerlik elektronlarının boş orbitallere rahatça hareket edebilmesi, metallerin ısı ve elektriği iyi iletmelerini sağlar. Ayrıca metaller bu özelliklerinden dolayı işlenebilir. Katıların en düzenli ve kararlı hâli metalik kristallerdir. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Sıralanan kavramları ok çizerek tanımlarla eşleştiriniz. Tanımlar Kavramlar Bir yüzeye uygulanan kuvvetin, o yüzeyin alanına bölünmesiyle bulunan değer. Kapiler Etki Sabit sıcaklıkta, sabit miktardaki gazın hacminin basıncı ile ters orantılı olması. Avogadro Kanunu Aynı basınç ve sıcaklıkta, gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda molekül bulunması. Sıcaklığın sabit kaldığı durumda, karışımın toplam basıncı altında bir gazın tek başına doldurduğu hacim. Viskozite Boyle Kanunu Sıvıların akmaya karşı gösterdiği direnç. Amorf katılar Sıvı ve cam gibi maddeler arasındaki adezyon kuvvetleri büyük ise sıvı moleküllerin kılcal cam boruda yükselmesi. Atom, molekül veya iyonları belli bir geometrik kalıba göre değil rastgele istiflenmiş katılar. Atom, molekül veya iyonları belli bir geometrik kalıba göre düzensiz istiflenmiş katılar. Su buharı kısmi basıncının aynı sıcaklıktaki suyun buhar basıncına oranının 100 ile çarpılmasıyla elde edilen sonuç. Kısmi hacim Kristal katılar Bağıl nem Basınç 252

253 4. Ünite Maddenin Hâlleri ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME A. Aşağıdaki boşlukları kutuda verilen kelimelerden uygun olan ile tamamlayınız. Yüzey gerilimi, plazma, kaynama noktası, buhar basıncı, kristal katıların, amorf katılar, gaz, buhar, mol kesri, ideal gaz, doğru, viskozite, akıcılık belirli erime noktaları vardır. Ancak... belli bir sıcaklık aralığında erirler. 2. Bir sıvının..., sıvının denge buhar basıncının açık hava basıncına eşit olduğu sıcaklıktır. 3. Kaynama noktası düşük sıvıların aynı koşullarda... yüksektir. 4. Gaz hâlindeki bir maddeye ısı vermeye devam edilirse madde... hâle geçer. 5. Bulunduğu sıcaklıkta hiç bir basınç altında sıvılaştırılamayan sıkıştırılabilir akışkanlara... bulundukları sıcaklıkta basınçla sıvılaştırılabilir akışkanlara... denir. 6. Bir sıvının yüzey alanını artırmak için gereken enerji ya da işe... denir. 7. Sıvıların akmaya karşı gösterdiği dirence..., tersine ise... denir. 8. Sabit hacimli bir kap içindeki belli miktar gazın basıncı mutlak sıcaklığıyla... orantılıdır. 9. Bir gazın mol sayısının karışımdaki gazların toplam mol sayılarına oranına... denir. 10. Bütün gaz kanunlarına uyan gazlara... denir. B. Aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Ar (g) ile dolu 35,8 L lik bir silindir, içi boşaltılmış bir 1857 L lik bir tanka bağlanıyor. Sıcaklık sabit ve son basınç 721 mm Hg ise ilk basınç atm olarak ne kadardır? 2. 2,00 L lik bir kap 752 mm Hg ve 35 o C ta Ar (g) ile doldurulmaktadır. Daha sonra 0,728 g C 6 H 6 buharı örneği eklenmektedir. Kaptaki toplam basıncı ve gazların kısmi basınçlarını hesaplayınız. (Ar: 40, C: 12, H: 1) o C ta 1 L hacminde bir balon içindeki 1,0 g karbon dioksit tarafından yapılan basıncı kilopaskal cinsinden hesaplayınız (1kPa = 10 3 Pa). ( C:12, O:16) o C ta bilinmeyen bir gazın moleküllerinin ortalama hızı, kükürt dioksit gazı moleküllerinin ortalama hızının iki katıdır. Bilinmeyen gazın molar kütlesini hesaplayınız. (S: 32, O:16) 5. Gazların sıvılaştırma yöntemlerini açıklayınız. 6. Yüzey gerilimine etki eden faktörleri açıklayınız. 253

254 10. Sınıf Kimya 7. Moleküller arası bağların ve sıvıların yüzey gerilimine etkisini açıklayınız o C taki su buharı mı yoksa aynı sıcaklıktaki su mu daha yakıcıdır? Açıklayınız. 9. Alkol, su ve glikolün normal kaynama noktaları sırasıyla 78,5, 100 ve 198 o C tur. Bu sıvıların oda sıcaklığındaki buhar basınçlarını küçükten büyüğe sıralayarak nedenini açıklayınız. 10. Kristal katılarda bulunan atom, iyon ve molekülleri bir arada tutan kuvvetlerle fiziksel özellikleri arasındaki ilişkiyi açıklayınız. C. Aşağıda verilenleri dikkatlice okuyunuz. İfade doğru ise D harfini işaretleyiniz, yanlış ise Y harfini işaretleyerek doğrusunu yandaki kutucuğa yazınız. 1. Molekül kütlesi büyük olan gazların ortalama hızı, molekül kütlesi küçük olanlardan daha büyüktür. 2. Bir gaz karışımındaki bir bileşenin mol kesri, karışım içindeki bu bileşenin bütün moleküllere oranıdır. 3. İdeal sayılan bir gazın hacminin sıfır olduğu sıcaklığa mutlak sıfır sıcaklığı denir. 4. Adhezyon kuvvetleri kohezyon kuvvetlerinden büyük ise yüzey ıslanır. 5. Gaz maddelerin doğrudan katı hâle geçmesine süblimleşme denir. 6. Saf maddeler hâl değiştirirken sıcaklık sabit kalır. 7. Atmosfer basıncı arttıkça sıvıların kaynama noktaları artar. 8. Sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerine adhezyon kuvvetleri denir. 9. Gerçek gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınç koşullarında ideale yaklaşır. ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) 10. Cam kristal katıdır. ( D ) ( Y ) 254

255 4. Ünite Maddenin Hâlleri D. Aşağıdaki çoktan seçmeli soruları cevaplayınız. 1. O 2 gazının difüzyon hızı aynı sıcaklıktaki X gazının difüzyon hızının 2 katıdır. X gazının mol kütlesi nedir? A) 16 g mol -1 B) 8 g mol -1 C) 64 g mol -1 D) 2 g mol -1 E) 100 g mol X 2 O 3 gazının 0 o C ve 1 atm basınç altında 1,9 gramı, 0,56 L hacim kaplıyor. X elementi kaç akb dir? A) 8 akb B) 12 akb C) 14 akb D) 16 akb E) 18 akb 3. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Sıvıların sabit hacimleri vardır ve bulunduğu kabın şeklini alır. B) Gazlar bulunduğu kabın tamamını doldurur. C) Katıların ısı alarak doğrudan gaza dönüşmesine süblimleşme denir. D) Her madde için belli bir sıcaklık ve basınçta katı-sıvı ve gaz fazları dengede bulunur. E) Katı hâldeki her madde ısıtılıp sıvı hâle dönüştürüldüğünde hacmi artar. 4. Azot ve oksijenden oluşan gaz hâlindeki bir bileşik % 30,4 azot ve % 69,6 oksijen içermektedir. Bu gazın normal koşullardaki yoğunluğu 4,11 g L -1 olduğuna göre molekül formülü nedir? (N:14, O:16) A) NO B) NO 2 C) N 2 O 4 D) N 2 O 5 E) N 5 O o C ta su üstünde azot gazı toplanmıştır. Toplam basınç 760 mm Hg olduğuna göre azot gazının kısmi basıncı nedir? (29 o C ta suyun buhar basıncı 30 mm Hg dır.) A) 790 B) 760 C) 750 D) 740 E) Aşağıda verilen aynı şartlar altındaki moleküllerden hangisi idealliğe daha yakındır? A) Kr B) CH 4 C) He D) CO 2 E) CCl 4 7. Aşağıdaki ifadelerden hangisi Joule-Thomson olayını açıklar? A) Bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklıktır. B) Düşük basınçta birbirinden oldukça uzakta bulunan moleküllerin bulundukları hacmin yanında kendi hacimlerinin ihmal edilmesidir. C) Düşük sıcaklıklarda moleküller arasındaki çekme kuvvetlerinin molekülleri birbirine yaklaştırmasıdır. D) Molekül hızı ile sıcaklık arasındaki ilişkiden yararlanılarak gazların genleştirilerek sıvı hâle getirilmesidir. E) Gazların soğutulması amacıyla kendisinden daha soğuk başka bir madde içine daldırılmasıdır. 8. Aşağıda verilen örneklerden hangisi viskozitenin gündelik hayattaki kullanım alanları ile ilgili değildir? A) Yollara asfalt dökülürken ziftin ısıtılması B) Çorbalara kıvam arttırıcı eklenmesi C) Reçelin sıcakken kavanozlara doldurulması D) Etin pişirilmeden önce sosa bulanması E) Süte nişasta katılarak puding yapılması 255

256 10. Sınıf Kimya 9. Bir sıvının yüzey gerilimini aşağıdaki etmenlerden hangisi değiştirmez? A) Sıvıya yüzey aktif bir madde eklemek B) Sıvıyı ısıtmak C) Sıvıyı soğutmak D) Sıvıya içinde çözünebilen başka bir sıvı eklemek E) Sıvının hacmini değiştirmek 10. Aşağıdakilerden hangisi Joule-Thomson olayının günlük hayattaki uygulamalarına örnek değildir? A) Buzdolabı içinin soğuması B) Pompada sıkışan gazın ısınması C) Fanla ortamın soğutulması D) Gaz çıkış sibobundaki soğuma E) Klimaların bulundukları ortamı soğutması 11. Sıcaklık ( o C) I II III IV V Zaman (dk.) Yukarıda saf bir gazın soğumasına ait sıcaklık-zaman grafiği verilmiştir. Hangi bölge veya bölgelerde madde homojendir? A)Yalnız I B) Yalnız V C) II ve IV D) I, III ve V E) I, III ve IV 12. Aşağıdakilerden hangisi buharlaşma hızını etkilemez? A) Sıvının yüzey alanı B) Sıcaklık C) Suyun miktarı D) Bağıl nem E) Rüzgâr 13. CaO bileşiği aşağıda verilen hangi tür katıya örnektir? A) Amorf B) Metalik C) Kovalent D) İyonik E) Moleküler 256

257 4. Ünite Maddenin Hâlleri Sıcaklık ( o C) 14. I III IV V II Zaman (dk.) Yukarıda saf bir katının ısıtılmasına ait sıcaklık-zaman grafiği verilmiştir. Grafikte Romen rakamlarının belirttiği değişmeler için aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? A) I, erimedir. B) II, donmadır. C) III, süblimleşmedir. D) IV, buharlaşmadır. E) V, yoğuşmadır. 15. Bir dağın tepesinde kaynamakta olan su içinde termometre 95 o C u gösteriyor. Suyun bu sıcaklıktaki buhar basıncı 634 mm Hg ve deniz seviyesinden yükseldikçe her 10 metrede ortalama olarak basınç 1 mm Hg düştüğüne göre dağın yüksekliği ne kadardır (Deniz seviyesindeki basınç 760 mm Hg dir.)? A) 634 m B) 760 m C) 1260 m D) 1620 m E) 1560 m 257

258 KARIŞIMLAR 5. Ünite İlköğretim fen ve teknoloji derslerinde, 9. sınıf kimya dersinde, homojen karışım, heterojen karışım, çözücü, çözünen, çözelti, çözünürlük ve çözünürlüğe etki eden faktörleri görmüştünüz. Bu ünitede, çözeltileri çözünen madde taneciklerinin boyutu temelinde tanımlayarak çözünme olayındaki etkileşimleri, bazı derişim kavramlarını ve derişime bağlı (koligatif) özellikleri göreceksiniz. Ayrıca heterojen karışımları, karışan maddelerin fi ziksel hâllerine ve karışımda dağılan maddeleri tanecik boyutuna göre sınıfl andıracaksınız. Heterojen karışımlarda (gıda, ilaç, inşaat boyası vb. ürünlerde) faz ayrılmasını önlemek için alınan önlemleri ayrıca faz ayrımını kolaylaştırıcı faktörleri öğrenerek günlük hayattan örnekler göreceksiniz.

259 1. BÖLÜM İçerik 1. Çözücüler ve Çözeltiler 2. Çözeltilerin Özellikleri 3. Sıvı Çözeltilerde Çözücü ve Çözünen Arasındaki Etkileşim 4. Çözünme Entalpisi ÇÖZÜCÜLER ve ÇÖZELTİLER Bu bölümde benzer benzeri çözer genellemesiyle günlük hayatta rastladığımız şerbet, şurup, sirke vb. çözeltilerin içindeki çözücü, çözünen maddeleri ve aralarındaki etkileşim kuvvetlerini göreceksiniz. Çözünme sırasında maddeleri oluşturan taneciklerin sudaki çözünme basamaklarını ve bu sırada gerçekleşen homojenlik, solvatasyon ve hidratasyon olaylarını öğreneceksiniz.

260 10. Sınıf Kimya Çözücüler ve Çözeltiler Çevrenize baktığınızda, gördüğünüz en önemli karışımlar hava, su ve topraktır. Günlük yaşamda kullandığınız kaşık, çatal, tabaklar; cam ve plastikler; ilaçlar, boyalar da karışıma birer örnektir. Aşağıdaki etkinliği yaparak karışımların aralarındaki farklılıkları görmeye çalışalım. Etkinlik 5.1 Karışımlar Arasındaki Farklılıklar Etkinliğin Amacı Karışımların aralarındaki farklılıkları kavrama Su-Zeytinyağı Su-Alkol Su-Tuz Su-Kum Hava dolu balon Etkinliği Uygulayalım Yukarıdaki fotoğrafl arda görülen karışımları, karışımları oluşturan maddeleri birbiri içinde dağılımlarına göre karşılaştırınız. Etkinliği Sonuçlandıralım Verilenlerden hangileri sizce çözeltidir? Bu sonuca hangi ölçütleri göz önünde bulundurarak ulaştınız. Çevrenizde gördüğünüz çözeltilere örnekler vererek arkadaşlarınızın verdiği örnekler ile karşılaştırınız. Yukarıdaki etkinlikte de görüldüğü gibi bazı karışımlarda karışımı oluşturan maddeler birbiri içerisinde karışımın her noktasına eşit oranda dağılmıştır. Böyle karışımlara homojen karışımlar denir (Resim 5.1.1). Homojen karışımlar çözelti olarak tanımlanır. Gazların, sıvıların, katıların kendi aralarında veya gazların sıvı ve katılarla; sıvıların katı ve gazlarla; katıların sıvı ve gazlar içerisinde meydana getirdikleri homojen karışımlar birer çözeltidir. Resim Şekerli su homojen karışıma örnektir. Bir çözeltiden saf olarak elde edilebilen her madde o çözeltinin bileşenidir. Bu bileşenlerden, genellikle miktarca en fazla olan ve çözünme olayında aktif olarak görev alan çözücü, diğer bileşenler ise çözünen olarak adlandırılır. Bu adlandırma tamamen keyfi olup daha küçük yüzdeli bir bileşenin çözücü olarak kabul edildiği pek çok 260

261 5. Ünite Karışımlar örnek vardır. Öte yandan bazı hâllerde çözücü ve çözünen terimlerinin kullanılmasının (gaz çözeltilerde olduğu gibi) fazla önemi yoktur. Çözeltilerin, çözücü ve çözünenin bileşenlerinin fi ziksel hâllerine göre sınıflandırılması Tablo 5.1.1'de verilmiştir. Tablo Çözücü ve çözünenin fi ziksel hâllerine göre çözelti türleri Çözeltinin fiziksel hâli Gaz Sıvı Katı Çözelti örneği Doğal gaz Çözücü ve fiziksel hâli Metan (gaz) Bileşenler Çözünen ve fiziksel hâli Etan (gaz) Hava Azot (gaz) Oksijen (gaz) Tuzlu su Su (sıvı) Sodyum klorür (katı) Kolonya Su (sıvı) Etanol (sıvı) Bronz Bakır (katı) Kalay ve Kurşun (katı) Pirinç Bakır (katı) Çinko (katı) Tabloya baktığımızda havanın bir gaz çözeltisi olduğunu söyleyebilir miyiz? Havayı oluşturan azot, oksijen, karbon dioksit ve diğer gazlar birbiri içerisinde homojen bir şekilde dağılmıştır. Bu durum bütün gaz karışımları için geçerlidir. O hâlde bütün gaz karışımlarının birer çözelti olduğunu söyleyebiliriz. Sıvı karışımları için bu kural geçerli değildir. Örneğin Etkinlik 5.1'de görülen zeytinyağı - su karışımı homojen olmadığı için çözelti değildir. Aynı şekilde karbon tetraklorür-su karışımı da çözelti değildir. Metaller birbirleriyle homojen karışımlar yaparak alaşımları meydana getirebilir. Alaşımları genel olarak çözelti kabul edebiliriz. Tablo 5.1.1'i inceleyerek siz de çevrenizden çözelti türlerine uygun başka örnekler bulabilirsiniz. Karışımları oluşturan bileşenlerin birbirine göre dağılımları farklı olabilir. Bir karışımda basınç, yoğunluk vb. özellikleri aynı olduğu bölgelere faz adı verilir. Karışımlar bir fazlı veya çok fazlı olabilir. Bir fazlı karışımlara homojen, çok fazlı karışımlara ise heterojen karışım denir (Resim 5.1.2). Örneğin sahile yaklaşan bir dalganın (Resim 5.1.3) hava ve kum ile karışarak köpükler hâlinde sönmesi çok fazlı ve çok bileşenli karışımın en güzel doğal örneklerinden birisidir. Resim Çok fazlı karışımlar Resim Sahile vuran dalgalar 261

262 10. Sınıf Kimya Çözeltilerin Özellikleri Günlük hayatta homojen gördüğümüz herşey göründüğü gibi olmayabilir. Bunlara büyüteç, mikroskop, dürbün vb. ile baktığımızda bazılarının heterojen olduğunu fark ederiz. Aşağıda resimlerini gördüğünüz karışımları görünümlerine göre karşılaştırınız. Resim Bronz Resim Lehim Resim Su-Tuz Resim Su-Tebeşir tozu Resim Su-benzen Resim Süt Karışımlardan hangileri çözeltidir? Sadece çıplak gözle bakarak yaptığınız karşılaştırma gerçeği ne kadar yansıtır? Bir karışımın çözelti olup olmadığına çıplak gözle bakılarak karar verilebilir mi? Homojenliğin Görsel Duyu Boyut Sınırları Gözün seçtiği en küçük boyut: 10-4 m Molekül boyutu üst sınırı: 1nm=10-9 m Işık mikroskobu büyütmesi: <5x10 4 x Büyütülmüş molekül boyutu: 5x10-5 m Yukarıdaki sorulara cevap aradığınızda karşınıza çözeltilerin ortak özellikleri çıkacaktır. Günlük hayattan örnek verecek olursak içtiğimiz şekerli çay bir çözeltidir. Peki, çay içinde tamamen çözünmüş olan şekeri görebiliyor muyuz? Su içerisine şeker veya tuz atılıp karıştırıldığında katı madde suda kaybolur, çıplak gözle ya da mikroskopla bakıldığında çözünen görünmez. Diğer yandan içerisinde asılı hâlde çok küçük madde parçaları bulunan bir sıvıdan (örneğin, tebeşir tozu - su karışımı) ışık geçirildiğinde parçacıklar, ışığı yansıtarak görünür hâle gelir. Oysa aynı ışık demeti şeker ya da tuz içeren sudan geçirildiğinde hiçbir şey görünmez. O hâlde su ile şeker veya tuz karışımında su molekülleri ile şeker molekülleri ya da tuz iyonları tamamıyla karışmış (homojen) durumdadır. Homojenliğin anlamı, dağılan maddenin tanecik boyutuna, mikroskopların büyütme oranlarına ve görsel duyumun boyut sınırlarına 262

263 5. Ünite Karışımlar bağlıdır. Bu göreceliliği önlemek için çözeltileri "boyutu 10 nanometreden (nm) daha küçük olacak şekilde dağılmış maddelerin oluşturduğu homojen karışım" şeklinde tanımlayabiliriz. Biliyor musunuz? Çözünme ve erime genellikle birbirleriyle karıştırılır. Örneğin günlük yaşamda çay içinde çözünmüş olan şekeri, şeker eridi olarak tanımlarız. Oysaki şeker çözünmüştür. Aynı şekilde oda sıcaklığında (25 o C) bulunan su içinde tuz çözünmüş durumdadır. Tuzun eridiğini söyleyebilmek için katı hâldeki tuzun 801 o C'a kadar ısıtılması gerekir. O hâlde su içerisine homojen olarak karışmış şeker ve tuz için "Şeker ve tuz suda eridi" yerine "çözündü" ifadesini kullanmamız gerekir. Tuzlu su 25 o C Tuz (s) 801 o C Sıvı Çözeltilerde Çözücü ve Çözünen Arasındaki Etkileşim Apolar moleküller arasındaki çekim kuvveti yalnızca London kuvvetleridir. London kuvvetleri, çekirdek etrafındaki elektron bulutunun herhangi bir anda simetrik olmamasından kaynaklanır. Dipol-dipol etkileşimi; su, kloroform, hidrojen fl orür gibi polar sıvılarda ve polar moleküllü katılarda görülür. Polar sıvıların birbirleri içinde çözünmeleri moleküllerin bu etkileşiminin sonucudur. Polar moleküller, aynı eksenli (Şekil a) veya paralel eksenli (Şekil b) olmak üzere iki biçimde birbirleriyle etkileşebilir. Dipoldipol etkileşimi, iyon - dipol etkileşiminden daha zayıftır. Etkileşim, moleküller arası uzaklığa daha çok bağlıdır. Polar moleküller arasındaki dipol-dipol kuvvetleri London kuvvetlerinden çok daha güçlüdür. Güçlü dipol-dipol etkileşimlere ilave olarak bazı moleküllerde hidrojen bağlarından dolayı moleküller arası güçlü çekim kuvvetleri görülebilir. r (a) + - r + - (b) Şekil (a) Aynı, (b) paralel eksenli dipol moleküllerin etkileşimi Apolar ve polar maddeler genellikle birbirleri ile karışmaz. Örneğin suda çözünmeyen benzeni ele alalım. Su ile benzeni karıştırmaya çalışalım. Benzen apolar moleküllerden oluştuğu için molekülleri arasındaki kuvvetler London kuvvetleridir. Dolayısıyla moleküllerinin 263

264 10. Sınıf Kimya Resim Karbon tetraklorür - Su karışımı birbirinden ayrılması için gerekli olan enerji oldukça azdır. Aynı şekilde polar su molekülleri ile benzen molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri zayıf olduğundan su moleküllerinin benzen moleküllerini çözmesi için gerekli olan enerji de azdır. Ancak polar su moleküllerinin aralarındaki çekim kuvvetleri fazla olduğundan moleküllerin ayrılması fazla enerji gerektirir. Su moleküllerinin birbirinden ayrılması için gerekli olan bu enerji değeri diğerlerine göre oldukça fazladır dolayısıyla bu olay endotermiktir ve apolar moleküllerden oluşan benzen polar moleküllerden oluşan suda çözünemez. CCl 4 (karbon tetraklorür)-su karışımını bir başka örnek olarak verebiliriz. Çünkü su moleküllerinin kendi arasındaki çekim kuvveti, su ve CCl 4 moleküllerinin çekim kuvvetinden çok daha fazladır. Su molekülleri CCl 4 moleküllerini çekmeyi tercih etmez. Oluşan bu karışımda yoğunluğu fazla olan CCl 4 dibe çöker, su üstte kalır. Böylece iki ayrı bileşenli iki saf faz içeren bir sistem elde edilmiş olur (Resim ). Apolar yapıya sahip I 2 (iyot) apolar CCl 4 de rahatlıkla çözünür. Katı I 2 'ta moleküller arası çekim kuvveti, sıvı CCl 4 molekülleri arasındaki çekim kuvvetine oldukça yakındır. Dolayısıyla katı I 2 ve sıvı CCl 4 molekülleri rahatlıkla karışabilir. Buna bir başka örnek olarak benzen hegzan karışımını verebiliriz. Polar moleküllerin su ile karışma isteği çok yüksektir. Örneğin, metanol su ile her oranda rahatlıkla karışabilir. Metanol polar olmayan çözücülerde genelde çözünmez. Genellikle polar maddeler yalnızca polar çözücülerde, apolar maddeler apolar çözücülerde çözünür. Bir başka deyişle benzer benzeri çözer. Elmasta olduğu gibi karbon atomlarının birbirine örgülü bir şekilde bağlandığı kristallerde atomlar arası bağlar çok güçlüdür. Bu tarzda olan örgülü katılar hemen hemen hiçbir çözücüde çözünmez. Polar sıvılar, çoğu iyonik ve polar kovalent bileşikler için çözücü özelliğe sahiptir. En iyi polar çözücülerden biri sudur. Çözünme sırasında iyonik maddenin iyonları (Şekil 5.1.2), polar kovalent maddenin ise dipolleri (Şekil 5.1.3), polar su moleküllerinin dipolleri tarafından elektrostatik olarak çekilir. İyonik kristal δ - O - yüklü iyon + yüklü iyon δ + H H δ + Su molekülünde dipol gösterimi Şekil İyonik kristallerin suda çözünmesi 264

265 5. Ünite Karışımlar Pozitif iyon veya dipolün pozitif ucu, su molekülünün negatif ucunu çekerken negatif iyon veya dipolün negatif ucu ise su molekülünün pozitif ucu ile çekilir. Böylelikle iyonik ve polar kovalent kristalden tanecikler (iyon molekül) uzaklaşarak çözeltiye aktarılmış olur. Bu iyon-dipol ve dipol-dipol çekimi oldukça güçlüdür Polar kovalent kristal δ - O H H + δ δ + Su molekülünde dipol gösterimi Şekil Polar kovalent kristallerin suda çözünmesi + - Polar kovalent molekül Çözünme Entalpisi Bir çözelti oluşumu sırasında çözücü ve çözünen tanecikler arasında etkileşim kuvvetleri ortaya çıkacağından enerji değişimi de kaçınılmazdır. Çözünme sürecinin üç ayrı basamakta gerçekleştiğini söyleyebiliriz (Şekil 5.1.4). Birinci basamak çözücü moleküllerinin ayrılması, ikinci basamak çözünen moleküllerinin ayrılmasıdır. Bu basamaklarda moleküller arası çekim kuvvetlerini yenmek için bir miktar enerji gerekir. Dolayısıyla bu basamaklar endotermiktir. Üçüncü basamakta çözücü ve çözünen molekülleri karışır. Bu basamak endotermik veya ekzotermik olabilir. Çözünen ve çözücü molekülleri arasındaki etkileşimlerin sonucu meydana gelen entalpi değişimine çözünme entalpisi (ısısı) denir. Çözeltinin ısısına " H çözelti " dersek, çözelti ısısı bu üç basamağın ısıları toplamına eşittir. H çözelti = H 1 + H 2 + H 3 265

266 10. Sınıf Kimya Çözücü Basamak 1 Basamak 2 ΔH ΔH 1 2 Çözünen Basamak 3 ΔH 3 Çözelti Şekil Molekül düzeyinde çözünmenin üç aşaması (1) Çözücünün moleküllerinin ayrılması, (2) Çözünenin moleküllerinin ayrılması, (3) Çözücü molekülleri arasına çözünen moleküllerinin girmesiyle çözeltinin oluşumunun tamamlanması Entalpi H 1 + H 2 H 3 Eğer çözünen ile çözücü tanecikleri arasındaki etkileşim, çözünen ve çözücünün kendi tanecikleri arasındaki etkileşimden daha büyük ise çözünme işlemi (çözelti oluşumu) ekzotermik olarak gerçekleşir ( H çözelti <0). Eğer çözünen-çözücü etkileşimi, çözünen ve çözücünün kendi tanecikleri arasındaki etkileşimden daha küçük ise çözünme işlemi (çözelti oluşumu) endotermiktir ( H çözelti >0). İyonik yapıdaki katı bir maddenin sudaki çözünmesini inceleyelim. Örnek iyonik madde olarak NaCl'ü alalım. Burada ΔH 2 oldukça büyük ve pozitiftir (endotermik). Bilindiği gibi NaCl iyonik bir katı olduğundan Na + ve Cl - iyonları arasındaki çekim kuvveti fazladır. NaCl kristalindeki Na + iyonu Cl - iyonları tarafından her yöne eşit ölçüde çekilmektedir. Aynı şekilde her bir Cl - iyonu da Na + iyonu tarafından her yöne eşit ölçüde çekilmektedir. Dolayısıyla bunların ayrılması için gerekli olan ΔH 2 enerjisi de fazla olur. Aynı şekilde suyun polar moleküllerden oluşmuş olması nedeniyle moleküllerinin aralarının açılması için gerekli olan ΔH 1 enerjisi de pozitif ve fazla miktarda olur. Son olarak ΔH 3 negatif ve büyük miktardadır. Bilindiği gibi polar su molekülleri ile iyonlar arasındaki çekim kuvvetleri oldukça fazladır. Dolayısıyla ΔH 3 negatif (ekzotermik) olmaktadır. NaCl'ün suda çözünmesi sırasında meydana gelecek ental H Çözelti Şekil Üçüncü basamakta açığa çıkan enerji birinci ve ikinci basamakta gerekli olan enerjiden fazla ise çözünme ısısı ekzotermiktir. Entalpi H 3 H + H 1 2 H Çözelti Şekil Üçüncü basamakta açığa çıkan enerji birinci ve ikinci basamakta gerekli olan enerjiden az ise çözünme ısısı endotermiktir. 266

267 5. Ünite Karışımlar pi değişimi ΔH 1, ΔH 2, ΔH 3 değerlerinin cebirsel toplamına eşittir. Kristalin yüzeyindeki iyonlarda ise elektrostatik çekim kuvvetleri denkliği yoktur. Su molekülleri, bu yüzeydeki iyonların artı olanlarını (Na + ) eksi uçlarıyla, eksi olanlarını (Cl - ) da artı uçlarıyla çekerek katı fazdan çözeltiye taşır. Böylece iyon-dipol etkileşmesinin, iyonları kristal yüzeyinden uzaklaştırarak çözeltiye geçirecek güçte olduğu görülür. Çözünen iyonların su molekülleri ile çevrilmesi sonucunda oluşan çözünmeye hidratlaşma (hidratasyon) denir. Çözeltideki tüm iyonlar hidratlaşmış hâldedir (Şekil 5.1.7). Eğer su yerine başka bir çözücü tercih edilirse hidratlaşma yerine solvatasyon (solvatize olma) kelimesi kullanılır. δ + δ + H H M + δ - O Şekil Hidratlaşmış bir metal katyonu NaCl (k) Na + (g) + Cl- (g) H 2 = 786 kj mol-1 Na + (g) + Cl- (g) Na+ (aq) + Cl- (aq) H 1 + H 3 = -783 kj mol-1 H hidratasyon ( H 1 + H 3 ) = -783 kj mol-1 Burada hidratasyon enerjisi H 1 (su moleküllerini ayırması) ve H 3 (su molekülleri arasına çözünen moleküllerinin yerleşmesi) entalpilerinin toplamıdır. Hidratasyon enerjisi, çözünenin suda gaz halinde dispersiyonu (dağılımı) ile meydana gelen enerji değişimini temsil eder. Böylece sodyum klorürün çözünme ısısı H 2 ve H hidratasyon enerjilerinin cebirsel toplamıdır. H çözünme = 786 kj mol -1 +(- 783 kj mol -1 ) = 3 kj mol -1 H çözünme değeri pozitiftir ve küçüktür. Bütün sistemler kararlı hâle gelmek için en düşük enerji seviyesinde bulunmak ve en düzensiz yapıya ulaşmak ister. Kendiliğinden olan (istemli) çözünmelerde genellikle enerji açığa çıkar. Yani enerji toplamı negatiftir. Bu tür çözünmede sistem enerji vererek enerjisini azaltır. Genellikle iyonik katıların suda çözünmesi istemlidir. (Şekil 5.1.8) 267

268 10. Sınıf Kimya İstemli (Enerji açığa çıkar.) İstemsiz (Enerji gerekir.) Şekil Çözünme olayı CO 2 gazının şekerli su içinde çözünmesi (gazoz) sırasında CO 2 moleküllerinin enerji seviyesi azalır. Bir madde, çözücüde çözündüğünde ortamla ısı alışverişi olur. Bu ısıya çözünme ısısı denir. Çözeltideki ısı, bazı kimyasal bağların kopması bazı kimyasal bağların ise oluşması sonucunda ortaya çıkar. MX (metal tuzu) yapısındaki iyonik katı su içinde çözünürse olay ısı veren veya ısı alan şeklinde gerçekleşebilir. Çözünen maddeyi oluşturan kristalleri bir arada tutan bağ enerjisine eşit miktarda enerji, çözünme için gereklidir. Kristal enerjisi, iyonik kristalin iyonlardan oluşması sırasında verdiği enerjidir. İyonlar hidratlaşırken hidratlaşma (hidratasyon) ısısı adını verdiğimiz enerji açığa çıkar. Hidratlaşma enerjisinin büyüklüğü iyonik kristalde iyonları ayırmak için gerekli enerjiden daha büyükse iyonik katı suda çözünür. İyonik katının suda çözünmesi sırasındaki enerji değişimi, H çöz = Kristal enerjisi + Hidratlaşma ısısı bağıntısına göre hesaplanır. Kristal enerjisinin mutlak değerinin hidratlaşma ısısının mutlak değerinden küçük veya büyük olması durumunda çözünme ısısı sırasıyla eksi ya da artı olur. Bir başka deyişle çözünme sürecinde çözünen madde sırasıyla ısı veren veya ısı alan olur. 268

269 5. Ünite Karışımlar Tablo Bazı çözünen maddelerin kristal enerjisi, hidratlaşma ve çözünme ısıları Çözünen Madde Kristal Enerjisi (kj mol -1 ) Hidratlaşma Isısı (kj mol -1 ) Çözünme Isısı (kj mol -1 ) AgF -910,1-930,5-20,4 KCl -700,6-683,4 +17,2 LiCl NaCl LiBr Kristal enerjilerinin ve hidratlaşma ısılarının büyüklüğü birbirine yaklaşık değerler olduğu için çözünme ısıları Tablo 5.1.2'de görüldüğü gibi oldukça düşüktür. Çözünme ısılarının hesaplanması yalnız çok seyreltik çözeltiler için uygulanmalıdır. Bir tuzun hidratlaşma ısısının büyüklüğü, yükün yüzey alanına oranı olarak tanımlanan iyonların yük derişimi ile değişir. Gazlar sıvılarda çözünürken genellikle ısı açığa çıkar. Gaz moleküllerini birbirinden ayırmak için fazladan enerji gerekmeyeceğinden gaz moleküllerinin solvatasyon ısısı yeterli olmaktadır. Bunun sonucu olarak gazların sıvılardaki çözünürlüğü daima ısı verir. Yani çözünme entalpisi ekzotermik olur. Hidrojen klorür gazı suda çözünürken enerji açığa çıkar. Bu enerji, HCl molekülünün iyonlaşma enerjisiyle H + ve Cl - iyonlarının hidratlaşma ısılarının toplamına eşittir. İyonik bileşiklerin sudaki çözünürlüğüne göre sınıfl andırılması oldukça zordur. Suda hiç çözünmeyen bileşik olmamasına rağmen, çözünme eğilimi çözünen bileşiğe göre değişmektedir. Ayrıca bazı bileşikler su ile tepkimeye girer. Örneğin, oksitler su ile hidroksitlere dönüşür. Araştırma Mutfağımızdaki buzdolabının kapağını açık bıraktığımızda ortamın ısısında nasıl bir değişme olacağını araştırınız. Okuma Metni ATATÜRK VE BİLİM Atatürk, bilimin insan yaşamındaki önemli yerini özgürlük savaşımızın sona ermesinden başlayarak hemen her vesile ile tekrarlamış, vurgulamıştır. 22 Ekim 1922'de Bursa'da yaptığı bir konuşmada Atatürk, biraz sadeleştirilmiş şekliyle şöyle demiştir: "Yurdumuzun en bayındır, en göz alıcı, en güzel yerlerini üç buçuk yıl kirli ayaklarıyla çiğneyen düşmanı mağlup eden zaferin sırrı nedir, bilir misiniz? Orduların sevk ve idaresinde bilim ve fen ilkelerinin kılavuz edinilmesidir. Milletimizin siyasi ve içtimai hayatı ile ulusumuzun düşünce eğitiminde de yol göstericimiz bilim ve fen olacaktır. Türk milleti, Türk sanatı, Türk ekonomisi, Türk şiiri ile edebiyatı okul ve okulun vereceği bilim ve fen sayesinde bütün olağanüstü incelikleri ve güzellikleriyle oluşup gelişecektir." Aynı yılın 27 Ekim günü, yine Bursa'da, Atatürk şunları söylemiştir: 269

270 10. Sınıf Kimya "Hiçbir mantıki kanıta dayanmaksızın birtakım geleneklere ve inançlara bağlı kalmakta ısrar eden milletlerin gelişmesi çok güç olur ve belki de hiç gerçekleşmez. Gelişim yolunda bağları koparamayan ve engelleri aşamayan uluslar akla uygun düşen ve gereksinmelere ayak uydurabilen bir zihniyetle hayata bakamazlar. Bunlar engin hayat felsefelerine sahip başka milletlerin egemenliği altına girip onların tutsağı olmaktan kurtulamazlar." 30 Ağustos 1924 günü Atatürk Dumlupınar'da yaptığı konuşmada da şöyle diyor: "Yaşamanın şartı uygarlık yolunda yürümek ve başarıya ulaşmaktır. Bu yol üzerinde ilerlemeyi değil de geriye bağlılığı benimseyenler, böyle bir bilgisizlik ve gaflette bulunanlar, evrensel uygarlığın coşup gelen seli altında bir gün boğulmaya mahkûmdurlar." Yine aynı konuşmasında Atatürk şunları söylüyor: "Uygarlığın yeni buluşlarının ve fennin harikalarının dünyayı değişmeden değişmeye sürükleyip durduğu bir devirde yüzyılların eskittiği köhne zihniyetlerle, geçmişe kölecesine bağlılıkla varlığımızı sürdürmemiz mümkün değildir." Atatürk'ün "Hayatta en hakikî mürşit ilimdir." kısaltılmış şekliyle yaygın olarak bilinen sözünün tam metni ise aynen şöyledir: "Dünyada her şey için, maddiyat için, maneviyat için, muvaffakiyet için, en hakiki mürşit ilimdir, fendir; ilim ve fennin haricinde mürşit aramak gaflettir, cehalettir, delalettir. Yalnız, ilim ve fennin yaşadığımız her dakikadaki safhalarının tekâmülünü idrak etmek ve terakkiyâtını zamanında takip eylemek şarttır." Bilindiği üzere "ilim" sözcüğünün anlamı gayet geniştir. Hatta aslı Arapça olan bu sözcüğün Osmanlıcadaki kullanışıyla günümüzde artık yaygınlaşmış olan bilim sözcüğünden daha geniş anlamlı olduğunu söyleyebiliriz. Fen ise temel bilimler yani matematik, astronomi, fi zik, kimya ve tabii bilimler anlamına gelir. Liselerimize ilişkin olarak "fen lisesi" ve üniversitelerimize ilişkin olarak "fen fakültesi" terimlerimiz bunu açıkça gösteriyor. Demek ki kılavuzluğunda yürünmesini Atatürk'ün öğütlediği bilim geniş kapsamlı bir bilimdir. Topluma ve insana ilişkin her türlü dizgeli bilgi ve bilimsel çalışmayı içermek durumundadır. Ayrıca bilimler arasında temel bilimlere matematiğe ve doğaya ilişkin bilimlere, burada özellikle işaret edilmektedir.... Ord. Prof. Aydın SAYILI Atatürkçülük II. Kitap, Atatürk ve Atatürkçülüğe İlişkin Makaleler M.E.G.S.B. Millî Eğitim Basım Evi,

271 2. BÖLÜM İçerik 1. Çözeltiler 2. Çözelti Derişimleri Kütlece yüzde derişim Hacimce yüzde derişim Mol kesri Molarite Molalite Çözelti Derişiminin Değişik Birimlerle Verilmesi Seyreltme Çözünme ve Çözünürlük Hızı ÇÖZELTİLERİN DERİŞİMİ Toplum tarafından çok miktarda tüketilmekte olan çay, çoğunlukla şekerle birlikte kullanılır. Çay içenlerin kullandıkları şeker miktarları farklı farklıdır. Kimisi az miktar şekerle yetinirken kimisi çok miktarda şeker kullanır. Çay içine atılan şekerin belli bir miktardan sonra çözünmemesi doymuş çözeltiye örnektir. Soğuk çayın içinde şekerin daha az çözünmesi ise sıcaklığın çözünme üzerine etkisini gösterir. Reçel, boya imalatındaki atında çözeltilerde lerde renk ve kıvamı tutturabilmek için çözünen ve çözen maddelerin erin birbirine b rine karıştırılma rılm oranlarını rını bilmek gerekir. r. Konsantre ntre ürünlerde, ilaç ve boyalardaki aki seyreltme kavramı amı da sıkça ı duyduğumuz duğu ğ tanımlamalardır. amal alar ar r. Sulu boya ile resim yaparken açık renk oluşturabilmek ş ur için in su kullanılması seyreltmeye ye örnek teşkil ş eder. Renk karışımları ş oluşturulurken lurk rken hangi renk daha fazla ise karışım ım ona yakın renkte olur. Bu mol kesri için iyi bir örnektir. Yukarıda söz ettiğimiz imiz iz az şekerli r i çay, çok şekerli erli çay, reçel, boya, konsantre nt ürün çözeltiler er ile ilgili li örneklerdir. rdir Peki, bu kavramları arı kimya diliyle ifade etmek istersek ek hangi kelimeler e er karşımıza ş çıkacaktır? ktır ır? Bu bölümde günlük hayatta kullandığımız ğ çözeltiler er ile ilgili i i kavramlar amla ve bunlarla yapılan işlemler er üzerinde e duracağız. ğ

272 10. Sınıf Kimya Araştırma İstanbul Boğazı nda yüzey ve dip akıntılarının birbirine ters yönde olmasının sebebini araştırınız. 5 g NaCl 10 g NaCl 100 ml su (a) Çözeltiler Akdeniz ve Karadeniz de yüzmüş olan insanların bu iki denizi yüzmedeki kolaylık veya zorluk bakımından karşılaştırdıklarını duymuşsunuzdur. Bu karşılaştırmanın her iki denizde de çözünmüş olan madde miktarları ile ilişkisi olabilir mi? Birkaç gruba aynı miktarda su, limon ve şekeri ayrı ayrı vererek limonata hazırlamalarını istediğinizi düşününüz. Bu grupların hazırladıkları limonata sizce aynı nitelikte olacak mıdır? Neden? Çözelti bileşenlerinden biri olan çözücü, çözeltinin katı, sıvı ya da gaz hâlde olup olmadığını belirler. Bu bölümde daha çok çözücüsü su olan çözeltiler üzerinde duracağız. Böyle çözeltilere sulu çözeltiler adı verilir. Çözeltileri, içinde çözünmüş maddelerin karşılaştırılması temelinde incelediğimizde karşımıza derişik ve seyreltik çözelti tanımlamaları çıkar. Derişik çözelti, bir başka çözeltiye göre çözünen madde ya da maddeleri daha çok miktarda içeren çözeltidir. Seyreltik çözelti ise yine bir başka çözeltiye göre miktar olarak az çözünen madde içerir. O hâlde seyreltik ve derişik çözelti tanımlamaları göreceli olup en az iki çözeltiyi karşılaştırmak için kullanılan kavramlardır. Şekil 5.2.1'de de görüldüğü gibi a'daki çözelti b'deki çözeltiye göre seyreltik, b'deki çözelti a'daki çözeltiye göre derişiktir. Suyun çözücü, sakkarozun (şeker kamışı) çözünen olduğu çözeltiyi düşünecek olursak buna göre baklava veya kadayıf şurubu derişik bir şeker çözeltisi ama az şekerli çay buna karşılık çok daha seyreltik bir şeker çözeltisidir. Su içinde NaCl çözündüğünde oluşan çözelti NaCl (aq) veya NaCl (suda) şeklinde gösterilir. Bilindiği gibi bu çözeltide su çözücü, tuz ise çözünen maddedir. Bununla beraber NaCl (suda) ifadesi çözeltide NaCl'ün H 2 O ile hangi oranlarda karıştığını açıklamaz. Çözünen maddenin çözücü içinde hangi oranda bulunduğunu bilmek önemlidir. Örneğin çok miktarda tüketilen kola vb. içecekleri bazı kişiler diyet kola olarak talep eder. Diyet kolalarda şeker hiç bulunmaz veya çok az miktarda bulunur. Dolayısıyla şeker kullanmayan birisi için içtiği kolanın diyet kola olduğunu bilmek önemlidir. Bu tarzda örnekler, kullandığımız çözeltilerin derişimleriyle günlük hayatta da ilgilendiğimizi gösterir. 100 ml su (b) Şekil (a) 5 gram NaCl çözünerek hazırlanan çözelti, (b) 10 gram NaCl çözünerek hazırlanan çözelti Çözelti Derişimleri Çay, limonata, lehim, hava, doğal gaz ve amalgam (cıva ve gümüş karışımından hazırlanan diş dolgusu) gibi maddeler çözeltiye örnektir. Ancak bu çözeltilerin çözünen maddeyi ne kadar içerdiğini bilmek bizim için önemlidir. Bu amaçla bir çözeltideki madde miktarlarını ifade eden "derişim" kavramı kullanılır. Derişim, verilen bir çözücüde ya da çözeltide bulunan çözünen miktarının bir ölçüsüdür. Derişimin değişik amaçlar için değişik birimlerle verilmesi mümkündür. Kimyada kullanacağımız derişim türleri aşağıdaki gibidir. Kütlece Yüzde Derişim 100 g çözeltideki çözünen maddenin gram cinsinden değerine kütlece yüzde derişim denir. Örneğin 10 g şeker, 90 g suda çözünürse %10 luk şeker çözeltisi elde edilmiş olur. 272

273 5. Ünite Karışımlar Kütlece yüzde derişim birimi ile kimya sanayindeki uygulamalarda ve günlük yaşantımızda sıkça karşılaşırız. Örneğin, gazozdaki şeker yüzdesi, zeytinyağındaki asitlik yüzdesi, çamaşır suyundaki NaOCl yüzdesi. Kütlece yüzde derişim aşağıdaki gibi formülleştirilir. Çözünenin kütlesi Kütlece yüzde derişim = Çözeltinin kütlesi x 100 Örnek g su içinde 15 g şeker çözülerek hazırlanan çözelti kütlece yüzde kaçlıktır? Çözüm Kütlece yüzde derişim = = Çözünenin kütlesi Çözeltinin kütlesi x 100 x 100 = %10 2. %20 lik 150 g tuzlu su çözeltisine 20 g tuz, 30 g su ilave edildiğinde yeni çözeltinin kütlece yüzdesini bulunuz. Çözüm Çözeltideki tuz miktarı = 150 x 20/100 = 30 g tuz = x = %25 tuzlu su çözeltisi Hacimce Yüzde Derişim Sıvı-sıvı çözeltiler hacim olarak ölçülebildiğinden bazı çözeltilerin derişimleri hacim yüzdesine göre hazırlanır. Örneğin -15,6 o C ta donan ve antifiriz olarak da kullanılan metanol çözeltisinde hacimce %25 CH 3 OH (metanol) bulunur. 100 ml lik antifi riz çözeltisi 25 ml CH 3 OH bulunduruyor demektir. Bir başka derişim birimi de çözünen kütlesinin çözeltinin hacme oranıyla verilir. Örneğin, 100 ml çözeltide 0,9 g NaCl içeren sulu çözeltinin derişimi %0,9'dur (Kütle/Hacim). Bu birim genellikle tıp ve eczacılıkta kullanılır. Milyonda Bir (Kısım), Milyarda Bir (Kısım): Bir ton suya bir damla mürekkep damlatıldığını düşünürsek ve su içindeki mürekkep miktarını belirtmek istersek hangi derişim birimini kullanırız? Kütlece yüzde derişim veya hacimce yüzde derişim ile ifade etmek zor olacaktır. Bu durumda milyonda bir, milyarda bir gibi daha hassas ölçüm değerlerini belirten derişim birimlerine ihtiyacımız vardır. Örneğin derişimi 1 mg L -1 lik bir çözeltide çözünenin miktarı sadece 0,001 g L -1 dir. Bu kadar seyreltik bir çözeltinin yoğunluğu suyunki ile hemen hemen aynıdır (1 mg L -1 ). Bu nedenle 0,001 g çözünen / 1000 g çözelti derişimi, 1 g çözünen / g şeklinde de ifade edilebilir. Bunun 273

274 10. Sınıf Kimya 1 ppm= 1 mg L -1 1 ppb= 1 μg L -1 İngilizcede ppm "parts per million" ifadesinin, ppb ise "parts per billion" ifadesinin kısaltmasıdır. gibi küçük derişimleri ifade etmek için büyük rakamlar yazmamız gerektiğinden bu derişimi daha küçük rakamlarla yani milyonda bir kısım (ppm) şeklinde belirtiriz. Simav Çay'ında boraks miktarının artması suyun kalitesini olumsuz yönde etkilemiştir. Buna ilişkin değerler ppm olarak Tablo 5.2.1'de verilmiştir. Tablo yıllarında Simav Çayı sularının minumum ve maksimum boraks içeriği değerleri Yıllar Boraks içeriği (ppm) Haziran Temmuz Ağustos Eylül ,55-18,7 1,30-22,0 1,42-19,0 1,65-26, ,85-31,7 1,63-28,8 0,65-27,4 1,85-36,0 Tabloda görülen ppm'in kullanımı hassas ölçümlerde geçerlidir. ppm'den daha hassas ölçü değeri olarak 1 g çözünen / g vardır. Bu çözeltideki çözünen derişimini milyarda bir kısım (ppb) şeklinde ifade ederiz. Mol Kesri Bir çözeltide herhangi bir bileşenin mol sayısının çözeltiyi oluşturan bütün maddelerin mol sayıları toplamına oranına bu maddenin mol kesri (X) denir. X A = n A n A + n B + n C... Burada X A, X B, X C... A, B, C... nin mol kesri, n A, n B, n C... ise A, B, C... maddelerinin mol sayılarıdır. Bir çözeltideki bütün bileşenlerin mol kesirlerinin toplamı daima bire eşittir. X A + X B + X C +... = 1 Bir gaz çözeltisi 4 g He ve 16 g O 2 içermektedir. Çözeltideki He ve O 2 gazlarının mol kesirleri nedir? (He:4, O:16) Çözüm Örnek n He = 4 4 n He = 1 mol n O = 2 n O = ,5 mol X He = n He no2 n He + 1 X He = ~ 0,67 1,5 X O = 2 n O 2 n He + n O2 0,5 X O = ~ 0,33 2 1,5 X He + X O2 = 0,67 + 0,33 = 1,00 274

275 5. Ünite Karışımlar Kütlece %60 etanol içeren etanol-su karışımı dediğimizde 100 g çözeltide 60 g etanol ve 40 g sudan bahsetmiş oluruz. Etanol ve su her ikisi de polar olduğu için birbiri içinde homojen olarak dağılır. Sadece kütle olarak bakacak olursak çözeltide fazla olanın (etanolün) çözücü olduğunu söyleyebiliriz. Fakat mol boyutundan irdeleyecek olursak; (Etanolün ve suyun mol kütleleri sırasıyla 46 ve 18'dir.) X C2 H 5 OH = n C2 H 5 OH n C2 H 5 OH + n H 2 O 60 X = 46 C2 H 5 OH X C2 H 5 OH = 1,3 1,3 + 2,2 0,37 X H2 O = n H2 O n C2 H 5 OH + n H 2 O X = 2,2 H2 O 1,3 + 2,2 0,63 buluruz. Bu hesaplamalardan yola çıkarak etanolün mol kesri suyunkinden küçük olduğuna göre yukarıdaki çözelti için (etanol su karışımı) "Su içinde etanol çözünmüştür." demek daha doğru olacaktır. Molarite (M) 1 L çözeltide çözünen maddenin mol sayısına molarite denir. Molarite (M) = Çözünenin mol sayısı Çözeltinin litre olarak hacmi 0,1 mol NaOH, 1 L suda çözünmüşse çözeltinin molarite olarak derişimi nedir? Çözüm Örnek 0,1 mol NaOH M= = 0,1 M NaOH çözeltisi 1 L çözelti Madde miktarlarını doğrudan mol olarak ölçemediğimizden mol sayısını ölçülebilen başka miktarlarla ilişkilendirmeliyiz. Çözeltinin hacmi 1 litreden daha az veya daha çok olabilir. Çözeltide çözünmüş sıvı miktarı ile çözelti hacmi arasında yoğunluk yardımıyla nasıl bir ilişki kurulacağına bir örnek verelim. 275

276 10. Sınıf Kimya Örnek ml etanol (C 2 H 5 OH), üzerine yeterince saf su ilave edilerek 500 ml lik bir çözelti hazırlanıyor. Çözeltinin derişimini molarite biriminde hesaplayınız. (d = 0,789 g C2 H 5 OH ml-1 H: 1, C: 12, O: 16) Çözüm m = V d n= m / M A 1 n = 25 ml x 0,789 g C2 H 5 OH ml-1 x n C2 H 5 OH ~ 0,428 mol C 2 H 5 OH 46 g mol ml = 0,5 L M = 0,428 0,5 M ~ 0,856 C 2 H 5 OH 2. Yoğunluğu 1,18 g ml -1 olan ve kütlece %37 HCl içeren derişik HCl in molaritesi nedir? (HCl : 36,5 g mol -1 ) Çözüm n HCl =1000 ml çözelti x n HCl = 12,0 mol 1,18 g çöz 1 ml çöz 37 g HCl 100 g çöz 1 mol HCl 36,5 g HCl 1000 ml çözeltide (1L) 12 mol HCl bulunduğundan M=12 dir. x x 1. 44,6 g lık bir aseton [(CH 3 ) 2 CO] örneğinden 250 ml lik bir çözelti hazırlanıyor. Asetonun molaritesini bulunuz.(c: 12, H: 1, O: 16) Cevap: 3,08 M ml lik asetik asit (CH 3 COOH) yeterli miktarda suda çözünerek 500 ml lik bir çözelti hazırlanıyor. Çözeltideki asetik asit molaritesini hesaplayınız. (d =1,048 g CH3 COOH ml-1 ) (C: 12, H: 1, O: 16) Cevap: 1,48 M o C ta NaNO 3 ile doymuş bir çözelti 5,4 M NaNO 3 bulunduruyor. Aynı sıcaklıkta bu çözeltinin 250 ml sinde kaç gram NaNO 3 bulunur? (Na: 23, N: 14, O:16) Cevap: 114,75 g Molalite (m) 200 g suda 12,2 g H 2 SO 4 içeren çözeltinin molalitesini hesaplayınız. H 2 SO 4 in mol kütlesi 98,06 g dır? Çözüm Öğrendiklerimizi Uygulayalım Molalite, sıcaklıktan bağımsız ve aynı zamanda mol kesri ile orantılı olan bir derişim birimidir. Çözünenin mol sayısının çözücünün (çözeltinin değil) kg cinsinden miktarına bölünmesiyle elde edilir. Çözünenin mol sayısı (mol) Molalite (m) = Çözücünün kütlesi (kg) Örnek n H2 SO 4 = 12,2 98,06 n H2 SO 4 ~ 0,1244 mol 276

277 5. Ünite Karışımlar m= 0,1244 mol H 2 SO 4 m= 0,622 molal 0,200 kg H 2 O Çözelti Derişiminin Değişik Birimlerle Verilmesi Öğrendiğimiz kütlece yüzde, mol kesri, molarite ve molalite ile ilgili derişim birimlerinin birbirleriyle ilişkilerini bir örnek üzerinde pekiştirelim. 10,00 ml etanol (C 2 H 5 OH), suda çözülüyor ve hacmi 100 ml ye tamamlanarak yoğunluğu 0,982 g ml -1 olan etanol-su çözeltisi hazırlanıyor. Bu çözeltide etanolün; a) Kütlece yüzdesi ne kadardır? c) Molaritesi nedir? b) Mol kesri kaçtır? ç) Molalitesi nedir? (C 2 H 5 OH: 46,07 g mol -1, d C2 H 5 OH =0,789 g ml-1 ) Çözüm Örnek a) Kütlece Yüzdesi Etanolün kütlesi = 10,00 ml x 0,789 g 1,00 ml = 7,89 g etanol Çözeltinin kütlesi= 100,00 ml çözelti x 0,982 g çözelti = 98,2 g çözelti 1,00 ml çözelti Kütlece % etanol = 7,89 98,2 x 100 ~ %8,03 b) Mol Kesri n C2 H 5 OH = 7,89 g 46,07 g ~ 0,171 mol 100 ml çözeltide suyun kütlesi = 98,2-7,89 =90,31 g 90,31 n = H2 ~ 5,01 mol O 18,02 0,171 mol X = C2 H 5 OH 0,171 mol + 5,01 mol 0,171 X = C2 H 5 OH 5,18 ~ 0,03 c) Molaritesi 100 ml = 0,1 L M = C 2 H 5 OH ç) Molalitesi 0,171 mol 0,1 L = 1,171 n C2 H 5 OH = 0,171 mol m C2 H 5 OH = 0,171 mol 0,09031 kg su = 1,89 277

278 10. Sınıf Kimya 14,8 M ve yoğunluğu 0,8980 g ml -1 olan NH 3 çözeltisinde NH 3 ın ve H 2 O yun mol kesrini hesaplayınız. Çözüm Örnek Çözelti hacmi verilmediğinde hesaplamanın kolaylığı açısından hacmi 1 L=1000 ml alırız. V=1 L olduğu için M=n'dir. n NH = 3 14,8 mol Çözeltinin kütlesi=1000 ml çözelti x 0,8980 g çözelti 1 ml çözelti = 898 g çözelti 17,03 g NH 3 NH 3 ın kütlesi = 14,8 mol NH 3 x = 252 g NH 1 mol NH 3 3 H 2 O yun kütlesi = = 646 g H 2 O n H O = ,8 mol NH 3 X NH = = 0, ,8 mol NH ,8 mol H 2 O n H O = 35,8 mol 2 X H O = 2 35,8 35,8 + 14,8 = 0,708 Öğrendiklerimizi Uygulayalım H H C OH CH OH CH OH H Gliserin (1, 2, 3 propan triol) 1. Kütlece %32 lik gliserin çözeltisinin yoğunluğu 1,037 g ml -1 dir. Bu çözeltideki gliserinin C 3 H 5 (OH) 3 in mol kesrini bulunuz. (C: 12, H: 1, O: 16) Cevap: 0,08 2. Kütlece %10 luk sakkaroz C 12 H 22 O 11 içeren bir sulu çözeltinin yoğunluğu 1,040 g ml -1 dir. Bu çözeltinin; a) Molaritesini hesaplayınız. Cevap: 0,30 M b) Molalitesini hesaplayınız. Cevap: 0,32 m c) Mol kesrini hesaplayınız. Cevap: 0, Yoğunluğu 1,09 g ml -1 olan AgNO 3 çözeltisi %10 luk olduğuna göre; a) Molaritesini hesaplayınız. Cevap: 0,64 M b) Molalitesini hesaplayınız. Cevap: 0,65 m Şimdi de saf maddelerden ve derişimi belli çözeltilerden hareketle istenilen derişim ve hacimde çözelti hazırlamaya çalışalım. Derişimi 0,1 M olan 500 ml NaCl çözeltisinin aşamalar hâlinde hazırlanışı: 1 mol NaCl ,5 = 58,5 gramdır. 278

279 5. Ünite Karışımlar V= 500 ml = 0,5 L n= M V olduğuna göre; m=n M A = 0,05 x 58,5 = 2,925 g NaCl'dür = 0,1 x 0,5 = 0,05 mol NaCl 2,925 g NaCl dikkatlice tartılarak 500 ml'lik balon jojeye konulur. Üzerine bir miktar su ilave edilip tuzun iyice çözünmesi sağlanır. Daha sonra su ilavesi ile çözelti 500 ml'ye tamamlanıp etiketlenir. Bir başka çözelti hazırlama örneği olarak da yoğunluğu 1,19 g ml -1 olan %37'lik HCl'den hareketle 2,5 L; 1,0 M HCl çözeltisinin nasıl hazırlanacağını aşamalar hâlinde inceleyelim. M AHCl = ,5 n = M V olduğuna göre; = 36,5 g mol -1 = 1 x 2,5 = 2,5 mol HCl m HCl = n HCl M AHCl m HCl = 2,5 x 36,5 = 91,25 g HCl çözelti %37'lik olduğuna göre; 100 g çözeltide 37 g çözünürse X 91,25 g X= 246,622 g HCl çözeltisidir. Çözeltinin yoğunluğu 1,19 g ml -1 olduğuna göre; 1 ml çözelti 1,19 g ise X 246,62 g X= 207,24 ml çözeltidir. Yoğunluğu 1,19 g ml -1 olan %37'lik HCl çözeltisinden 207,24 ml alınıp su ile hacmi 2,5 litreye tamamlanarak istenen çözelti elde edilmiş olur. Öğrendiğimiz derişim hesaplamalarından yararlanarak değişik derişimlerde çözelti hazırlanmasını aşağıdaki etkinlikte görelim. Etkinlik 5.2 İstenilen Derişimde Çözelti Hazırlanması Etkinliği Uygulayalım Etkinliğin Amacı İstenen derişimde çözelti hazırlama Etkinlik içerisinde tabloda verilen değişik derişimlerdeki çözeltilerin hazırlanabilmesi için almamız gereken madde miktarını hesaplayınız. "Hesaplanan miktar" sütununa na yazınız. Araç ve Gereç 100 ml lik balon joje 100 ml lik dereceli silindir Terazi Spatül 279

280 10. Sınıf Kimya Örnek Numarası Madde Adı Molaritesi (M) Hacmi (ml) Hesaplanan Miktar(g) 1 KIO 3 0, NaHSO 3 0, HCl NaOH 0, Ba(NO 3 ) 2 0, BaCl 2. 2H2 O 0, Na 2 CrO 4 0, K 2 CrO 4 0, Al 2 (SO 4 ) 3 0, AlCl 3 0, Etkinliği Uygulayalım Terazinizin sıfır ayarını yapınız. Hesaplayarak bulduğunuz maddenin miktarını tartarak 100 ml lik balon jojeye koyunuz. 50 ml su koyarak çalkalayınız. Daha sonra su ile 100 ml ye tamamlayınız. Çözeltileri gün ışığından korumak için koyu renkli şişelere koyunuz. Etiketin üzerine derişimini ve formülünü yazarak çözeltinizi ileride kullanmak üzere dolaba kaldırınız. Etkinliği Sonuçlandıralım 1) Madde miktarının hatalı hesaplanması durumunda çözeltinin molaritesi nasıl değişir? Bu durum ne gibi sonuçlara yol açar? 2) Hazırlanan çözelti balon jojede değil de ağzı geniş bir kapta hazırlanmış olsaydı ne olurdu? 3) Hazırlanan çözeltileri güneş ışığında bırakmanın sakıncaları sizce nelerdir? 4) Çözelti hazırlarken katı madde tartımında büyük kristalleri mi yoksa toz hâlindeki kristalleri mi almak daha doğrudur? 5) Katı maddenin tamamının çözünmesine neden dikkat etmeliyiz? Etkinlik 5.2'de değişik derişimlerdeki çözeltilerin hazırlanmasını gördükten sonra şimdi de Etkinlik 5.3'te iki çözeltinin birbirlerini etkilemesini nicel olarak inceleyelim. 280

281 5. Ünite Karışımlar Etkinlik 5.3 İki Çözelti Arasındaki Tepkimenin Nicel İncelenmesi Etkinliğin Amacı Çözeltiler arasındaki tepkimelerde çöken madde miktarını belirleme Etkinliği Uygulayalım 5 ayrı deney tüpünü alınız. Bunları 1'den 5'e kadar numaralayınız. Bir pipet yardımıyla her bir tüpe 4'er ml 0,5 M KI çözeltisi koyunuz. Pipeti iyice yıkayınız. Daha sonra tüplere sırasıyla 0,5; 1; 2; 3; 4 ml Pb(NO 3 ) 2 çözeltisi ilave ediniz. Tüplerin ağzını tıpa ile kapatarak ak iyice çalkalayınız. 5 ayrı süzgeç kâğıdı alınız. Bunları numaralayarak rak boş ağırlıklarını tespit ediniz. Bir numaralı süzgeç kağıdını katlayarak huniye yerleştiriniz. Bir numaralı tüpü iyice çalkalayıp ayıp huniye boşaltınız (Tüpte kalan artıkları saf su ile yıkayarak huniye boşaltınız.). Süzgeç kâğıdındaki çökeleği az miktarda saf su ile yıkayıp uygun şekilde katlayarak çıkarınız. Saat camı üzerinde etüvde 110 o C'ta kurutarak (Etüv yoksa açıkta bırakılarak kurutulur.) çökeleğin kütlesini bulunuz. Öteki 4 tüpteki çökelekleri de numaralanmış süzgeç kâğıtlarıyla süzerek aynı işlemlerin sonunda çökeleklerin kütlelerini bulunuz. 5 ayrı çökeleğin kütlelerini ve bunlara eklediğiniz Pb(NO 3 ) 2 hacimlerini gösteren bir çizelge hazırlayın. No Pb(NO 3 ) 2 (ml) PbI 2 (g) 1 0, Araç ve Gereç 5 adet özdeş küçük deney tüpü Süzgeç kâğıdı Tüplük 2 adet 25 ml'lik balon joje Pipet Lastik tıpa Saat camı Grafik kâğıdı 0,5 M Pb(NO 3 ) 2 0,5 M KI Pb(NO 3 ) 2 hacimlerini x eksenine çökelti kütlelerini y eksenine yerleştirerek grafi k çiziniz. Etkinlikte kullanılacak olan çözeltilerin hazırlanışı 2,08 g KI hassas olarak tartınız. 25 ml'lik balon jojede az miktarda saf su ile çözünüz. Daha sonra saf su ile 25 ml'ye tamamlayınız. 4,14 g Pb(NO 3 ) 2 hassas olarak tartınız. 25 ml'lik balon jojeye aktarınız. Öce az miktarda saf su ile çözünüz. Daha sonra 25 ml'ye tamamlayınız. 281

282 10. Sınıf Kimya Etkinliği Sonuçlandıralım 1) Karşınıza çıkan eğriden ne sonuç çıkarıyorsunuz? 2) Pb(NO 3 ) 2 ve KI çözeltileri arasında PbI 2 ün çökelmesiyle oluşan tepkimenin iyon ve net iyon denklemlerini yazınız. Bu denklemlerden yararlanarak her tüpte çöken PbI 2 miktarını bularak tartım sonucu bulduklarınızla karşılaştırınız. Etkinlik 5.3'ten de anlaşılacağı gibi çözeltiler arasındaki tepkimelerde; birleşme oranları, iyon denklemleri ve net iyon denklemleri dikkate alınarak işlemler yapılır. Bir çözeltinin derişimini artırabilir ya da azaltabiliriz. Şimdi bunu aşağıdaki anlatımla kavramaya çalışalım. Seyreltme Seyreltme, çözücü ilave ederek çözelti derişimini azaltma demektir. Çözelti seyreltilirken çözünenin mol sayısı değişmediği hâlde çözeltinin hacmi artmaktadır. Bir başka deyişle çözünenin belirli mol sayısı daha büyük bir hacme bölünmüştür. Seyreltme işleminde bilinen başlangıç molaritesi kontrollü miktarda su eklenerek istenilen değere düşürülür. Bir çözelti seyreltilirken istenen molaritedeki derişime göre seyreltilerek çözeltiden alınması gereken hacim hesaplanır. Bu hacimdeki çözelti alınır. Sonra yeterli su eklenerek yeni çözelti oluşturulur. Seyreltmeden önceki mol sayısı seyrelttikten sonraki mol sayısına eşit olacağından; n 1 = n 2 olur ve M 1 V 1 = M 2 V 2 bağıntısı elde edilir. 1. 5,0 L hacimli 0,2 M NaOH çözeltisi hazırlamak için 1,0 M NaOH çözeltisinden kaç ml almak gerekir? Çözüm M ilk V ilk = M son V son 1 x V ilk =0,2 x 5 V ilk = 1 L 1 M çözeltiden 1 L alınıp hacmi su ile 5 L'ye tamamlanır. 2. 2,0 L 0,10 M NaOH çözeltisinin derişimini 0,25 M yapmak için kaç ml su buharlaştırmak gerekir? Çözüm Örnek 2,0 L = 2000 ml M ilk V ilk = M son V son 0,10 x 2000 = 0,25 x V son V son = 800 ml = 1200 ml su buharlaştırmak gerekir. 3. 1,2 M 400 ml CaSO 4 çözeltisine 800 ml su ilave edilirse yeni çözeltinin derişimi kaç molar olur? Çözüm M ilk V ilk = M son V son 1,2 x 400 = M x ( ) son M son = 0,4 M 282

283 5. Ünite Karışımlar 4. 0,5 M 300 ml (NH 4 ) 2 SO 4 çözeltisi, 1,5 M 400 ml (NH 4 ) 2 SO 4 çözeltisi ile karıştırılıyor. Son çözeltinin derişiminin 0,75 M olması için kaç ml su eklenmelidir? Çözüm M 1 V 1 + M 2 V 2 = M son V son 0,5 x 0,3 + 1,5 x 0,4 = 0,75 x V son V son = 1 L 1-(0,3+0,4) = 0,3 L 300 ml Öğrendiklerimizi Uygulayalım o C'ta KClO 4 katısının 100 g suda çözünürlüğü 5 g'dır. Aynı sıcaklıkta 200 g suya 25 g KClO 4 katısı ilave edilip çalkalanıyor. Çözünmeden kalan KClO 4 katısı kaç gramdır? Cevap: 15 g o C'ta K 2 SO 4 'ın 800 ml su ile doymuş çözeltisi hazırlanıyor. Çözeltinin yarısı buharlaştırılıp sıcaklık 0 o C'a düşürülürse kaç gram K 2 SO 4 çöker? (Grafi k 5.2.1'e bakınız.) Cevap: 64 g Çözelti derişimleri karşılaştırılırken iletkenlik, yoğunluk, buharlaşma hızı, kaynama ve donma noktasının alçalması, renk gibi özelliklere bakılır. Derişimle madde miktarı arasındaki ilişkiyi daha iyi kavrayabilmek için aşağıdaki etkinliği yapalım. Etkinlik 5.4 Çözelti Derişimlerinin Karşılaştırılması Etkinliğin Amacı Derişim farklılıklarını kavrayabilme Etkinliği Uygulayalım Sınıf 5 gruba ayrılır. Her grubun hazırlayacağı çözeltiler (0,1 M, 0,05M, 0,025 M, 10-2 M, 10-3 M derişimlerinde 250 ml) belirlenir. Çözeltilerin nasıl hazırlanacağı hakkında ortak tartışma açılır. Her grubun tartması gereken CuSO 4. 5H 2 O kütlesi hesaplanır. Tartılan miktar balon jojeye alınarak üzerine biraz saf su konulup çözünmesi sağlanır. Daha sonra 250 ml'ye tamamlanarak etiketlenir. Hazırlanan çözeltilerin renkleri karşılaştırılır. Araç ve Gereç 5 adet balon joje (250 ml) CuSO 4. 5H 2 O Saf su Etiket Etkinliği Sonuçlandıralım 1. Çözeltilerde gözlemlediğiniz farklılıkları arkadaşlarınızla tartışınız. 2. Balon jojelerdeki çözeltilerin derişimlerini çözelti rengi ile karşılaştırarak ilişkiyi sorgulayınız. 283

284 10. Sınıf Kimya Etkinlik 5.4'te bakır sülfat penta hidrat hazırladığınız çözeltilerin renklerine baktığınızda her üç çözeltinin de renginin mavi olduğunu görürsünüz. Yalnız her üçünde de renkler arasındaki ton farkı dikkatinizi çekmiştir. Mavi rengin birinci çözeltiden itibaren daha açık olması, çözünen bakır sülfatın miktarının azalması ile doğru orantılıdır. Çözünme ve Çözünürlük Hızı Çözeltinin meydana gelmesi için çözücü ve çözünenin bir araya gelmesi gerekir. Çözücüyle çözünen karıştırıldığında nasıl bir durumun meydana geldiğini inceleyelim. (a) (b) (c) Şekil Doygun çözeltinin oluşması İlk önce sadece çözünme meydana gelir (kırmızı oklar). Bir süre sonra çökelme olayı başlar (siyah oklar). Çözünme hızı gittikçe azalırken çökelme hızı da gittikçe artar. Bir başka deyişle çözünmüş atom veya moleküller yeniden çözünen maddeyi oluşturmaya başlar. Çözünme hızı ile çökelme hızı eşit hâle geldiğinde çözünenin çözeltideki derişimi sabit kalır. İçinde bir miktar çözünmemiş çözünen madde içeren çözelti doygun çözeltiyi oluşturur. KNO 3 KNO 3 NH 4 Cl Çözünürlük (g çözünen / 100 g H 2 O) NaCl Li 2 SO 4 K 2 SO 4 KClO 4 Sıcaklık ( o C) Grafik Çeşitli katı maddelerin çözünürlüklerinin sıcaklıkla değişimi (Eğrinin geçtiği noktalarda çözelti doygundur.) 284

285 5. Ünite Karışımlar Grafik 5.2.1'de çeşitli sıcaklıklarda maddelerin çözünme miktarlarının genellikle farklı olduğu görülmektedir. Belli bir sıcaklıkta bir çözünenin bir çözücü içinde en çok çözünebildiği derişime çözünürlük denir. Çözünürlüğü çözelti veya çözünme ile karıştırmamak gerekir. Çözünürlük ve çözünme hızı ayrı kavramlardır. Örneğin, günlük hayatta içecek olarak kullandığımız çayı genellikle şeker ile beraber kullanırız. Belli bir sıcaklıkta bir bardak çayda en fazla üç tane özdeş küp şekeri çözüyorsak bu üç şeker miktarı bir bardak çay çözeltisinin derişimidir. Dördüncü şekeri ne kadar karıştırırsak karıştıralım çözemeyiz. Ancak çözeltinin sıcaklığını artırırsak dördüncü şekerin de çözünmesini sağlayabiliriz. O hâlde karıştırma ile çözeltide, çözünenin miktarını değil çözünme hızını artırırız. Fakat sıcaklığı arttırırsak çözeltinin hem çözünürlüğü hem de çözünme hızını arttırabiliriz. Çözünürlük sıcaklıkla değişir. Çözünürlüğün sıcaklığa bağlılığını gösteren eğriye çözünürlük eğrisi denir (Grafi k 5.2.1). Sabit sıcaklıkta doygun bir çözeltiye göre daha az miktarda çözünen içeren çözeltiye doymamış çözelti adı verilir. Belli sıcaklıkta doygun bir çözelti hazırladığımızı daha sonra da sıcaklığı düşürdüğümüzü varsayalım. Bunun sonucunda (çözünen katı madde sıcaklık düşmesinde çözünürlüğü azaldığı için) genellikle çözünenin fazlası çöker. Çözeltide çözünmüş madde miktarı o sıcaklıkta çözünmesi gerekenden fazla olursa bu tür çözeltilere aşırı doygun çözeltiler denir. Aşırı doygun çözeltiler kararsızdır. Çözeltinin içine çözünenin birkaç kristali eklendiğinde eklenen kristaller çekirdek görevi görür. Fazladan çözünmüş kısım çökelmeye başlar. Kimyasal tepkimelerle sentezlenen bileşikler genellikle saf değildir. Çoğu bileşiklerin çözünürlüklerinin sıcaklıkla artması, safl aştırmada büyük faydalar sağlar. Hem bileşiğin hem de safsızlıkların belli bir çözücüde çözünebildiğini ve yüksek sıcaklıkta doygun bir çözelti hazırlandığını düşünelim. Sonra bu çözeltiyi soğumaya bırakalım. Bu çözelti düşük sıcaklıklarda istenen bileşik yönünde doygun hâle gelecektir o C'ta 100 g suda 32 g KNO 3 kullanarak doymuş çözelti hazırlanıyor. Ortamın sıcaklığını 40 o C'a yükselttiğimizde doygunluğun bozulmaması için kaç gram KNO 3 ilave edilmelidir? (KNO 3 'ın 40 o C'ta ki çözünürlüğü 60 g / 100 g sudur.) Çözüm Örnek 20 o C'ta 100 g suda 32 g KNO 3 çözünür. 40 o C'ta 100 g suda 60 g KNO 3 çözünürse; = 28 g KNO 3 ilave edilmelidir o C'ta NH 4 Cl'ün 300 ml su kullanılarak doygun çözeltisi hazırlanıyor. Çözeltinin sıcaklığı 60 o C'a kadar çıkarılıp 30 o C'a kadar düşürülürse kaç gram madde çöker? 285

286 10. Sınıf Kimya Çözüm Gerekli değerleri Grafi k 5.2.1'den alalım. 50 o C'ta 100 g suda 50 g NH 4 Cl çözünürse 300 g 150 g NH 4 Cl çözünür. 30 o C'ta 100 g suda 40 g NH 4 Cl çözünür. 300 g 120 g NH 4 Cl çözünür = 30 g NH 4 Cl çöker ml 5,23 x 10-4 M H 2 SO 4 çözeltisi hazırlamak için 0,152 M H 2 SO 4 çözeltisinden kaç ml almak gerekir? Çözüm 100 ml = 0,1 L M ilk V ilk = M son V son 5,23x10-4 x 0,1 = 0,152 x V son V son = 3,44 ml Biliyor musunuz? Bazı bileşikler birbiri içinde her oranda çözünebilir. Böyle çözeltileri asla doygun hâle getiremeyiz. Etanol-su çözeltileri böyle çözeltilere örnektir. Derişik alkol çözeltisi maksimum %98'lik olabilir. %100'lük etanol elde etmek için çözelti içinde bulunan %2'lik suyu H 2 SO 4 ile çekerek elde edebiliriz. Elde edilen alkol, tıp alanında kullanılır. Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Potasyum kloratın (KClO 3 ) 70 o C'ta çözünürlüğü 30 g/100 g su ve 30 o C'ta çözünürlüğü 10 g/100 g sudur. 70 o C'ta 40 g su ile hazırlanan doymuş potasyum klorat çözeltisi 30 o C'a kadar soğutulursa kaç gram potasyum klorat çöker? Cevap: 8 g o C'ta 30 g tuz 70 g su kullanılarak bir çözelti hazırlanıyor. Tuzun 50 o C'taki çözünürlüğü 37 g/100 g su olduğuna göre kaç gram tuz çözünmeden kalır? Cevap: 4,1 g 286

287 1. Çözeltilerin Derişime Bağlı Özellikleri Buhar Basıncının Düşmesi Donma Noktası Alçalması ve Kaynama Noktası Yükselmesi Ozmos 3. BÖLÜM ÇÖZELTİLERIN DERİŞİME BAĞLI (KOLİGATİF) ÖZELLİKLERİ İçerik Kışın uçakların yüzeyinde oluşabilecek buzlanma uçuşta sorun oluşturduğundan bu buzlanmanın uçuş öncesi giderilmesi gerekir. Sizce bu nasıl yapılır? Kışın yolların buz tutmasını önlemek için alınan önlemler nelerdir? Arabalarda motoru soğutmak için kullanılan radyatörlerdeki su kışın donduğunda radyatörü işlevsiz hâle getirir. Bunun önlenmesi için ne gibi tedbirler alındığını biliyor musunuz? Ağaçların uç kısımlarına kadar suyun ve suda çözünmüş iyonların nasıl iletildiğini hiç düşündünüz mü? Bu bölümde yukarıdaki sorulara ve benzerlerine cevap arayacağız. Kı Kı Kı Kı Kı Kı Kışı şı şı şı şı şın uç uç uç uç uç uç k ak ak ak ak ak ak a la la la la ları rı rın yü yü yü yü y ze ze ze ze zeyi yi yi yi yi y nd nd nd nd nd nde ol ol ol ol ol oluş uş uş uş uş uş uş uş uş uşab ab ab ab ab ab abil il il il il i ec ec ec ec ec ecek ek ek ek ek ek ek buz uz uzla la l nm nm nma uç uç uç uç uç uçuş uş uş uş uşta ta ta ta sor or or or orun un un un un un un un un un olu lu lu lu lu lu l t şt şt şt şt şt şt ştur ur ur ur ur ur urdu du du du duğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğund nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd n an an an an an an an an an an an an a bu bu bu bu bu bu bu bu bu buzl zl zl zl z an an an an an an an anma ma ma ma ma ma ma ma manı nı nı nı n n uç uç uç uç uç uç uç uç uç uç uçuş uş uş uş uş uş uş uş uş önc nc nc nc nc nc nc nc nc nces es es es es es es es es e i gi gi gi gi gi gi gi g de de de de de de de de deri ri ri ri ri ri ri ri ri rilm lm lm lm lm lm lm lm lmes es es es es es es es es es es es es es e i ge ge ge ge ge gere re re re re re re re reki ki ki ki ki ki ki kir. r. r. r. r Siz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz i ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce bu na na na na na na na na na na nası sı sı sı sı sı sı sı sı sı sı sı sı s l ya ya ya ya ya ya ya ya ya yapı pı pı pı pı pı pı pı pı pı pılı lı lı lı lı lı lı l r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? Kış ış ış ış ış ışın ın ın ın ın ın yol ol ol ol olla la la la la l rı rı rı rı rı rı rı rı rı r n bu bu bu bu bu bu bu bu bu bu bu bu bu bu buz tu tu tu tu tu tu tu tu tu tu tu tu tu tu tu tu tu t tm tm tm tm tm tm tm tm tm tm tm tm t as as as as as a ın ın ın ın ın ın ın ın ını ön ön ön ön ön ön ön ön ön önle le le le le le le le le leme me me me me me me me me me mek iç iç iç iç iç iç iç iç iç iç iç iç için in in in in in in in in in in alı lı lı lı lı lı lı lı lına na na na na na na na na na na na na n n ön ön ön ön ön ön ön ön ön ön ön önle le le le le le le le le le leml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml m er er er er er er er er er er er er er nel el el el el el el el el el el eler er er er er er er er er erdi di di di di di di di di di di di dir? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r? r Ara ra ra ra ra ra ra ra ra ra ra ra raba ba ba ba ba ba ba ba ba ba ba ba bala la la la la la la la la la lard rd rd rd rd rd rd rd rd rd rd rd rd rd rd rd rda mo mo mo mo mo mo mo mo mo mo mo mo mo moto to to to to to to to to to toru ru ru ru ru ru ru ru ru ru ru ru ru soğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğ oğut ut ut ut ut ut ut ut ut ut ut ut ut ut ut u ma ma ma ma ma ma ma ma ma ma ma ma ma ma ma ma ma mak iç iç iç iç iç iç iç iç iç iç iç iç iç iç iç için in in in in in in in in in in in in in kul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul u la la la la la la la la la la la la la la la la la lanı nı nı nı nı nı nı nı nı nı nı nı n la la la la la la la la la la la la la la lan ra ra ra ra ra ra ra ra ra ra rady dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dyat at at at at at at at at at at at at at at at at at at at a ör ör ör ör ör ör ör ör ör ör ör ör ö le le le le le lerd rd rd rd rd rd rd rd rd rd rd rd r ek ek ek ek ek ek ek ek eki su su su su su su su su su su su su su su su su su su su kış ış ış ış ış ış ış ış ış ış ış ış ış ışın ın ın ın ın ın ın ın ın don on on on on on on on on on on on on on on on on o du du du du du du du du du du du du du du du du duğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğu ğ nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nda ra ra ra ra ra ra ra ra ra ra ra ra ra ra rady dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dy dyat at at at at at at at at at at at a ör ör ör ör ör ör ör ör ör ör ör ör ör ör örü iş iş iş iş iş iş iş iş iş iş iş iş iş işle le le le le le le le le le le le levs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vs vsiz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz iz i hâl âl âl âl âl âl âl âl âl âl âl âl âl âl â e ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge ge g ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti tiri ri ri ri ri ri ri ri ri ri ri ri ri ri ri r r. r. r. r. r. r. r. r. r. r. r. r. Bun un un un un un un un un un un un un un un un un u un un un un un un un un un un un un un un un un un un u önl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nlen en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en enme me me me me me me me me me me me me me me me me me me me mesi si si si si si si si si si si si si si si si si si s içi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi çi ç n ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne gib ib ib ib ib ib ib ib ib ib ib ib ib ib ib ib ib ibi te te te te te te te te te te te tedb db db db db db db db db db db db db db db db db db db db dbir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir ir irle le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le le ler al al al al al al al al al al al al al al a ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ı dı dı dı dı dı dı dı dı dı dı d ğı ğı ğı ğı ğı ğı ğı ğı ğı ğı ğı ğı ğ nı nı nı nı nı nı nı nı nı bi bi bi bi bi bi bi bi bi bi bi bi bi bi bi bi bi bi bili li li li li li li li li li li li li li li l yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo y r mu mu mu mu mu mu mu mu mu mu mu mu mu mu mu mu mu mu musu su su su su su su su su su su su su su su su sunu nu nu nu nu nu nu nu nu nu nu nu nu nu nu nuz? z? z? z? z? z? z? z? z? z? z? z? z? z? z? z? z? z Ağa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğa ğ çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çl çlar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar a ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın uç kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kı kısı sı sı sı sı sı sı sı sı sı sı sı sı sı s ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml ml m ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar arın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ına ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka k da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da d r su su su su su su su su su su su su su su su su su su su su su su su su su s yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu y n ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve sud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud ud uda çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö çö ç zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü zü z nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nm nmüş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş üş iyo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo yo y nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nl nlar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar arın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın ın nas as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as as asıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ıl ı ile le le le le le le le le le le le le le le le le le le leti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti ti tild ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ld ldiğ iğ iğ iğ iğ iğ iğ iğ iğ iğ iğin in in in ini hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi hi h ç dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü dü düşü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü şü ş nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd nd ndün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ün ünüz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz üz mü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? ü? Bu bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bö bölü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lü lümd md md md md md md md md md md md md md md md md md md md md md md md md md md md md md m e yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu yu y ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka ka k rı rı rı rı rı rı rı rı rı rı rı rı rı rı rı rı rı rı rı rıda da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da da daki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki ki k sor or or or or or or or or or or or or or or or or or or or or or or or or or or or or orul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul ul u ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ara ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ve ben en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en en enze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze ze z rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rl rler er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er er erin in in in in in in in in in in in in in in in in in in in in in in in in in in in ine ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ce ceva va va va va va va va va va va va va va va va va va va va va va va va va va va va va vap ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar ar a ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ay ayac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac ac acağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağ ağız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ız ı.

288 10. Sınıf Kimya Çözeltilerin Derişime Bağlı Özellikleri Bal ve pekmez aylarca kurumadan kâsede durabildiği hâlde bardaktaki suyun birkaç günde buharlaşıp kuruması nasıl açıklanabilir? Çözünen taneciklerinin kimyasal özelliklerine değil, sayılarına (derişimlerine) bağlı olan özelliklere koligatif özellikler adı verilir. Burada ele alacağımız koligatif özellikler çözücünün buhar basıncının düşmesi, kaynama sıcaklığının yükselmesi, donma sıcaklığının alçalması ve bir zardan (membran) farklı derişimdeki çözelti içine geçme eğilimidir. Buhar Basıncının Düşmesi Uzun zamandan beri tuzlu su göllerinin tatlı su göllerine göre daha yavaş buharlaştığı bilinmektedir. Örneğin, Akşehir Gölü günümüzde kuruduğu hâlde aynı koşullarda Tuz Gölü, suyu azalmasına rağmen, hâlen varlığını sürdürmektedir. Tuzlu göllerde, buharlaşma hızı daha düşüktür. Tuz gibi suda çözünen bir maddenin çözelti içindeki miktarı arttıkça suyun (çözücünün) buharlaşması ve buhar basıncı nasıl değişir? Etkinlik 5.5 Değişik çözeltiler arasındaki buharlaşma farklılığını görme ve açıklama Etkinliği Uygulayalım Hangimizin Buharlaşma Hızı Daha Fazladır? Etkinliğin Amacı Etiketlere 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E, yazıp beherglaslara yapıştırınız. Balon jojeye 100 ml su koyup üzerine 60 g CuSO. 5H2 4 O bileşiğini (toz hâlde) ekleyip çalkalayınız. 500 ml olana dek su ilave ediniz. 0,5 M CuSO. 5H2 4 O etiketini yapıştırınız. Tabloya bakarak beherglaslara gerekli olan çözeltiyi ve suyu ilave ediniz. Renk, hacim, kimyasal madde derişimi açısından eşit iki grup oluşturunuz. Araç ve Gereç 60g CuSO. 5H2 4 O 12 adet 200 ml lik beherglas 5 adet streç fi lm 15 adet etiket 10 ve 25 ml lik dereceli silindir 500 ml lik balon joje Terazi İkinci gruptakilerin ağzını streç fi lm ile kaplayınız. Her iki grubu aynı yerde 10 gün süreyle bekletiniz. 1. Grup 2. Grup Beherglas 1A 1B 1C 1D 1E 2A 2B 2C 2D 2E CuSO 4. 5H2 O Çözeltisi (ml) , ,5 0 Su (ml) , ,

289 5. Ünite Karışımlar Etkinliği Sonuçlandıralım 1) 1 ve 2. gruptaki kaplarda renk, hacim ve madde derişimi açısından ne gibi değişimler gözlemlediniz? 2) 1. grupta yer alan 1E ile 1A, 1B, 1C ve 1D kaplarında hacim değişimi nasıl gerçekleşmiştir? Nedenlerini açıklayınız. 3) 1 ve 2. grupta bulduğunuz hacim değerlerini bir grafi ğe yerleştirerek buharlaşma hızlarını karşılaştırınız. Kaynayan suya tuz atıldığında kaynamanın durduğuna hepiniz tanık olmuşsunuzdur. Kaynama sıcaklığı sıvıların buhar basıncına bağlı olduğuna göre tuz suyun buhar basıncını etkilemiştir. Çözeltilerin buhar basınçları saf sıvıların buhar basıncından farklıdır. Tuz, suyun buhar basıncını etkileyerek kaynama sıcaklığını yükseltmiş, buhar basıncını düşürmüştür. Çünkü çözeltideki tuz tanecikleri yüzeydeki çözücü taneciklerinin sayısını azaltır (Şekil 5.3.1). Bu durum suyun daha az buharlaşmasına neden olur. Kaynayan suya tuz yerine şeker atılsaydı buhar basıncı yine aynı oranda mı düşerdi? Çözünen derişimi ile çözeltinin buhar basıncı arasındaki ilişki Fransız kimyacı F.M. Raoult tarafından bulunmuştur. Buna göre uçucu bileşeni bulunmayan bir çözeltideki buhar basıncı düşmesi çözeltideki çözünenin mol kesriyle orantılıdır. Bu durumu toplam basıncın kısmi basınçların toplamına eşit olduğu ideal gaz karışımlarındaki duruma benzetebiliriz. Su çözücü tuz çözünen olduğuna göre tuzlu suyun buhar basıncını suyun mol kesri belirler. Herhangi bir çözeltinin buhar basıncı (P T ), çözeltiyi oluşturan bileşenlerin buhar basınçlarının (P A, P B,...) toplamına eşittir. P T = P A + P B +... (a) (b) Şekil (a) Saf olan çözücüde (b) çözeltideki buharlaşma miktarının karşılaştırılması Çözücüsü A, çözüneni B olan iki bileşenli bir ideal çözeltide, P A çözücünün kısmi buhar basıncı, P B çözünenin kısmi buhar basıncıdır. Çözücünün kısmi buhar basıncını hesaplamak için saf çözücünün belirli bir sıcaklıktaki buhar basıncı (P 0 ) ile çözeltideki mol kesri çarpılır. A P A = P 0 A X A O hâlde, çözünenin kısmi buhar basıncı için ise P B = P 0 B X B olur. P T = P 0 X + A A P0 X B B Suyun buhar basıncının suya etandiol eklenmesiyle düşmesini aşağıdaki örnekle görelim. Örnek Kütlece %70 etandiol içeren sulu çözeltinin 53 o C sıcaklıktaki buhar basıncını hesaplayarak saf suyun buhar basıncıyla karşılaştırınız. Bu sıcaklıkta P 0 = 107,2 mm Hg, P 0 = 1 mm Hg'dır. su etandiol Çözüm m 30 m 70 n su = = = 1,6 mol n M 18 etandiol = = = 1,13 mol A M 62 A 1,6 1,6 X su = = = 0,586 1,6 + 1,13 2,73 1,13 1,13 X etandiol = = = 0,414 1,6 + 1,13 2,73 289

290 10. Sınıf Kimya P su = P 0 X su su P etandiol = P 0 etandiol P su = 107,2. 0,586 P etandiol = 1. 0,41 X etandiol P su = 62,82 mm Hg P etandiol = 0,41 mm Hg P T = 62,82 + 0,41 P T = 63,23 mm Hg Görüldüğü gibi saf suyun buhar basıncı 53 o C'ta 107,2 mm Hg iken kütlece %70 etandiol ile karıştırıldığında karışımın buhar basıncı 63,23 mm Hg olmaktadır. Çözücünün buhar basıncının düşmesinin yol açtığı diğer olaylar donma sıcaklığı alçalması ve kaynama sıcaklığı yükselmesidir. Donma Noktası Alçalması ve Kaynama Noktası Yükselmesi Kışın yollarda buzlanmayı önlemek için neden tuz kullanıldığını hiç düşündünüz mü? Tuz nasıl bir etki ile donmayı zorlaştırmaktadır? Aynı şekilde arabaların radyatör sularında kullanılan antifi riz nasıl bir etki oluşturarak donmayı geciktirmektedir? Kutuplardaki sıcaklıkları tespit etmekte cıvalı termometre kullanılabilir mi? Neden? Saf sıvıların, sabit basınçta belli bir donma sıcaklıkları olmasına rağmen çözeltilerin belli bir donma sıcaklıkları yoktur. Çözeltiler saf çözücülerden daha düşük sıcaklıklarda donar. Donma, düzensiz bir durumdan düzenli bir duruma geçişi içermektedir ve bu geçişte donmanın olduğu sistemden enerji dışarıya verilir. Çözelti, çözücüden daha düzensiz olduğundan düzenli hâle gelmesi için saf çözücüye oranla daha fazla enerjinin uzaklaştırılması gerekir. Bu yüzden çözelti, çözücüden daha düşük bir donma noktasına sahiptir. Bir çözeltinin donması sırasında sıcaklık, doymuş çözelti oluşuncaya kadar sürekli düşer (Grafi k 5.3.1). Sıcaklık ( o C) Çözücü (su) Doymamış çözelti Doymuş çözelti Zaman Grafik Saf bir çözücü ile bir çözeltinin soğuması ve donmasına ait sıcaklık-zaman grafiği Soğuk havalarda kara yollarında buzlanmaya karşı tuz kullanılmasının sebebi de yukarıda açıklandığı gibi tuzun suda çözünerek çözelti oluşturup donma noktasını düşürmesidir. Kullanılan tuz miktarı suyun donma noktasının ne kadar düşeceğini belirler. Resim Donmayı önlemek için yapılan tuzlama çalışması Kışın göl ve nehirlerin donduğuna tanık olduğunuz hâlde deniz suyunun donmadığını görmüşsünüzdür. Kutuplarda ise deniz suyu da donar. Deniz suyunun donmaması veya daha geç donmasının sebebi içinde çözünmüş olan madde miktarının çok oluşudur. 290

291 5. Ünite Karışımlar Açık bir kapta ısıtılan suyun buhar basıncı gittikçe artar. Bu artış, buhar basıncı dış basınca eşit oluncaya kadar sürer. Buhar basıncı dış basınca eşit olunca su kaynamaya başlar. Buna göre bir sıvının kaynama noktası, sıvının denge buhar basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklıktır. Diğer bir deyişle gaz hâlindeki moleküllerin sıvı üzerine yaptığı basınçtır. Buhar basıncı (mm Hg) Kaynama noktaları Su Çözelti Sıcaklık ( o C) Grafik Su ve çözeltinin buhar basınçlarının sıcaklıkla değişimi Saf suyun ve çözeltinin buhar basınçlarının sıcaklıkla değişim eğrileri Grafik 5.3.2'de verilmiştir. Grafi ğe göre 100 o C'ta suyun buhar basıncı çözeltinin buhar basıncından daha yüksektir. Dolayısıyla çözeltinin kaynama noktasının suyun kaynama noktasından daha yüksek olduğu görülür. Grafik incelendiğinde çözeltinin kaynama noktasının saf suyun kaynama noktasından daha yüksek olduğu görülmektedir. Bunu yaptığımız Etkinlik 5.5 ile şöyle açıklayabiliriz: Kaynama saf suyun veya çözeltinin buhar basıncı atmosfer basıncına eşit olduğunda gerçekleşir. Kaynama esnasında suyu veya çözeltiyi oluşturan çözücü taneciklerinin tamamı buharlaşmaya çalışır. Uçucu olmayan bir katının çözündüğü bir çözeltide (örneğin, su içinde tuz çözünürse) çözücü tamamen buharlaşmaya çalışırken taneciklerinin buhar fazına geçişi çözünen tanecikleri tarafından engellenir. Çözeltideki çözücü taneciklerinin buhar fazına geçişi, saf çözücüye göre daha fazla enerji gerektirir. Dolayısıyla çözeltilerin kaynama noktası daha yüksek sıcaklıkta gerçekleşir. Sıcaklık ( o C) Doymuş çözelti Doymamış çözelti Çözücü (su) Zaman Grafik Bir saf çözücü ile bir çözeltinin ısınmasına ve kaynamasına ait sıcaklık-zaman grafi ği 291

292 10. Sınıf Kimya I. CH 3 OH (s) + H 2 O CH 3 OH (suda) II. CH 3 CH 2 OH (s) +H 2 O III. NaCl (k) + H 2 O CH 3 CH 2 OH (suda) Na + (suda) + Cl- (suda) Koligatif özelliklerin karşılaştırılması I = II = III 2 Saf bir sıvının belli bir basınçta kaynama noktası sabittir (Kaynama süresince değişmez). Çözeltilerin belirli sabit bir kaynama noktaları yoktur. Kaynama noktaları saf çözücününkinden daha yüksektir ve kaynama sırasında sürekli artar. Bu artış doymuş çözelti oluncaya kadar devam eder. Sıcaklığın sabit kalması sonucunda tuzun çökmeye başlaması doymuş çözeltinin oluştuğunu gösterir. Koligatif özellikler, çözünenin cinsine bağlı olmayıp yalnızca çözeltide bulunan taneciklerin derişimine bağlıdır ve taneciklerin molekül, anyon veya katyon oluşlarından bağımsızdır. Örneğin 1m (molal) metanol çözeltisi ile 1m etanol çözeltisinin çözücü aynı olmak koşulu ile kaynama noktası yükselmeleri ile donma noktası düşmeleri (buhar basıncı düşmesinin yol açtığı olaylar) aynı olduğu hâlde, 1m NaCl çözeltisinde NaCl Na + ve Cl - iyonlarına ayrılarak, tanecik sayısı iki katına çıkar, dolayısıyla koligatif özellikleri diğerlerinin iki katıdır. Koligatif özelliklerin büyüklüğünü tahmin etmek için çözünen ve çözücü moleküllerinin bağıl sayılarını gösteren bir birime ihtiyacımız vardır. Burada kullanacağımız birimler mol kesri ve molalitedir. Donma noktasındaki azalma ve kaynama noktasındaki artışın büyüklüğü çözünenin mol kesrine (buhar basıncı düşmesindeki gibi) bağlıdır. Seyreltik çözeltilerde çözünenin mol kesri molalite ile orantılı olduğundan aşağıdaki eşitliklere göre hesaplama yapılır. Donma sıcaklığı alçalması ölçülerek mol kütlesi belirlenmesi yöntemine kriyoskopi, kaynama sıcaklığı yükselmesi ölçülerek mol kütlesi belirlenmesi yöntemine ise ebülyoskopi denir. T d = - K d m T d : Donma noktası alçalma miktarı T çözeltinin, T d saf çözücünün donma noktası olmak üzere, donma sıcaklığı alçalması T d =T-T d 'dir. Benzer şekilde T k saf çözücünün kaynama sıcaklığı olmak üzere kaynama sıcaklığı yükselmesi T k =T-T k 'dır. Bu nedenle T d = -K d m eşitliği negatiftir. T k = K k m K d : Su için donma noktası alçalma sabiti (1,86 o C m -1 ) m : molalite T k : Kaynama noktası yükselme miktarı K k : Su için kaynama noktası yükselme sabiti (0,52 o C m -1 ) Tablo Suyun 0 o C sıcaklıkta donduğu ve 100 o C'ta kaynadığı ortamda bazı maddelerin sulu çözeltilerinin donma noktaları Çözelti Derişimi Donma Noktası ( o C) Kaynama Noktası ( o C) 1 m C 6 H 12 O 6-1,86 100,52 1 m NaNO 3-3,72 101,04 1 m Ca(NO 3 ) 2-5,58 101,54 1 m Al(NO 3 ) 3-7,44 102,08 0,25 m Al(NO 3 ) 3-1,86 100,52 292

293 5. Ünite Karışımlar Örnek Etilen glikol (C 2 H 6 O 2 ), yaygın olarak kullanılan, donma noktasını düşüren (antifi riz) bir maddedir. Bu maddenin suda çözünürlüğü ve uçuculuğu oldukça azdır (kn.197 o C). 90 g (5 mol) su, 124 g (2 mol) etilen glikol ile karıştırıldığında çözeltinin donma noktasını hesaplayınız. Yazın arabanızın radyatöründe bu madde kalabilir mi? (Etilen glikolün mol kütlesi 62,07 g'dır.) Çözüm Çözeltinin molalitesini hesaplamak için etilen glikolün mol sayısını ve çözücünün kilogram cinsinden kütlesini bilmemiz gerekir. Etilen glikolün mol sayısını ve çözücünün kütlesini (0,09 kg) kullanarak molaliteyi aşağıdaki gibi hesaplarız. 1 mol etilen glikol 124 g etilen glikol x ~ 2 mol etilen glikol 62,07 g etilen glikol H H C OH CH OH H 1,2-Etandiol (Etilen glikol) Molalite = Çözünenin molü 2 mol = Çözücünün kütlesi 0,09 kg = 22,22 mol kg -1 T d = - K d m = - (1,86 o C m -1 ) x (22,22 m) ~ - 41,33 o C = 22,22 m Saf su 0 o C'ta donduğuna göre çözelti -41,33 o C'ta donacaktır. Kaynama noktası yükselmesini de aynı yolla aşağıdaki gibi hesaplarız. T k = K k m = (0,52 o C m -1 ) x (22,22 m) ~ 11,55 o C Çözelti (100+11,55) o C ta kaynayacağından yazın da araba radyatörüne antifiriz konması tercih edilir. Yukarıdaki örnekte suyun donma derecesi 0 o C iken; etilen glikonun katılması ile -41,33 o C'a düşmüştür. Bunun nedeni su gibi saf olan maddeler içerisine başka bir maddenin katılması ile oluşturulan karışımın donma noktasının saf maddeye göre karıştırılan madde tarafından düşürülmesidir. Öğrendiklerimizi Uygulayalım Tablo 5.3.1'de verilen donma noktası değerlerini karşılaştırarak aşağıdaki çözeltilerin donma noktası değerlerini o C cinsinden tespit ediniz. a. 1 m Al 2 (SO 4 ) 3 b. 1 m KNO 3 c. 1 m H 3 PO 4 ç. 1 m H 2 SO 4 Cevap: a:-9,3 b:-3,72 c:-7,44 ç:-5,58 293

294 10. Sınıf Kimya Örnek Araçların radyatör peteklerinde soğutma amaçlı olarak radyatör suyu kullanılır. Kışın bu suyun donmasını önlemek için içerisine etilen glikol gibi maddeler eklenir. Bu şekilde hazırlanan bir karışımda 100,0 g etilen glikol (C 2 H 6 O 2 ) ile 100,0 g su karıştırıldığına göre bu karışımın donma noktasını bulunuz (Etilen glikolün mol kütlesini 62,1 alınız.). Çözüm Etilen glikolün mol sayısı, 1 mol C 2 H 6 O 2 100,0 g C 2 H 6 O 2 x 1,61 mol C 2 H 6 O 2 olur. 62,1 g C 2 H 6 O 2 Etilen glikolün 100 g (0,100 kg ) su içindeki molalitesi, Molalite = 1,61 mol 0,100 kg = 16,1 m T d = - (1,86 o C m -1 )x(16,1 m) - 29,9 o C'tur. Donma noktasındaki azalma miktarı 29,9 olduğuna göre suyun donma noktası 1 atm basınçta 0 o C'tur. O hâlde bu karışımın donma noktası -29,9 o C olacaktır. Kaynama noktasının yükselmesi için çözünenin uçucu olmaması gerekirken donma noktası alçalmasına ait böyle bir sınırlama yoktur. Kaynama noktası barometre basıncına bağlı olduğundan, sabit basınçta hassas ölçümler yapılmalıdır. Bu sebeple kaynama noktası yükselmesi mol kütlesinin hesaplanmasında pek kullanılmaz. Onun yerine donma noktası alçalması tercih edilir. Örnek OH H CH 2 OH H OH O H H OH g glikoz 500 g suda çözüldüğü zaman çözeltinin donma noktası -0,93 o C olmaktadır. Buna göre glikozun mol kütlesi kaçtır? Çözüm 1000 g suda 1 mol tanecik bulunduğunda suyun donma noktası 1,86 o C düşer. Suyun donma noktası 0,93 o C düştüğüne göre 1000 g suda 0,93 / 1,86 = 0,50 mol tanecik vardır. O hâlde 500 g suda 0,25 mol tanecik bulunur. H OH 0,25 mol glikoz 45 g Glikoz 1 mol x x= 180 g M A = 180 g mol -1 olur ,45 o C'ta donan nikotinin sulu çözeltisinde 48,92 g suda 1,921 g nikotin çözünmüştür. Buna göre nikotinin mol kütlesi nedir? 294

295 5. Ünite Karışımlar Çözüm: T d = - K d m m= T d / - K d = - 0,45 o C / - 1,86o C m -1 = 0,242 molal 0,04892 kg suda 1,921 g nikotin çözünürse 1 kg x x= 39,27 g M A = 39,27 / 0,242 = 162 g mol -1 olur. Öğrendiklerimizi Uygulayalım 1. Bir sulu çözelti glisin (NH 2 CH 2 COOH) amino asidini içermektedir. Asidin iyonlaşmadığını kabul ederek, çözelti -1,1 o C ta donuyorsa çözeltinin molalitesi nedir? Cevap: 0,59 m 2. Sakız ağacından özütlenen organik bir katının element analizi, %40,0 C, %6,7 H ve %53,3 O içerdiğini göstermektedir. 2,78 g difenil çözücüsü içinde bu katının 0,650 gramının çözünmesiyle oluşan çözeltisi 15,6 o C luk bir donma noktası alçalmasına neden olmaktadır. Katının mol kütlesi ve molekül formülünü hesaplayınız. (Difenil için K d = 8,00 o C m -1 dir.) Cevap: 120 g mol -1 ; C 4 H 8 O 4 O H 2 N C CH 2 OH Glisin veya glikokol (Gly) Elektrolitlerin seyreltik çözeltilerinin donma noktası aynı derişimdeki elektrolit olmayan ideal çözeltilere (Oluşumu sırasında ısı alış verişi ve hacim değişmesi göstermeyen karışımlara ideal çözelti denir.) göre daha fazla düşmektedir. Örneğin; AgNO 3, K 2 SO 4 ve AlCl 3 elektrolitlerin, elektrolit olmayan bir maddenin aynı derişimdeki çözeltisine göre donma noktasını sırayla iki, üç ve dört kat azalttığı deneysel olarak tespit edilmiştir. Böylece donma noktasının farklı oluşu iyon sayısına bağlı olarak değişmiş olur. Teorik olarak donma noktası ve kaynama noktası üzerine olan net etki, çözeltinin yapısına bağlı olmaksızın çözeltideki uçucu olmayan taneciklerin yalnızca sayısına bağlıdır. Zayıf elektrolitlerin çözeltileri için koligatif özelliklerin değerleri, iyonlaşmanın tam olmaması sebebiyle aynı derişimde elektrolit olmayan çözeltilerin koligatif özellik değerlerinin tam katları değildir. İdeal Çözelti: Eğer moleküller arası çekim kuvvetleri yaklaşık aynı ise moleküller gelişigüzel karışır. Bunun sonucu homojen karışım oluşur. Bu tip çözeltilerin özellikleri genellikle saf bileşenlerin özelliklerine bakılarak belirlenebilir. Böyle çözeltiler ideal çözelti olarak adlandırılır. Okuma Metni Tek Kademeli Damıtma (Basit Damıtma) Herhangi bir çözeltinin buhar basıncı, çözeltiyi oluşturan bileşenlerin buhar basınçları toplamına eşittir. Uçuculuk farkına dayanılarak art arda işlemlerle karışımdaki bileşenlerin birbirinden ayrılma sürecine damıtma (destilasyon) adı verilir. Sabit basınç altında yapılan damıtma işleminde çeşitli bileşimdeki karışımların kaynama sıcaklıkları 295

296 10. Sınıf Kimya farkından yararlanılarak, sıvı faz ile dengede bulunan buhar fazının bileşimi tespit edilebilir. Buhar basıncı ile kaynama sıcaklığı arasında ters orantı vardır. Damıtma; buharın, yoğuşturulması sonucu elde edilmesidir. Sıvının buhar fazında uçucu olan bileşeni daha fazladır. İşlemler birbiri arkasınca tekrar edilirse bileşenler birbirinden ayrılabilir. Kaynama devam ettiği sürece damıtma balonundaki sıvı zamanla uçucu olmayan (yani yüksek sıcaklıkta kaynayan) bileşence zenginleşir. Dolayısıyla kaynama sıcaklığı giderek yükselecektir. Uçucu bileşen buhar fazına daha fazla geçecek böylece yoğuşma sonucunda elde edilen sıvıda (destilat) daha fazla bulunacaktır. Resim Damıtma düzeneği Sanayide karışımları basit bir damıtma aygıtı ile birbirinden ayırmak mümkün değildir. Karışımlar ancak ayrımsal (fraksiyonlu) damıtma kolonları kullanılarak birbirinden ayrılabilir. Yazarlar tarafından bu kitap için düzenlenmiştir. Araştırma Kandaki ozmotik olayları araştırarak bulduğunuz sonuçları arkadaşlarınızla paylaşınız. Derişim köşeli parantez ile gösterilir. Örneğin [A], A çözeltisinin derişimini ifade eder. Ozmos Yemek yedikten bir süre sonra neden su içme ihtiyacı hissederiz? Özellikle tuzlu yiyecekler yedikten sonra su ihtiyacımız daha da artar. Bu olayı nasıl açıklayabiliriz? Bu sorulara bulduğumuz cevaplar bizi benzer şekillerde gerçekleşen ozmos olayının açıklamasına götürecektir. Suyun yarı geçirgen zar aracılığıyla derişimin düşük olduğu ortamdan derişimin yüksek olduğu ortama doğru geçişine ozmos dendiğini 9.sınıf Biyoloji dersinde (1.Ünite: Hücre, Organizma ve Metabolizma ) gördünüz. Yaşamın temeli olan hücreye, madde girişlerinin bir kısmı ozmos sayesinde olur. Ozmosta suda çözünmüş maddelerin çok olduğu kısım, suda çözünmüş maddelerin az olduğu kısma bir emme kuvveti uygular. Bu emme kuvveti ozmotik basınç olarak tanımlanır. Tabiatta, bitkilerin topraktan su emmesi de bu şekilde gerçekleşir. membran (geçirgen zar) Şekil Ozmos (suyun az yoğun ortamdan çok yoğun ortama geçişi) Şekil 5.3.2'de gösterilen kap ince bir selüloz asetat (zar) tabakası ile iki bölüme ayrılmıştır. Bölümlerden soldakine saf su, sağdakine ise çözelti birbiriyle eşit seviyede olacak şekilde doldurulmuştur. Bir süre sonra çözeltinin seviyesi sol bölümdeki suyun selüloz asetat tabakasından çözeltiye geçmesiyle yükselmeye başlar. Madde geçişinin dengeye ulaştığı durumda yükselen su sütununun basıncı, kaba girecek su moleküllerinin zardan geçememesine neden olur. Moleküllerin 296

297 5. Ünite Karışımlar çözeltinin olduğu bölüme geçiş hızı, çözeltinin olduğu bölümü terk etme hızına eşittir. Selüloz asetat zar yarı geçirgendir yani sadece belli tür moleküller ya da iyonlar buradan geçebilir. Selüloz asetat, çözücü (su) moleküllerin geçişini engellemez. Ozmotik basınç ne kadar büyükse yoğun ortama akışı durdurmak için gerekli olan çözeltinin yüksekliği de o kadar büyüktür. Sulu çözelti ya da su dolu bir kolonun, kabın çeperlerine uygulayacağı basınca hidrostatik basınç denir. Ozmos, hayatın devam etmesinde önemli bir rol oynar. Biyolojik hücre zarları, küçük moleküllerin ve hidratlaşmış iyonların geçmesine izin veren yarı geçirgen zardır. Bu zar, hücre içinde sentezlenen enzimlerin ve proteinlerin geçişini engeller. Hücre içindeki ve dışındaki çözünen maddelerin derişim farkı ozmotik basıncın meydana gelmesine neden olur. Hücrenin içindeki çözelti dış ortama göre daha derişik olduğundan su bu ortama geçer. [A]<[B] ise hücre dışına ozmos olup hücre büzülür. B, A dan hipertoniktir denir. Hücrenin bu büzülmesine plazmoliz denir. [A]>[B] ise hücre içine ozmos olup hücre şişer. Böyle bir çözeltiye hipotonik denir. [A]=[B] ise izotonik adı verilir. Bu durumda ozmos olayı hakkında hangi yorumu yapabiliriz? A Hücre İçi B Hücre Dışı [A]<[B] Okuma Metni [A]>[B] Hücre Zarı Şekil Hücre zarı ve zardan geçişler Ozmos ile Tuz Giderme Bilim insanları yüzyıllardan beri, artan su ihtiyacını karşılamak için deniz suyunu tuzdan arındırmanın yollarını araştırdılar. Okyanuslar, son derece karmaşık bileşimdeki su çözeltileridir. Okyanuslarda %3,5 (kütlece) oranında çözünmüş bileşik içeren yaklaşık 1,5x10 21 L deniz suyu vardır. Bir sonraki sayfada görülen tabloda, okyanuslarda çözünmüş hâlde bulunan bileşiklerin %99'dan daha fazlasını oluşturan yedi iyonun konsantrasyonları listelenmiştir. 20.yy'da tuz giderme işlemi oldukça basit bir işlem gibi görünebilir. Ancak bu işin maliyeti oldukça yüksektir. Tuz gidermek için damıtma işlemi eskiden beri kullanılagelen bir yöntemdir. Damıtmanın yanında son yıllarda dondurma yöntemiyle de tuz giderme çalışmaları yapılmaktadır. 297

298 10. Sınıf Kimya Deniz suyunun bileşimi İyonlar Derişim (g kg -1 ) Klorür (Cl - ) 19,35 Sodyum (Na + ) 10,76 Sülfat (SO 2-4 ) 2,71 Magnezyum (Mg 2+ ) 1,29 Kalsiyum (Ca 2+ ) 0,41 Potasyum (K + ) 0,39 Bikarbonat (HCO - 3 ) 0,14 Ters Ozmos Tuzdan arındırılmış su Tuzlu su Faz değişimlerini kapsayan damıtma ve dondurma işlemlerinin her ikisi de oldukça yüksek bir enerjiye gerek duyar. Oysaki ters ozmos ile tuz gidermede bir faz değişimi yoktur ve bu yöntem daha ekonomiktir. Ters ozmosda suyun yarı geçirgen bir membran yardımıyla daha yoğun bir ortamdan daha az yoğun olan bir ortama geçişi için yüksek basınç kullanılır. Deniz suyunun ozmotik basıncı 30 atm'dir. Bu değer yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi tuz çözeltisinin sol bölümden sağ bölüme doğru akışını durdurmak için uygulanması gereken basınçtır. Tuz çözeltisi üzerindeki basınç 30 atm'in üzerine çıkarılacak olursa ozmotik akış tersine döner ve tuzlu su zardan geçerek sol bölüme transfer olur. Ters ozmos ile tuz giderme, tuzlu suyun destilasyonuna oranla daha ucuzdur. Bu yöntemin kullanılamamasının başlıca sebebi, suyu geçiren; ancak diğer çözünmüş maddeleri geçirmeyen, büyük ölçekli ve uzun süre yüksek basınç altında çalışmaya dayanabilecek bir zarın geliştirilememesidir. Bu problem çözüldüğünde ters osmoz başlıca tuz giderme tekniği olarak karşımıza çıkacaktır. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir. 298

299 4. BÖLÜM İçerik 1. Heterojen Karışımlar 2. Koloitler Homojenizasyon HETEROJEN KARIŞIMLAR Birinci ve ikinci bölümde çözeltileri ve derişim çeşitlerini tanımaya çalıştık. Çözelti için homojen karışım tanımlamasını kullandığımıza göre çevremizde homojen olarak gördüğümüz karışımların hepsi acaba çözelti midir? Günlük yaşamda severek tükettiğimiz fındık ezmesi, çikolatalı krema ve kullandığımız merhem gibi karışımlar çözelti mi yoksa çözeltiye benzer özellikteki maddeler midir? Çocukların büyümesinde önemli bir rol üstlenen sütün homojenize edilmesinin sebebi nedir? Yukarıdaki soruların cevaplarını bu bölümde göreceğiz.

300 10. Sınıf Kimya Heterojen Karışımlar Resim Zeytinyağı ile su karışımı Resim Ayran Resim Kum ile su karışımı Yukarıdaki heterojen karışımları oluşturan maddeleri fi ziksel hâllerine göre nasıl sınıfl andırabiliriz? Sizce hangi madde diğer maddenin içine karışmıştır? Bu konuda heterojen karışımların, karışımı oluşturan maddelerin özelliklerine göre nasıl sınıfl andırılacağını; homojen, heterojen karışımlar arasındaki benzerlik ve farklılıkları anlamaya çalışacağız. Bunun için aşağıdaki etkinliği yapalım. Etkinlik 5.6 Homojen miyiz? Heterojen miyiz? Resim Metal para ve sütün büyüteçle görünümü Etkinliği Uygulayalım Etkinliğin Amacı Homojen ve heterojen karışımları mikroskop altında gözlemleme ile aralarındaki benzerlik ve farklılıkları ayırt etme Metal para, yemek tuzu çözeltisi, süt, ayran ve kaya parçası karışımlarını çıplak gözle inceleyip renk ve görünüşlerini not alınız. Çıplak gözle gözlemlediğiniz karışımları mikroskop altında inceleyerek renk ve görünüşlerini not ediniz. Etkinliği Sonuçlandıralım 1) Çıplak gözle yaptığınız gözlemleri mikroskop altında yaptığınız gözlemlerle karşılaştırdığınızda aradaki farklılıklar nelerdir? Araç ve Gereç Mikroskop Metal para örnekleri Yemek tuzu çözeltisi Süt Büyüteç Ayran 2 adet pipet Kaya parçaları 2) Çıplak gözle çözelti olarak adlandırdığınız bir karışımı mikroskop altında incelediğinizde de çözelti olarak adlandırabilir misiniz? 3) Gözlem yaptığınız maddelerden hangileri homojen, hangileri heterojen karışımdır? Neden? Resim Tuzlu su 300

301 5. Ünite Karışımlar Etkinlik 5.6'da da görüldüğü gibi maddeler homojen ve heterojen olmak üzere iki grupta incelenir. Birinci bölümde homojen karışımlara örnek olarak çözeltileri görmüştük. Çözeltilere de alaşımları, şerbeti, şurubu, kolonyayı, gazlı içecekleri, hava gibi karışımları örnek vermiştik. Resim Krema Resim Şurup Resim Granit Resim Gneis Resim Gazlı içecek (gazoz) Karışımları oluşturan maddelerden biri diğeri içinde dağılıyorsa dağılan maddeye dağılan faz, diğer maddeye ise dağıtıcı faz denir. Etkinlik 5.6, Tablo ve Resim 5.4.1'den 'ye kadar olan örnekler dikkate alındığında bütün maddelerde dağılan fazların dağıtıcı fazda homojen olarak dağıldığını söyleyebilir miyiz? Tablo Katı-katı, sıvı-katı karışım örnekleri Dağıtan Faz Dağılan Faz Örnek Katı Katı çelik, kaya, toprak Sıvı Katı süt, bulanık su Yukarıdaki örneklerde de görüldüğü gibi birbiri içerisinde homojen olarak dağılmayan karışımlara heterojen karışımlar denir. Kum-su karışımı, granit ve gneis gibi karışımlar çıplak gözle incelendiğinde homojen olmadıkları anlaşılmaktadır. Her örneği çıplak gözle inceleyerek homojen veya heterojen olduğuna karar vermek ne derece sağlıklı olacaktır? Bazı karışımların ise heterojen olup olmadığını anlamak için büyüteç ve mikroskop gibi araçlar kullanılabilir. Heterojen karışımlar, dağıtan faz ve dağılan fazın fi ziksel hâline göre; süspansiyon, emülsiyon, aerosol ve koloit olmak üzere sınıflandırılabilir. Süspansiyon: Dağıtan fazı sıvı, dağılan fazı katı olan heterojen karışımlardır. Örneğin çamurlu su, kum-su karışımı vb. 301

302 10. Sınıf Kimya Emülsiyon: Dağıtan fazı ve dağılan fazı sıvı olan heterojen karışımlardır. Örneğin benzen-su karışımı, süt, mayonez vb. Aerosol: Dağıtan fazı gaz, dağılan fazı katı veya sıvı olan heterojen karışımlardır. Sis ve bulut sıvı aerosol için örnek teşkil ederken duman, volkanik kirlilik, amonyum klorür (NH 4 Cl) buharı katı aerosol için örnektir. Resim Sis Resim Koloit Resim Havadaki tozların güneş ışığında görülmesi Koloitler Katı taneciklerin bir sıvı içerisinde çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük tanecikler hâlinde heterojen olarak dağılmasıyla oluşan karışıma koloit denir. Bir katının sıvı faz içinde dağılmasından meydana gelen koloit sisteme ise sol denir. Koloit, Yunancada zamk gibi yavaş yavaş yayılan anlamına gelmektedir. X-ışınları kırınımı ile koloit olarak adlandırılan çoğu katıların kristal yapıda olduğu belirlendi. Ayrıca yapılan incelemelerde koloitlerin çok geniş ara yüze sahip iki fazlı heterojen sistemler olduğu sonucuna varıldı. Koloitlerde dağılan tanecik boyutları, süspansiyon karışımları ile çözeltide dağılan tanecik boyutlarının arasında kalmakta ve normal olarak bakıldığında iki fazlı olduğu anlaşılamamaktadır. Yukarıda anlattığımız heterojen karışımları, çözeltiler ile tanecik boyutu temelinde karşılaştıracak olursak parçacık boyutu 10-9 m'den küçük olanlar çözelti, 10-9 m ve 10-6 m arasında olanlar koloit, parçacık boyutu 10-6 m'den büyük olanlar ise süspansiyon olarak tanımlanmıştır. Tablo Çözelti, koloit ve süspansiyonun dağıtan ve dağılan faza göre dağılımları ile dağılanın tanecik boyutları Karışım Türü Örnek Karışım Dağıtan Faz Dağılan Faz Tanecik Boyutu Çözelti Tuzlu su Katı-Sıvı- Gaz Katı-Sıvı- Gaz 10-9 m'den küçük Koloit Krema, çalkalanmış yumurta Sıvı Katı 10-9 m ve 10-6 m arasında Süspansiyon Kum-su karışımı Sıvı Katı 10-6 m'den büyük 302

303 5. Ünite Karışımlar Resim Duman Resim Sis Resim ve 'deki sis ve duman resimlerini inceleyerek ışık geçirgenliği açısından homojen sayılıp sayılamayacaklarını tartışınız. Birim hacimdeki ara yüzeylerin geniş olduğu sabun köpüğü (Resim ) koloit için iyi bir örnek teşkil etmektedir. Bunun için sabun moleküllerinin özelliklerini kısaca hatırlayalım. Suyu sevmeyen (hidrofob) kuyruk kısmı (Apolar bölüm) Suyu seven (hidrofi l) baş kısmı (Polar bölüm) Resim Sabun köpüğü kuyruk suyu Suyu sevmeyen (hidrofob) baþ baş Suyu suyu seven (hidrofil) XNDUıda gördüğünüz gibi hidrofob ve hidrofi l olmak üzere iki kısımdan oluşdq VDEXQ P ROHN O diğer sabun molekülleri ile hidrofob uçlarından baş başa gelerek sabun misellerini oluşwxuxu HNLO Resim Sabunlu su 6DEXQXQ WHP L] OHP HVLQGH DNWLI RODQ P DGGH uzun zincirli yağ asidi anyonudur. Karboksilat anyonu polar ve hidrofi l kısımdıu suda çözünür. Alkil grubu ise apolar ve hidrofob kısımdıu suda çözünmez. Bu iki zıt tesirden dolayı sabun suda koloidal karışımlar vererek miselleri oluşturur. Polar baş kısımları sulu ortama ve alkil (uzun organik kuyruk) grupları birbirine yönelmiş şekildedir. 303

304 10. Sınıf Kimya Su molekülleri hidrofi l kısım hidrofob kısım Şekil Sabun miseli Şekil Kirlere tutunmuş sabun miseli Gündelik dildeki, çıplak gözün homojen gördüğü karışımları "homojen" şeklinde niteleme alışkanlığı (homojenize süt, mayonez gibi) bilimsel anlamdaki "homojen" kavramı ile karıştırılmamalıdır. Resim Kaymak tutmuş süt Şekil 5.4.2'de sabunun kiri temizlemesi görülmektedir. Sabun moleküllerinin apolar kuyruk kısımları kir parçacıklarını sarar. Polar baş kısımları da su moleküllerine yönelir. Böylece kir parçacığı suda asılı hâle gelerek tutunduğu ortamdan ayrılarak suya geçer. Emülsiyon oluşturur. Burada ortama tutunmuş olan kir sabun miselleri sayesinde faz ayrımı oluşturularak temizlenmiş olur. Bazı durumlarda koloidal sistemleri oluşturan fazların ayrılması yaşamımızı kolaylaştırır. Bu duruma başka örnek olarak yağmur oluşumu için sisi oluşturan ince dağılmış suyun, katı taneciklerine (koloidal büyüklükte) tutunup büyümeleri, suda dağılmış koloidal kil taneciklerinin çöktürülmesi için Al(OH) 3 gibi hacimli bir katının kullanılması, sıvı yağlardaki su damlacıklarının ultra ses dalgaları yardımı ile bir araya toplanması verilebilir. Ekmeğinize fındık ezmesi veya çikolatalı krema, cildinize de merhem sürerken homojen olmasını istersiniz. Farklı fazlar bulunduran karışımlar tercih edilmez. Bu açıdan bu tür maddelerin yapımı sırasında içerisine yağ ve su fazları ayrışmasın diye bir ucundan yağa, bir ucundan da suya tutunan lesitin (polar lipit), yağ asidi gibi maddeler katılır. Böylece heterojen karışımların, ayrışmadan kararlı kalması istenen durumlarda karışımın homojenize edilmesi gerekir. Homojenizasyon Heterojen karışımı oluşturan, dağılan fazın homojene yakın bir şekilde dağılmasının sağlanmasına homojenizasyon denir. Homojenizasyon özellikle gıda ve boya sanayinde önemlidir. Yediğimiz birçok hazır gıda maddesini oluşturan bileşenlerin ve çok çeşitli alanlarda kullandığımız boyaların homojen olması tercih edilir. Örneğin tahin ve pekmezin birlikte satışa sunulmasında bunların birbirine homojene yakın bir şekilde karışması istenir. Karışmayan iki sıvının çalkalanması sonucu meydana gelen emülsiyon kendi hâline bırakıldığında yeniden iki faz oluşur. Emülsiyon oluşturan sıvılar sürekli veya sürekli olmayan faz durumuna göre iki ayrı emülsiyon şeklinde bulunur. Sürekli olmayan faz kısa sürede oluşurken sürekli fazın oluşumu çok daha uzun sürelidir. Bu duruma örnek olarak su damlacıklarının yağ içerisine dağılmasından oluşan su-yağ emülsiyonu ile sürekli faz oluşturan kan serumu içinde yağ taneciklerinin dağılmasından oluşan yağ-su emülsiyonu gösterilebilir. 304

305 5. Ünite Karışımlar Resim Fındık ezmesi Emülsiyon oluşturan sıvılar kendi hâline bırakıldığında bir süre sonra birleşerek birbirinden ayrılır (Resim ). Bu duruma faz ayrılması denir. Faz ayrılmasını engelleyerek karışımın uzun süre bozulmadan kalmasını sağlamak için fi ziksel veya kimyasal önlemlerin alınması gerekir. Heterojen karışımı oluşturan dağılan fazın taneciklerinin boyutlarının küçültülmesi (toz hâline getirme, öğütme vb.) ile fiziksel önlem alınırken, emülgatör adı verilen katkı maddelerinin kullanılması ile de kimyasal önlemler alınarak heterojen karışımlardaki faz ayrılmasının önüne geçilmiş olur. Emülgatörler, hidrofi l ve hidrofob uçlara sahip moleküllerdir. Yağ ve sudan oluşmuş bir karışıma katıldıklarında yağın ve suyun iyi bir şekilde birbirine karışmasını (dispersion) sağlayarak kararlı, homojene yakın ve topaksız bir emülsiyon meydana getirirler. Eskiden balmumu, emülgatör etkisi nedeniyle kozmetik ürünlerde kullanılmıştı. Yumurta sarısı da 19. yüzyıl başlarında muhtemelen gıda üretiminde kullanılan ilk emülgatördü. Yumurta sarısının oldukça kısa süren kararlığından dolayı, imalatçılar 1920'lerden bu yana önemli bir gıda ürünü olan soya fasulyesinden elde edilen lesitini daha çok tercih etmişlerdir. Fakat emülgatörler için ani ve önemli gelişme bundan 10 yıl sonra, yağ asit türevleri (mono ve digliseritler) ortaya çıkarıldığında yaşandı yılında emülgatörlerin dondurma üretiminde kullanımları patent almıştır. Günümüzde emülgatörler; margarin, mayonez, kremalı soslar, şeker (bonbon), işlenmiş paketli gıdalar, şekerlemeler ve fırın ürünleri gibi birçok gıda ürününün imalatında önemli rol oynar. Gıda maddelerinde özellikle lesitin, mono ve digliserit başta olmak üzere amonyum fosfat, polisorbatlar gibi emülgatörler belli oranda kullanılır. İlaçlarda ve boya sanayisinde de faz ayrımını önlemek için emülgatörler kullanılır. Resim Su-yağ emülsiyonu 305

306 10. Sınıf Kimya Biliyor musunuz? Günümüzde gıda ürünlerinde kullanılan emülgatörler ya safl aştırılmış doğal ürünlerdir ya da doğal ürünlere çok benzeyen sentetik kimyasallardır. Diğer gıda katkı maddeleri gibi emülgatörler de güvenlik değerlendirmeleri, onay, kullanım ve etiketleme açısından Avrupa Birliği tarafından çıkarılan yönetmeliğe (Avrupa Parlamentosu ve Konsül'ün 20 Şubat 1995 tarih ve 95/2/EC nolu renklendiriciler ve tatlandırıcılar haricindeki gıda katkı maddeleri direktifi ) tabidir. Bu yönetmelik; gıdaya eklenen tüm katkı maddelerinin ya isminin ya da E-numarasının gıda ambalajı üzerinde belirtilmesini istemektedir. Emülgatörler, margarine gerekli sağlamlık, yumuşaklık, sertlik ve tat sağlar. Su damlacıklarının, yağ fazı içerisinde iyi bir şekilde dağılmasını sağlamak için genellikle yağ asitlerinin mono ve digliseritleri (E 471) ile lesitin (E 322) kullanılır. Örneğin, kek pişirmede kullanılan iyi kalitede bir margarin için laktik asit ve poligliserol esterleri kullanılırken mono ve digliseritlerin sitrik asit esterleri, margarinden suyun ayrılmasını engeller. Okuma Metni Homojenizasyon Homojenizasyon hayatımızı bir çok yerde kolaylaştırır. Örneğin çocukların bir kısmı sütü yağlı içmek istemez. Yağ taneciklerinin bütün hâlinde ağza gelmesi çocukların çoğu tarafından hoş karşılanmaz. Yağ da çocuklar için gerekli olduğuna göre sütteki yağın sütle heterojen şekilde bulunmasının önüne geçilmesi gerekmektedir. Sütteki faz ayrımı genellikle süt, koyulaştırılmış süt ve kremalarda depolama süresince yüzeyde kaymak bağlama şeklinde ortaya çıkmaktadır. Homojenizasyondaki amaç, büyük yağ taneciklerin parçalamasını sağlayarak süt içerisinde emülsiyon hâlinde bulunan taneciklerinin yoğunluk farkı nedeni ile yüzeye çıkması ve bir araya gelerek kümelenmesini yani sütün kaymak bağlamasını önlemektir. Süt içerisindeki küresel yapıya sahip yağ taneciklerinin çapları doğal olarak ortalama 0,5-1 mm arasında değişir. Bu taneciklerin süte eklenen emülgatör ile bir araya toplanması engellenmiş olur. Emülgatör, sahip olduğu hidrofi l ve hidrofof uçlarından biriyle süte diğeri ile de yağa tutunarak biraraya toplanmayı engeller. İşlenmiş Ete Uygulanan Homojenizasyon Sosisler, Avrupa işlenmiş et ürünleri endüstrisinde en önemli yeri tutarlar. Sosisler, et proteinleri ve sağlam bir emülsiyon içinde bağlanmış yağ ve su moleküllerinden meydana gelir. Emülgatörler, bu emülsiyonu kararlı hale getirerek yağın ürün içerisinde iyice dağılmasını sağlar. Gıda katkı maddeleri yağ oranı düşük et ürünlerinde de, bu ürünlerin tam yağlı türleri kadar iyi olmalarını sağlamak amacıyla kullanılır. Gıda endüstrisinde, işlenmiş et ürünleri imalatında, yağ asitlerinin mono ve digliseritleri ile sitrik asit esterleri kullanılır. Yazarlar tarafından düzenlenmiştir. 306

307 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME A. Aşağıdaki ifadelerle ilgili hesaplamaları yaparak boşlukları tamamlayınız. 1. Aşağıdaki ifadeleri ilgili hesaplamaları yaparak tamamlayınız. Mol kütleleri (g mol -1 ): H:1; C:12; O:16; N:14; Na:23; Cl:35,5; K:39; Sn:119; Br:80 a. 500 ml çözeltide 0,50 mol NaOH çözündüğünde derişim.. M olur. b. 6,3 g HNO 3 in 2 L çözeltide çözünmesi ile.. molar çözelti elde edilir. 5. Ünite Karışımlar c. 2 L, 0,25 molar NaOH çözeltisinde çözünmüş olarak bulunan NaOH. moldür. ç. 0,4 M, L çözeltide 12,6 g KNO 3 çözünmüştür. d. 52 g K 2 CO 3, 518 g suda çözündüğünde elde edilen çözeltinin derişimi. molaldir. e. Molalitesi 2,14 olan SnBr 2 çözeltisi elde etmek için 140 g suda.. g SnBr 2 çözülmelidir. f. 0,1 molal C 2 H 6 O 2 (etilen glikol) ile hazırlanan sulu antifi riz çözeltisinin donma noktası ο C' tur. (K d = 1,86 o C m -1 ) g. 500 g suda 0, 4 mol NaCl çözündüğünde elde edilen çözeltinin kaynama noktası... ο C yükselir. (K k = 0,52 o C m -1 ) 2. Tabloda verilen maddelerin CCl 4 (karbon tetraklorür) ve sudaki çözünürlüklerini karşılaştırınız. Çözünme ve çözünememe sebeplerini belirtiniz. CCl 4 H 2 O Sebep C 6 H 14 (Hegzan) NaHCO 3 (Sodyum bikarbonat) HCl (Hidrojen klorür) I 2 (İyot) CH 3 OH (Metanol) 3. Aşağıdaki çözünen-çözücü çiftlerinde hangi etkileşim kuvvetleri vardır? Bu etkileşim kuvvetlerini maddelerin yapıları ile ilişkilendirerek açıklayınız. a) C 2 H 5 OH (etanol) de CaCl 2 b) C 3 H 6 O (aseton) da C 6 H 14 (hegzan) 307

308 10. Sınıf Kimya B. Aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Bazı çözelti oluşumlarının endotermik, bazılarının ise ekzotermik olmasının nedenini örnekle açıklayınız. 2. Kaynama noktası yükselmesi ve donma noktası alçalmasını bir örnekle açıklayınız. 3. Moleküller arası kuvvetleri göz önüne alarak "Benzer, benzeri çözer." kuralını açıklayınız. 4. Buhar basıncı düşmesi ile çözeltinin kaynama noktası arasındaki ilişkiyi açıklayınız. 5. Bir salatalık, derişik tuzlu suya (salamura suya) konduğunda buruşmasının sebebi nedir? Açıklayınız. 6. Deniz suyunu dondurma ve kaynatma yöntemleri ile karşılaştırıldığında ters ozmosun üstün ve zayıf yönleri nelerdir? Açıklayınız. 7. Bir akvaryum balığını, içinde kısa bir süre önce kaynatılmış ve oda sıcaklığına kadar soğutulmuş suyun bulunduğu akvaryuma koyduğumuzda bir süre sonra ölmesinin nedeni nedir? ml'si 76,9 g gelen 725 kg NaCl elde etmek için kaç L deniz suyu kuruluğa kadar buharlaştırılmalıdır? (Deniz suyu kütlece %3,87 NaCl içermektedir.) 9. 0,0321 M 125 ml AgNO 3 çözeltisi hazırlamak için kütlece %99,81 AgNO 3 içeren maddeden kaç gram almak gerekir? 10. Aşçılar, suya kaynamadan önce bir miktar tuz atarlar. Bunun sebebi suyun kaynama noktasını yükselterek pişirme işlemini kolaylaştırmaktır. 1 L suyun kaynama noktasının 1 atmosferde 2 o C arttırmak için yaklaşık kaç gram tuz gereklidir? C- Aşağıda verilenleri dikkatlice okuyunuz, ifade doğru ise "D" harfini işaretleyiniz, yanlış ise "Y" harfini işaretleyerek doğrusunu yandaki kutucuğa yazınız L çözücüde çözünmüş maddenin mol sayısına molalite denir. 2. Henüz doygunluk noktasına erişmemiş çözeltiye doymamış çözelti denir. 3. Oksijen molekülünün sudaki sıcaklığının artması sonucunda çözünürlülüğünün azalmasıyla sudaki yaşam tehlikeye girer. 4. Çözücü moleküllerinin gözenekli bir zar boyunca derişik çözeltiden seyreltik çözeltiye doğru geçişine ozmos denir. 5. Çözeltiyi oluşturan maddelerin mol kesirleri toplamı daima 0,52'dir. 6. Diş dolgularında kullanılan Ag-Sn bileşiğine koloit denir. 7. Donma noktasındaki düşme ve kaynama noktasındaki yükselme büyüklüğü çözünenin mol kesrine bağlıdır. 8. Tütün dumanının mavimsi görünüşü, çöllerde güneşin parlak batışı, havada asılı bulunan koloidal parçacıkların ışığı saçılıma uğratmasından ileri gelir. 9. Yazın arabanın radyatörüne konulan antifi riz çıkarılır. 10. Bitkilerde suyun köklerden yukarı doğru taşınması için gerekli olan basınca kısmi basınç denir. ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) ( D ) ( Y ) 308

309 D. Aşağıdaki çoktan seçmeli soruları cevaplayınız. 5. Ünite Karışımlar 1. 1 L suya 2 mol Ca(NO 3 ) 2 katılmasıyla oluşan çözelti deniz seviyesinde kaç o C'ta kaynar? (K k = 0,52 o C m -1 ) A) 96,88 B) 100 C) 101,56 D) 103 E) 103,12 2. Kütlece %40'lık tuz çözeltisinde 30 g su bulunmaktadır. Bu çözeltide kaç gram tuz çözünmüştür? A) 10 B) 20 C) 30 D) 40 E) M 400 ml HCl çözeltisine 600 ml su ilave edilirse son derişimi kaç molardır? A) 0,8 B) 0,9 C) 1,0 D) 1,2 E) 2,8 4. I. Saf su II. Tuzlu su III. Şekerli su Yukarıda verilen maddeler için aşağıdakilerden hangisi kesinlikle doğrudur? A) Her üçünün de donma noktaları aynıdır. B) Kaynama noktaları I<III=II C) Kaynama noktaları I<III<II D) Üçü de aynı ortamda kaynıyorsa, buhar basınçları birbirine eşittir. E) Aynı sıcaklıkta buhar basınçları I<III=II 5. I. Rüzgâr II. Basınç III. Havanın nemi Bir sıvının açık havada buharlaşma hızını arttırmak için yukardaki verilenlerden hangisi veya hangileri artmalıdır? A) Yalnız I B) I ve II C) I ve III D) II ve III E) I - II ve III 6. I. Su-Naftalin II. Su-Alkol III. Su-Benzen Yukarıda verilen üç karışım hangi seçenekte doğru sınıfl andırılmıştır? I II III A) Çözelti Çözelti Süspansiyon B) Süspansiyon Çözelti Emülsiyon C) Çözelti Çözelti Emülsiyon D) Emülsiyon Çözelti Süspansiyon E) Süspansiyon Emülsiyon Çözelti 7. 2 M 600 ml HNO 3 çözeltisine 400 ml'lik ikinci bir HNO 3 çözeltisi ilave ediliyor. Son çözeltinin derişimi 2,7 M olduğuna göre ikinci asit çözeltisinin derişimi kaç molardır? A) 2 B) 2,25 C) 3 D) 3,25 E) 3,75 8. Aşağıdaki maddelerin hangisinin su ile karışımından süspansiyon oluşur? A) Zeytinyağı B) Alkol C) Şeker D) Tebeşir tozu E) Yemek tuzu 9. Kışın yollarda buzlanmayı önlemek için karlı veya buzlu kesimler üzerine tuz serpilmesinin sebebi hangi seçenekte doğru verilmiştir? A) Tuz, pürüzlü yüzeyi ile kaymayı engeller. B) Tuz, suyun donma noktasını yükselterek buzun erimesini sağlar. C) Tuz, buza gözenekli yapı kazandırarak erimesini sağlar. D) Tuz, suyun donma noktasını düşürerek erimesini sağlar. E) Tuzun, buzun erimesine etkisi yoktur, asfaltın bozulmasını önler. 309

310 10. Sınıf Kimya 10. 0,4 M H 2 SO 4 çözeltisinin yoğunluğu 1,4 g ml -1 'dir. Bu çözeltideki H 2 SO 4 'in kütlece % oranı kaçtır? (H 2 SO 4 : 98 g mol -1 ) A) %1 B) %1,8 C) %2,8 D) %3,75 E) %4, Derişik HCl piyasada genellikle kütlece %37'liktir. Çözeltinin derişimi molarite cinsinden kaçtır? (d HCl = 1,19 g ml -1 ) A) 12,3 B) 8,2 C) 7,8 D) 3,9 E) 1,9 12. Ampirik formülü C 6 H 5 P olan 2,5 g'lık bir bileşiğin 25 g benzen (C 6 H 6 ) içerisinde çözünmesi ile oluşan çözelti 4,3 o C'ta donmaktadır. Bileşiğin mol kütlesi kaçtır? (Benzenin donma noktası 5,5 o C'dir.) A) 215 B) 320 C) 430 D) 438 E) Laboratuvarda kullandığımız derişik H 2 SO 4 kütlece %98'liktir. Asit çözeltisinin molalitesi kaçtır? A) 1,5x10 1 B) 5x10 2 C) 6,5x10 2 D) 7,2x10 3 E) 8,4x Bir sirke örneği kütlece %6,02 (CH 3 COOH) asetik asittir. 355 ml'lik bir şişe sirkede bulunan asetik asitin kütlesi nedir? (d = 1,01 g CH3 COOH ml-1 ) A) 5,2 B) 10,8 C) 21,6 D) 23,2 E) 26, ,236 m çözelti hazırlamak için 725 ml CS 2 (d CS2 =1,261 g ml -1 ) içinde kaç gram I 2 çözünmelidir? (I: 127) A) 5,48 B) 10,40 C) 21,80 D) 42,40 E) 54,80 CEVAP ANAHTARLARI 1. Ünitenin Cevap Anahtarı A-Boşluk Doldurma 1 b 2 ç 3 a 4 d 5 b 6 ç 3 1, nm, UV 5 l = 1 m l = -1, 0, 1 l = 2 1, 2 m l = -2, -1, 0, l = 0 m l = 0 B-Açık Uçlu 6 [Xe] 6s 2 5d I. 2Al(OH) 3 + 3H 2 SO 4 Al 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 O II. 156 III. 0,4 I. 8,25 g 4,5 g II. 12,25 g 2,22 g III. 13,25 g 2,25 g IV. 10,71 g C-Doğru Yanlış Soru Cevap Doğrusu 1 Y Bölünür. 2 D 3 Y Fotoelektrik olay 4 D 5 Y Tanecik özelliği ile açıklanabilir. 6 Y Heisenberg 7 Y 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 8 D 9 Y 5,6 g CaO 10 D D-Çoktan Seçmeli 1 E 9 C 2 C 10 B 3 B 11 E 4 E 12 C 5 D 13 D 6 D 14 A 7 D 15 D 8 B 310

311 2. Ünitenin Cevap Anahtarı A-Boşluk Doldurma 1 triadlar 7 benzer elektron dizilimi 2 oktavlar 8 kimyasal özellikler 3 oktav kanunu 9 on altı 4 Dimitri Mendeleyev 10 yedi 5 atom numarası 11 periyot 6 periyodik sistem 12 grup C-Doğru Yanlış Soru Cevap Doğrusu 1 D 2 Y Atom numarası 3 D 4 Y Pozitif 5 D 6 Y Elektron almasıyla açığa çıkan enerji 7 Y Benzer kimyasal özellik gösterir. 8 D 9 Y +2 ve D D-Çoktan Seçmeli 1 E 9 D 2 B 10 C 3 A 11 A 4 E 12 E 5 D 13 A 6 E 14 D 7 D 8 E 3. Ünitenin Cevap Anahtarı A-Boşluk Doldurma 1 atom 7 orbitallerin örtüşmesi 2 molekül 8 İndüklenmiş dipoller 3 iyon 9 iyon kalıcı dipol 4 radikal 10 hidrojen bağı 5 güçlü etkileşimler 6 zayıf etkileşimler C-Doğru Yanlış Soru Cevap Doğrusu 1 D 2 Y Güçlü etkileşimler 3 Y Apolar moleküller arasında 4 D 5 Y Mümkündür. 6 Y Zayıfl ar. 7 D 8 D 9 D 10 Y Dipol-dipol ve London kuvvetleri D-Çoktan Seçmeli 1 C 9 E 2 B 10 E 3 E 11 B 4 A 12 D 5 E 13 E 6 D 14 C 7 A 15 A 8 D 311

312 10. Sınıf Kimya 1 A-Boşluk Doldurma kristal katıların, amorf katılar 4. Ünitenin Cevap Anahtarı 6 yüzey gerilimi 2 kaynama noktası 7 viskozite, akıcılık 3 buhar basıncı 8 doğru orantılı 4 plazma 9 mol kesri 5 gaz, buhar 10 ideal gaz B-Açık Uçlu 1 49,2 2 P T =1,107 atm P Ar =0,984 atm P C6 H 6 =0,117 atm 3 P CO2 =0,117 atm 4 16 g mol -1 C-Doğru Yanlış Soru Cevap Doğrusu 1 Y Küçüktür. 2 D 3 D 4 Y Islanmaz. 5 Y Geri süblimleşme 6 Y Zayıfl ar. 7 D 8 D 9 D 10 Y Amorf katıdır. D-Çoktan Seçmeli 1 C 9 E 2 C 10 C 3 E 11 E 4 C 12 C 5 E 13 D 6 C 14 D 7 D 15 C 8 D 5. Ünitenin Cevap Anahtarı A-Boşluk Doldurma a 1 b 0,05 B-Açık Uçlu c 0, L deniz 8 suyu ç 0,312 d 0,7 9 0,43 g e 83, ,5 g f - 0,186 g 100,832 C-Doğru Yanlış Soru Cevap Doğrusu 1 Y Molarite 2 D 3 D 4 Y Ters ozmos 5 Y 1 6 Y Malgama 7 D 8 D 9 Y Çıkarılmaz (Kaynama noktası yükseleceğinden araba hararet yapmaz.). 10 Y Ozmotik D-Çoktan Seçmeli 1 E 9 D 2 B 10 C 3 A 11 A 4 D 12 C 5 A 13 B 6 B 14 C 7 E 15 E 8 D 312

313 PROJE Sınıf 10 Ünite Numarası 5 Ünite Adı Kazanımlar Süre Puanlama Yöntemi Projeyi Hazırlama Süreci Bu projede; Karışımlar Koloitlerin ve koloidal sistemlerin tanıtılması. Koloitlerin ve koloidal sistemlerin sınıfl andırılması. Koloitlerin tanecik boyut ve şeklinin belirlenmesi. Koloidal dispersiyonların kararlılıkları Heterojen karışımları, karışan maddelerin fi ziksel hâllerine göre sınıfl andırarak örnekler verilir Heterojen karışımları, dağılan ikincil maddenin tane boyutuna göre sınıfl andırarak örnekler verir Heterojen karışım tipinde gıda, ilaç, inşaat boyası gibi ürünlerde faz ayrılmasını önlemek için alınan önlemleri örnekleri ile açıklar Heterojen karışımlarda faz ayrımını kolaylaştırıcı faktörlere örnekler verir. 2,5 ay (10 hafta) Dereceli puanlama anahtarı Makromoleküler koloitler, koloidal elektrolitler, jeller, emülsiyonlar, köpükler, aerosoller, katı soller. Heterojen karışımlarda faz ayrılmasını önlemek için alınan önlemlerin açıklanması. Heterojen karışımlarda faz ayrılmasını kolaylaştırmak için alınan önlemlerin açıklanması. Ayrıca projede koloidal uygulamaların çevreye ve sağlığımıza olumsuz etkilerine dikkat çekecek bir poster hazırlanacaktır. Bütün bunlar için; 1. Bir araştırma planı oluşturunuz; bu planda yapılacak işleri, gerekiyorsa görevli kişileri ve çalışma takvimini belirtiniz. 2. Araştırma için dergiler, kütüphaneler, internet, yakın çevrenizdeki kişi ve kuruluşlardan yararlanabilirsiniz. 3. Projenizin sonunda hazırladığınız raporu... dk.'lık sürede sunulacak şekilde sunum olarak hazırlayınız. 4. Sunumun görselliğini resimlerle, grafi kler vb. çalışmalarla artırabilirsiniz. 5. Araştırmanızı en geç... tarihine kadar bitirmelisiniz. Bir sonraki sayfada bulunan dereceli puanlama anahtarı ödevinizin hangi ölçütlere göre değerlendirileceği konusunda sizlere bilgi vermek için hazırlanmıştır. Proje çalışmasının hazırlama ve sunum aşamasında, burada verilen ölçütler size yol gösterici olacaktır. Not: Bu proje, 2 ve 3 ders saati olan programların her ikisi için de geçerli olup 2 ders saati olan programda kazanım numaraları 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 şeklindedir. 313

314 10. Sınıf Kimya Ek-4 PROJE VE SUNU DEĞERLENDİRME DERECELEME ÖLÇEĞİ BECERİLER 4 (Çok İyi) 3 (İyi) 2 (Orta) 1 (Zayıf) I. PROJE HAZIRLAMA SÜRECİ Projenin amacını belirleme Projeye uygun çalışma planı hazırlama İhtiyaçları belirleme Farklı kaynaklardan bilgi toplama Projeyi plana göre gerçekleştirme Proje çalışmasının istekli olarak gerçekleştirilmesi II. PROJE İÇERİĞİ Türkçeyi doğru ve düzgün kullanma Bilgilerin doğruluğu Toplanan bilgilerin analiz edilmesi Elde edilen bilgilerden çıkarımda bulunma Toplanan bilgileri düzenleme Kritik düşünme becerisini gösterme Yaratıcılık yeteneğini kullanma III. SUNU YAPMA Türkçeyi doğru ve düzgün kullanma Sorulara cevap verebilme Konuyu dinleyicilerin ilgisini çekecek şekilde sunma Sunuyu hedefe yönelik materyallerle destekleme Sunuda akıcı bir dil ve beden dilini kullanma Verilen sürede sunuyu yapma Sunum sırasında öz güvene sahip olma Severek sunu yapma Genel Toplam Bu ölçekten alınabilecek en yüksek puan 84, en düşük puan ise 21'dir. Öğrencinin aldığı puanlar 100 üzerinden değerlendirilir. 314

315 S Ö Z L Ü K - A - alaşım : İki ya da daha fazla metalin eritildikten sonra karıştırılması ve soğutulmasıyla elde edilen homojen karışım. anot : Elektrolizdeki yükseltgenme tepkimesinin oluştuğu elektrot. - B - bağ enerjisi : Bir kimyasal bağ oluşumunda açığa çıkan veya bağ kopması için gereken enerji. bağıl nem : Havadaki su buharının kısmi basıncının, aynı sıcaklıkta havayı doyuran su buharının kısmi basıncına oranı. Brown hareketi : Gaz moleküllerinin bulundukları kap içinde gelişigüzel yaptıkları öteleme hareketi. buhar basıncı : Belli sıcaklıkta, sıvı ya da katı hâliyle dengede bulunan buharın gösterdiği basınç. - C Ç - çizgi spektrumu : Uyarılmış bir atomun yaydığı, çeşitli dalga boylarını içeren ve sürekli olmayan spektrum. coulomb : Elektrik yükünün uluslararası standart birimi. - D - dalga boyu : Ardışık iki dalganın tepe noktaları arasındaki uzaklık. dipol : Eşit olmayan bir biçimde dağılmış elektrik yükü. donma noktası : Saf bir sıvının, normal atmosfer basıncı altında katı hâle geçtiği o sıvıya özgü sıcaklık değeri. doygun çözelti : Belli bir sıcaklıkta çözebileceği en fazla çözüneni içeren çözelti. - E - ebülyoskopi : Kaynama sıcaklığı yükselmesinden yararlanılarak mol kütlesi belirleme yöntemi. elektromanyetik : Birbirine dik manyetik ve elektrik alan bileşenleri bulunan dalga veya ışıma. emülsiyon : Birbiri içinde çözünmeyen sıvı-sıvı karışımı. entalpi : Sabit basınçta ısı değişimlerini ifade eden nicelik. - F - fotoelektrik : Düşük frekanslı ışığa maruz kalan metalden elektron kopması. fotokimyasal : Işığın etkisiyle gerçekleşen kimyasal tepkimeler. tepkime foton : Elektromanyetik ışınları oluşturan bölünmez dalga paketleri. füzyon : Hafi f çekirdeklerin kaynaşarak ağır çekirdeklere dönüşmesi. - G - genlik : Bir dalganın durgun durumdan ayrılma miktarı. - H - Heisenberg : Bir elektronun yerinin ve hızının aynı anda bilinemeyeceğini belirten ilke. belirsizlik ilkesi Hund kuralı : Elektronların eş enerjili orbitallere zıt spinli olarak yerleşeceğini belirten ilke. - I - İ - J izomer : Aynı molekül formülüne ancak farklı yapısal formüle sahip farklı özellikler taşıyan iki ya da daha fazla bileşik. izotop : Proton sayısı aynı nötron sayısı farklı olan element. jelatin : Genellikle hekimlik ve fotoğrafçılıkta kullanılan, hayvanların kemik, kıkırdak vb. dokularından veya bitkisel yosunlardan elde edilen saydam, renksiz, kokusuz bir madde. - K - katalizör : Kimyasal reaksiyonun hızını değiştiren ancak kendisi bu tepkimeden değişmeden çıkan organik - inorganik madde. koligatif özellik : Moleküllerin veya taneciklerin sayılarına bağlı özellik. 315

316 10. Sınıf Kimya korozyon : Metallerin elektrokimyasal bir olay sonucu aşınması. kriyoskopi : Donma sıcaklığı düşmesinden yararlanılarak mol kütlesi belirleme yöntemi. kuantum kuramı : Enerjinin paketler hâlinde taşındığını savunan teori. - L - Lyman serisi : Hidrojen spektrumunda oluşan ilk grup. - M - metalik bağ : Metal atomlarını bir arada tutan güçlü etkileşimler. metalürji : Metal bilimi. mol kesri : Bir karışım veya çözeltide bulunan maddenin mol sayısının karışımdaki bileşenlerin toplam mol sayısına oranı. monokromatik : Tek dalga boylu. - N - nükleon : Atomun çekirdeğinde bulunan pozitif yüklü protonlarla yüksüz nötronların genel adı. - O -Ö - orbital : Atom çekirdeği etrafında elektronun bulunma ihtimalinin en yüksek olduğu enerji bölgesi. öz ısı : Bir maddenin bir gramının sıcaklığını 1 o C yükseltmek için gerekli olan ısı. - P - paramanyetik : Havadan daha güçlü manyetik özellikleri olan ve eşleşmemiş elektronlara sahip madde. Paschen Serisi : Hidrojen atomunun üst enerji düzeyindeki elektronların 3. enerji düzeyine düşüşü sırasında oluşan spektrum çizgileri. pigment : Eklendiği maddeye rengini verme özelliği olan doğal ya da yapay madde. plazma : Elektron ve pozitif iyonlardan oluşan gaz karışımı. - R - reaktör : Sanayide kimyasal tepkimelerin oluşturulduğu, amaca ve tepkime koşullarına göre çok çeşitli malzemelerden yapılabilen kap. reçine : Bazı bitkilerde, özellikle çamlarda oluşan katı veya yarı akışkan organik salgı maddesi, ağaç sakızı. SI : Uluslararası birim sistemi. - S - Ş - soğurma : Bir maddenin enerji, ısı, ışık vb.ni içine alması, emmesi, tutması. spektrometre : Kırılma açısı, çizgi ve bant dalga boylarını ölçen bir cihaz. spin : Elektronların orbitallerde birbirine zıt yönlü olarak dönmesi. - T - triad : Benzer element veya bileşiklerin üçlü grubu. - U - Ü - ultraviyole : Elektromanyetik spektrumun, dalga boyu nm arasında olan bölgesi. uyarılmış atom : Elektronları üst katmana geçmiş olan atom. - V - viskozite : Sıvıların akmaya karşı gösterdiği direnç. - Y - yoğuşma : Bir gaz ya da buharın sıvıya dönüşmesi. yükseltgenme : Bir atom veya iyonun elektron kaybetmesi sonucu değerlik sayısının artması veya daha elektropozitif hâle gelmesini gösteren olay. 316

317 - A - Absorbsiyon 44, 45 Açısal momentum kuantum 61, 62, 66, 68 Adhezyon 224, 225, 254 Alkali metaller 91, 102, 109, 115 Allotrop 251 Amorf katı 247, 248, 253, 312 Aneroid 188 Antifiriz 273, 290, 293, 308 Aşırı doygun çözelti 285 Atom spektrumu 51 Aufbau kuralı 67 Avogadro kanunu 89, 197, 200, 252 Avogadro sayısı 73, 74 Avogadro, Amedeo 74 - B - Bağ enerjisi 105, 106, 140, 159, 164, 268 Bağıl atom kütlesi 14, 71, 73, 75, 90 Barometre 185, 188, 294 Baş Kuantum 59, 61, 63, 64, 66, 68, 107, 117, 125, 131 Belirsizlik ilkesi 58, 315 Bohr atom modeli 46 Bohr, Niels 46, 56, 92 Balmer serisi 44, 47, 48 Boltzman, Maxwell 70, 182 Brackett serisi 48, 81 Brown hareketi 181, 315 Buhar basıncı 25, 208, 210, 229, 244, 255, 287, 288, C-Ç - Cailletet 217 Cannizzaro, Stanislao 74 Chadwick, James 20, 33 Charles, Jocgues 193 D İ Z İ N Coulomb kanunu 145 Crooks tüpleri 21, 22 Crooks, Willim 21 Çizgi frekansı 28 Çizgi spektrumu 29, 43, 44, 45,49 Çözelti derişimleri 271, 272, 283 Çözünme entalpisi 259, 265 Çözünürlük eğrisi 285 Çözünürlük hızı 271, D - Dağıtan faz 301, 302 Dalga boyu 29, 35, 37, 38, 44, 48, 79, 83 Dalga hareketi 34, 35, 39, 55 Dalga sayısı 35 Dalton, John 73, 203, 205, 244 Davisson,C.J 55, 56, 58 Davy, Humphry 21 De Broglie 54, 55, 58, 60, 78, 80 Denge buhar basıncı 291 Difüzyon 182, 184, 246 Dirac 66, 70 Doğal izotop 75, 76 Donma noktası alçalması 287, 290, 295, 308 Döbereiner, J.W 86, 128 Dönme yönü 66 Dublet 128, E - Efüzyon 185 Einstein, Albert 42, 46, 54, 111 Elektroliz 15, 17, 18, 20, 21 Elektromanyetik 40, 43, 55, 78, 79 Elektromanyetik dalga 35, 42, 56 Elektromanyetik ışın 27, 31, 35, 36, 43, 58, 78 Elektron ilgisi 106, 112, 119, 129 Elektronegatifl ik 84, 95, 105, 106, 107, 112, 118, 120, 149, 150 Elektrostatik çekim 23, 146, 147, 153, 429, 250, 267 Emülsiyon 301, 304, 309, 313 Entalpi 265, 266, F - Faraday kanunları 17, 20, 33, 78 Foton 34, 40, 42, 43, 46, 51, 52, 54, 55, 56, 57,58, 78 Fotosentez 127 Fraunhofer çizgisi 27, 44 Fraunhofer, Josef 48 Frekans 27, 29, 30, 34, 36, 38, 39, 41, 42, 45, 51, G-Ğ - Galvani, Luigi 17 Gama ışınları 36, 37 Genlik 35 Gerçek gaz 180, 181, 211, 212, 215, 254 Germer, L. H. 56, 58 Girişim deneyi 40 Goldstein, Eugen 27 Görünür bölge 29, 36, 37, 41, 47, 124 Graham 182, H - Heisenberg belirsizlik ilkesi 53, 56, 60 Heisenberg, Werner 56, 57 Hidratasyon 259, 267, 268 Hidrofi l 226, 303, 304, 305, 306 Hidrofob 226, 303, 304 Hidrojen bağı 157, 165, 175, 227 Hidrojen spektrumu 44, 45, 51, 78 Homojen karışım 182, 260 Hund kuralı 59, 68, 103 Huygens prensibi 34, 39 Huygens, Christian 34,

318 Sınıf Kimya - I-İ-J - Işık hızı 34, 35, 40, 54, 55, 57 İdeal çözelti 289, 295 İdeal gaz 181, 182, 189, 198, 200, 201, 205, 206, 212, 213, 214 İndüklenmiş dipol 140, 157, 158, 162, 163, 164, 165, 170, 172, 174 İnfrared ışınlar 37 İyonik bağ 97, 112, 143, 144, 145, 146, 150, 151, 152, 177, 249, 251 İyonik kristal 250, 264, 268 İyonlaşma enerjisi 51, 84, 95, 100 İzotop 27, 71, 73, 75, 76, 82, 184 Joule-Thomson Olayı 211, 216, 255 Joule, James 216, K - Katalizör 123, 208 Katot ışını 22 Kelvin, Lord 194 Kesikli spektrum 29 Kısmi basınç 206, 208, 210, 243 Kısmi hacim 206, 207, 257 Kinetik Teori 179, 182, 186, 195, 200, 212, 213, 214, 217 Kohezyon 221, 224, 225, 251, 254 Koligatif özellik 258, 287 Kovalent kristal 251, 265 Kristal katılar 247, 248, 249, 252 Kuantum 20, 31, 34, 40, 42, 46 Kuantum sayısı 59, 117 Kütle spektrometresi 73, 74, 75 Kütle spektrumu 77 - L - Lewis yapıları 134, 135 London kuvvetleri 140, 161, 162, 215, 249 London, Fritz 161 Lussac,Gay 195 Lyman serisi 47, 48 - M - Manyetik kuantum 59, 61, 62 Mariotte, E. 189, 190, 191, 192 Mendeleyev, D. 49, 85, 88, 128 Metalik bağ 140, 153, 154, 155, 156, 249, 251 Meyer, Julius Lothar 87 Millikan, Robert A. 24, 42, 58, 80 Mol kesri 203, 207, 244, 271, 278 Molalite 271, 276, 278, 293, 308 Molarite 271, 275, 277, 280, 310 Moseley, Henry G. J. 27, 29, 89 Mutlak sıcaklık 187, 194, N - Naftalin 233, 235 Newlands, John A. R. 85, 87 Newton, Isaac 34, 39, 186 Nükleer 49, 123, O-Ö - Oktav kanunu 87, 128 Orbital örtüşmesi 143, 147 Ozmos 287, P - Parametre 56 Paschen serisi 47, 48 Pauli ilkesi 59, 67 Pauli, Wolfgang 61 Pfund serisi 43 Pigment 124, 127 Planck kuramı 31, 41, 46, 54, 78 Planck, Max 34, 40, 41, 42 Plücker, Julius 22 Polimer 163 Politetrafl oroetilen 119, 163 Pozitif elektrik 17, 32 Pozitif ışınlar 26, 27 Proton 15, 20, 26, 33, 55, 78, 80, 98, R - Ramsay, William 48 Reaktör 123 Reçine 16 Rutherford 20, 31, 35, 46, 41, 58 Rutherford un deneyi 32 - S-Ş - Sabun miseli 304 Schrödinger, Erwin 54, 60, 70, 78 Siyah cisim ışıması 35, 40, 42 Solvatasyon 259, 267, 269 Spin 61, 66, 68, 80 Stoney, George Johnstone 21, 22 Süblimleşme 161, 234, 254, 255, 312 Sürekli spektrum 29, 39, 41, 43 - T - Tam küresel 68, 156 Ters ozmos 298, 304 Thomson, J.J 22, 23, 32, 80 Thomson, William 216, 217 Triadlar kuralı 86, 128, U-Ü - Ultraviyole ( UV ) 37, 47, 81, V - Van der Waals kuvvetleri 97, 164, 168, 249, 250, 251 Viskozite 227, 228, 252 Volta, Alessandra 17 - W - Wien, Wilhelm 42, 43 - X - X- ışınları 24, 27, 28, 30, 35, 37, 54, 55, 56, 79, 81, 89, 96, 248, Y - Yarı küresel 68, 156 Young deneyi 34, 39, 40, 56 Young, Thomas 39 Yükseltgenme 110, 116, 117, 119, 120, 121, 124, 129, 131, 315 Yüzey aktif madde 226, 227 Yüzey gerilimi 211, 213, 214, 217

319 KAYNAKÇA Atkins, Peter; Loretta Jones, Temel Kimya, Çev: E. Kılıç, F. Köseoğlu ve H.Yılmaz, Cilt I, Bilim Yayıncılık, Atkins, Peter; Loretta Jones, Temel Kimya, Çev: E. Kılıç, F. Köseoğlu ve H.Yılmaz, Cilt II, Bilim Yayıncılık, Berkem, Ali Rıza; Sacide Baykurt, Fizikokimya, Fatih Yayınevi, İstanbul, Chang, Raymond, D., Genel Kimya Temel Kavramlar, Çev : Tahsin Uyar, Serpil Aksoy, Recai İnam, Palme Yayıncılık, Ankara, Erdik, Ender; Yüksel Sarıkaya, Temel Üniversite Kimyası, On sekizinci Baskı, Gazi Kitabevi, Ankara, Mahani, Bruce H., Üniversite Kimyası, Çev: Cemil Şenvar, Erfüz Edgüer, Cilt II, Hacettepe Üniversitesi Yayınları, Ankara, Mortimer, C. E., Modern Üniversite Kimyası, Çev: T. Altınata ve diğerleri, Cilt I, Çağlayan Kitabevi, İstanbul, Mortimer, C. E., Modern Üniversite Kimyası, Çev: T. Altınata ve diğerleri, Cilt II, Çağlayan Kitabevi, İstanbul, Ölmez, Halis ve Veysel T. Yılmaz, Anorganik Kimya Temel Kavramlar, Dördüncü Baskı, Marmara Kitap Merkezi Yayınları, İstanbul, Ankara, Petrucci, Ralph H.; William S. Harwoord, Geoffrey Herring, Genel Kimya İlkeleri ve Modern Uygulamalar, Çev: Tahsin Uyar, Serpil Aksoy, Cilt I, Palme Yayıncılık, Ankara, Petrucci, Ralph H.; William S. Harwoord, Geoffrey Herring, Genel Kimya İlkeleri ve Modern Uygulamalar, Çev: Tahsin Uyar, Serpil Aksoy, Cilt II, Palme Yayıncılık, Ankara, Sarıkaya, Yüksel, Fizikokimya, Dokuzuncu Baskı, Gazi Kitabevi, Ankara, Sayılı, Aydın, Atatürkçülük II. Kitap: Atatürk ve Atatürkçülüğe İlişkin Makaleler, M.E.G.S.B. Millî Eğitim Basım Evi, Ankara, Sieno, M. J.; R.A. Plane, Temel Kimya, Çev: Necla Gündüz ve diğerleri, Üçüncü Baskı, Savaş Yayınları, Fen Bilimleri Dizisi, Tokmakçıoğlu, Ethem, Fizik (Elektrik, Optik, Atom fiziği), Bizim Büro, Ankara, Tunalı, Namık Kemal; Saim Özkar, Anorganik Kimya, Altıncı Baskı, Gazi Kitabevi, Ankara, Tunalı, Namık Kemal; Saim Özkar, Anorganik Kimya, İkinci Baskı, Gazi Üniversitesi Yayınları, No: 185, Ankara, Zeren, Ayhan, Elektrokimya Temel Bilgiler, Ofset Yayınları, Ankara. 319

320 Sınıf Kimya

321 321

322

323

324