Kimya II Ders Notları
advertisement
GENEL KİMYA II Dersin Künyesi Dersin Adı ve Kodu KİM194 Kimya II Dersin İçeriği Kimyasal termodinamik. Elektrokimya. Asitler ve bazlar. Metaller,yarı metaller, ametaller. Çekirdek kimyası. Yaşamsal kimya. Dersin Amacı Reaksiyonların ısı ve elektron akışını incelemek. Periyodik tabloda yer alan elementlerin üretimi, özellikleri, kimyasal reaksiyonları ve kimyasal analiz hakkında öğrencileri bilgilendirmek. E. Erdik ve Y. Satıkaya,Temel Üniversite Kimyası, Gazi Yayınevi Baki Hazer (1997); Genel Kimya, 4. Baskı. Akademi Ltd. Şti, Trabzon. A. Bahattin Soydan, A. Sezai Saraç (2004); Genel Üniversite Kimyası, 7. Baskı. Alfa Yayınları, İstanbul; Petrucci.Harwood.Herring (2002);Çev.Ed: Tahsin Uyar, Serpil Aksoy; Genel Kimya, Palme Yayıncılık, Ankara. Kaynak Kitap Yardımcı Kitaplar Hafta Konu Başlığı Birinci Hafta İkinci Hafta Üçüncü Hafta Dördüncü Hafta Yedinci Hafta Termodinamik. Termodinamiğin 0. ve 1. yasaları. Hess yasası. Termodinamiğin 2. ve 3. yasaları. Entropi. Serbest enerji. Asitler ve bazlar. Asit baz tanımları. İyonik denge, pH ve pOH. Asit ve bazların iyonlaşma sabitleri. Hidroliz. Ortak iyon etkisi. Tampon çözeltiler. Gravimetrik ve volümetrik analiz. Eşdeğer kütle ve normalite. Denklem denkleştirme. Elektrokimya. Faraday yasası. Pil gösterimleri ve elektrot çeşitleri. Elektromotor kuvvet ve endüstriyel piller. Ametaller. Hidrojen, oksijen,karbon, azot, fosfor, kükürt. Sekizinci Hafta Dokuzuncu Hafta Halojenler: Flor, Klor, Brom, İyot, Astatin Metaller; s-bloku metalleri, p-bloku metalleri. Çinko ailesi metalleri. Onuncu Hafta Geçiş metalleri. Krom, mangan, demir, kobalt, nikel. Kompleks bileşikleri. Geçiş metallerinin reaksiyonları. Bakır, gümüş, altın. Elde edilişleri ve kimyasal reaksiyonları. Beşinci Hafta Altıncı Hafta Onbirinci Hafta Onikinci Hafta Onüçüncü Hafta Ondördüncü Hafta Yarı metaller; bor, silisyum, germanyum. Arsenik, antimon, selen ve tellür. Elde edilişleri ve kimyasal reaksiyonları. Çekirdek kimyası. Radyoaktiflik. Çekirdek reaksiyonları. Organik kimya, polimerler ve biyokimya. BİRİNCİ HAFTA Termodinamik. Termodinamiğin 0. ve 1. yasaları. Hess yasası. TERMODİNAMİK Termo: ısı, dinamik: hareket kelimelerinden oluşmuştur. Termodinamik, kimyasal reaksiyonların ısı alışverişini inceleyen bilim koludur. Termodinamikte sıkça kullanılan terimler: Enerji, İş yapabilme yeteneğidir. Sıcaklık, ısının akış yönünün bir göstergesidir. Termodinamikte olayı yaşayan maddelere sistem denir. Reaksiyonlarda sistem bizzat reaksiyona giren kimyasal maddelerdir. Çevre, sistemle temas halinde olan evrenin bir parçasıdır. İç enerji (E), bir sistemin içinde bulunan tüm atomların, iyonların veya moleküllerin enerjilerinin toplamıdır. Cisimlerin sahip olduğu enerji ölçülmez. Sadece birinin diğerine göre enerji farkı ölçülebilir. Termodinamiğin 0. ve I. Kanunu Sıfırıncı yasa iki ayrı cismin bir üçüncü cisimle ısıl dengede olmaları durumunda kendi aralarında da ısıl dengede olacaklarını bildirir. Üçüncü cisim ile ısıl dengededirler. Termodinamiğin I. kanunu, evrenin enerjisinin sabit olduğunu ifade eder ve bu ifade birkaç değişik şekillerde söylenebilir. Enerji bir halden diğerine dönüşebilir. Fakat kaybolmaz. Enerji yoktan var edilemez, vardan yok edilemez. Bir sistemin enerjisindeki değişme sistem tarafından yapılan işlem sistem tarafından alınan (yada verilen) ısıya eşittir. Isı q, iş de w ile gösterildiğinde sistem ve çevre arasındaki etkileşimde toplam enerji değişimi, E nin matematik ifadesi şöyle olur: Kimyasal sistemlerde (elektrokimyasal iş hariç) sadece gaz sistemlerde basınç x hacim işi vardır. Bir piston ile sıkıştırılmış bir gaz ısındığı zaman genişler ve dış basınca karşı bir iş yapar. Entalpi (H) Entalpi, sabit basınçta meydana gelen işlemlerdeki çevre ile alınıp verilmiş ısı miktarına eşittir. H, sabit basınçta, genellikle açık kaplarda atmosfer basıncında yapılan reaksiyon ısısıdır: E, sabit hacimde, kalorimetre bombasında yapılan reaksiyon ısısıdır. Reaksiyon Isıları Bir reaksiyonun ısısı belirli bir sıcaklık için sabittir. Değişik sıcaklıklarda reaksiyon ısıları da değişir. Bir reaksiyonun reaksiyon ısısı o reaksiyon denkleminin genişletildiği sayı ile çarpımına, bölündüğü sayı ile bölümüne eşit olur. Standart Oluşma Isıları (Heo) 25C (298 K) ve 1 atmosferde belirlenen entalpi değişimine standart entalpi değişimi adı verilir ve H ile gösterilir. Bileşiklerin 298 K de 1 atm de elementlerinden oluşma entalpisine standart oluşma entalpisi denir ve Heo (delta H sıfır elementlerinden oluşma) ile gösterilir. Bağ enerjisi Bileşiği meydana getiren atomlar arasında çok sağlam bağlar olduğunu biliyoruz. Bu bağların oluşumu esnasında dışarıya verilen enerji, bağları kırmak için verilmesi gereken enerjiye eşittir. Kimyasal bağları kırmak için verilmesi gereken enerjiye bağ enerjisi adı verilir. Bağ kırılması (endotermik) (+) işaretli reaksiyon ısısına sahip bir reaksiyon, bağ oluşumu (ekzotermik)(-) işaretli reaksiyon ısısına sahip bir reaksiyondur. Yanma Isısı Genellikle oksijenle olan reaksiyonlara yanma reaksiyonları denildiği için reaksiyon ısılarına yanma ısısı (H) adı verilir. Bunlar yakıt olarak kullanılan organik maddelerde bilhassa önemlidir. Hess Kanunu (Reaksiyon Isılarının Hesaplanması) Birtakım reaksiyon adımlarından geçerek yürüyen bir net reaksiyonun ısısı, ara reaksiyon ısıları bilindiği takdirde hesap yoluyla bulunabilir. Termo- kimyanın bu en önemli buluşu 1840 de Hess tarafından birtakım deneyler sonucunda ortaya konulmuştur. Hess Kanunu bir kimyasal reaksiyonda ilk halden son hale geçişteki reaksiyon ısısı reaksiyonun gidiş yoluna bağlı değildir der. Reaksiyon ister bir adımda tamamlansın, ister birçok ara adımlardan geçerek tamamlansın, reaksiyon ısısı aynıdır şeklinde de ifade edilebilir. Karbon ve oksijenden karbondioksit oluşumu bir adımda veya iki adımda olabilir. C(grafit) + O2 (g) , (25o C, 1 atm) 2.a Ha = -110.5 kJ CO (g) 1/2 O 2 (g) 1. Ho = -393.5 kJ 2.b Hb = -283 kJ CO2 (g), (25o C, 1 atm) Reaksiyon Isılarının Ölçülmesi Bir ısının alındığı veya verildiği, sıcaklık değişmesiyle anlaşılır. Sıcaklığının yükselmesi o cismin ısı aldığını sıcaklığının düşüşü de o cismin ısı verdiğini gösterir. Bir cismin son durumundaki sıcaklığıyla ilk andaki sıcaklığı arasındaki fark (T) ısı miktarının hesaplanmasında kullanılır. Isı kapasitesi Faz geçişlerinin olmadığı sıcaklık aralıklarında spesifik ısı ve molar ısı kapasitesi olmak üzere iki türlü tanımlanır: 1) Spesifik Isı, 1 gram maddeyi 1K veya 1C yükseltmek için gerekli olan ısı miktarıdır (J/Kg): Bu durumda bir cismin aldığı veya verdiği ısı iki farklı şekilde hesaplanabilir: Isı (q) = mol sayısı x molar ısı kapasitesi x T veya Isı(q) = kütle x spesifik ısı x T 2) Molar ısı kapasitesi, bir mol maddeyi 1K veya 1C yükseltmek için gerekli olan ısı miktarıdır. Birimi J/K mol dür. Kalorimetreler Kalorimetreler reaksiyon ısılarını ölçmeye yarayan aletlerdir. Gerek sabit hacimde (kapalı kaplarda), gerek sabit basınçta (açık kaplarda, atmosfer basıncında) reaksiyon ısıları ölçülerek E veya H deneysel olarak bulunabilir. Her iki halde önce kalorimetrenin ısı kapasitesi deneysel olarak belirlenmelidir. Bunun için elektrikli ısıtıcı ile belirli bir süreyle kalorimetre ısıtılır veya belirli bir sıcaklığa ısıtılmış bir metal çubuk kalorimetreye konarak sıcaklık yükselmesi ölçülür. Bütün mesele bilinen belirli bir miktar ısının kalorimetreye verilerek sıcaklık yükselmesinin ölçülmesidir. Kalorimetre bombası Kalorimetre bombasında reaksiyon ısıları iç enerji değişmeleri (E) olarak ölçülür. Çözelti kalorimetreleri Çözelti kalorimetrelerinde reaksiyon açık havada (sabit basınçta) yapıldığından, reaksiyon ısısı, H olarak ölçülür: H = qp İKİNCİ HAFTA Termodinamiğin 2. ve 3. yasaları. Entropi. Serbest enerji. Termodinamiğin II. Kanunu. Entropi Kimyacı, kimyasal olayların kendiliğinden olup olmadığı sorusuna cevap aramıştır. Çoğunlukla geçerli olan ekzotermik olaylar kendiliğinden cereyan eder, endotermik olaylar kendiliğinden yürümez kuralı ortaya atılmıştır. İşte termodinamiğin ikinci kanunu, kendiliğinden olma olayını kesinlikle tarif etmek için, entropi ve serbest enerji kavramlarını getirmiştir. Kendiliğinden olma olayları karışıklığın, düzensizliğin karmaşanın en yüksek olduğu yöne doğru ilerler. Evrenin düzensizliği daima artmaktadır. İşte bu düzensizlik, karışıklık miktarı entropi olarak tarif edilmektedir. Entropi büyük S harfi ile gösterilir. Entropi de her bir sistem için net olarak hesaplanamaz ancak sistemin son hali ile ilk hali arasındaki entropi farkı miktarı olarak ölçülebilir. S = S2 - S1 Entropi değişimi İlk halin entropisi Son halin entropisi Entropinin artışına ve azalışına neden olan olaylardan bazılarını şöyle sıralayabiliriz: Entropinin artışına sebep olan olaylar Entropinin azaldığı olaylar Sıcaklık artışı Sıcaklık azalışı Bir katının erimesi Bir sıvının soğutulması Bir sıvının buharlaşması Bir gazın yoğunlaştırılması Aynı fazda karıştırılması iki maddenin Bir gazı daha küçük hacme koyma Bir sıvıda bir gaz veya katının Bir reaksiyonda çözünmesi sayısının azalması Bir gazın genişlemesi gaz mol Toplam mol, atom, sayısının azalması iyon Termodinamiğin III. Kanunu. Mutlak Entropiler İç enerji ve entalpinin sadece E ve H olarak değişimleri hesaplanabilmekte iken hem entropi değişimi hem de mutlak entropi hesaplanabilmektedir. Bu kolaylığı bize termodinamiğin üçüncü kanunu verir. Termodinamiğin üçüncü kanunu, mükemmel bir kristalin mutlak sıfır noktasındaki entropisi sıfırdır der. 0 K de mükemmel kristal olan F2 nin standart entropisinin (S298) bulunması. Kimyasal Reaksiyonlarda Entropi Değişimi Belirli bir sıcaklıkta gerçekleşen bir kimyasal reaksiyonun entropi değişimi ürünlerin entropisi ile başlangıç maddelerinin entropisi farkına eşittir. Entalpi değişimlerinde olduğu gibi entropi değişimleri de sadece son hal ile ilk hale bağlıdır. Reaksiyonun geçtiği yollara bağlı değildir. Hess Kanunu entropi değişimlerine de uygulanabilir. Serbest Enerji Fiziksel olaylarla kimyasal olayların kendiliğinden olup olamayacağı hususunun tahmin edilmesi hakkında kaba olarak ekzotermik reaksiyonlar kendiliğinden olur diyorduk. İkinci ve biraz daha kesin tahminimiz entropi artışı olursa reaksiyon kendiliğinden olur demiştik. Böylece hem entropi artışı olan ve hem de aynı zamanda dışarıya ısı veren (ekzotermik) reaksiyonlar kesinlikle kendiliğinden yürür diyebiliriz. Fakat ekzotermik olmadığı halde entropi artışı olan ve ekzotermik olup entropi artışı göstermeyen reaksiyonların kendiliğinden olup olamayacağını söyleyemeyiz. 1876 da J.W.Gibbs bunu açıklığa kavuşturmuştur. 1876 da J.W.Gibbs bir reaksiyonun kendiliğinden olup olmadığı hakkında kesin bir bilgi veren Gibbs serbest enerjisi bağıntısını bulmuştur: Bu bağıntıya göre G hesaplanır ve bulunan değere bakılarak reaksiyonun kendiliğinden yürüyüp yürüyemediği belirlenir: G < 0 reaksiyon kendiliğinden olur. G > 0 reaksiyon kendiliğinden olmaz. G = 0 reaksiyon dengededir. ÜÇÜNCÜ HAFTA Asitler ve bazlar. Asit baz tanımları. Hidroliz. İyonik denge, pH ve pOH. ASİTLER VE BAZLAR, İYONİK DENGE Asitler ve bazlar kimyada çok geniş bir yer tutarlar. Çoğu kimyasal reaksiyon asit veya bazların yardımıyla gerçekleşir. İnsan vücudunda mide hidroklorik asit (HCl) salgılar. Sülfürik asit (H2SO4), hidroklorik (HCl), nitrik asit (HNO3) ile sodyum hidroksit (NaOH), amonyak (NH3), sönmüş kireç: Kalsiyum hidroksit: Ca(OH)2 endüstride çok fazla kullanılmaktadır. İlk asit tanımı, tadı acı, mavi turnusolu kırmızıya çeviren, bazı metaller (Mn, Zn, Fe,... gibi) ile birleşince hidrojen gazı açığa çıkaran maddelerdir şeklinde idi. Baz da sabunumsu, kırmızı turnusolu maviye çeviren madde olarak tanımlanıyordu. Asit-baz tanımları Arrhenius; sulu çözeltiye proton veren asit, hidroksit iyonu veren de bazdır diye yapmıştır. Asit baz tanımı daha genel bir anlamda bugün çok kullanışlı olan Lowry-Brönsted tanımıdır. Ortam ne olursa olsun (sulu veya susuz) proton veren asit, proton alan da bazdır. Lewis’e göre ortaklanmamış bir elektron çifti alan asit, ortaklanmamış bir elektron çifti veren de bazdır. Susuz ortamda gerçekleşen proton alış verişi: Konjuge asit-baz tanımı Lowry-Brönsted’e göre asit-baz tarifindeki en çarpıcı nokta bir asidin bir proton kaybederek yeni bir bazı konjuge bazını, bir bazın bir proton alarak yeni bir asidi konjuge asidini oluşturmasıdır. Bir başka ifadeyle bir asidin konjuge bazını bulmak için molekül formülünden bir proton çıkarılır. Bir bazın konjuge asidini bulmak için de ona bir proton eklenir. Konjuge asit-baz örnekleri Basit Asitler Basit asitler biri hidrojen olmak üzere iki cins atomdan ibaret olan asitlerdir. Basit asitlerin adlandırılması; hidro diğer atomun adı ik şeklinde yapılır. Asit kuvvetliliği de periyodik tabloda yukarıdan aşağıya doğru indikçe artar: H2 O (hidroflorik asit) HF (hidroklorik asit) HCl (hidrobromik asit) HBr (hidroiyodik asit) HI artan asit kuvvetliliği H2 S H2 Se (hidroselenik asit) H2 Te (hidrotellurik asit) Basit asitlerde asit kuvvetliliği soldan sağa gittikçe artar: Artan asit kuvvetliliği (zayıf baz) (amfoter) (asit) Amfoterlik hem asit hem de baz Özelliğine aynı anda sahip olmaktır. Okso asitler Anyonunda oksijen ve bir başka atom bulunduran asitlerdir. Okso asitlerin kuvvetliliği Hidrojen ve oksijen dışında üçüncü atomun elektronegatifliği arttıkça asit kuvvetliliği artar. Aynı cins merkez atomlu asitlerde, merkez atomun yükseltgenme sayısı arttıkça asit kuvvetliliği artar. Okso asitlerde, Periyodik tabloda soldan sağa gittikçe bazlık azalır, asitlik artar. Oksoasitlerde periyodik tabloda yukarıdan aşağı inildikçe bazlık artar. Bazı Asitlerin Elde Edilişi 1. Derişik sülfürik asidin nitrat, florür, klorür, asetat tuzlarına etkisiyle elde edilir. 2. HCl ve HF elementlerinden elde edilebilir. 3. HI ve HBr tuzları üzerine derişik fosforik asit etki ettirilerek elde edilirler: 4. H2SO4, sülfürlü filizlerin havada yakılmasıyla oluşturulan SO3 gazından elde edilir. 5. HNO3 azot ve hidrojenin reaksiyonuyla oluşturulan amonyaktan elde edilir. 6. Asit anhidritlerinin su ile reaksiyonundan asitler ele geçer. Nötralleşme reaksiyonları Bir asit ve bazın reaksiyonuna nötralleşme reaksiyonu denir. Proton ve hidroksit iyonu birleşerek su oluştururken, asidin anyonu ile bazın katyonu da tuz oluşturur: KOH (aq) + HCl(aq) KCl(aq) + H2O Hidroliz Tuzlar bir asidin anyonu ile bir bazın katyonundan oluşmuş maddeler olduğuna göre bunların su ile reaksiyonlarını incelediğimizde bazı iyonların sudan bir proton koparıp hidroksil iyonlarını serbest bıraktığını, bazılarının da sudan hidroksit iyonu koparıp protonu serbest bıraktığını görürüz. Böylece bazik veya asidik çözeltiler oluşur. Suyun hidrojen-oksijen bağının kırılarak yeni bileşikler oluşturmasına hidroliz denir. İyonik Denge, pH ve pOH Asitlik ve bazlığı üslü sayılarla ifade etmek yerine küçük sayılarla vermek daha kullanışlıdır. Bunun için H+ veya OHiyonları derişimleri yerine eksi logaritma değerleri alınır. Bu değerler pH ve pOH olarak adlandırılır. Tanım olarak; pH, eksi logaritma H+ derişimidir: pH = - log [H+] pOH, eksi logaritma OH- derişimidir: pOH = - log [OH-] DÖRDÜNCÜ HAFTA Asit ve bazların iyonlaşma sabitleri. Ortak iyon etkisi. Tampon çözeltiler. Asit ve Bazların İyonlaşma Sabitleri (Ka, Kb) Ka : Asit iyonlaşma sabiti, Kb: Baz iyonlaşma sabiti. Kuvvetli asit ve bazlar % 100 iyonlaştığı için Ka ve Kb çok büyüktür (1 den büyük), zayıf asit ve bazların iyonlaşması çok azdır. Bazı asit ve bazların iyonlaşma sabitleri HA (aq) + H2 O (s) A - + H3 O + + - [H ] [A ] [HA] , Ka = , [BH ] [OH ] Kb = [B] zayıf asit B (aq) zayıf baz + H2 O (s) + BH + OH - + - İyonların Su ile Reaksiyonları a) Nötral Tuzlar: Kuvvetli asit anyonu ile kuvvetli baz katyonlarından oluşan tuzlardır. Suda hidroliz olmazlar sadece iyonlaşırlar. b) Asidik tuzlar: Zayıf baz katyonu ile kuvvetli asit anyonundan oluşan tuzlardır. Suda sadece katyonları hidroliz olup çözeltiyi asidik yaparlar. c) Bazik tuzlar: Zayıf asit ile kuvvetli bazdan oluşan tuzlardır. Tuzun anyonu hidroliz olarak çözeltiyi bazik yapar. d) Her iki iyonu da su ile reaksiyon veren iyonlardan oluşmuşsa anyonun ve katyonun iyonlaşma sabitleri karşılaştırılarak çözeltinin asitliği veya bazlığı tahmin edilir. İyonların su ile reaksiyonlarına örnekler Ortak İyon Etkisi La Chatelier prensibine göre bir tuz çözeltisine ortak bir iyonu bulunan bir başka çözelti katılırsa, tuzun çözünürlüğü azalır. Tampon Çözeltiler Kuvvetli asit veya baz ilavesiyle pH sı çok az değişen çözeltilerdir. Zayıf asit ve tuzu (konjuge bazı), zayıf baz ve tuzu (konjuge asidi) karışımlarından hazırlanır. Tampon çözeltiye asit veya baz ilavesinde baz konjuge asidine, asit konjuge bazına dönüşür. Tampon çözeltiler Çözünürlük Çarpımı ve Çökme Dengede olmayan veya doymamış bir çözeltideki iyonların konsantrasyonları çarpımına iyonlar çarpımı denir. İyonlar çarpımı bir iyonik katı maddenin çözünmesi reaksiyonunun ilerleme değeridir (Qi). Bir katının çözünürlük çarpımı Ksp, dengede, doygun bir çözeltideki iyonlar çarpımıdır veya çözeltideki iyonları ile dengede olan iyonik bir katının denge sabitidir diye de tarif edilir. İyonlar çarpımı (Qi) çözünürlük çarpımı (Ksp) karşılaştırılarak ne zaman çökmenin gerçekleşeceği tahmin edilir. Qi < Ksp Qi = Ksp Qi > Ksp Tüm iyonlar çözeltidedir. Çökme olmaz. Denge hali. Doygun çözelti Qi = Ksp oluncaya kadar çökelti oluşur. BEŞİNCİ HAFTA Gravimetrik ve volümetrik analiz. Eşdeğer kütle ve normalite. Denklem denkleştirme. Çözeltide İyon Analizleri Çoğu kez bir çözeltide hangi iyonların olduğunu belirlemek bu iyonların ne kadar olduğunu tahmin etmek kimyacıya düşer. Bir çözeltide hangi cins iyonların bulunduğunu belirlemeye kalitatif (nitel) analiz denir ve bunda katyonlar ve anyonlar belirli bir sistematiğe uygun olarak ayrı ayrı incelenir. İyonların miktarını tayin etmeye de kantitatif (nicel) analiz adı verilir. Bu da gravimetrik ve volumetrik analiz olmak üzere iki çeşittir. Gravimetrik Analiz Gravimetrik analizde çözeltide bulunan iyonlar, uygun maddeler ilavesiyle çöktürülür, süzülür ve tartılır. Reaksiyon denklemlerine göre orantı kurularak iyon miktarı hesaplanır. Reaksiyon denklemlerine göre madde miktarı hesaplama işlemine stökiyometri denir. Volumetrik Analiz Deneysel işlemleri gravimetrik analize göre daha az olan, kolay ve pratik bir analizdir. Volumetrik analizde bilinen derişimdeki bir maddenin çözeltisi miktarı belirlenecek olan maddenin çözeltisine aralarındaki reaksiyon tamamlanıncaya kadar katılır. Bilinen derişimdeki çözeltiye standart çözelti denir. İki madde arasındaki reaksiyonun tamamlandığı an ya standart çözeltinin kendi renginin değişimiyle veya ilave bir indikatörün renk değişimi ile belirlenir. Fenol ftalein asidik ve bazik ortamda aşağıdaki reaksiyonuna göre renk değiştirir: O OH C C OH O C - O O asit şekli (renksiz) O O C O baz şekilleri (kırmızı) - O + C C O C O - - O - O C O - O - Titrasyon Eğrileri Her titrasyonda ilave edilen standart çözelti ile titre edilen çözeltinin değişen konsantrasyonu arasında çizilen grafikler bize titrasyonun gidişi ve dönüm noktasının belirlenmesi hakkında bilgi verirler. Bu grafiklere titrasyon eğrileri adı verilir. Eşdeğer Kütle ve Normalite Kimyasal reaksiyonların anlaşılabilmesi için eşdeğerlik çok önemlidir. Bir kimyasal denklemde değişik mol sayılarında maddeler birbiriyle reaksiyona girebilir, ancak denkleşmiş bir denklemde her zaman başlangıç maddelerin birer eşdeğer kütlesi reaksiyona girerek birer eşdeğer kütle ürünleri oluştururlar. Eşdeğerlik sadece reaksiyonlarda geçerli olan bir tanımdır. Redoks reaksiyonlarda yarı reaksiyonlar yöntemine göre denklem denkleştirme Yarı reaksiyon yönteminde esas ilke alınan ve verilen elektron ve atom sayılarının eşitliğidir. Yarı reaksiyonların denkleştirilmesinde oksijen atomlarının sayılarını eşitlemek en çok karşılaşılan bir noktadır. Oksijen sayılarının eşitlenmesinde sol tarafta oksijen eksikliği varsa, asidik reaksiyonlarda sol tarafa su ilave edilir, sağ tarafta protonlar oluşturulur; bazik reaksiyonlarda sol tarafa hidroksit iyonları veya su ilave edilir, sağ tarafta su veya hidrojen iyonları oluşturulur. Oksijen fazlalığı varsa sol tarafa proton ilave edilir. Fazla oksijen atomları ile bu protonlar sağ tarafta su olarak ortaya çıkar. ALTINCI HAFTA Elektrokimya. Faraday yasası. Pil gösterimleri ve elektrot çeşitleri. Elektromotor kuvvet ve endüstriyel piller. ELEKTROKİMYA Elektrokimyanın günlük yaşantımızda büyük bir pratik önemi vardır. Pillerle çalışan tüm aletler, pilli radyolar, pilli oyuncaklar, pilli tıraş makineleri hep elektrokimyanın günlük hayata uygulanmış şeklidirler. Otomobil parçaları, madalyonlar gibi bazı eşyaları daha güzel, daha parlak görünümlü yapabilmek ve korozyondan korumak için bazı metallerle kaplamanın bir yolu da yine elektrokimyasal bir işlem olan elektrolizdir. Kimya zaten baştan başa elektrikseldir. Tarif olarak elektrokimya, elektrik enerjisi üreten veya elektrik enerjisiyle yürüyen yükseltgenmeindirgenme (redoks) reaksiyonlarının tümünü içine alan bilim dalıdır. Volta Pili (Galvanik Pil) A. Volta 1800 yılında üstüste koyduğu çinko ve gümüş plakaları arasına tuzlu suya daldırılmış kumaş parçaları koyarak elektrik üreten ilk pili yapmıştır. Kendi adına izafeten bu pile volta pili adı verilmiştir. İlk Galvanik Pil (Volta pili) REAKSİYONUNDAN GALVANİK PİL DÜZENEĞİ İLE ELEKTRİK AKIMI ÜRETİLMESİ Elektrolitik Piller Dışarıdan elektrik akımı verilerek kendiliğinden olmayan reaksiyonların gerçekleştirildiği sistemlerdir. Elektrik akımı ile gerçekleştirilen bu reaksiyonlara elektroliz adı verilir. Erimiş sodyum klorürün elektrolizi Faraday kanunu Bir iyonik çözeltiden bir eşdeğer gram maddeyi biriktirmek veya anottan çözeltiye geçirmek için 96500 Coulomb (C) elektrik yükü gerekir. 96500 C= IF (Faraday) olarak gösterilir. Pil Gösterimleri ve Elektrot Çeşitleri Galvanik pillerin gösterimi pilin nasıl oluştuğunu açıklamak için kullanılır. Bunun için, anotanot elektrolitikatot elektrolitikatot sırasına göre yazılır. Burada dikkat edilecek husus önce yükseltgenen yarım pil reaksiyonundan başlayarak sırayla birbirine temas eden fazları yazmaktır. Bir çinko-bakır galvanik pilinin gösterimi Anot Zn faz teması +2 Zn (c1 ) Katot +2 Cu (c2 ) tuz köprüsü Cu faz teması Elektrot sistemleri 1)1. Metal çubuk/metal katyonunu 2) içeren elektrolite daldırılmıştır 1)2. Gaz elektrot ve gazdan oluşmuş 2) iyon içeren elektrolit 3. Metal elektrot, metalin az çözünen bir tuzu ile kaplanmış ve tuzun anyonunu içeren elektrolite daldırılmış 1)4. İnert iletkenli (grafit) redoks elektrod aynı bir 2) elementin yükseltgenmiş ve indirgenmiş tuzlarının 3) çözeltisini içeren elektrolite daldırılmış. Elektromotor Kuvvet Bir hücrenin elektromotor kuvveti, emk, iki yarım hücre arasındaki potansiyel farkın bir ölçüsüdür. Elektriksel potansiyelin birimi volttur (V). Elektron pozitif yüke doğru akar. Elektrik alan yüklü parçacıkların farklı yüklü iseler-birbirini çektiği veya -aynı yüklü iseler- birbirini ittiği bölgedir. Bir elektrik alanındaki yüklü bir parçacık daha yüksek elektriksel potansiyel enerjili bir yerden daha düşük elektriksel potansiyel enerjili bir yere doğru hareket eder. Bir volta pilinde elektronların devamlı akışı anot ve katot arasındaki potansiyel farkından dolayıdır. Anot, katoda göre daha yüksek bir negatif potansiyel enerjiye sahip olduğundan elektronlar anottan katoda akarlar. Elektromotor kuvvet serbest enerji gibi kimyasal reaksiyonun ne derece kendiliğinden olabileceğinin bir ölçüsüdür. Bu yüzden bu iki terim arasında matematiksel bir ilişki vardır. Standart İndirgenme Potansiyelleri Bir pilde her bir yarım reaksiyonun elektrot potansiyeli ölçülebilir. Uluslararası bir gösterim olarak yarım reaksiyonlar için potansiyellerin indirgenme potansiyeli olarak verilmesi üzerinde anlaşılmıştır. 1 atm, 1 molar ve 25C de ölçülen bu değerler standart elektrot potansiyeli veya standart indirgenme potansiyeli olarak anılır. Standart indirgenme potansiyelleri ikinci bir yarım pil (yarım hücre) ile bir pil teşkil edilerek ölçülür. Bu ikinci referans yarım hücrenin standart potansiyeli sıfır olmaktadır. Hidrojen elektrotunun 25C de standart potansiyeli 0.00 V dur. Nernst Denklemi Eğer pil sistemi standart şartlar (1 molar, 25C ve 1 atm) dışında özelliklere sahip olursa pilin e.m.k’ sının nasıl hesaplanacağı 1900’lü yıllarda W.Nernst tarafından kendi adıyla anılan bağıntıya verildi. K ve E ilişkisi Nernst bağıntısında redoks reaksiyonunun denge halini düşünürsek Q = K olacaktır. Dengede pilin E değeri de sıfır olacaktır. pH Metreler Nernst bağıntısı, bize sadece derişimleri değiştirerek aynı cins yarım reaksiyonların da bir potansiyel farkı doğurabileceğini gösterir. pH-metreler, emk değerlerini doğrudan pH cinsinden veren potansiyometrelerdir. Endüstriyel Piller Endüstriyel piller; (1) tek kullanımlı (primer piller), (2) depolama pilleri (akümülatörler) ve (3) yakıt pilleri olarak sınıflandırılırlar. YEDİNCİ HAFTA Ametaller. Hidrojen, oksijen, karbon, azot, fosfor, kükürt. AMETALLER H2, N2, O2, F2, Cl2, soy gazlar (gaz); Br2 (sıvı); karbon, fosfor, kükürt, iyot ve astatin (katı) ametallerdir. Ametaller metalik özellik taşımazlar yani tel ve levha haline getirilemezler. Elektriği ve ısıyı iletmezler. Periyodik tablonun son grubu olan soy gazlar reaksiyon yeteneği hemen hemen hiç olmayan (sadece çok az sayıda bileşikleri son yıllarda elde edilebilmiştir) tek atomlu-mono atomik gazlardır. Işıklı reklam panolarında inert ortam olarak kullanılırlar. Düşük basınçta soy gaz içeren bir tüpten elektrik akımı geçirildiğinde He: beyaz-pembe, Ne: Kırmızı-turuncu, Ar: Pembe, Kr: Mavi-beyaz, Xe: Mavi ışık verirler. Bu serinin son elementi Rn radyoaktiftir. Hidrojen, H2 Hidrojen renksiz kokusuz bir gazdır. Yüksek yanıcı özelliğe sahip olduğu için özel şartlarda muhafaza edilir. Elektronik yapısı 1s1 şeklindedir. Hidrojenin üç izotopu vardır. Hidrojen (1protium), : Döteryum (2D) : Trityum (3T). Döteryum yanında doğada hidrojenin 5000 de biri oranında bulunur. D2O ya ağır su denir. Normal suda bulunur ve fraksiyonlu destilasyonla normal sudan ayrılır. (H2O, k.n.:100.0C; D2O k.n: 101.4C). Ağır su, çekirdek reaksiyonlarında, nötron yavaşlatıcısı olarak kullanılır. Hidrojen, halojenlerle doğrudan birleşir : Hidrojenin Elde Edilmesi Endüstride büyük miktarlarda hidrojen doğal gaz (en çok metan içerir) veya karbonun su buharıyla reaksiyonundan elde edilir. Çok saf hidrojen suyun elektrolizi ile elde edilir. Suyun elektrolizi. 1.Laboratuarda hidrojen çoğunlukla çinko 2.Metalinin H2SO4 ile reaksiyonundan elde edilir. Oksijen, O2 Oksijen (O2), renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Sıvı oksijen açık mavi renktedir. İçme suları hava ile temas halinde olduğundan bir miktar çözünmüş oksijen içerirler. Oksijenin çözünürlüğü 1 litre suda 30 ml O2 dir. Oksijenin Reaksiyonları Oksijen (halojenler, nitrik asit, hipoklorit, klorat ve perklorat asitleri gibi) kuvvetli bir yükseltgeyicidir. Karşısındaki elementi yükseltgerken kendisi -2 değerliğe indirgenir. Oksitler ve Hidroksitler Ametal oksitleri asit özelliği, metal oksitleri de baz özelliği gösterir. Bunlar su ile reaksiyona girdiğinde ilgili asit ve bazlarını verirler. Su ile, ilgili asitlerini veren ametal oksitlerine asit anhidrit adı verilir. Metal oksitleri de su ile hidroksitleri verirler. Bu metal oksitlerine de bazik anhidrit veya bazik oksit adı verilir. Amfoter metal hidroksitleri Bazlara karşı asit gibi, asitlere karşı da baz gibi reaksiyon veren maddelere amfoter, oksitlere amfoter oksit hidroksitlere de amfoter hidroksit adı verilir Oksijenin Elde Edilmesi Başlıca elde edilme yolu sıvı havanın fraksiyonlu destilasyonu yoluyladır. Sıvı havanın fraksiyonlu destilasyonu ile oksijen ile birlikte argon helyum gibi soy gazlar da ucuz olarak elde edilirler. Laboratuarda oksijen potasyum kloratın kızdırılmasıyla elde edilir: Oksijen başlıca çelik ve metal üretiminde yanmayı kolaylaştırıcı olarak ve oksijen içeren kimyasal maddelerin üretiminde kullanılır. Ayrıca hastanelerde oksijen maskelerinde, pis suların arıtılmasında oksitleştirici olarak, oksijen asetilen hamlaçlarında, roket yakıtlarını yakmada sıvı oksijen (LOX) olarak kullanılmaktadır. Ozon, O3 Üç oksijen atomunun kovalent bağlanmasıyla oluşmuş gaz halinde bir maddedir. Oksijen ve ozon aynı bir elementin farklı bağlanma şekillerine sahip maddelerdir (Allotropturlar). .. O :O : .. O .. :O : .. :O : :O : Hidrojen Peroksit, H2O2 Renksiz, kararlı olmayan bir sıvıdır. Oda sıcaklığında yavaşça bozunur. Zayıf bir asittir. Peroksitteki oksijen atomlarının her birinin ortalama yükseltgenme sayısı (-1) dir. Peroksit (-O-O-) bağı oldukça düşük bir bağ enerjisine sahiptir. Derişik çözeltileri patlama ile bozunur. Bu yüzden patlayıcı imalinde kullanılır. Çok kuvvetli bir yükseltgeme aracıdır. Aynı zamanda yükseltgeyiciler karşısında da indirgen olarak hareket eder. Süper oksitler, KO2, RbO2, CsO2 Sadece K, Rb ve Cs un oksijen ile ısıtılmasıyla elde edilir. Ozonürler K, Rb ve Cs hidroksitlerinin ozonla reaksiyonundan elde edilir. İçme ve Kullanma Suyu Ca2+ , Mg2+ , Fe2+ gibi iyonları içeren suya sert su denir. Sert sular istenilmez çünkü sabunu çökerterek bol köpük yapmasını ve kirleri çıkarmasını önlerler. Bu katyonların yanında anyon olarak HCO3- bulunduğu zaman buna geçici sertlik adı verilir. Karbon, C Yeraltında kömür madenleri olarak taşkömürü, linyit şekillerinde bulunur. Karbon elmas ve grafit olarak iki allotropa sahiptir. Elmas tetrahedral bağlar yapar. En dış yörüngesindeki değerlik elektronlarının dördü de bağlanmaya iştirak etmiştir. Grafitte ise üç elektron bağlanmaya iştirak etmiş ve dördüncüsü serbest kalmıştır. Grafit, bu serbest elektrona sahip oluşundan dolayı elektrik akımını iletir, elmas hiç serbest elektron taşımadığından akımı iletmez. Karbonun iki allotropu: elmas ve grafit Karbonun bazı bileşikleri Siyanürler Karbon monoksit, CO ( :CO: ) Karbon dioksit, CO2( :O = C = O: ) Karbürler: (C2)2- [:C C: ]2- Azot, N2 ( : N N : ) Renksiz, kokusuz, tatsız ve zehirliliği olmayan bir gazdır. Havada % 78.08 oranında bulunur. Çok zor reaksiyona girer. Çünkü azot-azot bağları çok kuvvetlidir. En çok amonyak, kalsiyumsiyanamid [CaNCN], hidrazin yapımında kullanılır. Siyanamid ve amonyak çoğunlukla gübre, hidrazin de roket yakıtı olarak kullanılır. Çoğu reaksiyonları inert bir ortamda yapabilmek için azot gazı kullanılır. Ayrıca sıvı azot, havanın soğutulup sıkıştırılması yoluyla elde edilen sıvı havadan (-195C de N2, -183C de O2 kaynar) fraksiyonlu destilasyonla ayrılarak elde edilir. Azotun bileşiklerinde aldığı yükseltgenme sayıları Fosfor, P4 Fosforun değişik reaksiyon yatkınlığına sahip üç allotropu vardır. Beyaz, kırmızı ve siyah fosfor. Beyaz fosfor, yumuşak mumumsu, beyaz-sarı renkli ve çok zehirlidir. Elli miligram alınırsa ölüme neden olur. P4 molekülü halindedir. Çok kolay tutuşur. Kırmızı fosfor, beyaz fosforun 250C ye ısıtılmasıyla elde edilir ve zehirsizdir. Fosforun tüm reaksiyonlarını biraz daha yüksek sıcaklıklarda verdiği için beyaz fosfor yerine reaksiyonlarda kırmızı fosfor kullanılır. Kırmızı fosfor tam aydınlatılmamış karışık polimerik bir yapıya sahiptir. Oda sıcaklığında kararlıdır, ancak 400C de tutuşur. Fosforun üçüncü allotropu siyah fosfor, kristal yapıdadır, metalik özellik gösterir ve elektriği iletir. Beyaz fosforun birkaç gün 35.000 atm de katalizör altında ısıtılmasıyla elde edilir. Kükürt, S8 Kükürt rombik ve monoklinik kükürt olmak üzere iki allotropu halinde bulunur. Oda sıcaklığında kararlı olan allotropu rombik kükürttür ve çok yavaş ısıtıldığında 96.5C de monoklinik kükürde dönüşür. Her iki allotropunda da kükürt S8 molekülü halindedir. Oda sıcaklığında rombik kükürt açık sarı renkli, kokusuz ve tatsız kristal bir katıdır. Monoklinik kükürdün e.n: 119C dir. Sıvı kükürt, ısıtmaya devam edildiğinde ilginç bir özellik gösterir ve 160-187C lerde viskozitesi artar (polimerleşir). Eğer bu sıvı kükürt 200C civarına hızla soğutulup suya dökülürse sünek plastik bir malzeme elde edilir. Bu oda sıcaklığında daha sonra yavaş yavaş rombik kükürde dönüşür. Frasch usulü ile kükürt çıkarılması Kükürtün bileşikleri ve yükseltgenme değerlikleri. SEKİZİNCİ HAFTA Halojenler: Flor, Klor, Brom, İyot, Astatin Halojenler: Flor, Klor, Brom, İyot, Astatin Yeryüzünde suda çözünen tuzları halinde bulunurlar. Bu yüzden yağmur suları ile deniz ve göllere birikirler. Genellikle tuzların elektrolizi ile elementleri elde edilir. Hepsi ametaldirler. Halojen, tuz üreten anlamına gelir. Periyodik tabloda en yüksek elektronegatiflik değerine sahip olan flor halojenlerin ilk üyesidir. Klor, brom, iyot ve astatin gitgide azalan elektronegatifliğe sahiptir. Astatin radyoaktif olduğundan doğada mevcut değildir. Flor açık sarı, klor sarı yeşil gaz, brom kırmızı-kahverengi sıvı ve iyot mor siyah katıdır. Klor Bileşikleri Brom Bileşikleri İyot Bileşikleri Laboratuarda klor gazının elde edilişi. Halojenlerin birbiriyle yaptığı bileşikler Halooksoasitlerinin isimleri ve molekül şekilleri. DOKUZUNCU HAFTA Metaller; s-bloku metalleri, p-bloku metalleri. Çinko ailesi metalleri. METALLER VE YARIMETALLER Metaller, metalik özellik denilen üstün ısı ve elektrik iletkenliği, malzeme özelliği-kalıplanabilme, şekil verme tel ve levha haline getirilebilme- özellikleri göstermeleri bakımından büyük önem taşırlar. Metalik parlaklığa sahiptirler, ışığı yansıtırlar. Bileşiklerinde daima pozitif değerliğe sahiptirler. Elementel halde iken elektron alıp anyon hale geçemezler. Oda sıcaklığında cıva hariç katıdırlar. Yoğunlukları yüksektir. (3-19 g/cm3 arasında değişir). Yarı iletkenler elektronik endüstrisinde pek büyük bir önemi ve yeri olan elementlerdir. Özellikleri metal ve ametaller arasındadırlar. Görünüşleri ile metal gibi görünürler ama kimyasal reaksiyonlarda ametaller gibi davranırlar. Oda sıcaklığında katıdırlar. B, Si, Ge, As, Sb, Se, Te yarı metaldirler. Yarı metallere aynı zamanda yarı iletkenler adı da verilir. s-Bloku Metalleri En dış tabakadaki (değerlik elektronları) sorbitallerinde bulunan metallerdir. Li-ailesine alkali metaller, Be-ailesine de toprak alkali metaller adı verilir. Genellikle alkali metaller diye de anılırlar. Lityum ailesi: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr reaksiyon yeteneği en yüksek olan metallerdir. Berilyum ailesi: Be, Mg, Ca, Sr, Ba ve Ra dur. Toprak alkali metalleri adı da verilir. Radyum radyoaktiftir. Beailesi metalleri bileşiklerinde +2 değerliklidirler. s-Bloku Metallerin Bileşikleri s-Bloku metallerin bazı bileşiklerinin endüstriyel önemi büyüktür. NaOH (kostik soda): Kimya ve kağıt endüstrisinde, alüminyumun elde edilişinde, petrolde istenmeyen kükürdün ayrılmasında, sabun ve deterjan sanayisinde, Na2CO3 (Soda külü): Temizleyicilerde, kimyasal maddelerin yapılmasında, cam sanayisinde, suların sertliğinin giderilmesinde, NaHCO3 (Pişirme sodası): Kağıt sanayisinde, yiyeceklerde kabartma tozu olarak ve yangın söndürmede, CaO (Sönmemiş kireç), Ca(OH)2, (Sönmüş kireç): Metallerin elde edilmesinde (metalürjide), harç ve çimento yapımında, MgO (Mağnezya): Ateş tuğlası, yalıtkan, kağıt sanayisinde hayvan yeminde ve çöktürücü olarak, MgSO4.7H2O(İngiliz tuzu): Müshil ilacı olarak tıpta, dericilikte kullanılırlar NaCl nin elektrolizi ile sodyum elde edilişi (Downs hücresi). s-Bloku Metallerin Tanıma Reaksiyonları Alev denemeleri ile tanınırlar. Bileşik veya elementel halde bunzen alevinde Li turuncu, K menekşe, Na sarı, Ba yeşil, Sr kırmızı ve Ca tuğla kırmızısı renkle yanarlar. Alkali metallerin tuzları hemen hepsi suda çözünürler. Toprak alkali metal karbonat ve sülfatları suda az çözünürler. p-Bloku Metalleri En dış elektronları p-orbitallerinde olan metallerdir. Bunlar Al, Ga, In, Tl, Sn, Pb ve Bi dir. III-A grubu metalleri Al, Ga, In, Tl dur. Galyum, indiyum ve talyumun +3 değerlikli bileşikleri kuvvetli yükseltgen olarak etki ederler. In, Tl +1 değerlikli halde de bulunurlar. Alüminyum hafif parlak kolay işlenen bir metaldir. Mutfak eşyaları yapılan korozyona uğramayan bir malzemedir. Alüminyum toz halde demir-3-oksidi elementel demire indirgeyerek büyük miktarda ısı açığa çıkarır ve bu esnada indirgenmiş olan demir erir. Bu reaksiyona termit reaksiyonu denir ve kaynakçılıkta kullanılır: Alüminyumun erimiş boksit ve kriyolitten elektroliz yoluyla elde edilişi. Alüminyumun amfoter özelikleri Çinko Ailesi Metalleri Çinko ailesi metalleri çinko, kadmiyum ve cıvadır. Geçiş elementlerinin hemen bitiminde yer aldıklarından son geçiş elementleri diye de adlandırmaları yapılmaktadır. En dış görüngeleri d10s2 elektronik yapısına sahip oluşları nedeniyle sbloku metalleri ile benzerlik gösterirler. En fazla +2 değerlikli olabilirler. Zn ve Cd sadece +2, cıva +1 ve +2 değerlikli olabilir. Toprak alkali metallerine benzerler. Fakat onlara göre daha elektronegatiftirler ve daha düşük erirler. Metallerde Kovalent Bağlanma Özellikleri Metallerin tüm bileşiklerinin iyonik bağ yaptığını düşünürüz. Çoğunlukla bu doğrudur fakat her zaman değil. Özellikle alkali metallerinden sonra gelen toprak alkali, geçiş metalleri, p-bloku metalleri ve yarı metaller kovalent bağlı bileşiklere meylederler. Aslında % 100 iyonik bileşikler deyimini kullanmak bile doğru değildir. İyonik bileşiklerde her zaman bir kovalent bağ karakteri çok az bile olsa hep mevcuttur. Çünkü kovalent bağ, bir katyonun bir anyonun elektron bulutunu deforme etmesi şeklinde oluşur. Berilyum, bir elektronunu klor atomuna verip klorür anyonu meydana gelince berilyum katyonu bu klorür anyonunun elektron bulutunu deforme eder (şeklini bozar). + + - deformasyon + - kovalent bağ Kovalent bağa meyletme özellikleri 1. İyon yarıçapı küçük ve aynı zamanda yüksek değerlikli katyonlar kovalent bağa daha fazla meylederler. 2. Her periyotta soldan sağa gidildikçe iyon yarıçapı azaldığından kovalent bağ karakteri artar. 3. Bağ yapan iki atomun elektronegatiflik değerleri arasındaki fark büyüdükçe iyonik karakter artar. 4. Anyonun çapının büyümesi de kovalent bağa yardımcı olur. 5. Anyon yükünün artışı kovalent karakteri artırır. ONUNCU HAFTA Geçiş metalleri. Krom, mangan, demir, kobalt, nikel. Kompleks bileşikleri. Geçiş metallerinin reaksiyonları. Geçiş Metalleri Geçiş metalleri bakır, demir, altın, gümüş gibi çok eskiden beri bilinen metalleri içine alır. Periyodik tabloda ikinci baş grup elementleri ile üçüncü baş grup elementleri arasında kalan elementlerdir. Bunların en önemli özellikleri elektron yapılarındadır. En dış tabakalarından başka iç tabakalarında da elektron dolmamış tabakalar bulunur. d-orbitalleri sırasıyla dolan metallere dgeçiş metalleri, f-orbitalleri sırasıyla dolan metallere de f-geçiş metalleri denir. Geçiş metallerinin genel özellikleri Tipik metaldirler, Değişik yükseltgenme basamaklarında bulunabilirler, Paramagnetik ve ferromagnetik (Fe, Co, Ni, Mn) özellik gösterirler, Kompleks bileşikler verirler. Geçiş Elementlerinin Reaksiyonları 1. Kompleks bileşiklerin elementlerle reaksiyonlarında örneğin oksijenle reaksiyona girdiğinde oksitlenir ve reaksiyon durur. Manganın oksijenle reaksiyonu böyledir. Yüksek sıcaklıkta mangan; flor, klor, azot ve oksijenle reaksiyona girer. Toz halinde iken reaksiyon kabiliyetleri artar. Geçiş Elementlerinin Reaksiyonları 2. Asit ve bazlarla reaksiyonlarda da hemen koruyucu bir tabaka ile kaplanır. Örneğin derişik nitrik asit demir, kobalt ve nikeli hemen pasifleştirir, ileri bir kimyasal reaksiyonu önler. Tüm platin grubu metaller (Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt) asit ve sulu bazlara karşı direnç gösterirler. Geçiş Elementlerinin Reaksiyonları 3. Sulu çözeltilerde çoğu geçiş metal katyonu kompleks iyonları halinde ve değişik renklerde bulunur. Krom, Cr Mavimsi renkli sert, kırılgan, çok parlak ve korozyona çok dayanıklı bir metaldir. Kromit (FeCr2O4) cevheri halinde bulunur. Çelik esas olarak demir, krom ve nikel alaşımıdır. Kromit cevheri doğrudan demire katılarak demir krom (ferrokrom) çelikleri yapımında kullanılır. Krom, krom kaplama, çelik alaşımlarında, CrO3 (krom-6-oksit) kaplama banyolarında, boya, yükseltgeyici, Na2CrO4, Na2Cr2O7, K2Cr2O7; boya, deri tabaklama, korozyon önleyici, alüminyum anot ve boya üretiminde kullanılır. Mangan, Mn Gümüşi, hafif pembe renkli kırılgan bir metal. Kırılgan özellikli ve dövülebilir özellikli değişik allotroplara sahiptir. Kromdan farklı olarak nemli havada korozyona uğrar. Bitki ve hayvanlarda esas eser element olarak bulunur. Pirolüzit siyah MnO2.xH2O yeryüzünde bulunan en belli başlı filizidir. Yükseltgenme sayısı genellikle +2, +4, +7 dir (kromun +2, +3, +6 dır). Demir Çok eskiden beri bilinmekte olan ve yeryüzünde en bol bulunan metaldir. Açık havada kolayca paslanır. Pası pul pul dökülüp metalin kolayca aşınıp tükenmesine yol açar. Paslanmayı önlemek için a) yağlı boya ile boyayıp metalin hava ile temasının önüne geçilir, b) çinko ile kaplanır, c) kendinden daha aktif bir metal bağlanır (katodik koruma). Örneğin denize indirilen gemilerin saç (demir levha) kısmına magnezyum blokları bağlanır. Böylece bir galvanik pil oluşur. Daha aktif bir metal olan magnezyum, anot olup aşınırken demir levha katot olup herhangi bir aşınmaya uğramaz. Yüksek fırında metalik demirin filizlerinden elde edilişi Çelik Demirin en önemli alaşımı çeliktir. Demirin; CCr-Mn-Ni gibi elementlerle yaptığı çok çeşitli alaşımlarının tümüne birden çelik adı verilir. Çelik, dayanıklılığı, parlaklığı, işlenme kolaylığı bakımından çok kullanılan bir malzemedir. Kobalt ve Nikel Kobalt ve nikel, yüksek mıknatıs özelliğine sahip alniko (Fe-Al-Ni-Co alaşımı) ve ameliyat aletlerinin yapıldığı stellit (Cr-Co-W alaşımı) ve madeni para gibi kıymetli alaşımların yapıldığı elementlerdir. ONBİRİNCİ HAFTA Bakır, gümüş, altın. Elde edilişleri ve kimyasal reaksiyonları. Bakır, Gümüş, Altın (Cu, Ag, Au) Tipik metaldirler. İyi iletkendirler. Gümüş beyazdır, altın ve bakır kırmızı renklidir. Çok ince tel ve levha haline getirilebilirler. Çok parlak ve güzel renkli oluşları süs eşyası olarak kuyumculukta ve çatal bıcak sanayiinde kullanılmalarını sağlar. Bakır; elektrik ileten teller, borular ve para yapımında, gümüş; çatal bıçak yapımında, para yapımında, elektronik cihazlarda, fotoğrafçılıkta, ayna yapımında ve kuyumculukta kullanılır. Altın; kuyumculuk, fotoğrafçılık, yansıtıcı pencereler ve elektronik cihazlarda kullanılır. Gümüş ve altın çok iyi iletken olmasına rağmen bakır en ucuz iyi iletken olarak kullanılır. Bakır Bakır doğada, malahit CuCO3.Cu(OH)2, kalkopirit CuFeS2 gibi hidroksit ve sülfür filizleri şeklinde bulunur. Filizlerin yüksek fırında kok ile karbon monoksit üzerinden indirgenmesi ile ham bakır ele geçer. Ham bakır anot olarak bağlanarak elektroliz yoluyla saflaştırırlır ve altın, platin, gümüş gibi kıymetli maden safsızlıklarını anot çamuru olarak bırakır. Elektrolitik bakır ham bakırın elektroliziyle elde edilir: Bazı altın, gümüş ve bakır alaşımları : Pirinç Bronz Alman gümüşü Nikel para Altın (18 ayar) Menekşe altın Beyaz altın : Cu-Zn : Cu-Sn : Cu-Zn-Ni : Cu-Ni (% 75) : Cu-Au-Ag : Au-Al : Au-Pd-Ni (veya Zn) Süper iletkenlik Çağdaş fiziğin en ilginç olaylarından sayılan süper iletkenlik H.K. Onnes tarafından 1911 de cıvanın sıvı helyum içinde (4K de) direncinin sıfır oluşuyla keşfedilmiştir. ONİKİNCİ HAFTA Yarı metaller; bor, silisyum, germanyum, arsenik. Elde edilişleri ve kimyasal reaksiyonları. Yarı Metaller (yarı iletkenler) (B, Si, Ge, As, Sb, Se, Te) Yeni teknolojinin bize sunmuş olduğu bilgisayarlar, video oyunları, konuşan arabalar; alarmlı saatler, ileri derecede programlanabilir hesap makineleri katı hal (solid state) devriminin bir sonucudur. Katı hal elektronikte yarı iletken elementlerden yapılmış çok küçük cihazlarla elektrik sinyallerinin oluşturulduğu, gücünün artırıldığı veya kontrol edildiği anlamına gelir. 1950 lerde keşfedilen katı hal fikrinden önce radyo lambaları gibi yukarıda sayılan özellikleri yerine getiren parçalar, vakum yapılmış paslanmaz metal ısıtıcılar bulunan elektron tüplerinden ibaretti. Bu yüzden radyoları çok büyük yapmak gerekiyordu (61 ekran TV boyutunda). Halbuki transistorlar, doğrultucular ve diyotlar bu görevlerini birtakım ısıtıcı tellere, vakuma, değiştirebilir parçalara ihtiyaç göstermeden ve çok küçük bir yer işgal ederek yerine getirirler. Böylece elektronik malzemelerin boyutları büyük oranda küçültülmüş oldu. Yarı metaller bazı elementlerle birleşirler: Yarı metallerin reaksiyonları Yarı metaller su ve oksitleyici olmayan asitlerle reaksiyona girmezler. Derişik oksitleyici asitlerle reaksiyon verirlerken, nitratlar ve sülfatlar indirgenirler, erimiş alkali hidroksitlerden hidrojen açığa çıkarırlar. Yarı metal oksitleri metallere benzer şekilde asidiktir veya amfoterdir, bazik değildirler: Bor, tabiatta boraks (Na2B4O7.10H2O), kolemanit (Ca2B6O11.5H2O) mineralleri halinde bulunur. Oksidinin magnezyum ile indirgenmesiyle elementel bor elde edilir: B2O3(k) + 3Mg(k) 2B(k) + 3MgO(k) Bor hidrürleri enteresan bileşiklerdir, çok reaktiftirler (reaksiyon vericidirler). Kendiliğinden yanarlar. Su ile borik asit ve hidrojen verirler. Bu bileşiklerde bor atomları arasındaki hidrojen atomları üç merkezli bağa sahip (iki kovalent bağ) yapar şeklinde bulunurlar. H H B H H H B B B B2 H 6 H H H B H B4 H10 H H B B H H H (dekaboran) H Silisyum, SiO2(silis) veya SiO32- (silikat) bileşikleri halinde tabiatta bulunur. Kum büyük oranda SiO2 dir ve karbonla indirgenerek silisyum elde edilir. 3000C SiO2 (k) + 2C (k) Si (s) + 2CO (g) Silikon polimerleri endüstride çok önemlidir. CH3 Si CH3 CH3 O Si O CH3 (Silikon polimeri) n Cam; amorf, aşırı soğumuş sıvıdır. Seramikler camdan çoğunlukla, kaolin grubu mineralleri: Al2Si2O5(OH)4 içermeleri, şekil verilebilmeleri ve pişirilebilmeleri bakımından ayrılırlar. Çimento, kalsiyum alüminyum silikatlar halinde olup su ile sertleşip beton yapımında kullanılır. Arsenik ve antimon Arsenik ve antimon sülfürlü bileşikleri halinde tabiatta bulunurlar. Antimon ve arseniğin ikişer allotropu vardır. Gri olanları yarı metal, sarı olanları amorftur, ametalik özelliktedir. Her iki türün de bileşikleri yüksek derecede zehirlidir. Arsenik hidrürleri arsin AsH3, antimonunki sitibin SbH3 dür. Metalik Bağlanma Lityum Li, Li2, Li3, Li4 ve LiN atomlu moleküller yapıyormuş gibi metalik bağlanmayı ortaya koyar ONÜÇÜNCÜ HAFTA Çekirdek kimyası. Radyoaktiflik. Çekirdek reaksiyonları. ÇEKİRDEK KİMYASI Çekirdeğin yapısı ile ilgili ilk bilgiler radyoaktifliğin keşfi ile başlar. H.Becquerel, 1892 yılında, radyoaktifliği tesadüfen buldu. Bir uranyum bileşiğinin (K2SO4.UO2SO4.2H2O) yanında karanlıkta kağıda sarılı olarak duran fotoğraf plakalarının kararması radyoaktifliğin ilk işareti olmuştu. Daha sonra radyoaktifliği büyük çapta bilime kazandıran radyum ve polonyumu keşfeden Curie’lerin (Marie ve Pierre Curie, kızları Irene ve damatları Frederic Joliot Curie) çalışmaları gelir. Bu sahada ayrıca Rutherford, Soddy, Fermi ve daha birçok bilim adamının çalışmaları da önemli bir yer tutar. Kütle, enerji ve çekirdek enerjisi Evrenin toplam enerjisi sabit olduğu fikrinden yola çıkarak A.Einstein 1905 yılında madde ve enerji arasındaki ilişkiyi (relativity: görelik teorisi) ortaya koydu: Radyoaktiflik Radyoaktiflik, kararsız çekirdeklerin kendiliğinden parçacıklar ve/veya elektromanyetik radyasyon yaymalarına (ışıma), radyoaktiflik denir. Tabiatta mevcut olan uranyum, radyum gibi elementlerin çekirdeklerinin parçacıklar ve/veya ışımalar yaymalarına doğal radyoaktiflik, laboratuarlarda yapay olarak elde edilen izotopların radyoaktifliğine de suni (yapay) radyoaktiflik denir. Elementlerin üçte biri doğal radyoaktif izotoplarına sahiptirler. Bizmuttan daha ağır izotopların hepsi radyoaktiftir. Radyoaktif Parçalanma Kinetiği Radyoaktif bozunma I. mertebeden bir reaksiyondur. Aktiflik, bir radyoaktif kaynaktan birim zamanda yayınlanan ışıma miktarıdır. Radyoaktifliği madde miktarı veya aktiflikteki değişme cinsinden ifade edebiliriz. Log qo/q = kt/2.303 veya log ao/a = kt/2.303 qo : başlangıçtaki madde miktarı ao : başlangıçtaki aktiflik q : bir t zamanı sonundaki madde miktarı a : bir t zamanı sonundaki aktiflik k : reaksiyon hız sabiti Yarılanma Ömrü, t ½ Yarılanma ömrü, radyoaktif elementlerde bilinmesi gereken en önemli bir özelliktir. Çünkü yarılanma ömrü, radyoaktif izotopların kararlılığının bir ölçüsüdür. Yarılanma ömrü çok büyük olan bir izotop küçük olana göre daha kararlıdır. Yarılanma ömrü: t ½ = 0.693 / k bağıntısıyla verilir. Radyoizotopla ömür belirlenmesi Canlılar yaşadıkları sürece bünyelerinde belirli bir 14-C (radyoaktif) ve 12-C (kararlı) izotopları oranına sahiptirler. Canlı yaşadığı sürece 14-C izotopunun aktifliği 15.3 ışıma/dak g karbon olarak sabit kalır. Ancak canlı öldüğü andan itibaren çevreden karbonlu bileşik vücuda alamadığından dolayı 14-C’nun aktifliği azalır. Cansız kütlelerin, dünyamız ve ayın yaşı da 238U nun bozunma sonucu 206Pb ye dönüşen oranı dikkate alınarak hesaplanır. Çekirdek Reaksiyonları Çekirdek reaksiyonları, dört ana kısımda incelenir. 1. Doğal veya suni radyoaktif izotopların kendiliğinden ışımalar yaparak bozunmaları, 2. Bombardıman reaksiyonları ki bunda elektromagnetik radyasyon veya hızlı parçacıklar bir çekirdek tarafından yakalanır ve kararsız hale gelen bu çekirdek bu defa kendiliğinden bozunmaya başlar, 3. Kararsız ağır çekirdeklerin parçalanması (fisyon), 4. Doğal olarak yıldızlarda ve güneşte meydana gelen hafif çekirdeklerin birleşmesi (füzyon). Tüm kendiliğinden bozunmalarda bu ışımaların hepsinin birden olması şartı yoktur. Belki sadece biri veya ikisi bazen de üçü birden oluşabilir. -ışınlarının deliciliğini bir kabul edersek ışımasının 100, ışımasının ise 10000 dir. Somut bir örnek olarak; ışınları bir insanın elbisesini delip geçemez, ışınları elbiseyi deler, fakat deride kalır. ışınları ise insan vücudunu baştan sona deler geçer. Radyasyon, Geiger sayacı ile ölçülür. Bir Geiger cihazının şeması Şekil 15.3 de gösterilmektedir. Tüp içine pencereden giren radyasyon argon gazını iyonlaştırır ve bu iyonların anot ve katoda doğru gidip yapışmasıyla akım geçer. Bu geçen elektrik akımı ölçülür ve radyasyon birimine dönüşmüş olarak sayaçtan okunur. Geiger Sayacı ONDÖRDÜNCÜ HAFTA Organik kimya, polimerler ve biyokimya. Organik Kimya ve Organik Maddeler 1800’lü yılların başlarında kimyacılar canlı organizmalar tarafından üretilen biyokimyasal maddeleri organik maddeler canlı organizma tarafından üretilmeyen diğer maddeleri de inorganik maddeler diye sınıflandırıyor ve organik maddelerin hayati bir güce sahip olduğunu sanıyorlardı. Ancak 1828 de Wöhler’in üreyi ve 1845’de de Kolbe’nin asetik asidi tamamen inorganik maddelerden sentezi bu inancı çürüttü. Bunun sonucu olarak organik maddeler hayatla ilişkili olamazdı. Gerçekte organik kimya karbon bileşiklerinin incelenmesini içine alır. İnorganik kimya da karbon içermeyen bileşikleri inceler. Ancak CO32- ve CN- anyonlarını içeren bileşikler inorganik kimyanın içine girer. İzomer Bileşikler Kapalı formülleri aynı, açık formülleri farklı bileşiklere izomer denildiğini daha önce söylemiştik. (sayfa: 100 ) Dört farklı izomer çeşidi vardır: İskelet (veya zincir) izomerisi, cis-trans izomeri, iyon izomerisi, bağ izomerisi. Alkanlar Hidrokarbonların başında doymuş hidrokarbonlar alkanlar gelir. Bunlar doğrusal veya dallanmış karbon zincirleri oluştururlar. Birbiri ardına gelen bileşiklerden bir CH2 grubu fark ederek homolog sıra oluştururlar. Karbon sayısının latince adının sonuna en eki getirilerek adlandırılır. Düz zincirli olanların başına normal (n-), dallanmış olanların başına izo, tersiyer (t-) ekleri getirilir. Aromatik Bileşikler Aromatik bileşikler, doğal olarak çoğunlukla taşkömüründe bulunurlar. Kömür gerçekte saf karbon elementi değildir, inorganik maddeler, karbon ve çoğunlukla benzen ve benzen türünden olan aromatik bileşiklerin bir karışımından ibarettir. Aromatik bileşikler, taşkömürünün havasız bir ortamda kuru kuruya ısıtılıp destillenmesi ile elde edilir. Geriye az miktarda inorganik maddelerle kurumuş karbon, kok kömürü kalır. Benzen aromatik bileşiklerin ilk üyesidir. 1825 de Faraday izole etmiş, 1866’da Kekule benzenin halka yapısını önermiştir. Fonksiyonlu Gruplar Organik maddelere kendine has özelliklerini veren, kimyasal olarak reaktif olan atom veya atom gruplarına fonksiyonlu grup denir. Bir cins fonksiyonlu grup taşıyan tüm organik bileşikler hemen hemen benzer özellikler gösterirler ve o fonksiyonlu grupların adıyla genelleştirilerek adlandırılırlar: Halojenürler, Alkoller, Aminler, Ketonlar, Karboksilli Asitler, Esterler, Açil halojenürler, Asit anhidritleri, Amidler. Organik Maddelerin Karakterizasyonu Organik kimyada en başta gelen işlemler yeni organik maddeler sentez etmek ve bunların karakterizasyonunu yapıp molekül yapısını belirleyerek formülünü yazmaktır. Bunun için; yapısal analiz için mor ötesi, görünür ve kızılötesi spektrometrelerle nükleer manyetik rezonans spektrometrelerini kullanılır. Karbon, hidrojen, azot analizi yapan mikro analiz cihazı kullanılır. Polimerler Polimer, tarif olarak, küçük ve basit bir kimyasal birimin tekrarlanmasıyla oluşmuş büyük bir moleküldür. Makro molekül olarak da adlandırılır. Polimer molekülü içinde tekrarlayan bu küçük, basit kimyasal birime tekrarlayan birim denir. Polimeri elde etmek için başlangıçta kullanılan küçük moleküllü maddelere de monomer adı verilir. Polimer yapısı: Polimer molekülleri uzun zincirler halindedir ve her zaman düz zincirler şekline sahip olmayıp dallanmış veya çapraz bağlı olabilirler. Doğrusal polimerler normal zincir reaksiyonları ve basamaklı polimerizasyon sonucu ele geçerler. Sıcaklıkla şekil değiştirebildiklerinden bunlara termoplastikler adı verilir. Bunlar molekül zincirlerinin birbirine paralel istiflenmesi veya karışık durumda olmasına göre kristal ve amorf polimerler olarak adlandırılırlar. Biyokimya Canlılığımızı sürdüren molekülsel organizmadaki dört ana kısım karbohidratlar, lipidler, proteinler ve nükleik asitlerdir. Bu maddeler su, inorganik tuzlar ve daha küçük moleküllerle birlikte bir hayvan veya bir mikroorganizmanın hücresinde mevcutturlar. Oranları değişebilir. Binaenaleyh bu dört ana kısım tüm bitki ve hayvanlarda aynı görevleri icra ederler. Karbohidratlar; şeker monomerinin polimerleşmesiyle oluşmuş polisakkaritlerle (selüloz, nişasta,...gibi), mono ve disakkarit gibi basit şekerlerin tümüne birden karbohidratlar adı verilir. Lipidler: Karbohidratların aksine polimerik değildirler. Dört farklı grupta incelenebilirler. Giliseritler, fosfolipidler, mumlar ve steroidler. Proteinler: Alfa aminoasitlerin polimeridirler. H O H H2 N C C OH + H2 N C R R a-karbon (karboksil grubuna en yakın komşu karbon atomu) O C OH H ( NH H O C C NH C R R peptid bağları H O C ) OH Bazı amino asitler OH H H2 N C O C OH CH3 H2 N C C OH O H H Glycine (Gly) CH2 SH Alanin (Ala) H C OH Sistein (Cys) H2 N C C OH H O Serin (Ser) O CH2 C OH NH2 C CH2 NH2 C H H O C OH Aspartik asit (Asp) NH2 (CH2 )4 C O C NH2 Lisin (Lys) OH Bazı protein çeşitleri Enzimler: Biyokimyasal reaksiyonları katalizlerler. Yapısal proteinler: Virüs örtü proteinleri, böcek ipekleri, koruyucu dokular hücre duvarı proteinleri (deri, saç, tüy, tırmak, boynuz v.s.) Taşıyıcı Proteinler: (Hemoglobin), membran proteinler: tüm hücrelerde ve hücrelerarasında mevcut proteinler. Depo proteinler: lazım olduğu zaman amino asitleri salıverirler. Süt proteini: kazein ve yumurta beyazı (albumin), hormonlar: metabolizmayı ve büyümeyi düzenlerler. Gerici proteinler: Kas liflerindeki proteinler. Nükleik asitler: Genlerin yapıldığı moleküllerdir. VİTAMİNLER Vücutta enzimlerin görevine yardımcı olan maddelerdir. A, B, C, P, K, E, H vitaminleri olarak çok çeşitlidirler. Tiyamin (B1), Riboflavin (B2), Pridoksin (B6), Niyasin (P), Biyotin (H), Askorbik asit (C), Retinol (A), Kalsiferol (D), Tokoferal (E), Menadion (K) vitaminleri bazı önemli vitaminler olup başlıca et, süt, yumurta, tahıl sebze ve meyvelerde bulunurlar. Çok önemli hayati işlemler için mutlaka her gün alınmalıdırlar.
