MADDE BİLGİSİ 2 Kimyanın Gelişimi (Simyadan Kimyaya) Değersiz maddeleri altın veya gümüşe çevirebilme (felsefe taşını bulma), tüm hastalıkları iyi edecek ve insanı ölümsüz yapacak hayat iksirini bulma uğraşlarına simya (alşimi), bu işle uğraşanlara da simyacı (alşimist) denir. Simya, kimya gibi bir bilim dalı değil kimyanın bilim öncesindeki halidir. Simya maddeleri deneme-yanılma yoluyla keşfeder, sistematik bilgi birikimi ve teorik temelleri yoktur. Simya, felsefe, astroloji, tıp, din ile yakından ilgilenmiştir. Bu Güneş Altın nedenle 7 tane elementi gök cisimleriyle ilişkilendirmişlerdir. Ateşin kontrol altına alınmasıyla simya, sonra bilim ola- Venüs Bakır Ay Gümüş rak kimya doğmuştur. Merkür Civa Simyacılar, kükürtle kayısı, incir, üzümü kurutmuşlar ve eti Mars Demir tuzlayarak kurutup saklamışlardır. Koyu mavi Kıbrıstaşı (vitriyol, FeSO 4 Jüpiter Kalay ), sarı renkli şap (KAl(SO 4 ) 2 ), turuncu renkli alizarin, siyah renkli PbS ve yeşil renkli malahiti boyama-süslemede Saturn Kurşun kullanmışlardır. Yemek tuzu (NaCl), nişadır, barut, cam, seramik, sabun, esans ve kozmetik üretimi, metallerin işlenmesi, çeşitli şifalı otlar, göztaşı (CuSO 4 ), metal işlemeciliği, dericilik simyadan kimyaya aktarılan önemli bulgulardandır. Simyacılar çeşitli laboratuvar aletlerini geliştirerek (imbik gibi) damıtma, özütleme, mayalandırma, süzme, eleme, çözme, kristallendirme gibi ayırma teknikleri bulmuşlardır. Bu nedenle, bazı asitler özellikle Cabir İbn-i Hayyan tarafından imbik kullanılarak damıtma yoluyla elde edilmiştir. Örneğin; FeSO 4 ün su ile damıtılmasından zaçyağı (H 2 SO 4 ) FeSO 4 ün KNO 3 le damıtılmasından kezzap (HNO 3 ) FeSO 4 ün NaCl ile damıtılmasından tuz ruhu (HCI) elde etmişlerdir. Ortaçağ bilim tarihi İslam medeniyetinin gelişme tarihinden itibaren başlatılır ve iki döneme ayrılır. 1. dönemde (8. -13. yy) batının bilime hiç katkısı yoktur. Bu dönemde Türk ve İslam bilginlerinin bilime katkıları çoktur. Dönemin ünlü bilginlerinden Cabir İbn-i Hayyan, Huneyn Bin İshak, Ebubekir Razi, El-Biruni, Al-Khazini, Farabi, İbni Sina nın bilime katkıları çok büyüktür. Örneğin; Cabir İbn-i Hayyan nişadır, (NH 4 Cl), cehennem taşı (AgNO 3 ), kezzap (HNO 3 ), zaç yağı (H 2 SO 4 ), tuz ruhu (HCl), güherçile (KNO 3 ) ve kral suyunu (HCl+HNO 3 ) keşfetmiştir. 2. dönemde (13.-16. yy) batıda fiziğin geliştiği ve üniversitelerin kurulduğu dönemdir. Element Kavramının Tarihsel Gelişimi Eski Yunan ve Avrupa felsefesinin babası sayılan Miletos lu Thales (M.Ö. 624-545) her şeyin sudan geldiğini düşünüyordu. Miletos lu Anoximenes (M.Ö. 585-525) ise her şeyin havadan geldiğini, Heracleitos (M.Ö. 540-480) ise her şeyin kökeni ateştir şeklinde düşünüyordu. Empledoces ise (M.Ö. 484-424) evren toprak, su, hava, ateş ve bunların yanında sevgi-nefret gibi iki kuvvetin her şeyin temelini oluşturduğunu düşünmüştür. Maddenin tanecikli yapıda olduğu düşüncesini ve atom kuramını özellikle Yunanlı Democritos (M.Ö. 460-370) söylemiştir. Democritos; atomu bölünemez, sert ve dolu olarak tanımlamıştır. ateş Atomistik felsefesi (M.Ö. 384-322) Aristo felsefesiyle yıkılmıştır. Aristo, tüm maddelerin hava, su toprak, ateş denilen 4 ele- kuru sıcak mentten oluştuğunu ileri sürmüştür. Sıcak, soğuk, kuru ve ıslak da her şeye uygun gelen özellikler vardır. Bunlardan soğuk ve toprak hava ıslak, suyu (sıvı olan şey), soğuk ve kuru, toprağı (katı olan şey) ıslak ve sıcak, havayı (gaz olan şeyi) kuru ve sıcak, ateşi (yanan şeyi) oluşturur. soğuk ıslak Yeni kimyanın gelişmesinin başlangıcını su XVII. yy oluşturur. Bu dönemin ünlü kimyacıları Van Helmont ve Boyle dur. Belçika lı Helmont, çalışmalarını deneye dayandırmış, hava ile karıştırılan öteki gazların da bulunduğunu bildirmiş ve gaz kelimesini ilk kez o kullanmıştır. Fizikçi Boyle, yanmalarda havanın önemli olduğunu deneyle ispat etmiştir. Böyle, Aristo dan farklı erken dönem element kavramını ileri sürerek, daha basit maddelere ayrılamayan maddelere element demiştir. Antik dönem düşüncesini yıkan bu element görüşü yanma olayının nasıl gerçekleştiğini açıklayamıyordu. XVIII. yy. flogiston dönemidir. Bu teori Alman kimyacılar Becher ve Stahl tarafından ortaya atılmış olup, yanma yanan maddenin ateş maddesi yani flogistan çıkarması olayıdır. Buna göre yanan her maddenin kütlesi azalır. Teori kütleyi ve madde birleşmelerini dikkate almamıştır. Teoriye göre C ve S bileşik, su ve oksitler ise elementtirler. 1774 de Priestley; kırmızı civa oksiti ısıtarak flogistiksiz havayı (oksijeni) keşfetmiştir.
3 Aynı şekilde Scheele hava ve ateş hakkında kitap yazarak oksijeni (yakıcı hava) keşfetmiştir. Aynı dönemde kimyanın babası sayılan Lavoisier yaptığı deneylerle şöyle sonuçlar elde etmiştir: Hava bir element değildir, 4 element teorisi geçerli değildir. Yanma olayı, yanan maddenin havanın oksijeniyle birleşmesi olayıdır. Kimyasal tepkimelerde toplam kütle daima korunur. 17. yy ve 19. yy. larda kimyadaki gelişmeleri yeni cisimlerin keşfi ve kimyasal olayları düzenleyen temel kanunların bulunması dönemi olarak ifade edebiliriz. Kimya, maddenin iç ve dış yapısını, bileşimini, maddelerin özelliklerini ve birbirine dönüşümünü inceleyen bilim dalıdır. Madde, kütlesi olan ve uzayda yer kaplayan (hacmi olan) her şeye denir. Su, hava, altın birer maddedir. Maddenin şekil almış hâli ise cisimdir. Örneğin, gümüş madde, gümüş yüzük ise cisimdir. Yeryüzünde maddeler çoğunlukla katı, sıvı, gaz hâlinde bulunur. Maddelerin çok yüksek sıcaklıklarda görülen dördüncü hâline de plazma hâli denir. Bu hâl güneşte ve yıldızlarda görülür. KATI SIVI GAZ Şekil Belli Belirsiz Belirsiz Sıkıştırılma Sıkıştırılamaz Sıkıştırılabilir Tanecik hareketi Tanecikler arası boşluk Tanecikler arası çekim Titreşim Maddenin Ortak Özellikleri Titreşim, yer değiştirme Titreşim, yer değiştirme, dönme Çok az Az Çok Çok güçlü Güçlü Yok denecek kadar az Akıcılık Yok Var Var Bütün maddelerde bulunan madde miktarıyla doğru orantılı değişen ve ölçülebilen, maddeleri ayırt etmede kullanılmayan özelliklerdir. Bu özellikler kütle, hacim, eylemsizlik, tanecikli ve elektrikli yapıdır. Maddede Ayırtedici Özellikler Maddenin fiziksel hâline göre ayırt edici özellikler şöyle özetlenebilir: Ayırt Edici Özellik Katı Sıvı Gaz Öz kütle + + + Öz hacim + + + Erime noktası + Donma noktası + Kaynama noktası + Yoğunlaşma noktası + Çözünürlük + + + Öz ısı + + + Genleşme katsayısı + + Esneklik katsayısı + Buharlaşma Isısı + Akışkanlık + + Uzama katsayısı + İletkenlik katsayısı + 1. Öz kütle (d) Bir maddenin birim hacminin kütlesine özkütle denir. d m (kütle) V (hacim) Öz kütlenin tersi ise öz hacimdir. Ayırt edici özellikler miktara bağlı olmayan özelliklerdir. Bir özelliğin ayırt edici olabilmesi için maddelerin sıcaklık ve basınç değerleri aynı ve özelliğin ölçülebilir olması gereklidir. (+ ayırt edici olduğunu ifade eder.) Öz kütleyi etkileyen faktörler öz hacmi de etkiler. (m: kütle, V: hacim, d: öz kütle) Sabit basınç ve sıcaklıkta, arı maddelerin öz kütleleri daima sabittir. Katı ve sıvıların öz kütlesini sadece sıcaklık etkilerken gazların öz kütlesini sıcaklık ve hacim değişimi etkiler. Öz kütle; katı, sıvı ve gazlar için ayırt edicidir. Aynı koşullarda öz kütleleri farklı olan maddeler kesinlikle farklı maddelerdir. Öz kütlesi bilinen bir maddenin türü hakkında bilgi verilemez. Örneğin suyun öz kütlesi 1 g/cm 3 tür. Farklı maddelerin aynı koşullarda öz kütleleri 1 g/cm 3 olabilir. Katı ve Sıvılarda Öz kütle Arı katı ve arı sıvılarda sabit sıcaklıkta kütle ve hacim değişimi öz kütleyi etkilemez. α eğim tanα d m V (doğrunun eğimi öz kütleyi verir)
Gazlarda Öz Kütle Hacim sabit gaz eklenirse Hacmi büyüyen maddelere ait hacim - sıcaklık ve öz kütle - sıcaklık grafikleri Su donarken hacmi büyür, özkütlesi azalır. +4 ºC deki saf su ısıtılsa ya da soğutulsa hacmi büyür, öz kütlesi azalır. Hacim sabit sıcaklık değişirse Bu tip maddelerde d sıvı > d katı > d gaz olacağından katılar kendi saf sıvılarına konulduklarında dibe batmaz, sıvının üzerindedir. 4 Basınç sabit aynı gaz eklenirse Basınç sabit sıcaklık değiştirilirse Donarken Hacmi Değişen Maddelerde Öz kütle Hacmi küçülen maddelerin hacim - sıcaklık ve öz kütle - sıcaklık grafikleri Maddenin çok büyük bir kısmının katı sıvı gaz yönünde hâl değiştirirken hacimleri artar, yoğunlukları azalır. Bu tip maddelerde d katı > d sıvı > d gaz olduğundan katılar kendi saf sıvılarına daldırıldıklarında kabın dibine batarlar. 2. Genleşme Katsayısı 1 C lik sıcaklık artışında maddelerin hacimlerindeki oransal artışa genleşme katsayısı denir. Katılarda boyca, yüzeyce ve hacimce genleşme katsayısı ayırt edici iken sıvılarda yalnız hacimce genleşme katsayısı ayırt edicidir. Bütün gazların genleşme katsayısı aynı olup (1 / 273) ayırt edici değildir. Genleşme miktarı, uzama miktarı, esneme miktarı ayırtedici değildir, miktara bağlıdır. Genleşme katsayısı ise miktara bağlı değildir. 3. Esneklik Katsayısı Tel hâline getirilebilen (metaller, plastikler) maddeler için ayırt edici olup birim uzunlukta bir tele birim ağırlık asıldığındaki uzama miktarıdır. Yalnız katılar için ayırtedicidir. 4. Erime Noktası Katı bir maddenin sıvı hâle dönüşmesi sırasında sabit kaldığı sıcaklıktır. (Sıvının katılaşmasına donma denir) 5. Kaynama Noktası Sıvı bir maddenin gaz haline dönüşümü sırasında sabit kaldığı sıcaklıktır. (Gazın sıvılaşmasına yoğunlaşma denir.) 6. İletkenlik Katsayısı Elektriği ileten katıların elektrik iletkenlikleri farklı olduğundan bu farklılık katılar için ayırt edicidir. 7. Çözünürlük Belirli bir sıcaklıkta, bir çözünenin bir çözücü içerisinde çözünebildiği maksimum madde miktarıdır. Çözünürlük; çözücü ve çözünenin cinsine, sıcaklığa ve basınca bağlıdır. Çözünen ilavesi, su ilavesi, çözünen katının toz hâline getirilmesi çözünürlüğü etkilemez. Örneğin; yemek tuzu (NaCl) suda çözünür alkolde çözünmez. Naftalin (C 10 H 8 ) alkolde çözünür, suda çözünmez. 8. Öz Isı (Isınma Isısı) Bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1ºC değiştirmek için gereken enerjidir. Farklı maddelerin ve aynı maddenin farklı fiziksel hâllerinin öz ısıları genellikle farklıdır. Metaller, katı ve sıvı hâlde elektrik akımını elektron hareketi ile iletirler. İletim fizikseldir. Ametaller, grafit hariç elektriği iletmezler. Hiçbir bileşik katı hâlde elektriği iletmez. İyonik bileşiklerin sıvı ve sulu hâlleri iyon hareketi ile elektriği iletirler. İletim kimyasaldır. Alkollü su, saf su ve şekerli su, asit ve bazın saf sıvısı gibi maddeler elektriği iletmezler.
5 Maddenin Sınıflandırılması Saf olmayan madde (karışım) Homojen Karışım (Çözelti) Çözücü Çözünen Örnek Sıvı Katı Tuzlu su Sıvı Sıvı Kolonya Sıvı Gaz Gazoz Katı Katı Alaşımlar Katı Sıvı Cu Hg amalgamı Katı Gaz Pt metalinde H 2 gazı Gaz Gaz Hava Heterojen Karışım Süspansiyon Emülsiyon Diğerleri Sıvı Katı Sıvı Sıvı Gaz katı / Gaz - Sıvı (çamurlu su) (süt) Aerosol (Bulut, Sis) Adi karışım (Toprak) Koloit (krema) Bileşik Moleküler İyonik Farklı tür atomlardan oluşan aynı tür moleküller içe rirler. Bileşik molekülü: NH 3, CH 4 gibi Element sembollerinin bir araya getirilmesi ile oluşan formüllerle ifade edilirler. Örneğin; C ve H birer sembol C 2 H 6 bir formüldür. Kimyasal yöntemlerle bileşenlerine ayrıştırılabilirler. Bileşenleri arasında sabit bir kütle oranı vardır. Bileşenlerinin özelliklerini taşımazlar. Örneğin; H 2 yanıcı O 2 yakıcı olduğu halde oluşturdukları bileşik (H 2 O) yanıcı ve yakıcı değil, söndürücüdür. Homojen Madde Özellikleri ve bileşimi her yerinde aynı olan maddelerdir. Örneğin; buz, çiğ, kırağı, şeker Heterojen Madde Özellikleri ve bileşimi her noktasında aynı olmayan maddedir. Örneğin; toprak, odun, mazotlu su gibi. Heterojen karışımlar ile çözeltiler, parçacık boyutu temelinde karşılaştırıldığında tanecik boyutu 10-9 m den küçük olanlar çözelti 10-9 m ve 10-6 m arasında olanlar koloit, tanecik boyutu 10-6 m den büyük olanlar ise süspansiyon olarak tanımlanır. Arı (saf) Madde Tek cins tanecik (atom, molekül) içeren homojen maddelerdir. Elementler ve bileşikler saf maddelerdir. Arı maddeler hâl değişimi dışında homojen olup erime ve kaynama süresince sıcaklığı sabit kalır. MADDE Homojen veya heterojen olabilirler. Saf değildirler. Belirli ve sabit bir hal değiştirme sıcaklıkları yoktur. Bileşenlerin oranı na göre değişen yoğunluk, erime ve kaynama sıcaklıkları vardır. Farklı tür atom ve farklı tür moleküller içerirler. Belirli formül ya da sembolleri yoktur. Fiziksel yöntemler le bileşenlerine ayrıştırılabilirler. Bileşenleri arasında sabit bir kütle oranı yoktur. Bileşenleri özelliklerini kaybetmez. Kaynama sırasında sıcaklık değişebilir. Aynı cins atom ya da atomlardan oluşan moleküller içerirler. Element atomu: Ca, H, O Element molekülü: H 2, O 3, P 4, S 8 Sembollerle gösterirler. Sembol tek harften oluşuyorsa harf büyük (C, F, N); iki harften oluşuyorsa 1. harf büyük, 2. harf küçük (Ne, Fe, Cr) yazılır. Fiziksel ve kimyasal yöntemlerle daha basit maddelere ayrıştırılamazlar. Metal, ametal, yarı metal şeklinde sınıflandırılabilirler. Örneğin; B yarı metal, O ametal ve Al metaldir. Madde Buzlu su Duman Sis Köpük Şerbet Ayran Mazot - Su Tunç (bronz) Mutfak tuzu Altın (Au) Saf(arı) madde Element Ametaller Mattır. Dövülerek,tel ve levha hâline getirilemezler. Grafit hariç elektrik akımını iletmezler. Oda koşullarında katı, sıvı ya da gaz olabilirler (Cl 2 gaz, Br 2 sıvı, I 2 katıdır) Kendi aralarında kovalent bağlı bileşik oluştururlar. Hem elektron vererek hem de elektron alarak bileşik oluştururlar. Bileşiklerinde (+) ve (-) değerlik alabilirler. Gaz hâlinde genellikle iki veya daha fazla atom içeren moleküllü yapıda bulunurlar. Oksitlerinin sulu çözeltisi genellikle asit özelliği gösterirler. Yarı Metaller Bazı özellikleri metallere bazı özellikleri de ametallere benzeyen elementlerdir. B, Si, Ge, As, Se, Sb, Te, Po, ve Bi yarı metaldir. Tümü oda sıcaklığında katı hâldedir. İletkenlikleri sıcaklığa göre değişir. Erime ve kaynama sıcaklıkları yüksektir. Kendi aralarında ve ametallerle yaptıkları bileşiklerde kovalent bağlıdır. Metaller Yüzeyleri parlaktır. Tel ve levha hâline getirilebilir, işlenebilirler. Katı ve sıvı hâlde elektrik akımını iletirler. Oda koşullarında cıva (Hg) hariç hepsi katıdır. Kendi aralarında birleşik oluşturmazlar. Ametallerle bileşerek iyonik yapılı bileşikler oluştururlar. Elektron vererek bileşik oluştururlar. Bileşiklerinde yalnız (+) değerlik alırlar. Gaz hâlinde tek atomludurlar. Oksitlerinin sulu çözeltisi genellikle baz özelliği gösterirler. Homojen olup olmadığı Heterojen görünümlü saf maddedir. Heterojen karışım olup katı tanecikler fazı gaz fazı içerisinde dağılmıştır. (Aerosol) Heterojen karışım olup sıvı tanecikler fazı gaz fazı içerisinde dağılmıştır. (Aerosol) Köpük heterojen karışım olup gaz tanecikleri sıvı içerisinde dağılmıştır. (Koloit) Homojen karışım yani çözeltidir. Heterojen karışım (süspansiyon) dır. Heterojen karışım (emülsiyon) dır. Homojen karışım (çözelti) olup Cu Sn metalleri karışımından oluşmuş alaşımdır. Homojen madde olup saftır ve bileşiktir. Homojen madde olup saftır ve elementtir.
6 Fiziksel ve Kimyasal Olaylar Kimyasal Özellikler ve Kimyasal Değişme Maddelerin iç yapıları ve bileşimleri ile ilgili özellikleri kimyasal özellikleridir. Bir maddenin başka maddelere karşı davranışını ortaya çıkaran; örneğin, yanıp yanmama, asit bazla tepkimeye girip girmeme ve asallık gibi özellikler maddelerin iç yapısı ile ilgili özelliklerdir. Kimyasal değişmede geriye dönüşüm zor olup yeni maddeler elde edilir. Kimyasal değişmelerde maddenin fiziksel özelliklerinde de farklılıklar olur. Yanma, paslanma (oksitlenme), ekşime, çürüme, elektroliz, korozyon, küflenme, fotosentez, solunum, elektron alış verişi, NH 3 ve CO 2 nin suda çözülmesi gibi olaylarda kimyasal değişme gerçekleşir. Fiziksel Özellikler ve Fiziksel Değişme Maddelerin dış yapısıyla ilgili (öz kütle, suda çözünürlük) özelliklerdir. Fiziksel özelliklerin değişimine de fiziksel değişme denir. Fiziksel değişmelerde geriye dönüşüm kolay olup yeni maddeler oluşmaz. Eşlik eden enerji kimyasal enerjiden azdır. Fiziksel değişme Kimyasal değişme Gökkuşağı oluşması Ekmeğin küflenmesi Yoğurttan ayran eldesi Şekerden alkol eldesi İyotun süblimleşmesi Yağlı boyanın kuruması N 2 gazının suda çözünmesi Suyun elektrolizi Camın elmasla kesilmesi Na metalinin suda çözünmesi Buzun erimesi Zeytinyağından sabun eldesi Kağıdın yırtılması Kimyasal tepkimeler I. Naftalinin süblimleşmesi II. Alkolün buharlaşması III. Ele dökülen kolonyanın serinlik hissi vermesi IV. Kışın, araba iç camlarının buğulanması V. Kesilip, güneşe bırakılmış karpuzun soğuması VI. Kar yağarken havanın ısınması Verilen örnekler incelendiğinde; VII. Su buharının yoğunlaşması I, II, III, V Endotermik (ısı alan) Yukarıda verilen hal değişimlerinden hangileri endotermik ve ekzotermik hal değişimleridir? IV, VI, VII ekzotermik (ısı veren) hal değişimleridir. Cevap: E Maddenin Hâl Değişimi Genel olarak maddeler ısıtılırsa genleşir, sıcaklığı artar ve hal değişimine uğrar. Maddeler bulundukları ortamın sıcaklık ve basıncına bağlı olarak bir hâlden diğer hâle geçebilir. Bu olaya maddenin hâl değişimi denir. Saf bir maddenin Katı Sıvı Gaz dönüşümünde; Isı alınır (endotermik) Düzensizlik artar. Genellikle hacim artar. Genellikle öz kütle azalır. Molekül yapısı bozulmaz. Toplam kütle değişmez. Tanecikler arası uzaklık artar. Tanecikler arası çekim kuvveti azalır. Erime ve Kaynama Noktasına Etki Eden Faktörler 1.Maddenin Türü Madde tanecikleri arasındaki çekim kuvvetleri ne kadar büyük ise maddenin erime ve kaynama sıcaklığı da o kadar büyüktür. 2. Saflık Saf bir sıvının içinde uçucu olmayan katı çözüldüğünde sıvının kaynama noktası yükselir, donma noktası düşer. Örneğin, şekerli su deniz seviyesinde 100 o C nin üstünde kaynar, 0 o C nin altında donmaya başlar. Eğer saf sıvıya, sıvıda çözülebilen daha uçucu bir sıvı ilave edilirse elde edilen çözeltinin kaynama noktası saf sıvının kaynama sıcaklığından küçüktür. Örneğin, saf suyun aynı basınçta kaynama sıcaklığı alkollü suyun kaynama sıcaklığından yüksektir. 3. Dış Başınç Dış basınç arttıkça; Donarken hacmi küçülen maddelerin erime ve kaynama noktaları artar (Maddelerin çoğunluğu). Donarken hacmi büyüyen maddelerde ise erime noktası azalır, kaynama noktası artar (Örneğin; su). Dış basıncın erime ve kaynama noktası üzerine etkisi faz diyagramlarında gösterilir.
7 Faz Diyagramları Aynı maddelerin sıcaklık ve basınç koşullarına bağlı olarak katı, sıvı, gaz hallerinin sınırlarını gösteren grafiklere faz diyagramı denir. a) Donarken Hacmi Küçülen Maddelerin Faz Diyagramı Oda koşulları, normal koşullar, deniz seviyesi, normal basınç gibi ifadeler dış basıncın 1 atmosfer olduğunu belirtir. Maddelerin katı - sıvı - gaz hâllerinin birarada bulunduğu sıcaklık ve basınç değerine üçlü nokta denir. Donarken hacmi küçülen maddelerde dış basınç arttıkça erime ve kaynama noktaları artar. Örneğin, ağzı açık kapta bulunan etil alkol deniz seviyesinden Erzurum a çıkarılırsa donma ve kaynama sıcaklığı azalır. (Deniz seviyesinden dağlara çıkıldıkça açık hava basıncı azalır.) b) Donarken Hacmi Büyüyen Maddelerin Faz Diyagramı (Örneğin; Su) 1 (atm) Üç hâl noktası Donarken hacmi büyüyen maddelerde dış basınç arttıkça erime noktası azalır, kaynama noktası artar. Örneğin, Ağzı açık kapta bulunan arı su deniz seviyesinden Uludağ a çıkarılırsa donma noktası artar, kaynama noktası azalır. Hal Değişim Grafikleri (Isınma - Soğuma Grafikleri) a) Saf Katıların Isınma Grafiği 1) Bu tip grafikler sıcaklık zaman ve sıcaklık ısı olmak üzere iki şekilde düzenlenebilir. Grafikte Q 1 erime sürecinde alınan ısı, Q 2 kaynama süresince alınan ısıdır. (ısınma grafikleri) Sabit basınçta sabit hızla ısıtılmada daima Q 1 < Q 2 olur ve dolayısıyla t 2 > t 1 dir. t 1 ve t 2 değerleri kütle ile doğru, ısıtıcı gücü ile ters orantılıdır. Ayrıca t 1 ve t 2 değerleri madde cinsi, dış basınç ve karıştırma gibi değerlere bağlıdır. Bölge Faz Homojenlik Sıcaklık E kin E P Alınan Isı 1. Katı Homojen Q=m c k Δt 2. Katı + Sıvı Heterojen Q=m L e 3. Sıvı Homojen Q=m c s Δt 4. Sıvı Gaz Heterojen Q=m L b 5. Gaz Homojen Q=m c g Δt 2) Arı saf maddelerin soğuması sırasındaki sıcaklık zaman grafiği ise aşağıdaki gibidir. y. n d. n Aşağıda, arı bir katının ısıtılmasıyla ilgili sıcaklık zaman grafiği verilmiştir. Buna göre, aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) a, katının ayırt edici bir özelliğidir. B) a, katının kütlesiyle değişir. C) b-c aralığında maddenin katı ve sıvı halleri birlikte bulunur. D) b anından önce madde katı hâldedir. E) d anında madde tamamen sıvı hâldedir. (2013 - LYS) Cevap: B 3) Şimdi bu grafiklere ait soru çözümlerine geçmeden önce bazı kavramları öğrenelim: Q = Isı miktarıdır. Birimi kalori ya da joule dır. 1 kkal = 103 kal m = Kütle (gram) Δt = Sıcaklık farkı, (Büyük sıcaklık Küçük sıcaklık), oc C (Öz ısı = Isınma Isısı) = 1 gram maddenin sıcaklığını 1 C artırmak için verilmesi gereken ısıdır. Birimi genellikle kal / g. C dır. Farklı maddelerin ya da aynı maddelerin farklı fiziksel hallerinin öz ısıları farklı olup maddeler için ayırt edicidir.
8 Molar ısınma ısısı: Maddenin 1 molünün sıcaklığını 1 C artırmak için maddeye verilmesi gereken ısıdır. Molar ısınma ısısı = Isınma ısısı x Mol kütlesi kalori mol. C kalori =. g. C g mol Öz ısısı küçük olan maddeler kolay ısınacağından daha az ısı verilebilir. Öz ısısı büyük olan maddeler zor ısınacağından daha çok ısı vermek gerekir. Q " kal L (Hâl Değiştirme Isısı) &L = m " g Erime ısısı (L e ) Erime noktasına gelmiş bir katının 1 gramının aynı sıcaklıkta sıvı hâle getirilmesi için gerekli ısıya denir. Örneğin; buzun erime ısısı 80 kal / g ve molekül ağırlığı 18 g/mol olduğuna göre buzun molar erime ısısı; Molar L e = 80 x 18 = 1440 kal / mol = 1, 44 kkal / mol O halde molar erime ısısı erime noktasına gelmiş 1 mollük katıyı aynı sıcaklıkta sıvı hale getirmek için verilen enerjidir. Buharlaşma ısısı (L b ) Buharlaşma ısısı; kaynama noktasına gelmiş bir sıvının 1 gramının aynı sıcaklıkta gaz hâline getirilmesi için gerekli ısıya buharlaşma ısısı denir. Örneğin, suyun buharlaşma ısısı 540 kal / mol, molar buharlaşma ısısı = 540 x 18 kal / mol Saf maddelerin buharlaşma ısısı erime ısısından büyüktür. Molar erime ısısı (tersi molar donma ısısı) yüksek katıların tanecikler arası çekimi yüksektir. Molar buharlaşma ısısı (tersi molar yoğunlaşma ısısı) yüksek sıvıların tanecikleri arası çekim gücü ve kaynama noktası yüksektir. Örneğin, aynı koşullarda kaynama noktası yüksek olan bir sıvının molar buharlaşma ısısı yüksektir. Erime sırasında bağlar gevşerken kaynama sırasında bağlar kopar. Bu nedenle bağların gevşetilmesi bağların koparılmasından daha kolay olduğundan aynı saf madde için buharlaşma ısısı, erime ısısından büyüktür. Erime ve buharlaşma ısıları maddenin cinsine ve sıcaklığa bağlıdır. b) Bazı Karışımların Isınma Grafikleri 1) Homojen Sıvı Sıvı Karışımları (Örneğin; Alkollü su) Homojen sıvı sıvı karışımlarına ait ayrımsal damıtma grafiklerinde kaynama noktası sayısı kadar kapta sıvı vardır. (su) (alkol) 2) Homojen Sıvı Katı Karışımlar (Örneğin; tuzlu su) t 3 t 2 100 t 1 Sıcaklık ( C) Doymuş çözelti Kaynama başladı Çözücü (su) Zaman Tuzlu suyun ısınma grafiği t 2 " Doymamış çözeltinin kaynamaya başlama sıcaklığı t 3 " Doymuş çözeltinin kaynama sıcaklığı Sıvı Buhar Basıncı I. Buharlaşma t 4 0 t 5 t 6 Sıcaklık ( C) Çözücü (su) Donma başladı Doymuş çözelti Zaman Tuzlu suyun soğuma grafiği t 5 " Doymamış çözeltinin donma sıcaklığı t 6 " Doymuş çözeltinin donma sıcaklığı Bir sıvıda yüzeye yakın ve dik doğrultuda bulunan yüksek kinetik enerjili moleküllerin, sıvı molekülleri arasındaki çekim gücünü yenerek sıvı yüzeyinden gaz ya da buhar hâline geçmesine buharlaşma denir. Bu nedenle sıvıların buharlaşması sadece sıvının yüzeyinde olur. Sıvılar her sıcaklıkta buharlaşır ve belirli buhar basıncı vardır. Buharlaşma sırasında sıvı çevresinden ısı alacağından ortamın sıcaklığı düşer. Ortamın sıcaklığının düşmemesi isteniyorsa sıvıya alttan sürekli ısı verilmesi gereklidir. Örneğin; denizden çıkan kişinin üşümesi, avuç içine dökülen kolonyanın serinlik hissi vermesi, toprak testi ve küplerin içindeki suyun sürekli soğuk kalması gibi olaylar buharlaşmanın ısı alarak gerçekleştiğini gösteren olaylardır.
9 II. Buharlaşma Hızı Birim zamanda buharlaşan sıvı molekül sayısına denir. Buharlaşma hızı; Sıvının cinsine (Kaynama noktası ile ters orantılı) Sıcaklığa (Doğru orantılı) Sıvı yüzey alanına (Yüzey alanı arttıkça buharlaşma hızı artar) Sıvının saflık derecesine Sıvı üzerindeki dış basınca (Dış basınç azaldıkça buharlaşma hızı artar) Rüzgâr hızına ve havadaki nem oranına bağlıdır. Ancak buharlaşma hızı, sıvının miktarına bağlı değildir. Yoğunlaşma buharlaşmanın tersi olup ekzotermik bir olaydır. Belli kütledeki su buharı aynı kütlede ve aynı sıcaklıktaki sudan daha yakıcıdır. Sıcak sıvı soğuyunca yakıcılığı azalır. III. Buhar Basıncı Buhar Basıncı Etkileyen faktörler Sıvı Cinsi: Moleküller arası bağları (çekim kuvvetleri) zayıf olan sıvıların kaynama noktası ve molar buharlaşma ısısı küçük, uçuculuğu yüksektir. Uçuculuğu yüksek sıvıların aynı sıcaklıktaki buhar basıncı daha büyüktür. Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça taneciklerin kinetik enerjileri artar. Dolayısıyla daha çok sayıda sıvı molekülleri buhar hâline geçeceğinden buhar basıncı artar. Saflık Derecesi: Saf suda tuz, şeker gibi uçucu olmayan madde çözünürse kaynama noktası artar, buhar basıncı düşer. Saf suda alkol gibi uçucu olan maddeler çözünürse, kaynama noktası düşer, buhar basıncı artar. Etkilemeyen Faktörler Sıvının hacmine, kütlesine, Kabın şekline, hacmine, Sıvının yüzey alanına, Sıvının bulunduğu kapta sıvıda çözünmeyen başka bir gazın bulunmasına Sıvının deniz seviyesine göre yükseklerde bulunmasına Katının erime sıcaklığındaki buhar basıncı ile sıvının donma sıcaklığındaki buhar basıncı ve sıvıların kaynama sıcaklığındaki buhar basıncı ile gazın yoğunlaşma sıcaklığındaki buhar basıncı aynıdır (Aynı şartlarda aynı maddeler için). Açık kapta bulunan sıvılar tümüyle buharlaşır. Eğer buharlaşma kapalı kapta olursa buharlaşma hızı yoğunlaşma hızına eşit olacak şekilde dinamik bir denge kurulmuş olur. O hâlde, kapalı bir kapta belirli bir sıcaklıkta sıvısı ile dinamik dengede bulunan buharın yaptığı basınca denge buhar basıncı ya da buhar basıncı denir. Buhar basıncı yüksek olan sıvılara uçucu, buhar basıncı düşük sıvılara uçucu olmayan sıvılar denir. Bir sıvının uçucu olup olmamasını moleküller arası çekim kuvvetlerinin büyüklüğü belirler. Bu kuvvetler azaldıkça uçuculuk artar dolayısıyla buhar basıncı büyür. IV. Kaynama ve Kaynama Noktası Atmosfere açık bir kapta sıvı ısıtıldığında, tüm sıvı kitlesinde oluşan buhar kabarcıkları yüzeye çıkar ve uzaklaşır. Uzaklaşan bu moleküllerin oluşturduğu basınç, atmosfer moleküllerinin oluşturduğu basınca eşit olduğu anda kaynama olayı gerçekleşir. Sıvının buhar basıncının, standart atmosfer basıncına (1 atm = 760 mmhg) eşit olduğu andaki sıcaklığa normal kaynama noktası denir. Özetle; bir sıvının kabarcıklar çıkartarak buharlaşmasına kaynama, belirli bir basınçta sıvının kaynadığı sıcaklığa kaynama noktası denir. Sıvının buhar basıncının açık hava basıncına eşit olduğu sıcaklığa kaynama noktası sıcaklığı denir. Etkileyen faktörler Sıvı cinsi: Moleküller arası bağları güçlü olan sıvıların aynı sıcaklıkta buhar basınçları düşüktür. Buhar basınçları düşük sıvıların aynı dış basınçta kaynama noktası yüksektir. Sıvı saflığı: Sıvıda uçucu olmayan bir katı çözündüğünde kaynama noktası artar. Dış basınç: Sıvı üzerindeki dış basınç arttıkça, sıvının kaynama noktası artar. Deniz seviyesinden yüksek rakımlı yerlere (dağlara) çıkıldıkça dış basınç 1 atmosferden daha düşük olur. Örneğin; 1609 metre rakımda dış basınç 630 mmhg dir. Bu basınçta suyun kaynama noktası 95 o C dir. Kaynama Noktası Etkilemeyen Faktörler Sıvı miktarı Sıvı yüzeyi Konulduğu kabın şekli ve hacmi Isıtıcının şiddeti. Düşük basınç koşullarında yani düşük kaynama sıcaklıklarında besinlerin sulu ortamlarda pişirilmesi uzun zaman alır. Örneğin; deniz seviyesinde 4 dakikada pişen bir yumurta deniz seviyesinden yüksek yerlerde 4 dakikadan daha uzun bir sürede pişer. Benzer bir şekilde basınçlı (düdüklü) tencerelerde su atmosfer basıncından yüksek bir basınç altındadır ve kaynama noktası yükselir. Örneğin, 2 atmosfer basınç altında suyun kaynama sıcaklığı yaklaşık 120 C dir. Bu nedenle düdüklü tencerelerde yemek, ağzı açık kaplardakine göre erken pişer. Aşağıdaki grafik bazı sıvıların buhar basıncı ile sıcaklık değişimini göstermektedir. Grafikte, normal basınçtaki sıcaklık değerleri sıvıların bu basınçtaki normal kaynama noktasını ifade eder. Bu grafikte 760 mmhg dış basınçta; Pentanın kaynama sıcaklığı 36,1 C Tetraklor metanın kaynama sıcaklığı 76,5 C Arı suyun kaynama sıcaklığı 100 C dir. Buna göre; Tüm sıvılar aynı ortamda kaynarken buhar basınçları birbirine eşittir.
10 Farklı sıvılar farklı dış basınçta aynı sıcaklıkta kaynayabilirler. Aynı sıvılar farklı dış basınçta kaynarken sıcaklıkları ve buhar basınçları farklıdır. Özdeş kaplarda bulunan sıvılara ait aşağıda çeşitli karşılaştırmalar verilmiştir. İnceleyiniz. Kaynama Noktası 25 C de Kaynarken 25 C de ( C) Buhar Basıncı Buhar Basıncı Buharlaşma Hızları 1 > 2 > 3 2 = 3 > 1 1 = 2 > 3 3 > 2 > 1 Çözeltilerde Buhar Basıncı Homojen Sıvı - Katı Çözeltiler Arı suya tuz atılarak oluşturulan tuzlu suyun kaynama noktası saf suyunkinden yüksek ancak donma noktası ve aynı sıcaklıktaki buhar basıncı saf suyunkinden daha düşüktür. Grafikte kaynama noktası yükselmesi x, donma noktası düşmesi -y ile gösterilmiştir. Aynı sıcaklıkta (örneğin 100 C de) arı suya tuz eklendiğinde buhar basıncı düşmesi grafikte P ile gösterilmiştir. Kaynama noktasındaki artış ile buhar basıncındaki ve donma noktasındaki düşüş çözünenin mol kesrine bağlıdır. Yüzey alanları ve bulundukları ortamlar verilen sıvılarla ilgili yapılan karşılaştırmaları inceleyiniz. Homojen Sıvı - Sıvı Çözeltiler Bu tür çözeltilerde aynı sıcaklıkta karışımın buhar basıncı, çözücü ve çözünenin buhar basınçlarının arasında bir değerdedir. Karışımdaki her bir bileşenin buhar basıncı, saf hâldeki buhar basıncı değeri ile çözeltideki mol kesrinin çarpım değerine eşittir. Bu yasaya Raoult Yasası denir. Yanda verilen sıvıların aynı sıcaklıktaki buhar basınçları arasındaki ilişki aşağıda verilmiştir. İnceleyiniz. 25 C de Buhar Basıncı 1 > 3 > 2 Sıvı - katı çözeltilerde kaynama noktasındaki yükselme ve donma noktasındaki düşme değerleri çözeltinin birim hacmindeki toplam iyon derişimine bağlıdır. Katı iyonlaşmıyorsa molekül derişimi etkilidir. Dış basınç arttıkça çözeltilerin kaynama noktaları artar ancak buhar basınçları değişmez. İki özdeş kabın içinde aynı miktarda arı su vardır. Kaplardan birine 1 mol yemek tuzu, diğerinede 1 mol çay şekeri katılarak sulu çözeltiilere ait olan X ve Y özellikleriyle ilgili şu bilgiler veriliyor: X özelliği, suyunkine göre her iki çözeltide de azalıyor. Y özelliği, suyunkine göre tuzlu suda artıyor, şekerli suda aynı kalıyor. Buna göre X ve Y özellikleri aşağıdakilerden hangisinde doğru olarak verilmiştir? A) B) C) D) E) X Buhar basıncı Donma sıcaklığı Elektrik iletkenliği Buhar basıncı Kaynama sıcaklığı Y Elektrik iletkenliği Kaynama sıcaklığı Buhar basıncı Donma sıcaklığı Elektrik iletkenliği (2004 - ÖSS) Cevap: A Kaynama N ( C) t C de buhar basınçları Donma N ( C) t C de buharlaşma hızları I > III > II II = III > I II > III > I II > III > I