T.C. MİLLÎ EĞİTİM BAKANLIĞI MEGEP (MESLEKİ EĞİTİM VE ÖĞRETİM SİSTEMİNİN GÜÇLENDİRİLMESİ PROJESİ) KİMYA TEKNOLOJİSİ ELEMENTEL ANALİZ VE MOL KÜTLESİ ANKARA 2008
Milli Eğitim Bakanlığı tarafından geliştirilen modüller; Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığının 02.06.2006 tarih ve 269 sayılı Kararı ile onaylanan, Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında kademeli olarak yaygınlaştırılan 42 alan ve 192 dala ait çerçeve öğretim programlarında amaçlanan mesleki yeterlikleri kazandırmaya yönelik geliştirilmiş öğretim materyalleridir (Ders Notlarıdır). Modüller, bireylere mesleki yeterlik kazandırmak ve bireysel öğrenmeye rehberlik etmek amacıyla öğrenme materyali olarak hazırlanmış, denenmek ve geliştirilmek üzere Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında uygulanmaya başlanmıştır. Modüller teknolojik gelişmelere paralel olarak, amaçlanan yeterliği kazandırmak koşulu ile eğitim öğretim sırasında geliştirilebilir ve yapılması önerilen değişiklikler Bakanlıkta ilgili birime bildirilir. Örgün ve yaygın eğitim kurumları, işletmeler ve kendi kendine mesleki yeterlik kazanmak isteyen bireyler modüllere internet üzerinden ulaşılabilirler. Basılmış modüller, eğitim kurumlarında öğrencilere ücretsiz olarak dağıtılır. Modüller hiçbir şekilde ticari amaçla kullanılamaz ve ücret karşılığında satılamaz.
İÇİNDEKİLER AÇIKLAMALAR...iii GİRİŞ...1 ÖĞRENME FAALİYETİ-1...3 1. ORGANİK BİLEŞİKLER VE YAPISI...3 1.1. Organik Kimyanın Tarihçesi...3 1.2. Organik ve Anorganik Bileşiklerin Karşılaştırılması...4 1.3. Kimyasal Bağlar ve Sınıflandırılması...5 1.3.1. Elektronegatiflik...5 1.3.2. İyonik Bağ...6 1.3.3. Kovalent Bağlar...8 1.3.4. Elektron Nokta Yapısı (Lewis Yapısı)...10 1.3.5. Sigma ( ) ve Pi ( ) Bağları...11 1.3.6. Hibritleşme...11 1.3.7. Koordine Kovalent Bağ...20 1.3.8. Moleküller Arası Bağlar...21 UYGULAMA FAALİYETİ...29 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...32 ÖĞRENME FAALİYETİ-2...35 2. ORGANİK BİLEŞİKLERDE HİDROJEN ARANMASI...35 2.1. Hidrojenin Fiziksel Özellikleri...35 2.2. Hidrojenin Kimyasal Özellikleri...35 2.3. Hidrojenin Elde Edilişi...36 2.4. Kullanıldığı Yerler...36 2.5. Analizin Yapılışı...36 UYGULAMA FAALİYETİ...38 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...40 ÖĞRENME FAALİYETİ 3...42 3. AZOT...42 3.1. Azotun Özellikleri...42 3.2. Azot un Önemli Bileşikleri...43 3.3. Azot un Kullanım Alanları...43 3.4. Azot Tayini...43 3.4.1. Sodyum Eritişiyle Azot Tayini...43 3.4.2. Amonyak Oluşumuyla Azot Tayini...43 3.5. Azot, Kükürt ve Halojen Tayininde Dikkat Edilecek Noktalar...44 UYGULAMA FAALİYETİ...45 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...49 ÖĞRENME FAALİYETİ-4...51 4. KÜKÜRT...51 4.1. Kükürtün Özellikleri...51 4.2. Önemli Kükürt Bileşikleri...52 4.3. Kükürtün Kullanım Alanları...52 4.4. Kükürt Tayini...53 4.5. Dikkat Edilecek Noktalar...53 UYGULAMA FAALİYETİ...54 i
ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...55 ÖĞRENME FAALİYETİ-5...57 5. HALOJENLER VE ÖZELLİKLERİ...57 5.1.Halojen Tayini...58 UYGULAMA FAALİYETİ...59 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...62 ÖĞRENME FAALİYETİ-6...64 6. EBÜLİYOSKOPİ...64 UYGULAMA FAALİYETİ...65 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...67 ÖĞRENME FAALİYETİ-7...69 7. KRİYOSKOPİ...69 UYGULAMA FAALİYETİ...71 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...74 MODÜL DEĞERLENDİRME...76 CEVAP ANAHTARLARI...79 KAYNAKÇA...81 ii
AÇIKLAMALAR AÇIKLAMALAR KOD 524KI0026 ALAN Kimya Teknolojisi DAL Kimya MODÜLÜN ADI Elementel Analiz ve Mol Kütlesi Organik kimyanın tarihçesi ve organik bileşiklerin yapısında MODÜLÜN TANIMI bulunan temel elementlerin ve halojenlerin aranması ile ilgili bilgi ve becerilerin kazandırıldığı öğrenme materyalidir. SÜRE 40/32 ÖN KOŞUL YETERLİK Organik bileşiklerde elementel analiz yapmak ve mol kütlesini bulmak Genel Amaç Gerekli ortam sağlandığında, kuralına uygun olarak organik bileşiklerde elementel analiz yapabilecek ve mol kütlesini bulabileceksiniz. Amaçlar 1. Gerekli ortam sağlandığında, kuralına uygun olarak organik bileşikte karbon arayabileceksiniz. 2. Gerekli ortam sağlandığında, kuralına uygun olarak organik bileşikte hidrojen arayabileceksiniz. 3. Gerekli ortam sağlandığında, kuralına uygun olarak MODÜLÜN AMACI organik bileşikte azot arayabileceksiniz. 4. Gerekli ortam sağlandığında, kuralına uygun olarak organik bileşikte kükürt arayabileceksiniz. 5. Gerekli ortam sağlandığında, kuralına uygun olarak organik bileşikte halojen arayabileceksiniz. 6. Gerekli ortam sağlandığında, kuralına uygun olarak organik bileşiklerde kaynama noktası yükselmesinden yararlanarak molekül ağırlığını bulabileceksiniz. 7. Gerekli ortam sağlandığında kuralına uygun olarak organik bileşiklerde donma noktası alçalmasından yararlanarak molekül ağırlığını bulabileceksiniz. Ortam Sınıf, atölye, laboratuvar, işletme, kütüphane, ev, bilgi EĞİTİM ÖĞRETİM teknolojileri ortamı ( internet ) vb. kendi kendinize veya grupla çalışabileceğiniz tüm ortamlar ORTAMLARI VE Donanım DONANIMLARI Projeksiyon, bilgisayar, DVD çalar, televizyon, bek, üçayak, tel amyant, deney tüpü, lastik tıpa, destek, dik açılı cam boru, huni, beher, termometre, hassas terazi,ıspatula, piset, damlalık, süzgeç kâğıdı iii
ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Modülün içinde yer alan herhangi bir öğrenme faaliyetinden sonra, verilen ölçme araçları ile kendi kendinizi değerlendireceksiniz. Modül sonunda öğretmeniniz tarafından ölçme teknikleri uygulanarak modül uygulamaları ile kazandığınız bilgi ve becerileriniz ölçülerek değerlendirilecektir. iv
GİRİŞ GİRİŞ Sevgili Öğrenci, Bilimsel metot kullanan insan, bağımsız düşünerek tümevarım yöntemini kullanıp mantıklı sonuca varabilir. Böylece konuları öğrenmenin ötesinde, bilgilerin hangi yolla kazanılabileceği de öğrenilmiş olur. Bununla insan ezbercilikten kurtulur. Bu modülde de organik bileşiklerde karbonun, hidrojenin, azotun, kükürtün ve halojenin tanınması deneylerini görüp bir yargıya varabileceksiniz. Ayrıca kaynama noktası yükselmesinden ve donma noktası alçalmasından yararlanarak çözünen organik maddenin molekül ağırlığının nasıl hesaplanacağını öğreneceksiniz. Ülkemizin her alanda olduğu gibi eğitim alanında da gelişmesi tamamen siz gençlere bağlıdır. Sizler sorumluluk noktasındaki görevlerinizi yerine getirirseniz, başarılı ve üretken bir fert olursanız ülkemiz gelişir. 1
2
ÖĞRENMEGİRİŞ FAALİYETİ 1 AMAÇ ÖĞRENME FAALİYETİ-1 Gerekli ortam sağlandığında, kuralına uygun olarak organik bileşikte karbon arayabilecek bilgi, beceri ve deneyime sahip olabileceksiniz. ARAŞTIRMA Glikozun yapısında hangi elementler bulunur? Araştırınız. Karbon bileşiklerinin doğal kaynakları nelerdir? Araştırınız. 1. ORGANİK BİLEŞİKLER VE YAPISI 1.1. Organik Kimyanın Tarihçesi Organik bileşiklerin yapısı, bu bileşikler arasındaki etkileşmeyi inceleyen kimya dalına organik kimya denir. İnsanlık birçok organik bileşiği çok eskiden beri tanımakta ve onları doğal kaynaktan elde edebilmekteydi ( şekerli maddelerden alkol, yağlardan sabun, odundan aseton vb.). Daha sonra kimyasal ayrıştırma yöntemleri geliştikçe bunların sayısı giderek artmıştır (Üzüm suyundan tartarik asit, idrardan üre, indigo ve alizarin sarısı gibi boyalar vb.). Organizmada bulunan bu maddelerin yapısında C,H,O ve az miktarda N, P, S, F, Cl, Br, I ve Fe gibi elementlerin bulunduğu 18.yy. belirlenmiştir.yine aynı yüzyılda bitki ve hayvanlarda bulunan bileşiklerin, canlı maddelerdekinden farklı olduğu saptanmıştır.19. yy. başlarında Berzelyus bu bileşiklerin oluşumuna, yaşayan organizmalarda bulunan yaşam gücünün neden olduğunu ileri sürmüştür. Organik sözcüğü, organizma sözcüğünden türemiştir.1828 yılına kadar bilinen bütün organik bileşiklerin kaynağı hayvanlar ve bitkilerdi. Ancak 1828 de WÖHLER o zamana kadar yalnız idrardan elde edilen üreyi (amonyum siyanatı) ısıtarak elde etti. Böylece ilk olarak organik bir madde sentez edilmiş oldu. O NH 4 CNO H 2 N C NH 2 Amonyum siyanat 3 Üre
Bugün ise birçok organik madde sentez yoluyla elde edilmektedir. Ancak sentezlerin ilkel maddeleri olan maden kömürü ve petrolün, milyonlarca yıl önce ölmüş bitki ve hayvan kalıntıları olduğunu düşünürsek, organik bileşiklerin kaynağı yine canlı organizmalardır. İnorganik bileşik sayısı 75 000 kadar olduğu hâlde yüz binlerce organik bileşik vardır. Ancak bir tek karbon (C) elementinin bu kadar çok çeşitli bileşiğinin var olması nasıl mümkün olur? 6C : 1s 2 2s 2 2p 2 C elementinin değerlik elektronları sayısı 4 tür. Bu yüzden herhangi bir C atomunun kararlı bir bileşik oluşturabilmesi için, ya diğer C atomlarıyla ya da başka atom veya gruplarla 4 eşit kovalent bağ yapması gerekir. Yani, bir C atomunun yaptığı bağ sayısı dörttür. C atomunun başka karbonlarla ya da gruplarla bağ yapması sonucu uzun zincirler, dallanmış zincirler ya da halka yapılı kovalent bağlı bileşikler meydana gelebilir. Her farklı atom dizilişi belirli özellikleri olan molekülleri meydana getirir. Zincirdeki veya halkalardaki C sayısına ve bu karbon atomlarına bağlanan grup veya elementlerin çeşit ve sayısına C atomları arasındaki bağ sayısına bağlı olarak da çeşitli özellikte yeni yeni yapılar meydana gelir. Organik kimyada C temel elementtir. Karbonun yanında hidrojen, oksijen, azot, halojenler, kükürt ve fosfor elementleri bulunabilir. Yani hepsi ametaller sınıfında bulunan elementlerdir. Molekül yapısı ve bundan doğan fiziksel ve kimyasal özellikler C iskeletinin yapısına bağlıdır. Bir organik bileşikte birbiri ile bağlanan C atomları o bileşik molekülünün iskeletini oluşturur. Bundan dolayı organik kimyadaki bileşikler anorganik kimyadaki bileşiklerden fiziksel özellik bakımından oldukça farklıdırlar. Bu farklılıklar aşağıda maddeler hâlinde belirtilmiştir. 1.2. Organik ve Anorganik Bileşiklerin Karşılaştırılması Tablo 1.1: Organik ve anorganik bileşiklerin bazı özellikleri ORGANİK BİLEŞİKLER Erime ve kaynama noktaları genellikle düşüktür. Çabuk bozunurlar. Genellikle kovalent karakterli moleküler yapıdadırlar Organik tepkimeler yavaş gerçekleşirler. Genellikle iki yönlüdürler Bileşik sayısı milyonlar civarındadır. Yanarlar CO 2 ve H 2 O oluştururlar Genellikle organik çözücülerde çözünürler. ANORGANİK BİLEŞİKLER Erime ve kaynama noktaları genel olarak yüksektir. Yüksek sıcaklıklara dayanıklıdırlar Genellikle iyonik bağ içeren iyonlu bileşiklerdir. Tepkimeleri genel olarak hızlıdırlar. Bileşik sayısı yüz bin civarındadır. Bir kaçı dışında yanmazlar. CO, SO 2 ve H 2 gibi maddeler yanar. Genellikle suda çözünürler. 4
1.3. Kimyasal Bağlar ve Sınıflandırılması Atomları bir arada tutan kuvvetlere bağ denir. Atomlar arasında bağ oluşup oluşmayacağını ve oluşuyorsa bağ cinsini anlamak için, elementlerin elektronegatifliklerini bilmek gerekir Aynı ya da farklı tür atomların kuvvetli etkileşimlerle bir arada tutulmalarını sağlayan kuvvetlere kimyasal bağ denir. Yüksek enerjili kararsız atomlar aralarında bağ yaparak daha düşük enerjili molekülleri oluştururlar. Bu olay sırasında bir miktar enerji açığa çıkar. Tersi olaylarda da reaksiyonun olması için enerji verilir. Bu enerjilere kimyasal bağ enerjisi denir. Bağ oluşurken açığa çıkan enerji, bağı kırmak için gereken enerjiye eşittir. Bağ enerjisi büyük olan atomun bağı daha kuvvetlidir. Kimyasal bağlar, atomlar arasında elektron ortaklaşması ya da elektron alışverişi sonucu oluşur. Kimyasal bağları, iyonik ve kovalent bağ diye sınıflandırabiliriz. Atomlar düşük enerjili ve kararlı yapıda olmak isterler. Kararlı olmak için elektron alışverişi yaparak ya da elektronları ortak kullanarak elektron düzenlerinin soygaz kararlılığında olmasını isterler. Elementlerin elektron alışverişi yaparak ya da ortak kullanarak elektron sayılarını 2 ye tamamlamalarına dublet, 8 e tamamlamalarına oktet kuralı denir. 1.3.1. Elektronegatiflik Bir kimyasal bağ iki atom arasında oluşur. Bir atomun bağ elektronlarını çekme isteğine elektronegatiflik denir. Çekme isteği büyük olan atomun elektronegatifliği daha büyüktür. Elektronegatiflik bir enerji birimi değildir. Elektronegatiflik periyodik tabloda genellikle aynı periyotta soldan sağa doğru ve aynı grupta aşağıdan yukarı doğru artar. Elektronegatifliği en büyük olan element flor(f) dur. Bunun için flor bütün bileşiklerinde negatif değerlik alır, florun pozitif değerliği yoktur. 5
Tablo1.2: Bazı Elementlerin elektronegatif değerleri Element Elektronegatiflik H 2.1 Li 1.0 Na 0,9 Be 1,5 Mg 1,2 F 4,0 Cl 3,0 Br 2,8 I 2,5 O 3.5 S 2,5 N 3,0 1.3.2. İyonik Bağ Bir metal ile bir ametal arasında elektron alışverişiyle oluşan bağa iyonik bağ denir. İyonik bağ içeren bileşiklere iyonik bileşikler denir. Resim 1.1: Yemek tuzu kristal yapıdadır. Elektron veren element verdiği elektron sayısı kadar (+) iyon, elektron alan element aldığı elektron sayısı kadar ( ) iyon değerliği kazanır. Örnek: 12 Mg ile 9 F elementlerinin oluşturacağı bileşiğin bağ türünü belirtiniz. 6
Çözüm: 12Mg : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 9F: 1s 2 2s 2 2p 5 Magnezyum atomunun son yörüngesinde iki, flor atomunun son yörüngesinde yedi elektron vardır. Magnezyum florür bileşiği oluşurken, magnezyum atomu son yörüngesindeki iki elektronunu verir. Oktet kuralına uyarak son yörüngesindeki elektron sayısını sekize tamamlar. Bu iki elektronun her birini bir flor atomu alır. Flor atomları da oktet kuralına uyarak son yörüngelerindeki elektron sayılarını sekize tamamlarlar. Elektron alışverişinden sonra magnezyum atomu (+2) iyon, flor atomları ( 1) iyon hâline geçerler. Zıt elektrikle yüklenen magnezyum ve flor atomları birbirlerini çekerler. Böylece aralarında iyonik bağ oluşur. Örnek: 11 Na ile 17 Cl arasındaki bağ yapısını inceleyiniz. Çözüm: 11Na : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 şeklindedir. Na elementi 1A grubundadır. Metal özelliği gösterir. Son yörüngesinde 1 elektron olduğu için 1 elektronu vererek okted kuralına uymak ister. Na elementi bileşiklerinde +1 değerlik alır ve soygaz elektron düzenine varır. 11 Na + : 1s 2 2s 2 2p 6 17 Cl : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 şeklindedir. Klor elementi 7A grubundadır. Ametal özelliği gösterir. Son yörüngesinde 7 elektron olduğu için bir elektron alarak oktede ulaşmak ister. Cl elementi bileşiklerinde -1 değerlik alır ve soygaz elektron düzenine varır. 17Cl - : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Na +1 ve Cl -1 elektriksel çekimi ile birbirini kuvvetle çekerek NaCl iyonik bağlı bileşiğini oluşturur. 7
Şekil 1.1: İyonik yükler İyonların yükleri artıkça iyonik bağın kuvveti de artar. Kuvvetlilikte iyonların birbirine olan uzaklıkları da (atom çapı) önemlidir. Çapı büyük olan metal daha sağlam iyonik bağ yapar. Yükleri aynı olan farklı atomların bir iyonla yaptıkları bileşikte atom çapları farklı olduğundan bağ sağlamlıkları da farklı olur. 1.3.3. Kovalent Bağlar İyonlaşma enerjileri veya elektronegatiflikleri aynı ya da birbirine çok yakın olan ametal atomlarının, bağ oluştururken elektron alışverişi yapmaları çok zordur. Bu atomlar kararlı bir yapıya ulaşmak için değerlik elektronlarından bazılarını ortaklaşa kullanırlar. Atomların elektronlarını ortaklaşa kullanarak yaptıkları bağa kovalent bağ denir. Ametal olan H, C, O, F, N, S, Cl, Br, I gibi atomlar arasında kovalent bağ kurulur. Kullandığımız su (H 2 O), havadan aldığımız O 2 moleküllerinin atomları arasında kovalent bağ bulunduran maddelerdir. Ametallerin değerlik elektronları sayısı soy gazların değerlik elektron sayısına yakın ancak eksiktir. Bunun için ametaller elektron alıcıdırlar. Elektron alarak elektron düzenlerini soy gaz elektron düzenine benzetmeye çalışırlar. Ametaller elektron almadıkları zaman kendi aralarında elektron ortaklığı kurarlar. Bağ sayısı ametalin yarı dolu orbital sayısı ile ilgilidir. Ametal sahip olduğu yarı dolu orbital sayısınca bağ yapar. Hidrojenin elektron dağılımı, 1H : 1s 1 8
1 tane yarı dolu orbitali olduğundan 1 bağ yapabilir. H 2 molekülünde atomlar arasında tekli bağ vardır. Hidrojen atomları birer elektronlarını ortak kullanarak H H yani H 2 molekülünü oluştururlar. Resim 1.2: Apolar kovalent bağlı hidrojen molekül modeli 9F atomunun değerlik elektron sayısı 7 olduğundan birer elektronlarını ortak kullanarak tek bağlı F F yani F 2 molekülünü oluşturur. Flor molekülünün oluşumu şu şekildedir. 9F : 1s 2 2s 2 2p 5 F - F F 2 Bu şekilde bir bağ eşit kuvvetli atomlar tarafından ortak kullanılırsa oluşan bağa apolar kovalent bağ denir. 9
8O atomunun değerlik elektron sayısı 6 olduğundan ikişer elektronlarını ortak kullanarak iki bağlı, O = O yani O 2 molekülünü oluştururlar. 7N atomunun değerlik elektron sayısı 5 olduğundan üçer elektronlarını ortak kullanılarak üç bağlı, N N yani N 2 molekülünü oluşturur. F 2, O 2 ve N 2 moleküllerinde olduğu gibi aynı atomlar arasında oluşan kovalent bağların tamamı apolar kovalent bağdır. Örnek: 1 H ile 9 F nin yapacağı kovalent bağı inceleyiniz. Çözüm: 1H : 1s 1 9F : 1s 2 2s 2 2p 5 H nin son yörüngesinde 1 tane elektron olduğundan 1 yarı dolu orbitali vardır. F nin son yörüngesinde 7 tane elektron olduğundan 1 yarı dolu orbitali vardır. Son yörüngelerindeki elektronlarını soy gaz düzenine ulaştırmak için birbirlerinden birer tane elektronları ortak kullanıldığından H - F bileşiği oluşur. Böyle oluşan bileşiklere kovalent bağlı bileşikler denir. Farklı elementler arasında oluşan bu tip kovalent bağlara polar kovalent bağ denir. SO 2 bileşiğinde kükürt ile oksijen atomlarının çekirdek çekim kuvvetleri farklı olduğundan aralarındaki bağlar polar kovalent bağdır. SO 2 bileşiğindeki gibi farklı ametal atomları arasında oluşan H 2 O, HCl, NH 3 gibi kovalent bağlı bileşikler de polar kovalent bağlıdır. 1.3.4. Elektron Nokta Yapısı (Lewis Yapısı) Bir elementin değerlik elektronlarının, atomun sembolü etrafında bir nokta ile gösterilmesini içerir. Bunun için Amerikalı G.N.Lewis kendi adı ile anılan sembolleri kullanmıştır. Azot atomunun değerlik elektron sayısı 5 tir. 10
N sembolünün etrafına 5 tane nokta konulmalıdır. Lewis sembollerinde her nokta bir elektronu ifade eder. Tablo 3: Bazı elementlerin Lewis nokta yapıları Element Yapısı Elektron Dağılımı Değerlik Elektron - Sayısı Lewis Nokta 1H 1s 1 1 H. 3Li 1s 2 2s 1 1 Li. 4Be 1s 2 2s 2 2.Be.. 5B 1s 2 2s 2 2p 1 3.B. 1.3.5. Sigma ( ) ve Pi ( ) Bağları Atomlar arasında oluşan ilk bağlara sigma( ) bağı adı verilir. İki atom arasında oluşan ikinci ve üçüncü bağlara pi ( ) bağı adı verilir. Buradan şu sonucu çıkarabiliriz. İki atom arasında sigma bağı oluşmadan pi bağı oluşmaz. Sigma bağları, pi bağlarına göre daha kuvvetlidir. Bunun için reaksiyon sırasında ilk önce pi bağları kopar. H 2, H H molekülünde 1 sigma vardır. O 2, O = O molekülünde 1 sigma, 1 pi bağı vardır. N 2, N N molekülünde 1 sigma, 2 pi bağı vardır. 1.3.6. Hibritleşme Bazı moleküllerin bağ yapısını, atomların temel hâl elektron dizilişi ile açıklamak yeterli olmaz. Örneğin; temel elektron dizilişine göre, C atomunun iki kovalent bağ yapabilme kapasitesi vardır. Karbon atomunun dört kovalent bağ ile diğer atomlara bağlanmış olduğu kararlı moleküllerinin varlığı da bilinmektedir. O hâlde C atomunun dört yarı dolu orbitalinin bulunması gerekir. Dört kovalent bağ kapasitesine ulaşmak için C 11
atomunun 2s elektronlarından biri daha yüksek enerjili boş 2p orbitallerinden birine geçer. Bu elektron dizilişine sahip karbon atomuna uyarılmış karbon atomu denir. Uyarılma için gereken enerji bu orbitalin kimyasal bağ oluşturması sırasında açığa çıkan enerji ile karşılanır. Bir atomda değerlik elektronlarının bulunduğu orbitallerin örtüşerek özdeş yeni orbitaller oluşturması olayına hibritleşme (melezleşme ), oluşan yeni orbitallere de hibrit orbitalleri denir. Hibritleşmeye; Bir tane s, bir tane p orbitali katılırsa hibritleşmeye sp hibritleşmesi, Bir tane s, iki tane p orbitali katılırsa hibritleşmeye sp 2 hibritleşmesi, Bir tane s, üç tane p orbitali katılırsa hibritleşmeye sp 3 hibritleşmesi, adı verilir. Karbon atomunun elektron dağılımı, 6C 1s 2 2s 2 2p 2 şeklindedir. Karbon atomunun normal hâli; Bu durumda karbon atomunun bağ yapabilecek 2 tane eşleşmemiş elektronu gözüküyor. Fakat 4 hidrojen atomu ile bağ yapması bekleniyor. Karbon atomu enerji verilerek uyarıldığında hibritleşir ve 4 tane bağ yapabilecek yarı dolu orbitali oluşur. Karbon atomunun hibritleşmiş hâli; C atomunda hibritleşmeye bir tane s orbitali ile 3 tane p orbitali katıldığı için, oluşan hibrit orbitalleri sp 3 hibrit orbitalleridir. Enerji alan karbon atomunun orbital şeması aşağıdaki gibi gösterilir. 12
1.3.6.1. İkinci Sıra Elementlerinin Hidrojenle Oluşturduğu Bileşikler Periyodik cetvelde ikinci sıra, lityum elementi ile başlar; neon soy gazı ile sona erer. Değişik biçimlerde bağ oluşturulan bu elementlerin bazılarını inceleyelim: Lityum Tablo 1.4: İkinci sıra elementleri Gruplar 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 2.periyot A grubu elementleri 3Li 4Be 5B 6 C 7 N 8 O 9 F 10Ne Elektron dizilişine göre Li ve H atomlarının birer tane değerlik elektronları vardır. Bu nedenle Li ve H atomları kovalent bağla bağlanarak LiH molekülünü oluşturur. Atomlar arasındaki bağ Li H şeklinde gösterilir. LiH molekülü doğrusaldır. Şekil 1.2: LiH ün orbital şeması 13
Berilyum Bu elektron dizilişine göre değerlik orbitali dolu olan berilyumun başka atomlarla bağ yapmaması beklenir. BeH 2 bileşiğinin varlığı bilindiğine göre berilyum atomunda 2s orbitali ile 2p orbitalinden birisi hibritleşerek sp hibrit orbitallerini oluşturması gerekir. Berilyum atomunun 2s orbitalindeki elektronlardan bir tanesi uyarılarak 2p orbitallerinden birine geçer. Böylece, yarı dolu iki tane sp hibrit orbitali oluşur. Bu durumda berilyum yarı dolu sp orbitalleri ile 2 bağ yaparak BeH 2 molekülünü oluşturur. Elektronların birbirini itmelerinin en az olacağı konumda bulunmaları için molekülü doğrusaldır. Bağ açısı 180 o dir. Be-H bağları polar olmasına karşın, BeH 2 molekülü apolardır. Çünkü bağ polarlığını gösteren vektörlerin bileşkesi sıfırdır. Şekil 1.3: BeH 2 ün orbital şeması Bor 5B: 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 0 2p z 0 1H: 1s 1 14
Elektron dizilişlerine göre yarı dolu bir değerlik orbitali olan borun, bir bağ yapması beklenir. BH 3 bileşiğinin varlığı, sp 2 hibrit orbitallerinin oluşmasıyla açıklanabilir. Bor atomunun 2s orbitalindeki elektronlardan bir tanesi, uyarılarak 2p orbitallerinden birine geçer. Bir tane s iki tane p orbitalinin hibritleşmesi ile üç tane yarı dolu sp 2 hibrit orbitali oluşur. Bu durumda bor, hidrojenle 3 bağ yaparak BH 3 molekülünü oluşturabilir. Özdeş üç sp 2 orbitali üç hidrojen atomunun s orbitalleri ile örtüşerek üç tane sigma bağı yapar. Bu bağlar, bir düzlemde birbirinden en uzak konumda bulanabilecekleri şekilde yönlenir. Bu yüzden molekül geometrisi düzlem üçgen olup, bağ açıları 120 o dir. B-H bağları polar olmasına karşın, molekül geometrisinden dolayı molekül apolardır. Karbon Şekil 1.4: BH 3 molekülünün orbital şeması 15
C atomunda hibritleşmeye bir tane s orbitali ile 3 tane p orbitali katıldığı için, oluşan hibrit orbitalleri sp 3 hibrit orbitalleridir. Enerji alan karbon atomunun orbital şeması aşağıdaki gibi gösterilir. Karbon, sp 3 hibrit orbitallerini kullanarak H atomları ile düzgün dört yüzlü geometriye sahip CH 4 molekülünü oluşturur. Düzgün dört yüzlünün köşelerinde H atomları, merkezinde C atomu bulunur. Bu konumda bağları oluşturan elektron çiftleri arasındaki itme kuvvetleri en aza iner. Bağ açıları 109,5 o dir. Şekil 1.5: CH 4 molekülünün orbital şeması sp 2 Hibritleşmesi Eğer karbon atomu başka bir atoma bir çift bağ ile bağlanmış ise, karbon atomu sp 2 hibritleşmesine uğramıştır. 16
Örneğin C 2 H 4 (etilen) molekülünde C atomunun yarı dolu 2s orbitali ile yarı dolu olan 2p orbitallerinden iki tanesi hibritleşmeye girerek, özdeş üç tane sp 2 hibrit orbitali oluşturmuştur. 2p orbitallerinden biri hibritleşmeye katılmamıştır. Oluşan 3 tane hibrit orbitali aynı düzlemdedir. Karbon atomu bir eşkenar üçgenin merkezindedir. Hibrit orbitalleri üçgenin köşelerine doğru yönelmişlerdir. Orbitaller arasındaki açı 120 o dir. Hibritleşmeye katılmayan 2p orbitali eşkenar üçgen düzlemine dik konumda ve bir bölümü düzlemin üstünde, diğer bölümü altındadır. C 2 H 4 molekülü oluşurken karbon atomlarının yarı dolu sp 2 hibrit orbitallerinden iki tanesi, iki tane hidrojen atomunun s orbitalleri ile, üçüncü sp 2 hibrit orbitalide diğer karbon atomunun yarı dolu sp 2 hibrit orbitallerinden biri ile örtüşür. Böylece bir tane C C ve dört tane C H sigma bağı oluşur.karbon atomlarının hibritleşmeye katılmayan p orbitalleri ise yan yana örtüşerek pi bağını oluşturur. Şekil 1.6: C 2 H 4 molekülünde kovalent bağların orbital şeması sp Hibritleşmesi Karbon atomu C 2 H 2 ( ) molekülünde olduğu gibi, bir sigma iki pi bağı oluşturmuşsa, sp hibritleşmesi yapmıştır. Bu tür hibritleşmede 2s orbitali ile 2p orbitallerinden biri hibritleşmeye katılarak özdeş 2 tane sp hibrit orbitali oluşturur. 2p orbitallerinden diğer ikisi hibritleşmeye katılmaz. Oluşan sp hibrit orbitalleri bir doğru üzerindedir. Hibritleşmeye katılmayan 2p orbitalleri ise, bu doğruya ve birbirine dik olarak yönlenmiştir. C 2 H 2 molekülünün oluşmasında, 2 karbon atomunun sp hibritleşmesi yapmış iki orbitali uç uca örtüşerek C C sigma bağını oluşturur. C atomlarının diğer sp hibrit orbitalleri, H atomlarının s orbitalleri ile uç uca örtüşerek C H sigma bağlarını oluşturur. Hibritleşmeye katılmamış, birbirine ve bağ eksenine dik 2p orbitalleri, yan yana örtüşüp 2 tane bağı oluştururlar. Oluşan molekül doğrusal olup bağ açısı 180 o dir. 17
Şekil 1.7: C 2 H 2 molekülünde kovalent bağların orbital şeması Azot 7N : 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 2p z 1 Azot atomları da karbon atomlarına benzer biçimde sp 3 hibritleşmesi yapar, ancak oluşan dört hibrit orbitalinde 5 tane elektron bulunur. N atomu hidrojen ile NH 3 molekülü oluşturur. N atomları sp 3 hibritleşmesi yaptığında CH 4 da olduğu gibi NH 3 ın da düzgün dört yüzlü olması beklenir. Ancak bağ yapmayan elektronlar, bağ elektronlarını iterek bağ açılarını daraltır ve bağ açıları düzgün dört yüzlü açısı olan 109,5 o den daha küçük olur. NH 3 molekülündeki bağ açıları bu yüzden 107 o dir. Şekil 1.6: Amonyağın orbital şeması 18
Tablo 1.5: Bazı moleküllerin hibrit şekli, molekülün geometrisi ve molekülündeki bağ acısı Örnek (bağ sayısı) Hibrit Şekli Geometrisi Bağ açısı( ) BeH 2 sp Doğrusal 180 AlCl 3 sp 2 Üçgen düzlem 120 CH 4 sp 3 Düzgün dörtyüzlü 109.5 PCl 5 sp 3 d Üçgen pramit 120-90 SF 6 sp 3 d 2 Sekiz yüzlü (octahedral) 90 1.3.6.1. İkili ve Üçlü Bağ Yapısı Karbon atomu sp 3, sp 2, sp hibritleşmeleri yapabilir. Karbon atomu diğer atomlara C şeklinde bağlanmış ise, sp 2 hibritleşmesi yapmıştır. C atomunun yaptığı ikili bağdan biri sigma, diğeri bağıdır. C atomu diğer atomlara C şeklinde bağlanmış ise sp hibritleşmesi yapmıştır. C atomunun yaptığı üçlü bağdan biri sigma, diğer ikisi bağıdır. Etilen molekülünde karbon atomları sp 2 hibritleşmesine uğrayarak, birbirine çift bağ ile bağlanmıştır. Bu bağlardan biri sigma, diğer ikisi bağıdır. Asetilen molekülünde karbon atomları sp hibritleşmesine uğrayarak, birbirine üçlü bağ ile bağlanmıştır. Bu bağlardan biri sigma, diğer ikisi bağıdır. 1.3.6.2. Rezonans Bazı molekül ya da iyonlar için tek bir elektron nokta formülü yeterli değildir. Örneğin, SO 2 molekülü için Lewis yapısı yazılırsa aşağıda görüldüğü gibi iki olasılıkla karşılaşırız. Bu formüllerde S ve O atomlarının yerleri aynı, ancak ortaklaşa kullanılan elektronlarının yerleri farklıdır. S ile O atomları arasındaki bağlardan biri tek, diğeri ise çift 19
bağlıdır. Bu durumda bağ özelliklerinin farklı olması beklenir. Ancak yapılan deneyler her iki bağın da aynı özellikte, aynı uzunlukta olduğunu göstermiştir. Bu durumda yukarıdaki elektron-nokta formüllerinin ikisi de SO 2 yapısını tam olarak göstermemektedir. Bu yüzden, SO 2 yapısı için iki elektron nokta formülü de yazılır. Bu yapılara rezonans denir. Örnek: O 3 gösteriniz ( 8 O) molekülünün elektron - nokta formülünü yazıp, rezonans yapısını Çözüm: 8O: 1s 2 2s 2 2p 4 6 değerlik elektronu var. O 3 molekülünü oluşturan 3 tane O atomundan 3x6= 18 değerlik elektronu vardır.bu 18 elektron, 3 atomun çevresine yerleştirilir.her üç atomun da çevresinde 8 elektron bulunmalıdır. Elektron nokta yapısı ise aşağıdaki gibidir. Şekil 1.7: O 3 molekülünün rezonans yapısı 1.3.7. Koordine Kovalent Bağ Bağ yapmak için kullanılan elektronlar aynı atom tarafından veriliyorsa bu tür kovalent bağlara koordine kovalent bağ denir. N (azot) atomu üç bağ yapabilir. N atomu üzerinde bulunan ortaklanmamış elektron çifti hidrojenle dördüncü bağ yapımında kullanılır. Böylece bu bağın oluşumunda elektronlar azot tarafından sağlanmış olur. 20
Şekil 1.8: Koordine kovalent bağ modeli 1.3.8. Moleküller Arası Bağlar Gaz hâlinde bulunan maddeleri oluşturan tanecikler arasındaki uzaklıkların ideal durumlarda çok büyük olduğunu, aralarında hiçbir çekim kuvvetinin olmadığını daha önce öğrenmiştik. Şimdi maddelerin taneciklerini katı ve sıvı hâlde bir arada tutan çekim kuvvetlerini ve bu kuvvetlerin maddelerin fiziksel özelliklerini (çözünürlük, iletkenlik, erime sıcaklığı, kaynama sıcaklığı vb.) nasıl etkilediklerini görelim. Örneğin, çekim kuvveti artıkça maddelerin erime ve kaynama noktası yükselir. Maddeler polar yapılı ise suda çözünür. Hareketli iyon içeriyorlarsa sulu çözeltilerinde elektrik akımını iletirler. 1.3.8.1. Metalik Bağ Şekil 1.9: Metalik bağ modeli Metal atomlarını katı ve sıvı fazda bir arada tutan kimyasal bağa metalik bağ denir. Metalik bağ, metal atomu çevresindeki küresel simetrik kovalent bağa benzetilebilir. Metallerin bir dizi özelliklerini açıklayabilen en basit metalik bağ modeli, katı hâldeki metali, elektron denizinde düzenli olarak konumlanmış pozitif iyon örgüsü olarak ifade edilir. 21
Metalik bir katıda değerlik elektronları serbestçe hareket ederek elektron denizini oluştururlar. Elektron denizi modeli, metalik özelliklerin birçoğunu başarıyla açıklar. Bilindiği gibi metaller, parlak görünümlüdür. Bir metalin yüzeyindeki elektronlar, yüzeye çarpan ışıkla (fotonla) aynı frekansta ışıyabilirler, bu da metallerin parlak görünmesine yol açar. Metaller, elektriği iyi iletir. Metalik bağı oluşturan elektronlar, herhangi bir atoma ya da iyona bağlı değildir, serbesttir. Bunun için metalin bir ucuna bir kaynaktan bir elektron girerse serbest elektronlar telin içinden geçer ve aynı hızla telin öteki ucundan çıkar. Metallerin dövülebilmesi, tel ve levha hâline getirilebilir olması da "elektron denizi" modeliyle kolaylıkla açıklanabilir. Metal iyonlarının bir tabakası darbe ile diğeriyle karşı karşıya gelmeye zorlanırsa, bu tabaka kayar, hiçbir bağ kırılması olmaz, elektron denizi yeni duruma uyum sağlar. Metallerin iletkenliği sıcaklık arttıkça azalır. Sıcaklık artışı, hem elektronların kinetik enerjisini hem de 'pozitif iyonların' titreşim hareketlerini artırır. Bunun sonucu, sıcaklık artışı elektriksel iletkenlikte düşmeye yol açar. Elektrolitlerde yani iyon hareketiyle elektrik akımı iletiminde ise sıcaklık artışı ile elektriksel iletkenlik de artar. 1.3.8.2. Kovalent Bağ ve Örgüsü Kovalent bağların, elektronların ortaklaşa kullanılması sonucu oluştuğunu görmüştük. Bazı katılarda, katıyı oluşturan tüm atomlar kovalent bağ ile birbirine bağlanarak kovalent kristalleri [ağ örgülü katıları] oluşturur. Bunun tipik örnekleri 4A grubu elementlerinde görülür. Karbon 4 kovalent bağ yapabilir. Elmas ve grafit, karbonun iki önemli ağ örgülü katısıdır. Elmasta her karbon atomu, bir düzgün dört yüzlünün köşelerinde yer alır. Karbon atomları arasındaki her bağ sp 3 hibrit orbitalleri ile oluşur. Elmasın yapısında birkaç atomdan oluşan basit moleküller değil, çok sayıda karbon atomunun zincirleme bağlanışından doğan dev bir molekül vardır. 4A grubu elementlerinden silisyum, germanyum ve gri kalay (kalayın allotropu) da elmas tipinde kristallenir. Elmas en sert doğal maddedir. Erime noktası çok yüksektir. (3600 o C) ve elektriği iletmez. Erime noktasının çok yüksek oluşu, elmasta karbon atomlarının çok sağlam bağlarla birbirine bağlandığını gösterir. Elmasta karbon atomları, komşu karbon atomlarına bir örgü hâlinde bağlandığından çok sağlam bir yapı oluşturmuştur. Karbon elementinin kristal şekillerinden biri de grafittir. Grafitte karbon atomları sp2 hibrit orbitalleri ile 3 tane sigma bağı yaparak, diğer üç karbon atomuna bağlanmıştır. Hibritleşmeye katılmayan p orbitalleri, pi bağlarını yapar. Bağların 120 o lik açı yapacak şekilde yönlenmiş olması ağ örgüsünün bir düzlemde kalmasını sağlar. Düzlemlerin arasındaki bağlar Van der Waals bağlarıdır. Bu bağların zayıf olması nedeniyle düzlemler bir 22
biri üzerinde kolayca kayarlar. Grafitin yumuşak olmasının nedeni budur. Pi bağlarındaki hareketli elektronlar sayesinde grafit elektrik akımını iletir. Silisyum karbür (SiC) ve silisyum dioksit (SiO2) de ağ örgülü katıdır. Allotropi: Aynı elementte ait atomlar farklı sayıda ve dizilişte bir araya gelerek farklı maddeler oluşturabilir. Bu olaya allotropi, maddelere de elementin allotropları denir. Örneğin, elmas ve grafit, karbon elementinin allotroplarıdır. Allotroplarda molekül biçimleri farklıdır. Çünkü atomların konumları farklı şekillerde düzenlenmiştir. Oksijen elementinin allotropu O 2 doğrusal, O 3 (ozon) ise doğrusaldır. Allotropların erime ve kaynama noktası, özkütle, elektrik iletkenliği gibi özellikleri farklıdır. Allotropların başka elementlerle oluşturduğu bileşikler aynıdır. Örneğin, elmas ve grafitin oksijenle oluşturdukları CO 2 molekülleri birbirinden farklı değildir. Allotropların fiziksel özellikleri farklı, kimyasal özellikleri aynıdır. Şekil 1.10: Elmasın kristal modeli 1.3.8.3. İyonik Yapılı Bileşiklerdeki Bağlar İyonik bağ ile oluşmuş bileşiklerde katyon ve anyonlar birbirini çekecek şekilde, üç boyutlu olarak bir araya gelip örgü yapısı oluşturur. Örgü yapısını oluşturan en küçük birim iyonlardır ve maddenin kristal yapısında olmasını sağlar. İyonlar ile oluşan kristallerin çeşitli geometrik şekilleri vardır. 23
Örneğin, NaCl iyonik katısı, her Na + iyonunun çevresinde 6 Cl - iyonu ve her Cl - iyonu çevresinde yine 6 Na + iyonunun bulunduğu kristal örgüden oluşmuştur. İyon yapılı kristallerinin genel özellikleri: İyon yapılı bileşiklerde iyonlar birbirine kuvvetli elektrostatik çekim kuvveti ile bağlı olduğundan, bu tür katıların erime ve kaynama noktaları oldukça yüksektir. Bu nedenle, oda koşullarında katıdırlar. İyonların serbest hareket edememesi ve elektronlarını tutabilmesi nedeniyle, bu maddeler katı hâlde iken elektrik akımını iletmez. İyon yapılı bileşiklerin sıvı hâllerinde veya çözeltilerinde iyonlar hareketlidir, bu nedenle iyon yapılı bileşikler eritildiğinde ya da çözündüğünde elektrik akımını iletir. 1.3.8.4. Van der Waals Bağı Gaz tanecikler sürekli hareket hâlindedir. Bu hareketleri sırasında birbirleri ile çarpışırlar. Çarpışma sonucu elektriklenme meydana gelir. Bunun sonucunda birbirlerine çekim uygularlar. Bu çekime Van der Waals çekimleri denir. Bir atom veya molekülde elektronların (özellikle değerlik elektronlarının) serbest hareketleri sırasında molekül içindeki elektron yoğunluğu sürekli değişir. Bir an için elektron yoğunluğu molekülün bir yanında daha büyük olabilir. Böylece, çok kısa bir süre için moleküllerin bir tarafı kısmen ( +), diğer tarafı ( -) olur ve çok sayıda molekülün zıt yüklü uçları birbirini çeker. İşte Van der Waals kuvvetleri, bu şekilde oluşan çok zayıf ve anlık çekim kuvvetleridir. Sıvı ve katı hâlde moleküller arasında yalnız Van der Waals kuvvetlerinin etkin olduğu maddeleri aşağıdaki gibi gruplayabiliriz. Soy gazlar (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) Moleküller hâlinde bulunan ametaller (H 2, O 2, N 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2, P 4, S 8 ) Apolar olan bileşikler (CH 4, C 2 H 4, C 2 H 6, CO 2, C 2 H 2, CCl 4 ) Polar moleküllerde ise, dipol-dipol çekim kuvvetlerinin yanında Van der Waals kuvvetleri de etkin olur. Van der Waals kuvvetleri molekül içi bağ kuvvetlerine göre çok zayıftır. Bu nedenle bu tür moleküllerin erime ve donma noktaları çok küçüktür. Gazların düşük sıcaklıkta ve yüksek basınçta, yoğunlaşarak katı kristalleri oluşturmaları Van der Waals bağlarının zayıf olduğunu gösterir. Van der Waals kuvvetleri; Toplam elektron sayısı, Moleküllerin büyüklüğü, Moleküllerin temas yüzeyi nicelikleri ile doğru orantılı olarak değişir. 24
CO 2 nin molekül kütlesi 44 g, CH 4 ün molekül kütlesi 16 gramdır. Molekül kütlesinin büyük olması Van der Waals bağının kuvvetli olmasına neden olur. CO 2 molekülleri arasındaki Van der Waals çekimi, CH 4 molekülleri arasındaki Van der Waals çekiminden daha büyüktür. Bu durumda CO 2 nin kaynama noktasının, CH 4 ün kaynama noktasından büyük olmasına neden olur. CH 4 ün k.n = - 161 o C, CO 2 nin k.n= - 78 o C dır. Ametallerde etkili olan Van Der Waals kuvvetleri aynı grupta aşağı doğru inildikçe artar ve erime ve kaynama noktasının yükselmesine neden olur. 1.3.8.5. Dipol- Dipol Bağı Bu tür etkileşim, polar moleküllere sahip bileşiklerin molekülleri arasında olur. Polar moleküllerde atomların, bağ elektronlarına uyguladığı çekim kuvvetleri farklıdır. Bu nedenle, bağ elektronları molekülün bir tarafında daha çok yoğunlaşmıştır. Bu tür moleküllerin bir tarafı kısmen eksi (-), bir tarafı kısmen artı (+) gibi düşünülür. Bir molekülün (+) ucu ile diğer molekülün (-) ucu arasında elektrostatik çekim kuvvetleri oluşur. Bu çekim kuvvetlerine dipol-dipol etkileşimi denir. Bu kuvvetler iyonlar arasındaki çekim kuvvetlerinden daha zayıftır. Maddenin katı ve sıvı hâlde bulunmasında, dipol- dipol çekim kuvvetleri yanında diğer çekim kuvvetleri de etkin olur. Polar moleküller arasındaki dipol-dipol etkileşimleri Van Der Waals çekim kuvvetlerinden çok daha büyüktür. Bu nedenle aynı mol kütlesine sahip iki maddeden polar olanının kaynama noktası, apolar olan maddenin kaynama noktasından daha yüksektir. Polar moleküllerden oluşan katılar, su gibi polar çözücülerde iyi çözünür. HCl, H 2 S, PCl 3, SCl 2, CH 3 Cl gibi polar moleküllerde kısmi (+) ve (-) uçlar bulunduğundan, bu tür moleküllerin arasında dipol-dipol etkileşimi görülür. 1.3.8.6. Hidrojen Bağı Bazı polar moleküller arasındaki çekim kuvvetleri, dipol-dipol kuvvetlerinden beklenenden çok daha yüksektir. Bu tür moleküllere örnek olarak H 2 O, HF ve NH 3 molekülleri verilebilir. Hidrojen atomu, elektronegatiflikleri yüksek olan N, O, F atomları ile kimyasal bağ oluşturduğunda diğer polar moleküllerdekine göre daha etkin bir (+) yük kazanır. Etkin (+) yük kazanan hidrojen, çevredeki moleküllerin (-) ucunu çekerek moleküller arasında hidrojen bağı denilen bir bağ oluşur. Hidrojen bağı dipol-dipol etkileşmesinden farklıdır. 25
Örneğin, H 2 O molekülündeki hidrojen bağları aşağıda gösterilmiştir. Şekil 1.11: Su molekülünde hidrojen bağı Kovalent bağlara göre zayıf olan hidrojen bağları dipol - dipol etkileşiminden daha kuvvetlidir. Kendi molekülleri arasında hidrojen bağı bulunan iki ayrı bileşiğin molekülleri de birbiriyle hidrojen bağı oluşturabilir. Örneğin, CH 3 OH ile H 2 O, aralarında hidrojen bağı oluşturur. Aralarında hidrojen bağı oluşturabilen sıvı maddeler birbirleri içerisinde çok çözünür. 1.3.9.1. Basit Formül Bir bileşiği oluşturan elementlerin türünü ve en küçük birleşme oranlarını gösteren formüle basit formül denir. Basit formülde molekülü oluşturan atomların gerçek sayıları görülmediğinden çoğu kez basit formülle bileşiğin hangi bileşik olduğu anlaşılamaz. Örneğin, CH basit formülüne sahip birden fazla bileşik olabilir. Adı Molekül formülü Basit formülü Asetilen C 2 H 2 CH Benzen C 6 H 6 CH Bir bileşiği oluşturan elementlerin kütlelerinin ya da kütlece yüzde bileşimlerinin bilinmesi durumunda bileşiğin basit formülü bulunabilir. Örnek: Kütlece % 80 karbon % 20 hidrojen içeren bileşiğin basit formülü nedir? (C:12, H:1) Çözüm: Bileşiğin formülünü C x H y ile gösterelim. 100 g bileşikte, 80 g karbon ve 20 g hidrojen bulunduğuna göre karbon ve hidrojen atomlarının mol sayılarını bulalım: n c = 80 12 20 3 26
n H = 1 20 = 20 CxHy C 20/3 H 20/1 her iki tarafı 3 ile çarpılırsa, C 20 H 60 olur. Her iki atomların mol sayısını 20 ye bölerek sadeleştirirsek bileşiğin kaba formülü CH 3 olarak bulunur. 1.3.9.2. Molekül Formülü Bir moleküldeki atomların türlerini ve sayılarını gösteren formüle molekül formülü denir. Bir bileşiğin molekül formülünden; Molekülündeki atomların türü, Molekülündeki atom sayıları Bir molündeki elementlerin mol sayıları, Bileşiğin basit formülü bilinir. Elementlerin yüzde bileşimi hesaplanabilir. Molekül formülleri, basit formüllerin tam sayılı katlarıdır. (Basit formül) n = Molekül formülü eşitliği yazılabilir. n. (Basit formülün kütlesi) = Molekül kütlesi Buna göre, bir bileşiğin molekül formülünün bulunabilmesi için, basit formülünün ve molekül kütlesinin bilinmesi gerekir. Örnek: 0,5 molü tam yandığında 88 gram CO 2 ve 2,5 mol H 2 O veren organik bileşiğin formülü nedir? ( C:12, H: 1, O:16) Çözüm: Bir bileşiğin 1 molünün yanmasıyla kaç g CO 2 ve kaç mol H 2 O oluştuğunu hesaplayalım. 0,5 molü yandığında 88 g CO 2 oluşuyor ise 1 molünden 2.88 = 176 g CO 2 oluşur. 0,5 molü yandığında 2,5 mol su oluşuyor ise 1 molünden 2.2,5 = 5 mol H 2 O oluşur. n CO2 176 4mol 44 27
n H2O 5mol suda 10 mol H atomu olduğundan n C = 4 mol CO 2 bileşiğinde 4 mol C atomu olduğundan C 4 H 10 Bileşiğin formülü C 4 H 10 olur. 1.3.9.3. Yapı Formülü Bir molekülü oluşturan atomların molekül içinde birbirine bağlanış biçimleri yapı formülü ile gösterilir. Bu formülde bağı oluşturan elektron çiftleri çizgi şeklinde gösterilir. H H C H veya CH 4 H H H H C C H veya H 3 C CH 3 H H Molekül formülü aynı olup, yapı formülü farklı olan maddeler vardır. Aşağıdaki tabloda böyle maddelere örnekler verilmiştir. Organik Bileşik Yapı Formülü Tablo 1.6: Bazı bileşiklerin molekül ve yapı formülleri Aldehit Keton Eter Alkol O C 2 H 5 C H O C 2 H 5 O CH 3 C 3 H 7 OH CH 3 C CH 3 Molekül Formülü C 3 H 6 O C 3 H 6 O C 3 H 8 O C 3 H 8 O 28
UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ İşlem Basamakları Kireç suyu çözeltisi hazırlayınız. Deney tüpüne organik madde alınız. Öneriler İş önlüğünüzü giyerek çalışma masanızı düzenleyiniz. Çalışma ortamınızı hazırlayınız. Kullanacağınız malzemeleri önce çeşme suyu,sonra saf su ile temizleyip kurumasını sağlayınız. Bunun üzerine bakır (II) oksit ilave ediniz. Maddelerin tamamen karışmasını sağlayınız. 29
Tüpün ağzını cam boru geçirilmiş lastik tıpa ile kapatınız. Lastik tıpayı vazelinleyiniz. Diğer tüpe kireç suyu ilave etmeyi unutmayınız. Karışımı bek alevinde ısıtınız. Kısık ve mavi alevle çalışınız. Oluşan gazı kireç suyu bulunan çözeltiye gönderiniz. 30
Kireç suyundaki bulanıklığı gözlemleyiniz. Kullandığınız malzemeleri temizleyiniz. Sonuçları rapor ediniz. Kullandığınız tüm malzemeleri önce çeşme suyunda sonra saf su ile yıkayarak kuruduktan sonra yerlerine kaldırmaya unutmayınız. Meydana gelen reaksiyon denklemlerini yazmayı unutmayınız. 31
ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME OBJEKTİF TEST (ÖLÇME SORULARI) İlk 5 soru için uygun seçeneği seçiniz, diğer sorular için doğru veya yanlış seçeneği kullanarak işaretleyiniz. 1. CH 4 ve CH 3 CH 3 bileşikleri için, I. Molekülleri arasında Van der Waals çekimleri vardır. II. İkisi de suda çözünmez. III. CH 4 polar, CH 3 CH 3 apolardır. yargılarından hangileri doğrudur? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) II ve III 2. 2. Deneme I. NaCl II. CO 2 III. H 2 O Yukarıdaki bileşiklerin kaynama noktaları arasındaki ilişki aşağıdakilerden hangisinde doğru olarak verilmiştir? A) I > II > III B) II> III > I C) IIII > I > II D) I > III > II 3. Aşağıdaki moleküllerden hangisinin molekülleri arasında dipol-dipol etkileşimi yoktur? A) H 2 O B) C 2 H 2 C) NH 3 D) CH 2 O 32
4. XY 2 bileşiğinin sulu çözeltisi elektrik akımını iletmektedir. Buna göre; I. X Y bağı polardır. II. Molekülde (pi ) bağı vardır. III. Molekül apolar özellik gösterir. yargılarından hangileri kesinlikle doğrudur? A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve III D) II ve III 5. 5. Deneme I. KCl II. PCl 3 III. CH 3 O CH 3 Yukarıdaki moleküllerden hangileri iyonik bağ özelliği gösterir? ( 1 H, 6 C, 15 P, 8 O, 17 Cl) A) Yalnız I B) Yalnız II C) I, II ve III D) I ve II 6. Organik bileşikler yandıkları zaman CO 2 ve H 2 O oluştururlar. A) Doğru B) Yanlış 7. Tüm organik bileşikler suda çözünürler. A) Doğru B) Yanlış 8. AlCl 3, organik bir bileşiktir. A) Doğru B) Yanlış DEĞERLENDİRME Yukarıdaki teste verdiğiniz cevapları, cevap anahtarı ile karşılaştırınız. Eksik konularınız varsa, bu eksikliğin neden kaynaklandığını düşünerek arkadaşlarınızla tartışınız. Öğretmeninize danışarak, tekrar bilgi konularına dönüp eksiklerinizi gideriniz 33
UYGULAMALI TEST (YETERLİK ÖLÇME) Organik bileşikte karbonun varlığını gösteren uygulama faaliyetini yaparak, raporunuzu yazınız. İşlemlerden sonra aşağıdaki kontrol listesini doldurunuz. Cevabı Hayır olan soruları öğretmeninize danışınız. Gerekli malzemeler: Deney tüpü Delikli mantar tıpa Destek Dik açılı cam boru Isıtma düzeneği Beher Değerlendirme Ölçütleri Evet Hayır 1 İş önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? 2 Kullanılacak malzemeleri temin ettiniz mi? 3 Deney tüpü aldınız mı? 4 Deney tüpüne organik madde aldınız mı? 5 Üzerine bakır (II) oksit ilave ettiniz mi? 6 Tüpün ağzını cam boru geçirilmiş lastik tıpa ile kapattınız mı? 7 Karışımı bek alevinde ısıttınız mı? 8 Oluşan gazı kireç suyu bulunan çözeltiye gönderdiniz mi? 9 Oluşan gazı kireç suyu bulunan çözeltiye gönderdiniz mi? 10 Kireç suyundaki bulanıklığı gözlemlediniz mi? 11 Malzemeleri temizleyip yerine kaldırdınız mı? 12 Deney raporunuzu hazırlayıp öğretmeninize teslim ettiniz mi? DEĞERLENDİRME Bu yeterlilik sırasında bilgi konularında veya uygulamada anlamadığınız veya beceri kazanamadığınız konuları tekrar ediniz. Konuları arkadaşlarınızla tartışınız. Kendinizi yeterli görüyorsanız diğer öğrenme faaliyetine geçiniz. Yetersiz olduğunuzu düşünüyorsanız öğretmeninize danışınız. 34
ÖĞRENME FAALİYETİ 2 AMAÇ ÖĞRENME FAALİYETİ-2 Gerekli ortam sağlandığında kuralına uygun olarak organik bileşikte hidrojen arayabilecek bilgi ve beceriye sahip olabileceksiniz. ARAŞTIRMA Uzay araçlarında hangi tür yakıt kullanılmaktadır? Araştırınız. Hidrojen, IA grubunda olmasına rağmen neden ametal özellik gösterir? Araştırınız. 2. ORGANİK BİLEŞİKLERDE HİDROJEN ARANMASI Hidrojen, atmosfer katmanının üstünde çok az miktarda serbest olarak bulunur. Yeryüzünde daima bileşikleri hâlindedir. En önemli bileşiği sudur. Hayvansal ve bitkisel dokuların yapısındaki temel elementlerdendir. 2.1. Hidrojenin Fiziksel Özellikleri Hidrojen renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Suda çok az çözünür. Bilinen en hafif elementtir. Difüzyon özelliği çok fazladır, gözenekli çeperlerden kolaylıkla geçer. Özkütlesi d= 1,293 g /l dir (Havadan 14,4 defa daha hafiftir.) 2.2. Hidrojenin Kimyasal Özellikleri Yanıcıdır. H 2 + 1/2 O 2 H 2 O tepkimesi patlama şeklinde olur. 1500 ºC sıcaklık oluşur. 68,34 kcal/mol ısı açığa çıkarır. H 2, N 2 ile NH 3 ü oluşturur 3H 2 + N 2 2 NH 3 Hidrojen çok kuvvetli indirgen bir maddedir. Oksitli metal bileşiklerden metalleri açığa çıkarır. ( Alkali metal oksitleri hariç) CuO + H 2 Cu + H 2 O 35
2.3. Hidrojenin Elde Edilişi Suyun elektrolizinden elde edilir. İçine bir miktar H 2 SO 4 konmuş su, platin elektrotlarla elektroliz edilirse katotta H 2 oluşur. H 2 O H 2 + ½ O 2 Alkali metallerin suya etkisinden elde edilir. Na + H 2 O NaOH + 1/2H 2 ( soğuk suda) Zn + H 2 O ZnO + 1/2H 2 ( sıcak suda ) Kızgın kok kömürü üzerinden su buharı geçirilerek elde edilir. (sanayide kullanılır) 1500 o C C + H 2 O H 2 + CO Su gazı Aktif metaller üzerine asit etkisi ile; Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 2.4. Kullanıldığı Yerler Amonyak, HCl ve CH 3 COOH eldesinde kullanılır. Sıvı yağların katılaştırılmasında kullanılır (margarin oluşumu). Kaynakçılıkta kullanılır. Uzay araçlarında yakıt olarak kullanılır İndirgen olarak kullanılır. 2.5. Analizin Yapılışı Az miktarda organik madde ile bakır oksit karışımının, deney tüpünde ısıtılması sonucu oluşan su ve karbondioksitin belirlenmesi temeline dayanır.tüpün çeperlerinde su buharının yoğunlaşması ile oluşan damlacıklar suyun varlığını, çıkan gazın Ba(OH) 2 ya da Ca(OH) 2 i bulandırması da CO 2 nin varlığını kanıtlar. CuO/ısı Organik madde + O 2 CO 2 + H 2 O CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O 36
İkinci tepkimede Ca(OH) 2 yerine Ba(OH) 2 kullanılırsa CaCO 3 yerine BaCO 3 çökeleği oluşur. CO 2 + Ba(OH) 2 BaCO 3 + H 2 O Nitel karbon ve hidrojen aranması iki deney hâlinde gerçekleştirilebilir. 37
UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ İşlem Basamakları Organik maddeyi deney tüpüne alınız. Öneriler İş önlüğünüzü giyerek çalışma masanızı düzenleyiniz. Çalışma ortamınızı hazırlayınız. Kullanacağınız malzemeleri önce çeşme suyu sonra saf su ile temizleyip kurumasını sağlayınız. Üzerine bakır (II) oksit ilave ediniz. İlave yaparken dikkatli olunuz. Maddelerin tamamen karışmasını sağlamayı unutmayınız. Başka bir deney tüpüne daha önceden kurutulmuş bakır (II) sülfat koyunuz. Bakır (II) sülfatı etüvde 100 o C a kadar ısıtarak kurutunuz. 38
Düzeneği kurunuz. Düzeneği kurarken lastik tıpaları vazelinleyiniz. Organik maddeyi bek alevi ile ısıtınız. Düşük mavi alev ile çalışınız.. Bakır(II) sülfatta oluşan mavi rengin oluşumuna bakarak hidrojenin varlığını tespit ediniz. İyi gözlem yapınız. Malzemeleri temizleyip yerine kaldırınız. Kullandığınız malzemelerin kurumasını sağladıktan sonra kaldırınız. Sonuçları rapor ediniz. Raporunuzda amacınızı, işlem basamaklarınızı ve sonucunuzu içeren bir rapor hazırlayınız. 39
ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME OBJEKTİF TEST (ÖLÇME SORULARI) Aşağıdaki ilk 3 soruda uygun seçeneği işaretleyiniz. 4 ve 5.sorularda doğru veya yanlış oluşlarına göre işaretleyiniz. 1. 8 g H 2 nin yanması sonucu NŞA da kaç l H 2 O oluşur? ( H: 1 ) A) 5,6 B) 89,6 C) 8,96 D) 44,8 2. 3,6 g H 2 O nun elektrolizinden NŞA da kaç l H 2 gazı oluşur? ( H:1, O: 16 ) A) 67,2 B) 2,24 C) 4,48 D) 22,4 3. 6,5 g çinkonun 50 ml HCl ile tepkimesinden NŞA da 2,24 l hidrojen gazı elde edildiğine göre asidin molaritesi nedir? ( Zn : 65 ) A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 4. Hidrojen indirgen bir maddedir. A ) Doğru 5. Hidrojen bir metaldir. A ) Doğru B) Yanlış B ) Yanlış DEĞERLENDİRME Yukarıdaki teste verdiğiniz cevapları, cevap anahtarı ile karşılaştırınız. Eksik konularınız varsa, bu eksikliğin neden kaynaklandığını düşünerek arkadaşlarınızla tartışınız. Öğretmeninize danışarak, tekrar bilgi konularına dönüp eksiklerinizi gideriniz. 40
UYGULAMALI TEST (YETERLİK ÖLÇME) Organik maddede hidrojenin varlığını gösteren uygulama faaliyetini yaparak, raporunuzu yazınız. İşlemlerden sonra aşağıdaki kontrol listesini doldurunuz. Cevabı Hayır olan soruları öğretmeninize danışınız. Gerekli malzemeler: Deney tüpü Tüplük Lastik tıpa Bek Üçayak Amyant tel Destek Dik açılı cam boru Değerlendirme Ölçütleri Evet Hayır 1 İş önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? 2 Kullanılacak malzemeleri temin ettiniz mi? 3 Deney tüpüne organik madde aldınız mı? 4 Üzerine bakır( II) oksit ilave ettiniz mi? 5 Bek alevinde kısık ateşte ısıttınız mı? 6 Bakır (II) sülfatın renk değişimini gözlemlediniz mi? 7 Malzemeleri temizleyip yerine kaldırdınız mı? 8 Hesaplamaları yapıp raporunuzu hazırladınız mı? DEĞERLENDİRME Bu yeterlilik sırasında bilgi konularında veya uygulamada anlamadığınız veya beceri kazanamadığınız konuları tekrar ediniz. Konuları arkadaşlarınızla tartışınız. Kendinizi yeterli görüyorsanız diğer öğrenme faaliyetine geçiniz. Yetersiz olduğunuzu düşünüyorsanız öğretmeninize danışınız 41