Genel Kimya 1 Madde, Ölçü ve Problem Çözümleri Bölümün Amacı: Madde ve enerjinin temel özelliklerini öğrenmek. Birimleri kullanmayı,işlemeyi ve birimleri birbirine dönüştürmeyi öğrenmek Ölçümlerde ve hesaplamalarda anlamlı sayıları kullanmayı öğrenmek Mr. Kevin A. Boudreaux Angelo State University www.angelo.edu/faculty/kboudrea 1 Emre ARSLAN Erciyes University http://www.linkedin.com/pub/emre-arslan/67/26b/3b7 Kimya Nedir? Atomların ve moleküllerin davranışını inceleyerek maddenin hallerini, özelliklerini ve dönüşümlerini açıklayan bilim dalına kimya denir. Kimya ; organik kimya,inorganik kimya,fiziksel kimya,biyokimya,analitik kimya ve çevre kimyası gibi özel alanlara ayrılmıştır. Bizler doğanın temel işleyişini daha iyi anlamak ve özel ihtiyaçları karşılayacak yararlı özelliklere sahip materyallerin nasıl yapılacağını öğrenmek için kimya çalışırız. Kimya biyoloji, moleküler biyoloji ve genetik,sağlık ve fizik gibi bir çok önemli alan ile ilişki halindedir. 2
Madde ve Enerji 3 Maddenin Halleri Madde boşlukta yer tutan, kütlesi olan her şeydir.maddeler hallerine ve birleşimlerine göre sınıflandırılır. Katılar içine konulduğu kabın şeklini almayacak bir şekle ve hacime sahiptir Katıları sert ve sıkıştırılamaz yapan atomlar ve moleküllerin titreşmesi ama birbirleri içinden geçmemesidir. Kristal katılarda atom ve moleküller, (elmas buz ya da tuz gibi) tekrar eden bir düzen ve bir çeşit uzun mesafe ile dizilmişlerdir. Amorf katılarda, (odun kömürü, cam, plastik gibi) uzun mesafeli dizilim yoktur. 4
s. 8 5 Resim 1.3 6
Maddenin Halleri Sıvılar konulduğu kabın şeklini alan sabit bir hacime sahiptir. Tanecikler katılar gibi birbirine yakın dururlar ama birbirleri üzerinde hareket edebilirler, bu da onları akışkan ve sıkıştırılamaz yapar. örn, sıvı su Gazların sabit bir şekil ve hacmi yoktur, kabın şekline uyarlar ve tüm kabın hacmini doldururlar. (tüm hacmi doldurduğu için bir üst yüzeyi yoktur). Gaz tanecikleri ayrık olarak yayılırlar bu onları akışkan ve sıkıştırılabilir yapar. örn, buhar 7 Resim 1.4 8
Maddenin Yapısı Maddeler saf maddeler ve karışımlar olarak sınıflandırılır, Saf maddeler (elementler ve bileşikler), kendi kimyasal ve fiziksel özelliklerine sahip, benzersiz maddelerdir ve tek bir çeşit atom ve molekülden oluşurlar. Karışımlar moleküllerin ve ya atomlarının iki ya da daha fazla farklı türlerinin rastgele kombinasyonlarından oluşur ve tek tek oluştuğu maddelerin özelliklerini korur. Bu nedenle bazen zor olsada fiziksel yollar (örneğin, kaynatma, damıtma, eritme, kristalize, manyetizma, vs gibi) ile ayrılabilmektedirler. 9 Maddenin Yapısı - Saf Maddeler Saf maddeler: Elementler, bir maddenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini barındıran sadece bir çeşit atom içeren en basit türüdür. Bileşikler iki ya da daha fazla farklı element ya da atomun birleşmesiyle oluşan saf maddelerdir.kimyasal bileşiklerin başlıca iki türü vardır, bunlar iyonik bileşikler ve moleküler bileşiklerdir. Bileşikler fiziksel yollarla ayrılamazlar, ancak kimyasal reaksiyonlar ile ayrılabilirler. 10
Madde genellikle karışımlar olarak ortaya çıkar. İki veya daha fazla maddenin rasgele bir oran ile bir araya gelerek ve kendi özelliklerini koruyarak oluşturdukları şeye karışım denir. Heterojen karışımlar sabit bileşime sahip olmayan karışımlardır. Karışımlar her yerine eşit olarak dağılmayıp gözlemlenebilir farklı bölgelere sahiptirler. - örneğin, buzlu su, salata sosu, süt, havadaki toz gibi bileşenlere baktığımızda gözlemlenebilir sınırları vardır. Homojen karışımlar (solusyonlar) karışımları boyunca sabit bileşime sahiptirler. Maddeler tuzlu su, şekerli su, hava gibi moleküler düzeyde içe içe geçmiş homojen bir şekilde gözlemlenir. 11 Maddenin Sınıflandırılması Madde Saf Madde fiziksel reaksiyon Karışım Elementler Bileşikler Heterojen Karışımlar Homojen Karışımlar Kimyasal reaksiyon İyonik Bileşikler Moleküler Bileşikler 12
p.9 13 Karışımların Ayrılması Bir karışıma ait bileşenler, farklı maddeler olduğu için içerisinde farklı fiziksel özelliklere sahip maddeler bulunur. Bunlar içerisindeki maddenin özelliğine göre örneğin filtrasyon, damıtma, kromatografi gibi farklı fiziksel ayırma metodları kullanılarak ayrılabilir. MOV: Mixtures and Compounds Figure 1.5, 1.6 14
Fiziksel ve Kimyasal Değişimler Bir maddenin fiziksel formu değiştiğinde bu fiziksel bir değişme olur ve maddenin yapısı değişmez, atomlar ve moleküller fiziksel değişim sırasında kendilerini tanımlayan tipik özelliklerini korurlar. (örn.:buzun erimesiyle su oluşur, suyun kaynamasıyla buhar oluşur.) H 2O(s) H 2O(l) Maddenin yapısını değiştiren değişimlere kimyasal değişim denir. Atomlar kimyasal bir tepkimede bağlarını yeniden düzenler ve maddeyi başka bir maddeye dönüştürür.(örn.: demirin paslanması, suyun hidrojen ve oksijenden oluşması vb.) 4Fe(s) + 3O 2 (g) 2Fe 2 O 3 (s) 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(l) 15 FİZİKSEL VE KİMYASAL ÖZELLİKLER Fiziksel özellikler maddenin yapısındaki değişimi kapsamayan özelliklerdir.(örn.: erime ve kaynama noktası, renk, yoğunluk, koku, çözünürlük vb.) Kimyasal özellikler maddenin kimyasal yapısındaki değişimleri içeren özelliklerdir. (örn.: tutuşabilirlik, koroziflik, asitlerle reaktivite vb.) Suyun kaynaması fiziksel bir değişimdir. Resim 1.7 Demirin paslanması kimyasal bir değişimdir. Resim 1.8 16
Resim 1.9 17 Bakırın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Bakırın Fiziksel Özellikleri -Kırmızımsı kahverengi, -metalik parlaklık -Kolayca ince tabakalar oluşturulabilir ve eğilip bükülebilir - iyi bir iletkendir(ısı ve elektrik) - pirinç oluşturmak için çinko ile ya da bronz oluşturmak için kalay ile karıştırılabilir -bronz yoğunluğu = 8.95 g/cm3 - erime noktası = 1.083 C -kaynama noktası = 2.570 C Bakırın Kimyasal Özellikleri -nemli havalarda yavaşça yeşil bir karbonat oluştururlar -nitrik asit ve sülfürik asit ile reaksiyona girerler -sulu amonyak içerisinde dipte mavi bir solüsyon oluştururlar 18
Örnekler: Fiziksel ve Kimyasal Değişimler 1. Aşağıdakilerden hangileri fiziksel hangileri kimyasal değişimlere örnektir? a. ispirtonun buharlaşması b. lamba yağının yakılması c. hidrojen peroksit ile saç ağartılması d. soğuk bir gece don olayının gerçekleşmesi e. Bir sayfa kağıda bir bakır tel ile vurma f. H2 gazı üretmek üzere, nikelin bir asit içinde eritilmesi g. kuru buzun erimeden buharlaşması h. şöminede bi odunun yanması 19 Enerji Enerji iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanır. Güç sarfedilerek mesafe katedildiğinde iş yapılmış olur Bir nesnenin sahip olduğu toplam enerji kinetik enerji (hareket enerjisi) ve potansiyel enerjisinin (durum enerjisi) toplamıdır Energy Joule (J) ve ya kalori(cal) ile ölçülür. Enerji bir formdan başka bir forma dönüşebilir fakat yoktan var edilemez varken de yok edilemez. Genel olarak sistemler yüksek potansiyel enerjili durumlardan (az kararlı) düşük potansiyel enerjili durumlara (çok kararlı) hareket etmeye eğilimlidir. 20
Potansiyel ve Kimyasal Enerji Ağırlık aşağı doğru düşmeye başladığında konumundan sahip olduğu potansiyel enerjisi azalır ve aynı şekilde kinetik enerjiside artar. Ancak sahip olduğu toplam enerji hiç bir zaman değişmez. Ağırlık yere vurduğunda ağırlık yerin sıcaklığını artırarak termal enerjiye dönüşür. Resim 1.10 21 Kimyasal Enerji Bir maddenin göreli konumları,molekül çekimleri ve tüm parçacıklar arasındaki itmelerinden doğan enerjiye kimyasal potansiyel enerji denir.bazı durumlarda, bu enerji serbest bırakılabilir ve ya iş yapmak için kullanılabilir. Resim 1.11 22
Ölçme ve Birimler 23 Birimler Bilimde en çok International System of Units (Uluslararası Birim Sistemi) kullanılır. (the SI System, for Système International d Unités). SI sisteminde yedi temel birim vardır. Diğer tüm miktarları elde etmek için (alan, hacim, enerji vb.) bu temel birimleri kullanırız. Fiziksel Miktar Birim Kısaltma Kütle kilogram kg Uzunluk metre m Sıcaklık kelvin K Madde birimleri mol mol Zaman saniye s Elektrik Akımı amper A Işık Şiddeti candela cd 24
Büyük ve Küçük Birimler Birçok durumda, ondalık çarpanlar üs ya da paydalı biçimle birlikte kullanılırlar, bu durumlarda sayılar uygunsuz bir biçimde büyük ya da küçük olabilir. Bir sodyum atomunun çapı: long-hand: 0.000 000 000 372 m Bilimsel gösterim: 3.72 10-10 m prefix units: 0.372 nm or 372 pm Dünya ve güneş arasındaki uzaklık: long-hand: 150,000,000,000 m Bilimsel gösterim: 1.50 10 11 m prefix units: 150 Gm 25 26
SI Önek çarpanları - Büyük Üniteler Example Y Factor Prefix Symbol 10 24 yotta 10 21 zetta Z 10 18 exa E 10 15 peta P 10 12 tera T 10 9 giga G 1 Gm = 10 9 m 10 6 mega M 1 Mm = 10 6 m 10 3 kilo k 1 kg = 1000 g Scale volume of earth ~ 1 YL radius of Milky Way ~ 1 Zm age of universe ~ 0.4 Es 1 ışık-yılı ~ 9.5 Pm distance from sun to Jupiter ~ 0.8 Tm 1 light-second ~ 0.3 Gm 1 Ms ~ 11.6 days memorize! 10 2 hecto h 1 hm = 100 m 10 1 deka da 1 dag = 10 g 10 0 27 memorize! 10-18 SI Örnek Çarpanları-Küçük Üniteler Factor Prefix Symbol Example 10 0 10-1 deci d 1 dm = 0.1 m 10-2 centi c 1 cm = 0.01 m 10-3 milli m 1 mg = 0.001 g 10-6 micro μ 1 μm = 10-6 m 10-9 nano n 1 ns = 10-9 s 10-12 pico p 1 pm = 10-12 m 10-15 femto f atto a 10-21 zepto z 10-24 yocto y Scale 1 µl ~ a very tiny drop of water radius of Cl atom ~ 0.1 nm mass of bacterial cell ~ 1 pg radius of a proton ~ 1 fm time for light to cross an atom ~ 1 as 1 zmol ~ 600 atoms 1.7 yg ~ mass of a proton or neutron 28
Kütle ve Uzunluk Kütle bir nesnedeki madde miktarıdır. SI sisteminde kütle kilogram olarak ölçülür, kg (1 kg = 2.205 U.S. lb). Kimyada genellikle, gram (g), milligram (mg,) ve mikrogram (μg) kullanılır. "Kütle" ve "Ağırlık" terimleri bazen birbirlerinin alternatifi gibi kullanılırlar, ancak; ağırlık bir nesneye uygulanan yer çekimi kuvvetinin sonucu olarak ortaya çıkar. SI sisteminde uzunluk metre olarak ölçülür, m (1 m = 39.37 in) Kimyada genellikle santimetre (cm, 2.54 cm = 1 in), millimetre (mm), mikrometre (μm), nanometre (nm) and pikometre (pm) kullanılır. 29 Sıcaklık SI sisteminde sıcaklık kelvin olarak ölçülür(k), ama bazen yerine Santigrad derece( C) kullanılır. Kelvin Santigrad derece ile aynı sığaya sahiptir, ama sıfır noktası olması mümkün en düşük sıcaklık olan mutlak sıfır noktasındadır (-273.15 C). Birçok matematik formülünde Kelvin Santigrad derecenin yerine kullanılır. (Burası sıcak mı? yoksa bana mı öyle geliyor?) K F C = = = C + 273.15 9 C + 32 5 5 9 ( F - 32) 30
Zaman SI sisteminde zaman saniye, s, olarak ölçülür. Bir saniye sezyum 133 atomunun yer düzlemindeki iki çok ince seviye arasındaki geçişi olan 9,102,631,770 ışıma periyodu için geçen süredir. Türetilmiş Birimler SI tabanlı birimlerden, hacim, yoğunluk, kuvvet gibi alanlarda birimler türetebiliriz. Hacim, bir nesnenin kapladığı boşluğa denir, şu birimlerle ölçülür: metreküp (m 3 );daha yaygın olarak litre (L), santimetreküp (cm 3 ), ve mililitre (ml, 1 ml = 1 cm 3 ) kullanılır. 31 Yoğunluk Yoğunluk, bir nesnenin kütlesinin hamine oranına denir ve formülü aşağıda verilmiştir. m d = V Yoğunluğun birimi kütle bölü hacim şeklindedir. g/ml, g/l, lb/gal, kg/m 3, lb/ft 3, vb. Hacim sıcaklığa bağlı olarak değiştiği için yoğunluk da sıcaklığa bağlı değişkendir. 32
Yaygın ve Yeğinsel Özellikler Yaygın özellikler madde ebatına göre değişen özelliklerdir (kütle, hacim, uzunluk vb.). Yeğinsel özellikler madde ebatına göre değişmeyen özelliklerdir (renk, erime / kaynama noktası, koku vb.) Kütle ve hacim yaygın özellikler olmalarına rağmen saf maddenin yoğunluğu yeğinsel bir özelliktir. 33 Bazı Türetilmiş Birimler Nicelik Alan Hacim Yoğunluk Hız Tanım Uzunluk genişlik m 2 Birimler Uzunluk genişlik yükseklik m 3 Kütle / Hacim kg/m 3, g/cm 3, g/ml Mesafe / Zaman m s -1 İvme Hızdaki değişim / zaman m s -2 Frekans Kuvvet Basınç Energy Olay / Zaman Kütle İvme Kuvvet / Alan Kuvvet Mesafe s -1 kg m s -2 (newton, N) kg m -1 s -2 (pascal, Pa) kg m 2 s -2 (joule, J) 34
Doğruluk, Hassasiyet, ve Anlamlı Sayılar 35 Doğruluk ve Hassasiyet Doğruluk ölçülen değerin gerçek değere ne kadar yakın olduğunun ifadesidir. Hassasiyet birden fazla yapılan ölçümlerin birbirleri ile ne kadar iyi örtüştüklerinin ifadesidir Aşağıdaki örnekte; 10 kg kütleli kurşun bir bloğun üç öğrenci tarafından yapılan ölçümleri verilmiştir: 36
Anlamlı Sayılar Ölçümdeki toplam basamak sayısına anlamlı sayılar basamağı denir. Anlamlı sayılar basamağının büyük olması ölçümün kesinliğinin de artmasını sağlar. Bir ölçümü okurken, emin olduğunuz bütün basamakları kaydetmeli ve ilave tahmini bir basamak koymalısınız. Son tahmini basamağa okumadaki son anlamlı sayı denir. (Dijital ekrandan okumada ise genellikle ekrandaki son basamak son anlamlı sayı olarak kabul edilir.) 37 Ölçüm Değeri ve Doğru Değer Tüm ölçüm değerlerinin ölçümün kesinliğine göre bir limiti olacaktır ve buna göre de anlamlı sayı basamağı için bir limit olacaktır. Hesaplamaların bu sayılarla yapıldığını dikkate alınız! Doğru değer ya ayrık nesnelerin sayımı ile ilişkilidir(3 atom = 3.00000 atom) ya datanımla doğrulanmışlardır: 12 inches = 1 foot, 60 s = 1 min, 5280 feet = 1 mile, 100 cm = 1 m, 2.54 cm = 1 inch, vb. Bu sayılarda bir belirsizlik yoktur, ve sonsuz anlamlı sayı basamağına sahiptirler (örn., bunlar hesaplama sonucundaki anlamlı sayıya etki etmezler). 38
Anlamlı Sayıları Sayma Anlamlı sayıları sayma kuralları: Sıfır dışında tüm rakamlar anlamlıdır (42 de 2 anlamlı sayı vardır.) Sayıların arasındaki sıfırlar anlamlıdır. (4.803 cm de 4 anlamlı sayı vardır.) Başlangıçtaki sıfırlar anlamlı değildir, onlar ondalık gösterme amaçlıdır. (0.00123 g da 3 anlamlı sayı vardır.) Eğer sayı ondalıklı ise tekrarlayan sıfırlar anlamlıdır. (55.220 K de 5 anlamlı sayı, 50.0 mg da 3 anlamlı sayı, 5.100 10-3 de 4 anlamlı sayı vardır.) Eğer sayı ondalıklı değilse tekrarlayan sıfırlar anlamsızdır. (34,200 m de 3 anlamlı sayı vardır.) Çünkü tekrarlayan sıfırlar anlamsız olabilir, bilimsel gösterimlerde bunlardan kaçınmak iyi bir seçim olabilir. 39 Anlamlı Sayılarda Oynama Yapmak Hesaplamanın sonucu sadece en az ölçümdeki hassasiyet kadar güvenilirdir. Miles 278 mi Mileage = = = Gallons 11.70 gal 23.760683760684... mi/gal Anlamlı sayıları kapsayan sayıları hesapmala kuralları Çarpma ya da bölme işleminde, işlemin sonucundaki anlamlı sayı miktarı, işleme katılanlardan en az anlamlı sayıya sahip olan kadardır. Toplama ya da çıkarma işleminde, işleme katılan sayılardan en az ondalık kısmı olan sayı kadar ondalık kısım içerir. sonuç, uygun olarak yuvarlama yapılmalıdır. 40
Anlamlı Sayılarda Oynama Yapmak 41 Örnek: Anlamlı Sayılar 2. Aşağıda verilen ölçekli silindirin hacmini doğru anlamlı sayılarla söyleyiniz (sıvı yüzey eğriliğinin dibinden okuyunuz) (Örnek 1.4) Aşağıda gösterilen termometredeki sıcaklığı doğru anlamlı sayılarla söyleyiniz (Örnek 1.4 için) 42
Örnek: Anlamlı Sayılar 3. Aşağıdakilerin her birinde kaç adet anlamlı sayı vardır? (Örnek 1.5) a. 0.04450 m b. 1000 m = 1 km c. 0.00002 g d. 5.0003 km e. 1.000 10-3 ml f. 10,000 m g. 4080 kg h. 1.4500 L i. 2.54 cm = 1 in j. 0.000304 s 43 Örnek: Anlamlı Sayılar 4. Aşağıdaki işlemlerin sonucunu doğru anlamlı sayılarla yazınız (Örnek 1.6) a. 1.10 0.5120 4.0015 3.4555 = 0.652 b. 0.355 + 105.1 100.5820 = 4.9 c. 4.562 3.99870 (452.6755 452.33) = 53 d. (14.84 0.55) 8.02 0.1 44
Örnek: Anlamlı Sayılar 5. 1210 g kütleli Alüminyum bir çubuğun kütlesi kilogram (kg) olarak ne kadardır? 1 kg =? g 1 kg = 1000 g 1210 g 1000 g 1kg = g 2 kg 1210 g 1kg 1000 g = kg 45 Örnek: Anlamlı Sayılar 6. Bakır atomunun çapı 0.1280 nanometre (nm) dir, pikometre (pm) olarak ne kadardır? cevap: 128.0 pm 46
Örnek: Anlamlı Sayılar 7. Kütlesi 925 g olan aseton örneğinin hacmi litre olarak ne kadardır? (Asetonun yoğunluğu 0.788 g/ml) m d = V V = d m V = g/ml = g -1 ml V = m d V = g g/ml = ml cevap: 1.17 L 47 Örnek: Anlamlı Sayılar 8. 1.180 L hacmindeki asetonun kütlesi gram (g) olarak ne kadardır? Asetonun yoğunluğu 0.788 g/ml. cevap: 930. g 48
Örnek: Anlamlı Sayılar 9. 40.00 C 'ı K ve F 'a çeviriniz. (Örnek 1.2) Answer: 104.00 F, 313.15 K 49 Örnek: Anlamlı Sayılar 10. Uzay mekiğinin ısı kalkanındaki küçük bir delik için 32.70 cm 2 yama gerekiyor. Yama malzemesinin NASA' ya maliyeti $2.75/in 2 ise, yamanın fiyatı ne kadardır? cevap: $13.94 50
Örnek: Anlamlı Sayılar 11. Birçok Alman otoyolunda hız sınırı yoktur, ve 190 km/saat ile giden bir Porsche ya da Mercedes görmek sıradandır. Bu araçların hızlarının mil/saat olarak karşılığı nedir? cevap: 120 mil/saat 51 Örnek: Anlamlı Sayılar 12. Bir nesnenin Dünya yüzeyinden kurtulması için kaçma hızı olan 11,200 m/s 'ye erişmelidir. Bu hızın mil/saat olarak karşılığı nedir? cevap: 25,000 mil/saat (or 2.50 10 4 mil/saat) 52