BÖLÜM1 1. Maddenin Yapısı Madde: Kütlesi ve hacmi olan herşeye madde denir. Su, hava, toprak, demir,.. gibi. Tüm maddeler tanecikli yapıdadır. Maddeyi oluşturan tanecikler atom, molekül ya da iyonlardır. Maddeyi oluşturan tanecikler arasında boşluklar vardır. Bu boşluklar gazlarda çok büyük sıvı ve katılarda ise çok küçüktür. Atom: Elementlerin yapıtaşı olan ve tüm özelliklerini içeren en küçük taneciktir. Atomlar meddelerin kimyasal yöntemlerle bölünemeyen en küçük parçasıdır. Molekül: Atomların birbirlerine bağlanması ile oluşan taneciklerdir. Örneğin, su molekülü, 2 tane hidrojen ile 1 tane oksijen atomunun birleşmesinden oluşur 2.1. Elementler Aynı cins atomlardan oluşmuş maddelerdir. Fe, Hg, O 2, H 2 gibi. Belirli sembollerle gösterilirler. Belirli koşullarda belirli E.N. ları ve K.N. ları vardır. Yapıtaşı atom veya moleküldür. Göstermiş oldukları özelliklere göre metal, ametal ve soygaz şeklinde sınıflandırılabilirler. 2. Saf Maddeler Aynı cins atom ya da moleküllerden oluşan maddelerdir. Su, demir, oksijen,... gibi. Tüm element ve bileşikler örnek verilebilir. 2.2. Bileşikler İki ya da daha fazla elementin kendi özelliklerini kaybederek, belirli ağırlık oranlarında birleşmesi ile oluşan arı maddelerdir. H 2 O, NaCl, H 2 SO 4, CO 2 gibi. Belirli formüllerle gösterilirler. Belirli koşullarda belirli E.N. ları ve K.N. ları vardır. Yapıtaşı molekül ya da formüldür. Kimyasalyöntemlerle kendini oluşturan elementlere ayrılırlar. Bileşiğin kimyasal formülü, bileşiği oluşturan elementlerin cinslerini ve atomlarınınbirleşme oranını gösterir. 1
3. Maddenin Ortak ve Ayırt Edici Özellikleri Maddenin ortak özellikleri kütle, hacim, eylemsizlik, tanecikli yapı şeklinde sıralanabilir. Burada eylemsizlik, maddenin dışarıdan yapılan herhangi bir etkiye karşı gösterdiği dirençtir. Maddenin bazı ayırt edici özellikleri tablo halinde şöyle gösterilebilir. Ne oldukları bilinmeyen iki maddenin aynı madde olduğuna karar verebilmek için her iki maddenin de bütün ayırt edici özelliklerinin aynı olması gerekmektedir. Sadece bir özellik dahi farklı olduğunda o iki madde kesinlikle aynı madde olamaz. 4. Karışımlar İki ya da daha fazla maddenin her türlü oranda, özelliklerini yitirmeden birbiri içinde dağılması ile oluşturduğu yeni madde topluluklarına karışım denir. Deniz suyu, hava, toprak, gazoz, ayran, süt birer karışımdır. Elektrik İletkenliği: Elektron hareketi ve iyon hareketi olmak üzere 2 şekilde olur. Metallerin iletkenliği elektron hareketi ile olmaktadır. İyonik katılar, katı halde elektrik akımını iletmez. Ancak iyonik katıların çözeltileri ya da sıvı halleri elektrik akımını iletmektedir. Bunu iyon hareketi ile yaparlar. Karışımı meydana getiren maddeler fiziksel özelliklerini kaybedebilirler. Karışan maddeler karışım içerisinde kendi kimyasalözelliklerini korurlar. Kaynama noktaları, donma noktaları ve yoğunlukları sabit değildir. Karışımı oluşturan maddelerin oranına bağlı olarak değişir. Fiziksel yöntemlerle bileşenlerine ayrılabilirler. Belirli bir formülleri yoktur. 4.1. Homojen Karışımlar Her yerinde aynı özelliği gösterirler. Tüm çözeltiler örnek verilebilir. Tuzlu su, kolonya, gazoz, alaşımlar, gaz karışımları örnek verilebilir. 4.2. Heterojen Karışımlar Her yerinde aynı özelliği göstermezler. Dışarıdan bakıldığında karışımı oluşturan maddeler ayrı ayrı görülebilir. Bunlardan süspansiyon ve emülsiyon kararsız bir karışım olup, bekletildikleri zaman bileşenlerine ayrılmaktadır. Süspansiyon: Katı + sıvı heterojen karışımına denir. Esasında katı taneciklerinin bir ortamda dağılması sonucu oluşur. Örneğin, tebeşir tozu su, çamurlu su, hava toz tanecikleri karışımı. Emülsiyon: Sıvı + sıvı heterojen karışımıdır. Bu da sıvı zerreciklerinin bir ortamda dağılmasıyla oluşmuş bir karışımdır. Örneğin, zeytinyağı + su, püskürtülen su - hava karışımı. Kolloid: Karışım içerisinde dağılmış olan tanecikler yerçekimi etkisi altında kalmayacak kadar küçük olup askıda kalıyor ise, bu tip karışımlara kolloidal karışımlar denir. Buna örnek olarak, sis, süt. duman verilebilir. 5. KARIŞIMLARI AYIRMA YÖNTEMLERİ 5.1. Katı-katı karışımların ayrılması Elektriklenme ile ayırma: Tuz biber karışımına, sürtünme ile elektriklenmiş tarak yaklaştırılınca biberler tarak tarafından çekilir ve ayrılırlar. Mıknatıs ile ayırma: Demir - kükürt tozları karışımına mıknatıs yaklaştırıldığında demir tozları, mıknatıs tarafından çekilerek ayrılır. Demir, kobalt, nikel gibi metaller mıknatıstan etkilenir. Çözünürlük farkı ile ayırma: Tuz - kum karışımı suya atıldığında, kum suda çözünmediği için dibe çöker ve orada kalır. Daha sonra karışım süzülerek kum ayrılır. Kalan tuzlu su buharlaştırılarak tuz saf bir şekilde elde edilebilir. Özkütle farkı ile ayırma: Demir tozu - odun talaşı karışımı suya atıldığında, demir tozları nın yoğunluğu sudan büyük olduğu için dibe çökecek ve talaşın yoğunluğu da sudan az olduğu için talaş üst kısımda yüzer durumda kalacaktır. Ayrımsal kristallendirme: Örneğin, NaCl ve KNO 3 dan oluşan karışım suda çözülür. Buharlaştırılarak doygun hale getirilen çözelti soğutulursa, çözünürlüğü az olan NaCl önce kristallenir. 2
5.2. Sıvı-sıvı karışımlarınayrılması Ayrımsal damıtma: Birbiri içinde çözünen sıvıları, bu sıvıların kaynama noktaları farkına göre ayırma işlemidir. Su-alkol karışımı bu yolla ayrılabilir. 6. Maddenin Fiziksel Özelliklerive Hal Değişimi Bütünmaddeler koşullara göre katı, sıvı ve gaz hallerinden birinde bulunurlar. Ayırma hunisi: Birbiri içinde çözünmeyen sıvıları yoğunluk farkı ile ayırma işlemidir. Yağ-su karışımı bu yolla ayrılabilir. 5.3. Gaz-gaz karışımlarınınayrılması Bu tür karışımlar genellikle, karışımı oluşturan gazların yoğunlaşma noktalarının farklılıklarından yararlanılarak ayrılır. Bunun dışında, karışımdaki gazlardan birinin tutunduğudiğerinin tutunmadığı bir ortamdan geçirilerek de ayrılabilir. Bir maddenin katı halden sıvı veya gaz haline geçişinde; - Düzensizlik artar - Kararsızlık artar - Maddenin enerji kapsamıartar - Tanecikler arası uzaklık artar - Tanecikler arası çekim kuvveti azalır Maddeler, bulunduğu ortamın sıcaklık ve basıncına bağlı olarak bir halden diğer hale geçebilirler. Bu olaya maddenin hal değişimi denir. Bir atm basınç altında, suyun donma noktası 0 o C, kaynama noktası ise 100 o C dir. Örneğin, - 20 o C deki buzun ısıtılması durumunda hal değişim grafiği (zamansıcaklık veya ısı-sıcaklık grafiği) şu şekilde olur. I- Grafikte görüldüğü gibi erime sıcaklığının altında bir katı, ısıtılırsa önce katının sıcaklığı artmaya başlar. Bu esnada sıcaklık arttığı için K.E. de artacak, P.E. ise sabit kalacaktır. Erime noktasına gelinceye kadar sıcaklık artışı devam eder. 3
II- Sıcaklık erime noktasına eşit olunca katı erimeye başlar. Yani hal değişimi gerçekleşir. Bu esnada sıcaklık değişmediği için K.E. de değişmez. Fakat katı tamameneriyinceye kadar P.E. artar. III- Katı tamamen eriyince sıvının sıcaklığı artmaya başlar. Sıcaklık arttığı için yine K.E. artacak ve P.E. sabit kalacaktır. Daha sonra suyun sıcaklığı kaynama noktasına gelinceye kadar yükselir. 6.1. Alkol-Su KarışımınınIsıtılması 1 atmosfer dış basınçta saf su 100 o C de, alkol ise 78 o C de kaynar. Su ve alkol her oranda birbiriyle homojen olarak karışır. Böyle bir karışımın kaynamaya başlama sıcaklığı 78 ile 100 o C arasında olacaktır. Ancak teorik olarak böyle kabul edilmemektedir. Örneğin, 100 o C de alkol-su karışımına ait ısı-sıcaklık grafiği aşağıdakigibi çizilebilir. IV- Sıcaklığı kaynama noktasına eşit olunca sıvı kaynamaya başlar. Sıvı, gaz fazına geçerek hal değişimini gerçekleştirir. Sıcaklık değişimi olmadığı için K.E. artmazken, sıvı tamamengaz fazına geçene kadar P.E. artacaktır. V- Sıvının tamamıgaz fazına geçince gazın sıcaklığı artmayabaşlar. Bir maddenin erime noktası ve kaynama noktası maddenin cinsine, maddenin saflığınave dış basınca bağlıdır. Grafikte görüldüğü gibi 20 o C de hazırlanmış alkol-su karışımı ısıtılmaktadır. Sıcaklık 78 o C ye geldiğinde alkol kaynamaya başlar. Sıcaklık, alkolün tamamı buharlaşıp ortamı terk edinceye kadar sabit kalır. Alkol ortamı terk ettikten sonra suyun sıcaklığı tekrar yükselmeye başlar ve 100 o C ye geldiğinde sıcaklık sabit kalır, su kaynamaya başlar. Alkol su karışımını ayırmak için kullanılan destilasyon düzeneği aşağıda verilmiştir. 6.2. Tuz-Su KarışımınınIsıtılması Tuzlu suyun kaynama noktası saf suyunkinden yüksektir. Saf maddelerin kaynaması sırasında sıcaklık sabit kalırken, çözeltilerin dolayısıyla tuzlu suyun kaynaması sırasında sıcaklık sabit kalmaz. Kaynama esnasında konsantrasyon giderek arttığı için sıcaklıkta artma meydana gelir ve bu olay çözelti doygun hale gelinceye kadar devam eder. Aşağıda 20 o C de tuzlu suya ait ısı-sıcaklık grafiği verilmiştir. 4
7. BUHAR BASINCI, KAYNAMA OLAYI ve FAZ DİYAGRAMI Sıvılar her sıcaklıkta bir miktar buharlaşırlar. Sıvı moleküllerinin gaz fazına geçerken yaptıkları basınca buhar basıncı denir. Bir başka deyişle buhar basıncı sıvı moleküllerinin gaz fazına geçme isteğinin bir ölçüsüdür. Sıvılar belli sıcaklıkta belli bir buhar basıncına sahiptir. Aşağıda, iki sıvının buhar basıncının sıcaklığa bağlı olarak değişimi grafik ile gösterilmektedir. Örneğin, 30 o C sıcaklıktaki suyu ısıtmaya başladığımızda, K.E. artacak ve su molekülleri hareketlerini artıracaktır. Dolayısıyla gaz fazına geçmek isteyen su moleküllerinin buhar basınçları yükselecektir. Sıcaklık yükseldikçe sıvının buhar basıncı artarak en sonunda dış basınca eşit olur. Bu anda sıvı kaynamayabaşlar. Buna göre sıvının kaynama sıcaklığı dış basınca bağlı olarak değişecektir. Dış basınç düşürülürse, kaynama noktası da düşecek, dış basınç arttırılırsa, kaynama noktası da artacaktır. Sıvı buhar basıncının 1 atm (760 mmhg) dış basınca eşit olduğu sıcaklık derecesine sıvının normal kaynama noktası denir. Grafikten görüldüğü gibi, iki sıvının buhar basıncının açık hava basıncına eşit olduğu sıcaklıklar, o sıvıların kaynama noktalarıdır. Yani aynı ortamda bulunan sıvıların kaynamaları sırasında buhar basınçları birbirine eşittir. Yine grafikten, aynı ortamda kaynama noktası düşük olan sıvıların buhar basınçlarının yüksek, kaynama noktası yüksek olan sıvıların buhar basınçlarının düşük olduğu görülmektedir. Kaynama esnasında, kaynama olayı sıvının her yerinde gerçekleşir. Kaynama noktasının altında olan buharlaşmalarda, yalnızca sıvı yüzeyindeki moleküller buharlaşır. Bir sıvı içinde herhangi uçucu olmayan bir katı çözündüğünde sıvının buhar basıncı düşer. Dolayısıyla kaynama noktası yükselir. Çözünen katı miktarının artırdıkça kaynamanoktası artacak ve buhar basıncı düşecektir. İki sıvı homojen karışıyorsa karışımın kaynama noktası, karışımı oluşturan sıvıların kaynama noktaları arasında yer alır. Eğer karışımın kaynama noktası, karışımı oluşturan sıvıların kaynama noktalarının arasında değilse karışım genellikle emülsiyondur. Faz Diyagramı Belirli bir maddenin katı, sıvı ve gaz hallerine ait buhar basıncının sıcaklıkla değişimini gösteren şekle faz diyagramı denir. Her saf maddenin kendine özgü bir faz diyagramı vardır. Faz diyagramı bilinen bir maddenin, hangi şartlarda (sıcaklık ve basınç) ne tür fiziksel hale sahip olduğunu söylemek mümkündür. Aşağıda suya ait faz diyagramı verilmiştir. Tamamen kapalı bir kap içerisinde bulunan saf sıvının sıcaklığı ne kadar artırılırsa artırılsın kaynama olayı gerçekleşmez. Sıvının tamamı kaynamadan buhar fazına geçer. Bir sıvının buhar basıncı, içinde bulunduğu kabın şekline ve hacmine, üzerindeki gazıncinsine ve basıncına bağlı değildir. Bu gibi faktörlere buharlaşma hızı bağlıdır. Bir sıvının buhar basıncı sadece sıcaklığa ve sıvının yapısına bağlıdır. 5
Şekilde AO çizgisi katı-sıvı denge durumunu ifade eder. Bir anlamda çeşitli basınçlarda erime noktalarının geometrik yeri olarak bakılabilir. Örneğin 760 mm Hg basınçta suyun donma noktası 0 o C dir. Sıvı-gaz denge durumunu ifade eden OB çizgisi çeşitli basınçlarda sıvının kaynama noktasını belirtir. Örneğin, 355 mm Hg basınçta suyun kaynama noktası 80 o C dir. CO çizgisi boyunca ise katı maddenin süblimasyonunu, bir anlamda katının buhar basıncını gösterir. Her üç eğrinin kesiştiği O noktasına üçlü nokta adı verilir. Bu noktayı tanımlayan sıcaklık ve basınçta maddenin her üç hali denge durumundadır. Şekilden de görüldüğü gibi suyun donma noktasına basıncın az da olsa etkisi olmaktadır. Su donarken hacmi arttığı için basınç arttıkça erime noktası düşer. Halbuki, çoğu maddelerde bunun tersi geçerlidir. 8. Maddenin Isı Alış-Verişi ve Hesaplamalar Maddelerin sıcaklığında değişme olurken ya da madde hal değiştirirken çevresi ile ısı alış-verişinde bulunur. Sıcaklığı değişen bir maddenin aldığı ya da verdiği ısı miktarı şu şekilde hesaplanır. Q = m c t Burada, Q = Isı miktarı (kalori) t = Sıcaklık farkı (t 2 - t 1 ) ( o C) m = Maddenin kütlesi (gram) c = Öz ısı (ısınma ısısı) (cal/g o C) Öz ısı: Maddenin cinsine bağlı sabit bir değerdir. 1 gram maddenin sıcaklığını 1 o C değiştiren ısı miktarıdır. Madde hal değiştirirken aldığı ya da verdiği ısı miktarı şu şekilde hesaplanır. Q = m L Hal değiştirme ısısı (L): Bir gram maddenin hal değiştirmesi esnasında aldığı ya da verdiği ısı miktarıdır. Hal değiştirme ısısı maddenin cinsine bağlı sabit bir değerdir. Erime için erime ısısı (L e ), buharlaşma için buharlaşma ısısı (L b ) adını alır. Birimi cal/g dır. Molar erime ısısı: Erime noktasındaki bir katının bir molünün katı halden sıvı hale geçmesi için gereken enerjidir (cal/mol). Molar buharlaşma ısısı: Kaynama noktasında bir sıvının bir molünün sıvı halden gaz haline geçerken aldığı enerjidir (cal/mol). Verilen bu bilgiler doğrultusunda ısıtılan saf bir katının hal değişim grafiğini ve grafikteki her aşamada ısı alış-veriş hesabı yapılırken dikkate alınacak denklemleri şöyle göstermek mümkündür. Q 1 = m c katı t Q 2 = m L e Q 3 = m c sıvı t Q 4 = m L b Q 5 = m c gaz t 6
9. Fiziksel Ve Kimyasal Değişmeler Maddelerin özellikleri fiziksel ve kimyasal olmak üzere iki temel grupta incelenebilir. Fiziksel özellikler: Genellikle maddenin dış görünümüyle ilgilidir. Maddenin şekli, rengi, fiziksel hali (katı, sıvı, gaz), sertliği, özkütlesi, çözünürlüğü, erime ve kaynamasıcaklıkları v.b. özellikler fiziksel özellikleridir. Kimyasal özellikler: Maddenin iç yapısını ilgilendiren özelliklerdir. Yanıcılık, asitbaz tepkimesi verebilme, elektron verme-alma v.b. özellikler kimyasalözelliklerdir. 9.1. Fiziksel Değişmeler Maddenin fiziksel özelliklerindeki değişimlerle ilgili olaylardır. Bu olaylarda maddenin kimyasalyapısı değişmez. Bazı fiziksel değişimler şöyle sıralanabilir. - Maddenin hal dönüşümleri - Karışımların ayrılması - Maddenin sıcaklığının değişmesi - Metal telin elektrik akımını iletmesi - Katı bir maddenin toz haline getirilmesi - Gökkuşağı oluşumu - Yemek tuzunun suda çözünmesi 9.2. Kimyasal değişmeler Maddenin kimyasal yapısındaki değişimlerle ilgili olaylardır. Örmeğin, yakılan bir kağıt parçası tamamen farklı maddelere dönüşür. Alüminyum metali asit çözeltisine atılınca tuz oluşur ve hidrojen gazı açığa çıkar. Bazı kimyasal olaylar aşağıda verilmiştir. - Mumun yanması - Demirin paslanması, gümüşünkararması (yavaş yanma olayı) - Etin pişmesi - Grizu patlaması - Sütün ekşimesi - CO 2 gazının kireç suyunu bulandırması - Bitkilerin fotosentez yapması - Zn metalinin asitte çözünmesi - Elma suyundan sirke yapılması - Hamurun mayalanması - Erimiş tuzların veya tuz çözeltilerinin elektrik iletmesi olayı (elektroliz) - Yağlı boyanın kuruması 7