TEMEL KİMYA
advertisement
T.C. ANADOLU ÜN İ VERS İ TESİ YAYINLARI NO: 672 Aç ıköğ retim Fakültesi Yay ınları No: 329 TEMEL KİMYA Yazarlar Yrd. Doç. Dr. Nevin KANIŞKAN Yrd.Doç.Dr.Erol AÇIKKALP Öğr. Gör. Necmettin CANER Yrd.Doç.Dr. Alaâddin GÜVEN Editör Prof.Dr. Lale ZOR ANADOLU ÜNİVERSİTESİ Açıköğretim Fakültesi Bu kitabın basım, yayım ve satış hakları Anadolu Üniversitesi'ne aittir. "Uzaktan Öğretim" tekniğine uygun olarak hazırlanan bu kitabın bütün hakları saklıdır. İlgili kuruluştan izin almadan kitabın tümü ya da bölümleri mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kayıt veya başka şekillerde çoğaltılamaz, basılamaz ve dağıtılamaz. Copyright 1996 by Anadolu University All rights reserved No part of this book may be reproduced or stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means mechanical, electronic, photocopy, magnetic, tape or otherwise, without permission in writing from the University. Kapak Düzeni: Y. Doç. Atilla ÖZER ISBN 975 - 492 - 103 - 2 İÇİNDEKİLER ÜNİTE 1 : TEMEL KAVRAMLAR 1. GİRİŞ .......................................................................................................... 2 2. MADDE VE MADDENİN HALLERİ ............................................................ 2 3. MADDENİN BİLEŞİMİ VE SINIFLARA AYRILMASI................................... 5 4. MADDENİN FİZİKSEL VE KİMYASAL ÖZELLİKLERİ .............................. 7 5. KİMYASAL DENKLEMLER ........................................................................ 8 6. KİMYASAL REAKSİYONLARDA ENERJİ ................................................. 9 ÖZET .............................................................................................................. 10 DEĞERLENDİRME SORULARI ........................................................................ 11 ÜNİTE 2 : ATOMUN YAPISI 1. GİRİŞ .......................................................................................................... 15 2. ATOMUN YAPISI ....................................................................................... 15 3. İZOTOP KAVRAMI...................................................................................... 17 4. ATOM AĞIRLIĞI..............................................................................................20 5. ELEKTRONLARIN DÜZENLENMESİ ........................................................ 20 6. PERİYODİK CETVEL ................................................................................. 26 ÖZET ................................................................................................................ 28 DEĞERLENDİRME SORULARI ........................................................................ 29 ÜNİTE 3 : KİMYASAL BAĞLANMA 1. GİRİŞ .......................................................................................................... 34 2. LEWİS YAPISI............................................................................................ 34 3. OKTET KURALI.......................................................................................... 35 4. KİMYASAL BAĞLANMA............................................................................... 35 5. KOVALENT BAĞLANMA.............................................................................. 39 6. POLAR KOVALENT BAĞLAR ..................................................................... 41 7. MOLEKÜLLER ARASI ETKİLEŞİM (İKİNCİL BAĞLANMA) ........................ 43 ÖZET .............................................................................................................. 46 DEĞERLENDİRME SORULARI ....................................................................... 46 - III - ÜNİTE 4 : BİLEŞİK FORMÜLLERİNİN YAZILMASI, İSİMLENDİRİLMELERİ VE MOL KAVRAMI 1. GİRİŞ .......................................................................................................... 49 2. İKİ ATOMLU KOVALENT BİLEŞİKLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ........... 49 3. TEK ATOMLU İYONLARIN DEĞERLİKLERİ................................................ 51 4. İKİ ATOMLU İYONİK BİLEŞİKLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ.................. 52 5. ÇOK ATOMLU İYONLARIN İSİMLENDİRİLMELERİ................................. 54 6. İYONİK BİLEŞİKLERİN FORMÜLLERİNİN YAZILMASI............................ 56 7. ASİTLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ .......................................................... 57 8. MOLEKÜL VEYA FORMÜL AĞIRLIKLARININ HESAPLANMASI ................ 58 9. MOL KAVRAMI ........................................................................................... 59 ÖZET ................................................................................................................ 62 DEĞERLENDİRME SORULARI ........................................................................ 63 ÜNİTE 5 : KİMYASAL REAKSİYONLAR VE HESAPLAMALAR 1. GİRİŞ .......................................................................................................... 66 2. KİMYASAL REAKSİYONLAR..................................................................... 66 3. KİMYASAL DENKLEMLERİN YAZILMASI, DENKLEŞTİRİLMESİ VE YORUMU............................................................ 67 4. KİMYASAL DENKLEMLERE DAYANAN HESAPLAMALAR...................... 73 ÖZET ................................................................................................................ 82 DEĞERLENDİRME SORULARI......................................................................... 84 ÜNİTE 6 : GAZLAR 1. GİRİŞ .......................................................................................................... 88 2. GAZLARIN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ VE KİNETİK TEORİ........................ 88 3. GAZ YASALARI.......................................................................................... 91 4. GAZLARIN DİFÜZYONU VE GRAHAM YASASI....................................... 98 5. GAZLARIN ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ VE HENRY YASASI...................................... 99 6. GAZ KARIŞIMLARI VE DALTON YASASI ................................................. 99 7. SOLUNUM GAZLARININ VÜCUDUMUZDA TAŞINIMI VE DİFÜZYON .... 101 8. GAZLARIN YER ALDIĞI REAKSİYONLARDA STOKİYOMETRİ ............... 102 ÖZET .............................................................................................................. 104 DEĞERLENDİRME SORULARI........................................................................ 105 - IV - ÜNİTE 7 : KİMYASAL REAKSİYONLARDA HIZ 1. GİRİŞ ......................................................................................................... 108 2. AKTİVASYON ENERJİSİ VE AKTİF KOMPLEKS..................................... 108 3. EKZOTERMİK VE ENDOTERMİK REAKSİYONLAR................................ 110 4. REAKSİYON HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER........................................ 116 ÖZET .............................................................................................................. 124 DEĞERLENDİRME SORULARI........................................................................ 125 ÜNİTE 8 : KİMYASAL DENGE 1. GİRİŞ ......................................................................................................... 130 2. TERSİNİRLİK VE KİMYASAL DENGE...................................................... 131 3. DENGE SABİTİ.......................................................................................... 134 4. LE CHÂTELIER KURALI VE KİMYASAL DENGE (DENGEYİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER)..................................................... 142 ÖZET .............................................................................................................. 149 DEĞERLENDİRME SORULARI........................................................................ 149 ÜNİTE 9 : ÇÖZELTİLER 1. GİRİŞ ......................................................................................................... 154 2. ÇÖZELTİ VE TÜRLERİ............................................................................. 154 3. ÇÖZÜNME OLGUSU................................................................................. 155 4. ELEKTROLİTLER...................................................................................... 156 5. ÇÖZÜNÜRLÜK.......................................................................................... 158 6. DERİŞİM VE BİRİMLERİ........................................................................... 159 7. ÇÖZELTİLERİN BUHAR BASINCI ........................................................... 167 8. ÇÖZELTİLERİN KOLİGATİF ÖZELLİKLERİ ............................................ 168 ÖZET .............................................................................................................. 170 DEĞERLENDİRME SORULARI....................................................................... 171 ÜNİTE 10 : ÇÖZÜNÜRLÜK VE KOMPLEKS İYON DENGELERİ 1. GİRİŞ ......................................................................................................... 174 2. ÇÖZÜNÜRLÜK ÇARPIMI SABİTİ, Kçç..................................................... 174 3. ÇÖZÜNÜRLÜK VE Kçç ARASINDAKİ İLİŞKİ........................................... 176 .- V - 4. ÇÖZÜNÜRLÜĞE ETKİ EDEN FAKTÖRLER............................................. 178 5. ÇÖKELME KOŞULU, SEÇMELİ ÇÖKTÜRME.......................................... 181 6. KOMPLEKS İYON DENGELERİ.............................................................. 184 ÖZET ............................................................................................................. 189 DEĞERLENDİRME SORULARI...................................................................... 190 ÜNİTE 11 : ASİTLER VE BAZLAR 1. ASİT VE BAZ NEDİR?............................................................................... 194 2. ASİT VE BAZLARIN TANIMLANMALARI.................................................. 195 3. ASİT VE BAZLARIN KUVVETİ ................................................................. 196 4. NÖTRALİZASYON REAKSİYONU........................................................... 200 5. ASİTLERİN VE BAZLARIN DERİŞİMİNİN ÖLÇÜLMESİ.......................... 200 6. TİTRASYON.............................................................................................. 203 7. TAMPON ÇÖZELTİLER............................................................................ 204 ÖZET ............................................................................................................. 206 DEĞERLENDİRME SORULARI....................................................................... 207 ÜNİTE 12 : YÜKSELTGENME-İNDİRGENME REAKSİYONLAR VE ELETROKİMYA 1. GİRİŞ ........................................................................................................ 210 2. YÜKSELTGENME SAYISI......................................................................... 210 3. YÜKSELTGENME VE İNDİRGENME....................................................... 213 4. REDOKS İÇEREN DENKLEMLERİN DENKLEŞTİRİLMESİ..................... 215 5. ELEKTRO KİMYASAL PİLLER.................................................................. 221 6. ELEKTROLİZ ............................................................................................ 229 ÖZET .............................................................................................................. 230 DEĞERLENDİRME SORULARI........................................................................ 231 ÜNİTE 13 : RADYOAKTİVİTE 1. GİRİŞ ......................................................................................................... 234 2. ÇEKİRDEK................................................................................................ 234 3. RADYOAKTİVİTE...................................................................................... 237 4. YARI-ÖMÜR............................................................................................. 241 5. CANLI HÜCRELERİNİ RADYASYONUN ETKİLERİ.................................. 244 - VI - 6. RADYASYON ÖLÇÜ VE BİRİMLERİ........................................................ 246 ÖZET .............................................................................................................. 250 DEĞERLENDİRME SORULARI........................................................................ 250 ÜNİTE 14 : ORGANİK KİMYA - I HİDROKARBONLAR 1. ORGANİK KİMYA NEDİR?....................................................................... 245 2. ORGANİK BİLEŞİKLERDE BAĞLANMA.................................................... 255 3. HİBRİTLEŞME.......................................................................................... 256 4. ORGANİK BİLEŞİKLERİN YAPILARI....................................................... 256 5. ALKANLAR ............................................................................................... 257 6. ALKENLER ............................................................................................... 261 7. ALKİNLER................................................................................................. 266 8. AROMATİK HİDROKARBONLAR............................................................. 269 ÖZET ............................................................................................................. 272 DEĞERLENDİRME SORULARI....................................................................... 273 ÜNİTE 15 : ORGANİK KİMYA - II HETEROATOMLU BİLEŞİKLER 1. GİRİŞ ........................................................................................................ 278 2. ALKOLLER ............................................................................................... 278 3. ETERLER................................................................................................. 282 4. AMİNLER.................................................................................................. 284 5. ALKİL HALOJENÜRLERİ ........................................................................ 287 6. ALDEHİTLER............................................................................................ 289 7. KETONLER .............................................................................................. 293 8. KARBOKSİLİK ASİTLER ......................................................................... 296 9. KARBOKSİLİK ESTERLER ..................................................................... 300 10. KARBOKSİLİK AMİTLER ......................................................................... 302 11. KARBOKSİLİK ASİT HALOJENÜRLERİ .................................................. 304 ÖZET ............................................................................................................... 307 DEĞERLENDİRME SORULARI........................................................................ 309 ÜNİTE 16: BİYOELEMENTLER I (MAKROMİNERALLER) 1. GİRİŞ ........................................ - VII - 315 2. YAŞAM İÇİN GEREKLİ ELEMENTLER.................................................... 315 3. MAKROMİNERALLER.............................................................................. 317 ÖZET .............................................................................................................. 323 DEĞERLENDİRME SORULARI....................................................................... 323 ÜNİTE 17 : BİYOELEMENTLER II (ESER ELEMENTLER) 1. GİRİŞ......................................................................................................... 327 2. ESER VE ELEMENTLER VE ORGANİZMA.............................................. 327 3. ESER ELEMENTLER................................................................................ 327 ÖZET .............................................................................................................. 333 DEĞERLENDİRME SORULARI........................................................................ 334 ÜNİTE 18 : LABORATUVARDA UYGULANAN TEMEL İŞLEMLER 1. GİRİŞ.......................................................................................................... 337 2. KİMYA LABORATUVARINDA KULLANILAN TEMEL MALZEMELER...... 337 3. LABORATUVARDA UYULMASI GEREKEN KURALLAR.......................... 341 4. LABORATUVARDA KARŞILAŞILABİLECEK KAZALAR VE YAPILMASI GEREKENLER ............................................... 344 5. LABORATUVARDA UYGULANAN TEMEL İŞLEMLER ............................ 344 ÖZET .............................................................................................................. 357 DEĞERLENDİRME SORULARI........................................................................ 358 EKLER ............................................................................................................ 361 YARARLANILAN VE BAŞVURULABİLECEK KAYNAKLAR .......................... 366 DEĞERLENDİRME SORULARININ YANITLARI .................................................... 367 - VIII - 3. BASKIYA ÖNSÖZ Temel Kimya kitabının 1993 yılında hazırlanan ilk baskısındaki ana hedef, çevre sağlığı teknisyenleri ve tıbbî laborantlar gibi meslek sahibi kişilerin kimya temellerini sağlamlaştırmak ve bu kişilerin mesleki yaşamlarına olumlu katkıda bulunabilecek yeni birikimler edinmelerini sağlamak idi. Kitabın hazırlanışında, bu amaç doğrultusunda iki önemli konu üzerinde hassasiyetle durulmuştur. Bu noktalardan ilki, Temel Kimya kitabının sağlık personeline ilişkin önlisans programlarında yer alması gerçeği göz önüne alınarak, kitapta yer alan konuların ve seçilen örneklerin mümkün olduğunca sağlık personelinin günlük uğraşları ile ilintili olmasına özen gösterilmesidir. İkinci önemli nokta ise, okuyuculara uzaktan ulaşabilmek amacıyla, Temel Kimya kitabının uzaktan öğretim sistemine uygun bir teknik ve anlatım ile hazırlanmasına özen gösterilmesidir. Ancak Temel Kimya kitabının ilk baskısından günümüze dek geçen üç yılı aşkın süre zarfındaki gelişmeler, kitabın daha geniş kapsamlı hale getirilmesi gereğini ortaya çıkarmıştır. Bu nedenle Temel Kimya kitabının üçüncü baskısında, ilk iki baskıda yer alan ünite konularının yanısıra, yeni bazı ünite konuları da eklenmiştir. Genişletilmiş üçüncü baskıda, ilk iki baskıda yer alan ünite konularına ilaveten, Ünite On'da çözünürlük ve iyon dengeleri, Ünite Onüç'te radyoaktivite, Ünite Ondört ve Ünite Onbeş'te organik kimya, Ünite Onaltı ve Ünite Onyedi'de biyoelementler ve Ünite Onsekiz'de laboratuvarda uygulanan temel işlemler, konuları eklenmiştir. Yukarıda özetlenen temel ilkelere sadık kalınarak gerçekleştirilen bu yeni düzenlemenin, yararlı olacağını ümid etmekteyiz. Hepinize başarılar dileriz. Editör Prof. Dr. Lale ZOR -IX- BAŞLARKEN Tıbbi Laboratuvar ve Çevre Sağlığı Teknisyenliği Önlisans Programında yer alan derslerden biri de, Temel Kimya'dır. Kimya dersleri ile ilk tanıştığımız orta öğrenim yıllarında, çoğumuz bu dersin bizlere ne şekilde yararlı olabileceğine ilişkin ciddi kuşkular taşımışızdır. Ancak, yine çoğumuz hayata atılıp, eğitildiğimiz dallarda mesleklerimizi icra ederken, sağlam bir kimya temelinin ne denli yararlı olduğunun bilincine varırız. Kuşkusuz tıbbi laborantlık ve çevre sağlığı teknisyenliği kimya bilgi birikiminin son derece yararlı olduğu meslek guruplarının başında yer alırlar. Uzaktan öğretim sisteminin kendine özgü yaklaşım tekniğine uygun tarzda hazırlanan Temel Kimya Kitabı'nda gerek içerdiği konular, gerekse bu konuların işlenişleri açısından hedeflenen amaç, mümkün olduğunca sizlere yardımcı olabilmektir. Bu amaç doğrultusunda ilk üç ünitede kimyanın en temel kavramları ve atom yapısı irdelenmiştir. Dördüncü ve Beşinci Ünitelerde ise, kimyasal reaksiyonlar, mol kavramı, kimyasal hesaplamalar ele alınmıştır. Ünite Altıda gazlar, Ünite Yedide reaksiyon hızı ve Ünite Sekizde kimyasal denge konuları, fazla ayrıntıya kaçmadan temel hatları itibariyle ele alınmıştır. Sulu çözeltiler, asitlik,bazlık ve redoks konularının yer aldığı son üç ünitede ise, mesleki açıdan sizlere yararlı olacak tarzda örneklerin yer almasına özen gösterilmiştir. Hepinize başarılar dileriz. ÇALIŞMA YÖNTEMİ Temel Kimya Dersinden başarılı olabilmeniz için aşağıdaki çalışma tekniklerine uymanız yararlı olacaktır. ■ Her üniteyi dikkatle okuyunuz ve önerilenler üzerinde durunuz. ■ Televizyon programlarını izleyerek bu bilgilerinizi pekiştirmeye çalışınız. ■ Her ünite sonundaki değerlendirme sorularını yanıtlayınız. Doğru yanıtlayıp yanıtlamadığınızı değerlendirme anahtarından kontrol ediniz. ■ Üniteyi ezberlemek yerine ünitenin ana hatlarını kavramaya özen gösteriniz. ■ Ünitelerde geçen formülleri, mutlaka en az bir kaç kez de siz yazınız. ■ Ünite konularına ilişkin örnek problemleri çok iyi kavramaya özen gösteriniz. Editör Prof. Dr. Lale ZOR - X - ÜNİTE 1 Temel Kavramlar Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Kimyanın tanımı ve kapsamı, ■ Maddenin tanımı ve halleri, ■ Maddenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini, ■ Madde ile enerji arasındaki ilişkiyi öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Madde ve Maddenin Halleri ■ Maddenin Bileşimi ve Sınıflara Ayrılması ■ Maddenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri ■ Kimyasal Denklemler ■ Kimyasal Reaksiyonlarda Enerji ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi çalışırken verilen örnekler üzerinde dikkatle durunuz. ■ Ünitede geçen formülleri mutlaka en az bir kere de siz yazınız. ■ Üniteyi çalışırken periyodik cetveli yanınızda bulundurunuz. 1.GİRİŞ Kimya, maddenin, özellikle atomik ve moleküler sistemlerin bileşimini, yapısını, özelliklerini ve reaksiyonlarını inceleyen bir bilim dalıdır. Çevremizdeki tüm maddeler kimyasal bileşiklerden veya çeşitli kimyasal madde karışımlarından meydana gelir. Yediğimiz ve içtiğimiz tüm gıdalar, giydiğimiz elbiseler, ev, otomobil, uçak, gemi ve köprü yapımında kullandığımız tüm malzemeler, aldığımız ilâçlar ve nefes aldığımız hava bunlara örnektir. Eğer bir kişi bütün bu farklı maddelerin birbiriyle nasıl etkileştiklerini veya koşullar değiştiği zaman bu maddelerin nasıl değiştiklerini anlamak istiyorsa, kimyanın bazı temel kavramlarını bilmek zorundadır. Bu ünitenin amacı kimyanın temel kavramlarına öz bir ifadeyle değinmek ve okuyucuyu bundan sonraki ünitelere hazırlıklı kılmaktır. 2. MADDE VE MADDENİN HALLERİ İçinde yaşadığımız fiziksel dünya tümüyle maddeden oluşmuştur. Buna göre maddeyi şöyle tanımlayabiliriz. Kütlesi olan ve uzayda yer kaplayan herşey madde olarak tanımlanabilir. Öte yandan kütle, madde miktarının bir ölçüsüdür ve herhangi bir cismin kütlesi o cismin uzaydaki konumuna göre değişmez. Örneğin, yer yüzeyinde bir astronotun kütlesi ile bu astronotun ay yüzeyindeki kütlesi arasında bir fark yoktur. Uluslarası sistemde (SI) kütlenin temel birimi kilogram olarak kabul edilmiştir. Paris'te bir müzede bulunan % 90 pilatinyum ve % 10 iridyum'dan yapılmış standard bir silindirin kütlesi 1 kilogram olarak kabul edilmiştir. Kilogram hayvanların, insanların ve diğer nesnelerin kütlelerini ölçmek için uygun bir birim olabilir. Fakat, kimyacılar laboratuarlarda maddeleri genellikle kilogramın binde biri değerindeki gram (g) veya milyonda biri değerindeki miligram (mg) cinsinden ölçerler. - 2 - Madde katı, sıvı, ve gaz olmak üzere üç halde bulunabilir. Örneğin, su bileşiği çeşitli etkenlere bağlı olarak (basınç, sıcaklık, ... vs) buz (katı), su (sıvı) ve buhar (gaz) hallerinden birinde bulunabilir (Şekil 1.1). Şekil 1.1 Suyun üç hali İlerideki ünitelerde daha ayrıntılı olarak ele alınacak olmalarına karşılık maddenin üç haline ilişkin en temel özellikleri aşağıdaki şekilde özetleyebiliriz. ■ Katıların belirli bir biçime sahip olmalarına karşın sıvıların ve gazların belirli biçimleri yoktur. ■ Katı, sıvı ve gazların belirli bir kütlesi mevcuttur. ■ Gazlar uygun basınç ve sıcaklık koşullarında çok kolay sıkıştırılabilmelerine karşın katı ve sıvılar sıkıştırılamaz. ■ Katı, sıvı ve gazlara ısı verildiği taktirde gazlar çok genleşir. Bunun yanında katı ve sıvılarda bu genleşme çok azdır. Maddenin bir halden bir diğerine geçmesi kimyasal bir değişim gerektirmez. Hal değişimleri fiziksel değişimlerdir. Fiziksel değişimleri şu şekilde tanımlayabiliriz. Maddenin kimyasal özelliklerini ve bileşimini korumak koşuluyla gerçekleştirebileceği değişikliklere "fiziksel değişimler" denir. - 3 - kat Gaz Sıv¾ F Artan sıcaklık Kn en -25 C D 100 C E 0C B C A Enerji Şekil 1.2 -25°C 'de bir buz parçasını çaydanlık içine koyup bunu ısıtmaya başlayalım. Buz parçasının ne gibi değişiklere uğrayacağı şekil 1.2.'de gösterilmektedir. Şekil 1.2.'yi şu şekilde açıklayabiliriz. ( i ) -25°C deki (A noktası) buzu ısıtmaya başladığımız zaman buzun sıcaklığının sürekli arttığını gözler ve 0°C 'de sıvı hale geçmeye başladığını görürüz. İşte, buzun (katı) su (sıvı) hale geçtiği noktaya (B) buzun "erime noktası" denir. ( ii ) Isı vermeye devam ettiğimizde, karışımın sıcaklığının 0°C 'de (B noktası) sabit kaldığını buna karşılık tüm buzun su (sıvı) haline geçtiğini görürüz. ? O halde, verdiğimiz ısı nereye gitti? Verdiğimiz ısı tüm buzun (katı) su (sıvı) hale geçmesinde yani hal değişiminde kullanılmıştır. Kısaca, hal değişimlerinde sıcaklık artışı olmaz. ( iii ) Tümü su (sıvı) haline geçmiş bulunan sisteme ısı vermeye devam ettiğimizde suyun (sıvı) sıcaklığının belli bir dereceye (D noktası) kadar arttığını daha sonra sıvı halden buhar haline geçtiğini görürüz. Suyun (sıvı) sıvı halden gaz haline geçtiği bu noktaya (D noktalası) suyun "kaynama noktası" denir. - 4 - Maddelerin erime, kaynama noktaları maddelerin özelliklerine ve dış çevreye bağlıdır. Örneğin, suyun deniz kenarındaki kaynama noktası 100°C olmasına karşılık deniz kena-rından yüksekliklere çıkıldıkça suyun kaynama noktası 100°C den daha aşağılara iner. 3. MADDENİN BİLEŞİMİ VE SINIFLARA AYRILMASI Madde çok küçük parçacık olan atomlardan oluşmuştur. Atomun yapısını aydınlatmak için son yüzyıl içinde çok büyük çalışmalar yapılmasına karşılık bugüne kadar hiç kimsenin tek bir atomu görmesi mümkün olmamıştır. Maddeler element, bileşik ve karışım olarak bulunabilirler. ? Element nedir? Atomla elementin ilişkisi nedir? Sıradan kimyasal işlemler ile kendinden farklı iki veya daha fazla sayıda maddeye ayrılamayan saf maddelere "element" denir. Örneğin, demir, çinko, ve azot birer elementtirler. Demir atomu, çinko atomu ve azot atomu ise, bu elementlere ait en küçük birimlerdir. Elementlerin özelliklerini taşıyan en küçük birimlerine "atom" adı verilir. Günümüzde bilinen element sayısı 109 dur. Bunların bir kısmı doğada bulunmalarına karşılık bazıları laboratuarlarda suni yollardan elde edilmişlerdir. İki veya daha fazla sayıda atom kimyasal yollar ile bir araya geldiğinde "molekül" denen birimler oluşur. Moleküller özdeş veya farklı atomların bağlanmaları ile oluşabilir. - 5 - Örneğin, helyum, argon gibi bazı elementlerin doğada atomlar halinde bulunmalarına karşılık, oksijen, klor gibi elementler moleküler yapıda bulunurlar. Şimdi de bileşikleri ele alalım. İki veya daha fazla elementin belirli ağırlık oranları dahilinde kimyasal bağlar ile oluşturdukları saf maddelere "bileşikler" denir. Örneğin, hidrojen ve oksijen atomları 2 'ye 1 oranında birleşerek su (H2O) molekülünü meydana getirirler. Bileşikler kendilerini oluşturan elementlerden tümüyle farklı özellikler gösterirler. Örneğin, su ile şiddetli reaksiyon veren katı bir element olan sodyum (Na) ile gaz halinde bulunan klor elementinin oluşmasıyla meydana gelen sofra tuzu sodyum klorür (NaCl) bildiğimiz gibi kendini oluşturan sodyum (Na) ve klor (Cl) elementlerinden tümüyle farklı özelliktedir. Elementler ve bileşikler saf maddeler olduğu halde karışımlar saf değildirler. İki veya daha fazla sayıda element veya bileşiğin hiçbir kurala uymaksızın bir araya gelmeleri ile oluşan sistemlere "karışım" denir. Karışımı oluşturan maddelerin kendine özgü olan özellikleri karışım içinde de aynı kalır. Görüldüğü gibi, bileşik ile karışım arasındaki en önemli fark, elementlerin birleşme oranları olmaktadır. Sıcaklık, yoğunluk, derişim, kırılma indisi gibi madde özelliklerinin aynı olduğu sistem bölgelerine "faz" adı verilir. Bir faz bir bileşenli veya çok bileşenli olabilir. Karışımlar kendi içinde heterojen ve homejen karışımlar olmak üzere ikiye ayrılırlar. Karışımlar tek bir faz oluşturuyorlarsa, "homojen karışımlar"; birden fazla faz oluşturuyorlarsa, heterojen karışımlar olarak adlandırılır. - 6 - Homojen karışımların sıcaklık, basınç, yoğunluk gibi fiziksel özellikleri, karışımın bütünü için aynıdır. Homojen karışımlara çözeltiler de denir. Diğer yandan, heterojen karışımlarda fiziksel özellikleri farklı, birden fazla fazın varlığı söz konusudur. Coca-Cola gibi tüm kolalı içkiler çok bileşenli homojen karışımlara, bir kaşık sofra tuzunun bir bardak suda çözünmesiyle elde edilen karışım iki bileşenli homojen karışımlara örnektirler. Diğer yandan, buzlu su bir bileşenli hetorojen karışımlara, bir mermer parçası çok bileşenli heterojen karışımlara örnektir. Madde Saf maddeler Karışımlar Elementler Bileşikler Örnek: Sodyum, oksijen Örnek: Kireç taşı, alçı, su, bütan gazı Homojen karışımlar Örnek: Kolalı tüm içkiler, şarap Heterojen karışımlar Örnek: Kaya, mermer, su-zeytinyağı, karışımı Şekil 1.3 Maddenin sınıflandırılması 4. MADDENİN FİZİKSEL VE KİMYASAL ÖZELLİKLERİ Bir maddenin yapısının (hal değişimi) değişmesine karşılık kimyasal yapısında herhangi bir değişiklik olmuyor ise bu değişikliğe "fiziksel değişiklik" denir. Örneğin, su bileşiği buz (katı), su (sıvı), ve buhar (gaz) hallerinde kimyasal olarak aynı özellikleri gösterir. Değişiklik sadece suyun fiziksel özeldiğindedir. Maddenin temel fiziksel özellikleri kaynama noktası, erime noktası, donma noktası, buhar basıncı, ısı ve elektrik iletkenliği, renk, yoğunluk, dielektrik sabiti olarak sıralanabilir. Bir yumurtayı tavada pişirdiğimiz zaman, bir demir parçasını yağmur altında paslanmaya bıraktığımız zaman, ve duran bir otomobili hareket ettirdiğimiz zaman çeşitli kimyasal değişimler meydana gelir. Tüm bu değişimler sırasında çeşitli başlangıç maddelerinden farklı yeni ürünler oluşur. Bir otomobil egzosundan çıkan gazı tekrar yanıcı yakıt haline ge- - 7 - tirmek mümkün değildir. Yine aynı şekilde, pişen yumurtayı tekrar çiğ yumurta haline getirmek mümkün değildir. Kısaca özetlersek, fiziksel değişiklik sadece hal değişikliği ile ilgili kimyasal değişiklik ise maddenin kimyasal bileşimindeki (yapısında) değişiklik ile ilgilidir. 5. KİMYASAL DENKLEMLER Bir kimyasal reaksiyon sırasında reaksiyona giren maddeler ile reaksiyon sonucu meydana gelen yeni maddeleri daha anlaşılır şekilde görmek için kimyasal denklem denen ifadeler kullanılır. Örneğin, mutfaklarımızda kullanılan bütan gazının oksijen gazı ile olan reaksiyonunu kimyasal denklem ile daha anlaşılır kılabiliriz. 2C4 H10 + Bütan gazı 13O2 → Oksijen 8CO2 + 10H2 O Karbon dioksit Giren maddeler + Su ∆ Isı Çıkan maddeler (Reaktantlar) (Ürünler) Kimyasal denklemlerde hangi maddelerin reaktant hangilerinin ürün olduğunu denklemdeki okun yönüne bakarak anlayabiliriz. Kimyasal denklemlerde dikkat edilmesi gereken önemli noktalardan birisi reaksiyona giren maddelerin belirli oranlar dahilinde birleşerek ürünleri getirmesidir. Örneğin, bütan gazının oksijen gazı ile olan reaksiyonunda birleşme oranı 2 şeklindedir. 3 Belli miktarda karbon dioksit (CO2), su (H2 O) ve ısı elde edebilmek için belli miktarda bütan gazının olması gerekir. Bütan gazının bitmesi durumunda elimizde yeteri kadar oksijen olmasına karşılık reaksiyon gerçekleşemez. Kimyasal denklemde en önemli özelliklerden birisi de, reaksiyona giren maddelerdeki atomların sayısının reaksiyon sonucu meydana gelen ürünlerdeki atomların sayısına eşit olmasıdır. Yine bütan gazı örneğine dönelim. - 8 - reaksiyona giren maddelerdeki ürünlerdeki C sayısı 8 C sayısı 8 H sayısı 20 H sayısı 20 O sayısı 26 O sayısı 26 6. KİMYASAL REAKSİYONLARDA ENERJİ Enerji, son yirmi otuz yıldır dünyamızda en fazla tartışılan konulardan birisi olmuştur. Bir petrol bunalımını hepimizi nasıl etkilediğini gayet iyi bilmekteyiz. Bu durum iyi bilindiğinden dolayı, dünya son zamanlarda güneş enerjisi, çekirdek enerjisi, mikrodalga enerjisi gibi yeni enerji kaynakları aramaya başlamıştır. Bilim adamlarının enerjiyi "iş yapabilme kapasitesi" olarak tanımlamalarına karşılık, buradaki iş kavramı kişiden kişiye değişebilir. Bir arabayı yıkama, kışın yağan karı kürümek, ağaç kesmek bazılarına göre iş bazılarına ise zevk ve dinlenme verir. Bundan dolayı, kişiye göre değişmeyen "mekanik iş" kavramı ortaya atılmıştır. Bir maddede şu kadar enerji var deyip bunu ölçmek mümkün değildir. Ancak, bu enerji diğer bir tarafa transfer olduğunda bunu ölçmek mümkün olmaktadır. Örneğin, kaslarımızdaki enerjiyi bir iş yaptığımız zaman ölçebiliriz. Fizik derslerinden gördüğümüz gibi çok çeşitli enerji çeşitleri mevcuttur. Hareket enerjisi, durum (potansiyel) enerjisi, ısı enerjisi, ışıma enerjisi, atom enerjisi mikrodalga enerjisi, dalga enerjisi ve kimyasal enerji bunlardan bir kaçıdır. Kimyada enerji birimi olarak kalori veya kilokalori gibi birimler yaygın şekilde kullanılmasına karşılık, Uluslararası Birim Sistemi (SI) enerji birimini Joule olarak belirlemiştir. Bir gram suyun sıcaklığını 14,5 °C den 15,5 °C ye yükseltmek için gereken enerji miktarına "kalori" denir. Joule ile kalori arasındaki ilişki 1 kalori = 4,184 Joule şeklindedir. Kimyasal reaksiyonların cinsine göre reaksiyon sonunda bir enerji açığa çıkabilir veya reaksiyonun gerçekleşebilmesi için belli bir enerjiye gereksinim duyulabilir. - 9 - Kimyasal reaksiyon sonunda enerji açığa çıkan reaksiyonlara "ekzotermik reaksiyonlar", bunun tersi olan yani reaksiyonun gerçekleşmesi için enerjiye ihtiyaç duyulan reaksiyonlara da "endotermik reaksiyonlar", denir. Kömür, petrol gibi içeriğinin çoğunluğu karbon elementi olan maddelerin oksijen gazı ile reaksiyonu ekzotermik bir reaksiyondur. Açığa çıkan enerji "ısı enerjisi" adını alır. Bu enerji çeşitli yöntemler ile mekanik ve elektrik enerjisine dönüştürülür. C + O2 Petrol, kömür.. vs. → CO2 + Isı Oksijen Suyun (H2O) bileşenleri olan hidrojen ve oksijene ayrışabilmesi için sisteme dışarıdan enerji vermek gerekir. H2 O + Enerji → H2 + 1/2O2 Özet Kimya, maddenin bileşimini, yapısını, özelliklerini ve değişimini inceleyen bir bilim dalıdır. Uzayda bir yer kaplayan ve kütlesi olan her şey madde olarak tanımlanır. Basit kimyasal yollar ile daha başka maddelere ayrılamayan saf maddelere "element" denir. Birden fazla elementin belirli oranlar dahilinde kimyasal bağlar ile bağlanarak oluşturdukları saf maddelere, "bileşik" denir. Bileşikler kendilerini oluşturan elementlerden farklı özel- likler gösterir. İki veya daha fazla sayıda maddenin gelişigüzel oranlarda meydana getirdikleri sisteme "karışım" denir. Karışımlar homojen ve heterojen karışımlar olmak üzere ikiye ayrılır. Karışımlarda, karışımı oluşturan bileşenlerin özellikleri belirgindir. Maddenin özellikleri, fiziksel ve kimyasal olmak üzere ikiye ayrılır. Fiziksel değişimler, hal değişimleri, kimyasal değişimler ise, maddenin bileşiminin ve özelliklerinin değişimine neden olur. - 10 - Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların doğru yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Aşağıdaki ifadelerin hangisi yanlıştır? A) Uluslararası Birim Sistemine göre kütlenin birimi kilogramdır. B) Bir cismin dünyadaki kütlesi ile ay yüzeyindeki kütlesi aynıdır. C) Madde kütlesi olan ve uzayda yer işgal eden herşeydir. D) Şişirilmiş bir balonun kütlesi yoktur. E) Kütle, madde miktarının bir ölçüsüdür. 2. Aşağıdaki ifadelerin hangisi yanlıştır? A) Maddeye enerji verildiğinde veya maddeden enerji alındığında maddede hal değişimleri olur. B) Madde, katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç halde bulunabilir. C) Suyun (katı) erime noktası ile suyun (sıvı) donma noktaları aynı sıcaklıktır. D) Maddeler gaz halinde belirli bir kütleye sahip değildir. E) Gazların sıkıştırılma özelliği katı ve sıvılara kıyasla çok fazladır. 3. Aşağıdaki ifadelerin hangisi yanlıştır? A) Maddelerin kaynama noktaları denizden yukarı çıkıldıkca azalır. B) Bir bileşikteki elementlerin kütleleri belirli bir oran gösterir. C) Bir karışımdaki karışanların kütleleri belirli bir oran gösterir. D) Sodyum klorür (NaCl), sodyum karbonat (Na2 CO3) ve Su (H2 O) bileşiklere örnektirler. E) Demir, çinko, bakır, gümüş, altın, karbon birer elementirler. 4. Aşağıdaki cümleyi tamamlayınız. Günümüzde bilinen element sayısı ........................ ulaşmıştır. A) 103 B) 104 C) 105 - 11 - D) 106 E) 109 5. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Bileşikler kendilerini oluşturan elementlerden tümüyle farklı özellikler gösterir. B) Karışımı oluşturan maddelerin kendine özgü olan özellikleri karışım içinde aynı kalır. C) Heterojen karışımlar da bir tek faz vardır. D) Homojen karışımlar kendi içinde üniform haldedir. E) Sabahları herkesin severek içtiği bir bardak şekeri iyice çözünmüş çay , homojen bir karışımdır. 6. Aşağıdaki ifadelerin hangisi yanlıştır? A) Suyun sıcaklığının değişimi suyun fiziksel değişimi ile ilgilidir. B) -10 °C de 10 gram buzun buhar haline getirilebilmesi kimyasal değişikliği gerektirir. C) Suyun sıvı halden buhar hale geçmesi fiziksel bir olaydır. D) Maddenin erime noktası ile donma noktası arasında fark yoktur. E) Maddenin kimyasal değişimi maddenin kimyasal yapısında değişikliğini gerektirir. 7. Aşağıdaki ifadelerin hangisi yanlıştır? A) Araçlarda kullanılan benzinin yanma işlemi kimyasal bir özelliktir. B) Suyun kendini oluşturan hidrojen ve oksijen moleküllerine ayrışması kimyasal bir reaksiyon gerektirir. C) Mumun yanması fiziksel bir olaydır. D) Kimyasal denklemde reaksiyona giren maddeler belirli oranlarda birleşip yeni ürünler oluşturur. E) Reaksiyona giren maddelerin toplam kütlesi reaksiyon sonucu meydana gelen ürünlerin toplam kütlesine eşittir. 8. Aşağıdaki kimyasal denklemde boş bırakılan rakamları doldurunuz. C2H4 + x O2 → y CO2 + z H2O A) x 3 B) x 3 C) x 2 D) x 2 E) x 3 y2 y2 y2 y3 y3 z2 z3 z3 z2 z2 - 12 - 9. Aşağıdaki cümleyi tamamlayınız. Kömürün yanması .......................... örnek olarak verilebilir. A) kömürün fiziksel değişimine B) çevreden enerji alan reaksiyonlara C) çevreye enerji veren reaksiyonlara D) oksijenin fiziksel değişimine E) kömürün ve oksijenin fiziksel değişimine 10. 50 kal kaç Joule eder? A) 209,2 B) 20,92 C) 11,95 - 13 - D) 119,5 E) 1195 ÜNİTE 2 Atomun Yapısı Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Atomun yapısını bilecek, ■ Atom numarası ve atomu oluşturan parçacıkları tanıyacak, ■ Atomların periyodik cetveldeki yerlerini bilecek, ■ Periyod ve grup kavramlarını öğreneceksiniz, ■ Elementlerin izotoplarını tanıyacaksınız. İçindekiler ■ Giriş ■ Atomun Yapısı ■ İzotop Kavramı ■ Atom Ağırlığı ■ Elektronların Düzenlenmesi ■ Periyodik Cetvel ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi kavrayabilmek için Ünite 1'de verilen temel kavramları anlamış olmanız gerekir. ■ Üniteyi çalışırken periyodik cetvel'i yanınızda bulundurunuz. ■ Ünitede geçen formülleri mutlaka en az bir kere de kendiniz yazınız. 1. GİRİŞ Kimyayı ve bununla ilgili olan tüm bilimleri tam manasıyla kavrayabilmek için maddenin en temel yapı taşlarından olan atomun yapısını çok iyi bilmek gerekir. Eski Yunanlı bilginler maddenin daha fazla küçük parçacıklara bölünemeyen çok çok küçük parçacıklardan meydana geldiğini ileri sürmüşler ve bu parçacıklara da Yunanca'da bölünemeyen manasına gelen "atom" adını vermişlerdir. Yunanlı bilginlerin ileri sürdükleri atom kavramı 19. yüzyıl başlarına kadar herhangi bir deneysel yol ile kanıtlanamamıştır. Modern atom kavramını ortaya atan ilk bilgin İngiliz John Dalton (1766-1844) olmuştur. Atomun iç yapısı ancak 20. yüzyıl içinde aydınlatılmaya başlamıştır. Atom kuramına göre, katı, sıvı, veya gaz halindeki maddelerin tümü atom denen çok küçük parçacıklardan meydana gelmiştir. Atomlar doğanın en temel yapı taşlarıdır. Birinci ünitede belirttiğimiz gibi şu anda 109 element ve dolayısıyla 109 farklı atom bilinmektedir. Bir önceki ünitede atomu, herhangi bir elementin tüm özelliklerini gösteren en küçük parçası olarak tanımlamıştık. Atomlar o kadar küçük parçacıklardır ki, şu ana kadar en gelişmiş aletler vasıtasıyla bile tek bir atomu görmek ve bir terazide kütlesini ölçmek mümkün olmamamıştır. 2. ATOMUN YAPISI Atomlar elektron, proton ve nötron olarak bilinen üç temel parçacığın bir araya gelerek oluşturdukları birimlerdir. Her atom bir çekirdek ve bir veya daha fazla sayıda elektronlardan oluşmuştur. Proton ve nötronlar çekirdeğin içinde bulunurlar. Dolayısıyla, çekirdek atomun aşağı yukarı tüm kütlesini meydana getirir (Şekil 2.1). elektronların bulunabileceği bölgeler (orbitaller) çekirdek (protonlar + nötronlar) Şekil 2.1 Atomun basit olarak gösterilişi - 15 - Elektron, kütlesi 9.1094x10-31 kg olan ve elektriksel olarak eksi (-) yüklü bir parçacıktır. Kimyacılar elektronu e- sembolü ile gösterirler. Şimdi de çekirdek içinde yer alan parçacıkları ele alalım. Proton, kütlesi 1.6726x10-27 kg olan, bir elektronun kütlesinin yaklaşık 1836 katı olan ve elektriksel olarak artı (+) yüklü bir parçacıktır. Protonun sembolü "p" veya "H+ " dır. Nötron, kütleleri aşağı yukarı bir protonun kütlesine eşit ve elektriksel olarak yüksüz bir parçacıktır. Nötronun sembolü genellikle " n" dir. Kısaca, Nötron kütlesi ≅ proton kütlesi ≅ 1836 elektron kütlesi olarak ifade edebiliriz. Elektronlar çekirdek etrafında çok hızlı bir şekilde hareket ederler. Elektronların çekirdek etrafında dönerken kapladıkları alan o atomun hacmini tayin eder. Çekirdeğin hacmi atomun hacmine kıyasla çok küçüktür. Bunu bir örnekle açıklayalım, bir atomun çapı bir futbol sahası uzunluğunda (100 m) olsaydı, çekirdeğin çapı sahanın ortasındaki bir portakal çekirdeği ile kıyaslanabilirdi. Elektronların çekirdek etrafındaki dönüşleri ayrıntılı şekilde gözlenemez. Elektronlar çekirdek etrafında sabit bir yol veya yörünge üzerinde hareket etmezler. Yani, gezegenlerin güneş etrafında dönmesinde olduğu gibi, sabit ve oval bir yörünge söz konusu değildir. Bu durumu, çekirdek etrafında bir elektron bulutu olarak tasarlayabiliriz. Bir atomun çekirdeğini saran elektronik yük dağılımına "elektron bulutu" denir. Şekil 2.2 de hidrojen atomunun elektron bulutunu göstermektedir. Şekil 2.2 Elektron bulutu - 16 - Özellikle belirtilmesi gereken bir nokta, farklı elementlere ilişkin atomların farklı büyüklüklerde olacağıdır. Örneğin en küçük atom olan hidrojen'in yarıçapının 0,4 A° olmasına karşın en büyük atomlardan biri olan sezyum'un (cs) yarıçapı 2,7 A° civarındadır. Angstrom (A°) 1x1010m ye karşılık gelen kimyacılar tarafından atom yarıçapını belirtmede yaygın şekilde kullanılan bir uzunluk birimidir. Atom ve moleküllerin boyutları genellikle 1-10 Å civarındadır. Çekirdeklerin çapı atomların çaplarına kıyasla çok küçüktür. Bir çekirdeğin çapı 1x10-4 Å civarındadır. Aynı elementin tüm atomlarında eşit sayıda elektron ve proton bulunur. Bundan dolayı tüm atomlar elektrik yükü açısından nötürdürler. Örneğin, karbon atomunda 6 tane elektron ve 6 tane de proton bulunur. Bir atomun çekirdeğinde bulunan protonların sayısına o atomun "atom numarası" denir. Genelde atom numarası Z sembolü ile gösterilir. Örneğin, karbon atomunda 6 proton olduğuna göre bunun atom numarası 6 dır. Aynı elementin tüm atomlarında eşit sayıda proton ve elektron bulunduğunu belirtmiştik. Ancak nötron sayısı eşit midir? Bu sorunun cevabını izotop kavramı ile verelim. 3. İZOTOP KAVRAMI Öyle bazı elementler vardır ki bunların atomlarındaki proton ve elektron sayılarının eşit olmalarına karşılık nötron sayıları farklıdır. Atomların cinsini belirten en temel parçacık protondur. Zira, proton sayısı bir atomun türünü belirler. Atomlar nötür olduğuna göre elektron sayıları proton sayılarına eşit olur. Ancak, atomun üçüncü temel parçacığı olan nötron için durum farklıdır. Zira bir elementin tüm atomları aynı sayıda nötron içermeyebilir. - 17 - Aynı atom numarasına yani aynı sayıda proton ve elektrona sahip olmalarına karşılık nötron sayıları farklı olan atomlar "izotop" olarak adlandırılır. Örneğin, hidrojen elementinin üç, karbon elementinin üç, klor elementinin iki ve silisyum elementinin üç izotopu mevcuttur. (Çizelge 2.1) Hidrojen elementi dışındaki elementlerin izotopları yine kendi isimleri ile adlandırılır. Örneğin, karbon-12, karbon-13, karbon-14 gibi. Hidrojen izotopları "protiyum", "deuteriyum" ve "tritiyum" olarak adlandırılır. Bir elementin izotopları AX Z sembolü ile gösterilir. Burada A kütle numa- rasını, yani bir atomun çekirdeğindeki proton ve nötron sayılarının toplamını, Z ise o elementin atom numarasını gösterir. Örneğin, karbon-12 izotopu 12 C şeklinde, karbon -14 izotopu 14 6 C şeklinde 6 gösterilir. Bunlardan ilkinde karbonun 6 nötron, ikincisinde ise 8 nötron içermesi sözkonusudur. Hemen hemen tüm elementler bir veya daha fazla sayıda kararlı izotoplara sahip olmalarından başka "radyoaktif izotop" denilen çok kararlı olmayan izotoplara da sahiptirler. Örneğin, oksijen elementi doğada % 99,759 14 8 C % 0,037 izotopları halinde bulunur. Bunların yanında 13 O 8 14 O 8 17 O ve % 0,204 18 O 8 8 15 O 20 8 8O gibi radyoaktif izotopları da mevcuttur. Çizelge 2.1 de anlaşılacağı üzere doğada çoğu elementler bir izotoplar karışımı halinde bulunur. İzotop karışımlarının oranları her element için ayrı ayrı fakat o element için sabittir. Örneğin, klor elementi doğada %75,53 klor-35 ve %24,47 klor-37 oranında bulunur. - 18 - Çizelge 2.1 Çeşitli elementlerin izotopları İzotop İzotop'un sembolü Elektron sayısı Proton sayısı Nötron sayısı Doğal dağılımındaki oran Radyoaktif Hidrojen veya Protyum 1H 1 1 1 0 99,99 % Hayır Dötöryum 2H veya D 1 1 1 1 0,01 % Hayır Trityum 3H veya T 1 1 1 2 ----- Evet Karbon-12 12C 6 6 6 6 98,89 % Hayır Karbon-13 13C 6 14C 6 6 6 7 1,11 % Hayır 6 6 8 1x10-10 % Evet Oksijen-16 16O 8 8 8 8 99,76 % Hayır Oksijen-17 17O 8 8 8 9 0,04 % Hayır Oksijen-18 18O 8 8 8 10 0,20 % Hayır Klor-35 35CI 17 17 17 18 75,53 % Hayır Klor-37 37CI 17 17 17 20 24,47 % Hayır Silisyum-28 28Si 14 14 14 14 92,21 % Hayır Silisyum-29 29Si 14 14 14 15 4,70 % Hayır Silisyum-30 30Si 14 14 14 16 3,09 % Hayır Brom-79 79Br 35 35 35 44 50,54 % Hayır Brom-81 81Br 35 35 35 46 45,46 % Hayır Karbon-14 - 19 - 4. ATOM AĞIRLIĞI Doğal olarak bir atomun gerçek kütlesini terazide tartamayız. Ancak belirli bir atomun kütlesi standart olarak alındığında, tüm diğer atomların kütleleri bu standarda göre ayarlanabilir. Örneğin 12C 'nın kütlesi tam olarak 12 atom kütle birimi olarak SI tarafından kabul 6 edilmiştir. Bir atomik kütle birimi (akb) tek bir karbon-12 izotopunun gerçek kütlesinin 1/12'si olarak tanımlanmaktadır. Diğer tüm elementlere ilişkin atom kütleleri ise bu değere göre bağıl olarak verilir. ? Atom ağırlığı ile atom kütlesi aynı mıdır? Çoğu element en az iki doğal izotopa sahiptir. Bundan dolayı, herhangi bir elementin atomik kütlesi bu elementin doğal olarak bulunan izotoplarının herbirine ilişkin atom kütlesine ve bu izotoplara dağılım oranlarına bağlıdır. Buna göre atom ağırlığını böyle tanımlayabiliriz. Bir elementin doğal izotoplarının kütlelerinin yüzdeleri oranında ortalamasına "atom ağırlığı" denir. Bu tanıma göre eğer element tek bir izotopa sahip ise bu elementin atom ağırlığı ile atom kütlesi eşittir. Eğer, element birden fazla izotopa sahip ise bu elementin atom ağırlığı atom kütlesinden farklıdır. Örneğin, karbonun doğal olarak bulunan izotoplarından karbon-12'nin atom kütlesi 12 akb (doğal oranı %98,852 ), karbon-13'ün atom kütlesi 13,00335 akb (doğal oranı % 1,108 ) karbon-14'ün doğada çok çok az (% 1X10-4 ) olduğu için bunun karbonun atom ağırlığı üzerinde fazla bir etkisi yoktur. Bu duruma göre karbonun atom ağırlığını hesaplayalım. Karbonun atom ağırlığı = (0,98892) (12) + (0,01108) (13,00335) = 12,011 akb dir. 5. ELEKTRONLARIN DÜZENLENMESİ Bir elementin kimyasal özelliği o elementin atomlarına ait çekirdeğin etrafında yer alan elektronların düzenlenmelerine ve sayılarına bağlıdır. - 20 - Elektron düzenlemelerini çeşitli tip diagramlar ile göstermek mümkünse de, bu diagramların hiçbiri gerçek elektron düzenlemelerini tam anlamıyla gösteremez. Bir atomda çekirdekten en uzakta bulunan elektronlar o elementin kimyasal davranışlarını belirler ve bu elektronlar "valans elektronu" olarak anılırlar. Aynı sayıda valans elektronuna sahip atomlar özellikleri bakımından benzerlikler gösterirler. Örneğin, aynı sayıda valans elektronuna sahip flor (F), klor (CI), brom (Br) ve iyot (I) gibi elementlerin özellikleri birbirine yakındır. Atomu basit olarak aşağıdaki diagram ile gösterebiliriz. Artan enerji düzeyi K L M N O Çekirdek 1 Ana enerji düzeyi 2 " " " 3 " " " 4 " " " 5 " " " K Farklı ana enerji düzeyleri L M N O Şekil 2.3 Atom yapısının basit olarak gösterilişi Elektronlar çekirdek etrafında rastgele aralıklarda yer almazlar. Belirli ana enerji tabakalarında bulunurlar. Çekirdeğe en yakın elektronlar en düşük enerji durumunda bulunurlar, çekirdekten uzaklaştıkça daha yüksek enerji durumunda olurlar. Örneğin, K'nın enerji düzeyi N enerji düzeyinden daha azdır. - 21 - Bir atomdaki her bir enerji düzeyi belirli sayıda elektron tutabilir. Çekirdeğe en yakın ve en düşük enerji düzeyine sahip K tabakası en fazla 2 elektronu barındırabilir. Daha sonraki tabakalar L 8 tane, M 18 tane, N 32 tane, ve O tabakası da 32 tane elektronu barındırmaktadır. Elektronlar enerji seviyelerini doldururken önce en düşük enerji seviyesini (K tabakası) doldurur, artan elektronlar diğer enerji seviyelerini maksimum dolduracak şekilde yerleşirler. Örneğin, sodyum atomu 11 elektronu içerir. Bu elektronlar önce K tabakasını (2 elektron) doldurur, arta kalan 9 elektron önce L tabakasını (8 elektron) doldurur ve son kalan 1 elektron M tabakasına gider (Şekil 2.4) 1e 8e 2e Çekirdek Proton sayısı 11 Nötron " 12 Elektron " 11 11p 12n K L M Şekil 2.4 Sodyum atomun elektron düzenlenmesi Daha önce belirttiğimiz gibi elektronlar çekirdek etrafında belirli ana enerji tabakalarında bulunurlar. Tüm bu enerji seviyeleri kendi içlerinde alt enerji seviyelerine ayrılırlar. Bunlar kimyada "orbital" olarak bilinip s,p,d, f harfleri ile gösterilirler. Bu orbitallerin şekli farklı farklıdır. Örneğin, s ve p orbitalleri aşağıdaki şekildedir. - 22 - z y x s orbitali z z z y y y x x p x p y p z P orbitali Şekil 2.5 Atomik orbitaller ? Orbital türlerinin hepsi tüm ana enerji seviyelerinde bulunur mu? Hayır, bilinen elementlerin (109 adet) atomlarındaki alt enerji seviyelerini inceleyelim, ■ K enerji düzeyinde sadece s orbitali ■ L enerji düzeyinde 1 adet s + 3 adet p orbitali ■ M enerji düzeyinde 1 adet s + 3 adet p + 5 adet d orbitali ■ N enerji düzeyinde 1 adet s + 3 adet p + 5 adet d + 7 f adet orbitali Alt enerji seviyeleri, orbital ve bu orbitallerin kaç tane elektron barındırabilecekleri çizelge 2.2 de gösterilmişitir. - 23 - Çizelge 2.2 Alt enerji seviyeleri Alt Enerji Seviyesi Orbital Sayısı Maksimum Elektron Sayısı s 1 2 p 3 6 d 5 10 f 7 14 Örneğin, Klor (CI) atomunu ele alalım. Klor 17 proton ve 17 elektrona sahiptir. Elektronların orbitallerdeki yerleşim sırası şöyle olur. 2 elektron önce 1 s orbitalini, daha sonraki elektronlardan 2 tanesi 2 s orbitali, 6 tanesi 2 p orbitalini doldurur. Bunu kısaca şöyle yazabiliriz. 2 6 1 s2 2 s 2 p 3 s1 K L M İlk dört ana enerji seviyesindeki elektronların düzenlenmesini aşağıdaki çizelgede ( Çizelge 2.3) gösterelim. Çizelge 2.3 Ana enerji seviyeleri Ana enerji seviyesi Tabaka Alt enerji seviyesi Orbital sayısı Maksimum elektron sayısı 1 K 1s 1 2 2 L 2s 1 8 2p 3 3s 1 3p 3 3d 5 4s 1 4p 3 4d 5 4f 7 3 4 M N Elektronların atomik orbitalleri doldururken izlediği sıra aşağıdaki şekildedir. - 24 - 18 32 7p 6d 5f Q 7s 6p 5d 5p 4d P Ana enerji seviyeleri artan enerji seviyesi 6s 4f O 5s 4p 3d N 4s 3p M 3s 2p L 2s K 1s s p d f Şekil 2.6 Elektronların atomik orbitalleri doldururken izlediği sıra Çizelge 2.4 Bazı elementlerin elektron orbital düzenlemeleri Element Elementin Atom sembolü numarası 1s Sodyum Na 11 Magnezyum Mg 12 Alüminyum Al 13 Silisyum Si 14 Fosfor P 15 Kükürt S 16 Klor CI 17 Argon Ar 18 2s Elektron orbital düzenlemesi 2px 2py 2pz 3s 3px V K Bir elektronu göstermektedir. V L - 25 - 3py V M 3pz 6. PERİYODİK CETVEL Elementlerin artan atom numaralarına ve benzer özelliklerine göre dizildiklerinde meydana gelen cetvele "periyodik cetvel" denir. Günümüzde kullanılan tablonun temelini Rus bilgini Dimitri Mendeléev 1869 yılında atmıştır. Mendeléev o zaman bilinen 63 elementi atom ağırlıklarına göre yatay ve dikey kolonlara yerleştirmiştir. Yatay kolonlara "periyod", dikey kolonlora "grup" denmiştir. Eğer elementler Mendeléev'in ileri sürdüğü şekilde atom ağırlıklarına göre düzenlenseydi, bazı elementler yanlış yerlerde olacaktı. Örneğin, potasyum (K) elementi (atom ağırlığı 39.098 akb, atom numarası 19), argon elementinden (atom ağırlığı 39,948 akb, atom-numarası 18) önce gelecekti. 20. Yüzyılın başında İngiliz bilgini Henry G.MOSELEY o zamana kadar bilinen tüm elementlerin atom numaralarını tespit ederek, elementlerin periyodik cetvelde artan atom numaralarına göre dizilmesini sağlamıştır. Periyodik cetveli iyice incelediğimiz zaman atomların yarıçaplarının bir grup boyunca yukarıdan aşağıya doğru gidildikçe arttığını görürüz. Grup boyunca atom yarıçaplarındaki değişimin nedeni ana enerji seviyelerindeki (K,L,M,N...vs) değişimdir. Örneğin, oksijen (O) elementinin atom yarıçapı 0,604 Å olmasına karşılık bu grup içinde hemen oksijenin altında yer alan kükürt (S) elementinin atom yarıçapı 1,035 Å dir. 6e 8e 8e 2e 2e 8p 8n 16p 16n Yarıçap= 0.604 Å K K L L M Oksijen atomu Kükürt atomu Şekil 2.7.Atom yarıçıplarının karşılaştırılması - 26 - Yarıçap= 1.035 Å. Çizelge 2.5 Periyodik cetvel Bir grup içindeki elementlerin özellikleri birbirlerine çok benzer. Grup1 içindeki elementlere (hidrojen hariç) alkali metaller denir. Bu elementlerin dış enerji seviyelerindeki s orbitallerinde bir elektron bulunur. Bundan dolayı, bu elementle2 1 rin en dış elektron düzenlemesi sı şeklindedir. Örneğin, Hidrojen 1 s1, lityum 1 s 2 s 2 6 K L elektron düzenlemesi şeklindedir. 1 s2 2 s 2 p 3 s1 sodyum K L M - 27 - Grup 2 elementlerine "toprak alkali" metalleri denir. Bu elementlerin dış enerji seviyelerin deki s orbitalinde iki elektron bulunur. Bunların dış elektron düzenlenmesi s2 şeklindedir. 2 2 s2 2 p 6 3 s2 3 p 6 4 s2 Örneğin, kalsiyum elementinin elektron düzenlenmesi 1 s K L M N şeklindedir. Grup 17 elementlerine "halojenler" denir. Bunların en dış elektron düzenlemeleri s2 p5 2 5 2 şeklindedir. Örneğin flor elementinin düzenlenmesi 1 s 2 s 2 p dır. K L Grup 18 elementleri ise "asal gazlar" olarak bilinir. En dış elektron düzenlemesi s2p6 dır. Örneğin, Neon gazının elektron düzenlenmesi 2 5 1s 2 2s 2p K L Periyodik cetvele bir göz attığımız zaman cetvelin sağ tarafında zig zag bir çizgi görürüz. Bu çizgi elementleri iki ana gruba ayırır. Bu çizginin sağında kalan elementlere "ametal" çizginin solunda kalan elementlere de "metal" adı verilir. Çizgiye her iki taraftan değen elementler (alüminyum hariç) "yarı metal" olarak adlandırılır. Yarı metaller bazen metal gibi bazen de ametal gibi davranır. Bilinen 109 elementin dörtte üçü metaldir. Civa hariç tüm metaller oda sıcaklığında katı haldedir. Grup 3-12 elementlerine "geçiş elementleri" denir. Bu elementlerde elektronlar d orbitallerini de doldurmaya başlar. Geçiş elementeri ısı ve enerjiyi çok iyi iletirler, erime noktaları yüksektir ve yoğunlukları büyüktür. Özet Atom teorisine göre, tüm maddeler atom denen parçacıklardan meydana gelir. Atomlar doğanın en temel yapı taşlarıdır. Kimyasal olarak farklı 109 atom vardır. Artı (+) ve eksi (-) yükler doğanın temel özelliklerinden biridir. Atomları oluşturan en temel parçacıklar artı (+) yüklü proton, eksi (-) yüklü elektron ve yüksüz nötronlardır. Nötür bir atomda, protonların sayısı elektronların sayısına eşittir. Nötronların sayısı proton ve elektronların sayısından farklı olabilir. Protonun kütlesi yaklaşık olarak nötronun kütlesine eşittir. Fakat elektronun kütlesi bir proton ve nötronun kütlesinin 1836 da biridir. Atomik kütle birimi (akb), elementlerin atom kütlelerinin birimidir. Bir atomdaki protonların sayısına "atom numarası" denir. Bu sayı bir atomu tanımlamada en önemli bir kavramdır. - 28 - Bir atomdaki proton ve nötronların toplamına "kütle numarası" denir. Farklı kütle numarasına sahip aynı elementin atomlarına "izotop" denir. Elektronlar çekirdek etrafında belli yörüngelerde bulunurlar. Her enerji tabakası belli sayıda elektron tutabilir. Örneğin, K tabakası sadece 2 elektron tutabilmesine karşılık L tabakası 8, M tabakası 18 elektron tutabilir. Ana enerji seviyeleri kendi alt enerji seviyelerine (s,p,d,f) ayrılırlar. Bunlara "orbital" denir. Orbitaller bir atomun çekirdeğinin etrafında bir elektronun bulunma olasılığının en fazla olduğu bölgelerdir. Elektronlar orbitalleri artan enerji sırılımasına göre doldururlar. Periyodik cetvel elementlerin sistematik olarak düzenlenmesidir. Periyodik cetvel elementler arasındaki ilişkiyi açıklar. Periyodik cetvelde yatay yedi kolona periyod denir. Periyodik cetvelin dikey kollarına da grup denir. Bir grup içindeki elementler benzer özellikler gösterirler. Bunun sebebi en dış elektron düzenlenmelerinin aynı olmasıdır. Elementlerin dörtte üçü metaldir. Metaller genelde katı-dırlar, elektriği ve ısıyı iyi iletirler. Ametallerin sayısı sadece 17 dir. Ametallerin çoğu oda sıcaklığında gaz halindedir. Ametaller ısı ve elektriği iyi iletmezler. Atomların büyüklüğü bir periyod boyunca soldan sağa doğru gidildikçe azalır. Buna karşılık, bir grup boyunca yukarıdan aşağıya doğru artar. İnsan vücudu esas olarak oksijen, karbon ve hidrojen elementlerinden oluşmuştur. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur? A) Her atom, içinde protonlar ve nötronlar olan bir çekirdek ile bu çekirdek etrafında dönen elektronlardan oluşmuştur. B) Her atom, içinde elektronlar ve nötronlar olan bir çekirdek ile bu çekirdek etrafında dönen protonlardan oluşmuştur. C) Her atom, içinde protonlar ve elektronlar olan bir çekirdek ile bu çekirdek etrafında dönen nötronlardan oluşmuştur. D) Her atom, içinde protonlar, elektronlar ve nötronlar olan bir çekirdekten oluşmuştur. E) Her atom, içinde elektronlar ve nötronlar olan bir çekirdekten oluşmuştur. - 29 - 2. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Elektron, e- sembolü ile gösterilen elektriksel olarak eksi (-) yüklü bir parçacıktır. B) Proton, p veya H+ sembolü ile gösterilen elektriksel olarak (+) yüklü bir parçacıktır. C) Nötron, n sembolü ile gösterilen elektriksel olarak nötür bir parçacıktır. D) Bir nötronun kütlesi bir protonun kütlesine aşağı yukarı eşittir. E) Bir protonun kütlesi bir elektronun kütlesine aşağı yukarı eşittir. 3. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Çekirdeğin hacmi atomun hacmine kıyasla çok küçüktür. B) Elektronların çekirdek etrafında dönerken kapladıkları alan o atomun hacmini tayin eder. C) Elektronlar çekirdek etrafında sabit bir yol veya yörünge üzerinde hareket ederler. D) Farklı elementlerin atomları farklı büyüklüklerde olur. E) Elektronların çekirdek etrafındaki dönüşleri ayrıntılı bir şekilde gözlenemez. 4. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Karbon elementinin tüm atomlarında her zaman eşit sayıda proton bulunur. B) Karbon elementinin tüm atomlarında her zaman eşit sayıda elektron bulunur. C) Karbon elementinin tüm atomlarında her zaman eşit sayıda elektron ve proton bulunur. D) Karbon elementinin tüm atomlarında her zaman eşit sayıda nötron bulunur. 5. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Bir atomik kütle (akb), tek bir karbon-12 izotopunun gerçek kütlesinin 1/12'si dir. B) Bir elementin atom kütlesi bu elementin doğal olarak bulunan izotoplarının doğal oranına bağlıdır. C) Bir elementin atom ağırlığı doğal izotoplarının ortalama atom kütlesidir. D) Bir element tek bir izotopa sahip ise bu elementin atom ağırlığı ile atom kütlesi eşittir. E) Bir element birden fazla izotopa sahip ise bu elementin atom ağırlığı ile atom kütlesi eşittir. - 30 - 6. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Bir elementin kimyasal özelliği valens elektronlarının düzenlenmelerine ve sayılarına bağlıdır. B) Bir atomda çekirdekten en uzakta bulunan elektronlar o elementin kimyasal davranışlarını belirler. Bu elektronlar "valens elektronu" olarak belinirler. C) Bir atomda çekirdeğe en yakın bulunan elektronlar o elementin kimyasal davranışlarını belirler. Bu elektronlar "valans elektronu" olarak bilinirler. D) Aynı sayıda valans elektronuna sahip atomlar özellikleri bakımından benzerlikler gösterirler. E) Elektronlar çekirdek etrafında rastgele uzaklıklarda yer almazlar. 7. Bir atomdaki her bir enerji düzeyi belirli sayıda elektron tutabilir. Örneğin, K tabakası........, L tabakası.........., M tabakası.........., N tabakası......... elektron barındırabilir. 8. A) K = 2 L=8 M = 18 N = 32 elektron B) K = 2 L = 18 M = 18 N = 32 elektron C) K = 8 L=8 M = 32 N = 18 elektron D) K = 8 L = 18 M = 18 N = 18 elektron E) K = 2 L=8 M=8 N = 18 elektron Atom numarası 16 olan kükürt elementinin (S) elektron düzenlemesi aşağıdakilerden hangisidir. A) 1s2 2s2 2p5 3s2 3p4 B) 1s2 2s2 2p5 3s2 3p5 C) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 D) 1s2 2s2 2p4 3s2 3p6 E) 1s2 2s2 2p2 3s2 3p4 4s1 4s4 - 31 - 9. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Elementlerin atom numaralarına ve benzer özelliklerine göre dizildiklerinde meydana gelen cetvele "periyodik cetvel" denir. B) Elementlerin artan atom ağırlığına ve benzer özelliklerine göre dizildiklerinde meydana gelen cetvele "periyodik cetvel" denir. C) Periyodik cetvelde yatay kolonlara "periyod" denir. D) Periyodik cetvelde düşey kolonlara "grup" denir E) Atomların yarıçapları bir periyod boyunca sağdan sola doğru gidildikçe azalır, buna karşılık bir grup boyunca yukarıdan aşağıya doğru artar. 10. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Grup 1 grubu içindeki elementlerin dış enerji seviyelerindeki s orbitalinde 1 elektron bulunur. B) Grup 1 grubu içindeki elementlere (hidrojen hariç) alkali metaller denir. C) Grup 2 grubu içindeki elementlere toprak alkali metaller denir. D) Grup 17 elementlerine halojenler, grup 18 elementlerine asal gazlar denir. E) Grup 17 elementlerinin en dış elektron düzenlemeleri s2p6 şeklindedir. - 32 - 3 ÜNİTE Kimyasal Bağlanma Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Kimyasal bağlanmanın nedenini kavrayacak, ■ Kimyasal bağ çeşitlerini öğrenecek, ■ İyonik ve kovalent bileşiklerin farkını öğrenecek, ■ Tek atomlu ve çok atomlu iyonların değerliklerini öğrenecek, ■ Polar ve apolar bileşiklerin farklılıklarını bilecek, ■ Moleküller arası etkileşimleri öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Lewis Yapısı ■ Oktet Kuralı ■ Kimyasal Bağlanma (Birincil Bağlanma) ■ İyonik Bağlanma ■ Kovalent Bağlanma ■ Polar Kovalent Bağ ■ Moleküller Arası Etkileşim (İkincil Bağlanma) ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi çalışmadan önce, Ünite 1'de verilen elektronik konfigürasyon konusunu pekiştirmeniz yararlı olacaktır. ■ Üniteyi çalışırken yanınızda bir periyodik cetvel bulundurunuz. 1.GİRİŞ Bu ünitede, atomları kimyasal bağ yapmaya zorlayan nedenler, kimyasal bağ çeşitleri ve bu bağların oluşumları hakkında bilgi verilecektir. Ayrıca "ikincil bağlanmalar" adını da alan moleküller arası etkileşim çeşitleri ele alınacaktır. 2. LEWİS YAPISI Atom yapısında, atom çekirdeği ile etrafında bulunan elektronlar arasındaki elektrostatik çekim kuvveti büyük önem taşır. Bu çekim kuvveti elektronlar çekirdekten uzaklaştıkça azalır. Dış seviyede bulunan elektronlar çekirdek tarafından en az çekilen elektronlardır. Bu nedenle, kimyasal bağlanmada etkin olan elektronlar dış seviye elektronlarıdır. Bu gerçeği göz önüne alan Amerika'lı Kimyacı Gilbert LEWİS, anlatım kolaylığı sağlamak için LEWİS sembolleri oluşturmuştur. B ir element sembolunun etrafında valens elektrolarının nokta şeklinde belirtilmesiyle "Lewis sembolu" oluşur. Atomların dış seviyesinde bulunan ve nokta ile gösterilen elektronlarına "valens elektronları" adı verilir. Kimyasal bağlanmada aktif rol oynayan bu elektronların sayısının "birleşme kapasitesi" ile yakın bir ilişkisi vardır. Atomların valens elektron sayısı aynı zamanda periyodik cetveldeki grup numaralarını da belirler. Çizelge 3.1 İkinci periyot elementlerinde grup numarası ile valens elektron sayısı arasındaki ilişki Grup 1 2 3 4 5 6 7 8 Valens Elektron Sayısı 1 2 3 4 5 6 7 8 Birleşme Kapasitesi 1 2 3 4 3 2 1 0 . Be . . .B. :C: . :N: :Ö: .. :F: .. : .Ne . : Lewis Yapısı . Lİ - 34 - 3. OKTET KURALI Neon ve argon gibi elementlerin (asal gazlar) dış seviyesinde bulunan s ve p orbitallerinde toplam sekiz elektron yer almaktadır. Bu elementler, kendi aralarında veya başka atomlarla bileşik yapmaya pek yanaşmazlar. Neon veya Argon atomunun s ve p orbitallerinin dolu olması, yani dış seviyelerinde sekiz elektron bulundurması, çekirdek etrafında küresel yük dağılımına neden olur. Bu durum ise, söz konusu elementlerin çok kararlı bir yapı oluşturmasını sağlar. Lewis, sekiz dış elektrona sahip sistemlerin kararlılığını belirtmek için, Yunancada sekiz anlamına gelen "okta" kelimesinden yola çıkmış ve ünlü "oktet kuralını" ortaya atmıştır. Atomlar bileşik oluştururken elektron alarak, elektron vererek veya ortaklaşa kullanarak dış seviyedeki elektronlarını sekize tamamlamak isterler ve bu olgu "oktet kuralı " olarak bilinir. 4. KİMYASAL BAĞLANMA Asal gazlar dışındaki çoğu atomlar kararsız yapıya sahiptirler. Ancak, bu atomlar kimyasal bağ oluşumu ile dış seviyelerinde bulunan s ve p orbitallerini doldururlar ve böylece çekirdek etrafındaki elektronları küresel yük dağılımına kavuşmuş olur. Bu durumda çekirdeğin elektronlar üzerindeki etkisi yüksektir; yani atom, kararlı bir yapıya ulaşır. Kimyasal bağlanma, atomların asal gaz yapısını kazanma çabalarının doğal bir sonucudur. Atomların oktetlerini tamamlamaları için iki temel yol geçerlidir. Birinci yol, elektron kazanma (veya kaybetme), ikinci yol ise, elektronlarını paylaşmalarıdır. Atomlar, asal gaz yapısına ulaşmak için bu yollardan birini seçerler. Bu farklılık sonucu, atomlar kararlı yapı oluştururken iyonik veya kovalent bağlanma yaparlar. Kimyasal bağlanmada, bağ oluşumunun gerçekleşmesinde ise, iki temel nokta söz konusudur. ● Atomların asal gaz yapısına ulaşabilme çabaları, ● Karşıt yüklerin birbirlerini çekme eğilimi. - 35 - 4.1. İyonik Bağlanma İyonlaşma enerjilerinin düşük olması nedeniyle 1,2, ve 3 ncü gruplarda yer alan elementler dış seviyedeki elektronlarını kolayca verirler ve kolaylıkla asal gaz yapısında artı yüklü iyon (katyon) oluştururlar (Çizelge 3.2). Çizelge 3.2 Grup numarası Dış seviye elektron konfigürasyonu Dış seviye elektron sayısı İyon yükü Örnek 1 s1 1 +1 Na + 2 s2 2 +2 Ca +2 3 s2 p1 3 +3 Al +3 Diğer taraftan, elektron ilgisi yüksek olan 5,6 ve 7 ncı gruplarda yer alan elementler, dış seviyelerine elektron kabul ederler ve kolaylıkla asal gaz yapısında eksi yüklü iyon (anyon) oluştururlar (Çizelge 3.3). Çizelge 3.3 Grup numarası Dış seviye elektron konfigürasyonu Dış seviye elektron sayısı Kabul edilen elektron sayısı 5 s2 p3 5 3 -3 N-3 6 s2 p4 6 2 -2 O-2 7 s2 p5 7 1 -1 Cl - 1 ? İyon yükü Örnek Hangi elementlerin atomları arasında iyonik bağ oluşur? Periyodik cetvelin solunda bulunan metaller ile periyodik cetvelin sağında bulunan ametaller bir araya geldikleri zaman elektron aktarımı ile karşıt yüklü iyonları oluştururlar. Daha sonra bu iyonlar birbirlerini çeker ve böylece aralarında elektrostatik çekim kuvvetine dayanan kuvvetli bir bağ oluştururlar. - 36 - Bir atomdan diğerine elektron aktarımı sonucu oluşan bağa "iyonik bağ" denir. Na e - + Cl Na → Na+ + e - → Cl - + Cl Na + Cl - Şekil 3.1 Sodyum klorür (NaCl) bileşiğinin oluşumu Şekil 3.1 de görüldüğü gibi, sodyum atomunun klor atomuna bir elektron aktarması ile her ikisi de oktet kuralına uygun kararlı iyonlara dönüşürler. Bunun doğal sonucu olarak karşıt yüklü iyonlar birbirini çekerler ve aralarında iyonik bağ oluştururlar. Böylece NaCl bileşiği meydana gelir. Bu iki atomun elektronik konfigurasyonunu incelediğimiz zaman, elektron aktarımı yoluyla nasıl asal gaz sistemine ulaştıklarını veya s ve p orbitallerini doldurarak nasıl kararlı hale geldiklerini görebiliriz. Önce Çizelge 3.4 ü inceleyelim. Çizelge 3.4 Atom ve iyonlarının elektronik konfigürasyonu Atom veya iyon Elektronik konfigurasyon Atom veya iyon Elektronik konfigurasyon Sodyum, Na 1s2 2s2 2p6 3s1 Klor, Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Sodyum iyonu Na+ 1s2 2s2 2p6 Klorür iyonu, Cl - 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Neon, Ne 1s2 2s2 2p6 Argon, Ar 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Sodyum ve klor atomlarının elektronik konfigürasyonları incelendiği zaman, Na atomunun çekirdek etrafında küresel bir yük yoğunluğuna sahip olmasının ancak 3s1 deki bir elektronunu vermesiyle mümkün olduğunu anlarız. Bunun sonucu, Na atomu, Na+ (sodyum iyonu) haline geçer ve Ne asal gaz yapısına ulaşır. Aynı şekilde Cl atomunun çekirdeği etrafında küresel bir yük yoğunluğuna sahip olması 3p5 orbitaline bir elektron ilavesiyle gerçekleşir. Böylece, Cl - (klorür iyonu) Ar asal gaz yapısına ulaşır. - 37 - Özetle sodyum klorür bileşiğinin, 1 nci ve 7 nci grup elementleri arasındaki iyonik bağlanmaya ilişkin en klasik örneklerden biri olduğunu belirtebiliriz. Şekil 3.2 de sodyum klorür bileşiğinin düzenli kristal yapısı gösterilmektedir. Şekil 3.2 Sodyum ve klorür iyonlarının oluşturduğu NaCl kristal yapısı Daha önce belirtildiği gibi 2 nci ve 3ncü grup elementlerinin tamamı iyonik bağ yapmaya yatkın elementlerdir. Toprak alkali metalleri olarak bilinen 2 nci grup elementleri +2 değerliğe sahip iyonlar oluştururlar. Ancak 2 nci grup elementlerinin +1 değerliğe sahip iyonları bilinmez. Çünkü, 2 nci grup elementlerinden bir elektron uzaklaştırıldığı zaman çekirdek etrafındaki küresel yük yoğunluğu sağlanamadığı gibi, atomun nötürlüğü de bozulmaktadır. Bu da +1 değerli iyonun, element atomundan da daha kararsız bir yapıda olmasına neden olur. İkinci grup elementleri ancak iki elektron vererek asal gaz yapısına yani çekirdek etrafında küresel yük yoğunluğuna ulaşırlar. Diğer taraftan 6 ncı grup elementleri, 2 elektron alarak, 7 nci grup elementleri de 1 elektron alarak çok kolay asal gaz yapısına ulaşırlar. Altıncı grupta S -2 ve O -2 iyonları ve 7 nci grupta da Cl - , F - , I -ve Br- iyonları bilinir. İyonik bağlanmaya yeni örnekler olarak olarak 2 nci grup e lementi olan magnezyumun, 6 ncı grup elementi olan oksijenle ve 7 nci grup elementi olan klor ile yaptığı bileşikleri görelim. (1) Mg + 2 + O - 2 → MgO (2) Mg + 2Cl - → MgCl2 Birinci örnekte bir magnezyum atomu bir oksijen atomuna 2 elektronunu vererek bileşik oluşturur. Yine magnezyum atomu 2 klor atomuna birer elektron vererek ikinci örnekteki bileşiği oluşturur. - 38 - 5. KOVALENT BAĞLANMA İyonlaşma enerjileri çok yüksek ve elektron ilgileri çok yakın atomların veya aynı cins atomların elektron aktarımı sonucu bağ yapmaları çok zordur. Bu atomlar kararlı bir yapı oluşturmak için, daha kolay bir yol olan bir çift elektronu atomlar arasında paylaşmayı tercih ederler. Bir çift elektronun paylaşılması sonucu oluşan kimyasal bağa "kovalent bağ "ve paylaşılan bir çift elektrona da "ortaklanmış elektronlar" adı verilir. Doğada atom halinde bulunamayan bazı ametal atomları, kovalent bağ yaparak molekül oluştururlar. İki atomun oluşturdukları kovalent bağlı bu tür moleküllere diatomik moleküller adı verilir. Hidrojen molekülü (H2) diatomik moleküllerin çok bilinen bir örneğidir. Kovalent bağı daha iyi anlamak için hidrojen molekülünün oluşumuna bakalım. Potansiyel Enerji Bağımsız Hidrojen Atomu (H) 0 Bağ Enerjisi H r 2 0 bağ uzunluğu Çekirdekler arası uzunluk Şekil 3.3 Hidrojen atomlarından hidrojen molekülünün oluşumu Birbirinden bağımsız iki izole hidrojen atomunun potansiyel enerjilerini sıfır olarak düşünürsek, hidrojen atomları birbirine yaklaştıkça potansiyel enerjilerinde düşme olur. Bu düşme, çekme ve itme kuvvetlerinin eşit olduğu belli bir uzaklığa kadar devam eder. - 39 - Azot atomunun ise, birleşme kapasitesi üçtür. Azot bu kapasiteyi amonyak da olduğu gibi üç ayrı tek bağ yaparak kullanabilir. Öte yandan azot molekülünde (N2) ise, iki azot atomunun aralarında üç çift elektron paylaşmaları söz konusudur. Böyle üç çift elektronun paylaşılması sonucu oluşturulan bağlara "üçlü bağlar" adı verilir. Karbon, dört birleşme kapasitesine sahip bir atomdur. Karbon, diğer bir karbon veya başka atomlarla tekli, ikili veya üçlü bağlar yapar. Örneğin aşağıdaki moleküllerde bu durum gözlenmektedir. H O=C=O , C H Karbon dioksit H H , H H C=C H Metan , H C≡C H , H C≡N H Eten Etin Hidrojen siyanür 6. POLAR KOVALENT BAĞLAR Atomlar bir çift elektron paylaşmaları sonucu kovalent bağ yaparlar. Ancak farklı atomlardan oluşan kovalent bağlarda bağ elektronları, molekülü oluşturan atomlar arasında eşit olarak paylaşılmaz. Bir atomun bir molekül içinde bağ elektronlarını çekme yatkınlığına "elektronegativite "adı verilir. Elementlerin elektronegativiteleri periyot boyunca soldan sağa, grup boyunca aşağıdan yukarı doğru artar (Şekil 3.4). Şekil 3.4 Elektronegativite artışı - 41 - Farklı atomlardan oluşan moleküllerde elektronegativite farkı nedeniyle bağ elektronları, elektronegativesi yüksek olan atom tarafından daha fazla çekilir. Bunun sonucu, molekülde artı ve eksi yük merkezleri oluşur. HCl (hidrojen klorür) molekülünde bu durum çok iyi gözlenir. Zira, klor atomu hidrojen atomuna göre elektronegativitesi yüksek bir atomdur. Bu yüzden, klor atomu bağ elektronlarını daha çok kendi üzerinde toplar ve böylece molekülde artı ve eksi yük merkezleri oluşur (Şekil 3.5). Şekil 3.5 Hidrojen klorür molekülünde artı ve eksi yük merkezlerinin oluşması Kovalent bağı oluşturan atomların bağ elektronlarını "farklı kuvvetle" çekmesi sonucu oluşan bağlara "polar bağlar" denir. Bağın polar olması, o bağa ait bir dipol oluşturur. Dipol moment, artı ve eksi yüklerin farklı kısımlarda dağılımının ölçüsü olan fiziksel bir sabit olarak tarif edilir ve yük yoğunluğu eşitsizliği de → işareti ile gösterilir ve okun ucu eksi yük merkezini gösterir. Bir molekülün polar olmayan bağlara sahip olması durumunda o molekülün dipol momenti sıfırdır. ? Her polar bağa sahip molekül polar olur mu? O=C=O Karbon dioksit (CO2) molekülü, oksijen ve karbondan oluşan bir bileşiktir. Oksijenin elektronegativitesi karbona göre yüksektir. Yani, karbon ile oksijen arasındaki bağ polar kovalent bağdır. Fakat, molekülün doğrusal geometrisi nedeniyle, zıt yönlü bağ momentleri birbirlerini götürürler ve molekülün dipol momenti sıfır olur. Bu nedenle, CO2 molekülü polar bağlara sahip apolar bir bileşiktir. - 42 - Aynı cins atomların oluşturduğu diatomik moleküllerden oluşan kovalent bağlarda, atomlar arasında elektronegativite farkı yoktur ve bağ elektronlarının eşit paylaşılması söz konusudur. Böyle moleküllerde dipol moment sıfırdır. Kovalent bağı oluşturan atomların bağ elektronlarını "aynı kuvvetle "çekmesi sonucu oluşan bağlara "apolar bağlar " denir. Kovalent bağlanma ile iyonik bağlanma arasında kesin bir çizgi yoktur. Apolar kovalent bağlardan, iyonik bağlara doğru bir geçiş söz konusudur. Bu durum şekil 3.6 da anlatılmaya çalışılmıştır. Şekil 3.6 Apolar kovalent bağ, iyonik bağ ilişkisi 7. MOLEKÜLLER ARASI ETKİLEŞİM (İKİNCİL BAĞLANMA) ? Molekülleri bir arada tutan kuvvetler nedir? Molekülleri bir arada tutan kuvvetler kimyasal bağlamadan daha zayıf, moleküller arası etkileşimlerdir. Moleküller arası etkileşimler, bileşiklerin fiziksel özelliklerini yönlendiren etkileşimlerdir. - 43 - İkincil bağlanma adı da verilen moleküller arası etkileşimler şunlardır : ● London etkileşimi ● Dipol - dipol etkileşimi ● Hidrojen bağı 7.1. London Etkileşimi ? Apolar bileşiklerde elektriksel kutuplaşma olabilir mi? Apolar moleküllerin komşu moleküllerin etkisinde kalmasıyla, yük yoğunluğu dağılımlarında kısa süreli değişmeler olur. Bu değişmeler sonucu, molekülde geçici dipol oluşur. Bunun sonucu olarak da moleküller arasında çok zayıf elektrostatik çekim kuvvetleri doğar. Apolar moleküllerin karşılıklı birbirlerini etkilemesi sonucu oluşan geçici çekim kuvvetine "London etkileşimi " adı verilir. 7.2. Dipol - dipol etkileşmesi Polar bağlara sahip ve dipol momenti sıfır olmayan moleküller polar moleküllerdir. Böyle moleküllerde artı ve eksi yük merkezleri çakışmazlar, yani kutuplaşmalar oluşur. Polar moleküllerin karşıt kutupları arasında oluşan çekim kuvvetine "dipol - dipol etkileşmesi " denir. 7.3. Hidrojen Bağı Hidrojen atomu, elektronegativitesi yüksek atomlara bağlandığı zaman bağ elektronları elektronegativitesi yüksek atom tarafından çekilir. Böyle atomlara bağlı hidrojenler - 44 - artı , yüklü iyon gibi davranır ve eksi yüklü iyonlarla veya polar moleküllerin eksi yük merkezleri ile kuvvetli bir ikincil bağ oluşturur. Bu ikincil bağa "hidrojen bağı" adı verilir. Artı yük merkezi gibi davranan hidrojenin anyonlarla yaptıkları hidrojen bağına "iyondipol" , polar moleküllerin eksi yük merkezleri ile etkileşmesi sonucu yaptıkları hidrojen bağına da "dipol-dipol" hidrojen bağı adı verilir (Şekil 3.7). Şekil 3.7 Hidrojen bağlanması - 45 - Özet Kimyasal olayları yönlendirmede, atomların dış seviye elektronları çok etkindir. Atomların dış seviye elektronları "valens elektronları" olarak isimlendirilir. Kimyada asal gazlar olarak bilinen elementlerin dış seviyesinde bulunan s ve p orbitalleri tam doludur. Bu olgu asal gazların çekirdeği etrafında küresel bir yük yoğunluğu oluşturmasına ve çekirdeğin elektron üzerindeki çekim etkisinin en fazla olmasına yol açar. Bu da atoma kararlı bir yapı sağlar. Asal gazlar dışındaki elementler asal gaz yapısında olmadıkları için kararlı bir yapıda değillerdir. Bu kararsız yapıları elementleri bileşik yapmaya zorlar. Atomlar, dış seviye elektronlarının sayısına bağlı olarak iyonik veya kovalent bağlanma yaparlar. Atomların bağ yaparak oluşturdukları moleküllerin aralarında etkileşimler söz konusudur. Bu etkileşimler "ikincil bağlanma" adını alır. İkincil bağlar, bileşiklerin fiziksel özelliklerini yönlendirirler. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Katyon, artı yüklü iyona denir. B) Anyon, eksi yüklü iyona denir. C) Elektron alan atom eksi yüklü iyon oluşturur. D) Elektron veren atom artı yüklü iyon oluşturur. E) Asal gazlar kolaylıkla eksi yüklü iyon oluştururlar. 2. Valens elektron sayısı sekiz olan atomun birleşme kapasitesi kaçtır? A) 0 B) 1 C) 4 - 46 - D) 6 E) 8 3. Valens elektron sayısı yedi olan atomun birleşme kapasitesi kaçtır? A) 0 4. B) 1 E) 4 D) 6 E) 8 Aşağıda valens elektronlarının sayısı belirtilen atomlardan hangisi tercihen kovalent bağlanma gerçekleştirir? A) 0 5. B) 1 C) 4 D) 2 E) 8 Aşağıda elektronik konfigürasyonları verilen atomlardan hangisi kolaylıkla bir katyon oluşturur? A) s1 6. B) s2p3 C) s2p4 D) s2p5 E) s2p6 Aşağıda elektronik konfigürasyonları verilen atomların hangisi kararlı yapıya sahiptir? 7. A) 1s1 B) 1s22s22p6 D) 1s22s22p63s23p5 E) 1s22s22p5 C) 1s22s22p63s1 Aşağıda verilen kovalent bileşiklerin hangisi polar bağa sahiptir? A) HF B) H2 C) N2 - 47 - D) O2 E) Cl2 ÜNİTE 4 Bileşik Formüllerinin Yazılması,İsimlendirilmeleri ve Mol Kavramı Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Bileşik isimlendirilmelerindeki kuralları, ■ Kovalent bileşiklerin isimlendirilmelerini, ■ İyonik bileşiklerin isimlendirilmelerini, ■ Tek atomlu iyonların isimlendirilmelerini, ■ Çok atomlu iyonların isimlendirilmelerini, ■ Formül yazımında izlenecek yolu, ■ Molekül veya formül ağırlıklarının hesaplanmasını, ■ Mol kavramını öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ İki Atomlu Kovalent Bileşiklerin İsimlendirilmeleri ■ Tek Atomlu İyonların Değerlikleri ■ İki Atomlu İyonik Bileşiklerin isimlendirilmeleri ■ Çok Atomlu İyonların İsimlendirilmeleri ■ İyonik Bileşiklerin Formüllerinin Yazılması ■ Asitlerin İsimlendirilmeleri ■ Molekül veya Formül Ağırlıklarının Hesaplanması ■ Mol Kavramı Öneriler ■ Bu üniteyi çalışmadan önce Kimyasal Bağlanma ünitesini iyi kavrayınız. ■ Ünite içinde geçen sabit değerli iyonları ezberleyiniz. 1. GİRİŞ Kimyasal olayların incelenmesinde kimyanın dili olarak nitelendirilen semboller, bileşik formülleri ve bileşiklerin isimlendirilmeleri kimyada büyük önem taşır. Bu nedenle, bileşiklerin formüllerinin hatasız ve eksiksiz yazılması önemlidir. Bu ünitede, bileşiklerin formüllerinin ve isimlerinin yazılmasında uygulanan temel kurallar ve bunlara ilişkin örnekler verilmiştir. 2. İKİ ATOMLU KOVALENT BİLEŞİKLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ Kovalent bileşikler, iki ametal element arasında elektron paylaşımı ile oluşur ise bu bileşiklere diatomik (iki atomlu) kovalent bileşikler adı verilir. İki atomlu bileşiklerin isimlendirilme kuralları aşağıda verilmiştir. ■ İki ametalden oluşan kovalent bileşiğin formülü ve ismi yazılırken, elektronegativitesi düşük element önce yazılır. Burada elementlerin elektronegativite sıralaması büyük önem taşır. Ünite 3'de belirtildiği gibi elementlerin elektrone gativiteleri periyodik cetvelde periyot ve grup boyunca ilerlerken artar veya azalır. Periyodik cetvelde elementlerin elektronegativiteleri bir periyot boyunca soldan sağa, bir grup boyunca aşağıdan yukarı doğru artar. Bazı ametallerin elektronegativite sıralamaları aşağıda verilmiştir. Elektronegativite artar Si, Bi, H, P, C, S, I, Br, N, CL, O, F ■ İkinci elementin yazımında, elemente ilişkin kök ismi alınır ve bunun sonuna -it veya -ür soneki getirilir ve birinci elementin ardından ayrı bir kelime olarak yazılır Örnek hidrojen klorür (HCl). ■ Moleküldeki her bir elemente ilişkin atom sayısı bu sayıya karşılık gelen bir önek ile belirtilir. Bu önekler aynı elementlerden oluşan farklı bileşiklerin, ayırdedilmelerinde bize yardımcı olurlar. Örneğin CO bileşiği karbon monoksit, CO2 bileşiği ise karbon dioksit olarak ifade edilirler. - 49 - Karbon monoksit ve karbon dioksit örneklerinde olduğu gibi aynı atomlardan oluşan farklı yapıdaki bileşikleri ayırdetmek amacıyla mono, di tri vs. gibi örneklerden yararlanılır. Çizelge 4.1 Bazı element atomlarının kök isimleri Çizelge 4.2 Latince sayılar ve anlamları Element Kök Önek Anlamı Hidrojen Hidr- Mono- bir Karbon Karb- di- iki Oksijen Oks- tri- üç Kükürt Sülf- tetra- dört Fosfor Fosf- penta- beş Klor Klor- hekza- altı Brom Brom- İyot İyod- Örnek 4.1 HBr, CCl4 ve P2O5 bileşiklerini isimlendirelim. Çözüm 4.1 ■ HBr Birinci kurala göre, hidrojenin elektronegativitesi daha düşük olduğu için hidrojen önce yazılır. Formül içinde her bir elementten birer atom bulunduğu için, sayı bildiren önekler kullanılmaz. Hidrojen brom + ür = Hidrojen bromür element ismi ■ CCl4 kök + sonek İsimlendirmede karbon önce yazılır. Klor atomundan 4 adet bulun- duğunu belirtmek için tetra öneki kökün önüne getirilir ve -ür soneki eklenerek bileşik ismi yazılır. Karbon tetra + klor + ür = Karbon tetraklorür element ismi önek + kök + sonek - 50 - ■ P2O5 Fosfor atomunun elektronegativitesi düşük olduğu için önce yazılır ve iki P atomu olduğunu belirmek üzere di- önekini alır. Diğer elementin kök isminin önüne beş O atomunu ifade etmek üzere penta- öneki ve sonek olarak da -it eklenerek yazılır. Di + fosfor penta + oks + it = Difosfor pentaoksit önek + element ismi önek + kök + sonek Örnek 4.2 Aşağıdaki bileşiklerin formüllerini yazalım. Hidrojen iyodür, kükürt trioksit, azot dioksit, forfor pentabromür Çözüm 4.2 ■ Hidrojen iyodür: HI Kükürt trioksit: SO3 Azot dioksit: NO2 Fosfor pentabromür: PBr5 NO2 azot dioksit molekülünü NO-1 2 nitrit iyonu ile karıştırmamaya dikkat edilmelidir. Bazı kovalent bileşikler özel isimleri ile tanınırlar. Örneğin, "H2O" su ve "NH3" amonyak olarak bilinir. 3. TEK ATOMLU İYONLARIN DEĞERLİKLERİ Bir iyonun elektriksel yük sayısı (değerliği), elementin birleşme kapasitesinin bir ölçüsüdür. Bir kimyasal elementin artı veya eksi elektriksel yük sayısına "değerlik" denir. - 51 - Periyodik cetvelde 1, 2 ve 3. grupta bulunan elementlerin birleşme kapasiteleri birinci grup için 1, ikinci grup için 2 ve üçüncü grup için 3 dür. Bu gruplardaki elementler elektron kaybederek oktetlerini tamamlar ve 1 nci grup elementleri +1 değerliğe, 2. grup elementleri +2 ve 3. grup elementleri +3 değerliğe sahip iyonlar oluştururlar. Altıncı ve yedinci grup elementleri elektron alarak oktetlerini tamamlar ve altıncı grup elementleri 2 ve yedinci grup elementler ise -1 değerliğe sahip iyonları oluştururlar (Çizelge 4.3). Çizelge 4.3 Bazı iyonların değerlikleri İyon ismi Değerliği İyon sembolü Lityum iyonu +1 Li+ Potasyum iyonu +1 Gümüş iyonu İyon ismi Değerliği İyon sembolü Bromür iyonu -1 Br- K+ Klorür iyonu -1 CL- +1 Ag+ Florür iyonu -1 F- Sodyum iyonu +1 Na+ İyodür iyonu -1 I- Baryum iyonu +2 Ba+2 Oksit iyonu -2 O-2 Kalsiyum iyonu +2 Ca+2 Sülfür iyonu -2 S-2 Magnezyum iyonu +2 Mg+2 Çinko iyonu +2 Zn+2 Aluminyum iyonu +3 Al+3 Bakır (I) iyonu +1 Cu+ Demir (II) iyonu +2 Fe+2 Bakır (II) iyonu +2 Cu+2 Demir (III) iyonu +3 Fe+3 4. İKİ ATOMLU İYONİK BİLEŞİKLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ Artı yüklü iyonlar (katyonlar) isimlendirilirken element isimlerinin yanına iyon kelimesi eklenir. Örnek Na+ sodyum iyonu, Mg+2 magnezyum iyonu. Eksi yüklü iyonlar (anyonlar) ise, elementlere ilişkin kök isimlerininsonuna it veya ür soneki getirilmesi ve yanına iyon kelimesinin eklenmesiyle isimlendirilirler (Çizelge 4.3). - 52 - İyonik bileşiklerin formülleri ve isimleri yazılırken, önce katyonlar daha sonra anyonlar belirtilirler. Tek değerliğe sahip katyon ve anyonlar, bileşiklerinde hangi değerliğe sahip iyonun bileşik yaptığını belirtmek gerekmez. Çünkü bu elementlerin zaten tek tür iyonları vardır (Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Al+3, Cl-1, Br-1, I-1 gibi). Örnek 4.3 MgO Magnezyum oksit K2S Potasyum sülfür CaCl2 Kalsiyum klorür AlCl3 Aluminyum klorür Bazı elementler (geçiş metallerinin çoğu ile dördüncü ve beşinci grup elementlerinin bir kısmı) birden fazla değerliğe sahip katyon oluşturabilirler. Bir bileşikte hangi değerlikte katyonun yer aldığını belirtmek için, isimlendirmede katyon isminden sonra romen rakamı ile (I,II,III, IV) değerlik sayısı verilir. Katyonların aldıkları değerlik sayıları, o elementin aynı zamanda oksidasyon seviyesini ifade eder. Demir elementi artı iki ve artı üç değerlikteki Fe+2 ve Fe+3 katyonlarını verir. Bu nedenle demirin klorürle olan bileşiği ifade edilirken demir klorür bileşiği denilmesi bileşiği yazmak için yetersiz bir ifadedir. Demir klorür bileşiği ifade edilirken, demir (II) klorür veya demir (III) klorür bileşiği şeklinde ifade etmek gerekir. Çizelge 4.4.'de bazı örnekler verilmiştir. Çizelge 4.4 Birden fazla değerliğe sahip bazı element bileşikleri Formül İsim SnF2 Kalay (II) florür SnF4 Hg2O Kalay (IV) florür Civa (I) oksit HgO Civa (II) oksit CuCl Bakır (I) klorür CuCl2 Bakır (II) klorür - 53 - 5. ÇOK ATOMLU İYONLARIN İSİMLENDİRİLMELERİ Çok atomlu iyonlar, oksijen atomlarının genellikle kükürt, karbon, azot gibi ametal bir merkez atoma bağlanmaları ile oluşurlar. Aynı merkez atomun, oksijen sayıları değişen iki farklı iyonu olabilir. Bu durumda, iki ayrı iyonun farklı sonek kullanarak belirtilmesi gerekir. Çok atomlu iyonların isimlendirilmelerinde, aynı merkez atomun fazla oksijen taşıyan iyonu "-at" soneki alır, az oksijen taşıyan iyonu ise "it "soneki alır. Örneğin SO -2 iyonunun sülfat olarak adlandırılmasına karşın 4 Benzer şekilde NO-3 iyonu nitrat ve NO-2 SO -2 3 sülfit adını alır. iyonu ise nitrit olarak adlandırılır. Çizelge 4.5 de bazı çok atomlu iyonların isimleri ve formülleri verilmektedir. Çizelge 4.5. Bazı çok atomlu iyonlar Yükü -1 İsmi Formülü Asetat iyonu C2H3O2- Siyanür iyonu CNHCO3- Hidrojen karbonat (bikarbonat) iyonu Hidroksit iyonu OHNO 3 Nitrat iyonu Nitrit iyonu Permanganat iyonu Karbonat iyonu -2 O2 Sülfat iyonu -2 SO 4 Sülfit iyonu -3 Fosfat iyonu +1 Amonyum iyonu MnO4-2 CO 3 Peroksit iyonu -2 NO 2 -2 SO 3 -3 PO 4 + NH 4 Aynı merkez atomun oksijen içeren ikiden fazla sayıda iyonu varsa o zaman yeni ekler gerekebilir. - 54 - Per- öneki, sonunda -at soneki alan iyonun önünde yer alırsa, yeni iyonun "at" son eki alan iyondan daha fazla oksijen içerdiği anlaşılır. Eğer hipo- öneki, sonunda -it soneki alan iyonun önünde yer alırsa, yeni iyonun "-it" soneki alan iyondan daha az oksijen içerdiğini belirtir. Klor atomunun oksijen atomuyla oluşturduğu çok atomlu iyonlarında bu isimlendirmeyi görürüz. ClO-4 per klorat iyonu ClO-3 klorat iyonu ClO-2 klorit iyonu ClO- hipoklorit iyonu Bazı çok atomlu anyonlar, hidroksit (OH-) ve peroksit isimler alırlar. Amonyum + NH 4 -2 O2 gibi -it sonekine sahip gibi çok atomlu katyonlar ise, sonek olarak -onyum alırlar. Bazı çok atomlu iyonlar ise, hidrojen sayısı ve yük farklılığı ile birbirinden ayrılırlar. Fosfor atomunun oksijen atomuyla oluşturduğu çok atomlu iyonlarında bu isimlendirmeyi görürüz. PO -3 4 Fosfat iyonu HPO -2 4 Hidrojenfosfat iyonu H2 PO -4 Dihidrojenfosfat iyonu Çok atomlu iyonların oluşturdukları bileşiklere ilişkin formüllerin yazıl-ması iyonik bileşiklerde olduğu gibidir. Formül yazılırken önce katyon yazılır ve bunu anyon izler. Eğer çok atomlu iyonun sayısı birden fazla ise, bu çok atomlu iyon parantez içine alınır ve parantezin altına çok atomlu iyonun sayısı rakamla belirtilir. Bazı isimlendirme örnekleri Çizelge 4.6 da verilmiştir. - 55 - Çizelge 4.6 Bazı çok atomlu iyonların isimlendirilmesi Bileşik İsimlendirilmesi (NH4)2CO3 Amonyum karbonat KMnO4 Potasyum permanganat Al 2(SO4)3 Aluminyum sülfat Mg(C 2H3O 2)2 Magnezyum asetat Na2 O 2 Sodyum peroksit Ca3(PO4)2 Kalsiyum fosfat Cu(NO3)2 Bakır (II) nitrat Co(OH)2 Kobalt (II) hidrosit 6. İYONİK BİLEŞİKLERİN FORMÜLLERİNİN YAZILMASI İyonik bileşiklerinin formüllerinin yazılmasında en çok dikkat edilmesi gereken nokta anyon ve katyon yükleridir. Bütün bileşikler nötr yapıdadırlar ve eşit sayıda artı ve eksi yük içerirler. İyonik bileşiklere ilişkin formüllerin doğru yazılması için aşağıdaki sıralama izlenir. ■ İyon sembolleri doğru yazılır. ■ İyonlar, artı ve eksi yüklerin bileşikte eşit sayıya ulaşmasını sağlayacak en küçük sayı ile çarpılırlar. (Tercihen karşı yüklerin değerlikleri ile çarpılırlar). ■ Bu sayılar iyonların altına yazılır. Örnek 4.4 Aluminyum ve klordan oluşan aluminyum klorür bileşiğinin formülünü yazalım. Çözüm 4.4 ■ Al+3 CI-1 ■ 1 Al+3 3C I-1 ■ Al CI3 - 56 - 7. ASİTLERİN İSİMLENDİRİLMELERİ Anorganik asitler, en basit bir şekilde " H+ (hidrojen iyonu) veren bileşikler" olarak tarif edilirler. Anorganik asitler hidrojen iyonu ve buna bağlı bir ikinci iyondan (anyondan) oluşurlar. Bu nedenle anorganik asitlerin isimlendirilmelerinde hidrojenin bağlı olduğu iyon başrol oynar. Hidrojen atomuna bağlı olan anyonları iki grupta toplayabiliriz. ■ Hidrojen atomuna bağlı anyon tek atomlu ise, iki şekilde isimlendirme yapılabilir. Anyon ismi başına "hidro-" öneki ve sonuna "-ik asit "getirilerek yapılabilir. İkinci olarak da iki atomlu iyonik bileşikler gibi isimlendirilirler. Örneğin HCl hidroklorik asit veya hidrojen klorür olarak isimlendirilebilir. ■ Hidrojen atomuna bağlı anyon çok atomlu ise; çok atomlu iyon "-at" soneki alıyorsa, çok atomlu iyonun kök ismine "-ik asit" eklenerek isimlendirme yapılır. Eğer çok atomlu iyon "-it" soneki alıyorsa, çok atomlu iyonun kök ismine "-öz asit" eklenerek isimlendirme yapılır. Örneğin hidrojen iyonuna iyonunun bağlı olduğu zaman HNO3 oluşan asit "nitrik asit", NO-3 nitrat 2 nitrit NO iyonu bağlı olduğu zaman oluşan asit ise "nitröz asit" şeklinde isimlendirilir (Çizelge 4.7). Çizelge 4.7 Bazı asitlerin isimlendirilmesi Anyon Asit Klorür iyonu Cl- Hidrojen klorür (Hidroklorik asit) HCl Siyanür iyonu CN- Hidrojen siyanür (Hidrosiyanik asit) HCN Florür iyonu F- Hidrojen florür (Hidro florik asit) HF Sülfür iyonu S-2 Hidrojen sülfür (Hidrosülfürik asit) H 2S Asetat iyonu C2H3O2- Asetik asit HC2H3O2 Karbonik asit H2 CO3 Nitrik asit HNO3 Fosforik asit H3PO4 Sülfürik asit H2 SO4 Nitroz asit HNO2 Sülfüroz asit H2 SO3 -2 Karbonat iyonu CO 3 Nitrat iyonu NO 3 -3 Fosfat iyonu PO 4 2 Sulfat iyonu SO -4 Nitrit iyonu NO 2 -2 Sülfit iyonu SO 3 - 57 - 8. MOLEKÜL VEYA FORMÜL AĞIRLIKLARININ HESAPLANMASI Kimyasal hesaplamalarda bileşiğin en küçük birimi baz olarak alınır. Bir bileşiğin tüm özelliklerini taşıyan en küçük birimine kovalent bileşiklerde, "molekül", iyonik bileşiklerde ise "formül birim" denir. Kimyasal hesaplamalarda temel birim ağırlık; moleküller için molekül ağırlığı, formül birim için formül ağırlığı ve atom için atom ağırlığı alınır. Bir molekül veya formül ağırlığı içerdikleri atom veya iyonların ağırlıklarının toplamına eşittir. Bir molekül veya formül ağırlığının doğru olarak bulunması bileşiğin doğru yazılmasına, atom veya iyon sayısının doğru belirlenmesine bağlıdır. Örnek 4.5 H2O, C6H12O6, Na3PO4 ve Al2(SO4)3 Bileşiklerinin içerdikleri atom sayılarını bulalım. Çözüm 4.5. H 2O 2 Hidrojen, 1 oksijen C6H12O6 6 Karbon, 12 hidrojen, 6 oksijen Na3PO4 3 Sodyum, 1 fosfor, 4 oksijen Al2(SO4)3 2 Aluminyum, 3 kükürt, 12 oksijen Bileşikteki atom sayısı belirlenirken parantez içinde bulunan atomların sayısı, parantezin altında bulunan rakam ile çarpılarak bulunur. Örnek 4.6 Al2(SO4)3 Alüminyum sulfatın formül ağırlığını hesaplayalım. Çözüm 4.6 1x3 Kükürt veya 3 kükürt atomu 4x3 Oksijen veya 12 oksijen atomu 1x2 Alüminyum veya 2 alüminyum atomu (27x2) + (12x16) + (3x32) = 342 gram. - 58 - Molekül veya formül ağırlığının hesaplanması için verilen atom ağırlıklarında virgülden sonra yalnız bir veya iki basamak kullanılır. Örneğin potasyum'un atom ağırlığı 39,0983 gram olmasına karşın 39,1 gram alınır. Bu şekilde atom ağırlıklarının listesi EK-1'de verilmiştir. 9. MOL KAVRAMI Tek molekül veya tek formül ağırlığını bulmak için laboratuvarda kullanılan hassas teraziler yetersiz kalmaktadır. Çünkü laboratuvarda kullanılan hassas terazilerin ölçebileceği en küçük birim miligram düzeyindedir. En ağır atomun kütlesinin 10-9 gram olduğu düşünülürse tek atomun tartılmasının güçlüğü daha açık görülür. Bu zorluğu bilen kimyacılar belli sayıdaki iyon, atom, molekül veya formül biriminin belli sayısını bir birim olarak kabul ettiler ve buna da "mol" adını verdiler. Mol, herhangi bir maddenin Avagadro sayısı kadar birim taneciğini içeren miktarıdır. Bir düzine denildiği zaman aklımıza 12 sayısı geliyorsa, bir mol denildiği zaman da aklımıza 602.000.000.000.000.000.000.000 veya kısa olarak 6,02x1023 sayısı aklımıza gelir. Bu sayıya "Avagadro sayısı" adı verilir. 1 Mol madde , Avagadro sayısı kadar taneciğin birarada bulunduğunu ifade eder. Hiçbir zaman belli bir kütleyi ifade etmez. Bu kavramı gözümüzde canlandırmak için iki ayrı atom yerine kuştüyü ile çapı 1 cm olan çelik bilyayı düşünelim. Bir mol kuştüyü ve 1 mol bilyayı alalım ikisinden de 1 mol karşılığı olan 6,02 1023 taneden oluşan yığınlar yapalım. Bu durumda her iki 1 mol'lük yığında eşit sayıda kuştüyü ve bilya bulunacaktır. Fakat her iki yığın tartıldığı zaman büyük bir ağırlık farkı olduğu görülür. Bunun nedeni ise bir tek bilyanın, bir tek kuştüyünden çok daha ağır olmasıdır. - 59 - Demek ki 1 mol element, o elemente ilişkin 6,02x1023 tane atomun biraraya gelmesiyle; 1 mol iyon, 6,02x1023 tane iyonunun biraraya gelmesiyle; 1 mol formül birimi, 6,02x1023 tane formül biriminin biraraya gelmesiyle ve 1 mol molekül ise, 6,02x1023 tane molekülün bir araya gelmesiyle oluşmuştur. 1 Mol hidrojen atomu (veya 1 mol oksijen atomu) denildiği zaman Avagadro sayısı kadar atomunun biraraya gelmesinden oluşan bir topluluk akla gelir. Fakat hiçbir zaman 1 mol hidrojen ve 1 mol oksijen ağırlığının eşit olduğu düşünülmez. Bunu şekilsel olarak gösterelim; 1 mol içindeki atom sayısı 6,02x1023 hidrojen atomu 6,02x1023 oksijen atomu 1 mol atomun kütlesi 1,008 gram 16,0 gram Yani; 1 mol hidrojen atomu 1 mol oksijen atomu - 60 - Çizelge 4.8 Bazı atom, molekül ve iyonun 1 molünün tanecik sayısı İsim Formül Birim tanecik yaklaşık ağırlığı akb Bir molü yaklaşık ağırlığı (g) 1 molünde bulunan tanecik sayısı Azot atomu N 14 14 6,02x1023 N atom Azot molekülü N2 28 28 6,02x1023 N2 molekülü 2(6,02x1023) N atomu Gümüş Ag 108 108 6,02x1023 Ag atomu Gümüş iyonu Ag+ 108* 108 6,02x1023 Ag+ iyon Baryum klorür BaCl2 208 208 6,02x1023 BaCl2 birimi 6,02x1023 Ba+2 iyonu 2(6,02x1023) Cl- iyonu (*) Elektron ağırlığı ihmal edilebilir; böylece iyon ve atom ağırlığı eşit alınabilir. Formül ve atom ağırlıkları yaklaşık olarak en yakın tam sayı ile ifade edilmiştir. Örnek 4.7 C6H12O6 (Glukoz)'un 1 molünde kaç karbon atomu vardır? Çözüm 4.7 1 Mol içinde 6,02x1023 C6H12O6 molekül vardır. Her molekül 6C atomu içerdiğine göre 6(6,02x1023) C atomu içerir. C Atom sayısı= (1 mol C6H12O6) x 6,02 x 10 23 molekül 1 mol x 6 C atomu 1 molekül = 3,61 x 1024 Örnek 4.8 5,23 Gram C6H12O6 içinde kaç tane glukoz molekülü vardır. Çözüm 4.8 C6H12O6 = (5,23 g C6H12O6 ) 1 mol C6H12O6 180 g C6 H12O6 = 1,75 x 1022 molekül C6H12O6 - 61 - 6,02x10 23C6H12O6 molekül 1 mol C6 H12O6 Örnek 4.9 1 x 1023 Tane C6H12O6 molekülünün ağırlığı nedir? Çözüm 4.9 Gram C6H12O6 = (1x1023 molekül) x 1 mol 6,02 x 10 23 molekül 180 gram 1 mol = 29,9 gram Örnek 4.10. Tek bir C6H12O6 molekülünün ağırlığı nedir? Çözüm 4.10. C6H12O6 gram = (1 molekül) 1 mol 6,02x 10 23 molekül 180 gram 1 mol = 29,9 x 10-23 gram Özet Kimyasal bileşiklerin isimlendirilmesi belli kurallara dayanır. İki atomlu kovalent bileşiklerde elektronegativitesi düşük olan atom önce yazılır ve atom isminde bir değişiklik olmadan alınır. Daha yüksek elektronegativiteye sahip atomunun kök ismine -it veya -ür soneki verilir. Bileşikte birden fazla aynı atomdan varsa, o atomun sayısı karşılığı olan latin rakamı önek olarak o atomun önüne yazılır. İki atomlu iyonik bileşiklerde, katyonlar önce yazılır ve daha sonra anyonlar yazılır. Katyonlarda atom ismi değişmeden alınır, anyonlar ise atomunun kök ismine -it veya -ür soneki verilerek yazılır. Birden fazla değerliğe sahip katyonların yaptığı bileşik isimlerinin karışmaması için romen rakamı ile katyon isminden sonra değerliği belirtilir. Çok atomlu iyonların isimlendirilmesi, iyonda bulunan oksijen veya hidrojen sayısına göre önek alarak yapılırlar. Anorganik asitler en basit bir şekilde, "hidrojen iyonu verebilen bileşikler" olarak tarif edilirler. Asit tek anyon taşıyorsa, başına hidro-öneki ve sonuna -ik asit getirilerek yapılır. - 62 - İkinci olarak da iki atomlu iyonik bileşikler gibi isimlendirilir. Anyon çok atomlu ise, çok oksijen içerenler -ik asit, az oksijen içerenler de -öz asit şeklinde isimlendirilirler.Mol, bir maddenin Avagadro sayısı kadar taneciğin biraraya gelmesiyle oluşturduğu birim olarak tarif edilir. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki isimlendirmelerden hangisi yanlıştır? A) CO2 karbon dioksit C) NO 3 azot trioksit B) NO2 azot dioksit D) CCl4 karbontetraklorür E) SO3 kükürt trioksit 2. P2O5 bileşiğinin doğru isimlendirilmesi aşağıdakilerden hangisidir? A) pentafosfor oksit B) difosfor pentaoksit C) fosfor oksit D)difosfor oksit E) pentafosfor dioksit 3. Aşağıdaki isimlendirmelerden hangisi yanlıştır? A) SnF2 kalay (II) florür B) SnF4 kalay (IV) florür C) Hg2O civa (I) oksit D) HgO civa (II) oksit E) CuBr2 bakır (I) bromür 4. Aşağıdakilerden hangisi iyonik bileşik değildir? A) NaI 5. B) CuS C) SnCl4 D) CCI4 E) FeI3 Aşağıdaki çok atomlu iyonlardan hangisinin isimlendirilmesi yanlıştır? - A) ClO 4 klorat iyonu - D) NO 3 nitrat iyonu - B) ClO 2 klorit iyonu E) -2 O2 peroksit iyonu - 63 - -2 C) SO 4 sülfat iyonu 6. 7. Aşağıdakilerden hangisi çok atomlu iyonlardan oluşmuş bileşiktir? A) (NH4)2CO3 B) KMnO4 D) Mg(C2H3O2)2 E) Na2O2 Aşağıdaki asitlerin isimlendirilmesinde hangisi hidro öneki alır. A) HCl 8. B) HNO3 C) HNO2 D) H2PO4 E) H2SO3 (NH4)2CO3 bileşiğinin formül ağırlığı aşağıdakilerden hangisine eşittir. A) 96 akb 9. C) Al2(SO4)3 B) 104 akb C) 98 akb D) 102 akb E) 106 akb 0,650 Mol SO3 kaç tane SO3 molekülü içerir? A) 2,4x1023 molekül SO3 B) 3,01x1023 molekül SO3 C) 6,02x1023 molekül SO3 D) 4,3 1023 molekül SO3 E) 3,91x1023 molekül SO3 - 64 - ÜNİTE 5 Kimyasal Reaksiyonlar ve Hesaplamalar Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Kimyasal reaksiyonları kavrayarak, kimyasal denklemleri yazabilecek, ■ Kimyasal denklemleri denkleştirebilecek ve denkleştirilmiş denklemleri yorumlayabilecek, ■ Kimyasal denklemlere dayanan hesaplamaları öğrenerek stokiyometri problemlerini çözebileceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Kimyasal Reaksiyonlar ■ Kimyasal Denklemlerin Yazılması, Denkleştirilmesi ve Yorumu ■ Kimyasal Denklemlere Dayanan Hesaplamalar ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi çalışmaya başlamadan önce Ünite 1 ve Ünite 2 'deki bilgilerinizi gözden geçiriniz. ■ Bu üniteyi çalışırken verilen örnekleri dikkatlice inceleyiniz ve ünitede verilen soruları mutlaka çözünüz. ■ Soruların çözümü için gerekli atom ağırlığı değerlerini kitabın arkasındaki Ek 1'den bulabilirsiniz. 1.GİRİŞ Birinci ünitede kimyayı maddenin bileşimini, yapısını, özelliklerini ve değişimini inceleyen bir bilim dalıdır şeklinde tanımlamıştık. Bundan önceki ünitelerde tanımın ilk bölümünü gördük. Bu ünitede ise tanımın ikinci bölümü değişmeyi yani "kimyasal değişme süreci" olarak tanımlanabilen kimyasal reaksiyonları göreceğiz. Laboratuarda ve endüstride istenilen verimle çalışabilmek için reaksiyona giren maddeler arasındaki bağıntıları çok iyi bilmek gerekir. Bu ünitede kimyasal reaksiyonlar ve bileşimlerin nicel incelemesini konu alan kimyasal hesaplamalar (stokiyometri) üzerinde duracağız. 2. KİMYASAL REAKSİYONLAR Bir kimyasal reaksiyon, "kimyasal değişme süreci" olarak tanımlanabilir. Kimyasal değişmeler, maddenin özelliklerinin ve bileşiminin değişmesine neden olan değişmelerdir. Örneğin demir tozu (Fe) üzerine, toz halindeki kükürt (S) oda sıcaklığında eklendiğinde mıknatıs mıknatıs Demir ve kükürtten oluşan bileşik (demir II sülfür) Demir ve kükürtten oluşan karışım Şekil 5.1 Demir ve kükürtün, karışım veya bileşik oluşturduğunda mıknatısla ayrılması bir Fe/S karışımı elde edilir. Bu karışımdan demir ve kükürtü özellikleri hiç değişmeden mıknatıs yardımıyla ayırmak mümkündür. Fakat karışım ısıtılırsa aynı işlem gerçekleştirilemez. Çünkü bir kimyasal değişme sonucu farklı özellikte demir II sülfür (FeS) bileşiği oluşmuştur. Artık demir ve kükürt arasında kimyasal bağlar oluştuğundan demiri kükürtlü karışımdan mıknatıs yardımıyla ayırmak mümkün değildir. Benzer şekilde odunun yanması demirin paslanması, yiyeceklerin sindirilmesi gibi pek çok başka olay kimyasal değişmeye örnek olarak verilebilir. - 66 - Bilindiği gibi maddenin kimyasal özelliklerinin ve bileşiminin değişmeksizin gösterebileceği değişmelere "fiziksel değişmeler" denir. Örneğin maddenin kokusunda, renginde, yoğunluğunda veya halinde (gaz, sıvı veya katı) meydana gelen değişmeler birer fiziksel değişmedir. Her fiziksel değişme sonucunda kimyasal değişme beklenemez. Örnek olarak suyun kaynatılması olayını düşünelim. Kaynama sonucu buharın oluşumu fiziksel bir değişmedir. Bu olayda suyun kimyasal bileşimi aynı kaldığı için, kimyasal bir değişim söz konusu değildir. Öte yandan kimyasal değişimler genellikle fiziksel değişimleri de birlikte getirirler. Bir kimyasal değişme süreci olan kimyasal reaksiyon, "kimyasal bağların kırılması ve yeni bağların oluşumu" ile meydana gelir. Kimyasal reaksiyonlar atomların veya moleküllerin, bağları kırmaya ve yeni bağlar yapmaya yetecek enerji ile birbirleriyle etkileşimleri sonucunda oluşurlar. Bir kimyasal reaksiyon süresince atomlar kendi aralarında yeniden düzenlenerek yeni bileşimler meydana getirirler. Bir bileşik farklı kimyasal reaksiyonlarla elde edilebilir. Ancak bileşik hangi yoldan elde edilirse edilsin, o bileşiğin bileşimi her zaman aynıdır. Örneğin, su hangi şekilde elde edilirse edilsin, her zaman iki hidrojen atomu bir oksijen atomundan oluşmaktadır. 3. KİMYASAL DENKLEMLERİN YAZILMASI, DENKLEŞTİRİLMESİ VE YORUMU 3.1. Kimyasal Denklemlerin Yazılması Bir kimyasal denklem, reaksiyondaki maddelerin formülleri ile meydana gelen kimyasal değişmeyi özetler. Kimyasal denklemleri, kimyasal cümleler olarak düşünebiliriz. Ancak bu denklemler belirli kurallara göre yazılır. Örneğin demir ve kükürt reaksiyonu için denklem aşağıdaki şekilde yazılır. Fe + Æ S Reaksiyona girenler (reaktantlar) Bu denklemi değişik şekillerde ifade edebiliriz: - 67 - FeS Ürün "Demir artı kükürt demir (II) sülfürü verir." veya "Demir ile kükürt reaksiyona girerek demir (II) sülfürü oluşturur." veya "Demir (II) sülfürü oluşturmak üzere demir ve kükürt reaksiyona girerler." Başlangıç maddeleri, "reaksiyona girenler" veya "reaktantlar" olarak adlandırılırlar ve "ürün" olarak adlandırılan yeni maddelerden okla ayrlırılar. Ok (Æ re doğru kimyasal değişme yönünü gösterir. Bazen çift ok ( ), reaktantlardan ürünle) geri dönüşümlü reak- siyonları, yani hem reaktantların hem de ürünlerin yönünde olabilen reaksiyonları ifade etmek üzere kullanılabilir (Bkz. Ünite 8, denge konusu). Okun bir yanında birden fazla madde olduğunda aralarına (+) işareti konulur. Örnek denklemde Fe ve S 'ün arasına konduğu gibi. Bazen reaksiyonda oluşan ürünlerden biri fiziksel olarak diğerlerinden ayrılabilir. Bu durumu belirtmek üzere; ürün gaz olarak uzaklaşmakta ise, yukarı doğru ok ≠ , ürün bir katı olarak çöküyorsa, aşağı doğru ok Ø kullanılır. Örneğin sodyum klorür çözeltisinin, gümüş nitrat çözeltisiyle karıştırılması reaksiyonunu yazalım: NaCl + AgNO3 Æ AgCl Ø + NaNO3 Bu reaksiyon sonunda beyaz bir katı (yani AgCl Ø ) çöker. Bu reaksiyonu daha açık bir şekilde ifade etmeye çalışalım. Sodyum klorür çözeltisinde sodyum iyonları ve klorür iyonları; gümüş nitrat çözeltisinde ise gümüş iyonları ve nitrat iyonları vardır. İki çözelti karıştırıldığında oluşan reaksiyon sonucunda gümüş klorür çöker. Geride kalan çözeltide ise, sodyum iyonları ile nitrat iyonları başlangıçta oldukları gibi bulunurlar. Reaksiyonu şu şekilde yazabiliriz: Na+ (suda) + Cl - (suda) + Ag + (suda) + NO3 - (suda) Æ AgCl (k) + Na + (suda) + NO3 - (suda) Burada iyonun çözelti içinde veya suda olduğunu belirtmek üzere iyonun yanına (suda) yazılmıştır. Bazen (suda) yerine (aq) kullanılır. Zira (aq) suda çözünmüş sulu anlamına gelen aqueous kelimesinin kısaltılmışıdır. Öte yandan (k) ise, maddenin katı halde olduğunu ifade eder. Madde gaz halinde ise (g), sıvı halde ise (s) harfleri kullanılır. Semboller üzerindeki çapraz çizgiler reaksiyon sırasında değişmeyen iyonları silmek içindir. Bu durumda net reaksiyonu ifade etmek üzere, - 68 - Ag + (suda) + Cl - (suda) Æ AgCl (k) denklemi yazılabilir. ? C (k) + O2 (g) Æ CO2 (g) Denklemini bir cümle olarak ifade ediniz? Yanıt: Katı karbon oksijen gazı ile reaksiyona girerek karbon dioksit gazını verir. Çoğu kez reaksiyon şartları ok üzerinde ifade edilebilir: ■ Reaksiyon oluşumu için gerekli sıcaklık ok üzerine yazılabilir. 1000°C Örnek: CaCO3 CaO + CO2 Bu denklem, kalsiyum karbonatı kalsiyum oksit ve karbon dioksite dönüştürmek için 1000°C sıcaklığın gerekli olduğunu ifade eder. ■ Belirli olmayan bir sıcaklık ifade edilmek istenirse, okun üzerine ∆ (delta) işareti konulur. ∆ Örnek: Fe + S FeS Denklem bu şekliyle demir ile kükürtün ısıtılarak demir (II) sülfürü verdiğini ifade eder. ■ Reaksiyonda katalizör kullanılmışsa, okun üzerine "katalizör " sözcüğü veya katalizörün formülü yazılır. katalizör Örnek: 2 CO + O2 2CO2 Bu denklem, karbon monoksitin karbon dioksite dönüşümünün katalizörle hızlandırılarak gerçekleştiğini belirtir. (Katalizörler konusu Ünite 7 'de daha ayrıntılı olarak işlenecektir). H2 CO3 ? ∆ H2 O + CO2 ≠ denklemini bir cümle olarak ifade ediniz. Yanıt: Karbonik asit ısıtılmasıyla su ve karbon dioksit oluşur, ve ürünlerden karbon dioksit gaz olarak ortamdan uzaklaşmıştır. - 69 - ? ■ Bir kimyasal reaksiyon ifadesinin anlamlı olabilmesi için hangi koşullar gereklidir? Öncelikle denklem deneysel olayla uyumlu olmalıdır. Yani reaksiyona giren maddelerin ve ürünlerin neler olduğu bilinmeli ve bunların doğru formülleri yazılmalıdır. ■ Kütlenin Korunumu Yasası ile uyuşmalıdır. ■ Her bir elementin toplam sayısı reaksiyondan önce ve sonra değişmemelidir. Yani denklem elementlerin korunumu ilkesine uymalıdır. ■ Kimyasal denklem elektrik yüklerinin korunumu ilkesine uymalıdır. Buradaki son üç koşul denklemin denkleştirilmiş olması ile ilgilidir. Şimdi kimyasal denklemlerin denkleştirilmesini görelim. 3.2. Kimyasal Denklemlerin Denkleştirilmesi Her kimyasal denklem denkleştirilmelidir. Reaksiyona giren ve çıkan atom sayılarının, reaktantların veya ürünlerin önüne katsayı denen çarpanlar yazılarak eşitlenmesi "denkleştirme" işlemidir. Bu işlem yapılırken asla formül değiştirilmez. Genellikle basit reaksiyonlar için denetleme (deneme-yanılma) yolu kullanılır. Bu yöntemde; ■ Denkleştirmede kullanılacak katsayılara ilişkin bir açıklama yoksa, formüllerin önüne yazılacak katsayıların kesirli olmamasına ve küçük katsayı serilerinin kullanılmasına dikkat edilmelidir. ■ Bir reaktantın veya ürünün önündeki katsayı denkliği bozuyorsa bu taktirde denkliği bozulmuş olan atom veya grubun uygun bir katsayı ile çarpımı ile denkleştirme yapılır. ■ Bu işlem atomların tümünün sayısı denkleşinceye kadar sürdürülür. Örnek 5.1 Katı sodyum ile klor gazı arasındaki reaksiyondan katı sodyum klorür meydana gelir. Klor gazının iki atomlu olduğunu göz önüne alarak bu reaksiyona ilişkin denklemi denkleştiriniz. Çözüm 5.1 Öncelikle kimyasal denklem aşağıdaki gibi yazılır. Na (k) + Cl2 (g) Æ NaCl (k) - 70 - Bu denklemi denkleştirirken reaktant tarafında 2 klor atomu, ürün tarafında ise 1 klor atomu bulunduğuna dikkat etmek gerekir. NaCl formülündeki Cl'ün altındaki sayı (bu sayı 1) değiştirilmez, aksi halde farklı bir bileşik formülü yazılmış olur. Formül asla değiştirilmez, ancak katsayı değiştirilebilir. Bu durumda NaCl 'ün önüne 2 yazılması gerekir. Æ Na (k) + Cl2 (g) 2NaCl (k) Ancak bu durumda da ürünler tarafında 2 tane sodyum atomu olurken reaktantlar tara-fında 1 tane sodyum atomu vardır. O halde sodyumun önüne de 2 katsayısı yazılmalıdır. Æ 2Na (k) + Cl2 (g) 2NaCl (k) Denklem artık denetleme yoluyla denkleştirilmiştir. H2 + O2 Æ Örnek 5.2 H2 O Denklemini denkleştirerek; a) her elementin reaktant ve ürün tarafındaki atom sayısının eşit olduğunu b) reaktantların toplam kütlesinin, ürünlerin toplam kütlesine eşit olduğunu görsel olarak ifade ediniz. Çözüm 5.2 Önce denklemin denkleşmemiş halini sonra denkleşmiş halini terazinin kefelerine atomları yerleştirerek görselleştirelim. H H 0 HH HH 0 0 0 0 H2 + 0 2 H 02 HH 2 H2 + 0 2 Denkleşmemiş hal H H 0 H H 0 2 H 0 2 Denkleşmiş hal Denge sağlanamamış ve her atomun sayısı terazinin iki kefesinde farklı: Soldaki kefede; 2 H atomu 2 0 atomu, sağdaki kefede; 2 H atomu 1 O atomu bulunmaktadır. Denge sağlanmış ve her atomun sayısı terazinin iki kefesinde de aynı: Soldaki kefede; 4 H atomu ve 2 O atomu, sağdaki kefede; 4 H ve 2 O atomu bulunmaktadır. Bir denklemin tüm katsayılarını aynı sayı ile çarpmak ya da bölmek denkliği bozmaz. - 71 - NH3 (g) + O2 (g) ? Æ H2 O (g) + NO (g) Denklemini denkleştiriniz. Yanıt: Æ 2NH3 (g) + 5/2 O2 (g) 3H2 O (g) + 2NO(g) veya Æ 4NH3 (g) + 5 O2 (g) 6H2 O (g) + 4NO(g) Bu çözümdeki iki denklem aynı reaksiyonu gösterir. Katsayıların tam sayı olması kimyasal hesaplamalarda kolaylık sağlar. Eğer tüm formüllerin katsayılarının tam sayı olmasını istiyorsak yukarıdaki örnekte olduğu gibi katsayıları uygun sayı ile çarparız. 3.3. Denkleştirilmiş Denklemlerin Yorumu Denkleştirilmiş bir denklem, kimyasal reaksiyonun hem atom ölçeğinde hem de laboratuar ölçeğinde faydalı bir özetini verir. Örneğin atom ölçeğinde, Fe2 O3 + 1 Formül-birimi demir (III) oksit 3C 3 Karbon atomu Æ 2 Fe Æ + 2 Demir atomu reaksiyona girince 3CO 3 Karbon monoksit molekülü oluşur şeklinde ifade edilebilir. Denklemi, Avogadro sayısı ile çarparak atom ölçeğinden daha kullanışlı olan laboratuar ölçeğine çevirebiliriz. Avogadro sayısı kadar formül-birimi, atom veya molekül "1 mol" olduğuna göre, bileşiklerin formül ağırlıklarından faydalanarak denklemi; Fe2 O3 "1 Mol Fe2 + O3 3C ile 3Mol C Æ 2 Fe reaksiyona girerek 2 Mol Fe + 3CO ile 3 Mol CO oluştururlar" veya "160 g Fe2 O3 ile 3 x 12 = 36 g C reaksiyona girerek, 2 x 56 = 112 g Fe ile 3 x 28 = 84 g CO oluştururlar" şeklinde ifade edebiliriz. Denklemin reaktantlar tarafındaki toplam kütlesi; 160 + 36 = 196 g, ürünler tarafındaki toplam kütlesinin ise; 112 + 84 = 196 g olduğu görülmekte ve beklendiği gibi kütle korunmaktadır. Reaktantların ve ürünlerin gaz halinde olduğu reaksiyonlar hacim ile ifade edilebilir. Örneğin amonyak eldesi reaksiyonunu, - 72 - N2 (g) 1 Hacim azot gazı + 3 H2 (g) 3 Hacim hidrojen gazı 2 NH3 (g) Reaksiyona girerek 2 Hacim amonyak gazı oluşturur şeklinde ifade edebiliriz. Çünkü aynı sıcaklık ve basınçtaki yani aynı koşullardaki gazların mol sayıları hacimleri ile doğru orantılı olarak değişir. Ancak bu konu Ünite 6 'da gazlar konusunda daha ayrıntılı olarak görülecektir. Denkleştirilmiş bir denklemin katsayıları arasındaki oran, reaktantların ve ürünlerin ■ atom veya molekül sayıları arasındaki oranı ■ mol sayıları arasındaki oranı ■ gazların aynı koşullardaki hacim oranını doğrudan gösterir. Denkleştirilmiş bir kimyasal denklem artık kimyasal reaksiyonlardaki ağırlık bağıntılarıyla ilgili problemlerin çözümünde kullanılabilir. Şimdi bu tür hesapları görelim. 4. KİMYASAL DENKLEMLERE DAYANAN HESAPLAMALAR Bu bölümde stokiyometriyi tanımlayarak, verilen maddenin mol sayısı ile istenen maddenin mol sayısı arasında denkleştirilmiş denkleme göre ilişki kurarak istenen maddenin mol sayısını hesaplayacağız. Bulunan mol sayısını kütleye dönüştürerek kütle problemlerini çözeceğiz. Ayrıca Avogadro sayısını kullanarak stokiyometri problemlerini, sınırlayıcı reaktif içeren problemleri ve reaksiyon verimini hesaplamayı göreceğiz. 4.1 Stokiyometri Stokiyometri, element ölçme anlamına gelen Yunanca, stocheion (element) ve metron (ölçme) kelimelerinden oluşmuştur. Stokiyometri, bir kimyasal reaksiyonda yer alan element veya bileşiklerin niceliklerinin hesaplanması ve ağırlık bağıntılarıyla ilgilidir. Kimyasal değişmelerde harcanan veya oluşan madde miktarları, kimyasal formülleri nicel olarak anlamlandıran atom kütlelerinden yararlanılarak hesaplanır. Bir kimyasal reaksiyondaki nicelikler arasındaki ilişkilerin hesaplanmasını içeren hesaplamalara "stokiyometrik hesaplamalar" denir. Bu tür hesaplamalarda reaksiyonun belirtilen yönde tam olarak yürüdüğünü yani reaktantların tümünün ürüne dönüştüğünü varsayacağız. Bilindiği gi- 73 - bi denkleştirilmiş bir denklemin katsayıları, reaktantların ve ürünlerin mol sayısı buna bağlı olarak kütleleriyle ilgidir. Şimdi bu kavramları örnekler üzerinde pekiştirelim. Örnek 5.3 Amonyak oluşumuna ilişkin reaksiyonu mol ve kütle terimleriyle ifade ediniz. Çözüm 5.3 Reaksiyon denklemini yazarak; N2 (g) + 3 H2 (g) Æ 2 NH3 (g) "1 mol azot ve 3 mol hidrojen, 2 mol amonyak vermek üzere reaksiyona girerler" veya "28 g azot ve 6 g hidrojen, 34 g amonyak vermek üzere reaksiyona girerler" şeklinde ifade edebiliriz. Buradaki gram miktarlarını açıklamak üzere, 1 mol N 2 x 28g N 2 1 mol N 2 = 28g N 2 , 3 mol H 2 x 2g H 2 1 mol H 2 = 6g H 2 , 2 mol NH 3 x 17g NH 3 1 mol NH 3 = 34g NH 3 yazabiliriz. Burada ayrıca, reaktantların toplam kütlesinin, ürünlerin toplam kütlesine eşit olduğunu görebiliriz: Reaktantların toplam kütlesi = Ürünün kütlesi 28 g + 6 g = 34 g Problemden probleme kullanılan azot ve hidrojenin gram miktarı farklılık gösterebilir, fakat reaksiyonda yer alan bağıl miktarlar tam olarak her zaman aynı kalır. Diğer bir deyişle kaç mol azot reaksiyona girerse, her zaman 3 katı mol hidrojen harcanarak 2 katı mol amonyak üretilir. Stokiyometrik hesaplamaların hepsi reaktantlar ve ürünlerin mol sayıları arasındaki bağıntıya dayanır. Bu bağıntılar denkleştirilmiş denklemin kat sayılarından çıkarıldığından denklemin doğru bir şekilde denkleştirilmiş olması oldukça önemlidir. 4.2. Mol - Mol Problemleri Stokiyometri problemlerinin en basit tipi, reaksiyonda yer alan bir maddenin mol sayısı ile istenen maddenin mol sayısını bulmayı içerir. Söz konusu iki maddenin her ikisi birden reaktant veya ürün olabildiği gibi biri reaktant diğeri ürün de olabilir. - 74 - Bu tür mol-mol problemlerini çözmek için, bağıl mol sayılarına dayanan bir dönüşüm faktörüne gereksinim vardır. Bu dönüşüm faktörünü denkleştirilmiş denklemin katsayıla-rından elde edebiliriz. Örnek 5.4 N2 + 3 H2 Æ 2 NH3 Reaksiyonu için dönüşüm faktörlerini yazınız. Çözüm 5.4 1 mol N 2 3 mol H 2 veya 3 mol H 2 1 mol N 2 ; 1 mol N 2 2 mol NH 3 veya 2 mol NH 3 1 mol N 2 ; 3 mol H 2 2 mol NH 3 veya 2 mol NH 3 3 mol H 2 Mol dönüşüm faktörü reaksiyondaki iki maddenin mol sayıları ile ilgili bir kesir olup, "mol oranı" olarak da adlandırılır. Problemde hangi mol oranının kullanılacağı, problemde bulunmak istenene göre belirlenir. Örnek 5.5 Örnek 5.4.'e bağlı olarak 50 mol azot ile yeteri kadar hidrojenin reaksiyona girmesiyle oluşan amonyağın mol sayısını bulunuz. Çözüm 5.5 Önce problemi özetleyelim: Bilinmeyen NH3 mol sayısı Verilen Bağıntı 1 mol N 2 50 mol N2 2 mol NH 3 veya 2 mol NH 3 1 mol N 2 Burada doğal olarak amonyak mol sayısının, azot mol sayısına oranı ile ilgili olan dönüşüm faktörünü seçmemiz gerekir. Problemi dönüşüm faktörünü kullanarak çözelim. NH3 mol sayısı = 50 molN2 x 2 mol NH3 = 100 mol NH3 1 mol N2 Burada dönüşüm faktörünün N2 mol'leri birbirini götürecek, NH3 molü'nü verecek şekilde seçildiğine dikkat ediniz. 0,10 mol NH3 elde etmek için yeteri kadar azotla reaksiyona giren hidrojenin ? mol sayısını hesaplayınız. Yanıt: 0,15 mol H2 - 75 - Örnek 5.6 Sudaki fosfat iyonları, kalsiyum hidroksit ile uzaklaştırılır. 120 Mol sodyum fosfatı uzaklaştırmak için kaç mol kalsiyum hidroksite gereksinim vardır? Çözüm 5.6 Öncelikle denkleştirilmiş denklemi yazarak problemi özetleyelim: 2Na3 PO4 (suda) + 3Ca(OH)2 (k) Æ Ca3 (PO4)2 (k) + 6 NaOH (suda) Bilinmeyen Verilen Ca(OH)2 'in 120 mol 2 mol Na 3 PO 4 Na3 PO4 3 mol Ca(OH) 2 mol sayısı Bağıntı veya 3 mol Ca(OH) 2 2 mol Na 3 PO 4 Ca(OH)2'in mol sayısı = 120 molNa3 PO 4 x 3 mol Ca(OH)2 = 180 mol 2 mol Na3 PO 4 4.3. Mol - Kütle Problemleri Bu tip problemler, verilen bir maddenin mol sayısı ile istenen maddenin kütlesini bulmayı içerir. Bu tür hesaplamalarda, mol oranı ve molü grama çevirme faktörü olmak üzere iki dönüşüm faktörü kullanılır. Örnek 5.7 Yeteri kadar azot kullanılarak 30 mol hidrojenden kaç gram amonyak elde edileceğini hesaplayınız. Çözüm 5.7 Reaksiyon denklemini yazarak problemi özetleyelim: N2 + 3 H2 Æ 2 NH3 Bilinmeyen Verilen NH3 gram 30 mol miktarı hidrojen Bağıntı 2 mol NH 3 3 mol H 2 1 mol NH 3 17,0 g NH 3 veya veya 3 mol H 2 2 mol NH 3 17,0 g NH 3 1 mol NH 3 NH3 gram miktarı = 30 molH2 x 2 mol NH3 x 17,0 g NH3 = 340 g 3 mol H2 1 mol NH3 2 mol NH 3 oranı, 30 mol H2'i, karşılık gelen NH3 mol 3 mol H 2 sayısına çevirir. İkinci dönüşüm faktörü ise NH3 'ın mol kütlesini, amonyak mol sayısına Burada ilk dönüşüm faktörü dönüştürerek karşılık gelen kütleyi gram cinsinden verir. Özet olarak, - 76 - H2 mol sayısı Æ NH3 mol sayısı Æ NH3 gram miktarı dönüşümü sağlanır. Mol-kütle probleminin tersi kütle-mol problemleri de aynı şekilde çözülür. Bu tip problemlerde maddenin kütlesi g cinsinden verilerek, reaksiyondaki diğer maddenin mol sayısı bulunmak istenir. Örnek 5.8 Yeteri kadar hidrojen kullanarak 68 g amonyak elde etmek için kaç mol azot gerektiğini hesaplayınız. Çözüm 5.8 Problemi özetleyerek azot mol sayısı hesaplayalım. Bilinmeyen Verilen Bağıntı N2 mol sayısı 68 g NH3 2 mol NH 3 1 mol N 2 17,0 g NH 3 1 mol NH 3 N 2 'un mol sayısı = 68 g NH 3 x veya veya 1 mol N 2 2 mol NH 3 1 mol NH 3 17,0 g NH 3 1 mol NH 3 1 mol N 2 x = 2 mol 17,0 g NH 3 2 mol NH 3 Burada ilk dönüşüm faktörü, amonyak gram miktarını mol sayısına çevirir. İkinci faktör ise amonyak mol sayısını azot mol sayısına çevirir. Kısaca NH3 'ın gram miktarı Æ Æ NH3 'ın mol sayısı N2 'un mol sayısı dönüşümü sağlanır. Aşağıdaki reaksiyonu gözönünde bulundurarak, 30 mol sodyum ? klorürden kaç gram sodyum sülfat elde edilebilir? 4NaCl (k) + 2SO2 (g) + 2H2 O (s) + O2 (g) Æ 2Na2 SO4 (suda) + 4HCl (suda) Yanıt: 2130 g Na2 SO4 4.4. Kütle - Kütle Problemleri Çoğu stokiyometri problemleri kütle-kütle dönüşümlerini içerir. Bu tür problemlerde reaksiyondaki bir maddenin kütlesi verilerek, diğer maddenin kütlesinin bulunması istenir. - 77 - Kütle - kütle problemleri ile çok sık karşılaşılmasının nedeni; bir reaktant veya ürün miktarının genellikle kütlesinin ölçümü ile belirlenmesidir. (Gazlar hariç, gazların genellikle hacmini ölçmek daha uygun olur. Bu tip problemler Ünite 6 'da görülecektir.) Kütle - kütle problemlerini çözmek için üç dönüşüm faktörü kullanılır. Sadece iki maddenin mol sayısını bulmak yeterli olmayıp, her iki maddenin mol sayısının da grama çevrilmesi gerekir. Örnek 5.9 Yeteri kadar hidrojen kullanarak 280 g N2 'dan kaç gram NH3 elde edileceğini hesaplayınız. Æ Çözüm 5.9 N2 + 3H2 2 NH3 Reaksiyonuna göre problemimizi özetleyelim: Bilinmeyen Verilen NH3 gram Bağıntı 1 mol N 2 280 g N2 2 mol NH 3 miktarı veya 2 mol NH 3 1 mol N 2 1 mol NH 3 ; 1 mol N 2 28,0 g N 2 veya 17,0 g NH 3 veya 28,0 g N 2 1 mol N 2 ; 17,0 g NH 3 1 mol NH 3 NH3 gram miktarı = 280 gN2 x 1 mol N2 x 2 mol NH3 x 17,0 g NH3 = 340 g 28,0 g N2 1 mol N2 1 mol NH3 Burada birinci dönüşüm faktörü N2 gram miktarını, N2 mol sayısına, ikinci dönüşüm faktörü N2 mol sayısını, NH3 mol sayısına, üçüncü dönüşüm faktörü ise NH3 mol sayısını, g cinsinden kütleye çevirir. Özet olarak, N2 'un gram miktarı Æ N2 'un mol sayısı Æ NH3 'ın mol sayısı Æ NH3 gram miktarı dönüşümü sağlanır. Yukarıdaki örnek bir reaktant ve bir ürün arasındaki bağıntıya dayalı idi. Benzer şekilde kütle-kütle problemleri iki reaktantı veya iki ürünü de içerebilir. 2KNO3 (k) + 4C (k) ? Æ K2 CO3 (k) + 3CO (g) + N2 (g) Reaksiyonuna göre, 7,25 g karbon ile reaksiyona girecek kaç gram potasyum nitrat gereklidir? Yanıt: 30,5 g KNO3 - 78 - 4. 5. Avogadro Sayısını İçeren Problemler Bir nicelik, parçacık sayısı (atom, molekül veya formül birimi) ile ifade edilmek istenildiğinde, stokiyometri problemlerinde Avogadro sayısı kullanımını gerektirir. Bu tip problemler kütle-kütle problemlerine benzer, ancak mol ve gram arasındaki dönüşüm yerine, mol ve parçacık sayısı dönüşümü yapılır. Æ Örnek 5.10 N2 + 3H2 2 NH3 Reaksiyonuna göre, 20 g hidrojenden yeteri ka- dar azotla oluşacak amonyak molekülünün sayısını hesaplayınız. Çözüm 5.10 Bilinmeyen Verilen NH3 molekül 20 g H2 Bağıntı 1 mol H 2 sayısı 2,02 g H 2 veya 2,02 g H 2 1 mol NH 3 6,02 x 10 NH 3 molekül sayısı = 20 g H 2 x = 3,97 x 10 23 veya x 2,02 g H 2 2 mol NH 3 3 mol H 2 veya 2 mol NH 3 6,02 x 10 x 23 2 mol NH 3 3 mol H 2 molekül NH 3 1 mol NH 3 molekül NH 3 1 mol H 2 24 3 mol H 2 ; 1 mol H 2 6,02 x 10 23 molekül NH 3 1 mol NH 3 molekül Örnek 5.11 3,01 x 1024 molekül amonyak oluşturmak için yeteri kadar hidrojen ile reaksiyona giren azot kütlesini hesaplayınız. Çözüm 5.11 Bilinmeyen Verilen N2 gram 3,01 x 1024 miktarı Bağıntı 1 mol N 2 2 mol NH 3 molekül NH3 6,02 x 10 23 veya 1 mol N 2 1 mol N 2 molekül NH 3 x 6,02 x 10 veya 1 mol NH 3 6,02 x 10 = 70 g - 79 - 23 molekül NH 3 23 molekül NH 3 1 mol NH 3 molekül NH 3 28,0 g N 2 24 2 mol NH 3 NH3 molekülü 1 mol NH 3 N 2 gram miktarı = 3,01 x 10 veya 28,0 g N 2 1 mol N 2 x 1 mol N 2 2 mol NH 3 x 28,0 g N 2 1 mol N 2 Burada, birinci faktör amonyak molekül sayısını, amonyak mol sayısına, ikinci faktör amonyak mol sayısını, azot mol sayısına, üçüncü faktör azot mol sayısını, azot gram miktarına çevirir. Kısaca, NH3 molekül sayısı Æ Æ NH3 mol sayısı N2 mol sayısı Æ N2 gram miktarı dönüşümü sağlanır. 2Na2 S (suda) + Na2 CO3 (suda) + 4SO2 (g) Æ ? Yukarıdaki reaksiyona göre 2,00 x 10 22 3Na2 S2 O3 (suda) + CO2 (g) formül birimi sodyum karbonattan kaç gram sodyum tiyosülfat elde edilebilir? Y a n ı t : 1 5 , 7 5 g Na2 S2 O3 4. 6. Sınırlayıcı Reaktif Problemleri Pek çok gerçek kimyasal reaksiyonun yer aldığı laboratuarda, endüstride veya doğada en azından bir reaktant fazla miktarda olup tamamı kullanılmadan kalır. Örneğin, karbonu kömür olarak açıkta yaktığımızı düşünelim. Karbonun hepsinin yanıp bitmesinden sonra havada hala oksijen bulunacaktır. Bu durumda oksijen reaktantı aşırı miktarda mevcuttur. C + O2 (havadan) Æ CO2 Sınırlayıcı reaktif Bu reaksiyon, karbonun tamamı harcandığında, ne kadar oksijenin bulunduğuna bağlı olmaksızın duracaktır. Burada karbon "sınırlayıcı madde" veya "sınırlayıcı reaktif" olarak adlandırılır. Sınırlayıcı reaktif, reaksiyonda ilk önce harcanan ve dolayısıyla reaksiyonun yürümesini engelleyen reaktiftir. Bir reaksiyonda, sınırlayıcı reaktifi bulmak için reaktantların kütlelerini mole çevirmek gerekir. - 80 - Örnek 5.12 15,0 g N2 ve 2,5 g H2 , amonyak eldesi için reaksiyona sokulduğunda, sınırlayıcı reaktif hangisidir? Çözüm 5.12 Öncelikle verilen nicelikleri mole çevirelim: 15,0 g N2 x 1 mol N2 = 0,54 mol N2 ; 2,5 g H2 x 1 mol H2 = 1,24 mol H2 28,0 g N2 2,02 g H2 Sonra bu miktarları mol oranları ile kıyaslayalım. N2 + 3 H2 Æ 2NH3 ise mol oranı : 1 mol N2 3 mol H2 veya 3 mol H2 1 mol N2 Mol oranı; 1mol azot molekülü için, 3 mol hidrojen molekülü olduğunu gösterir. Dolayısıyla azotun hepsini kullanmak için, 0,54 mol N2 x 3 mol H2 = 1,62 mol H2 1 mol N2 olmalıdır. Fakat sadece 1,24 mol H2 mevcuttur. O halde H2 'nin hepsi harcanacak, azotun tamamı reaksiyonuna girmeden kalacaktır. 1,24 mol H2 x 1 mol N2 = 0,41 mol N2 3 mol H2 0,54 mol N2 bulunmakta fakat 0,41 mol N2 gerekmektedir. Bu durumda hidrojen sınırlayıcı reaktiftir. Reaksiyona girmeden kalan N2 mol sayısı 0,54 - 0,41 = 0,13 mol'dür. Kalan N2 kütlesi : 0,13 mol N2 x 28,0 g N2 = 3,64 g 1 mol N2 2PuF3 (k) + 3Ca (k) ? Æ N2 2Pu (k) + 3CaF2 (k) Reaksiyonunu gözönüne alarak, 15,1 g plutonyum florür 12,5 g kalsiyum ile reaksiyona girdiğinde sınırlayıcı reaktifin reaktantlarda hangisi olduğunu bulunuz. Yanıt: PuF3 sınırlayıcı reaktiftir. 4.7. Yüzde Verim Bir stokiyometri probleminde teorik olarak hesaplanan ürün miktarı, gerçekte elde edilen miktar ile genellikle aynı değildir. Çünkü, reaksiyon sırasında yan ürünler oluşabilir veya reaksiyon tamamlanmayabilir veya ürünün bir miktarı deneysel koşullara bağlı olarak kaybolabilir. Bu faktörlerin hepsi sonuçta ürün miktarında azalmaya neden olur. - 81 - Bir reaksiyon sonunda elde edilen ürün saflaştırıldıktan sonra tartılır, bu nicelik reaksiyonun gerçek verimidir. Teorik verim ise hesaplama ile bulunan miktardır. Bir reaksiyonun teorik verimi, reaksiyon ürünlerinin en yüksek, yani % 100 verimle ve denklemden beklenildiği miktarda olmasına karşılık gelir. Gerçek verimle, teorik verim oranı yüzde olarak ifade edilirse, "yüzde verim" olarak adlandırılır. % verim = gerçek verim (g) x 100 teorik verim (g) Örnek 5.13. Bir reaksiyonda hesaplanan teorik verim 9,0 g'dır. Ancak elde edilen ürün ise 7,2 g'dır. Buna göre % verim nedir? Çözüm 5.13. % verim = 7,2 g x 100 = % 80 9,0 g 2Pb (NO3)2 (k) Æ ? 2PbO(k) + 4NO 2 (g) + O 2 (g) Yukarıdaki reaksiyonu göz önüne alarak, 200 g kurşun nitrat ısıtıldığında 120 g kurşun oksit elde edilmişse, bu deneyin yüzde verimini hesaplayınız? Yanıt: % 88,9 Özet Kimyasal değişme, maddenin özelliklerinin ve bileşimin değişmesine neden olan bir değişme olup, yeni bir maddenin oluşumu sonucunu verir. Bir kimyasal reaksiyon, bazı kimyasal bağların kırıldığı ve yeni bağların oluştuğu bir kimyasal değişme sürecidir. Reaksiyonlar, atomların veya moleküllerin uygun şekilde çarpışması ve atomların yeniden düzenlenerek yeni bileşikler vermesiyle gerçekleşir. Bir kimyasal denklem, reaksiyondaki maddelerin formülleri ile meydana gelen kimyasal değişmeyi özetler. Kimyasal denklemde, başlangıç maddeleri yani reaktantlar ürün olarak adlandırılan yeni maddelerden bir ok ile ayrılır. Bu ok kimyasal değişmenin yönünü belirtir. - 82 - Denkleştirme, reaktantların veya ürünlerin önüne uygun katsayı denen çarpanlar konularak yapılır. Denkleştirilmiş bir denklemde her çeşit elementin atom sayısı denklemin her iki yanında aynıdır. Denkleştirilmiş denklem, bir kimyasal reaksiyon için faydalı bir özet sağlar. Sadece hangi elementlerin veya bileşiklerin kullanıldığını ve oluştuğunu ifade etmekle kalmayıp, aynı zamanda bağıl miktarları da gösterir. Denklemler atom, molekül, formül birimi veya mol sayısı terimleri ile yorumlanabilir. Stokiyometri terimi, bir kimyasal reaksiyonda yer alan element veya bileşiklerin niceliklerinin hesaplanmasını ifade eder. Bu hesaplamalar, reaktantların ve ürünlerin mol sayıları terimi ile kimyasal denklemin yorumuna dayandırılır ve stokiyometrik hesaplamalar adını alır. Stokiyometri problemlerinin en basit tipi mol-mol dönüşümüdür. Verilen bir maddenin mol sayısına göre reaksiyonda istenen maddenin mol sayısını bulmayı içerir. Mol-kütle problemleri ise verilen bir maddenin mol sayısına göre istenen maddenin kütlesini bulmayı içerir. Çoğu stokiyometri problemleri kütle-kütle dönüşümlerini içerir. Bir kütle-kütle probleminde reaksiyonda verilen maddenin kütlesi ile istenen maddenin kütlesinin bulunması amaçlanır. Bazı stokiyometri problemleri, nicelikleri parçacık sayısı ile ifade etmek için Avogadro sayısının kullanımını gerektirir. Bu tür problemler kütle-kütle problemlerine benzer ancak moller ve gramlar arasındaki dönüşüm yerine, moller ve parçacık sayıları arasındaki dönüşümler yapılır. Çoğu gerçek kimyasal reaksiyonlarda, bir reaktant reaksiyonun ne kadar gideceğini sınırlar. Bu reaktant sınırlayıcı reaktif olarak bilinir. Çünkü ilk önce bu reaktant harcanır. Stokiyometrik hesaplar bir reaksiyonda sınırlayıcı reaktife dayandırılır. Stokiyometri probleminde hesaplanan ürünün miktarı gerçekte reaksiyonda elde edilen miktarlarla aynı değildir. Bir reaksiyonun yüzde verimi, gerçek verimin teorik verime bölünüp 100 'le çarpılmasıyla bulunur. - 83 - Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların doğru yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? A) Kimyasal reaksiyon "kimyasal değişme" süreci olarak tanımlanabilir. B) Kimyasal reaksiyonda kütlenin korunumu yasası geçerli değildir. C) Denkleştirilmiş kimyasal denklemde elementlerin korunumu sağlanır. D) Bir kimyasal denklemin tüm katsayılarını aynı sayı ile çarpmak denkliği bozmaz. E) Denkleştirme işleminde formül değiştirilmez. 2. Karbon + kükürt dioksit Æ karbon disülfür + karbon monoksit Reaksiyonu için aşağıdakilerden hangisi denkleştirilmiş denklemi ifade eder? Æ KS2 + CO B) 2C + SO2 Æ CS + CO C) 5C + 2SO2 Æ CS2 + 4CO A) K + CO2 D) 5C + SO2 Æ CS2 + CO E) 2Cu + CO2 Æ 3. CuS + CuO Æ xBaCl2 + yLi3 (PO4) zBa3 (PO4)2 + tLiCl Reaksiyon denkleminin denkleştirilebilmesi için x, y, z ve t değerleri aşağıdakilerden hangisindeki gibi olmalıdır? x y z t A) 1 2 2 3 B) 3 2 1 6 C) 2 1 3 6 D) 3 1 6 2 E) 6 1 3 2 - 84 - 4. "Katı amonyum klorür ile kalsiyum hidroksit çözeltisi reaksiyona sokulduğunda amonyak gazı ve suda kalsiyum klorür ve sıvı su oluşturur." ifadesi için aşağıdakilerden hangisi denkleştirilmiş denklemi ifade eder? Æ A) NH4 Cl + Ca(OH)2 NH4 + Æ B) 2NH4 Cl (k) + Ca(OH)2 (suda) 2NH3 (g) + CaCl2 (suda) + 2H2 O (s) Æ C) 2NH4 Cl (g) + Ca(OH)2 (k) 2NH3 (suda) + CaC2 (g) + 2H2 O (g) D) NH4 Cl2 (k) + Ca(OH)2 (suda) Æ E) 2NH4 Cl (s) + Ca(OH)2 (suda) 5. Æ Al2 S3 (k) + 6H2 O(s) + CaCl 2 + H2 O 2NH4+ (suda) + CaCl 2 (suda) + H2 O (s) Æ NH3 (suda) + CaCl2 (k) + H2O (s) 2Al (OH)3 (k) + 3H2 S (g) Reaksiyonuna göre 1,75 mol Al(OH)3 ile kaç mol H 2 S elde edilir? 9,3 mol H 2 O ile reaksiyona girecek Al 2 S3 mol sayısı nedir? 6. A) 2,63 mol H2 S, 1,55 mol Al2 S3 B) 1 mol H2 S, 2 mol Al2 S3 C) 4,20 mol H2 S, 1 mol Al2 S3 D) 2 mol H2 S, 5 mol Al2 S3 E) 2,63 mol H2 S, 3 mol Al2 S3 Æ KClO3 (k) + 3KNO2 (k) 3KNO3 (k) + KCl (k) Reaksiyonuna göre 25,0 g KClO3 'tan kaç mol KNO3 elde edilir? 10,1 mol KNO2 ile reaksiyona girecek KClO3 'ın gram miktarı nedir? A) 2 mol KNO3 , 200 g KClO3 B) 1 mol KNO3 , 100 g KClO3 C) 0,612 mol KNO3 , 413 g KClO3 D) 0,612 mol KNO3 , 214 g KClO3 E) 0,200 mol KNO3 , 413 g KClO3 7. PbS (k) + 2PbO(k) Æ 3Pb (k) + SO2 (g) Reaksiyonuna göre, 625 g kurşun elde edilmişse, oluşan kükürt dioksit kaç gramdır? A) 64,4 g SO2 B) 32,0 g SO2 C) 128,0 g SO2 - 85 - D) 10,0 g SO2 E) 23,0 g SO2 8. Mn (k) + 2H2 O (s) Æ Mn(OH)2 (k) + H2 (g) Reaksiyonuna göre 12,5 g H2 oluşmuşsa, kaç su molekülü reaksiyona girmiştir? A) 3,5 x 1023 molekül H2 O B) 7,45 x 1024 molekül H2 O C) 21,5 x 1023 molekül H2 O D) 6,02 x 1023 molekül H2 O E) 1,0 x 1023 molekül H2 O 9. Æ 4FeCl2 (k) + O2 (g) + 4 HCl (suda) 4Fe Cl3 (suda) + 2H2 O (s) Reaksiyonuna göre, 50,0 g FeCl2 ile 21,0 g oksijen reaksiyona girdiğinde sınırlayıcı reaktif hangisidir? A) O2 10. B) HCl C) FeCl2 2Fe (NO3)3 (suda) + 3Na2 S (suda) Æ D) FeCl3 E) H2 O 2FeS (k) + S (k) + 6Na NO3 (suda) Reaksiyonuna göre, 82,1 g Na2 S'den 32,5 g FeS oluşmaktadır. Yüzde verimi hesaplayınız. A) % 95 B) % 70 C) % 63,2 - 86 - D) % 52,8 E) % 27,2 ÜNİTE 6 Gazlar Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Maddenin diğer hallerine göre gazların farklılığını ve yaşamımızdaki önemini kavrayacak, ■ Gazların gözlenen fiziksel özelliklerinin kinetik teori ile açıklanışını öğrenecek, ■ Gazlarda basınç-hacim ilişkisini kavrayacak, ■ Gazların hacimlerinin sıcaklıkla nasıl değiştiğini öğrenecek, ■ Genel gaz denklemini ve ideal gaz eşitliğini tanıyacak, ■ Gazların difüzlenmesine ilişkin kuralları kavrayacak, ■ Gazların sıvılardaki çözünürlüğüne basıncın etkisini kavrayacak, ■ Gaz karışımlarının basıncına ilişkin yasayı öğrenecek, İçindekiler ■ Giriş ■ Gazların Fiziksel Özellikleri ve Kinetik Teori ■ Gaz Yasaları ■ Gazların Difüzyonu ve Graham Yasası ■ Gazların Çözünürlüğü ve Henry Yasası ■ Gaz Karışımları ve Dalton Yasası ■ Solunum Gazlarının Vücudumuzda Taşınımı ve Difüzyon ■ Gazların Yer Aldığı Reaksiyonlarda Stokiyometri Öneriler ■ Ünitede size sorulan sorular ile ünite sonunda verilen değerlendirme sorularını mutlaka çözünüz. ■ Soruların çözümü için gerekli atom ağırlığı değerlerini kitabın arkasındaki Ek 1'de bulabilirsiniz. ■ Stokiyometrik hesaplamalar için Ünite 5 'in ilgili bölümlerini gözden geçiriniz. 1. GİRİŞ Bilindiği gibi maddeler doğada katı, sıvı veya gaz hallerinden birinde bulunurlar. Bir maddenin bu hallerden birinde bulunması sıcaklık ve basınca bağlıdır. Örneğin su, 1 atmosfer basınç altında, O°C den düşük sıcaklıklarda katı halde (buz), O°C ile 100°C arasında sıvı ve 100°C nin üzerinde de gaz halinde bulunur. Katı haldeki maddelerin belirli bir hacim ve biçimleri varken, sıvıların hacimleri belirli olup biçimleri bulundukları kaba göre değişir. Oysa gazların ne hacimleri ne de biçimleri belirli olmayıp, bulundukları kabın hacim ve biçimini alırlar. Yerküre üzerinde soluk alıp veren her canlı, dünyayı çepeçevre saran ve ismine atmos- fer dediğimiz, yerden yaklaşık 1000 kilometre yüksekliğe kadar çıkan bir gaz okyanusu içinde yaşamaktadır. Bu gaz okyanusunu oluşturan hava bir gaz karışımıdır. Öte yandan spreylerde, balonlarda, araçların lastiklerinde ve frenleme düzenlerinde, mutfaklardaki tüpgazlarda v.b. gazlar insanlarca uzun zamandır kullanılagelmektedir. Maddenin gaz halinin yaşamı-mızda önemli bir yeri vardır. Bu ünitenin konusunu da genel özellikleriyle gazlar oluşturmaktadır. 2. GAZLARIN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ VE KİNETİK TEORİ ? Gazlar neden bulundukları kabın hacmini ve biçimini alırlar? Bu sorunun yanıtlanması ve gazların gözlenen fiziksel özelliklerinin açıklanması kinetik teori ile epeyce kolaydır. Gaz halindeki maddeler en küçük düzeyde ya atomlardan (helyum, neon v.b. soygazlar) ya da moleküllerden (azot, oksijen, karbon dioksit, amonyak v.b.) oluşur. İster atom isterse molekül olsun bunlar "gaz tanecikleri"olarak adlandırılabilir. Gaz tanecikleri bulundukları ortamda tamamen rastgele bir şekilde, çok hızlı (oda sıcaklığında saatte yaklaşık 1600 kilometre) hareket ederler. Bu özellikleri "gazların kinetik teorisine" temel oluşturur. Aslında kinetik teori ideal bir gazın davranışlarını açıklar. İdeal bir gazın, tanecikleri arasında hareketliliklerini etkileyecek kuvvetlerin hiç bulunmadığı varsayılır. Oysa gerçek - 88 - gazlar her zaman teoriye uygunluk göstermeyebilirler. Özellikle çok yüksek basınç veya çok düşük sıcaklık koşullarındaki gazlar teoride öngörülen özelliklerden sapma gösterirler. Ancak bunların dışındaki ılımlı koşullarda gerçek gazların, belirli bir yaklaşıklıkla, ideal gazlar gibi davrandıklarını söyleyebiliriz. Bilinen (gerçek) gazların davranışlarına ilişkin uzun süren gözlem ve ölçümler sonucunda bilim adamları gazların davranışlarını anlamayı kolaylaştıran kinetik teoriyi geliştirmişlerdir. Bu teoride öngörülen kabuller aşağıda maddeler halinde verilmektedir. 1. Maddenin katı halinde, tanecikler arasında etkileşim en yüksek derecede olup, genel olarak, katı hal maddenin en yoğun halidir. Sıvı haldeki madde tanecikleri arasındaki etkileşme katılara göre daha zayıf olup, sıvı taneciklerinin hareketine elvermekte ancak birbirlerinden fazla uzaklaşmalarını da engellemektedir (Şekil 6.1). Şekil 6.1. Aynı maddenin üç farklı halinde tanecikler arasındaki uzaklık ve göreceli yoğunluklar. Kinetik teoriye göre gaz tanecikleri birbiriyle etkileşmeyen, yani aralarında çekme ve itme olaylarının söz konusu olmadığı bağımsız parçacıklar olarak kabul edilir. Bu yüzden gaz tanecikleri arasındaki uzaklık, taneciklerin kendi büyüklüklerine oranla çok fazladır. Bu olgu havada yol almanın sudakine göre neden daha kolay olduğunu yeterince açıklamaktadır. 2. Gaz tanecikleri birbirleriyle veya bulundukları kabın çeperleri ile çarpışıncaya kadar her yönde ve çok hızlı doğrusal hareketler yaparlar. Bu nedenle gaz tanecikleri bulundukları kabın tamamına yayılır ve kabın biçimini alırlar (Şekil 6.2). - 89 - Şekil 6.2. Gaz taneciklerinin bulundukları kap içindeki hareketleri. 3. Gaz taneciklerinin yaptıkları çarpışmalar tümüyle esnek olup, çarpışmada herhangi bir enerji kaybı yoktur. Böylece çarpışan tanecikler önceki hızları ile başka bir doğrultuda hareketlerini sürdürürler. 4. Gaz taneciklerinin kinetik enerjileri sıcaklıkla (T) değişir. Gaz ısıtıldığında tanecikler çok daha hızlı hareket ederken, soğutuldukça hızları düşer. Teorik olarak, belirli bir sıcaklığa inilebildiğinde de tüm hareketler durur. Bu sıcaklık mutlak sıfır olarak bilinir ve -273, 15° C ya da O K (Kelvin) değerindedir. Bir gazın mutlak sıcaklığı °C cinsinden sıcaklığına 273,15 eklenerek bulunur ve K cinsinden verilir. (Ancak çok duyarlı sonuçların gerekmediği durumlarda °C + 273 işlemi ile mutlak sıcaklık bulunabilir. Elinizdeki kitapta da bu yol izlenecektir). Örnek 6.1: Sodyum klorür 801°C de erimekte ve 1465°C de kaynamaktadır. Bu sıcaklıkların Kelvin cinsinden değerleri nedir? Çözüm 6.1: Verilen bilgilere göre sodyum klorür 801 + 273 = 1074 K 'de erir ve 1465 + 273 = 1738 K'de kaynar. - 90 - 3. GAZ YASALARI Gazları ele alan uzun çalışmalar sonucunda, bunların davranışlarını açıklayabilecek bir takım yasalar geliştirilmiştir. Bu yasalardan ya da bunları ifade eden eşitliklerden habersiz herhangi biri de, günlük yaşamında etkilerine tanık olmaktadır. Örneğin pek çok kişi bir aerosol kutusunun ısıtıldığında patlayabileceğini bilir. Ya da kapağı açılan bir gazoz şişesinden köpürme ile çıkan gaz kabarcıklarını ve oluşan sesi bilmeyenimiz yoktur. Gaz yasalarına geçmeden önce, tüm bu yasalarda adı geçen gaz basıncından biraz söz etmekte yarar vardır. Gaz Basıncı (P) ve Ölçümü : Kinetik teoriden, gaz taneciklerinin bulundukları kap içersinde her yönde çok hızlı ve sürekli hareket ettiklerini biliyorsunuz. Bu şekilde kabın çeperlerine milyarlarca gaz taneciğinin çarpması gaz basıncının nedenidir. Fizik dersinden anımsayabileceğiniz gibi, basınç birim alana uygulanan kuvvettir. Gazların basıncı ise genelde atmosfer (kısaca atm) veya santimetre ya da milimetre cinsinden cıva sütunu yüksekliği (cm Hg ve mmHg) ile birimlendirilir. Atmosfer, O°C Sıcaklıkta deniz düzeyinde 76 cm (760 mm) yükseklikte cıva sütununu sağlayan basınç olup, standart atmosfer basıncı "1 atmosfer" olarak tanımlanır. Öte yandan gaz basıncı ölçümlerinde mm Hg (ya da bir başka adı ile torr) da sık kullanılan bir birim olup, 1 mm Hg = 1 torr = 1 760 atm dir. O halde 76 cmHg = 760 mmHg = 760 torr = 1 atm olup, sıcaklığı 0° C ve basıncı 1 atm olan gazlara "standart koşullardaki gazlar " denir. Örnek 6.2: Aşağıdaki basınçları karşılarında verilen birimler cinsinden bulunuz. 0, 50 atm = ? cm Hg 190 mm Hg = ? atm 1,25 atm = ? torr 228 cm Hg = ? atm - 91 - Çözüm 6.2: Yukarıda verilen bilgileri kullanarak, 76 cm Hg = 38 cm Hg 1 atm 0,50 atm = 0,50 atm x 190 mm Hg = 190 mm Hg x 1 atm = 0, 25 atm 760 mm Hg 760 torr = 950 torr 1 atm 1,25 atm = 1,25 atm x 228 cm Hg = 228 cm Hg x 1 atm = 3 atm 76 cm Hg sonuçları bulunur. ? 342 mmHg değerinde basınca sahip bir gazın, cm Hg ve atm cinsinden basıncı nedir? Yanıt : 34,2 cm Hg ve 0,45 atm 3.1. Boyle Yasası ? Bir gazın basıncının hacmi ile nasıl bir ilişkisi vardır? Bu sorunun yanıtını araştıran 17. yüzyıl İngiliz kimyacılarından Robert Boyle, sıcaklığın aynı kalması koşulu ile, belirli miktardaki bir gazın hacminin (V), basıncıyla (P) ters orantılı değiştiğini bulmuştur. Yani hacim artırıldığı takdirde basınç azalmakta, aksine hacim azaltığında da basınç artmaktadır (Şekil 6.3). Kinetik teoriye göre bu durum hiç de şaşırtıcı değildir. Çünkü bir gazın hacmi küçültüldüğünde, taneciklerin hareket edebilecekleri boşluk da azalmakta ve kabın çeperlerine çok daha sık çarpmaktadırlar. Bu ise basıncın artması anlamına gelir. Şekil 6.4 'de de görülebileceği gibi, bir insanın soluk alıp vermesi de bu basınç-hacim ilişkisine örnek bir olaydır. Soluk aldığımızda diyaframın aşağı doğru kasılması ile göğüs boşluğumuzun hacmi artmaktadır. Hacimdeki bu artış içerdeki basıncın normal atmosfer basıncının 3 torr kadar altına düşmesine yol açar. Vücudun dışındaki hava, daha büyük bir basınca sahip olduğundan, kendiliğinden akciğerlere dolar. - 92 - Şekil 6.3. Boyle Yasası (Basınç - hacim ilişkisi). Bir gaz daima yüksek basınçlı bir bölgeden düşük basınçlıya doğru yer değiştirir. Soluk verdiğimizde ise diyafram yine dinlenme konumuna döner ve göğüs boşluğumuz normal büyüklüğünü alır. Hacimdeki bu azalma ile akciğerlerdeki havanın basıncı, yine 3 torr kadar, artar ve bu da soluğun vücuttan çıkmasını sağlar. Genellikle farkında olmaksızın, bütün bu işlemlerle dakikada yaklaşık oniki kez, yarım litre civarındaki havayı alıp vermekteyiz. Şekil 6.4 . Soluk alıp verme sürecinde gazların basınç-hacim ilişkisi. - 93 - Basınçla hacim arasındaki bu ters orantılı ilişki "Boyle yasası" olarak bilinir ve matematiksel olarak şöyle ifade edilir. Sabit sıcaklıkta PV = k (k orantı sabitidir) . (6.1) Ya da bir gazın iki ayrı koşuldaki basınç ve hacmi arasında, Sabit sıcaklıkta P1 V1 = P2 V2 (6.2) eşitliği geçerlidir. Örnek 6.3: Bir deney sonucunda 710 mm Hg basınçlı bir ortamda 304 ml gaz toplanmıştır. Bu gazın sıcaklığı ve miktarı aynı kalması koşulu ile standart atmosfer basıncında kaplayacağı hacim kaç ml olur? Çözüm 6.3: Gazın ilk basıncı (P1) 710 mm Hg ve ilk hacmi (V1) 304 ml, hesaplanması istenen ortamdaki basıncı (P2) 760 mm Hg ve hacmi de V2 olarak alınırsa, (6.2) eşitliğinden, P1 V1 = P2 V2 ve V 2 = P 1 V 1 ' den P2 V 2 = 710 mm Hg x 304 ml 760 mm Hg = 284 ml bulunur. Görüldüğü gibi gazın basıncı 760-710 = 50 mm Hg artırıldığında, hacmi 304-284 = 20 ml azalmıştır. Belirli miktarda neon gazı bulunduğu kapta 0,80 atm basınca sahip ? iken, sıcaklık ve kütlesi değiştirilmeksizin 520 ml hacimli bir kaba alınıyor ve yeni basıncı 1,05 atm olarak ölçülüyor. Buna göre ilk kabın hacmi kaç ml 'dir? Yanıt : 682,5 ml - 94 - 3.2. Charles Yasası ? Acaba gazların hacmi sıcaklık değişiminden nasıl etkilenir? Fransız bilgini Jacques Charles, 19. yüzyılın başlarında bu konuda yaptığı araştırmalarda, basıncı sabit tutulan bir gazın hacminin mutlak sıcaklığı ile doğru orantılı değiştiğini bulmuştur. Yani sıcaklığı artırılan bir gazın hacmi de artar (Şekil 6.5). Belirli miktarda bir gaz sabit basınçta tutularak ısıtıldığında, gaz taneciklerinin kinetik enerjileri ve hızları artacağı için, tanecikler daha büyük bir hacme yayılarak basıncın değişmemesini sağlarlar. Aksine gaz soğutulduğunda; tanecikler yavaşlayacağı için, bu kez de aynı basıncı uygulayabilmeleri daha küçük bir hacim içersinde bulunmalarını gerektirir. Şekil 6.5. Basıncı ve miktarı sabit tutulan bir gazın ısıtılmasıyla hacminin değişimi. Charles yasası matematiksel olarak şöyle ifade edilir : Sabit basınçta V = kT ( k orantı sabitidir ) (6.3) Veya iki ayrı koşuldaki hacim ve sıcaklık değerleri arasında, Sabit basınçta V1 V2 (6.4) T1 = T2 eşitliği geçerlidir. Eşitlik (6.4) 'deki V1 ve T1 başlangıçtaki hacim ve sıcaklık (mutlak sıcaklık yani kelvin cinsinden) iken V2 ve T2 son hacim ve sıcaklığı ifade eder. - 95 - Örnek 6.4: Bir miktar He gazı bir lastik balona 25°C de doldurulduğunda balonun hacmi 2,5 litre olarak ölçülüyor. Basıncın değişmediği deney ortamının sıcaklığı 0°C ye düşürüldüğünde balonun hacmi kaç litre olur? Çözüm 6.4: İlk sıcaklık T1 = 25 + 273 = 298 K son sıcaklık ise T2 = 0 + 273 = 273 K 'dir. O halde (6.4) eşitliğinden V1 = T1 V2 T2 V2 = 2,5 litre x 273 K 298 K v e ya V2 = V 1 T2 T1 olur. = 2,3 litre bulunur. Sıcaklıktaki 25°C azalma balonun hacmini 2,5 litreden 2,3 litreye düşürmüştür. ? Belirli kütlede bir gaz örneği, hacmi değişebilen bir kapta 298 K sıcaklıkta 1,5 litre boşluk kaplamaktadır. Bu kabın hacminin 2,0 litreye çıkarılabilmesi için ortam hangi sıcaklığa kadar ısıtılmalıdır? Yanıt : 397 K 3.3. Genel Gaz Yasası Charles ve Boyle tarafından ortaya konan gaz yasaları birleştirilerek, gazların farklı sıcaklık, basınç ve hacim koşulları altındaki davranışlarına ilişkin genel bir eşitlik türetilmiştir. Belirli miktarda bir gazın iki ayrı koşuldaki basınç, hacim ve sıcaklıkları arasında P1 V1 T1 = P2 V2 T2 (6.5) eşitliği geçerlidir. Örnek 6.5 : Bir miktar NH3 gazı, sürtünmesiz pistonlu bir silindirde normal koşullar altında 68 ml hacim kaplıyor. Sıcaklık 30°C ye çıkarılıp, basınç 725 torr'a düşürülürse gazın hacmi kaç ml olur? - 96 - Çözüm 6.5: Verilen değerler (6.5) eşitliğinde uygulanırsa, P1 V1 T1 = P2 V2 T2 760 torr x 68 ml = (0 + 273) K den V 2 = 760 torr x 68 ml x 303 K 725 torr x 273 K 725 torr x V 2 ml (30 + 273) K = 79 ml 3.4. İdeal Gaz Yasası Gazların basınç, hacim ve sıcaklıkları arasındaki ilişkiyi ifade eden bir başka eşitlik de ideal gaz yasasına ilişkindir. İdeal bir gaz için PV = n R T (6.6) eşitliği geçerlidir. Bu eşitlikteki "n" gazın mol sayısı ve "R" gaz sabitidir. Basınç atmosfer, hacim litre ve sıcaklık kelvin cinsinden verildiğinde R nin değeri 0,082 litre .atm / mol . K dir. Örnek 6.6 : Bir gazın 1 molü, standart koşullar altında kaç litre hacim kaplar? Çözüm 6.6 : İdeal gaz eşitliğindeki hacim terimi PV = nRT ' den V = nRT P olur . Standart koşullar için hesap yapılırsa 1 mol x 0,082 V= litre . atm x 273 K mol . K 1 atm = 22,4 litre Standart koşullarda ( O° C sıcaklık ve 1 atm basınç ) gazların 1 molü 22,4 litre hacim kaplar. Örnek 6.7: Hacmi 5,6 litre olan bir kapta sıcaklığı O°C olan bir miktar O2 gazı bulunuyor. Gazın basıncı 2 atmosfer olduğuna göre ağırlığı kaç gramdır? - 97 - Çözüm 6.7: Eşitlik (6.6) dan mol sayısı n = PV RT n = olarak bulunur. O halde 2 atm x 5,6 litre litre . atm x (0 + 273) K 0,082 mol K = 0,5 mo l 1 mol O2 gazı 2 x 16 = 32 gr ağırlıkta olduğundan, kaptaki gaz miktarı 0,5 x 32 = 16 gram olarak bulunur. ? Hacmi 10 litre olan içi tamamen boş bir kaba, O°C de 56 gram N2 gazı dolduruluyor. Kap içersindeki basınç kaç atmosferdir? Yanıt : 4,48 atm 4. GAZLARIN DİFÜZYONU VE GRAHAM YASASI Aynı ortama konan farklı gazlara ait tanecikler, farklı hızlarda kendiliklerinden genişleyerek diğerleri ile karışırlar (difüzlenirler). Bu olguyu inceleme konusu yapan 19. yüzyıl İskoç kimyacılarından Thomas Graham, özellikle hafif (düşük yoğunluklu) gazların, aynı sıcaklıkta daha ağır (daha yoğun) gazlara kıyasla daha hızlı difüzlendiklerini gözlemişti. Çalışmalarının sonunda Graham aynı koşullarda farklı hızlarla difüzlenen gazların difüzlenme hızlarının (V) , bu gazların yoğunlukları (d) veya molekül ağırlıklarının (M) kare kökü ile ters orantılı olduğunu bulmuştur. A ve B gibi iki ayrı gaz için bu yasa VA = VB dB dA VA = VB MB MA (6.7) veya (6.8) eşitlikleriyle ifade edilir. - 98 - Örnek 6.8: Hidrojen ve oksijen moleküllerinin ortalama hızlarını karşılaştırınız. Çözüm 6.8: Eşitlik (6.8) 'den, MH2 = 2 ve MO2 = 32 olduğuna göre, V H2 = VO2 O halde MO 2 MH2 V H2 = 4 V O 2 = 32 2 olup, = 16 = 4 H2 molekülleri O2 moleküllerinin 4 katı hızla difüz- lenirler. 5. GAZLARIN ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ VE HENRY YASASI Susuzluğunuzu gidermek veya midenizi rahatlatmak için sodalı suyu denediyseniz, şişe kapağını açınca CO2 çıkışından kaynaklanan gaz kabarcıklarını görmüş ve sesini işitmiş-sinizdir. Böylesi bir gözlem ile gazların sıvılardaki çözünürlüğüne ilişkin Henry yasasına tanık olduğunu biliyor muydunuz? 19. yüzyılın başlarında İngiliz kimyacı William Henry, belirli bir sıcaklıktaki bir sıvıda, bir gazın çözünürlüğünün sıvı üzerindeki gaz basıncıyla doğru orantılı olduğunu keşfetmişti. Henry yasasına göre, bir sıvıda çözünen gaz miktarı, sabit sıcaklıkta sıvı üzerindeki basınç yükseltildikçe artar. Kolalar, gazozlar ve sodalı sular yüksek basınç altında şişelenmiştir ve siz kapağı açtığınızda şişedeki basıncı düşürmüş olursunuz. Bu nedenle CO2 gazının çözünürlüğü azalır ve bir miktarı sıvıyı terkeder. 6. GAZ KARIŞIMLARI VE DALTON YASASI Kinetik teoriden gaz basıncının, gaz taneciklerinin bulundukları kabın çeperleriyle çarpışmalarından kaynaklandığını biliyorsunuz. Kabın hacmini değiştirmeden, çarpışma sıklığını dolayısıyla basıncı artırmanın iki yolu vardır: Birincisi gazın sıcaklığını yükseltmektir. Böylece gaz taneciklerinin hızları ve çarpışma sayısı artar. İkincisi ise, kap içersindeki gaz taneciklerinin sayısını artırmaktır. Çünkü sabit bir sıcaklıkta bir gazın uygu- - 99 - ladığı basınç gaz taneciklerinin cinsi ile ilgili olmayıp, mevcut gaz tanecik sayısına bağlıdır. Örneğin Şekil 6.6'da da görülebileceği gibi, bir kap içersindeki gazın basıncı, aynı ya da farklı bir gazdan eşit sayıda tanecik ilave edilerek iki katına çıkarılabilir. Şekil 6.6 . Dalton 'un kısmi basınçlar yasası (Kısmi basınçlar ile toplam basıncın ilişkisi). Bir gaz karışımındaki herhangi bir gazın "o kapta yalnız başına bulunduğu zamanki basıncına, o gazın kısmî basıncı (Pi )" denir. Kısmî basınç belirli bir sıcaklıkta, sadece o gazın tanecik sayısına (veya mol sayısına) bağlıdır. Şekil (6.6) dan da anlaşılabileceği gibi, Bir gaz karışımının toplam basıncı, karışımdaki herbir gazın kısmî basınçları toplamına eşittir. (Dalton Yasası). Buna göre A, B, C, D, E, ... gibi çeşitli gazlardan oluşan bir karışım için PToplam = PA + PB + PC + PD + PE + ... (6. 9) eşitliği ile toplam basınç bulunur. Örneğin hava bir gaz karışımı olup, N2, O2, Ar, CO2 ve düşük miktarlarda başka gazlar içerir. O halde Dalton yasasına göre atmosfer basıncına bu gazların tümünün katkısı vardır ve Patmosfer = PN 2 + PO2 + PAr + PCO2 + ... eşitliği yazılabilir. - 100 - (6.10) Örnek 6.9: Bir gaz tübünde O2 ve anestezide kullanılan N2 O gazından oluşan bir karışım bulunuyor. Tüpteki basınç 0,90 atmosfer olarak ölçüldüğüne ve ortam sıcaklığında oksijenin kısmî basıncı 118 mmHg olduğuna göre, N2O gazının kısmî basıncı kaç mm Hg dır? Çözüm 6.9 : Toplam basınç mm Hg cinsinden P T o p l a m = 0,90 atm = 0,90 atm x 760 mm Hg = 684 mm Hg 1 atm P T o p l a m = P O 2 + P N2 O 684 mm Hg = 118 mm Hg + P N2 O P N2 O = 684 mm Hg - 118 mm Hg = 566 mm Hg olarak bulunur. 7. SOLUNUM GAZLARININ VÜCUDUMUZDA TAŞINIMI VE DİFÜZYON Oksijen ve karbon dioksidin vücudumuzda taşınımı bu gazların kısmî basınçlarıyla doğrudan ilişkilidir. Her gaz gibi, bu iki gaz da yüksek basınçlı bir bölgeden düşük basınçlı bir bölgeye difüzlenirler (Şekil 6.7). Örneğin dokulardan akciğerlere gelen kirli kan oksijen içeriğini tüketmiş olup, hücrelerden karbondioksit atık ürününü getirmektedir. Oksijen akciğerlerden (burada oksijen kısmî basıncı, PO2 = 104 mm Hg) kana ( PO2 = 40 mm Hg) difüzlenir ve karbondioksit kandan (PCO2 = 45 mm Hg) akciğerlere ( PCO2 = 40 mm Hg) difüzlenerek buradan dışarı atılır. Oksijenin önemli bir kısmı taşıyıcı molekül olan hemoglobin ile tutulur ve temiz kan ile dokulara taşınır. Doku hücreleri sürekli oksijen kullandıklarından hücrelerde oksijen kısmî basıncı düşüktür. Temiz kandaki oksijen kısmî basıncı daha yüksek olduğundan, oksijen kandan ( PO2 = 95 mm Hg) dokulara ( PO2 = 35 mm Hg) difüzlenir. Dokularda hücreler tarafından üretilen karbondioksit ise hücrelerden ( PCO2 = 50 mm Hg) kan dolaşımına ( PCO2 = 45 mmHg) difüzlenerek akciğerlere taşınır. - 101 - Şekil 6 . 7. Oksijen ve karbon dioksidin akciğerler ve doku hücreleri arasında taşınımı ile gazların kısmî basınçlarının ilişkisi 8. GAZLARIN YER ALDIĞI REAKSİYONLARDA STOKİYOMETRİ Gazların yer aldığı kimyasal olaylar üzerinde çalışan J. Louis Gay-Lussac, 19. yüzyılın başlarında, sabit sıcaklık ve basınçta (aynı koşullarda) bir reaksiyona giren ve oluşan gazların hacimlerinin daima belirli oranlar gösterdiğini keşfetmişti. Örneğin yaptığı deneylerde, Gay-Lussac iki hacim hidrojenin bir hacim oksijen ile reaksiyona girerek iki hacim su oluşturduğunu gözlemişti. Benzer bir sonucu da, bir hacim hidrojenin bir hacim klor ile reaksiyona girerek iki hacim hidrojen klorür oluşturması olayında gözleyen Gay-Lussac bu gözlemlerini bir yasa şeklinde ortaya koymuştur. Sabit sıcaklık ve basınçta gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda tanecik bulunur ve reaksiyona giren atom ya da moleküller tam sayılarla ifade edilebilen basit oranlarda birleşirler. Gazların yer aldığı, sabit sıcaklık ve basınçta gerçekleşen bir reaksiyon için yazılan denkleştirilmiş bir denklemdeki katsayılar hacimleri göstermek üzere de kullanılabilir. Ünite 5 'de gaz reaksiyonlarına ilişkin verilen örneği yeniden ele alacak olursak, - 102 - → 2 NH3( g ) N2( g ) + 3 H2( g ) reaksiyonunda bir hacim azot molekülü, üç hacim hidrojen molekülü ile birleşerek, iki hacim amonyak molekülü oluşturmaktadır. Bu reaksiyon standart koşullar altında gerçekleştirildiğinde gaz hacimleri aşağıdaki gibi olur: N2 + 3 H= 1 mol N2 → 3 mol H2 veya 1 mol x 22,4 litre / mol 2 mol NH3 3 mol x 22,4 litre / mol = 22,4 litre N2 2 NH3 = 67,2 litre H2 2 mol x 22,4 litre / mol = 44,8 litre NH3 Örnek 6.10 : Propan gazı (C3 H8 ) oksijenle yanarak karbon dioksit ve su buharı oluşturur. C3 H8( g ) + 5 O2( g ) → 3 CO2( g ) + 4 H2 O( g ) Aynı koşullarda 2,5 litre propan ve 15,5 litre oksijen bulunan bir kaptaki reaksiyonda en çok kaç litre karbondioksit oluşur, reaksiyona girmeden kalan gaz var mıdır? Çözüm 6.10 : C3 H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2 O reaksiyon denklemine göre 1 litre C3H8, 5 litre O2 ile birleşir. O halde reaksiyonda 2,5 litre C3 H8 x 5 litre O2 1 litre C3 H8 = 12,5 litre O2 t ü ke n ir. Demek ki 15,5 - 12,5 = 3,0 litre O2 artar. Oluşacak CO2 hacmi ise V C O 2 = 2,5 litre ? H2(g) + Cl2(g) C3 H 8 x 3 litre C O 2 1 litre C 3 H 8 = 7,5 litre dir. → 2 H Cl (g) reaksiyon denklemine göre, 2 litre H2 gazı ile 3 litre Cl2 gazı karışımının reaksiyonundan kaç litre HCI gazı elde edilebilir? Hangi gazdan kaç litre artar? Yanıt : 4 llitre HCI, 1 litre CI2 - 103 - Özet Gazların kinetik teorisi bir gazı oluşturan atom veya moleküllerin hareketliliklerine dayanır. Buna göre gaz tanecikleri rastgele bir şekilde sürekli hareket halinde olup, birbirleriyle ve kabın çeperleriyle çarpışırlar. Bir gazın sıcaklığı, gazı oluşturan taneciklerin kinetik enerjilerinin bir ölçüsüdür. Sıcaklık yükseldikçe taneciklerin hızı artar. Gaz taneciklerinin bulundukları kabın çeperleriyle çarpışması gaz basıncının nedenidir. Dünya atmosferi de, yerküre üzerinde adına atmosfer basıncı dediğimiz bir basıncı uygular. Standart atmosfer basıncı 1 atm veya 760 mmHg dır. Sıcaklığı 0°C, basıncı 1 atm olan gazlara "standart koşullardaki gazlar" denir. Miktarı ve sıcaklığı sabit olan bir gazın basıncı hacmiyle ters orantılı olarak değişir. PV = k eşitliğiyle ifade edilen Boyle yasasına göre, belirli bir sıcaklıkta basınç veya hacim değişse de PV çarpımı aynı kalır. Charles yasasına göre, sabit basınçta bir gazın sıcaklığı yükseltilirse hacmi büyür. Sıcaklık veya hacimden biri değişse de, hacim ve sıcaklığın oranı aynı kalır. İdeal bir gazın basınç ve hacmi ile mol sayısı ve sıcaklığı arasında, PV = nRT eşitliği geçerlidir. Buradaki R, gaz sabiti adını alır ve 0,082 litre. atm/ mol. K değerine sahiptir. Graham yasasına göre hafif gazların difüzlenme hızları daha fazladır. İki ayrı gazın difüzlenme hızları yoğunlukları veya molekül ağırlıklarının kare kökü ile ters orantılıdır. Henry yasası, bir sıvının üzerindeki gaz basıncı arttıkça, sıvıda daha fazla gazın çözünebileceğini ifade eder. Dalton yasasına göre, bir kaptaki gaz karışımının toplam basıncı, gazların herbirinin kısmî basınçları toplamına eşittir. Stokiyometri problemleri reaksiyona giren veya oluşan gazların hacimlerini kullanarak çözülebilir. Gazların yer aldığı denkleştirilmiş bir reaksiyon denklemindeki katsayılar, aynı koşullardaki hacimlerin oranlarını verir. - 104 - Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Gazlara ilişkin aşağıdaki ifadelerden hangisi doğru değildir? A) Bulundukları her kabın hacmini ve şeklini alırlar. B) Oda koşullarında yalnızca soygazlar atomik halde kararlıdır. C) Isıtılan gaz taneciklerinin ortalama kinetik enerjileri yükselir. D) Üzerlerindeki basınç düşürüldükçe ve sıcaklıkları artırıldıkça gazlar ideallikten uzaklaşırlar. E) Gaz tanecikleri arasındaki etkileşim, maddenin yoğun hallerindekine göre çok düşük düzeydedir. 2. Bir kişinin kullandığı parfümün kokusu aynı odada bulunan herkese ulaşır. Bunun nedeni aşağıdakilerden hangisi olabilir? A) Parfümdeki kokunun hafifliği B) Gazların sıkıştırabilir oluşu C) Gaz moleküllerinin ısındıkça hızlanması D) Gaz moleküllerinin bulundukları hacmi kaplayacak şekilde difüzlenme eğilimleri E) Gaz molekülleri arasındaki boşluğun çok fazla oluşu 3. Miktarı sabit bir gazın, sabit hacimli bir kapta sıcaklığı 25° den 50°C ye çıkarıldığında basıncı ilk basıncına göre nasıl değişir? A) Yarıya düşer B) Değişmez C) Bir katından daha az artar D) Bir kat artar E) İki kat artar 4. Sabit hacim ve sıcaklıktaki bir kapta bulunan bir gazın miktarı (n) ile basıncı (P) arasındaki ilişki aşağıdakilerden hangisinde doğru verilmiştir? A) P α 1 n B) P1 n1 = P2 n2 C) P.n = sabit - 105 - D) P = 1 n E) P2 = P1.n2 / n1 5. Bir miktar klor gazı 100°C sabit sıcaklığa kadar ısıtıldığında basıncı 3 atm'den 4,5 atm'e çıkıyor. Buna göre ilk sıcaklığı ne kadardır? A) 249 K 6. B) 24°C C) 36°C D) 300 K E) 320 K Basıncı P, hacmi V olan bir gazın miktarı değiştirilmeden, sıcaklığı ve hacmi iki katına çıkarılırsa son basıncı aşağıdakilerden hangisi olur? A) P/4 7. B) P/2 C) P D) 2P E) 4P Hacmi 10 m3 olan bir gaz tankına, 27°C sıcaklıkta 14 kilogram N2 gazı konursa, tanktaki basınç kaç atm olur? A) 1,23 8. B) 12,3 D) 26,4 E) 36,9 Aşağıdaki gazlardan hangisi aynı koşullarda CO gazı ile eşit hızda difüzlenir? A) H2 9. C) 24,6 B) N2 C) O2 D) NO2 E) NH3 Kapalı bir kapta belirli bir sıcaklıkta 1 er kilogram N2, H2 ve CO2 gazları bulunuyor. Kaptaki toplam basınç 1 atm olduğuna göre, gazların kısmî basınçları için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) PN2 > PH2> PCO2 B) PH2 > PN2 > PCO2 C) PCO2 > PN2 > PH2 D) PN2 = PH2 = PCO2 E) PCO2 > PN2 = PH2 10. Asetilen gazı, C2 H2, aşağıdaki denkleme göre yakılıyor. 2C2 H2 + 5O2 → 4 CO2 + 2H2 O Standart koşullarda 10 mol asetilenin yanmasında harcanacak oksijen gazı kaç litredir? A) 11,2 B) 22,4 C) 67,2 - 106 - D) 112 E) 560 ÜNİTE 7 Kimyasal Reaksiyonlarda Hız Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Bir kimyasal reaksiyonun gerçekleşme hızının enerji kavramı ile ilişkisini tanıyacak, ■ Aktivasyon enerjisi ve aktif kompleks kavramlarının kimyasal reaksiyonlardaki yerini öğrenecek, ■ Ekzotermik ve endotermik reaksiyonlar ile reaksiyon ısısının ilişkisini kavrayacak ve bunları potansiyel enerji diyagramları ile ifade edebilecek, ■ Bir kimyasal reaksiyonun hızının hangi etkenlere bağlı olabileceğini öğrenecek, ■ Reaksiyon hızlarına ilişkin eşitliklerin nasıl türetildiğini kavrayacak, ■ Reaksiyon hızlarını artırmak amacıyla kullanılabilecek yöntemleri tanıyacak ve katalizörlerin kimyasal reaksiyonlardaki işlevini öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Aktivasyon Enerjisi ve Aktif Kompleks ■ Ekzotermik ve Endotermik Reaksiyonlar ■ Reaksiyon Hızını Etkileyen Faktörler ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi daha kolay kavrayabilmeniz için Ünite 4 deki kimyasal bağlanma bölümünü yeniden gözden geçiriniz. ■ Grafik çizme ve yorumlamaya ilişkin alıştırmalar yapınız. ■ Verilen örnekler üzerinde dikkatle durunuz. 1. GİRİŞ Çevresinde olup bitenleri yeterince dikkatle gözleyen bir kişi, bazı kimyasal reaksiyonların son derece kısa bir sürede olup bitmesine karşın, bazılarının oldukça uzun bir sürede sonuçlandığını farkeder. Bir otomobil motorunun silindirlerindeki yakıt-oksijen karışımının patlayıcı reaksiyonu, barutun patlayarak yanması veya kirecin su ile söndürülme reaksiyonu çok hızlı gerçekleşen kimyasal reaksiyonlardandır. Benzer şekilde vücudumuzdaki kasların kasılmasını veya sinir sistemi uyarılarının iletilmesini sağlayan reaksiyonlar da çok hızlıdır. Öte yandan bazı reaksiyonlar da çok yavaş yürür. Örneğin hava ile temas halindeki bir demir parçasının paslanması epeyce yavaş yürüyen bir reaksiyondur. İnsanlar ötedenberi kimyasal değişmelerin hızlarını artırmanın ya da azaltmanın yollarını araştırmışlardır. Bazen bir kimyasal dönüştürme sürecinin daha verimli, pratik ve daha ekonomik olabilmesi için reaksiyon hızının artırılması istenir. Bazen de aksine, arzulanmayan bir kimyasal dönüşümün olabildiğince yavaşlatılması amaçlanır. Örneğin besinlerin bozulma hızları, soğutucularda tutularak veya bazı koruyucu maddeler katılarak yavaşlatılmaya çalışılır. Bu ünitede kimyasal reaksiyonların hızı ve bunu etkileyen faktörler ele alınacaktır. 2. AKTİVASYON ENERJİSİ VE AKTİF KOMPLEKS ? Acaba reaktant taneciklerinin hareketliliği ile kimyasal reaksiyonun hızının bir ilişkisi var mıdır? Kimyasal dönüşüme uğrayacak reaktantlar kısaca " tanecik" olarak adlandırdığımız atomlar, iyonlar veya moleküllerden oluşurlar. Ünite 6' daki kinetik teoriden anımsayabileceğiniz gibi maddeleri oluşturan tanecikler sürekli hareket halindedirler. Bu hareketlilik maddenin katı, sıvı ya da gaz halinde oluşuna bağlı olduğu gibi, sıcaklığa da bağlıdır. İki (veya daha fazla) madde belirli bir ortamda karıştırıldığında bunları oluşturan tanecikler birbiriyle çarpışacaktır. İşte bu çarpışmaların bir kısmı mevcut bağların kırılarak yeni bağlar oluşmasını ve böylece değişik maddelerin meydana gelmesini sağlayacaklardır. Ünite 4' den kimyasal bağlanmada atomların değerlik elektronlarının rol oynadığını ve bunların alınıp verilmesi ya da paylaşılmasıyla reaksiyonların oluştuğunu bilmektesiniz. Buna - 108 - göre iki atom arasında bir reaksiyonun gerçekleşmesi bunlara ait değerlik orbitallerinin etkileşmesi koşuluna bağlıdır. Bu nedenle de bir reaksiyon oluşabilmesi için bu iki atomun değerlik orbitallerinin etkileşmesine elverecek kadar birbirlerine yaklaşmaları gerekir. Böylesi bir yaklaşma da ancak, iki ayrı atoma ait iki çekirdeği çevreleyen elektronların ara-sındaki itme kuvvetlerini yenecek düzeyde enerjiye sahip bir çarpışma ile mümkündür. Böyle bir çarpışma için gerekli enerji miktarına da "aktivasyon enerjisi (Ea) "denir. Bir reaksiyonun gerçekleşebilmesi için reaksiyona katılan taneciklerin aktivasyon enerjisine eşit (veya daha yüksek) enerjiye sahip olarak çarpışmaları temel koşuldur. Eğer reaksiyona sokulan taneciklerin çoğunluğu bu enerjiye sahipse, reaksiyon kolaylıkla ve hızlıca gerçekleşir. Şekil 7.1 de görüldüğü gibi, aktivasyon enerjisi, reaktantların, ürünlere dönüştürülebilmesinden önce aşılması gereken bir enerji tepesi (enerji eşiği veya engeli) gibi düşünülebilir. Aktif kompleks (Geçiş durumu) Enerji Aktivasyon enerjjisi E a Reaktantlar Ürünler Reaksiyon Şekil 7.1 Bir kimyasal reaksiyonda aşılması gereken enerji engeli. Bu enerji engelini aşmaya yetecek enerjisi bulunan taneciklerin çarpışması halinde, atomlar "aktif kompleks" adı verilen reaktif (kararsız), kısa ömürlü bir grup oluştururlar. "Geçiş durumu" da denilen bu reaktif grup, reaktantlar ile ürünler arasında bir yapıya sahip olup, Şekil 7.1'deki enerji engelinin tepesinde bulunur. Ardından bu aktif kompleks, - 109 - ürünlere dönüşecektir. Şimdi de kimyacıların üzerinde çokça durmuş olduğu klasik bir reaksiyonda bu iki kavramın yerini görelim. Bir reaksiyon kabında karışması sağlanan hidrojen ve iyot oda sıcaklığında ölçülemeyecek kadar yavaş reaksiyona girerler (Şekil 7.2). Reaksiyon hızının bu denli düşük olması, H2 ile I2 molekülleri arasında gerçekleşen çarpışmaların pek azının I2 molekülündeki I - I bağını kırmaya yetecek enerjide olmasındandır. Bu reaksiyona ilişkin aktivasyon enerjisinin değeri çok yüksektir. Eğer reaksiyon kabı ısıtılarak ortamın sıcaklığı yükseltilirse çarpışmakta olan moleküllerin çok daha büyük bir kısmı bu bağları kırmaya yetecek enerjiye ulaşır. Böylece serbest kalan daha çok sayıda iyot atomu, hidrojen molekülleri ile reaksiyona girerek hidrojen iyodürü oluşturabilir. Şekil 7. 2 H2 + I2 → 2HI reaksiyonunda aktif kompleks aracılığı ile ürünün oluşumu (* işareti aktif kompleksin kararsızlığını simgeler). Aktif komplekste atomlar arasında, ürünleri meydana getirecek yeni bağlar oluşmaya başlamış iken, eski bağlar zayıflamış durumdadır. Şekil 7.2 de özetlenen reaksiyon yürüyüşünden de anlaşılabileceği gibi, aktif kompleks ne reaktantlarla ne de ürünlerle özdeş olmayıp, bunlar arasındaki bir geçiş halini oluşturan epeyce kararsız bir atomlar grubudur. Daha sonra bu kararsız geçiş durumu iki HI molekülü ne dönüşmektedir. 3. EKZOTERMİK VE ENDOTERMİK REAKSİYONLAR ? Kimyasal dönüşümlerin, enerji değişimi ile bir ilişkisi var mıdır? - 110 - Günümüzde evsel amaçlarla da kullanılmakta olan doğal gazın, havadaki oksijenle verdiği yanma reaksiyonunda oluşan ürünlerin yanısıra, yaşamımız için en önemli enerji türlerinden ısıyı da oluşturduğunu biliyorsunuz. Bazı reaksiyonları yürütebilmemiz için ise, bizim belirli bir miktar enerjiyi reaksiyon sistemine vermemiz gerekir. En basitinden, bir yemeğin pişmesi sürecinde gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar da ısı enerjisi gerektirmektedir. O halde her kimyasal reaksiyonun bir enerji değişimi ile sonuçlanmasını beklemek doğaldır. Bu enerji değişimi, reaksiyon boyunca atomlar arasında kırılacak ve yeni oluşacak bağlara ait bağ enerjilerinin bilançosunun belirlediği bir miktarda gerçekleşir. Çok öz bir ifadeyle açı- klanacak olursa, reaksiyon bitiminde çevreye ısı veren reaksiyonlara "ekzotermik reaksiyonlar", çevreden ısı alan reaksiyonlara ise "endotermik reaksiyonlar" denir. 3.1. Ekzotermik Reaksiyonlar ? Şamdandaki bir mumun oda sıcaklığında kendiliğinden tutuşup yanmaya başladığını görseydiniz, ne yapardınız? Herhalde çok şaşırır, belki de korkardınız. Çünkü böyle bir olay olağandışıdır. Ne var ki bir kez tutuşturulan bir mumun söndürülünceye veya tükeninceye değin yanmasını sürdürdüğüne herkes tanık olmaktadır. Oda sıcaklığında mumun kendiliğinden yanmaması, mum ile oksijen arasında gerçekleşecek kimyasal reaksiyona ilişkin aktivasyon enerjisinin yüksekçe bir değerde olduğunu gösterir. Bu nedenle oda sıcaklığında bu enerji engelini aşarak reaksiyona girmeye yetecek kadar enerjisi olan molekül sayısı da son derece azdır. Oysa yanan bir kibritin sağlayacağı sıcaklıkta çok sayıda molekül enerji engelini aşar ve mumun yanması gerçekleşir. Mum ile oksijen arasında başlayan bu reaksiyon ekzotermiktir. Ekzotermik reaksiyonlar kimyasal dönüşüm sonucunda çevreye enerji salan reaksiyonlardır ve bu reaksiyonlarda ürünlerin potansiyel enerjisi reaktantlarınkinden daha düşük bir düzeye iner. Ekzotermik reaksiyonlarda reaktant molekülleri bir kez reaksiyona girmeye başlayınca açığa çıkan ısı enerjisi, kalan moleküllerin de aktivasyon enerjisi engelini aşabil- 111 - mesini sağlar. Böylece reaksiyon enerji açısından kendi kendini besler ve mum yanmasını sürdürür. Reaksiyonun ilerleyişi boyunca potansiyel enerji değişimi Şekil 7.3 deki gibi enerji diyagramları ile gösterilir. Şekil 7.3 Mumun yanması ve bu ekzotermik reaksiyona ilişkin potansiyel enerji diyagramı. 3.2. Endotermik Reaksiyonlar Bir bileşik içerdiği atomların arasındaki bağların kırılmasına yetecek kadar enerji verildiğinde elementlerine ayrıştırılabilir. Örneğin su, belirli bir miktarda elektrik enerjisi harcanarak kendisini oluşturan elementler olan hidrojen ve oksijene ayrıştırılabilir (Şekil 7.4). Birçok kimyasal bileşik de uygun sıcaklıklarda ısıtılarak ayrıştırılır. Öte yandan yeşil bitkilerin de güneşten bize ulaşan ışığın (foton) enerjisini kullanarak fotosentez adı verilen bir birleştirme (sentez) reaksiyonu ile, havadaki karbon dioksidi glükoza (şekere) dönüştürdüğü bilinmektedir (Şekil 7.5). Şekil 7.4 Suyun elektrik enerjisiyle ayrışma reaksiyonu ve potansiyel enerji diyagramı. - 112 - Yürütülebilmesi için belirli bir enerjinin verilmesini gerektiren reaksiyonlara "endotermik reaksiyonlar" denir ve bu reaksiyonlarda ürünlerin potansiyel enerjisi reaktantlarınkinden daha yüksektir. Endotermik reaksiyonlarda da, reaksiyonun başlatılabilmesi için en azından aktivasyon enerjisi engelini aşmaya yetecek kadar bir enerjinin verilmesi ön koşuldur. Ancak ekzotermik reaksiyonlardan farklı olarak, reaksiyonun ilerleyişini sürdürmek için de çevreden sürekli enerji sağlanması gerekir. Böylece endotermik bir reaksiyon boyunca sistem dışarıdan enerji alır. Örneğin Şekil 7.4 deki suyun ayrışma reaksiyonu gözönüne alınırsa, elektrik kesildiği anda reaksiyon durur. Şekil 7.5 deki bitki karanlık bir ortama alındığında da fotosentez sona erer. Zira her iki olay da enerji gerektirmektedir. Şekil 7.5 Güneşin sağladığı enerjiyi kullanarak yürüyen bir endotermik reaksiyon olan fotosentez ve bu olayı gösteren potansiyel enerji diyagramı. 3.3. Reaksiyon Isısı Şimdi de Şekil 7.6 da verilen potansiyel enerji diyagramlarını ele alalım. Gerek ekzotermik reaksiyonlarda, gerekse de endotermik reaksiyonlarda reaksiyona giren maddelerin enerjisi, ürünlerinkinden farklı olmaktadır. Bu fark ya reaksiyonda açığa çıkan ya da reaksiyon boyunca dışarıdan alınan enerji miktarına karşılık gelir. - 113 - Bir reaksiyon sonucunda açığa çıkan veya reaksiyonun oluşumu boy unca dışarıdan alınan enerjiye reaksiyon ısısı ( ∆H ) denir. Reaksiyon sisteminin ısı içeriğindeki (entalpisindeki) bu değişiklik, reaktant için ve ge- Ea Potansiyel en erji Potansiyel en erji nellikle de mol başına kilokalori (kkal /mol) cinsinden ifade edilir. Reaktantlar H Ea Ürünler H Reaktantlar Ürünler Reaksiyon Reaksiyon Ekzotermik reaksiyon En dotermik reaksiyon Şekil 7.6 Ekzotermik ve endotermik reaksiyonlarda potansiyel enerji diyagramları, aktivasyon enerjileri (Ea) ve reaksiyon ısıları (∆H). Şekil 7.6 daki diyagramlardan anlaşılabileceği gibi, reaksiyon ısısı ∆H değeri, ürünlerin potansiyel enerjisiyle reaktantların potansiyel enerjisi farkına eşittir. O halde ekzotermik bir reaksiyon için ∆H eksi, endotermik bir reaksiyon için ise artı değer alır. Sonuç olarak şunu da söyleyebiliriz : Her reaksiyonun kendine özgü bir aktivasyon enerjisi (Ea) ve reaksiyon ısısı ( ∆H ) vardır. ÖRNEK 7.1 : Aşağıdaki reaksiyonların enerji açısından hangi türden olduğunu belirtiniz. (a) N2 + 3 H2 →2 NH3 + 22,1 kkal / mol (b) 2 HgO + 43,3 kkal / mol → 2 Hg + O2 (c) SO2 + 1/2 O2 → SO3 ∆H = - 23,7 kkal / mol (d) C2 H6 → C2 H4 + H2 ∆H = 32,7 kkal / mol - 114 - ÇÖZÜM 7.1 : (a) Reaksiyon denkleminde ürünler tarafında 22,1 kkal ifadesi bulunması, bu ısının açığa çıktığını gösterir. O halde reaksiyon ekzotermiktir. (b) Reaksiyon denkleminde HgO reaktantı yanında 43,3 kkal'lik ısı enerjisinin de tüketildiği görülüyor. Öyleyse reaksiyon endotermiktir. (c) ∆H'ın eksi işaretli olması, reaksiyonun ekzotermik olduğunu gösterir. (d) Artı işaretli ∆H'dan dolayı, bu reaksiyon endotermiktir. ÖRNEK 7.2 : Aktivasyon enerjisi 45 kkal/mol olan aşağıdaki reaksiyon için potansiyel enerji diyagramını çiziniz. 2XYZ → 2XY + Z2 ∆H = 20 kkal/mol ÇÖZÜM 7.2 : Potansiyel enerji diyagramını çizebilmek için önce reaksiyonun ekzotermik mi, yoksa endotermik mi olduğunu belirlemeliyiz. Reaksiyon denklemine göre, bu reaksiyon +20 kkal ısı gerektirir ve endotermiktir. O halde ürünler, reaktant maddeye göre 20 kkal daha yüksek enerjidedir. Bu durumda reaktantın bağıl potansiyel enerjisini keyfi olarak sıfır kabul ederek, diyagramı kolayca çizebiliriz. Öyleyse ürünler, reaksiyona giren maddeye kıyasla 20 kkal lik bir potansiyel enerjiye sahiptir. Aktivasyon enerjisi 45 kkal olduğundan, Bağıl potansi yel enerji (k kal / mol) eğrinin tepesi (aktif kompleks) 45 kkal değerine karşılık gelir. 50 45 40 35 30 25 20 Ea 2XY+Z2 15 10 H 2XYZ 0 Reaksiyon A2 + B2 ? → 2 AB reaksiyonunun aktivasyon enerjisi 35 kkal/mol olup, reaksi- yon ısısı, ∆H, - 5 kkal/mol değerindedir. Bu reaksiyonun potansiyel enerji diyagramını çiziniz. - 115 - 4. REAKSİYON HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER ? Bir kimyasal reaksiyonu hızlandırmak veya yavaşlatmak elimizde midir? Neleri değiştirirsek bir kimyasal dönüşümün hızı da değişir? Bu bölümde kimyasal reaksiyonların hızları üzerinde hangi faktörlerin etkili olabileceğine değinilecektir. 4.1. Reaktantların Yapısı Kimyasal reaksiyonların hızları reaktantların doğası ile doğrudan ilişkilidir. Çünkü kimyasal değişme boyunca gerçekleşecek bağ kırılma ve oluşmalarının hızı, bu bağların ve bunların oluşturduğu moleküllerin yapısına göre değişir. Örneğin herhangi bir nedenle hava içine yayılan renksiz azot monoksit gazı çok hızlı bir şekilde oksijenle birleşerek kahverengi azot dioksit gazını oluşturur. 2 NO + O2 → 2 NO2 (25°C de çok hızlı) Bu reaksiyon 25°C sıcaklıkta çok hızlı gerçekleşir. Oysa otomobillerin egzozlarından çıkan karbon monoksit de havaya yayılır. Ancak oksijenle birleşerek karbon dioksit oluşturması, yine aynı sıcaklıkta, epeyce yavaştır ve bu yoğun trafiği olan kalabalık kentlerde önemli bir çevre sorununa da neden olur. 2 CO + O2 → 2 CO2 (25°C de çok yavaş) Bu iki reaksiyon denklemine dikkat edilirse, reaktantların ve ürünlerin formülleri birbirine çok benzer. Her iki reaksiyon da aynı sıcaklıkta ve aynı ortamda gerçekleşmesine karşın, hızlarındaki bu büyük farklılık NO ve CO moleküllerinin yapısından veya azot ile oksijen ve karbon ile oksijen atomları arasındaki bağların farklılığından kaynaklanır. 4.2. Reaktantların Derişimi Derişim birim hacimdeki madde (ya da tanecik) miktarı olarak tanımlanabilir (Ünite 9'da ayrıca ele alınacaktır). Reaktantların yapılarından başka, derişimleri de o kimyasal reaksiyonun hızını önemli ölçüde etkiler. Bu ünitenin ikinci bölümünden anımsayacağınız gi- - 116 - bi, reaksiyona girebilmeleri için taneciklerin çarpışmaları gerekir. O halde reaksiyon ortamında daha çok sayıda reaktant taneciği bulunması, daha fazla sayıda çarpışmanın gerçekleşmesine neden olur (Şekil 7.7). X X X Y Y Y Tek çarpışma olasılığı X X Y X Y 6 çarpışma olasılığı 4 çarpışma olas ılığı X X X X Y Y Y Y 16 çarpışma olasılığı Şekil 7.7 X ve Y reaktant tanecikleri arasındaki olası çarpışma sayısı ile, ortamdaki tanecik sayısının doğru orantılı ilişkisi. Reaktantların derişimlerindeki artma çarpışma sayısını ve dolayısıyla reaksiyon hızını artırır. Bir kibritin tutuşturulduğunda belirli bir hızda ve turuncu bir alevle yandığını bilirsiniz. Bu kibriti odadaki havanın oksijeni ile yakmak yerine, içerisine oksijen gazı gönderilen bir kap içersinde yakmayı denerseniz, çok daha hızlı şekilde ve daha parlak bir renkle yandığını görürsünüz. Zira bu durumda reaktantlardan biri olan oksijenin derişimi çok daha fazladır. 4.2.1. Hız Eş itlikleri Kimyasal reaksiyonların hızları ve derişimler arasındaki ilişki "hız eşitliği" veya "hız yasası" denilen eşitliklerle ifade edilir. Hız eşitliklerini irdelemeden önce "basit ve karmaşık reaksiyonlar" kavramları üzerinde duralım. Eğer bir kimyasal dönüşüm tek basamakta, yani tek bir reaksiyonla, ger- - 117 - çekleşmekte ise "basit reaksiyon" adını alır. Basit reaksiyonlarda, reaksiyonun stokiyometresinden yararlanarak hız eşitliğini doğrudan bulabiliriz. Aşağıdaki genel reaksiyon denklemi ile, basit bir reaksiyonu göz önüne alalım. aA + bB → cC + dD Bu basit reaksiyonun hızı A ve B reaktantlarının derişimleri çarpımı ile doğru orantılıdır (kütle etkisi yasası). Hız ∝ [A]a [B]b Bu doğru orantılı ilişkiye göre reaksiyonun hız eşitliği, Hız = k [A]a [B]b (7.1) şeklinde yazılır. Hız eşitliğindeki terimlerden k orantı sabiti, "hız sabiti" adını alır. Hız sabiti k'nın değeri, sıcaklık sabit tutulmak koşulu ile, ancak reaktantların ve ürünlerin yapısına bağlı olup reaksiyon boyunca aynı kalır. Ancak sıcaklığın değişmesi halinde k'nın değeri de değişir. Hız sabiti k'nın yüksek bir değerde olması reaksiyonun hızlı, düşük bir değerde olması ise yavaş gerçekleşmesi anlamına gelir. Sıcaklıktaki yükselme k'nın değerini ve dolayısıyla reaksiyon hızını artırır (bu olgu bir bölüm sonra ayrıca ele alınacaktır). Eşitlik (7.1) de görülen [A] ve [B] ifadeleri ise A ve B reaktantlarının mol/litre cinsinden derişimlerini belirtir. Aynı eşitlikten reaksiyon hızının, hız sabiti ile reaktant derişimlerinin stokiyometrik katsayıları üs olarak alınmak üzere çarpımlarına eşit olduğu anlaşılır. Örneğin azot monoksit gazının ozon gazıyla reaksiyona girerek azot dioksit ve oksijen gazlarını oluşturması, tek basamakta gerçekleşen basit bir reaksiyondur. NO + O3 → NO2 + O2 Bu basit reaksiyon için hız eşitliği Hız = k [NO] 1 [O3]1 = k [NO] [O3] şeklinde yazılır. - 118 - (7.2) Öte yandan her ne kadar tek bir basamakta oluşmadığı biliniyorsa da, hidrojen iyodürün oluşma reaksiyonuna ilişkin deneysel çalışmalar, bu reaksiyon için de Eşitlik (7.2) ye benzer bir hız eşitliğinin geçerliliğini göstermektedir. H2 + I2 2HI → H ız = k [H 2 ] [I 2 ] (7.3) Bazı kimyasal dönüşümler birden fazla basamakta gerçekleşirler ve bunlara ilişkin reaksiyon denklemleri tüm bu basamakların net sonucunu simgeler. Bu durumdaki reaksiyonlara "karmaşık reaksiyonlar" denir. Karmaşık reaksiyonların hız ifadeleri kitabımızın kapsamı dışındadır. Ancak özellikle belirtilmesi gereken bir nokta, bu tür reaksiyonlarda basit reaksiyonların hız eşitliklerini bulmak için kullandığımız yolun geçersiz olduğudur. Örneğin HBr oluşumunu gösteren aşağıdaki reaksiyon denklemi, H2 + Br2 → 2 HBr görüldüğü gibi HI oluşumunun reaksiyon denklemine çok benzemesine karşın, hız eşitliği oldukça farklı, karmaşık bir reaksiyondur. Bu reaksiyon için deneysel olarak bulunan hız eşitliği de Hız = H2 1+ Br2 k´ HBr Br2 şeklinde olup, (7.3) eşitliğine göre oldukça farklıdır. O halde bir kimyasal reaksiyonun hız eşitliğini reaksiyon stokiyometrisine bakarak değil, deneysel olarak saptamak kuşkusuz en güvenli yoldur. 4.3. Katı Reaktantın Yüzey Alanı Reaksiyonların bir kısmı, azot monoksidin veya karbon monoksidin yanmasındaki gibi, reaktantların tümünün aynı halde (gaz, sıvı veya katı) bulunduğu kimyasal değişmelerdir. Böyle reaksiyonlara "homojen reaksiyonlar" denir. Bazı reaksiyonlarda ise, katı kömürün oksijen gazı ile yanma reaksiyonundaki gibi, maddenin farklı hallerindeki reaktantlar yer alır. Bu tür reaksiyonlara da "heterojen reaksiyonlar " denir. Heterojen reaksiyonlardaki kimyasal değişmeler iki farklı faz (hal) arasındaki "arayüzeyde" gerçekleşir. O halde heterojen reaksiyonlarda katı haldeki bir reaktantın yüzey - 119 - alanı ne ölçüde büyük olursa, reaksiyon da o ölçüde hızlı gerçekleşir. Talaş haline getirilmiş bir odunun kütük halindeki oduna kıyasla çok daha hızlı yandığını hepiniz bilirsiniz. Yüzey alanının büyütülmesi ile reaktant tanecikleri arasındaki çarpışma sayısı artırılmış olmakta, bu da reaksiyonun hızlanmasını sağlamaktadır. Hatta bazen yüzey alanının büyütülmesi patlama düzeyinde reaksiyon hızlarına bile yol açabilmektedir. Örneğin üretimde kuru ve çok iyi öğütülmüş un kullanılan tesisler de patlama olasılığı göz önünde bulundurulmak zorundadır. 4.4. Sıcaklık Reaktantların sıcaklığını yükseltmek, taneciklerin kinetik enerjilerini ve dolayısıyla hızlarını artırır. Bu ise hem reaksiyona neden olabilecek (etkin) çarpışma sayısını artırır, hem de çarpışan taneciklere aktivasyon enerjisi engelini aşmaya yetecek kadar enerji kazandırır. Şekil 7.8 de görülebileceği gibi, yüksek sıcaklıktaki tanecik dağılımında aktivasyon enerjisine eşit veya daha fazla kinetik enerjiye sahip olduğu için etkin çarpışma yapabilen tanecik sayısı (çizgili alan), düşük sıcaklıktakine (sık taranmış alan) göre çok daha fazladır. O halde sıcaklığın yükseltilmesi reaksiyon hızını artırır. Genelde sıcaklıktaki 10°C lik bir yükselme, bir reaksiyonun hız sabitini ve dolayısıyla hızını iki (bazen üç) katına çıkarır. Şekil 7.8 Sıcaklık artışının reaksiyona katılan taneciklerin ortalama kinetik enerjilerini yükselterek ürün oluşumuna yol açacak etkinlikte (aktivasyon enerjisi engelini aşabilen) çarpışma yapabilecek tanecik sayısını artırması. - 120 - Sıcaklıktaki değişikliklerin canlı organizmalar üzerinde de önemli etkileri vardır. Ateşi yükselen bir insanın vücudundaki kimyasal reaksiyonların hızı artar, kalp atışı ve solunumu hızlanır, sindirim ve sinir sistemlerinde anormallikler ortaya çıkar. Ateşi yükselen bir insanın bazal metabolizma hızının, vücut sıcaklığındaki bir derecelik yükselmeye karşılık % 5 civarında arttığı bilinmektedir. Ayrıca dışarıdaki sıcaklığın yükselmesinin de canlılar üzerinde benzer etkileri vardır. Aksine vücut sıcaklığının düşmesi vücuttaki reaksiyonların hızını azaltır. Örneğin bu nedenle ameliyathanelerde sıcaklık düşük tutularak hastanın metabolizma hızı ve oksijen gereksinimi azaltılır. 4.5. Katalizörler Bir kimyasal reaksiyonun hızının sıcaklığı yükseltmekle artacağını biliyorsunuz. Ne var ki birçok reaksiyonda, reaktantlar yüksek sıcaklığa çıkarıldığında bozunur veya istenmeyen yan ürünler oluşur. Bu sorunun çözümünü araştıran bilim adamları bazı kimyasal maddelerin reaksiyon hızını artırdığını bulmuşlardır. Kendileri tüketilmediği halde reaksiyonların hızlanmasını sağlayan bu tür maddelere "katalizör" adı verilir. Örneğin tekstil, çelik, gübre, plastik, boya ve çok çeşitli ürünleriyle petrokimya endüstrisinin önemli bir girdisi olan sülfürik asidin üretim basamaklarından en önemlisi, kükürt dioksit ve oksijen gazlarından kükürt trioksit gazının oluşmasıdır. 2 SO2 + O2 → 2 SO3 Bu reaksiyonun aktivasyon enerjisi çok yüksek olup, yüksek sıcaklıklarda bile epeyce yavaş ilerler. Bu ise endüstride büyük miktarlarda üretim için oldukça yüksek bir enerji maliyeti getirir ve hiç de ekonomik değildir. Oysa çok iyi öğütülmüş platin veya vanadyum (V) oksit (V2 O5) katalizör olarak kullanıldığında bu reaksiyonun hızı büyük ölçüde artmakta, üretim böylece ekonomik hale gelmektedir. ? Katalizörlerin reaksiyonları hızlandırıcı etkisi nasıl oluşur? Şimdi Şekil 7.9 da verilen örneği ele alalım. Kendi boyuna kıyasla fazlaca yüksek bir potaya atışlar yapan basketbol öğrencisi bir çocuk, büyük bir olasılıkla çok az sayı yapacaktır (Şekil 7.9.a). Ancak pota yüksekliğinin epeyce düşürüldüğü ikinci durumda (Şekil 7.9.b) çocuğun - 121 - atışlarının çok daha büyük bir kısmı potadan geçebilir. Kuşkusuz bir amaca ulaşma olasılığı, aşılması gereken engeller küçüldükçe artar. Şekil 7.9 Aşılması gereken engelin büyüklüğü ile bir amacın gerçekleşme olasılığıarasıdaki ters orantılı ilişki. (a) Pota kendi boyuna göre fazlaca yüksekte olduğundan çocuğun sayı yapma olasılığı düşüktür. (b) Pota yüksekliği azaltıldığında çocuğun atışlarının çok daha büyük bir kısmı potadan geçebilir. Şimdi Şekil 7.9 daki olayın kimyasal reaksiyonlar ve hızları ile ilişkisini düşünelim. Potanın fazlaca yüksekte bulunduğu Şekil 7.9.a da çocuğun atışlarının çok azı potadan geçebiliyordu. Bu bir kimyasal reaksiyonun, yüksek bir aktivasyon enerjisi engelinden dolayı, çok az sayıdaki etkin çarpışma sonucu çok yavaş ilerlemesine benzer. Şekil 7.9.b de ise pota çocuğun boyuna göre pek yüksek olmadığından, çok daha fazla atış sayıya dönüşebilmektedir. Bu durum ise, bir kimyasal reaksiyonun aktivasyon enerjisinin bir katalizör kullanarak düşürülmesiyle (katalizlenmesiyle) çok daha fazla sayıda etkin çarpışma gerçekleşmesi ve reaksiyonun hızlanmasını andırır. - 122 - O halde katalizörler bir reaksiyonu aktivasyon enerjisini düşürerek hızlandırırlar. Şekil 7.10 da bir reaksiyonun (a) katalizörsüz ve (b) katalizlenerek yürüyüşü enerji diyagramı ile gösterilmektedir. Görüldüğü gibi, katalizör kullanıldığında reaksiyon daha düşük enerjili aktif kompleks içeren, değişik bir gidiş yolu ile gerçekleşmektedir. Bu durumda düşük sıcaklıklarda bile, reaktant taneciklerinin çok büyük bir kısmı yeni enerji engelini E ´a aşabileceğinden ürünlerin oluşumu çok daha hızlıdır. Şekilden görülebileceği gibi katalizör kullanılması reaksiyon ısısını (∆H) etkilememekte, her iki durumda da ∆H aynı değerde olmaktadır. Aktif kompleks Potansiyel en erji a Ea Katalizlenmiş durumdaki aktif komp leks b Ea Reaktantlar H Ürünler Reaksiyon Şekil 7.10 (a) Katalizörsüz ve (b) katalizlenerek yürütülen bir kimyasal reaksiyondaki akti vasyon enerjilerinin Ea ve E ´a ve aktif komplekslerin farklılığı. 4.5.1. Enzimler Canlı organizmalarda gerçekleşen kimyasal reaksiyonların çoğu, organizma dışında gerçekleşmesi halinde, yeterince hızlı yürümesi için yüksek sıcaklıklar gerektiren reaksiyonlardır. İnsan vücudu için de durum böyle olup, vücudumuzda oluşacak reaksiyonlar vücut sıcaklığında (37°C) ve gereken hızlarda olup bitmek zorundadır. Aksi halde ya sıcaklığın yükselmesi veya tersine reaksiyon hızlarının çok düşük olması gerekir ki, bunlar da yaşamı tehlikeye sokar. Ne var ki organizma, "enzim adı" verilen bazı özel bileşikler üretir ve bunlar bir tür biyolojik katalizör işlevi görerek, bu reaksiyonların vücut sıcaklığında - 123 - da gerekli hızda gerçekleşmesini sağlarlar. Öte yandan fermentasyon adı da verilen mayalanma reaksiyonlarında kullanılan mayalar da canlı mikroorganizmalardan oluşur ve olayı hızlandıran enzimler içerirler. Enzimler reaksiyon hızlarını 1020 katına kadar bile artırabilen son derecede etkin katali- zörlerdir. Binden fazla çeşidi bilinen enzimlerin herbiri yalnızca bir reaksiyonu ve- ya birbiriyle çok yakın ilişkili bir reaksiyonlar grubunu katalizler. Organizmanın ürettiği enzimlerden birinin bile vücutta bulunmaması ya da herhangi bir nedenle zarar görmesi, çok önemli sağlık sorunlarına yol açar. Örneğin belirli bir enzimin bulunmaması nedeni ile "fenil ketonüri" hastalığına yakalanan çocuklarda, bu durumun zihinsel gelişim bozukluklarına neden olduğu bilinmektedir. Özet Bir kimyasal reaksiyonun hızı, söz konusu kimyasal değişimin ne denli çabuk gerçekleştiğini ifade eder. Bir kimyasal reaksiyonun gerçekleşebilmesi için reaktantı oluşturan tanecikler "aktivasyon enerjisi (Ea)" denilen bir enerji engelini aşmaya yetecek bir enerji ile çarpışmalıdır. Böylesine enerjik bir çarpışma "aktif kompleks" adı verilen reaktif bir grup oluşturur. Aktif kompleks reaktantlar ve ürünler arasında bir geçiş durumunu temsil eder ve daha sonra ürüne dönüşür. Kimyasal reaksiyonlarda enerji değişimi de gözlenir. Çevreye enerji salan reaksiyonlara "ekzotermik", yürümesi için enerji verilmesi gereken reaksiyonlara ise "endotermik reaksiyonlar" denir. Reaksiyonda dışarı verilen veya dışarıdan alınan enerji miktarına "reaksiyon ısısı ( ∆H)" denir. Bir kimyasal reaksiyonun hızı reaktantların yapılarına ve derişimlerine, reaksiyonun gerçekleştiği sıcaklığa ve katalizör varlığına bağlıdır. Sıcaklık artışı ve katalizör kullanımı reaksiyon hızlarını artırdığı gibi, katı reaktantın yüzey alanının büyütülmesi de reaksiyonu hızlandırır. Enzimler biyokimyasal reaksiyonları hızlandıran katalizörlerdir. Enzimler sayesinde vücut sıcaklığında dışarıda çok yavaş yürüyen reaksiyonlar, vücutta son derece hızlı bir şekilde gerçekleşir. Vücuttaki enzimlerin yokluğu veya zarar görmesi önemli sağlık sorunlarına yol açar. - 124 - Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Reaksiyon hızlarına ilişkin aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur? A) Ekzotermik reakisyonlar için aktivasyon enerjisine gerek yoktur. B) Reaksiyon hız eşitlikleri doğrudan kimyasal denkleme bakılarak yazılır. C) Reaksiyon hızları reaktantların derişiminden bağımsızdır. D) Reaktant moleküllerinin içerdikleri bağların türü ve enerjisi, reaksiyon hızını etkiler. E) Isı veren reaksiyonlar soğutuldukça hızlanır. 2. Aktivasyon enerjisi için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) Reaktantlar ve ürünler arasındaki enerji farkıdır. B) Hızı büyük reaksiyonların, aktivasyon enerjisi de büyüktür. C) Aktif kompleksin oluşumu için gerekli en düşük enerji miktarına eşittir. D) Katalizör miktarı artırıldıkça, aktivasyon enerjisi de artar. E) Çarpışan taneciklerin açığa çıkardığı enerjidir. 3. Bir kimyasal reaksiyonda diğer koşullar değiştirilmeden sıcaklık düşürülürse, verilenlerden hangisi veya hangileri doğru olmaz? I. Aktivasyon enerjisi değişmez. II. Hız sabiti azalır. III. Birim zamandaki etkin çarpışma sayısı değişmez. IV. Hız eşitliği değişir. A) I ve II B) III ve IV C) I, II ve IV - 125 - D) I, III ve IV E) I, II, III ve IV Potansiyel en erji 4. b AB2 + 1 B 2 2 c a AB3 d 0 Reaksiyon AB2 + 1/2 B → AB3 gaz fazı reaksiyonuna ilişkin potansiyel enerji diyagramı yukarıda verilmiştir. Reaksiyon ortamına katalizör ilavesi halinde verilen değerlerden hangisi veya hangileri değişir? A) Yalnız a 5. B) Yalnız b 2KClO3 → 2KCl + 3O2 C) a ile b D) b ile c E) a ile d ∆H > O Yukarıdaki reaksiyonda katalizör kullanılması halinde aşağıdakilerden hangisi artmaz? A) Reaksiyon hızı B) Birim zamanda ayrışan KClO3 miktarı C) Birim zamanda oluşan O2 miktarı D) Reaksiyon süresi E) Birim zamandaki etkin çarpışma sayısı - 126 - 6. Potansiyel enerji (k kal / mol) Potansiyel enerji (k kal / mol) 4a 4a 2a 2a a a 0 0 Reaksiyon Reaksiyon I II Yukarıda aynı sıcaklıkta gerçekleşen iki ayrı reaksiyonun potansiyel enerji diyagramları verilmiştir. Bu iki reaksiyona ilişkin aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) I. reaksiyonun hız sabiti daha büyüktür. B) II. reaksiyonun aktivasyon enerjisi daha düşüktür. C) Her iki reaksiyon da endotermiktir. D) ∆Hı > ∆Hıı E) I. reaksiyonun aktivasyon enerjisi daha büyüktür. 7. 2A + B → 3C Verilen reaksiyon denklemine göre B maddesinin tükenme hızı 0,2 mol / litre. saniye ise, A' nın tükenme ve C nin oluşma hızları kaçar mol/litre. saniye olur? A) 0,4 ve 0,6 8. B) 0,3 ve 0,9 C) 0,2 ve 0,4 D) 0,1 ve 0,3 E) 0,3 ve 0,1 2 NOCl → 2NO + Cl2 reaksiyonu tek adımlı basit bir reaksiyondur. Bu reaksiyonun hızı 127°C de NOCl derişimi 0,050 mol/litre iken, 1,75 x 10-6 mol/litre. saniye olduğuna göre, hız sabiti, k, kaç litre / mol saniye'dir? A) 8,75 x 10-8 B) 3,5 x 10-5 C) 7x 10-4 - 127 - D) 8,75 x 10-4 E) 3,5 x 10-3 9. 2XY2 → X2 Y4 Yukarıdaki reaksiyon denklemine ve aşağıda verilen değerlere göre bu reaksiyonun hız eşitliği nasıl olmalıdır? XY2 nin başlangıç Reaksiyonun başlangıç derişimi (mol / litre) hızı (mol / litre. saniye) 0,5 2,0 2,0 32,0 A) Hız = k [XY2]3 B) Hız = k [XY2]2 C) Hız = k [XY2] D) Hız = k [X2 Y4]2 E) Hız = k [X2 Y4] 10. I ve II gaz fazında gerçekleşen iki ayrı reaksiyondur. Bu iki ayrı reaksiyona ilişkin reaktant moleküllerinin T1 ve T2 sıcaklıklarındaki kinetik enerji dağılımı yukarıdaki grafikte gösterilmektedir. Buna göre I. Aynı sıcaklıkta Hızı , Hızıı den büyüktür. II. T1 , T2 'ye göre düşük bir sıcaklıktır. III. Her iki reaksiyonun da T1 sıcaklığındaki hızı, T2 sıcaklığındakinden büyüktür. IV. Her iki reaksiyon için de T2 sıcaklığında aktif kompleks sayısı, T1 sıcaklığındakinden daha çoktur. İfadelerinden hangisi veya hangileri doğrudur. A) Yalnız I B) I ve II C) I, II ve III - 128 - D) I, II ve IV E) I, II, III ve IV ÜNİTE 8 Kimyasal Denge Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Tersinirlik kavramını öğrenecek ve yaşamımızdaki yerini tanıyacak, ■ Kimyasal dengenin oluşma nedeni ve temel özelliklerini bilecek, ■ Denge sabiti kavramını öğrenecek ve verilen denge reaksiyonlarının denge sabiti eşitliklerini türetebilecek, ■ Le Châtelier kuralını öğrenecek ve bunu istenen kimyasal dengelere uygulayabilecek, ■ Dengeyi etkileyen faktörleri kavrayacak ve bunların verilen denge sistemlerine etkilerini belirleyebileceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Tersinirlik ve Kimyasal Denge ■ Denge Sabiti ■ Le Châtelier Kuralı ve Kimyasal Denge ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteye çalışmadan önce "Kimyasal Reaksiyonlarda Hız" konulu Ünite 7 'yi gözden geçiriniz. ■ Verilen örnekler üzerinde dikkatle durunuz ve sizin yanıtlamanız istenen soruları mutlaka inceleyerek çözmeye çalışınız. ■ Ünite sonunda verilen değerlendirme sorularını çözmeyi unutmayınız. 1. GİRİŞ Şu ana kadar ele aldığımız tüm değişimlere tek yönlü olaylar gözü ile bakmıştık. Oysa bazı fiziksel ve kimyasal olaylar, gerekirse koşulların da değiştirilmesi ile, her iki yönde de oluşabilmektedir. Bu olgu "tersinirlik" olarak adlandırılır. Sözgelimi bir buz parçası soğutucudan çıkarıldığında çevreden ısı alarak yavaş yavaş erir ve sıvı su haline gelir. Aynı su tekrar soğutucuya konulduğunda da aldığı ısıyı geri vererek tekrar buza dönüşür. O halde fiziksel hal değişikliği tersinir bir süreçtir. Otomobillerin elektrik enerjisi deposu olan akülerde, bir takım kimyasal maddeler reaksiyona girerek tüketildikçe elektrik üretilmektedir. Aynı akü şarj edildiğinde ise bu süreç tersine dönmekte ve bu kez harcanan elektrik enerjisi ile başlangıçtaki kimyasal maddeler yeniden üretilmektedir. O halde bu kimyasal olay da tersinir özelliktedir. Oysa aynı otomobilde motorun silindirlerinde gerçekleşen yanma reaksiyonunda, yakıtın oksijenle yanarak temel yanma ürünleri olan karbon dioksit ve su buharını oluşturmasında, yanma ürünlerinin geri dönerek yeniden yakıta dönüştüğü hiçbir zaman gözlenmemiştir. Bunun gibi bazı reaksiyonlar başladıktan sonra geriye dönme olanağı bulamayacak şekilde tek yönde ilerleyerek reaktantlardan biri ya da tamamı tükenince sona ermektedir. Bu türden reaksiyonlar tersinmez özelliktedir. Şu halde bazı değişim süreçlerinin tersinir olmalarına karşın, bazılarını geriye çevirmek mümkün değildir. Şimdi de tersinir bir reaksiyona vücudumuzdan örnek verelim: Kan hücrelerindeki hemoglobin akciğerlerde oksijenle birleşerek oksihemoglobini oluşturur. Oluşan bu oksihemoglobin daha sonra vücudun çeşitli kısımlarında gerçekleşecek metabolizma faaliyetleri için gerekli oksijeni açığa çıkararak başlangıçtaki haline döner. Verilen kısa açıklamaların ışığında şu genellemeyi yapabiliriz: Hal değişiklikleri gibi fiziksel değişimlerin tersinir olmalarına karşın, kimyasal değişimlerin sadece bir kısmı tersinir olma özelliği göstermektedir. Tersinir reaksiyonların kontrol altında tutularak yönünün ve nereye kadar ilerletileceğinin belirlenmesi ilaç, plastik v.b. binlerce çeşidi ile kimyasal madde üretiminde önemli bir husustur. Bu ünitede tersinir kimyasal olayları konu alan kimyasal denge olgusu, ana hatları ile ele alınacaktır. - 130 - 2. TERSİNİRLİK VE KİMYASAL DENGE Ünite 7 'de kimyasal reaksiyonların hızları konusu ele alınmıştı. Aslında kimyasal reaksiyonlarda hız kadar, oluşan ürünün miktarı da önemli bir özelliktir. Tersinir reaksiyonlarda reaktantların yalnızca belirli bir kısmı ürünlere dönüşür. Bir başka ifade ile tersinir reaksiyonlar tamamlanmazlar ve reaksiyonun ilerlemesi için gerekli koşullar sağlandıktan sonra ne kadar süre beklenirse beklensin, reaksiyon kabında bir kısım reaktantın sürekli kaldığı görülür. ? Bir reaksiyonun tersinir özelliği nereden kaynaklanır? Tersinir bir reaksiyonda, reaksiyonun tamamlanması için fazlasıyla beklense bile reaktantların kapta tükenmemesi ve giriş bölümünde tersinirlik olarak tanımlanan, bir değişim sürecinin her iki yönde de ilerleyebilmesi birbiriyle doğrudan ilişkili iki olgudur. Aşağıdaki genel reaksiyon ile tersinir bir süreci ele alalım. A + B ileri C + D (8.1) geri Reaktantlar Ürünler Reaksiyon denkleminin çift yönlü ok ile gösterilmesi tersinir özelliğini belirtmek içindir. Reaksiyon kabına konan A ve B reaktantlarının, koşullar sağlanarak reaksiyona girmesiyle bu olay ileri yönde, yani C ve D yi oluşturacak şekilde ilerler. Zaman geçtikçe A ve B 'nin harcanma hızı azalır ve nihayet bu reaktantların artık değişime uğramadığı gözlenir. ? Reaktantların belirli bir süre sonra artık miktarca azalmamasını nedeni, zamanla reaktifliklerinin azalması veya değişime uğramaya karşı direnç göstermeleri midir? Bu soruya verilecek yanıt, gerçekte tersinirliğin de nedenini ortaya koyar. Gözlenen bu durum ne A ve B 'nin reaktifliklerinin zamanla azalması, ne de artık kimyasal değişmeye direnmeleri gibi nedenlerle açıklanamaz. Buna göre yukarıdaki reaksiyonu yeniden ele alalım. Başlangıçta kapta yalnızca A ve B reaktantları bulunsun. A ve B moleküllerinin birbiriyle çarpışarak reaksiyona girmesiyle C ve D - 131 - ürünleri oluşmaya başlar. Reaksiyon ilerledikçe kap içerisinde C ve D molekülleri sayısı artar. Eğer reaksiyon kapalı bir kapta gerçekleştirilir ve oluşan ürün molekülleri herhangi bir yolla ortamdan uzaklaştırılmazsa, bu kez ürün molekülleri de birbirleri ile çarpışmaya başlar ve bir kısmı yeniden reaktantlara dönüşür. ? Karşıt yönlü bu iki dönüşüm nereye kadar devam eder? Kap içersinde A ve B 'nin derişimleri, bu moleküller reaksiyona girdikçe azalacağından ileri reaksiyonun hızı zamanla azalır. Aksine kapta artan C ve D derişiminden dolayı da geri reaksiyonun hızı zamanla artar. Böylece ileri reaksiyonun yavaşlayıp, geri reaksiyonun hızlanması her iki yöndeki reaksiyonun hızı eşit oluncaya kadar devam eder (Şekil 8.1). Tersinir reaksiyonlarda ileri ve geri reaksiyon hızları eşitlendiğinde sistem dengeye ulaşmış olur. Reaksiyon hızı A+B →C+D reaksiyonunun hızı Denge C+D→ A+B reaksiyonunun hızı 0 Zaman Reaksiyonun başlangıcı Şekil 8.1 A + B ileri geri C + D Tersinir reaksiyonunda ileri ve geri reaksiyonun- da ileri geri reaksiyon hızlarının zamanla eşitlenmesi ile dengeye ulaşılması Şimdi de Ünite 7 'de reaksiyon hızlarını incelerken ele aldığımız hidrojen iyodürün oluşma reaksiyonuna yeniden göz atalım. Bu kez hidrojen ve iyot arasındaki reaksiyonun, Ünite 7 ' - 132 - de gözardı ettiğimiz, tersinir özelliğine değineceğiz. Gaz halindeki hidrojen ve iyot 400°C civarında birleşerek hidrojen iyodürü oluştururlar. Bu reaksiyon aslında tersinir bir reaksiyon olup, gerçek denklemi aşağıdaki şekilde ifade edilebilir. H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) Isıtılmakta olan kapalı bir kap içersinde karıştırılan H2 ve I2 molekülleri reaksiyona girerek HI oluşumuna neden olacaktır. Reaksiyon ilerledikçe daha fazla HI molekülü oluşacak ve oluşan HI molekülleri de birbiriyle çapışarak geri reaksiyona gireceklerdir. Bu durumda bazı HI molekülleri parçalanarak H2 ve I2 moleküllerini oluşturacaklardır. Bu geri reaksiyonun hızı HI derişimine bağlı olup, HI miktarı arttıkça geri reaksiyon da hızlanacaktır. Nihayet artan geri reaksiyon hızının, azalan ileri reaksiyon hızına eşitlenmesiyle, HI 'ün oluşma hızı ve parçalanma hızı birbirine denk hale gelecek ve reaksiyon dengeye ulaşacaktır (Şekil 8.2). H2 I2 (a) Başlangıçta (yalnızca reaktantlar) (b) Dengede (Reaktantlar ve ürünler) H2 + I2 H2 + I2 + HI Şekil 8.2 H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) Tersinir reaksiyonunda (a) başlangıçta (b) dengeye ulaşıldığında reaksiyon kabı içindeki durum Genel bir ifade ile, dengenin birbirine zıt iki olay arasında bir denklik oluşması halinde kurulduğunu söyleyebiliriz. Verilen örnekteki gibi, eğer kurulan denge zıt yönlü kimyasal reaksiyonlar arasında oluşmuşsa "kimyasal denge" olarak adlandırılır. Kimyasal dengede ileri ve geri yöndeki reaksiyonlar aynı hızda gerçekleştiğinden daha fazla ürün oluşumu gözlenmez. Çünkü yeni oluşacak ürün, aynı miktarda ürünün reaktantlara dönüşmesi ile dengelenir. Reaksiyon koşulları sabit tutuldukça dengedeki reaksiyon ortamında her maddenin derişimi aynı kalır. - 133 - Kimyasal dengeye ulaşıldığında reaksiyon kabındaki denge karışımında bulunan reaktantların ve ürünlerin derişimi, koşullar değişmedikçe aynı değeri koruyacağından, sanki ortamdaki tüm kimyasal değişmeler sona ermiş gibi görünür. Oysa ileri ve geri reaksiyonlar halen devam etmekte olduğundan kimyasal denge "dinamik" bir süreçtir. 3. DENGE SABİTİ ? Dengeye ulaşmış bir kimyasal reaksiyonda, ortamdaki ürün ve reaktant miktarları eşit mi olacaktır? Bir kimyasal reaksiyonun dengeye ulaşması halinde, dengedeki karışımda bulunan ürün ve reaktantlarının miktarları aynı olmak zorunda değildir. Çünkü kimyasal denge yalnızca, ileri reaksiyonla ürünlerin oluşumunun ve geri reaksiyonla reaktantların oluşumunun aynı hızda olması anlamına gelir. O halde şimdi de bir reaksiyonun dengeye ulaşmadan önce ne kadar ilerleyebileceğinin nicel olarak nasıl ifade edileceğini görmek üzere, 8.1 denklemini değişebilen mol sayılarını da içeren daha genel şekliyle ele alalım. ki aA + bB kg cC + dD (8.2) Reaksiyon hızlarına ilişkin Ünite 7'deki "Hız Eşitlikleri" bölümünde değinilen Kütle Etkisi Yasasına göre, bu denge reaksiyonunda belirli bir sıcaklıkta ileri reaksiyonun hızı (Hızi ) A ve B reaktantlarının derişimleri çarpımı ile orantılı olup, ki ileri reaksiyonun o sıcaklıktaki hız sabiti olmak üzere, Hızi = ki [A]a [B]b (8.3) şeklinde ifade edilebilir. Aynı şekilde geri reaksiyonun hızı (Hızg ) da, geri reaksiyonun reaktantları olan C ve D 'nin derişimleri çarpımı ile orantılı olup, kg geri reaksiyonun hız sabiti olmak üzere, Hızg = kg [C]c [D]d (8.4) eşitliği ile ifade edilir. - 134 - Madem ki, ileri ve geri reaksiyon hızları eşitlendiğinde dengeye ulaşılmaktadır; o halde denge durumu için ki [A]a [B]b = kg [C]c [D]d (8.5) eşitliği geçerlidir. Dikkat edilirse Eşitlik (8.5) de, eşitliğin iki yanındaki ki ve kg belirli sıcaklıkta sabit değerlerdir. O halde bu eşitliğin değişkenleri yalnızca reaktantların ve ürünlerin derişimleri olmaktadır. Derişim çarpımları bu eşitliği sağlayacak değere ulaştığında denge kurulmaktadır. Şimdi (8.5) eşitliğini iki hız sabitinin oranını elde edecek şekilde düzenleyelim: c d k i = [C] [D] a kg [A] [B]b (8.6) Belirli bir sıcaklıkta ki ve kg birer sabit olduğundan, ki / kg oranı da bir sabittir. ki = K kg (8.7) K ile simgelenen bu yeni sabit "denge sabiti" adını alır ve Kd şeklinde (molar) derişimler cinsinden ifade edildiği belirtilmek üzere, c d K d = [C] [D] [A]a [B]b (8.8) eşitliği ile verilir. Buna göre, dengedeki ürünlerin derişimlerinin çarpımını (stokiyometrik katsayılar üs olmak koşulu ile), reaktantların derişimlerinin çarpımına oranlayarak Kd bulunabilir. (Derişimlerin mol / litre cinsinden ifade edildiği bu eşitlikten bulunan Kd ' nin birimi genellikle dikkate alınmaz.) Dikkat edilirse (8.2) genel denge reaksiyonu denklemindeki a, b, c ve d mol sayıları 1 olarak alındığında (8.1) denklemi elde edilir. Şimdi (8.1) denklemini yeniden ele alalım. ki A + B kg C + D Bir litrelik kapalı bir kaba belirli bir sıcaklıkta 3 'er mol A ve B konulduğunu düşünelim. Koşullar sağlanarak reaksiyon gerçekleştirilip dengeye vardığı anlaşıldıktan sonra, denge karışımında A ve B reaktantlarından 1' er mol, C ve D ürünlerinden ise 2' şer mol bulunduğu saptansın. Bu durumu aşağıdaki şekilde özetleyebiliriz: - 135 - ki A + B kg C + D Başlangıç mol sayısı: 3 3 0 0 Dengedeki mol sayısı: 1 1 2 2 Kabın hacmi 1 litre olduğundan denge karışımında A ve B nin molar derişimleri 1 'er mol / litre, C ve D 'ninkiler ise 2 'şer mol / litre olur. O halde bu sıcaklıkta bu reaksiyonun denge sabiti 1 1 K d = [C]1 [D]1 = 2 x 2 = 4 olur . 1x 1 [A] [B] Bu denge reaksiyonunda derişimler çarpımının oranı, sistem dengede olmadığı sürece 4' den farklıdır. Dengeye varıldığı zaman bu oran denge sabiti olan 4 'e ulaşır ve sıcaklık değiştirilmedikçe de aynı kalır. Denge sabitinin değeri sıcaklıkla değişir. Örneğin aşağıdaki gaz fazı denge reaksiyonu ele alınırsa, CH4 + H2 O CO + 3H2 sıcaklık 80 °C de iken Kd nin değeri 1,8 x 10-3, 1000°C de iken 4,7 x 10-2, 1500°C de ise 5,7 olmaktadır. Çizelge 8.1 'de 25°C sıcaklıkta gerçekleştirilen bazı denge reaksiyonlarına ilişkin denge sabiti ifadeleri ve sayısal değerleri verilmektedir. Görüldüğü gibi denge sabitleri bazı reaksiyonlar için çok küçük değerler alabildiği gibi, bazıları için de çok yüksek değerlerdedir (iyonların yer aldığı dengelere bir sonraki ünitede değinilecektir). - 136 - Tablo 8.1 Bazı reaksiyonların 25°C deki denge sabitleri Reaksiyon 2H2 O N2 + O2 Kd eşitliği N2 O4 Ag+ + 2NH3 2 Kd = [H2] [O22] [H2 O] 2H2 + O2 2NO Kd = H+ + CH3 COO- CH3 COOH Kd nin değeri 2NO2 Ag (NH3)2+ [NO]2 [N2] [O2] 4,8 x 10-31 Kd = [H +] [ CH 3 COO - ] [CH 3 COOH ] 1,8 x 10-5 Kd = [NO 2] 2 [N 2 O 4] 5,9 x 10-3 Kd = [Ag NH 3 2+] [Ag + ] [NH 3] 2 2 H2 + Cl2 2HCl 1,7 x 10-41 Kd = [HCl] [H 2 ] [Cl 2 ] 1,7 x 107 2,5 x 1033 3.1. Denge Sabiti Değerinin Anlamı Denge sabiti Kd 'nin büyüklüğü o reaksiyonun dengeye varmadan önce ne kadar ilerleyebileceğinin bir ölçüsüdür. Yüksek bir Kd değeri, dengede ürünlerin yüksek, reaktantların düşük derişimde bulunması anlamına gelir. Aksine, düşük bir Kd değeri ise, dengedeki reaktant derişiminin ürünlerinkine kıyasla fazla olması demektir. Genel olarak, A + B C + D dengesinde Kd 'nin 1 olması, dengede reaktantların yarısının ürüne dönüştüğünü, yani verimin %50 olduğunu gösterir. Kd değerinin büyümesi reaktantların ürünlere dönüşümünün daha fazla tamamlanması anlamındadır. Çok büyük bir Kd değeri reaksiyonun tamamlanma düzeyinde ilerleyebildiğini gösterirken, çok küçük bir Kd değeri ise çok az ürünün oluşabildiğini gösterir. - 137 - Gaz Fazı Reaksiyonlarında Denge Sabitleri ? Denge sabiti yalnızca derişimler ile mi ifade edilebilir? Reaktantların ve ürünlerin gaz halinde olduğu reaksiyonlarda denge sabiti, derişimler cinsinden olduğu gibi, bu gazların dengedeki kısmi basınçları ile de ifade edilebilir. Şimdi ideal gaz eşitliğini gözönüne alalım. PV = nRT Eğer denge karışımındaki tüm gazların ideal davrandığı varsayılırsa, gazlardan herhangi birinin kısmi basıncı P = n RT V eşitliği ile bulunabilir. Hacmi V olan kapalı bir kapta bir gazın mol sayısı n ise, n / V terimi o gazın molar derişimini ifade eder. O halde belirli bir sıcaklıkta gerçekleşen denge reaksiyonunda derişimler yerine, dengedeki gazların kısmi basınçları kullanılabilir. Buna göre a A (g) + b B (g) c C (g) + d D (g) şeklindeki genel bir gaz fazı denge reaksiyonu için derişimler cinsinden denge sabiti Kd, Kd = C c D d A a B b eşitliği ile ifade edildiği gibi, kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti Kp de c d K p = P aC P bD PA P B (8.9) eşitliği ile ifade edilir. Kp ile Kd arasındaki ilişki ise Kp = Kd (RT)∆n (8.10) eşitliği ile gösterilir. Bu eşitlikte, R 0,082 litre . atm / mol . K dir. Öte yandan T ise mutlak sıcaklık cinsinden Kelvin derecesi olarak alınır. Bu eşitlikteki ∆n ise ürünlerin mol sayıları toplamı ile reaktantların mol sayıları toplamının farkına eşit olup, reaksiyondaki mol sayısı değişimidir. Doğaldır ki, - 138 - H2 (g) + Cl2 (g) 2HCl (g) gibi ∆n değerinin sıfır olduğu kimyasal dengeler için, Kp = Kd (RT)∆n = Kd (RT)0 = Kd x 1 veya Kp = Kd her iki denge sabiti de (Kp ve Kd ) aynı sayısal değere sahip olacaktır. Aksi halde ∆n 'in sıfırdan farklı olduğu herhangi bir denge reaksiyonu için bu iki ayrı denge sabiti, farklı değerlere sahip olur. Örnek 8.1 Aşağıdaki gaz fazı denge reaksiyonlarının derişimler ve kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti eşitliklerini yazarak, denge sabitlerini birbiri cinsinden ifade ediniz. ■ 2SO2 + O2 2SO3 ■ 2H2 O 2H2 + O2 ■ NOCl NO ■ NO2 + SO2 1 Cl 2 2 + NO + SO3 Çözüm 8.1 Eşitlit (8.8) ve (8.9) göz önüne alınırsa, ■ ■ Kd = Kd = SO 3 2 2 SO 2 2 O 2 H2 2 O 2 H2 O 2 , ■ Kd = Kd = K p = K d RT 2 , K p = P H22P O2 , P H2 O NO Cl 2 2 , NOCl NO SO 3 , NO 2 SO 2 K p = K d RT 2 - (2 + 1) (2 + 1) - 2 = K d RT = K d RT 1 1 ■ P SO3 , 2 P SO2 P O2 Kp = Kp = Kp = P NO P 2Cl2 P NOCl , P NO P SO3 , P NO2 P SO2 - 139 - K p = K d RT (1 + 1) - 1 2 K p = K d RT = K d RT (1 + 1) - (1 + 1) 1 2 = Kd -1 N2 ? (g) + 3H 2 2NH3 (g) (g) Denge reaksiyonunun derişimler ve kısmi basınçlar cinsinden denge sabiti eşitliklerini türeterek, Kp' yi Kd cinsinden ifade ediniz. Bölüm 3.1' de denge sabiti Kd' nin büyüklüğünün nasıl yorumlanacağı ele alınmıştı. Aynı şekilde Kp değeri büyük olan reaksiyonlar, bu değerin büyüklüğü ölçüsünde tamamlanmaya yaklaşırken, düşük Kp değerleri o ölçüde az ürün oluşabildiğini gösterir. 3.3. Heterojen Reaksiyonlarda Denge Sabiti ? Bir kimyasal reaksiyonda yer alan her madde denge sabiti ifadesinde de yer alır mı? Şu ana kadar genellikle gaz fazındaki reaktant ve ürünlerin yer aldığı, tüm maddelerin aynı fazda olduğu, homojen kimyasal dengeleri ele aldık. Oysa reaksiyonların hiç te azımsanmayacak bir kısmı, bazı reaktant veya ürünlerin katı ya da sıvı fazda olduğu heterojen dengeler içerirler. Örneğin kapalı bir kapta ısıtılan sodyum bikarbonat katısı, katı sodyum karbonat ile, gaz halinde su ve karbon diokside ayrışır. Na2 CO3 (k) 2NaHCO3 (k) + H2O (g) + CO2 (g) Bu reaksiyonun denge sabitinin K = Na 2 CO 3 (k) H 2 O (g ) NaHCO CO 2(g) 2 3(k) şeklinde olması gerektiği düşünülebilir. Ne var ki bu şekilde saf katı ve sıvıların yer aldığı reaksiyonların denge sabiti ifadeleri daha basit şekilde yazılabilir. Çünkü miktarı değişen saf katı veya sıvıların derişimi değişmez, yani bir saf katı ya da sıvı için maddenin mol sayısının hacmine oranı aynı kalır. Miktarı artırılan saf katı ve sıvıların hacmi de orantılı şekilde arttığından dengedeki derişimleri değişmez. Bu yüzden saf katı ve sıvıların derişimleri denge ifadesinde yer almaz. - 140 - Buna göre yukarıdaki denge sabiti eşitliğinde K 'dan başka [Na2 CO3(k)] ve [NaH- CO3(k)] terimleri de sabittir. Tüm bu sabit terimleri tek bir sabitte birleştirerek, Na 2 HCO 3 (k) Na 2 CO 3 (k) K = 2 = H 2 O (g) CO 2 (g) = Kd (8.11) eşitliği ile bu reaksiyonun denge sabiti Kd bulunur. Örnek 8.2 Aşağıdaki heterojen reaksiyonların denge sabiti eşitlikleri nasıl yazılır? CaO(k) + CO2 (g) ■ Ca CO3 (k) ■ 2Hg (s) + Cl 2 (g) Hg2 Cl2 (k) ■ Zn (k) + 2H+ (sulu) H2 (g) + Zn+2 (sulu) Çözüm 8.2 ■ Kd = [CO2 ] Çünkü saf katılar olan CaCO3 ve CaO derişimleri denge eşit- liğinde yer almaz. 1 Cl 2 ■ Kd = ■ Suda iyonlar halinde bulunan maddeler için "sulu" veya "aq" ifadeleri kullanılır. İyonlar Çünkü saf sıvı Hg ile saf katı Hg2 Cl2 denge eşitliğine alınmaz. denge eşitliğinde mutlaka yer alırlar. Çünkü bunların derişimleri değişebilir. +2 ] K d = [H 2] [Zn + 2 [H ] ? NH 3 (g) + HCl N H 4 Cl ( k ) (g) ilişkin denge sabiti eşitliğini yazınız. - 141 - Denge reaksiyonuna 4. LE CHÂTELIER KURALI VE KİMYASAL DENGE (DENGEYİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER) Dengedeki bir kimyasal reaksiyon sisteminde bazı değişiklikler yapı- ? larak, bu reaksiyonun daha arzulanır bir verimle dengeye ulaşması sağlanabilir mi? Bu soru özellikle reaksiyonun başlamasından kısa bir süre sonra dengeye varan, ancak reaktantların ürünlere dönüşümünün olabildiğince tamamlanması istenen denge reaksiyonları için önemlidir. Dengedeki sistemler üzerinde uzun yıllar çalışmış olan ondokuzuncu yüzyıl Fransız kimyacılarından Henri Le Châtelier, 1888 'de kendi adı ile anılan önemli bir kuralı ortaya koymuştu. Le Châtelier kuralına göre dengedeki bir sisteme dışarıdan herhangi bir etki yapıldığında, sistem bu etkiyi azaltacak yöne kendiliğinden kayar ve denge yeniden kurulur. ? Kimyasal dengeyi etkileyip değişmeye zorlayabilecek bu dış etkiler neler olabilir? Şimdi denge üzerinde etkili olabilecek faktörleri Le Châtelier kuralının ışığında sırayla ele alalım. 4.1. Bir Reaktantın Veya Ürünün İlavesi ya da Uzaklaştırılması (Derişim Etkisi) Dengedeki karışımda yer alan bir reaktant veya üründen bir miktar ilave ya da uzaklaştırma yapılması halinde, dengedeki derişimlerden biri değiştiriliyor demektir. Bu ise kütle etkisi yasasına göre dengede oluşan derişimler oranının artık Kd' ye eşit olmaması ve bu nedenle sistemin artık dengede bulunmaması anlamına gelir. Bu yüzden sistem, derişimleri oranlarının yeniden Kd' ye eşit olacağı şekilde değiştirerek tekrar dengeye ulaşır. Bu değişim dengenin ya sağa (ileri yönde) ya da sola (geri yönde) kaymasıyla elde - 142 - edilir. Buna göre Le Châtelier kuralı, böyle bir durumda dengenin hangi yönde değişeceğini bildirir. Örnek olarak aşağıdaki dengeyi ele alalım. N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) , Kd = NH 3 N2 2 H2 3 Dengedeki bu sisteme biraz H2 gazı ilave edilsin. Sistem bu dış etkiye, bir miktar H2 gazını N2 gazıyla reaksiyona sokarak kullanmakla karşılık verir. Böylece bir miktar da N2 gazının tüketilmesi ile biraz NH3 oluşur. Öyleyse H2 ilavesi, daha fazla NH3 oluşmasına, yani dengenin sağa kaymasına yol açar. Aynı şekilde dengedeki bu sistemden bir miktar NH3 uzaklaştırılması da dengeyi sağa kaydırır. Çünkü bu durumda da, NH3 miktarının azaltılması bir dış etkidir. Denge de bu dış etkiyi azaltacak, yani azalan NH3 miktarını artıracak yönde değişir ve yeniden kurulur. Böylece yeniden oluşan dengedeki tüm derişimler değişmiş de olsa, [NH3]2 / [N2] [H2]3 oranı yine aynı Kd değerine eşit olur. Şimdi de vücudumuzda gerçekleşen bir kimyasal dengeyi ele alarak derişim etkisini görelim. Kanımızın plazmasında karbon dioksit ve karbonik asit (H2 CO3 ) arasında bir denge söz konusudur. CO2 + H2O H2 CO3 Şekil 8.3 Vücudumuzdaki CO2 derişimi değişikliğinin CO2 / H2 CO3 dengesine etkisi - 143 - CO2 dokulardan kana giren bir atık üründür. Kandaki CO2 derişimi yükseldikçe bu denge reaksiyonu sağa kayar ve kan dolaşımı ile vücutta taşınan H2 CO3 artar. Kanımız akciğerlere ulaştığında CO2 solunumla dışarı verilir. Bu durumda ise kandaki CO2 derişimi azalacağından, bu denge reaksiyonu sola kayar ve kan dolaşımındaki H2 CO3 derişimi düşer (Şekil 8.3). 4.2. Gaz Fazı Denge Reaksiyonlarında Hacim (Veya Basınç) Değişikliği Gaz halindeki reaktantların ve ürünlerin oluşturduğu bir dengedeki sistemin hacminde yapılacak bir değişiklik basıncı da değiştirir. Belirli bir sıcaklıktaki dengede kabın hacminin örneğin yarıya düşürülmesi halinde, Ünite 6 'dan anımsayacağınız gibi, basıncın iki katına çıkması beklenir. Ne var ki dengedeki sistem bu değişikliğin aksi yönünde harekete geçerek bu dış etkiyi karşılar. Aşağıdaki dengeyi 400°C sıcaklıkta oluştuğunu düşünerek yeniden ele alalım. N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) Eğer bu reaksiyon ileri yönde yürürse dört molekülün (bir N2 ve üç H2) tükenmesine karşılık iki NH3 molekülü oluşur. Buna göre reaksiyonun sağa doğru ilerlemesi reaksi- Şekil 8.4 Denge reaksiyonu üzeN2 (g) + 3H2 (g) 2NH3(g) rinde sabit sıcaklıkta hacim azaltılması ∆ 'nın veya basınç artırılmasının etkisi - 144 - yon kabındaki molekül sayısını azaltır. Aynı sıcaklıkta molekül sayısı azaldıkça kaptaki basınç düşecektir. Bu nedenle bu dengede kabın hacminin azaltılarak, sistemin basıncının artırılması şeklinde uygulanacak bir dış etkiye, Le Châtelier kuralına göre, denge sağa kayarak basıncı düşürmekle karşılık verir. Böylece yeni kurulan dengede NH3 miktarı artmış, reaktantlarınki ise azalmış olur (Şekil 8.4). Şimde de aşağıdaki dengeyi ele alalım. H2 (g) + I2 (g) 2HI(g) Bu denge reaksiyonu ister ileri isterse geri yönde yürüsün, toplam gaz molekülü sayısında bir değişiklik olmaz. Bu nedenle bu tür reaksiyonlarda denge, hacim veya basınç değişikliğinden etkilenmez. Dengedeki gaz reaksiyonlarında basınçta artışa yol açacak bir dış etki, dengeyi gaz molekül sayısının daha az olduğu yönde değiştirir. Reaksiyon denkleminin her iki yanında da aynı sayıda gaz molekülü bulunan dengeler ise basınç (veya hacim) değişikliğinden etkilenmezler. 4.3. Sıcaklıktaki Değişme ? Denge karışımının bulunduğu ortam ısıtılır veya soğutulursa denge bundan nasıl etkilenir? Dengedeki bir sistemin sıcaklığının değişmesi, dengeyi değiştirir. Bu değişikliğin hangi yönde olacağını ise, reaksiyonun ekzotermik veya endotermik oluşu belirler. Örneğin aşağıda verilen endotermik reaksiyonun 25°C de ∆H (reaksiyon ısısı) değeri 14 k kal/mol ve denge sabiti (Kd) 5,9 x 10-3 tür. Isı + N2 O4 (g) 2 NO2 (g) Yapılan çalışmalar bu reaksiyonun 100°C deki denge sabitinin 2,1 x 10-1 olduğunu göstermiştir. Sıcaklığın 3 kat artırılması ile denge sabitinin yaklaşık 36 katına çıkması bu reaksiyonun endotermik özelliğinden kaynaklanır. Sistemin sıcaklığı dışarıdan verilen ısı enerjisi ile artırıldığında, Le Châtelier kuralına göre, denge bu artan ısı enerjisini kulla- - 145 - nacak yönde kayar. Buna göre yükselen sıcaklık denge karışımındaki N2O4 moleküllerinin daha fazlasının parçalanarak NO2' e dönüşmesine yol açar. Sıcaklığın yükseltilmesi kimyasal dengeleri, artan ısı enerjisinin kullanılacağı yönde değiştirir. Buna göre endotermik reaksiyonlarda sıcaklık artışı dengeyi ürünler yönüne kaydırırken, ekzotermik reaksiyonlarda reaktantlar yönüne kaydırır. Dikkat edilirse sıcaklık değiştirildiğinde, herhangi bir madde ilave edilmediği veya ortamdan uzaklaştırılmadığı halde dengedeki derişimler değişmektedir. Bu durumda ürünlerle reaktantların derişimlerindeki bu değişiklik denge sabiti eşitliğinde bir değişmeye yol açar ve kurulan yeni dengede Kd farklı bir değere sahip olur. Örneğimizdeki dengeyi yeniden ele alalım. Isı + N2 O4 (g) 2 NO2 (g) , Kd = NO 2 2 N2 O 4 Sıcaklığın artmasıyla denge sağa kayarak NO2 derişiminin artıp, N2 O4 derişiminin azalmasına yol açtığından, yeni denge sabiti ilkine göre kuşkusuz daha yüksek olacaktır. Denge sabiti Kd veya Kp' yi değiştiren tek faktör sıcaklıktaki değişikliktir. Endotermik reaksiyonlarda sıcaklığın artması denge sabitini yükseltirken, ekzotermik reaksiyonlarda düşürür. Aksine sıcaklığın düşürülmesi ekzotermik reaksiyonların denge sabitini yükseltirken, endotermik reaksiyonlarınkini düşürür. Örnek 8.3 Amonyağın oluşma reaksiyonu aşağıda verilmiştir. N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) + Isı Sıcaklığın artırılması ile bu dengedeki maddelerin derişimleri nasıl değişir? Yeni denge sabiti, düşük sıcaklıktakine göre daha mı yüksek olur? - 146 - Çözüm 8.3 N2 (g) + 3H2 (g) ileri 2NH3 (g) + geri Isı Reaksiyon denkleminden de anlaşılabileceği gibi, bir yönde ekzotermik olan bir denge reaksiyonu, aksi yönde endotermiktir. O halde sıcaklığın artırılması şeklinde bir dış etkiyle karşılaşan bu sistem, Le Châtelier kuralına göre, artan ısı enerjisini bir miktar NH3 molekülünü ayrıştırmakta kullanmak üzere, endotermik olan geri reaksiyon yönünde değişir. Yeniden denge kurulduğunda, önceki denge karışımına kıyasla, ortamdaki NH3 derişimi azalmış, N2 ve H2 derişimleri ise artmıştır. O halde Kd = NH 3 2 N2 H2 3 denge ifadesine göre de denge sabiti öncekinden daha düşük olur. ? Bir denge reaksiyonunun 100 °C deki denge sabiti 2,3 x 10-4 iken 25°C de 1,6 x 10 -1 ise, bu reaksiyon ekzotermik midir, yoksa endoter- mik midir? 4.4. Katalizörler ve Denge Bir önceki ünitede, katalizörlerin aktivasyon enerjilerini düşürerek reaksiyon hızlarını artırdığını öğrenmiştiniz. Bir denge reaksiyonunda kullanılan katalizör hem ileri hem de geri reaksiyonu aynı ölçüde etkiler ve her ikisinin hızını da aynı oranda artırır. Bu nedenle dengedeki bir sisteme katalizör ilavesi bir kimyasal dengede ürün veya reaktantların miktarlarını etkilemez, yalnızca dengeye ulaşılmayı çabuklaştırır. Örnek 8.4 PCl5 gazının PCl3 ve Cl2 gazlarına ayrışması endotermik bir denge reaksiyonu ile gerçekleşir. Aşağıdaki değişikliklerin yapılmaları halinde bu denge reaksiyonu nasıl etkilenir, açıklayınız. ■ Sabit hacimdeki denge karışımına Cl2 gazı ilavesi, ■ Sıcaklığın düşürülmesi, ■ Gaz karışımının hacminin artırılması, ■ Gaz karışımının sıkıştırılması - 147 - Çözüm 8.4 Bu değişikliklerin tümü Le Châtelier kuralına göre bir dış etkidir ve denge sistemi bu etkileri azaltacak yönde değişir. Reaksiyon denklemini yazarak bu değişiklikleri sırayla ele alalım. Isı ■ + PCl5 (g) ileri PCl3 (g) + Cl2 (g) geri Dengedeki sisteme Cl2 ilavesi dengeyi geri yönde harekete geçirir. Çünkü artan Cl2 derişimini azaltmak için denge karışımındaki bir kısım PCl3 molekülleri ile derişimi artan Cl2 molekülleri reaksiyona girerek, dengedeki PCl5 derişimini artırır. Bu artış her iki yöndeki reaksiyon hızı eşitlenene dek sürer ve denge yeniden kurulur. ■ Sıcaklığın düşürülmesi ile bu denge reaksiyonu ekzotermik olduğu yön olan geri yönde değişir. Böylece dengedeki PCI5 derişimi artarken PCI3 ve Cl2 derişimi azalır. ■ Reaksiyon karışımının hacminin artırılması yine bir dış etkidir. Bu dış etki nedeniyle dengedeki moleküller arasında daha fazla boşluk oluşacaktır. Denge bu dış etkiyi azaltmak üzere ileri yönde değişir ve artan boşluğu daha fazla sayıda molekül oluşturarak karşılar. Bu nedenle PCl3 ve Cl2 derişimi artar, PCl5 derişimi azalır. ■ Basıncın artırılarak dengedeki gaz karışımı sıkıştırıldığı takdirde, denge artan basıncı azaltmak için molekül sayısının az olduğu yönde değişir ve PCl5 miktarı artar. PCl3 ve Cl2 derişimleri ise azalır. ? 2AB2 (g) + B2 2AB3 (g) D e n g e reaksiyonu- (g) nun 25°C deki ∆H değeri -47,4 k kal dir. Buna göre ■ Denge karışımına B2 ilavesinin ■ Sıcaklığın 100°C ye çıkarılmasının ■ Gaz karışımının hacminin küçültülmesinin dengeyi nasıl etkileye- ceğini düşününüz. - 148 - Özet Tersinirlik bir olayın zıt iki yönde de ilerleyebilmesidir. Kimyasal reaksiyonların çoğu tersinir özellikte olup, ileri yönde ürünleri oluştururken, tersine geri yönde de yürüyerek reaktantları meydana getirirler. Kimyasal denge iki zıt yönlü kimyasal dönüşümün hızları eşitlendiğinde kurulur. Dengedeki bir sistemde ileri ve geri yöndeki reaksiyon hızları eşit olduğundan denge derişimleri koşullar değiştirilmedikçe sabit kalır. Kimyasal denge dinamik bir süreçtir. Dengeye ulaşan her tersinir reaksiyonun belirli bir sıcaklıkta, belirli bir denge sabiti (K) vardır. Denge sabiti, kimyasal reaksiyon denklemindeki katsayılar üs olarak alınmak koşulu ile, dengedeki ürünlerin derişimleri çarpımının, reaktantların derişimleri çarpımına oranıdır. Le Châtelier kuralına göre, denge durumundaki bir reaksiyon sistemine dışarıdan bir etkide bulunulduğunda, denge bu etkiyi azaltacak yönde değişir. Denge karışımındaki maddelerin derişimlerinin, hacim veya basıncın ve dengedeki reaksiyon ortamının sıcaklığının değiştirilmesi, denge durumunu değiştirebilen dış etkilerdendir. Değerlendirme Soruları 1. Kimyasal denge için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) Reaksiyon tamamlanıncaya kadar sürer. B) Reaktantların miktarı ile ürünlerinki eşit olur. C) İleri ve geri reaksiyon hızları eşitlendiği zaman denge kurulur. D) Reaktantların ve ürünlerin derişimleri sabit kalır ve tüm reaksiyonlar durur. E) Denge sabiti = 1 olması halinde verim en fazladır. - 149 - 2. C(k) + H2O(g) CO(g) + H2(g) Yukarıdaki denge reaksiyonunda, sıcaklık değiştirilmeden basınçta bir düşme sağlanırsa aşağıdakilerden hangisi doğru olur? A) Hacim artacağından daha fazla gaz ürün oluşturmak üzere denge sağa kayar ve daha çok CO ile H2 oluşur. B) Reaktantların ve ürünlerin mol sayıları toplamı değişmediğinden, denge hiç etkilenmez. C) Denge daha çok reaktant oluşturacak yönde değişikliğe uğrayacağından, kapta ki C(k) ve H2O(g) miktarları artar. D) Karbonun katı halde olması nedeniyle denge, daha fazla C(k) oluşturmak üzere ortamdaki CO ve H2 gazlarını harcar. E) Basınç değişikliği, içinde katıların yer aldığı denge reaksiyonlarını etkilemez. 3. N2 (g) + O2 (g) 2 NO (g) ∆H<O Yukarıdaki reaksiyonun belli bir sıcaklıkta dengede olduğu biliniyor. Dengedeki N2 miktarı artırılmak istenirse, aşağıdakilerden hangisi yapılmalıdır? A) Reaksiyon kabı soğutulmalı B) Kaba bir miktar NO eklenmeli C) Kabın hacmi küçültülmeli D) Katalizör kullanılmalı E) Kabın basıncı artırılmalı 4. H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) Verilen denge reaksiyonu için 127 °C sıcaklıkta denge sabiti Kd = 50 ise, aynı sıcaklıkta Kp değeri nedir? A) 2500 B) 500 C) 250 D) 50 E) 0,02 - 150 - 5. N2 (g) + O2 (g) 2NO(g) Verilen denge reaksiyonu için T °C deki denge sabiti 2,5 x 10-3 dür. Aynı sıcaklıkta 2NO(g) N2 (g) + O2 (g) reaksiyonunun denge sabiti aşağıdakilerden hangisidir? A) 2,5 x 10-3 B) 5 x 10-3 C) (2,5 x 10-3)2 D) 250 E) 400 6. H2 (g) + Cl2 (g) 2HCl (g) ∆H<O Verilen reaksiyon denklemine göre H2 ile Cl2 gazları birleşirken dışarıya ısı verilir. 250°C sıcaklıkta denge halindeki kapta daha fazla ürün, HCl, oluşması için aşağıdakilerden hangisi uygundur? A) Sıcaklık 250°C de tutulmalı B) Sıcaklık 250°C nin üzerine çıkarılmalı C) Sıcaklık 250°C nin altına düşürülmeli D) Katalizör kullanılmalı E) Kabın hacmi küçültülmeli 7. BaO (k) + SO2 (g) BaSO3 (k) Yukarıdaki denge reaksiyonunun K denge sabiti için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) K = [BaSO 3] [BaO] [ SO 2] B) K = [BaO] [ SO 2] [BaSO 3] C) K = [ SO 2] D) K = 1 SO 2 E) Yalnızca deneysel yolla bulunabilir. - 151 - 8. Aşağıdaki gaz fazı reaksiyonlarının hangisinde hem hacmin küçültülmesi, hem de kabın soğutulması kapta ürün miktarının artmasına yol açar? A) A + B 2C + D ∆H>O B) 2A + B C+D ∆H<O C) A + B C+D ∆H>O D) A + 2B 2C + D ∆H<O E) A + B 2C + D ∆H<O 9. CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g) Belirli bir sıcaklıkta verilen reaksiyonun denge sabiti, Kd, 5 dir. Denge halindeki ortamda kabın bir litrelik hacminde 0,01 mol CO (g), 0,20 mol H2O (g) ve 0,10 mol H2 (g) bulunuyor. Kaptaki CO2 gazının mol sayısı kaçtır? A) 0,10 B) 0,05 C) 0,03 D) 0,02 E) 0,01 10. A2 (g) + 3B2 (g) 2AB3 (g) reaksiyonunun 25°C deki denge sabiti 0,54 iken, 100°C deki denge sabiti 0,0012 dür. Buna göre 25°C de kapalı bir kapta denge halindeki A2 + B2 + AB3 karışımı 100°C ye kadar ısıtılırsa aşağıdakilerden hangisi artar? I. B2 miktarı II. AB3 miktarı III. Kaptaki basınç A) Yalnız I B) Yalnız III C) I ve II D) II ve III E) I ve III - 152 - ÜNİTE 9 Çözeltiler Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Çözelti ve çözelti türlerini tanımlayabilecek, ■ Çözünme olgusunu ve çözünürlüğü kavrayacak, ■ Elektrolitleri ve çeşitlerini tanımlayabilecek, ■ Çözelti derişimini ve derişim birimlerini tanımlayabilecek, derişimle ilgili problemleri çözebilecek, ■ Çözeltilerin buhar basıncını tanımlayabilecek, ■ Çözeltilerin koligatif özelliklerini açıklayabileceksiniz. İçindekiler ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Giriş Çözelti ve Türleri Çözünme Olgusu Elektrolitler Çözünürlük Derişim ve Birimleri Çözeltilerin Buhar Basıncı Çözeltilerin Koligatif Özellikleri Özet Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi çalışmaya başlamadan önce, moleküller arası etkileşimleri, polarlık kavramını, mol kavramını gözden geçiriniz. ■ Bu üniteyi çalışırken verilen örnekleri dikkatle inceleyiniz ve değerlendirme sorularını çözünüz. 1. GİRİŞ Çözeltiler kimyasal reaksiyonlar için ideal ortam sağlamaları bakımından çok önemlidirler. Kullanılacağı yere ve amaca göre, çeşitli fiziksel hallerde bulunan maddelerin ve bu değişik hallerin karışımları ile değişik türde çözeltiler hazırlanır. Ancak reaksiyonların pek çoğu sıvı çözeltilerde yürüdüğünden, en çok kullanılan ve kimyacılar için en önemli olanı sıvı çözeltilerdir. 2. ÇÖZELTİ VE TÜRLERİ Çözelti terimini daha önce Ünite 1'de bir karışım türü olarak görmüştünüz. Çözeltiler, fiziksel özellikleri her yerinde aynı olan homojen karışımlardır. Bir çözeltide en az iki bileşen vardır. Çözelti içinde miktarı çok olan bileşene "çözücü", miktarı az olan bileşene ise "çözünen" denir. Çözücü ve çözünen; katı, sıvı veya gaz olabilir. Buna göre çeşitli çözeltiler hazırlanabilir. Çözücü Çözünen Örnek Çözelti Sıvı Sıvı Alkollü su (suda alkolün çözünmesi) Sıvı Katı Tuzlu su (suda tuz çözünmesi) Sıvı Gaz Amonyaklı su (suda amonyağın çözünmesi) Katı Sıvı Amalgam (gümüşte civanın çözünmesi) Katı Katı Pirinç (bakırda çinkonun çözünmesi) Katı Gaz Palladyumda hidrojenin çözünmesi Gaz Gaz Azotta oksijenin çözünmesi Çözücü sıvı ise, çözünenin sıvı, katı, gaz oluşuna göre 3 türlü; çözücü katı ise, çözünenin sıvı, katı, gaz oluşuna göre de 3 türlü çözelti hazırlamak mümkün olabilir. Çözücü gaz olduğunda ise, gazlar içinde sadece gazlar çözündüğünden tek tür çözelti hazırlanabilir. Katı ve sıvılarla gazlar homojen çözelti oluşturmazlar. Bütün bunlar arasında en sık kullanılan çözelti türleri sıvıda katı, sıvıda sıvı, sıvıda gaz çözeltileridir. Bu tür çözeltiler çözücüsü su ise "sulu çözelti" adını alırlar. Biz burada çözelti terimini genellikle sulu çözelti anlamında kullanacağız. - 154 - 3. ÇÖZÜNME OLGUSU Çözücü ve çözünenin birbiri içinde homojen olarak karışması ile çözünme olayı gerçekleşir. Çözünme, moleküller arasındaki çekim kuvvetine dayanır. Bir çözücünün bir maddeyi çözebilmesi için; çözücü ile çözünen molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinin, çözücü ve çözünenin kendi molekülleri arasındaki çekim kuvvetinden daha büyük olması gerekir. Örneğin şekerin suda çözünmesi; şeker ile su molekülleri arasındaki çekim kuvvetinin, şeker moleküllerinin kendi arasındaki çekim kuvvetinden daha büyük olmasındandır. Şeker, suda iyonlarına ayrışmadan moleküler halde çözünür. Genellikle çözünme olayı, çözücü ile çözünenin benzer yapıda olmaları ile gerçekleşir. Bu durum benzer benzeri çözer şeklinde ifade edilebilir. Dolayısıyla polar çözücüler polar maddeleri, polar olmayan çözücüler de polar olmayan maddeleri daha iyi çözer. Örneğin suya göre polaritesi daha az olan kloroform, (CHCl3), suda çözünmez. Çünkü su molekülleri birbirlerini, kloroform moleküllerine göre daha fazla çekerler. Polar bir bileşik, örneğin metanol, su molekülleri tarafından çekilerek suda çözünür. Buna karşın benzen gibi polar olmayan çoğu organik bileşikler suda çözünmezler. Çünkü sıvı haldeki su molekülleri polar yapıları nedeni ile birbirlerini bir ağ oluştururcasına çekerler. Polar olmayan benzen ise sıvı haldeki suyun bu yapısını bozamaz ve dolayısıyla çözünme gerçekleşemez. İyonik bileşikler, polar sıvılarda çok iyi çözünürler. Çünkü polar çözücü molekülleri, bileşikteki zıt yüklü iyonları iyon-dipol çekim kuvvetleri ile çekerek iyonun etrafını çözücü molekülleri ile sararlar. Bu tür iyonlara "solvatize iyonlar" denir. Solvatize iyonlar sıvı faza geçerek çözünme olayını sağlarlar. Çözücü olarak su kullanılırsa, çözücü ile sarılmış iyonlara "hidratize iyonlar" denir. Örneğin iyonik bir bileşik olan sodyum klorürün suda çözünmesini düşünelim. Bildiğiniz gibi sodyum klorürde, artı yüklü sodyum iyonları ile eksi yüklü klorür iyonları vardır (Şekil 9.1.a). H H O H H Na+ Cl Na+ Cl Na+ O Cl Na+ H Na+ H Cl O Na+ O H O H H H H H O (a) (b) H H O Cl H O H Şekil 9.1 İyonik Yapıdaki Katı NaCl (a), Hidratize Olmuş Na+ ve Cl- İyonları (b). - 155 - Sodyum klorürdeki, sodyum ve klorür iyonlarını ayırmak üzere, su molekülleri; kısmi negatif uçları ile artı yüklü sodyum iyonlarının etrafını, kısmi pozitif uçları ile de eksi yüklü klorür iyonlarının etrafını sararlar (Şekil 9.1.b). Böylece Na+ ve Cl- iyonlarının etrafı su molekülleri ile sarılarak sıvı faza geçerler ve çözünme olayı gerçekleşir. 4. ELEKTROLİTLER Çözünme olayı ile çözeltide yüklü iyonik parçacıklar veya yüksüz moleküler parçacıklar oluşabilir. Örneğin sodyum klorür, sulu çözelti içinde iyonlarına (Na+ ve Cl-) ayrışmış olarak yer almakta idi. Ancak her madde bu şekilde iyonlarına ayrışarak çözünmez. Bazı maddeler suda iyonlarına ayrışmadan, moleküler yapısını koruyarak çözünebilir. Örneğin aseton, CH3 COCH3, suda, CH3 COCH3 (s) + su CH3 COCH3 (suda) yüklü parçacıklara ayrışmaz. Bu şekilde çözeltisinde yüklü parçacıklar bulunmayan bir çözeltinin elektriği iletmesi beklenemez. Şekil 9.2 (a)da görüldüğü gibi elektrik lambasının yanmaması bunu kanıtlar. Bu tür elektriği iletmeyen çözeltiler oluşturan çözünen maddeler "elektrolit olmayanlar" olarak adlandırılırlar. Çözünen madde, sodyum klorür gibi iyonik bir bileşik ise suda artı ve eksi NaCl(k) + su Na+ (suda) + Cl- (suda) yüklü iyonik parçacıklar oluştururlar. Bu şekilde çözeltide (+) ve (-) yüklü parçacıklar oluşturarak çözeltisinin elektriği iletmesini sağlayan maddeler "elektrolitler" olarak adlandırılırlar. Elektrolitler, çözeltide oluşturdukları yüklü iyonik parçacıkların sayısına bağlı olarak "kuvvetli" veya "zayıf elektrolit" olarak sınıflandırılabilirler. (a) (b) (c) Şekil 9.2 Elektrolit Olmayan (a), Zayıf Elektrolit (b), Kuvvetli Elektrolit (c) Çözeltilerde, Elektriğin İletilmesi. - 156 - Kuvvetli bir elektrolit, çözücü içerisinde çözünerek tamamen iyonlarına ayrışır. Örneğin hidroklorik asit suda çözündüğünde, HCl(g) + su H+ (suda) + Cl- (suda) tamamen iyonlarına ayrışır ve çözeltisi elektriği iyi iletir. Bu durum Şekil 9.2.c'de görüldüğü gibi elektrik lambasının kuvvetlice yanması ile gözlenebilir. Zayıf bir elektrolit ise çözeltide kısmen iyonlarına ayrışır. Örneğin asetik asit, CH3COOH, moleküllerinin büyük bir kısmı (%98,7) iyonlarına ayrışmadan çözeltide kalabilir. Bu durum aşağıdaki gibi gösterilebilir. CH3COOH (s) + Su %98,7 CH3 COO-(suda) + H+ (suda) %1,3 Asetik asit gibi suda çözünerek az miktarda (%1,3) iyonlar verebilen zayıf elektrolitler elektriği pek iyi iletmezler. Kuvvetli elektrolitlere göre zayıf elektrolitlerin elektriği daha az iletmeleri, Şekil 9.2.b'de elektrik lambasının daha az ışık vermesi şeklinde görülebilir. Kuvvetli elektrolitlere; HNO3, HCl, NaOH, KOH, Ca(OH)2, NaCl gibi maddeler, zayıf elektrolitlere ise; H 2 CO3, H3 PO4, H 2 S, CH3 COOH, HgCl2, HCN, NH3 gibi maddeler örnek olarak verilebilir. Elektrolitlerin vücudumuzda çok önemli düzenleyici rolleri vardır ve ayrıca asit-baz dengesini sağlamaktan sorumludurlar. HÜCRE DIŞI SIVI HÜCRE İÇİ SIVI Katyonlar Anyonlar Katyonlar Anyonlar Na+ (%95) Cl (%73) K+ (%77) HPO4-2 (%52) K + (%25) HCO3 (%19) +2 Mg (%14) Proteinler(%32) Ca+2(%2) Organik asitler (%5) +2 SO4-2(%10) Na+ (%8) Mg (%0.5) HPO-2 4 (%2) Ca+2(%1) HCO (%5) 3 SO -2(%1) 4 Cl (%1) KAN PLAZMASI Katyonlar Na+ (%92) K+ (%3) Ca+2(%3) Mg+2(%2) Anyonlar Cl (%68) HCO3 (%16) Proteinler(%16) Organik asitler (%4) HPO4 -2(%1) SO4-2 (%1) Şekil 9.3 Vücut Sıvılarında Bulunan Temel Elektrolitler. - 157 - Vücut sıvılarında bulunan katyonlar (Na+,K+, Ca+2, Mg+2) anyonlar (Cl-, HCO3-, HPO4-2, SO4-2 ) ve bazı organik asitler ile proteinler bu sıvıların birer elektrolit çözelti olmalarını sağlarlar. Şekil 9.3'de vücut sıvılarında bulunan temel elektrolitler görülmektedir. 5. ÇÖZÜNÜRLÜK Maddeler değişik ortamlarda farklı miktarlarda çözünür. Bu durumu ifade etmek üzere çözünürlük kavramı kullanılır. Herhangi bir sıcaklıkta, belirli bir hacimdeki çözücü içerisinde, belirli miktar madde çözünür. Ancak verilen belli bir miktar çözücüde çözünen madde miktarı için limit bir değer vardır. Bu limite gelmiş çözeltiye daha fazla çözünen eklenirse, maddenin fazlası çözünmeden kalacaktır. Böyle çözeltilere "doymuş çözeltiler" denir. Doymuş çözeltide çözünen madde miktarına da o maddenin o çözücüdeki "çözünürlüğü" denir. Çözünürlük genellikle 100 mL (100 cm3) veya 100 g çözücüde çözünebilen maddenin gram cinsinden ağırlığı olarak verilir. Örneğin, NaCl'ün sudaki çözünürlüğü 20°C da 36 g/100 mL'dir. Bu ifadeden NaCl'ün verilen şartlarda 100 mL suda 36 g'dan daha fazla çözünmeyeceği anlaşılır. Doygun hale gelmiş bu çözeltiye daha fazla NaCl ilave edildiği takdirde, ilave edilen NaCl çözeltide çözünmeden katı halde kalacaktır. Böyle bir çözeltide, katı madde ile o maddenin doygun çözeltisi temas halindedir ve aralarında bir dinamik denge söz konusudur. Bu denge çözünen moleküllerin hızının, çökelen moleküllerin hızına eşit olmasıyla sağlanır. Doymuş bir çözelti için verilen çözünürlük değerinden daha az miktarda madde bulunduran çözeltilere ise "doymamış çözeltiler" denir. Çözünürlük belirtilirken, sıcaklığın ve çözünmenin yer aldığı ortamın diğer şartlarının tanımlanması gerekir. Çoğunlukla çözeltiler normal atmosfer basıncında hazırlandığından, gazlar dışındaki maddelerin çözünürlükleri basınçtan söz etmeden verilir. Çünkü basınç değişimi, katıların sıvılardaki veya sıvıların sıvılardaki çözünürlüğünü etkilemez, fakat gazların sıvılardaki çözünürlüğünü etkiler ve gazların çözünürlükleri basıncın artması ile artar. (Ünite 6'ya bakınız). Katı ve sıvıların su içindeki çözünürlükleri genellikle sıcaklık ile artar, gazların çözünürlükleri ise sıcaklıkla azalır. Bu nedenle, çözünürlük ifade edilirken mutlaka hangi sıcaklıkta olduğunu belirtmek gerekir. Ayrıca gazların çözünürlüklerinde, basıncın etkisi büyük olduğundan basıncın da belirtilmesi gerekir. - 158 - Maddelerin çözünürlüğü, çözücü ve çözünen maddelerin türüne göre değişir. Maddelerin çözünürlüğünü fiziksel ve kimyasal özellikleri etkiler. Bu özellikler polarlık, moleküller arası çekim kuvvetleri gibi özelliklerdir. Ancak burada bu özellikler üzerinde durulmayacaktır. 6. DERİŞİM VE BİRİMLERİ Belirli bir miktar çözelti veya çözücü içerisinde çözünen madde miktarına derişim denir. Derişimi düşük olan çözeltiler seyreltik çözelti, derişimi yüksek olan çözeltiler ise derişik çözelti olarak bilinir. Ancak bir çözeltide çözünen madde miktarının bilinmesi gerekir. ? Bir çözeltide çözünen madde miktarını nasıl ifade ederiz? Bir çözeltide çözünen madde miktarı, kütle, hacim, mol terimlerini içeren çeşitli derişim birimleri ile belirtilir. En çok kullanılan derişim birimleri, yüzde derişim, mol kesri, molarite, normalite, molalite, ppm ve ppb'dir. Şimdi bu birimleri görelim. 6.1. Yüzde Derişim Bu derişim birimi değişik anlamlarda kullanıldığından; ağırlık, hacim veya ağırlık-hacim gibi terimlerle açıkça belirtilmesi gerekir. ■ Ağırlık esasına göre verilen yüzde çözeltiler: 100 Ağırlık birimi çözeltide kaç ağırlık birimi çözünen olduğunu gösterir. Aşağıdaki eşitlik ile Ağırlık yüzdesi = Çözünenin ağırlığı x 100 Çözeltinin ağırlığı şeklinde ifade edilebilir. Örneğin %20'lik NaCl çözeltisi demek 100 ağırlık birimi çözeltide (g, kg, mg, ton vb. olabilir) 20 ağırlık birimi NaCl var demektir. Böyle bir çözelti 20 g NaCl'in 80 g saf suda çözünmesiyle hazırlanabilir. ■ Hacim esasına göre verilen yüzde çözeltiler: 100 Hacim birimi (mL, L, m3, vb. olabilir) çözeltide kaç hacim birimi çözünen olduğunu gösterir. Aşağıdaki eşitlik ile Hacim yüzdesi = çözünenin hacmi x 100 çözeltinin hacmi şeklinde ifade edilebilir. - 159 - Örneğin 30 mL hacmindeki bir maddeyi, uygun bir çözücüde çözerek çözelti hacminin tam 100 mL'ye tamamlanmasıyla %30'luk bir çözelti hazırlanmış olur. ■ Ağırlık-hacim esasına göre verilen yüzde çözeltiler: 100 Hacim birimi çözeltide kaç ağırlık birimi çözünen olduğunu gösterir. Aşağıdaki eşitlik ile Ağırlık-hacim yüzdesi = çözünenin ağırlığı x 100 çözeltinin hacmi şeklinde ifade edilebilir. Katı maddenin sudaki çözeltileri için bu derişim ifadesi kullanılır. Örneğin %10'luk bir NaCl çözeltisi demek, 100 mL çözeltide 10 gram NaCl var demektir. 6.2. Mol Kesri Çözeltideki bir bileşenin mol sayısının, toplam mol sayısına oranı, o bileşenin mol kesri olarak tanımlanır ve X ile gösterilir. Örneğin A,B,C ... bileşenlerinden oluşan bir çözeltideki A bileşeni için mol kesri, B bileşeni için mol kesri; nA nA + nB + nC + ... nB XB = nA + nB + nC + ... XA = şeklinde yazılır. Çözeltideki bileşenlerin mol kesirleri toplamı birdir ve XA + XB + XC + ... = 1 olarak ifade edilebilir. Örnek 9.1 2,8 g azot ve 0,8 g oksijen içeren bir gaz karışımındaki azot ve oksijenin mol kesrini hesaplayınız. Çözüm 9.1 Bilinmeyen X N2 X O2 Verilen Bağıntı 2,8 g N2 X N2= 0,8 g O2 - 160 - nN2 , nN2 + nO2 X O2= 28 g N2 , 32 g O2 1 mol N2 1 mol O 2 nO2 nN2 + nO2 nN2 = 2,8 g N2 =0,1 mol N , 2 28 g mol-1N2 nO2 = 0,8 g O2 = 0,025 mol O 2 32 g mol-1 O2 X N2 = 0,1 = 0,8 0,1+0,025 X O2 = 0,025 = 0,2 0,1+0,025 şeklinde hesaplanır. X N2 + X O2 = 1 olduğundan X O2=1- 0,8= 0,20 şeklinde de hesaplanabilir. 6.3. Molarite Molarite, bir litre (1000 cm3) çözeltide çözünenin mol sayısıdır. Molarite M; çözünenin mol sayısı n ve çözeltinin hacmi V, olmak üzere M= Çözünenin mol sayısı Çözeltinin hacmi n = V (L) şeklinde ifade edilir. Örneğin, 1,00 M (veya 1,00 molar) sodyum klorür çözeltisi demek, bir litre çözeltide 1 mol yani 58,44 g NaCl bulunuyor demektir. Söz konusu NaCl çözeltisinin derişimi, 1 M, mol/L veya 1 molar terimlerinden herhangi biri ile ifade edilir. Örnek 9.2 36,9 gram sukroz C12H22O11, yeteri kadar suda çözülmüş ve çözeltinin hacmi 0,473 litre olacak şekilde su ile tamamlanmıştır. Sukrozun bu çözeltideki molaritesini hesaplayınız. Çözüm 9.2 Bilinmeyen Molarite Verilen Bağıntı 36,9 g sukroz M= n V (L) 0,473 L çözelti 1 mol sukroz veya 342,3 g sukroz 342,3 g sukroz 1 mol sukroz Molarite = 36,9 g sukroz x 1 mol sukroz = 0,228 mol sukroz = 0,228 M 0,473 L çözelti 342,3 g sukroz L çözelti - 161 - 6.4. Normalite Normalite bir litre (1000 cm3) çözeltide çözünenin ekivalen (veya eşdeğer) ağırlık sayısıdır. Normalite, "N"; çözünenin ekivalen ağırlık sayısı "ek" ve çözeltinin hacmi "V", olmak üzere N= Çözünenin ekivalen ağırlık sayısı = ek Çözeltinin hacmi V (L) şeklinde ifade edilebilir. Eklivalen ağırlık sayısı; çözünenin ağırlığının ekivalen ağırlığına bölünmesiyle bulunur. Ekivalen ağırlık ise maddenin gireceği reaksiyondaki işlevine göre değişir. Şimdi bu durumu kısaca örneklerle açıklamaya çalışalım. ■ Nötralleşme reaksiyonlarında; ekivalen ağırlık, formül ağırlığının - asitlerde aktarılan H+ iyonu sayısına - bazlarda aktarılan OH- iyonu sayısına bölünmesiyle bulunur. Örneğin, HCl, HNO3, CH3 COOH gibi tek H+ iyonu içeren asitlerle NaOH, KOH gibi tek OH- iyonu içeren bazlarda, ekivalen ağırlık formül ağırlığına eşittir. ■ Yükseltgenme indirgenme reaksiyonlarında ise ekivalen ağırlık, formül ağırlığının - reaksiyonda aktarılan elektron sayısına bölünmesiyle bulunur. Örneğin, MnO4- + 3e- + 2 H2O MnO2 + 4OH- reaksiyonunda MnO4- içindeki manganın değerliği +7'den, MnO2 içinde +4'e indirgendiği için aktarılan elektron sayısı 3'tür. Bu reaksiyona göre MnO -'in ekivalen ağırlığı, formül 4 ağırlığının üçe bölünmesiyle bulunur. ■ Tuz oluşturan reaksiyonlarda ekivalen ağırlık, formül ağırlığının - tuzun bir cins iyonunun toplam yük sayısına bölünmesiyle bulunur. Örneğin NaCl, AgNO3 gibi tuzlarda ekivalen ağırlık formül ağırlığına eşittir. BaCl2, MgSO4 gibi tuzlarda ise, ekivalen ağırlık formül ağırlığının yarısına eşittir. - 162 - Örnek 9.3 0,1 litre çözeltide 4,9 g H2SO4 bulunuyorsa bu çözeltinin normalitesini ve molaritesini hesaplayınız. Çözüm 9.3 Bilinmeyen Normalite Molarite Verilen Bağıntı 4,9 g H2SO4 0,1 L çözelti N= ek , V (L) M= n V (L) 1 mol H2SO 4 veya 98 g H2SO 4 98 g H2SO 4 1 mol H2SO 4 -1 Ekivalen ağırlık=98 g mol-1 2 ek mol H2SO 4 'ün ağırlığı Ekivalen ağırlık sayısı= ek= H2SO 4 'ün ekivalen ağırlığı Mol sayısı= H2SO 4 'ün ağırlığı H2SO 4 'ün formül ağırlığı 4,9 g H2SO 4 98 g ek-1H2SO 4 Normalite= 2 = 0,1 ek = 1 N 0,1 L çözelti 0,1 L 4,9 g H2SO 4 98 g mol-1H2SO 4 = 0,05 mol = 0,5 M Molarite= 0,1 L çözelti 0,1 L Görüldüğü gibi yapısında iki hidrojen içeren sülfirik asitin (H2SO4) normalitesi, molaritesinin 2 katıdır. Normalite ile molarite arasında, N= aM bağıntısı yazılabilir. Burada a, "tesir değerliği" olup ekivalen ağırlık bulunurken formül ağırlığını böldüğümüz sayıya eşittir. Çözüm 9.3'de H2SO4'ün tesir değerliği 2, molarite 0,5 olduğuna göre N= 2.(0,5) = 1 yazılabilir. - 163 - Örnek 9.4 3,0 g CuSO4'in 250 mL çözeltideki molaritesi ve normalitesi nedir? Çözüm 9.4 Bilinmeyen Molarite Verilen 3,0 g CuSO4 Bağıntı M= n , N= ek V (L) V (L) Normalite 250 mL (0,25 L) 159,60 g Cu SO 4 1 mol CuSO4 çözelti n= CuSO 4 'ın ağırlığı CuSO4'ın formül ağırlığı -1 Ekivalen ağırlık= 159,60 g mol 2 ek mol-1 Ekivalen ağırlık sayısı= ek= CuSO 4 'ın ağırlığı CuSO 4 'ın ekivalen ağırlığı 3,0 g Cu SO 4 -1 Molarite= 159,60 g mo CuSO 4 = 0,019 mol = 0,076 M l çözelti 0,250 L 0,250 L 3 g CuSO 4 159,60 g ek-1 CuSO 4 2 Normalite= = 0,038 ek = 0,152 N 0,250 L çözelti 0,250 L Görüldüğü gibi N= 2 x M N= 2 x 0,076 = 0,152 dir. 6.5. Çözeltilerin Seyreltilmesi Çözeltiler genellikle derişimi bilinen stok çözeltilerinden hazırlanır. Bunun için stok çözeltiden hesaplanarak alınan çözelti, istenen hacme göre seçilmiş balon jojeye alınır ve üzerine hacmi belirten çizgiye kadar çözücü eklenir. Bu şekilde başlangıçtaki derişimden daha seyreltik çözelti hazırlanmış olur. Balon joje - 164 - Seyreltme hesapları, stok çözeltiden alınan çözünen mol sayısı ile seyreltik çözeltideki çözünenin mol sayısının aynı olması esasına dayanır ve (stok derişimi) (stok hacmi) = (istenen derişim) (istenen hacim) şeklinde ifade edilebilir. Burada eşitliğin her iki tarafında derişim ve hacim birimlerinin aynı olmasına dikkat edilmelidir. Çoğu derişimler molarite ve normalite ile ifade edildiğinden kısaca M1V1 = M2V2 veya N1V1 = N2V2 şeklinde yazılabilir. N1, M1, V1 normalite, molarite ve hacmin ilk değerleri, N2, M2, V2 ise normalite, molarite ve hacmin son değerleridir. Örnek 9.5 12 M stok HCl çözeltisinden, 2,00 L 0,50 M HCl çözeltisi hazırlamak için kaç mL almak gerekir? Çözüm 9.5 Bilinmeyen Verilen Bağıntı V1 M1= 12 M M1 V1 = M2 V2 M2= 0,50 M V2= 2,00 L M1 V1 = M2 V2 (12 M) V1 = (0,50 M) (2,00 L) V1= 0,0833 L = 83,3 mL olarak bulunur. Buna göre 83,3 mL 12 M stok HCl çözeltisinden alınıp 2,00 L'ye tamamlanırsa 0,50 M'lık çözelti hazırlanmış olur. 6.6. Molalite Molalite, 1 kg (veya 1000 g) çözücüde (çözeltide değil) çözünenin mol sayısıdır. Molalite veya molal derişim, "m" ile gösterilir ve Molalite = Çözünenin mol sayısı Çözücünün miktarı (kg) şeklinde ifade edilebilir. Örneğin 5,00 molal NaCl çözeltisi demek, 1 kg suda 5,00 mol NaCl bulunuyor demektir. - 165 - Örnek 9.6 Bir antifriz çözeltisi 40 g etilen glikolün (C2H6O2) 60 g su ile karıştırılmasıyla hazırlanır. Bu çözeltinin molalitesini hesaplayınız. Çözüm 9.6 Bilinmeyen Verilen Bağıntı Molalite 40 g C2H6O2 Molalite = Çözünenin mol sayısı Çözücünün kg miktarı 60 g H2O 62,1 g C2H6O2 1 mol C2H6O2 1 kg veya 10 3 g 1 kg 10 3 g 40 g C2H6O2 -1 Molalite= 62,1 g mol C2H6O2 = 10,7 mol C2H6O2 = 10,7 m kg çözücü 60 g çözücü 1 kg 3 10 g olarak bulunur. 6.7. ppm ve ppb Bazen çok hassas analizlerde derişimler o kadar küçük olur ki derişim birimi olarak "ppm" veya "ppb" kullanılır. ppm, milyonda parça anlamında (ppm, İngilizce parts per million kelimelerinin kısaltılmış şekli) bir derişim birimidir. Örneğin 5 ppm, bir milyonda (106) beş parça demektir. 5 ppm Hg denildiğinde ise 1 kg su örneğinde 5 mg civa bulunduğu anlaşılır ve 5 mg = 5 mg = 5 ppm 1 kg 10 6 mg şeklinde yazılır. Çok seyreltik çözeltilerde; 1 kg çözeltinin hacmi, (suyun yoğunluğu 1 g/mL= 1 kg/L olduğundan) bir litredir. Buna göre çözeltilerde bu birim, ppm= çözünenin miktarı (mg) çözeltinin hacmi (L) şeklinde ifade edilebilir. Örneğin 20 ppm Fe, 1 litre çözeltide 20 mg Fe bulunuyor anlamındadır. - 166 - Çok küçük derişimler için diğer bir derişim birimi ppb (İngilizce parts per billion kelimelerinin kısaltılmışı) kullanılır. Milyarda parça anlamına gelen ppb için litre çözücüde çözünen miktarı mikrogram cinsinden ifade edilir. Buna göre ppb, µ ppb= çözünenin miktarı ( g) çözeltinin hacmi (L) şeklinde gösterilebilir. Örnek 9.7 500 mL su örneğinde 3,6 mg kurşun bulunuyorsa çözeltinin derişimini ppm olarak hesaplayınız. Çözüm 9.7 Bilinmeyen Verilen ppm 3,6 mg Pb+2 500 mL örnek ppm= 3,6 mg Pb 500 mL +2 Bağıntı ppm= çözünenin mg miktarı çözeltinin L miktarı +2 10 3 mL = 7,2 mg Pb = 7,2 ppm Pb+2 1L 1L 7. ÇÖZELTİLERİN BUHAR BASINCI Çözeltilerde; kinetik enerjisi büyük, sıvı yüzeyindeki veya sıvı yüzeyine yakın moleküllerden bazıları, moleküller arası çekim kuvvetini yenerek sıvı yüzeyinden ayrılır ve gaz haline geçebilirler. Bu olay "buharlaşma" olarak tanımlanır. Buhar halindeki sıvı yüzeyine yakın moleküllerin bazıları da yüzeydeki moleküller tarafından çekilebilirler ve bu moleküller de tekrar sıvıya dönebilirler. Bu olay da "yoğunlaşma" olarak bilinir. Buharlaşma hızı ile yoğunlaşma hızı birbirine eşit olduğunda dinamik denge kurulur. Dinamik denge halindeki buharın basıncına o sıvının o sıcaklıktaki buhar basıncı denir. Suyun 100°C de dinamik denge halinde iken buhar basıncı 760 mm Hg dır, eğer atmosfer basıncı da 760 mm Hg ise kaynama olayı gözlenir. Sıvının buhar basıncının, dışbasınca eşit olduğu sıcaklığa, o maddenin "kaynama noktası" denir. Çözeltilerin buhar basınçları ile, derişimi arasındaki bağıntı ilk kez M.Raoult tarafından araştırılmıştır ve bu bağıntı "Raoult Yasası" olarak bilinir. - 167 - Raoult Yasasına göre, bir çözeltinin buhar basıncı, çözücünün saf haldeki buhar basıncı ile onun mol kesrinin çarpımına eşittir. Çözeltinin buhar basıncı "P"; saf çözücünün buhar basıncı "P°", çözücünün mol kesri " X1" olmak üzere Raoult Yasası P= P°X1 şeklinde ifade edilebilir. Çözücünün mol kesri X1; çözücünün çözelti içindeki mol sayısının n1, çözünen maddenin çözelti içindeki mol sayısı n2 olmak üzere, X 1= n1 n 1+n 2 şeklinde yazılabilir. 8. ÇÖZELTİLERİN KOLİGATİF ÖZELLİKLERİ Koligatif özellikler, sadece çözeltideki çözünen parçacıklarının sayısına bağlıdır. Çözeltide bulunan çözünen parçacıkları (atomlar, iyonlar, moleküller) çözeltinin buhar basıncının, saf çözücüye göre daha düşük olmasına neden olurlar. Çünkü çözünen parçacıkları; çözeltinin yüzeyinden daha az sayıda çözücü moleküllerinin ayrılmasına sebep olurlar. Buna karşın sıvıya dönen buhar moleküllerinin sayısı değişmez. Bu nedenle derişik çözeltiler, saf çözücüden daha yavaş buharlaşırlar. Buhar basıncının azalması, koligatif özelliğe bir örnektir. Bir çözünen etkisi ile buhar basıncı düşürülen bir çözeltinin, buhar basıncını atmosferik basınca eşit yapabilmek için daha yüksek sıcaklığa gereksinimi vardır. Bu etki çözeltilerde kaynama noktası yükselmesi şeklinde ortaya çıkar. Koligatif bir özellik olan kaynama noktası yükselmesi, ∆Tb= Kb.m şeklinde ifade edilir. ∆Tb, kaynama sıcaklığındaki değişme; "m", molalite, "Kb" molal kaynama noktası yükselmesi sabiti olup çözücünün bir özelliğidir. Su için Kb değeri 0,512 (°C) (kgH2O) / mol olarak verilir. Örnek 9.8 1,0 Molal şekerli-su çözeltisinin bir atmosferdeki kaynama noktası sıcaklığını bulunuz. - 168 - Çözüm 9.8 1,0 molal şeker çözeltisinin kaynama noktası saf suya göre ∆Tb= 0,512 (oC) (kg H 2O ) 1,00 mol = 0,512 oC mol kg H 2O kadar yükselmiş olarak bulunur. 1 Atmosferde; saf suyun kaynama noktası 100 °C olduğuna göre, bu çözelti 100, 512 °C da kaynayacaktır. Bir çözücü donduğunda, sıvı ve katı hali arasında, aynen kaynama sırasında sıvı ve gaz hali arasında olduğu gibi bir denge vardır. Dolayısıyla sıvı çözücünün buhar basıncı ile katı çözücünün buhar basınçları birbirine eşit olmalıdır. Fakat çözeltinin buhar basıncı çözünenlerin etkisi ile azalır ve donma noktası da alçalır. Buhar basıncının düşmesi, katı hale geçmek için sıvı hali bırakmaya daha az istekli olması anlamında düşünülebilir. Dolayısıyla çözeltide katı çözücü ile sıvı çözücünün dengede olabilmesi gereken sıcaklık azalır. Donma noktası alçalmasını hesaplamak için, kaynama noktası yükselmesini hesaplamakta kullanılan eşitliğe benzer bir eşitlik ∆Tf= Kfm yazılabilir. Burada "∆Tf", donma sıcaklığındaki değişme; "m", molalite; "Kf", molal donma noktası alçalması sabitidir. Kb gibi Kf de çözücünün bir özelliğidir. Su için Kf değeri 1,86 (oC) (kg H O)/mol olarak verilir. ( K 'deki mol, çözünenin molüdür.) 2 f Örnek 9.9. 1 molal şeker çözeltisinin bir atmosferdeki donma noktası sıcaklığını bulunuz. Çözüm 9.9. 1 molal şeker çözeltisinin donma noktasını saf suya göre ∆Tf = 1,86 o ( C) (kg H2O) x 1,00 mol = 1, 86 mol kg H2O o C kadar düşmüş olur. Saf su 0°C'da donduğuna göre bu çözelti -1,86 °C (1 atmosferde)da donar. Otomobil radyatörlerindeki antifiriz, suyun donma noktasını düşürmesi prensibine dayanır. %40 (ağırlık/ağırlık) etilen glikol (C2H6O2) çözeltisi, suyun donma noktasını -20 °C'a kadar düşürür. - 169 - çözücü yarı geçirgen zar çözelti Şekil 9.4 Ozmoz: Çözücü molekülleri zardan difüzlenerek derişik çözeltiye doğru hareket ederler. Ozmotik basınç da diğer bir koligatif özelliktir. Ozmoz olayı, çözünen parçacıklarının geçemediği yarı geçirgen bir zardan çözücü moleküllerinin difüzyonudur. Yarı geçirgen zarın iki tarafında farklı derişimdeki çözeltiler yer aldığında, çözücü daha seyreltik çözeltiden (daha fazla çözücü içerir) daha derişik çözeltiye (daha az çözücü içerir) hareket eder (Şekil 9.4). Ozmoz olayı, derişik çözelti yeteri kadar seyreltik olana kadar diğer bir deyişle, çözücü molekülleri zardan zıt yönlerde eşit hızda geçişleri sağlanana kadar devam eder. Ozmotik basınç ise, ozmoz sırasında daha derişik çözeltiden, çözücü akışını durdurmak için gereken basınçtır. Ozmotik basınç da sadece çözünenin parçacıklarının sayısına (sabit sıcaklıkta, hacimde) bağlı olup koligatif bir özelliktir. Ozmotik basınç canlı sistemlerde çok önemlidir. İnsan plazmasının 37 °C'de 7,65 atmosferlik bir basıncı olduğu bulunmuştur. Bitki köklerinde ise 50 atm veya daha fazla olabilmektedir. Özet Çözelti homojen bir karışımdır. Çözeltide miktarı çok olan bileşen çözücü, miktarı az olan bileşen çözünen adını alır. Çözeltiler gaz, sıvı veya katı halinde olabilirler. Çözünme, moleküller arasındaki çekim kuvvetine dayanır ve genellikle benzer benzeri çözer şeklinde ifade edilir. - 170 - Suda çözünerek yüklü tanecikler oluşturan maddeler "elektrolit" olarak adlandırılır. Elektrolitler kuvvetli ve zayıf olmak üzere sınıflandırılırlar.Herhangi bir sıcaklıkta, belirli hacimdeki çözücüde belirli miktar madde çözünür. Normal şartlarda, belirli sıcaklıkta, çözünenin maksimum çözünebildiği miktarı içeren çözeltilere "doymuş çözeltiler" denir. Doymuş çözeltide çözünen madde miktarına da o maddenin o çözücüdeki "çözünürlüğü" denir. Belirli bir miktar çözelti veya çözücü içersinde çözünen madde miktarına "derişim" denir. En çok kullanılan derişim birimleri; yüzde derişim, mol kesri, molarite, normalite, molalite, ppm ve ppb'dir. Çözeltilerin koligatif özellikleri, sadece çözeltide çözünen parçacıkların sayısına bağlıdır. Bu özellikler, "buhar basıncı alçalması", "donma noktası alçalması", "kaynama noktası yükselmesi" ve "ozmotik basınç"tır. Değerlendirme Soruları 1. Sodyum nitratın 25 °C deki çözünürlüğü 92,1 gram/100 mL suda olarak verildiğine göre, 2,5 L suda kaç gram NaNO3 çözünür? A) 2,4 B) 9,2 C) 23 D) 2,5X102 E) 2,3X103 2. 6,0 gram suda 4 gram NaCl çözülmesiyle hazırlanan bir çözelti ağırlıkça yüzde kaç NaCl içerir? A) %12 B) %32 C) %40 D) %63 E) %87 3. Hacimce %2,1 alkol içeren 750 mL çözelti hazırlamak için kaç mL alkol gereklidir? A) 15,75 B)21,2 C) 75,0 D) 100,0 E) 108,2 4. 0,1 M NaOH çözeltisinin 25 mL sinde kaç gram NaOH çözünmüş olarak bulunur? A) 0,1 B) 0,2 C) 0,3 - 171 - D) 0,4 E) 0,5 5. 100 mL 0,55 M sodyum asetat çözeltisini 0,45 M yapmak için kaç mL su ilave edilmelidir? A) 1,2 B) 10,2 C) 18 D) 22 6. Dikromat iyonu, Cr2O72- + 14 H+ + 6 e- E) 28 2 Cr3+ + 7H2O yarı reaksiyonuna göre yükseltgeyici olarak kullanılacaktır. 2,0 N, 250 mL çözelti hazırlamak için kaç gram K2Cr2O7 alınmalıdır? A) 10,2 B) 14,8 C) 18,9 D) 24,5 E) 26,0 7. 0,50 molal glikoz, C6H12O6, çözeltisi hazırlamak için 500 g suda kaç gram glikoz çözülmelidir? A) 12,4 B) 25,8 C) 45,0 D) 51,2 E) 72,3 8. 12,5 ppm civa içeren 2 L çözeltide kaç gram civa vardır? A) 0,010 B) 0,012 C) 0,025 D) 0,050 E) 0,075 9. 0,20 m sulu alkol çözeltisinin donma noktası nedir? A) -0,13 °C B) -0,20 °C C) -0,37 °C D) -0,41 °C E) -0,55 °C 10. 0,33 m sukroz çözeltisinin kaynama noktası nedir? A) 100,03 °C B) 100,10 °C C) 100,17 °C - 172 - D) 100,23 °C E) 100,38 °C ÜNİTE 10 Çözünürlük ve Kompleks İyon Dengeleri Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra; ■ Çözünürlük çarpımı sabiti kavramını öğrenecek, ■ Çözünürlük ve Kçç arasındaki ilişkiyi kullanarak çözünürlük problemlerini çözebilecek, ■ Çözünürlüğü etkileyen faktörleri bilecek ■ Çökelme koşulunu ve seçmeli çöktürmeyi kavrayacak ■ Kompleks iyon dengelerini ve K0l sabitini öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Çözünürlük Çarpımı Sabiti, Kçç ■ Çözünürlük ve Kçç Arasındaki İlişki ■ Çözünürlüğe Etki Eden Faktörler ■ Çökelme Koşulu ve Seçmeli Çöktürme ■ Kompleks İyon Dengeleri ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi çalışmadan önce "Kimyasal Denge" konulu Ünite 8'i gözden geçiriniz. ■ Verilen örnekler üzerinde dikkatle durunuz ve ünitede verilen soruları çözünüz. 1. GİRİŞ Ünite 8'de denge, denge sabiti kavramlarını gördünüz. Bildiğiniz gibi denge sabiti kavramı heterojen sistemlerde de geçerlidir. Bu bölümde az çözünen ve katı fazı oluşturan bir bileşiğin sıvı fazında bulunan ve yapısında yer alan iyonlarla oluşturduğu denge ve çözünürlük arasındaki ilişkileri ele alınacaktır. Ayrıca çözünürlüğü etkileyen faktörlerden birisi olan kompleks oluşumu ile ilgili olarak "kompleks iyon" ve "kompleks oluşum dengelerine" de yer verilecektir. 2. ÇÖZÜNÜRLÜK ÇARPIMI SABİTİ, Kçç Az çözünen bir bileşiğin katı fazdaki hali ile çözeltideki iyonları arasında bir denge vardır. Genel olarak AmBn şeklinde formüle edilen az çözünen bir tuzu göz önüne alalım. Bu tuzun doymuş sulu çözeltisi içindeki iyonları arasındaki çözünürlük dengesi, AmBn(k) mA+n + nB-m şeklinde olup, denge sabiti K= A+n m B-m Am Bn(k) n olarak yazılabilir. ancak saf katıların dengedeki derişimleri değişmediğinden yukarıdaki eşitlik A+n m B-m n = K Am Bn(k) = Kçç şeklinde yazılabilir. Böyle bir ifadede yer alan Kçç sabitine "çözünürlük çarpımı sabiti" denir. Görüldüğü gibi çözünürlük çarpımı sabiti, doymuş bir çözeltide, az çözünen bileşiğin iyonlarının derişimlerinin çarpımıdır. Burada iyonların çözünürlük derişimleri molar (mol/litre) derişim cinsindendir. Çizelge 10.1'de bazı bileşiklerin Kçç değerleri ve çözünürlük dengeleri verilmiştir. - 174 - Çizelge 10.1 Bazı Bileşiklerin Çözünürlük Çarpımı Sabitleri a (25°C'de) Çözünen Çözünürlük dengesi Kçç aluminyum hidroksit Al(OH)3(k) Al+3(aq) + 3 OH-(aq) 1,3 x 10-33 baryum karbonat BaCO3(k) Ba+2(aq) + CO3-2(aq) 5,1 x 10-9 baryum sülfat BaSO4(k) Ba+2(aq) + SO4-2(aq) 1,1 x 10-10 kalsiyum karbonat CaCO3(k) Ca+2(aq) + CO3-2(aq) 2,8 x 10-9 kalsiyum florür CaF2(k) Ca+2(aq) + 2 F-(aq) 5,3 x 10-9 kalsiyum sülfat CaSO4(k) Ca+2(aq) + SO4-2(aq) 9,1 x 10-6 krom (III) hidroksit Cr(OH)3(k) Cr+3(aq) + 3 OH-(aq) 6,3 x 10-31 demir (III) hidroksit Fe(OH)3(k) Fe+3(aq) + 3 OH-(aq) 4 x 10-38 kurşun (II) klorür PbCl2(k) Pb+2(aq) + 2 Cl-(aq) 1,6 x 10-5 kurşun (II) kromat PbCrO4(k) Pb+2(aq) + CrO4-2(aq) 2,8 x 10-13 kurşun (II) iyodür PbI2(k) Pb+2(aq) + 2I-(aq) 7,1 x 10-9 magnezyum karbonat MgCO3(k) Mg+2(aq) + CO3-2(aq) 3,5 x 10-8 magnezyum florür MgF2(k) Mg+2(aq) + 2 F-(aq) 3,7 x 10-8 magnezyum hidroksit Mg(OH)2(k) Mg+2(aq) + 2 OH-(aq) 1,8 x 10-11 magnezyum fosfat Mg3(PO4)2(k) 3 Mg+2(aq) + 2 PO4-3(aq) 1 x 10-25 cıva(I) klorür Hg2Cl2(k) Hg2+2(aq) + 2 Cl-(aq) 1,3 x 10-18 gümüş bromür AgBr(k) Ag+2(aq) + Br-(aq) 5,0 x 10-13 gümüş klorür AgCl(k) 2 Ag+(aq) + Cl-(aq) 1,8 x 10-10 gümüş kromat Ag2CrO4(k) Ag+(aq) + CrO4-2(aq) 2,4 x 10-12 gümüş iyodür AgI(k) Ag+(aq) + I-(aq) 8,5 x 10-17 stronsiyum karbonat SrCO3(k) Sr+2(aq) + CO3-2(aq) 1,1 x 10-10 stronsiyum sülfat SrSO4(k) Sr+2(aq) + SO4-2(aq) 3,2 x 10-7 (aKçç değerlerinin daha ayrıntılı listesi Ek2 de verilmiştir.) Tüm denge sabitleri gibi çözünürlük çarpımı sabiti de çözünen bileşiğin cinsine ve sıcaklığına bağımlıdır. Katıların sıvılarda çözülmesi olayı endotermik olduğundan, sıcaklık arttığında katının sudaki çözünürlüğü de artar ve Kçç değeri büyür. Örnek 10.1 AgI, Hg2 Cl2, Ca3(PO4)2 suda az çözünen tuzlardır, bu bileşiklerin çözünürlük çarpımı ifadelerini yazınız. Çözüm 10.1 Kçç ifadesi, çözünürlük denge reaksiyonundaki iyonlar için yazılır. İyonların katsayıları, ilgili iyonlara "üs" olarak yazılır. - 175 - ? AgI(k) Ag+ + I- Kçç = [Ag+] [I-] Hg2 Cl2(k) Hg2 +2 + 2 Cl- Kçç = [Hg2+2] [Cl-]2 Ca3(PO4)2(k) 3 Ca+2 + 2 PO4-3 Kçç = [Ca+2]3 [PO4-3]2 Baryum iyodat, stronsiyum fosfat, kalsiyum florür tuzları için çözünürlük çarpımı sabiti ifadelerini yazınız. 3. ÇÖZÜNÜRLÜK VE Kçç ARASINDAKİ İLİŞKİ Az çözünen bir bileşiğin doygun sulu çözeltisindeki molar çözünürlüğü ile Kçç arasında bir ilişki vardır. Deneysel olarak tayin edilen bir bileşiğin çözünürlüğünden Kçç değeri elde edilebildiği gibi (Örnek 2), tersine bir bileşiğin Kçç değerinden çözünürlüğü hesaplanabilir (Örnek 3). ■ Çözünürlükten Kçç Değerinin Bulunması Örnek 10.2 AgCl'ün 25°C'daki çözünürlüğü 1,434 x 10-4 g AgCl/100 mL olarak belirlenmiştir. Bu tuzun 25°C'daki Kçç değerini bulunuz. Çözüm 10.2 Burada ilk önce çözünürlüğün molar derişime çevrilmesi daha sonra Kçç değerinin hesaplanması gerekir. (gAgCl/100mL mol AgCl/L [Ag+] ve [Cl-] Kçç) Bunun için önce çözünürlüğü g/100mL'den mol/L (molar derişim, M)' e çevirelim. (Burada 100 ml çözelti 0,1 L olarak alınması uygun olur). -4 mol AgCl =1,434 x 10 g AgCl x 1 mol AgCl = 1,0 x 10-5 M AgCl L doymuş çözelti 0,1 L çözelti 143,4 g Gümüş klorür için AgCl(k) Ag+ + Cl- dengesi yazılabilir. Buna göre 1 mol AgCl'ün çözünmesiyle 1mol Ag+ ve 1mol Cl- iyonu oluşur. - 176 - -5 + Ag+ = 1,0 x 10 mol AgCl x 1 mol Ag = 1,0 x 10 -5 M 1L 1 mol AgCl -5 Cl- = 1,0 x 10 mol AgCl x 1 mol Cl = 1,0 x 10 -5 M 1L 1 mol AgCl Bu değerleri çözünürlük çarpımı ifadesinde yerine koyarsak Kçç = [Ag+] [Cl-] = (1,0 x 10-5) (1,0 x 10-5) = 1,0 x 10-10 olarak bulunur. ? Ca3(PO4)2 'ın çözünürlüğü 25°C'de 7,67 x 10-4 g/L'dir. Bu tuzun 25°C'daki Kçç değerini bulunuz. Yanıt: 9,9 x 10-27 ■ Kçç Değerinden Çözünürlüğün Hesaplanması Örnek 10.3 Ba(IO3)2'ın 25°C'daki Kçç değeri 1,57 x 10-9 dur. 25°C'daki çözünürlüğünü mol/L cinsinden hesaplayınız. Çözüm 10.3 Baryum iyodat için çözünürlük dengesi Ba(IO3)2 (k) Ba+2 + 2 IO3- yazılabilir. Görüldüğü gibi çözünen her bir mol Ba(IO3)2 için çözeltide 1 mol Ba+2 ve 2 mol IO3- oluşmaktadır. Ba(IO3)2 'ın molar çözünürlüğünü, yani bir litre doymuş çözeltide çözünen Ba(IO3)2 'ın mol sayısını "s" ile gösterirsek çözeltide; [Ba+2] = s [IO3-] = 2s olacaktır. Bu derişimler Kçç ifadesinde yerine konursa; Kçç = [Ba+2] [IO3-]2 = (s) (2s)2 = 4s3 = 1,57 x 10-9 3 S= 1,57 x 10 -9 = 7, 32 x 10 -4 M 4 S = Ba(IO3)2'ın molar çözünürlüğü = 7,32 x 10-4 M - 177 - ? MgF2'ün 25°C'daki Kçç değeri 6,4 x 10-9 dur. 25°C daki çözünürlüğünü mol/L cinsinden hesaplayınız. Yanıt: 1,17 x 10-3mol/L ? Bileşiklerin Kçç değerlerini kıyaslayarak hangisinin daha az çözüneceği söylenebilir mi? Kçç değerleri kıyaslanan bileşikler aynı tip (AB, AB2, AB gibi) olduğunda; Kçç değeri küçük olanın daha az çözüneceğini söylenebilir. Buna göre CuS (Kçç = 4,0 x 10-38), Cu I (Kçç = 1,1 x 10-12) den daha az çözünür. Bu tip bileşiklerin çözünürlüğü S = Kçç 'dir. Kçç değerlerini kıyaslayarak hangi bileşiğin daha az çözüneceğini belirlerken, bileşikler aynı tip değilse çözünürlüğün hesaplanması gerekebilir. Örneğin AgCN ile Ag2CO3'ın Kçç değerlerine ve çözünürlüklerine bakalım. AgCN için; Kçç = 7,2 x 10-11 çözünürlük S = Kçç = 8,49 x 10-6 3 Ag2CO3 için; Kçç = 8,1 x 10-12 çözünürlük S = Kçç/4 = 1,26 x 10-4 Görüldüğü gibi Kçç 'si daha küçük olan Ag2 CO3, Kçç 'si daha büyük olan AgCN'den daha fazla çözünürlüğe sahiptir. 4. ÇÖZÜNÜRLÜĞE ETKİ EDEN FAKTÖRLER Çözünürlük, az çözünen bir bileşik ile çözeltisi içindeki iyonları arasındaki denge reaksiyonu ile ilgili olduğuna göre; bu dengeye dışarıdan bir etki yapıldığında Le Châtelier ilkesi gereğince denge bu etkiyi azaltıcı yönde bir tepki gösterecektir ve dolayısıyla çözünürlüğe etki edecektir. ? Çözünürlük dengesine ve dolayısıyla çözünürlüğe etki eden bu faktörler nelerdir? Bu faktörler; ortak iyon etkisi, yabancı iyon etkisi, hidrojen iyon-derişiminin etkisi (pH), kompleksleşmenin etkisi şeklinde sıralanabilir. Şimdi bu faktörleri açıklamaları ve örnekleri ile birlikte görelim. - 178 - 4.1. Ortak İyon Etkisi Örnek 10.2 ve 10.3'te doygun çözeltilerin iyon kaynağı sadece saf katı bileşik idi. Şimdi Örnek 10.3'teki Ba(IO3)2 'ın doygun çözeltisine bir miktar Ba(NO3)2 çözeltisi eklendiğinde (Ba+2 ortak iyonu eklendiğinde) çözünürlüğe etkisini görelim. Ba+2 ortak iyonun eklenmesi ile Ba(IO3)2 'ın çözünürlük dengesine dışarıdan bir etki yapılmıştır. Bu durumda Le Châtlier İlkesine göre denge bu iyonun miktarını azaltıcı yönde, Ba(IO3)2(k) yönüne kayar ve yeni bir denge kurulur. Ba(IO3)2(k) Bir miktar Ba IO3 2 çöker. Ba +2 Ba+2 IO-3 derişimi derişimi ilk dengeye göre ilk dengeye göre daha çoktur. daha azdır. + IO3- Az çözünen iyonik bir bileşiğin çözeltisine bu bileşik ile ortak iyona (anyon veya katyon) sahip başka bir tuz katılırsa, ortak iyon çözünürlüğü azaltıcı yönde etki eder. ■ Ortak İyon Varlığında Çözünürlüğün Hesaplanması Örnek 10.4. Ba(IO3)2 'ın 0,020M Ba(NO3)2 çözeltisindeki çözünürlüğünü hesaplayınız. Çözüm 10.4. Burada Ba(IO3)2 'ın doygun çözeltisi, saf su yerine 0,020 M Ba(NO3)2 çözeltisinde hazırlandığını düşünebiliriz. Bu durumda çözünürlük, S = [Ba+2] olmayacaktır. Çünkü ortamda iki Ba+2 kaynağı vardır : Ba(NO3)2 ve Ba(IO3)2 . Bunlardan ilki çözücü içindeki Ba(NO3)2 tan gelen [Ba+2] = 0,020 M, ikincisi ise Ba(IO3)2 'ın çözünürlüğünden gelen [Ba+2] = s mol/L, [IO3-] = 2s mol/L dir. Bu bilgileri çözünürlük dengesi ifadesi ile toparlayalım. Ba(IO3)2 (k) Ba+2 + 2IO3- İlk derişim : 0,02 Ba(IO3)2 'dan gelen derişim : s 2s Denge derişimi : 0,020 + s 2s - 179 - Bu değerler denge ifadesinde yerine konulduğunda, Kçç = [Ba+2] (IO-3)2 = (0,020 + s) (2s)2 = 1,57 x 10-9 Denklemin çözümünü kolaylaştırmak için s « 0,020 varsayımını yaparak (0,020 + 2s ≈ 0,020) basitleştirmesini kabul ederiz. Bu durumda (0,020) (2s)2 = 1,57 x 10 -9 s= 1,57 x 10 -9 -4 = 1.40 x 10 M 4 x 0,02 Görüldüğü gibi 0,020'nın yanında s = 1.40 x 10-4 çok küçüktür ve yapılan ihmal (0,020 + 2(1,40 x 10-4) ≈ 0,020) sonucu pek etkilemez. s = Ba (IO3)2 'ın molar çözünürlüğü = 1,40 x 10-4 M ? CaSO4'ın çözünürlük çarpımı sabiti 2,4 x 10-5 dir. 1,2 M Na2 SO4 çözeltisi içersindeki çözünürlüğünü mol/L cinsinden hesaplayınız. Yanıt: 2.0 x 10--5mol/L Ba (IO3)2 'ın 0,020 M Ba+2 içeren bir çözücüdeki çözünürlüğü (s = 1,40 x 10-4, Örnek 10.4.), saf sudaki çözünürlüğünden (s = 7,32 x 10-4, Örnek 10.3.) yaklaşık 5 kat daha az olduğu görülmektedir. 4.2. Yabancı İyon Etkisi Çözünürlük dengesinde yer almayan iyonlar "yabancı iyonlar" veya "ortak olmayan iyonlar" olarak bilinirler. Örneğin AgCl'ün doygun çözeltisine katılan KNO3, NaNO3 gibi elektrolitlerin iyonları yabancı iyon durumundadırlar. Bu iyonlar çözeltinin toplam iyon derişimini artırırlar. Yabancı iyonlar ile toplam derişim arttığında, iyonlar arası çekimler önemli duruma gelir. Bu durumda derişimler ölçülen derişimlerden daha küçük olur. Dolayısıyla yabancı iyonlar az çözünen bileşenin çözünürlüğünü artırırlar. Bu nedenle çöktürme işlemlerinde yabancı iyonlardan kaçınmak gerekir. - 180 - Yabancı iyonların çözünürlüğe etkisi, çözünürlüğü artırıcı yöndedir. 4.3. Hidrojen İyonu Derişiminin Etkisi Az çözünen bir bileşiğin iyonları asidik veya bazik özellikte ise, çözeltinin hidrojen iyonu derişiminin değişimi, çözünürlük dengesinin değişmesine neden olur. Örneğin Fe(OH)3 bileşiğinin çözünürlük dengesinde bulunan hidroksit iyonları bazik özellikte olup, hidronyum iyonları (H3 O+) ile reaksiyona girerek su oluştururlar. Fe (OH)3 (k) Fe+3 + 3OH- OH- + H3O+ 2 H 2O Kçç = 4 x 10-38 Birinci dengeye H3 O+ eklenirse, OH- iyonları reaksiyona girerek azalır. Bu durumda bir miktar daha Fe (OH)3 iyonlaşır. (Le Châtelier İlkesi). Birinci eşitlik ile ikinci eşitliğin 3 katı toplanarak net eşitlik Fe (OH)3 (k) + 3 H3O+ Fe+3 + 6 H2O şeklinde yazılabilir. Reaksiyon asidik çözeltilerde tek yönlüdür ve Fe(OH)3 kolaylıkla çözünür. Bu gibi bazik anyon veren bileşiklerin çözünürlüğünü artırmak hatta tamamen çözmek için hidrojen iyonu derişimini artırmak gerekir. 4.4. Kompleksleşmenin Etkisi Kompleks iyon oluşumu, suda çözünmeyen bazı bileşikleri suda çözünür hale getirir. Diğer bir deyişle az çözünen bir bileşiğin iyonlarından biri çözeltiye katılan diğer bileşiklerle kompleksleşebiliyorsa çözünürlük artar. 5. ÇÖKELME KOŞULU, SEÇMELİ ÇÖKTÜRME Çözünürlük çarpımı hesapları, iki çözelti birbiriyle karıştırıldığında bir çökeltinin oluşup oluşmayacağını önceden kestirmek amacıyla kullanılır. Bu durumda oluşması beklenen az çözünen tuzun (Ma Xb) iyonlarının derişimleri çarpımı "iyon çarpımı" (Qçç) he- 181 - saplanır. İyon çarpımı Qçç = [M]a [X]b şeklinde ifade edilebilir. (Buradaki derişimlerin denge derişimleri olmayıp herhangi bir durumdaki derişimleridir.) Kçç değeri ile Qçç değeri karşılaştırıldığında üç durum olabilir: ■ Qçç < Kçç : Çözelti doymamıştır, çökelti olmaz ve oluşmuş bir çökelti varsa çözünür. ■ Qçç > Kçç : Çözelti aşırı doymuştur. Bir çökelti oluşur ve önceden varolan bir çökelti ise çözünmez. ■ Qçç = Kçç : Çözelti doymuştur. Bu denge karışımında bir çökelti oluşmaz ve önceden oluşmuş bir çökelti de çözünmez. Örnek 10.5 Eşit hacimlerde 0,008 M Ag NO3 çözeltisi ile 0.002 M NaCl çözeltisi karıştırılırsa çökelme olur mu? Çözüm 10.5 Bu iki çözelti karıştırıldığında az çözünen AgCl'ün oluşması beklenir. Çökelme olup olmayacağını belirlemek için AgCl'ın iyonlar çarpımı ile çözünürlük çarpımını karşılaştıracağız. Karıştırılan çözeltiler eşit hacimde olduğundan hacim iki katına çıkarken derişimler yarıya inecektir. Bu durumda Ag+ ve Cl- derişimleri, Ag+ = 0,008 = 0,004 M 2 Cl- = 0,002 = 0,001 M 2 Buna göre iyonlar çarpımı Qçç = [Ag+] [Cl-] = (4 x 10-3) (1 x 10-3) = 4 x 10-6 AgCl için Kçç = 1,7 x 10-10 olduğuna göre, Q (4 x 10-6) değeri, Kçç (1,7 x 10-10) değerinden büyük olduğundan AgCl çökeleği oluşur. - 182 - ■ Seçmeli Çöktürme Bir çözeltide birden fazla iyon varsa, bunlardan birisinin çökelek halinde çöktürme, diğerlerini çözeltide bırakma yöntemine "seçmeli çöktürme" yöntemi denir. Eğer çözeltide bulunan iyonlar benzer özellikler gösteriyorlarsa, ayırma işlemi oluşan tuzların çözünürlük farklılıklarından yararlanılarak yapılır. İyi bir seçmeli çöktürme için çökecek bileşiklerin çözünürlükleri arasında yani Kçç 'leri arasında önemli farklar olması gerekir. Örnek 10.6 0,1 M Cl- ve 0,1 M Cr O4-2 iyonları içeren bir çözeltiye yavaş yavaş 0,1M AgNO3 çözeltisi ekleniyor. ■ Hangi iyon önce çöker? ■ Diğer iyon çökmeğe başladığı anda birinci çöken iyonun derişimi nedir? ■ Cl- ve CrO4-2 iyonları seçmeli çöktürme yöntemi ile birbirinden ayrılabilir mi? Çözüm 10.6 ■ Çökelmenin başlaması için gerekli [Ag+] değerlerini hesaplayalım. AgCl (k) Ag+ + Cl- Kçç = Ag+ Cl- = 1,82 x 10 -10 -10 Ag+ = 1,82 x 10 = 1,82 x 10 -9 M 0,1 Ag2CrO4 (k) 2 Ag + + CrO-2 4 Kçç = Ag+ Ag+ = 2 -12 CrO-2 4 = 2,4 x 10 2,4 x 10 -12 -6 = 3,34 x 10 M 0,1 AgCl'ün çökmesi için daha küçük derişimdeki [Ag+] gerektiğinden AgCl önce çöker. ■ Ag2 CrO4 (k) çökmeğe başladığında, çözeltide kalan [Cl-] miktarını bulmak için AgCl'ün Kçç değerinden yararlanırız. AgCl(k) büyük oranda çöktükten sonra [Cl-] iyice azalır ve [Ag+] artmaya başlar. [Ag+] = 3,34 x 10-4 değerine ulaştığında Ag2 CrO4 (k) çökmeğe başlar. Bu anda [Cl-] değeri Ag Cl'ün Kçç değerinden bulunur. Kçç = [Ag+] [Cl-] = 3,34 x 10-4 [Cl-] = 1,82 x 10-10 [Cl-] = 3 x 10-5 M - 183 - ■ Yukarıdaki sonuca göre Ag2 CrO4 çökmeğe başladığı anda, Cl-derişimi 0,1 M'dan 3 x 10-5 M'a inmiş olur ve neredeyse tümü AgCl (k) olarak çökmüş olur. Bu durumda Cl- ve CrO-24 iyonları seçmeli çöktürme yöntemiyle ayrılabilir. 6. KOMPLEKS İYON DENGELERİ Çözünürlüğü etkileyen faktörlerden birinin kompleks iyon oluşumu olduğunu belirtmiştik. ? Nedir Kompleks iyon? Kompleks iyon, çok atomlu bir katyon ya da anyon olup, bir merkez iyon başka molekül ya da iyonlarla bağlanmıştır. Bazı molekül veya iyonlar bağ yapmayan (eşleşmemiş) elektron çiftleri taşırlar. Bu tür molekül veya iyonlar ● ● ● ● Cl:- , SC N ● ● ● ● ● ● ● H 2O , NH 3, ● ● gibi olup sulu çözeltide katyonlarla kolaylıkla birleşirler. Kimyasal bağın oluşumunda eşleşmemiş elektron çiftleri temel etkendirler ve koordine kovalent bağı oluştururlar. Yapısal olarak katyon, merkezi oluşturur ve "ligand" adı verilen elektron çifti kaynağı görevindeki türler katyonu çevreler. koordinasyon sayısı Fe (SCN)6-3 merkez iyon ligandlar Oluşan ürün kompleks iyon olarak adlandırılır. Kompleks iyondaki katyonun tutabileceği en çok ligand sayısı o katyonun "koordinasyon sayısı" olarak bilinir. Bu sayı genellikle 4 ve 6'dır. - 184 - Kompleks iyonları aşağıdaki gibi sınıflandırabiliriz: ■ Katyon ile H2O, NH3 gibi nötr ligandların oluşturduğu kompleks iyonlar. , Al(H2O)+3 , Ni(H2O)+2 Ag(NH3) + , Zn(NH3) +2 4 6 6 Örneğin ■ 2 gibi. Katyon ile OH-, CN- ,Cl-, SCN-, S-2 gibi iyon ligandların oluşturduğu kompleks iyonlar. Cr(OH) 4- , Fe(CN)-36 , Fe(SCN6) -3 , HgCl4 -2 , FeF -36 Örneğin ■ gibi. Katyon yerine bir atom veya molekülün kendi anyonu ile oluşturduğu kompleks iyonlar. Örneğin ■ I3- ve S2-2 gibi. Katyon ile bazı organik molekül veya iyon ligandların oluşturduğu kompleks iyonlar ■ Kompleks İyon Dengeleri ve Oluşum Sabitleri Ag Cl (k) gibi çözünürlükleri çok az olan bileşikler suda çözünmezler. Ancak üzerlerine NH3 çözeltisi eklendiğinde çözünürler. Bunun nedeni AgCl'deki Ag+ iyonun NH3 ile birleşerek çözünür [Ag (NH3)2]+ kompleks iyonunu oluşturmasıdır. Ag Cl (k) Ag+ (aq) + Cl- (aq) Ag+ (aq) + 2 NH3 (aq) Ag (NH3)2+ (aq) Ag+, NH3 ile kompleks dengesine girdiğinden, çözünme dengesinde azalan Ag+ derişimini sağlamak için AgCl'ün çözünmesi gerikir. Bu durum oluşan kompleksleşme reaksiyonun denge sabitine ve eklenen madde derişimine bağlıdır. Kompleks iyon oluşturan reaksiyonların denge sabitleri, "Oluşum Sabiti, Kol" olarak bilinir. Oluşum Sabiti (Kol), kompeks iyonun merkez iyon ve ligandlardan oluşma dengesinin denge sabitidir. Örneğin yukarıdaki kompleks oluşum reaksiyonu için, oluşum sabiti, Kol = Ag (NH3) +2 Ag+ NH3 2 şeklinde yazılabilir. Aşağıda iki örnek reaksiyon ve oluşum sabitleri verilmiştir. - 185 - Fe+3 + SCN- (k) Fe (SCN)+2 Zn (OH)2 (k) + 2 OH- Kol = Kol = Zn (OH)4-2 Fe (SCN+2) Fe +3 SCNZn (OH-2 4) OH- 2 Bazı kompleks iyonların oluşma sabitleri çizelge 10.2'de verilmiştir. Çizelge 10.2 Bazı Kompleks İyonların Oluşma Sabitleria Kompleks iyon Denge tepkimesi Kol. [Co(NH3)6]+3 CO+3 + 6 NH3 [Co(NH3)6]+3 4,5 x 1033 [Cu(NH3)4]+2 Cu+2 + 4 NH3 [Cu(NH3)4]+2 1,1 x 1013 [Fe(CN)6]-4 Fe+2 + 6 CN- [Fe(CN)6]-4 1 x 1037 [Fe(CN)6]-3 Fe+3 + 6 CN- [Fe(CN)6]-3 1 x 1042 [Pb Cl3]- Pb+2 + 3 Cl- [PbCl3]- 2,4 x 101 [Ag(NH3)2]+ Ag+ + 2 NH3 [Ag(NH3)2]+ 1,6 x 107 [Ag(CN)2]- Ag+ + 2 CN- [Ag(CN)2]- 5,6 x 1018 [Ag(S2O3)2]-3 Ag+ + 2 S2O3-2 [Ag(S2O3)2]-3 1,7 x 1013 [Zn(NH3)4]+2 Zn+2 + 4 NH3 [Zn(NH3)4]+2 4,1 x 108 [Zn(CN)4]-2 Zn+2 + 4 CN- [Zn(CN4)]-2 1 x 1018 [Zn(OH)4]-2 Zn+2 + 4 OH- [Zn(OH)4]-2 4,6 x 1017 (a. Daha geniş bir çizelge EK3 de verilmiştir.) (b. Bu çizelge oluşma reaksiyonlarını ve bunlara karşılık gelen oluşma sabitlerini vermektedir.) Örnek 10.7 0,05 M Ag(NH3)2+ çözeltisindeki Ag+ derişimini hesaplayınız. Ag(NH3)2+ için Kol = 1,6 x 107 dir. Çözüm 10.7. Öncelikle kompleks oluşum dengesini yazalım. Ag+ + 2 NH3 İlk derişim : 0,05 M denge derişimi : Kol = Ag (NH3 )2 + Ag NH3 Ag (NH3)2+ x + 2 2x 0,05-X = (0,05 - x) = 1,6 x 10 7 2 (x) (2x) x = Ag+ = 9,5 x 10 -4 M - 186 - ■ Kompleks İyonlar İçeren Bir Çözeltiden Çökelek Oluşması Örnek 10. 8 20 mL 0,10 M Ag (NH3)2+ çözeltisine 2mL 0,2 M NaCl çözeltisi eklenmektedir. Bu çözeltide AgCl(k) çöker mi? Ag (NH3)2+ için Kol = 1,6 x 107, AgCl için Kçç = 1,8 x 10-10dur. Çözüm 10.8 Öncelikle çözeltideki [Cl-] ve [Ag (NH3)2+] derişimlerinin hesaplanması gerekir. Cl- = 0,2 mol/L 2 mL = 0,018 M 22 mL Ag NH3 2+ = 0,10 mol/L 20 mL = 0,090 M 22 mL [Ag (NH3)2+] derişiminden çıkarak dengedeki [Ag+] derişimini hesaplamak üzere kompleks oluşum dengesi yazalım: İlk derişim Ag+ + 2 NH3 Ag (NH3)+2 : 0,090 M denge derişimi : x Kol = 2x 0,090 -x (0,090 - x) = 1,6 x 10 7 (x) (2x2) x << 0 olduğunu kabul edip eşitliği çözersek, x = [Ag+] = 1,12 x 10-3 M bulunur. Ag Cl (k) çöküp çökmeyeceğini belirlemek üzere Qçç = [Ag+] [Cl-] ile AgCl'ün Kçç (1,8 x 10 -10) değerini karşılaştıralım. [Ag+] değeri, hesaplanan x değeridir. [Cl-]'de yukarıda 0,018 M olarak hesaplanmıştı. Buna göre, Qçç = (1,12 x 10-3) (0,018) = 2.0 x 10-2 > 1,8 x 10-10 = Kçç olduğundan AgCl çöker. - 187 - ■ Ligand Derişiminin Çökmeyi Önleyecek Şekilde Ayarlanması Örnek 10.9 22 mL 0,1 M Ag (NH3)2+ çözeltisine 4 mL 0,06 M NaCl çözeltisi eklendi- ğinde, AgCl'in çökmemesi için ortamdaki NH3 derişimi ne olmalıdır? Çözüm 10.9 Çözeltideki [Cl-] ve [Ag (NH3)2+] değerlerini hesaplayalım. Cl- = 0,06 mol/L 4 mL = 9,23 x 10 -3 M 26 mL Ag (NH3)+2 = 0,1 mol/L 22 mL = 0,0846 M 26 mL Çökmenin oluşmaması için [Ag+] [Cl-] ≤ Kçç olması gerekir. Buna göre gümüş iyonu derişimi, [Ag+] (9,23 x 10-3) ≤ Kçç = 1,8 x 10-10 [Ag+] ≤ 1,95 x 10-8 M değerini almalıdır. Şimdi [NH3] değerini hesaplamak için aşağıdaki denklemi çözelim. Kol = Ag (NH3)+2 + Ag NH3 2 = 0,0846 = 1,6 x 10 7 -8 2 1,95 x 10 NH3 NH3 = 0,52 M Gümüş klorürün çökmesini engellemek için ortamda bulunması gereken amonyak derişimi 0,52 M dır. ■ Kompleks İyon Oluşması ve Çözünürlük Örnek 10.10 1,0 M NH3 içinde kaç gram AgCl (k) çözünür? Çözüm 10.10 Çözünme reaksiyonu aşağıdaki gibidir. AgCl (k) + 2 NH3 (suda) Ag (NH3)2+ (suda) + Cl- (suda) Ancak bu reaksiyonun denge sabitinin değerini elde etmek için, ortamda oluşan iki denge reaksiyonunu yazıp Kçç ve Kol değerlerini çarpmak gerekir: AgCl (k) Ag+ (suda) + Cl- (suda) Ag+ (suda) + 2 NH3 (suda) Ag (NH3)2+ (suda) - 188 - Kçç = 1,8 x 10-10 Kol = 1,6 x 107 Ag Cl (k) + 2 NH3 (suda) İlk derişim : 1,0 M Denge derişimi : 1,0 -x Ag (NH3)2+ (suda) + Cl- (suda) x/2 K = Kçç Kol = 2,9 x 10-3 x/2 Burada x = reaksiyona gvren NH3 'ığın molar konsantrasyonu dur. K= (Ag (NH3)+2 ClNH3 2 = (x/2) (x/2) = 2,9 x 10 -3 (1,0 - x) x = 1,07 x 10-1 M x/2 = [Cl-] = Ag Cl'ün molar çözünürlüğü [Cl-] = 1,07 x 10-1 /2 = 5,35 x 10-2 M Ag Cl'ün gram miktarı = (5,35 x 10-2 mol/L) (143,34 g/mol) = 7,67 g/L Özet Az çözünen bir bileşiğin, katı fazdaki hali ile çözeltideki iyonları arasında bir çözünürlük dengesi vardır. Derişimi sabit kalan saf katı bileşik denge bağıntısında gösterilmediğinden; az çözünen bileşiklerin denge sabitleri, çözeltideki iyonların derişimlerinin çarpımı şeklinde belirtilir ve çözünürlük çarpımı, "Kçç", adını alır. Kçç, çözünen bileşiğin cinsine ve sıcaklığa bağlıdır. Genel olarak katıların sıvılarda çözülmesi endotermik olduğundan, sıcaklık arttığında katının sudaki çözünürlüğü de artar ve Kçç değeri büyür. Çözünürlük çarpımlarının geniş bir uygulama alanı vardır. Kçç değerlerine göre bir bileşiğin sudaki veya ortak iyon içeren bir çözücüdeki çözünürlüğü hesaplanabilir. Ayrıca az çözünen bir bileşiği oluşturacak iyonların çözeltide karşılaşması halinde çökelmenin olup olmayacağı belirlenebilir. Çözünürlük dengesini dolayısıyla çözünürlüğü etkileyen faktörler; ortak iyon etkisi, yabancı iyon etkisi, hidrojen iyonu derişiminin etkisi, kompleksleşmenin etkisi gibi faktörlerdir. - 189 - Ortak iyonun varlığı, az çözünen bileşiğin çözünürlüğünü, saf sudakine göre azaltır. Çünkü çözücüde bulunan iyonun derişimi, katıdan gelen iyon derişimine eklenince, dengedeki iyonlardan birinin derişimi fazlalaşmış olur ve denge katı oluşumu yönünde kayarak çözünürlük azalır. Yabancı iyonların çözünürlüğe etkisi ise çözünürlüğü artırıcı yöndedir. Az çözünen bir bileşiğin iyonları asidik veya bazik özellikte ise, çözeltinin hidrojen iyonu derişiminin değişimi çözünürlük dengesinin değişmesine neden olur. Az çözünen bir bileşiğin iyonlarından biri çözeltiye katılan bileşiklerle kompleksleşebiliyorsa çözünürlük artar. İki çözelti birbiriyle karıştırıldığında çökelmenin olup olmayacağına Kçç ile Qçç değeri karşılaştırılarak karar verilebilir. Qçç < Kçç ise çökelme olmaz, Qçç > Kçç çökelme olur. Qçç = Kçç ise çözelti doymuştur, denge karışımında bir çökelti oluşmaz ve önceden oluşmuş bir çökelti de çözünmez. Bir çözeltide birden fazla iyon varsa, bunlardan birisinin çökelek halinde çöktürme, diğerlerini çözeltide bırakma yöntemine "seçmeli çöktürme" yöntemi denir. Kompleks iyon, çok amaçlı bir katyon ya da anyon olup, bir merkez iyon başka molekül ya da iyonlarla bağlanmıştır. Kompleks iyon oluşturan reaksiyonların denge sabitleri oluşum sabiti "Kol" olarak bilinir. Değerlendirme Soruları 1. Radyum sülfatın (RaSO4) çözünürlük çarpımı sabiti, Kçç = 4 x 10-11 dir. RaSO4 'ın saf sudaki çözünürlüğü kaç molardır? A) 4 x 10-11 B) 6.32 x 10-6 C) 8 x 10-11 D) 2 x10-11 E) 2 x10-5 2. 0,10 M Na2 SO4 çözeltisinde, RaSO4 'ın çözünürlüğünü hesaplayınız. A) 6.32 x 10-6 B) 4 x 10-12 C) 2 x 10-6 - 190 - D) 4 x10-10 E) 2 x10-10 3. Belli bir sıcaklıkta doymuş Ag3PO4 çözeltisinde [Ag+] = 3 x 10-5 ise, aynı sıcaklıkta Ag3PO4 'ın çözünürlük çarpımı sabiti, Kçç'nin sayısal değeri kaçtır. A) 9 x 10-15 B) 27 x 10-15 C) 2,7 x 10-5 D) 27 x10-20 E) 6 x10-10 4. 10 mL 0,010 M Ag NO3 ile 10 mL 0,00010 M NaCl çözeltileri karıştırılıyor. Son hacim 20 mL oluyor. AgCl'ün çöküp çökmeyeceğini belirten ifade aşağıdakilerden hangisidir? (AgCl için Kçç = 1,7 x 10-10) A) Qçç = 5 x10-25 B) Qçç < Kçç C) Qçç > Kçç D) Qçç = Kçç E) Qçç = 2,5 x10-36 5. 0,02 M Ba (NO3)2 ve 0,04 M Pb (NO3)2 içeren bir çözeltiye yavaş yavaş Na2 SO4 katılıyor. Pb SO4 için Kçç = 1.6 x 10 -8 Ba SO4 için Kçç = 1.0 x 10-10 olduğuna ve katılan katının hacmi ihmal edildiğine göre hangi madde önce çöker? A) Önce BaSO4 çöker B) Önce PbSO4 çöker C) Önce Ba (NO3)2 çöker D) Önce Pb (NO3)2 çöker E) Önce Na2 SO4 çöker 6. Her ikisinin derişimi de 0,05 M olan bir Ca+2 ve Ba+2 çözeltisinden, Ca+2 ve Ba+2 iyonlarını ayırmak için, aşağıdakilerden hangisi en uygundur? A) 0,50 M Na2 CO3 B) 0,001 M NaOH D) 0,10 M NaCl E) 0,10 M HCl C) 0,05 M Na2 SO4 7. 0,005 M bir Cr Cl3 çözeltisinde Cr (OH)3 'ın çökmesi için gerekli hidrojen iyonu derişimi ne olmalıdır? Cr (OH)3 için çözünürlük çarpımı sabiti, Kçç = 7 x 10-31 dir. A) 1,92 x 10-5 B) 25 x 10-6 C) 1,0 x 10-1 D) 7 x 10-16 E) 7 x 10-10 8. 0,050 M [Cu(CN)4]-3, 0,80 M serbest CN- ve 6,1 x 10-32 M Cu+ içeren bir çözeltide [Cu(CN)4]-3 in Kol değeri aşağıdakilerden hangisidir? A) 2,0 x 1030 B) 200 C) 100 - 191 - D) 20 x 1010 E) 0,04049 9. 0,05 M Ag (NH3)2 + çözeltisi aşırı olarak 5M NH3 içermektedir. Ortamdaki Ag + derişimini hesalayınız. (Kol = 1,47 x 107) A) 1,4 x 10-10 M B) 1,0 x 10-5 C) 2 x 10-25 D) 3 x 10-40 E) 1,58 x 10-50 10. 0,100 M NH3 çözeltisinde Ag Cl (k)'ün çözünürlüğü nedir? Ag Cl için Kçç = 1,8 x 10-10 [Ag (NH3)2]+ Kol = 1,6 x 107 A) 2 x 10-10 B) 5 x 10-20 C) 4,9 x 10-3 M - 192 - D) 2 x 1015 E) 2 x 107 ÜNİTE 11 Asitler ve Bazlar Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Asit ve baz kavramlarını bilecek, ■ Zayıf asit, zayıf baz, kuvvetli asit, kuvvetli baz kavramlarını tanıyacak, ■ Titrasyon ve pH kavramlarını öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Asit ve Baz Nedir? ■ Asit ve Bazların Tanımlanması ■ Asit ve Bazların Kuvveti ■ Nötralizasyon Reaksiyonu ■ Asitlerin ve Bazların Derişimlerinin Ölçülmesi ■ Titrasyon ■ Tampon Çözeltiler ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi kavrayabilmek için logaritma konusunda bilginiz olması gerekir. ■ Üniteyi çalışırken tüm formül ve reaksiyonları en az bir kere de siz yazınız. ■ Periyodik cetveli her zaman yanınızda bulundurun. 1. ASİT VE BAZ NEDİR? Asit ve bazlar canlı organizmalarda önemli işlevleri olan maddelerdir. Asitlerin ve bazların çoğu oldukça tehlikeli ve tahrip edici maddelerdir; bunlar proteini çözerek dokuyu tahrip ederler. Örneğin, derişik sülfürik asit kuvvetli bir asittir, suyu tutma özelliğine sahiptir. Eğer sülfürik asit canlı bir dokunun üzerine dökülürse çok kısa süre içinde o doku tahrip olur. Derişik bazlar da hücre duvarlarının (zar) yapımında rol alan yağlar ile reaksiyona girerek bu zarları asitlerden daha çok tahrip ederler. Örneğin, çamaşır yıkamada kullanılan bazı tür sabunlar ve deterjanlar baz içerirler. Yün ve ipek içeren elbiseler bu tür sabun ve deterjan ile yıkandıkları zaman, temizlik maddesinin içindeki bazlar yün ve ipek liflerinin kısalmasına ve kısmen de olsa çözülmelerine sebep olacaktır. Asitler suda çözündükleri zaman elektriği ileten çözeltiler elde ederiz. Asitler çinko, magnezyum gibi elementler ile reaksiyona girerek reaksiyon sonunda hidrojen gazı çıkmasına neden olurlar. Asitlerin tadı ekşidir ve mavi turnusol kağıdını kırmızıya çevirirler. Bazlar da suda çözündükleri zaman elektriği ileten çözeltiler oluştururlar. Bazların tadları acıdır ve ellendikleri zaman kayganlık hissi verir. Bazlar kırmızı turnusol kağıdını maviye çevirirler. Bazlar asitler ile reaksiyona girerek birbirlerinin özelliklerini nötralize ederler. Örneğin, mide hastalıkları ile ilgili ilaçlar bir baz olan bikarbonat (HCO3 ) içerirler. Bu baz midede bulunan hidroklorik asiti nötralize ederek kişiye rahatlama hissi verir. Çizelge 11.1. Günlük Hayatımızdaki Bazı Bazlar ve Asitler. Asitler Formülü Yer Hidroklorik asit HCl Mide özsuyu Sitrik asit C6 H8 O7 Limon suyu Fosforik asit H3 PO4 Coca-Cola gibi içkiler Asetik asit CH3 COOH Sirke Karbonik asit H2 CO3 Gazoz Tartarik asit C4 H6 O6 Şarap Bazlar Formülü Kullanım Yeri Amonyak NH3 Gübre yapımı Sodyum hidroksit NaOH Sabun yapımı Sodyum bikorbonat NaHCO3 Cam yapımı, gübre yapımı - 194 - 2. ASİT VE BAZLARIN TANIMLANMALARI Günümüze kadar asitliğin ve bazlığın tanımı çok değişik şekillerde yapılmıştır. İlk modern tanım İsveç'li bilim adamı Svonte ARHENİUS tarafından 1884 yılında aşağıdaki şekilde yapılmıştır. Sudaki çözeltilerine H+ iyonu veren maddelere "asit" denir. Aynı şekilde, Sudaki çözeltilerine OH- iyonu veren maddelere "baz" denir. Örneğin, hidroklorik asit (HCl) ve sodyum hidroksit (NaOH) için aşağıdaki eşitlikler yazılabilir. HCl NaOH H 2O H + + Cl - H 2O OH - + Na + İkinci bir tanımlama ise Danimarka'lı kimyacı J.N. BRØNSTED ve İngiliz kimyacı T.M. LOWRY tarafından 1923 yılında yapılmıştır. Buna göre, Bir proton verebilen maddelere "asit", bir proton alabilen maddelere "baz" denir. Bu tanımlamayla daha önceleri asit veya baz olarak düşünülmeyen birçok madde asit ve baz grubuna alınmıştır. Örneğin, bor triflorür bir asit gibi davranarak trimetilamin'deki azot üzerindeki bir çift elektronu kabul ederek bir kompleks oluşturur. F3B - N+ Me3 F3B + : NMe3 Asit Baz - 195 - 3. ASİT VE BAZLARIN KUVVETİ Suyun iyonlaşmasına ilişkin eşitliği, anlaşılması daha kolay olsun diye aşağıdaki şekilde yazarız: H 2O H+ Su OH- + Hidrojen iyonu (Proton) Hidroksit iyonu (Baz) Sulu çözeltilerden bahsettiğimiz zaman "proton" veya "hidrojen iyonu" terimini kullanırız. Fakat, gerçekde hidrojen iyonları su içinde hiçbir zaman tek başlarına bulunamaz. Bunlar her zaman hidronyum iyonu (H3O+ ) denilen bir yapı içinde bulunurlar. H2O + H2O H 3O + Hidronyum iyonu (Asit) + OH Hidroksit iyonu (Baz) Hidronyum iyonları bir molekül suya ait hidrojen iyonunun (H+ ) bir diğer su molekülüne aktarılması ile oluşan yapılardır. Asitleri proton veren maddeler olarak tanımlamıştık. Ancak farklı asitlerin proton verme yatkınlıkları farklıdır. İşte bu farklılık kuvvetli asit, kuvvetli baz, zayıf asit ve zayıf baz kavramlarının ortaya çıkmasına neden olur. Derişimleri aynı olan farklı asitlerin güçleri aynı değildir. Çözeltilerde tamamen iyonlaşarak tüm protonlarını veren asitlere "kuvvetli asit" denir. Çözeltilerde kısmen iyonlaşarak protonlarının bir kısmını veren asitlere de "zayıf asitler" denir. Kuvvetli bir asit çözeltisini suya ilave ettiğimiz zaman hidronyum iyonlarının derişiminde büyük bir artış olur. Örneğin, nitrik asit (HNO3 ) kuvvetli bir asittir. 0,1 Molar HNO3 içinde nitrik asit moleküllerinin % 92 'si iyonlaşarak hidronyum ve nitrat iyonu oluştururlar. - 196 - HNO3 + H2O Nitrik asit Baz H3 O + NO3- + Asit Nitrat iyonu Hidroklorik asit (HCl), hidrobromik asit (HBr), hidroiyodik asit ve sülfürik asit (H2 SO4 ) diğer kuvvetli asitlere örnektir. Bir zayıf asitin suya ilavesi hidronyum iyonlarının derişimini çok az artırır. Örneğin, zayıf bir asit olan asetik asitin 0.1 molar çözeltisinde asetik asit moleküllerinin ancak % 1,3 'ü iyonlarına ayrışarak hidronyum ve asetat iyonlarını oluşturur. CH3 COOH + H2O Asetik asit Baz H3 O + + Asit CH3 COO Asetat iyonu Nitroz asit (HNO2), karbonik asit (H2 CO3 ), borik asit (H3 BO3 ) zayıf asitlere örnektir. Çizelge 11.2. Bazı Konjuge Asit-Baz Çiftlerinin Bağıl Kuvvetleri. Konjuge asit Adı Florosülfonik asit Sülfürik asit Hidroklorik asit Nitrik asit Hidronyum iyonu Sulfuroz asit Hidrojen sülfat iyonu Fosforik asit Nitroz asit Asetik asit Karbonik asit Hidrojen sülfit iyonu Dihidrojen fosfat iyonu Amonyum iyonu Hidrojen karbonat Hidrojen fosfat iyonu Su Amonyak Konjuge baz Formül Adı FSO3 H H2 SO4 HCl HNO3 H3 O+ H2SO3 HSO4 H3 PO4 HNO2 CH3 COOH H2 CO3 HSO3 H2PO4NH4 + HCO3 HPO4-2 H2O NH3 Florosulfonat Hidrojen Sülfat iyonu Klorür iyonu Nitrat iyonu Su Hidrojen sülfit iyonu Sülfat iyonu Dihidrojen fosfat iyonu Nitrit iyonu Asetat iyonu Bikarbonat iyonu Sülfit iyonu Hidrojen fosfat iyonu Amonyak Karbonat iyonu Fosfat iyonu Hidroksit Amid iyonu - 197 - Formül FSO3 HSO4Cl NO3H2 O HSO3SO4- 2 H2 PO4NO2CH3COOHCO3SO3- 2 HPO4- 2 NH3 CO3- 2 PO4- 3 OHNH2- ? Konjuge asit ve konjuge baz nedir? Bir baz bir asitin protonunu kaybetmesiyle oluşuyor ise bu baza "konjuge baz" denir. Örneğin tüm protik asitleri HA ile simgelersek Asit H+ + Konjuge baz HA H+ + A- Asit Konjuge baz H 2O CH3 COOH H+ + CH3 COO - Asit Konjuge baz Asetat iyonu (CH3 COO - ) asetik asitin (CH3 COOH) konjuge bazıdır. Aynı şekilde, Bir asit bir bazın bir proton kazanmasıyla oluşuyor ise bu asite "konjuge asit" denir. Örneğin, Baz + H+ Konjuge asit B + H+ BH + Baz Konjuge asit NH3 + H2O NH4+ + OH - Baz Konjuge asit Bir baz olan amonyak (NH3) bir proton kazanarak amonyum iyonu (NH4+) oluşturur. Amonyum iyonu fazladan gelen protonu (H+ ) daha sonra vererek bir asit gibi davranır. Kısaca, NH4+ iyonu NH3 'ün konjuge asitidir. - 198 - K ı s a c a , b i r a s i t i l e b i r b a z a r a s ı n d a k i f a r k b i r p r o t o n d a n (H+) dolayı oluşuyor ise bunlara "konjuge asit-baz çifti" denir. Bir asit ne denli zayıfsa, konjuge baz o denli kuvvetli olur. Aksine bir baz ne denli kuvvetli ise, konjuge asiti o denli zayıf olur. Benzer şekilde, kuvvetli bir baz proton kapmaya çok eğilimlidir. Zayıf bir baz ise protonları çok az bir yüzdesi ile kabul eder. Örneğin, hidroksit iyonu (OH - ) kuvvetli bir bazdır ve protonlar ile derhal reaksiyona girer. Halbuki amonyak (NH3 ) zayıf bir bazdır ve hidroksit iyonuna kıyasla protonlara karşı ilgisi daha azdır. Çizelge 11.2 'i incelerken dikkat edeceğimiz en önemli konu, asitlerin formüllerindeki hidrojen sayısı ile bu asitlerin asitlik kuvvetleri arasında bir ilişkinin olmayışıdır. Örneğin, hidroklorik asit (HCl) fosforik asite (H3 PO4) kıyasla çok kuvvetli bir asittir. Çizelge 11.2 'den de anlaşılacağı üzere tüm maddelerin bir asitlik ve bazlık kuvveti vardır. Tüm maddeleri bir skala içine sokabiliriz. Maddelerin asit veya baz olarak hareket etmeleri ve dolayısıyla asit veya baz olarak adlandırılmaları, birbirine göre göreceli olan asitlik veya bazlık kuvvetleri ile ilişkilidir. Örneğin, su bileşiğini ele alalım, su, asitliği kendinden fazla bir madde olan hidroklorik asit (HCl) ile karşı karşıya geldiği zaman bir baz gibi davranır. Buna karşılık aynı su bileşiği asitliği kendinden daha düşük olan amonyak (NH3) ile karşı karşıya geldiği zaman bir asit gibi davranır. H 2O + Baz H 2O Asit HCl H 3O + Asit Asit + + Cl Baz NH4+ + OH - NH3 Asit Baz - 199 - Baz 4. NÖTRALİZASYON REAKSİYONU Asitler bazlar ile reaksiyonu girdiği zaman suyun ve bu su içinde çözünmüş iyonik bir bileşik meydana getirirler. Bu iyonik bileşiğe genellikle "tuz" adını veririz. Örneğin, HCl + NaOH Asit Baz H2O + NaCl Su Tuz Eğer eş miktarda hidronyum iyonları ve hidroksit iyonları reaksiyona girerse, meydana gelecek çözelti ne asidik ne de bazik özellikler gösterecektir. Bu tür özelliğe "nötrallik" denir. Bundan dolayı nötralizasyon reaksiyonları asidik veya bazik çözeltilerin nötral bir çözeltiye dönüştüğü reaksiyonlardır. Örneğin, hidroklorik asit ve sodyum hidroksit arasındaki reaksiyon gerçekte bunların sudaki iyonları arasında oluşur. Tüm reaksiyon eşitliği aşağıdaki şekilde yazılabiliriz. H + + Cl + Na + + OH - H2O + Na + + Cl - Net iyonik eşitlik ise şöyle olur. H+ + OH - H 2O 5. ASİTLERİN VE BAZLARIN DERİŞİMİNİN ÖLÇÜLMESİ 5.1. pH Skalası Canlı organizmalar içindeki veya bir bilimsel araştırmada hidrojen iyonu (H+ ) derişimindeki çok ufak değişikler çok önemli sonuçlar ortaya çıkarabilir. Bundan dolayı, bilim adamları sürekli olarak hidrojen iyonu derişimi ile ilgilenmişler ve bunu ölçme teknikleri geliştirmişlerdir. İsveç'li kimyacı Sorensen 1909 yılında hidrojen iyonu derişimini ölçmek için "pH skalası" denen bir yöntem geliştirilmiştir. Buna göre, hidrojen iyonu derişimi matematiksel olarak şöyle ifade edilmiştir. [H + ] = 1 x 10 -pH mol / lt veya pH = -log [H + ] - 200 - Bir çözeltinin pH 'si bu çözeltinin hidrojen iyonu [H+ ] derişiminin eksi (-) logaritmasına eşittir. pH Skalasını logaritmik olarak ifade etmemizin sebebi, çok küçük rakamlar ile ifade edilen [H+] rişimi iyonu derişimini tam sayılarla ifade etmek içindir. Örneğin, hidrojen iyon de- 1 x 10-5 mol/lt olan bir çözeltinin pH değeri 5' dir. Oda sıcaklığında saf suyun hidrojen iyonu [H+] derişimi 1 x 10-7 mol / lt dir. Bundan dolayı saf suyun pH değeri 7 dir. Saf suda [H+ ] = [OH - ] = 10-7 mol / lt dir. Bir çözeltinin pH değeri 0-7 arasında ise çözelti asidik Bir çözeltinin pH değeri 7-14 arasında ise çözelti bazik Bir çözeltinin pH değeri 7 ise çözelti nötürdür. pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 artan baziklik artan asitlik [OH - ] [H + Şekil 11.1 pH Skalası. - 201 - Çizelge 11.3. Hidrojen ve Hidroksit İyonlarının pH Skalası ve Bunlara Karşılık Gelen Derişimler. H+ (mol / lt) Asidik Nötral Bazik [OH - ] (mol / lt) pH 10 0 = 1 0 10 -14 10 -1 = 0.1 1 10 -13 10 -2 = 0.01 2 10 -12 10 -3 = 0.001 3 10 -11 10 -4 = 0.0001 4 10 -10 10 -5 = 0.00001 5 10 -9 10 -6 = 0.000001 6 10 -8 10 -7 = 0.0000001 7 10 -7 10 -8 = 0.00000001 8 10 -6 10 -9 = 0.000000001 9 10 -5 10 -10 = 0.0000000001 10 10 -4 10 -11 = 0.00000000001 11 10 -3 10 -12 = 0.000000000001 12 10 -2 10 -13 = 0.0000000000001 13 10 -1 10 -14 = 0.00000000000001 14 10 0 = 1 Çizelge 11.4. Günlük Hayatımızdaki Bazı Maddelerin pH Değerleri. Çözelti pH Hidroklorik asit (0,1 M) ............................................... 1 Mide suyu .................................................................. 1.0 - 3.0 Sitrik asit (limon suyu) ................................................ 2.2 Asetik asit (Sirke) ....................................................... 2.9 Karbonik asit (Gazoz) ................................................. 3.8 Domates suyu ............................................................ 4.2 Kahve ......................................................................... 5.0 İdrar ........................................................................... 6.0 Yağmur suyu .............................................................. 6.2 Süt ............................................................................. 6.5 Saf su ......................................................................... 7.0 Tükürük ...................................................................... 7.2 Kan ............................................................................ 7.4 Magnezyum hidroksit (Ülser ilacı) ............................. 10.5 - 202 - 5.2. pH Değerinin Ölçülmesi Bir çözeltinin pH değeri biyolojik moleküllerin aktivitesini etkilediğinden dolayı laboratuarlarda pH değerinin ölçümü büyük önem kazanır. Örneğin, bakteriler ancak dar bir pH aralığında çok iyi büyürler. Bundan dolayı, kültürün pH 'sı çok dikkatli şekilde ayarlanmalıdır. Biyolojik katalizör olan enzimler, en iyi şekilde pH 1 - pH 4 aralığında çalışırlar. Midede bulunan pepsin enzimi için bu değer 8-9 dur. Laboratuarlarda bir çözeltinin pH değeri pH metre denilen aygıtlar veya kolorimetrik indikatörler ile yapılır. Kolorimetrik yöntemde, asit-baz indikatörleri denilen belli hidrojen iyon derişimleriyle renkleri değişen kimyasal boyalar kullanılır (Çizelge 11.5) Örneğin, nitrazin boyası içeren kağıt pH 4,5 de sarı, pH 7,5 de mavidir. Bu tür özel kağıtlar hastanelerde idrarın pH'sını ölçmede çok kullanılır. Asidik idrar, kağıdı sarıya çevirerek ortada ciddi bir rahatsızlığın olduğunu gösterir. Çizelge 11.5 Farklı pH Değerlerinde Bazı Asit-Baz İndikatörlerin Renkleri. 0 Metil oranj 1 2 3 Geçiş Kırmızı Metil kırmızı Kırmızı Turnusol kağıdı Kırmızı Fenol ftalein 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Sarı Geçiş Sarı Geçiş Renksiz Mavi Geçiş Kırmızı Çizelge 11.5'de görüldüğü gibi metil oranj indikatörü pH'nin dörtten yüksek olduğu çözeltilerde sarı, düşük olduğu çözeltilerde ise kırmızıdır. Benzer şekilde fenol ftalein indikatörü pH 'nin 8 'den düşük olduğu çözeltilerde renksiz, pH 'nin 10 'dan yüksek olduğu çözeltilerde kırmızıdır. 6. TİTRASYON Asit ve bazların bir çözeltideki derişimlerini ölçmek için "titrasyon" denen işlemden yararlanılır. Titrasyonda nötralizasyon reaksiyonunu kullanırız. Titrasyon işleminde, derişimi bilinen asit veya baz çözeltisi "büret" denen bir cam düzenekten derişimi bilinmeyen asit veya baz çözeltisine nötralizasyon tamamlanana kadar yavaş yavaş ilave edilir. Nötrolizasyon işleminin bitişi ise, bir pH metre veya bir asit-baz indikatörü ile gözlenebilir. - 203 - Büret Derişimi bilinen asit veya baz çözeltisi Erlen Derişimi bilinmeyen asit veya baz Şekil 11.2 Titrasyon Düzeneği. Titrasyon kandaki alkaliliği veya midedeki asitliği veya idrardaki asitliği ölçmek için kullanılır. 7. TAMPON ÇÖZELTİLER Bir asit çözeltisine yeterli miktarda baz ilave edildiğinde veya benzer şekilde bir baz çözeltisine yeterli miktarda asit ilave edildiğinde oluşan çözeltilerin nötür özellikte (pH = 7) olduklarını belirttik. Ancak tampon çözeltiler olarak bilinen bazı çözeltilerde durum farklıdır. Tampon çözeltiler hem asit hem de baz ilavelerine karşı oldukça farklı davranırlar ve bu tür çözeltilerde pH değişimi yüksek olmaz. Asit veya baz ilave edildiği zaman çok az pH değişikliği gösteren çözeltilere "tampon" çözeltiler denir. İnsan vücudundaki kan plazmasının pH değeri normal olarak 7,4 civarındadır. Bu pH değeri 7,0 den aşağıya veya 7,8 den yukarı çıkarsa insan sağlığı için tehlikeli sonuçlar ortaya çıkabilir. Bunun gibi laboratuarlarda yapılan çoğu deneylerde kullanılan çözeltilerin kendilerine asit veya baz ilave edildiği zaman pH değerlerinin fazla değişmemesi istenir. - 204 - ? Bu iş nasıl başarılır? Tampon çözeltiler ile bu işlerin üstesinden gelinir. Tampon çözeltiler zayıf bir asit ile bu asitin yeterli miktardaki tuzundan oluşmuşlardır. Örneğin, zayıf bir asit olan asetik asit (CH3 COOH) ile bu asitin sodyum tuzu olan sodyum asetat (CH3 COONa) belli oranlarda karıştırıldığında tampon çözelti oluştururlar. Diğer yaygın tampon çözeltiler de şunlardır, H2 PO4- / HPO4-2 , NH4+ / NH3 . Şayet pH 7 de bir litre 0,15 molar NaCl çözeltisine 1 ml 10 molar hidroklorik asit (HCl) ilave edersek, çözeltinin pH değeri 2 ye düşer. Buna karşılık, bir litre kan plazmasına 1 mol 10 molar HCl ilave edildiği zaman 7.4 olan kan plazmasının pH değeri sadece 7.2'ye düşer (Şekil 10.3). 1 ml 10 molar HCl pH=2 pH=7 1 lt. 0,15 molar Na Cl 1 ml 10 molar HCl pH=7,4 pH=7,2 1 lt. kan plazması Şekil 11.3. Tampon Etkisi. ? Kan plazmasındaki pH değeri değişikliğinin bu kadar az olmasının sebebi nedir? Kan plazmasında temel tampon sistem karbonik asit - bikarbonat sistemdir. Aşağıdaki eşitliğe şöyle bir göz atalım. H+ H2 CO3 H CO3 - + H + - 205 - İlave edilen asit Sisteme kuvvetli bir asit ilavesi H + derişimini arttırarak, reaksiyonun sağdan sola doğru yürümesine sebeb olacaktır. Yani daha fazla karbonik asit (H2 CO3 ) oluşacaktır. Karbonik asit kararsız bir madde olduğu için parçalanarak karbon dioksit (CO2 ) ve suyu (H2 O) oluşturacaktır. H2 O + CO2 H2 CO3 Oluşan karbon dioksit vücuttan solunum yoluyla atılır. Bu tampon sistemi tüm karbonat karbon dioksit ve su olarak vücuttan atılıncaya kadar devam eder. Bikarbonat sistemi aynı şekilde sisteme kuvvetli bir baz ilave edildiği zaman sistemin pH 'sının aynı kalmasına yardımcı olur. H2 CO3 H CO3 - + H + OH ilave edilen baz İlave edilen baz ortamdaki hidrojen iyonu ile reaksiyona girerek su oluşturur. Azalan hidrojen iyonu derişimi reaksiyonu soldan sağa doğru gitmesine neden olur. Özet Asitler suda çözündükleri zaman elektriği ileten çözeltiler oluşturan bileşiklerdir. Asitler metaller ile reaksiyona girerek hidrojen açığa çıkmasına neden olurlar. Tatları ekşi olup mavi turnusol kağıdını kırmızıya çevirirler. Bazlar da suda çözündükleri zaman elektriği iletirler ve tatları acıdır. Bazlar kırmızı turnusol kağıdını maviye çevirirler. BrønstedLowry tanımlamasına göre asit bir proton (H+ ) verebilen, baz ise bir proton kabul edebilen maddedir. Kuvvetli asit suda çözündüğü zaman tamamına yakın şekilde iyonize olur. Zayıf bir asit ise kısmen iyonlaşan asittir. Kuvvetli bir bazın protonlara karşı eğilimi zayıf bir baza nazaran daha çoktur. Asitler bazları nötürleştirirler. Eğer baz ve asitler eşdeğer miktarda kullanılıyor ise oluşan reaksiyona "nötralizasyon reaksiyonu" denir. Asit ve bazların bilinmiyen derişimlerini ölçmek için "titrasyon" denilen bir işlem kullanılır. - 206 - Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Asitlerin çözünmesiyle oluşan çözeltiler elektriği iletir. B) Bazların suda çözünmesiyle oluşan çözeltiler elektriği iletir. C) Bazların tadları genellikle acıdır. D) Asitlerin tadları genellikle ekşidir. E) Bazlar mavi turnusal kağıdını kırmızıya çevirir. 2. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Sudaki çözeltilerine H+ katyonu veren maddelere asit denir. B) Bir proton verebilen maddelere asit denir. C) Bir proton alabilen maddelere baz denir. D) Bazlar sudaki çözeltilerde OH- iyonunu artırırlar. E) Sudaki çözeltilerine H+ katyonu veren maddelere baz denir. 3. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Derişimleri aynı olan farklı asitlerin güçleri aynı değildir. B) Derişimleri aynı olan farklı bazların güçleri aynı değildir. C) Asitlerin güçleri moleküldeki H sayısı ile ters orantılıdır. D) Tamamen iyonlaşarak tüm protonlarını veren asitlere kuvvetli asit denir. E) Kısmen iyonlaşarak protonlarının bir kısmını veren asitlere zayıf asitler denir. 4. Aşağıdaki ifadede boş kalan yeri verilerden hangisi doğru şekilde tamamlar? Kuvvetli bir asit çözeltisini suya ilave ettiğimizde hidronyum iyonlarının derişiminde ........................... . A) artış olur B) azalma olur - 207 - C) değişme olmaz 5. Nitrik asitin (HNO3) konjuge bazı aşağıdakilerden hangisidir? A) NO2- B) NO2 + C) NO3- D)NO3 + E) NH3 D) NH4 - E) NH4 + 6. Aşağıdaki reaksiyonda boş kalan yeri doldurunuz. HCl + NH3 A) NH2- B) NH2 + ......... + Cl- C) NH3 7. 1 litrede 10-5 mol H+ iyonu içeren çözeltinin pH değeri nedir? A) -5 B) 5 C) 9 D) -9 8. pH Değeri 3 olan bir çözeltinin hidrojen iyonu [H+ ] derişimi nedir? A) [H+ ] = 1 x 10-3 mol /lt B) [H+ ] = 3 x 10-1 mol /lt C) [H+ ] = 3 x 101 mol /lt D) [H+ ] = 1 x 103 mol /lt E) [H+ ] = 3 x 10-3 mol /lt - 208 - E) 1 ÜNİTE 12 Yükseltgenme-İndirgenme Reaksiyonlar ve Elektrokimya Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Bir bileşik veya iyondaki elementlerin yükseltgenme sayısını belirleyebilecek, ■ Yükseltgenme sayılarındaki değişmeye dayanan bir redoks reaksiyonunu tanımlayabilecek ve yükseltgenen indirgenen reaktantları belirleyebilecek, ■ Bir redoks denklemini denkleştirebilecek, ■ Bir elektrokimyasal pilin nasıl çalıştığını bilecek, ■ İndirgenme potansiyeli tablosunu kullanacak, verilen reaksiyonun yürüyüp yürümeyeceğini belirleyebilecek, ■ İlgili problemleri çözebilecek, ■ Elektroliz olayını bileceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Yükseltgenme Sayısı ■ Yükseltgenme ve İndirgenme ■ Yükseltgenme Sayıları İle Redoks Denklemlerinin Denkleştirilmesi ■ Elektrokimyasal Piller ■ Elektroliz ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi çalışmaya başlamadan önce formül yazımlarını ve ünite 4'ü gözden geçiriniz. ■ Ünitede verilen örnekleri dikkatle inceleyiniz ve değerlendirme sorularını çözünüz. 1. GİRİŞ Bundan önceki ünitede, proton (H+) aktarımlarının yer aldığı asit-baz reaksiyonlarını gördünüz. Bu ünitede ise elektron aktarımlarının yer aldığı yükseltgenme-indirgenme reaksiyonlarını göreceğiz. Elektron kaybı, "yükseltgenme", elektron kazanılması "indirgenme" olarak adlandırılır. Ancak bir reaksiyonda, bir reaktantın kaybettiği elektronu mutlaka bir diğer reaktant kazanmış olacaktır. Bu nedenle elektron aktarımının söz konusu olduğu, yükseltgenme ve indirgenme olayları daima bir arada yürür ve bu tür reaksiyonlar "yükseltgenme-indirgenme reaksiyonları" veya "redoks reaksiyonları" olarak adlandırılır. İndirgenme-yükseltgenme reaksiyonlarının uygun düzeneklerle oluşturulmaları ile kimyasal enerji elektrik enerjisine, elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülebilir. Kimyasal enerji ve elektriksel enerji arasındaki bağıntıları ele alan elektrokimya konusunda, burada elektrokimyasal piller ve elektroliz olayı görülecektir. 2. YÜKSELTGENME SAYISI Yükseltgenme-indirgenme reaksiyonlarının iyi anlaşılması bakımından yükseltgenme sayısı kavramını iyice bilmek yararlı olacaktır.Deneysel olarak saptanamayan yükseltgenme sayısı, redoks reaksiyonlarında bir hesap aracı olarak kullanılır ve bir bileşikteki atomlara ait elektronları belirtme şeklidir. Bir bileşiği oluşturan elementlerin elektronegatiflikleri birbirlerinden oldukça farklı ise elektron yoğunluğu, elektronegatifliği yüksek olan atom üzerinde daha fazla olacağından bu elementin yükseltgenme sayısı negatif, diğeri ise pozitif değerle ifade edilir. Bu durumdaki bileşikler yüksek oranda iyonik karakterdedir. Alkali halojenürler bu tür bileşiklere örnek verilebilir. Örneğin NaCl bileşiğinde, sodyum elementinin yükseltgenme sayısı (+1), klor elementinin ise (-1) dir. Elektronegatiflik değerleri birbirinden az farklar gösteren bileşikler ise daha çok kovalent karakterde bağlar oluştururlar ve bu tür bileşiklerde elektron yoğunluğu elementlere pozitif veya negatif yükler verebilecek şekilde dağılmamıştır. Ancak redoks reaksiyonlarının daha iyi anlaşılabilmesi için, hem iyonik hem de kovalent karakterde olan bileşiklerin bütün elementlerine ilişkin birer yükseltgenme sayısı olduğu kabul edilir. - 210 - Örneğin CO2 daha çok kovalent karakterde bir bileşiktir. Bu bileşikte karbonun yükseltgenme sayısı (+4), oksijenin ise (-2)'dir. Bileşiklerdeki elementlerin veya iyonların yükseltgenme sayılarını belirlemek için aşağıdaki kurallardan yararlanırız: ■ Serbest ve birleşmemiş tüm elementlerin yükseltgenme sayısı sıfırdır. Örneğin, demir [Fe(k)] metalinde demir atomlarının yükseltgenme sayısı sıfırdır. Oksijen [O2(g)], hidrojen [H2(g)] gibi serbest halde bulunan elementlerde de yükseltgenme sayısı sıfırdır. ■ Bir iyonun yükseltgenme sayısı, yüküne eşittir. Örneğin, 1A grubu metal iyonları (+1), 2A grubu iyonları (+2) yükseltgenme sayısına sahiptirler. ■ Hidrojenin bileşiklerinde yükseltgenme sayısı genellikle (+1) dir. Örneğin, H2O, H2O2, NH3 gibi bileşiklerde hidrojenin yükseltgenme sayısı (+1) dır. Ancak hidrojenin kendinden daha az elektronegatif elemente (metal gibi) bağlanarak hidrür oluşturduğu durumlarda yükseltgenme sayısı (-1) dir. Örnek olarak sodyum hidrür NaH, kalsiyum hidrür CaH2 gibi bileşikler verilebilir. ■ Oksijenin bileşiklerinde yükseltgenme sayısı genellikle (-2) dir. Örneğin, H2O, CO2, Al2O3 gibi bileşiklerde oksijenin yükseltgenme sayısı (-2) dir. Ancak H2O2, Na2O2 , gibi peroksitlerde oksijenin yükseltgenme sayısı (-1) dir. ■ Halojenlerin bileşikler içinde yükseltgenme sayısı genellikle (-1) dir. Ancak oksijenle yaptıkları bileşiklerde Örneğin KCIO3 'ta olduğu gibi pozitif yükseltgenme sayısına sahip olabilirler. ■ Bir molekül veya bileşikteki atomların hepsinin yükseltgenme sayıları toplamı sıfırdır. Örneğin NaCl'de yükseltgenme sayıları (+1) ve (-1) olmak üzere toplam sıfırdır. ■ Çok atomlu iyonlarda, atomların yükseltgenme sayılarının toplamı iyonun yüküne eşittir. Örneğin hidroksit iyonunda (OH- ), oksijen (-2), hidrojen (+1) yükseltgenme sayısına sahiptir. Buna göre toplam (-2) + (+1) = - 1 olmak üzere hidroksil iyonuna ilişkin yükseltgenme sayısı, bu iyonun yüküne eşittir. - 211 - Örnek 12.1 Amonyak ( NH3) ve amonyum iyonunda (NH4+), azotun yükseltgenme sayılarını bulunuz. Çözüm 12.1 Yükseltgenme sayıları formülün üzerinde yazılarak, x+1 x+1 NH3 N H +4 1(x) + 3 (+1) = 0 1(x) + 4 (+1) = + 1 x=-3 x=-3 şeklinde hesaplanır. Amonyak ve amonyum iyonu içindeki azotun yükseltgenme sayıları (-3) olarak bulunur. Örnek 12.2 H2SO4 bileşiğinde, kükürtün, K2Cr2O7 bileşiğinde kromun yükseltgenme sayılarını bulunuz. Çözüm 12.2. Yükseltgenme sayıları formülün üzerinde yazılarak +1 x -2 +1 x H2 SO4 -2 K2 Cr2 O7 2 (+1)+ x + 4 (-2) = 0 2 (+1) +2 (x) +7 (-2) = 0 x = +6 x = +6 şeklinde hesaplanır. H2SO4 içinde kükürtün yükseltgenme sayısı (+6), ve K2 Cr2 O7 içinde kromun yükseltgenme sayısı (+6) olarak bulunur. Örnek 12.3 P O -3 4 iyonunda fosforun, H CO 3- iyonunda karbonun yükseltgenme sayılarını bulunuz. Çözüm 12.3 Yükseltgenme sayıları formül üzerinde yazılarak, x -2 +1 x -2 H CO 3- PO-3 4 1 (x) + 4 (-2) = - 3 (+1) + (x) +3 (-2) = -1 x = +5 x=+4 şeklinde hesaplanır. PO4-3 içinde fosforun yükseltgenme sayısı (+5), HCO3- iyonun içinde karbonun yükseltgenme sayısı (+4) olarak bulunur. - 212 - 3. YÜKSELTGENME VE İNDİRGENME Reaksiyonların pek çoğu yükseltgenme reaksiyonlarıdır. Bu tür reaksiyonlarda, atomların yükseltgenme sayılarında değişmeler meydana gelir. Bir atom yükseltgendiğinde; elektronlarını kaybeder ve yükseltgenme sayısı artar. Bir atom indirgendiğinde ise; elektronlar kazanır ve yükseltgenme sayısı azalır. Şekil 12.1'de yükseltgenme sayısındaki değişme ile yükseltgenme ve indirgenmenin ilgisi görülmektedir. (a) Yükseltgenme -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 yükseltgenme sayısı (b) İndirgenme Şekil 12.1. Yükseltgenme sayısındaki değişme (a) atom yükseltgenirken yükseltgenme sayısı artar, (b) atom İndirgenirken yükseltgenme sayısı azalır. Bir reaksiyonda, yükseltgenme sayılarına bakarak, reaksiyonda yükseltgenme ve indirgenmenin olduğu hemen görülebilir. Örneğin 0 2 Na + 0 Cl2 +1 -1 2 Na Cl reaksiyonunda sodyum atomu yükseltgenmiş, klor atomları ise indirgenmiştir. Yükseltgenme sayısı; sodyum metalinde 0'dan sodyum katyonunda + 1'e yükselmiş, klor molekülündeki her bir klor atomu 0'dan -1'e inmiştir. - 213 - Çizelge 12.1. Redoks Reaksiyonlarına Bazı Örnekler. 0 0 0 0 → N2 + 3H 2 0 +1 2Na + 2H 2O 0 +5 -2 + 1 -2 2KClO3 → 2H2O 2H2 + O 2 +3 2Al + Cr2O3 2 Cu N O3 +1 +3 2 Fe +3 + 3CO 2 -2 0 2Fe +3 + H 2 S → Al 2 O3 + 2Cr 0 → 2CuO + 4NO 2 + O 2 +2 0 2 NaOH + H2 0 +4 +5 -2 -3+1 2NH → -1 → 2KCl + 3O 2 → 0 +4 2 Fe 3C O 2 0 → 2Fe +2 + 2H + + S Verilen örneklerde, bir atomun elektronlarını kaybederek yükseltgendiği ve bu süreç nedeniyle yükseltgenme sayısında artış olduğu görülmektedir. Bir veya daha fazla elektronunu vererek diğer atomu indirgeyen ve kendisi yükseltgenen maddelere "indirgeyici ajan" adı verilir. Metaller, elektronlarını verme eğilimlerinin fazla olmasına bağlı olarak kolayca yükseltgenirler ve tipik indirgeyici ajanlardır. İndirgeyici ajandan gelen elektronları kabul eden madde, yükseltgenmeye sebep olarak "yükseltgenme ajanı" adı alır. Elektronegatif atomlar, elektronları çekme eğilimlerinin fazla olmasına bağlı olarak tipik yükseltgeyici ajanlardır. Halojenler (F2, Cl2, Br2, I2), oksijen (O2) ve oksijen içeren çok atomlu iyonlar - - ( MnO 4, NO 3 ve Cr2 O7-2 gibi) bu tür yükseltgeyici ajanlara örnek verilebilirler. Yükseltgeyici ajan, elektronlar alarak kendisi indirgenir ve yükseltgenme sayısı daha negatif veya daha az pozitif olur. Bu değişme atomlarından birinin yükseltgenme sayısındaki azalma ile gösterilir. Bu bağıntılar Şekil 12.2'de özetlenmiştir. - 214 - e- A B İndirgeyici ajan Yükseltgeyici ajan elektron verir (kaybeder) elektron alır (kazanır) yükseltgenir indirgenir yükseltgenme sayısı artar yükseltgenme sayısı azalır A tarafından kaybedilen elektron = B tarafından kazanılan elektron Şekil 12.2 Yükseltgenme - İndirgenme İşlemlerinin Özetlenmesi A Maddesinden, B Maddesine Elektron Aktarımı. Redoks reaksiyonlarında yer alan yükseltgenme ve indirgenme işlemlerini ayrı ayrı ifade etmek mümkündür. Redoks reaksiyonlarını iki yarı - reaksiyon şeklinde yazabiliriz. Örneğin sodyum ve klordan, sodyum klorür oluşumu reaksiyonu iki yarı reaksiyon olarak yazılabilir. Yarı reaksiyon denklemi, yarı-denklem olarak adlandırılır. Yükseltgenme yarı-reaksiyonu : 2 Na 2Na+ + 2e - İndirgenme yarı-reaksiyonu : Cl2 + 2e - 2Cl - Toplam redoks reaksiyonu : 2 Na + Cl2 2 Na Cl Yarı reaksiyon kendisi tek başına yer alamaz. Çünkü indirgenme olmaksızın yükseltgenme, yükseltgenme olmaksızın indirgenme olamaz. İki yarı-reaksiyonun toplamı tüm toplam reaksiyonu gösterir. Reaksiyon sırasında verilen elektron sayısı alınan elektron sayısına eşit olmalıdır. Bu nedenle toplam redoks reaksiyonunda elektronlar yer almaz. 4. REDOKS İÇEREN DENKLEMLERİN DENKLEŞTİRİLMESİ Redoks denklemlerinin katsayılarının bulunması, deneme yanılma yöntemi ile yürütülemeyecek kadar karmaşıktır. Bu nedenle sistematik denkleştirme yöntemleri kullanılır. İki ayrı yöntem vardır. - 215 - ■ Yükseltgenme sayısı değişmesi yöntemi; özellikle moleküler redoks reaksiyonlarına uygulanır. ■ Yarı-reaksiyon yöntemi; özellikle iyonik redoks reaksiyonlarına uygulanır. 4.1. Yükseltgenme sayısı değişmesi yöntemi Bu yöntem, reaksiyonda oluşan yükseltgenme sayısındaki değişmeye dayanır. İndirgenme ajanı ile kaybedilen elektronların sayısının, yükseltgenme ajanı ile kazanılan elektronların sayısına eşit olması gerekir. Dolayısıyla bir atomun yükseltgenme sayısındaki toplam artma, diğer atomun yükseltgenme sayısındaki azalmaya eşit olmalıdır. Bu prensip, yükseltgenme sayısı değişmesi yöntemini kullanarak redoks denklemlerini denkleştirmenin temelidir. Bu yöntemin uygulanmasını; mangan dioksit ve hidroklorik asitten klor gazı elde edilmesini içeren denklemi 4 basamakta denkleştirilmesini görelim; MnO2(k) + HCl(suda) ■ Cl2(g) + MnCl2(suda) + H2 O(s) Denkleşmemiş denklemde, reaktantlardan ürünlere yükseltgenme sayısında değişme olan atomlar belirlenir. +4 -2 0 +1 -1 Mn O 2 +H Cl -1 +2 +1 -2 Cl 2 + Mn Cl 2 + H 2 O Bu reaksiyonda mangan (+4)'den (+2)'ye indirgenmiş ve klor (-1)'den (0)'a yükseltgenmiştir. ■ Yükseltgenme sayısında değişme olan atomlar için denkleştirilmiş yarı-denklemler yazılır yükseltgenme sayısındaki değişme +4 +2 Mn -1 Cl - Mn 1 2 2 0 Cl 2 + - 216 - 1 ■ Yükseltgenme sayılarındaki değişmeler, uygun katsayılar kullanarak denkleştirilir. Mangan atomları için yükseltgenme sayısındaki değişme 2, klor atomları için 1 olduğuna göre, klor atomları 2 ile çarpılmalıdır. yükseltgenme sayısındaki değişme +4 Mn -1 2 Cl +2 - Mn 0 2 2 + 1 = +2 Cl 2 0 Bu katsayılara göre denklemde HCl'in önüne 2 katsayısı yazılması gerekir. MnO2 +2 HCl ■ Cl2 + MnCl2 + H2 O Hidrojen ve oksijen sona bırakılarak, deneme-yanılma yolu ile redoksa girmeyen bileşikler için uygun katsayılar saptanır. Örnek reaksiyonda, MnCl2'deki Cl atomların yükseltgenme sayısı değişmemiştir. Dolayısıyla HCl'in katsayısı değiştirilmelidir. MnO2 +4 HCl Cl2 + MnCl2 + H2 O Son olarak hidrojen ve oksijen atomları denkleştirilir. Denklemi her iki yanında her atom sayısının denkliği kontrol edilir. MnO2 +4 HCl Cl2 + MnCl2 + 2H2 O Görüldüğü gibi son denklemde her iki tarafta atom sayıları birbirine eşittir. Örnek 12.4 CuO + NH3 (s) Cu (k) + N2 (g) + H2 O (s) Denklemini yükseltgenme sayısı değişmesi yöntemi ile denkleştiriniz. Çözüm 12.4 ■ Yükseltgenme sayısında değişme olan atomlar belirlenir. +2 -2 Cu O - 3 +1 + N H3 0 Cu 0 +1 -2 + N 2(g) + H 2 O Bakır (+2)'den (0)'a indirgenmiş, azot (-3) den (0)'a yükseltgenmiştir. - 217 - ■ Denkleştirilmiş yarı denklemler yazılır. Bunun için N2'un önüne 1/2 katsayısı yazılır. yükseltgenme sayısındaki değişme +2 0 Cu -3 N ■ Cu 1 2 - 2 + 3 0 N2 Yükseltgenme sayısındaki toplam değişme bakır atomlarını 3 ile, azot atomlarını 2 ile çarparak eşitlenir. yükseltgenme sayısındaki değişme +2 3 Cu -3 2N 0 3 - 2 = -6 3 Cu 0 2 + 3 = +6 N2 0 Bu katsayılar denklemde yerleştirilir. 3 CuO + 2NH3 ■ 3 Cu + N2 + H2 O Denklemde kalan diğer atomlar denkleştirilir. 3 CuO + 2NH3 3 Cu + N2 + 3 H2 O Görüldüğü gibi denklemde her iki tarafta atom sayıları denktir. 4.2 Yarı - Reaksiyon Yöntemi Bu yöntemde redoks reaksiyonu iki yarı-reaksiyona bölünerek yazılır ve her yarı reaksiyon denkleştirilir. Bunun için önce net iyonik reaksiyon yazılır. (Bu nedenle yöntemin diğer adı iyon-elektron yöntemidir.) Bu yöntemin uygulanmasını, bakır metali ile nitrik asit arasındaki reaksiyonu denkleştirerek görelim : Cu (k) + HNO3 (suda) ■ NO (g) + Cu (NO3)2 (suda) + H2 O (s) Tüm reaksiyon için net iyonik denklem yazılır. Cu + H+ + NO3- NO + Cu2+ + H2 O Bu denklemde, sağ tarafta Cu(NO3)2'ta yer alan NO3- iyonları değişiklik göstermediği için yazılmamıştır. - 218 - ■ Bu atomların yükseltgenme sayıları belirlenir. 0 Cu + +1 +5 -2 +2-2 H + + N O -3 N O + Cu +2 -2 +1 + H 2 O Bakır yükseltgenme sayısı (0)'dan (+2)'ye çıkmıştır ve bakır yükseltgenmiştir. Azot'un yükseltgenme sayısı (+5)'den (+2)'ye inmiştir ve azot indirgenmiştir. ■ Yükseltgenme ve indirgenme yarı denklemleri yazılır. Yükseltgenme : Cu İndirgenme ■ : +5 Cu+2 +2 - N O NO 3 Her yarı denklem denkleştirilir. Bunun için, i. Önce H ve O dışında bütün atomların sayıları denkleştirilir. ii. O atomu eksik olan tarafa yeteri kadar H2O eklenir. iii. Çözelti asidik ise; H atomu eksik olan tarafa yeteri kadar H+ eklenir Çözelti bazik ise; H atomu eksik olan tarafa H sayısı kadar H2O diğer tarafa da eklenen H2O ile eşit sayıda OH- ilave edilir. Cu Cu+2 NO3 + 4H+ NO + 2H2O Bakır yarı-denkleminde atomlar denk durumdadır. Azotun indirgenmesini içeren reaksiyonda ise oksijen atomlarının sayısı denkleştirilmelidir. Bunun için oksijen atomu sayısı az olan tarafa H2O eklenir ve hidrojen atomu sayısını denkleştirmek üzere de ortam asidik olduğundan H+ eklenir. ■ Her yarı reaksiyonda yükler; daha pozitif yüklü olan tarafa elektron eklenerek denkleştirilir. Cu Cu+2 + 2e NO3 + 4H+ + 3e NO + 2H2O Birinci yarı-denklemde, yükleri denkleştirmek için sağ tarafa 2 elektron eklenir. İkinci yarı-denklemde; sol taraftaki yüklerin toplamı +3, buna karşın sağ tarafta yük toplamı sıfır olduğundan, sol tarafa 3 elektron eklenir. - 219 - ■ Yarı-denklemler, elektron sayıları eşit olacak şekilde uygun katsayılarla çarpılır ve taraf tarafa toplanır. Cu+2 + 2e- ) 3 x ( Cu 2 x ( NO3- + 4H+ + 3e- NO + 2H2O ) 3 Cu + 2NO3- + 8H+ 3Cu+2 + 2NO + 4H2O Bu reaksiyon denkleştirilmiş net iyonik denklemdir. ■ Net iyonik denklemin katsayıları ile başlangıçta verilen denklemin katsayıları yazılır ve denklemde sağda veya solda tekrarlar varsa bunlar çıkarılır. 3 Cu + 8 HNO3 3Cu (NO3 )2 + 2NO + 4H2O Görüldüğü gibi son denklemde her iki tarafta atom sayıları denktir. Örnek 12.5 Aşağıdaki denklemi yarı-reaksiyon yöntemi ile denkleştiriniz. Na2 SO3 (suda) + Cl2(g) + NaOH (suda) Na2 SO4 (suda) + NaCl (suda) + H2O (s) Çözüm 12.5 1. Basamak, SO 2. Basamak, +4 3. Basamak, -2 3 + Cl 2 + OH - SO - 2 +1 -2 -1 +1 - 2 S O 4 + Cl + H 2 O SO -32 SO -42 2Cl- indirgenme Cl2 4. Basamak + Cl - + H 2O +6 0 -2 S O 3 + Cl 2 + O H yükseltgenme -2 4 SO -32 + 2O H - SO -42 + H 2O 2 Cl- Cl2 5,6,7,8. Basamaklar SO -32 + 2O H - SO -42 + H 2O + 2e 2 Cl- Cl2 + 2e -2 S O 3 + Cl 2 +2O H - Na2 SO3 + Cl2 + 2NaOH - 220 - -2 - S O 4 + 2 Cl + H 2O Na2 SO4 + 2NaCl + H2O 5. ELEKTROKİMYASAL PİLLER Yükseltgenme - indirgenme reaksiyonlarının uygun düzeneklerle oluşturulmaları ile, kimyasal enerji elektrik enerjisine veya elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülebilir. Bu amaçla hazırlanan düzeneklere "pil"denir. Düzenekte kendiliğinden yürüyen bir redoks reaksiyonun; elektron verme eğiliminde ve elektron alma eğiliminde olan türleri iki ayrı bölmede yer alır ve elektron alışverişi dış devreden akan elektronlarla sağlanır. Böylece dış devrede elektron akımı sağlanarak elektrik enerjisi elde edilir. Elektrokimyasal pil adını alan bu tür bir düzenek ile; türlerin yapılarından kaynaklanan potansiyel enerji farkı, elektrik enerjisine dönüşmüş olur. Şimdi bir elektrokimyasal pil örneğini Şekil 12.3 ile açıklamağa çalışalım. Şekildeki pilde; iki ayrı kapta Zn ve Cu metalleri kendi tuzlarının çözeltilerine batırılması ile iki yarı pil oluşturulmuştur. Bu iki çözelti bir tuz köprüsü (elektrik akımını iyi ileten KCl gibi bir elektrolitin çözeltisiyle doldurulmuş cam U boru) ile birleştirilmiştir. Elektrot olarak adlandırılan metal çubuklar da bir tel ile birbirine bağlanarak devre tamamlanır ve pilin akım verdiği gözlenir. Şimdi I. ve II. kaplarda oluşan değişimleri maddeler halinde verelim: e I . Kapta ● Zn çubuk incelir ● ● ● ● ● Yükseltgenme Bölgesi II . Kapta ● Cu çubuk dış devreden e- alır. Ampermetre Zn (k) → Zn+2 + 2eZn çubuk dış devreye e- verir Çözeltiye Zn2+ iyonları geçer Çözeltide (+) iyonlar fazlalaşır Tuz köprüsünden (-) iyonlar gelmeye çalışır. e ● Tuz köprüsü Zn Cu ● ● ● Zn +2 ZnSO4 (1M) +2 Cu ● CuSO4 (1M) I. kap II. kap Zn(k) + Cu+2 (suda) → Zn+2 (suda) + Cu (k) Pildeki redoks reaksiyonu Şekil 12.3 Pil Düzeneği. - 221 - Gelen e-'ler çözeltideki Cu+2 iyonları ile birleşir. Cu+2 + 2e- → Cu (k) Cu çubuk kalınlaşır. Çözeltideki (+) iyonlar harcandıkça (-) iyonların oranı artar. Tuz köprüsü boyunca (+) iyonlar gelmeye çalışır. İndirgenme bölgesi Bir pil devresinde çözeltilere daldırılmış çubuklar "elekrot" olarak adlandırılır. Yükseltgenmenin olduğu elektrot "anot", indirgenmenin olduğu elektrot ise "katot "olarak adlandırılır. Anotta dış devreye elektron verilir ve bölgesindeki çözeltide (+) iyonlar fazlalaşır. Katotta ise dış devreden elektron alınır ve bölgesindeki çözeltide (-) iyonlar artar. Çözeltileri birleştiren tuz köprüsü aracılığıyla artan (+) iyonlar (-) yüklü bölgeye, (-) iyonlar ise (+) yüklü bölgeye göç ederler. Böylece çözeltilerde yük birikimi oluşmaksızın elektrokimyasal pil çalışmış olur. Bir pil sistemi kısaca bir şema ile ifade edilebilir. Şekil 12.3'teki pil düzeneğinde Zn anot, Cu katot olduğuna göre pil şeması, Zn (k) | Zn SO4 (1M) || Cu SO4 (1M) | Cu (k) şeklinde yazılabilir. Buradaki tek düz çizgiler faz sınırlarını, düz çift çizgi ise tuz köprüsünü belirtir. Pil şemasının sağ yanı katot bölgesini, sol yanı anot bölgesini ifade eder. 5.1. Pil Gerilimleri İndirgenen ve yükseltgenen maddelerin niteliği pil devresinden geçen akım miktarını etkiler. Çünkü bir pil çalışırken; dış devreden elektronların akması, bir yarı pildeki türün elektron verme eğiliminde, diğer türün ise elektron alma eğiliminde olmasından kaynaklanır. Sistem potansiyel enerjisini düşürüp minumum enerjiye ulaşırken, sistemden ilk ve son durumların potansiyel farkına eşit elektriksel enerji elde edilir. Bu durumda farklı yarı reaksiyonlara göre çalışacak pillerdeki gerilim farklı olacaktır. Dolayısıyla maddelerin elektron alabilme veya verebilme kabiliyetleri gerilim ile ifade edilir. Pil gerilimleri, sıcaklık, derişim ve basınca bağlı olarak değişir. Bu nedenle genellikle gerilimler; 25°C'ta, çözeltilerde 1M iyon derişimi ve gazlarda 1 atmosfer kısmi basınç olmak üzere standard koşullarda belirlenir. Bu koşullarda belirlenen pil gerilimleri ∆E° ile gösterilir ve buna standart pil gerilimi denir. Aynı koşullardaki yarı-reaksiyon gerilimlerine de "standart yarı pil gerilimi veya standart indirgenme potansiyelleri " denir ve E° ile gösterilir. - 222 - Bir yarı pilin gerilimi doğrudan ölçülemez. Çünkü bir yarı reaksiyon tek başına oluşamaz. Akımın sağlanması için iki yarı pilin birbirine bağlanması gerekir. Standart yarı pil gerilimleri için bağıl bir sistem oluşturup sıralama yapabilmek amacıyla hidrojene ilişkin standart yarı pil gerilimi sıfır volt olarak kabul edilmiştir. 2H+ (1M) + 2e- H2 (1 atm) E° = 0,00 V Hangi yarı pilin gerilimi belirlenecekse, hidrojen yarı pili ile bir pil oluşturulur. Ölçülen pilin gerilimi, bilinmeyen yarı pilin gerilimini verir. Hidrojen yarı piliyle oluşturulan bir yarı pil reaksiyonu, İndirgenme yönünde ise, indirgenme E° ' ı (+) Yükseltgenme yönünde ise, indirgenme E° ' ı (-) işaretle verilir. Elde edilen indirgenme gerilimlerinin (E°), cebirsel anlamda büyümesi; yarı reaksiyonların kolayca indirgenme yönünde oluşabileceğini ifade eder. Bir yarı reaksiyonun indirgenme gerilimi (E°1), cebirsel anlamda bir diğerine (E°2) göre küçükse, bu yarı reaksiyonun indirgenme eğilimi de diğerinden az demektir. Bu tür iki yarı reaksiyon bir araya getirilince, indirgenme gerilimi cebirsel anlamda daha küçük olanın indirgenme değil, yükseltgenme yönünde reaksiyon verdiği düşünülür. Çizelge 12.2'de bazı yarı pil reaksiyonları için standart indirgenme gerilimleri verilmiştir. Bu tablodaki E° değerlerini kullanarak bir reaksiyonun hangi yönde kendiliğinden yürüyeceğini belirleyebiliriz. Örnek 12.6 Zn (k) + Cu+2 (suda) → Zn+2 (suda) + Cu(k) Redoks reaksiyonun kendiliğinden yürüyüp yürümeyeceğini belirleyiniz. Çözüm 12.6 Bunun için redoks reaksiyonu iki yarı pil reaksiyonuna ayrılır. I. Cu +2 (suda) + 2e- → Cu (k) E° = 0,34 V II. Zn +2 (suda) + 2e- → Zn (k) E° = - 0,76 V - 223 - Bu iki yarı reaksiyondan; E°'ı cebirsel anlamda daha büyük olan yarı reaksiyonun ealarak indirgenecek, daha küçük olan yarı reaksiyonun e- vererek yükseltgenecek şekilde yarı pil reaksiyonları yazılır. Ters çevrilen yarı reaksiyonun E° değerinin işareti değiştirilir. Bundan sonra E°'ların cebirsel toplamı yapılarak standart pil gerilimi, ∆E° bulunur. Buna göre; bakırın E° değeri, çinkonun E° değerinden büyük olduğundan II. yarı reaksiyon ters çevrilir ve E°'ın işareti değiştirilir. Cu +2 (suda) + 2e- → Cu (k) E° = 0,34 V Zn (k) → Zn +2 (suda) + 2e- E° = 0,76 V Zn+2 (suda) + Cu (k) ∆E° = 1.10 V Zn (k) + Cu+2 (suda) → Bu redoks reaksiyonu için ∆E° değeri pozitif bulunduğundan, reaksiyon belirtilen yönde kendiliğinden yürür sonucuna ulaşırız. ∆E°>0 İse reaksiyon belirtilen yönde kendiliğinden yürür. ∆E°<0 İse reaksiyon belirtilen yönde değil ters yönde yürür veya olmaz. Düzenleme sırasında bir yarı reaksiyonun herhangi bir sayı ile çarpılması, yarı reaksiyonun E° değerini etkilemez. E° Değerleri bu katsayılarla çarpılmaz. - 224 - Çizelge 12.2. Bazı Yarı Pil Reaksiyonları İçin Standart İndirgenme Gerilimleri (potansiyelleri). Yarı pil reaksiyonları E° (volt) F2 (g) + 2e- 2F - 2,87 H2 O2 + 2H+ + 2e- 2H2 O 1,77 MnO4 + 8H+ + 5e- Mn+2 + 4H2 O 1,51 Cl2 + 2e- 2 Cl- 1,36 Cr2 O-27 + 14H+ + 6e- 2 Cr+3 + 7H2 O 1,33 indirgenme eğilimiartar O2 + 4H+ + 4e- 2H2 O Br2 + 2e- 2Br- 1,09 Ag+ + e- Ag 0,80 Fe+3 + e- Fe2+ 0,77 I2 + 2e- 2I- 0,54 Cu+2 + 2e- Cu 0,34 2H+ + 2e- H2 0,00 Pb+2 + 2e- Pb -0,13 Fe+2 + 2e- Fe -0,44 Zn+2 + 2e- Zn 2H2 O + 2e- H2 + 2OH- - 0,83 Al+3 + 3e- Al -1,66 Mg+2 + 2e- Mg -2,37 Na+ + e- Na -2,71 K+ + e- K -2,93 Li+ + e- Li -3,05 yükseltgenme eğilimiartar 1,23 -0,76 Standart indirgenme potansiyellerinin büyüklüğü, bir yarı reaksiyonun indirgenme eğiliminin ölçüsünü gösterir. Aynı zamanda standard koşullarda bir pilden alınacak gerilimin hesaplanmasında ve denklemi verilen bir redoks reaksiyonun denklemin yazıldığı yönde kendiliğinden oluşup, oluşamayacağının saptanmasında da kullanılır. - 225 - Örnek 12.7 Ni+2 + 2e- → Ni Cu+2 + 2e- → E° = - 0,25 V Cu E° = 0,34 V yarı reaksiyonlarına göre, aşağıdaki redoks reaksiyonlarının kendiliğinden olup olmayacağını belirleyiniz. I. Cu (k) + Ni+2 → Cu+2 + Ni (k) II. Ni (k) + 2H+ → Ni+2 + H2 (g) Çözüm 12.7 I. Redoks reaksiyonu için iki yarı pil reaksiyonunu yazalım. Cu (k) Ni+2 + 2e- → → Cu+2 + 2e- E° = -0,34 V Ni (k) E° = - 0,25 V Cu(k) + Ni+2 → Cu+2 + Ni (k) ∆E° = - 0,59 V Bu redoks reaksiyonu için ∆E° değeri negatif olduğu için, bu reaksiyon kendiliğinden yürümez sonucuna ulaşırız. II. Redoks reaksiyonu için de aynı şekilde düşünerek, Ni (k) → Ni+2 + 2e- E° =0,25 V 2H+ + 2e- → H2 (g) E° = 0,00 V Ni(k) + 2H+ → Ni+2 + H2 (g) ∆E° = 0,25 V Bu redoks reaksiyonu için ∆E° değeri pozitif olduğu için, bu reaksiyon kendiliğinden yürür, sonucuna ulaşırız. 5.2 Derişimin Pil Gerilimine Etkisi Çizelge 12.2'de verilen yarı pil reaksiyon gerilimleri, 1 atmosferde ortamdaki maddelerin derişimleri 1 molar olduğu durumlar için verilmiştir. Derişimlerin birim derişimlerden farklı olduğu durumlar da söz konusu olabilir. Böyle durumlarda W. Nernst tarafından bulunan Nernst Denklemi kullanılır. Örneğin, a mol yükseltgen b mol indirgenle dengede bulunuyorsa ve aktarılan elektron sayısı n ise, a yükseltgen + ne- → b indirgen redoks denkleminin E gerilimi, Nernst denklemine göre - 226 - indirgen b E pil = ∆E° - 2,303 RT log nF yükseltgen a şeklinde yazılır. Burada R = 8,314 J mol-1 K-1, gaz sabiti; T, Kelvin cinsinden sıcaklık; n, aktarılan elektron sayısı; F = 96500 Coulomb, Faraday sabitidir. Köşeli parantezler indirgen ve yükseltgenin molar derişimlerini ifade eder. Çok hassas ölçümlerde molar derişim yerine aktivite kullanılır (Ancak aktivite bu kitabın kapsamına dahil edilmemiştir). Nernst eşitliğinde, 2,303 RT/F'in 25°C'daki değeri 0,059 volttur. Bu değer eşitlikte yerleştirilirse, E pil = ∆E° - indirgen b 0,059 log n yükseltgen a eşitliği elde edilir. Bir pilde oluşan reaksiyon için genel anlamda, aA + bB cC+dD Nernst denklemi, Cc Dd E pil = ∆E° - 0,059 log n Aa Bb şeklinde de yazılabilir. Örnek 12.8 Ni | Ni+2 (? M) || Cu+2 (0,75 M) | Cu Piline ilişkin gerilimin 0,601 volt olması için Ni2+ iyonun derişimi kaç molar olmalıdır? Çözüm 12.8 Pil şemasına ilişkin pil reaksiyonları yazılırsa Anot : Ni → Ni+2 2e- Katot : Cu+2 + 2e- → CuE° = 0,34 V Ni + Cu+2 → Ni+2 + Cu E° = 0,25V ∆E° = 0,59 V Ni+2 E pil = ∆E° - 0,059 log 2 Cu+2 Epil = 0,601 Volt olduğuna göre, [Ni+2] derişimi aşağıdaki şekilde hesaplanır. - 227 - 0,601 = 0,59 - 0,059 log Ni+2 0,75 log [Ni+2] = - 0,59 [Ni+2] = 0,26 M Nernst Denklemi kullanılarak, reaksiyon yönü irdelenebilir. Örneğin aA + bB c C + d D reaksiyonu için Cc Dd E pil = ∆E° - 0,059 log n Aa Bb ■ eşitliği yazılır. Epil = 0 ise, reaksiyon dengededir denir Buna göre, 0 = ∆E° - 0,059 log K n veya ∆E° = 0,059 log K n olarak yazılabilir. Buradan K = 10 n∆E° 0,059 bulunur. ■ Epil > 0 ise, reaksiyon soldan sağa doğru kendiliğinden yürür. ■ Epil < 0 ise, reaksiyon ters yönde yani sağdan sola doğru olur veya hiç olmaz. Örnek 12.9 Pt | H2 (g) | HCl (sulu) | AgCl (k) | Ag Pili için ∆E° = 0,223 V olduğuna göre pildeki reaksiyonu yazarak denge sabitini hesaplayınız. Çözüm 12.9 Pil şemasına göre anotta hidrojen yükseltgenirken, katotta gümüş indirgenir. Anot : Katot : 1/2H2 AgCl + e- H+ + eAg + Cl- AgCl + 1/2H2 Ag + Cl- + H+ - 228 - Epil = 0 iken pildeki reaksiyon denge konumuna gelmiş olacağından. H+ ClE pil = ∆E° - 0,059 log n P 1/2 H2 (gazların derişimi kısmi basınç olarak verildiğinden 1/2 P H 2yazılmıştır.) 0 = 0,223 - 0,059 log K 1 log K = 0,223 = 3,758 0,059 K = 103.758 = 5,73 x 103 olarak hesaplanır. 6. ELEKTROLİZ Kendiliğinden oluşmayan redoks reaksiyonlarının, bir dış kaynaktan sağlanan elektrik enerjisi ile oluşturulması işlemi "elektroliz" olarak adlandılır. Elektrokimyasal pillerde kullanılan terimler ve işleyiş biçimi elektrolizde de geçerlidir. Ancak tek fark devreye bir üreteç bağlanarak dışarıdan elekt- Seyreltik sülfürik asit rik enerjisi sağlanması ve sağlanan enerji ile bir redoks reaksiyonu oluşturulmasıdır. Elektroliz sırasın-da gerçekleşen reaksiyonun ∆E° değe- Oksijen gazı Hidrojen gazı rinin negatif olması gerekir. Çünkü bu olay kendiliğinden oluşmaz. Bir elektroliz düze- Katot (indirgenme) neğinde, elektrokimyasal pilde olduğu gibi bir katot ve Anot anot bulunur. Katot dış dev- (yükseltgenme) reden e- alarak elektrolitteki w Pil indirgenmeyi sağlar. Anotta ise dış devreye e- verebilmesi için elektrolitte bir yükseltgenme olur. Şekil 12.4. Suyun elektrolizi, suyu H2 ve O2'e ayırmak için elektrik akımının kullanılması. H2'nin hacminin, O2'nin hacminin iki katı olduğununa dikkat ediniz. - 229 - Şekil 12.4'te suyun elektrolizi görülmektedir. Burada iki platin elektrot suyun içine batırılmıştır. Elektriği iletmesini sağlamak amacıyla suya çok az miktarda elektrolit (H2SO4) eklenmiştir. Elektrotlar bir güç kaynağına bağlanmış ve O2 + 4H+ + 4e- Yükseltgenme: 2 H2O İndirgenme: 4 H2O + 4e- 2H2 + 4OH- yarı-reaksiyonları oluşumu sağlanmıştır. Elektronlar, elektrik kaynağından elektrotlardan birine doğru hareket ederler ve bu elektrodu negatif yüklerler. Bu elektrot katot elektrodu olup indirgenme yarı reaksiyonu için elektron sağlar. Su molekülleri, katotta indirgenerek hidrojen gazı oluştururlar. Güç kaynağı diğer elektrot aracılığıyla elektronları çeker ve elektrot pozitif yüklenerek anotu oluşturur. Anotta su molekülleri oksijene yükseltgenir. Elektroliz işlemi ile genellikle bileşikler elementlerine ayrıştırılır. Önemli pek çok madde elektroliz ile üretilir. Örneğin; klor, sodyum hidroksit, hidrojen gibi maddelerin üretimi tuzlu suyun elektrolizi ile yapılır. Ayrıca elektroliz ile metaller saflaştırılabilir ve metal kaplamalar yapılır. Özet Elektron kaybı "yükseltgenme" , elektron kazanılması "'indirgenme" olarak adlandırılır. Yükseltgenme ve indirgenme reaksiyonlarının bir arada yürüdüğü reaksiyonlara "yükseltgenme indirgenme" reaksiyonları denir. Yükseltgenme sayısı bir bileşikteki atomlara ait elektronları ifade etme şeklidir ve belirli kurallara göre saptanır. Bir veya daha fazla elektronunu vererek diğer atomu indirgeyen ve kendisi yükseltgenen maddelere "indirgeyici ajan" denir. İndirgeyici ajandan gelen elektronları kabul eden madde, yükseltgenmeye sebep olarak "yükseltgenme ajanı" adını alır. Redoks denklemleri; yükseltgenme sayısı değişmesi yöntemi veya yarı-reaksiyon yöntemi ile denkleştirilebilir. Redoks reaksiyonlarının uygun düzeneklerle oluşturulmaları ile kimyasal enerji elektrik enerjisine veya elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülebilir. Bu amaçla hazırlanan düzeneklere "pil" denir. Elektrokimyasal pil ile elektrik akımı sağlanır. Elektroliz olayında ise kimyasal değişmeyi sağlamak üzere dışarıdan elektrik enerjisi verilir. - 230 - Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Ksenon tetraflorür (XeF4) bileşiğinde ksenonun yükseltgenme sayısını bulunuz. A) - 4 B) - 1 C) + 1 D) + 2 E) + 4 2. Dihidrojen fosfat, H2PO4- bileşiğinde fosforun yükseltgenme sayısını bulunuz. A) + 5 B) + 4 C) + 3 3. 2 Ca3(PO4)2 (k) + ? C (k) + 6SiO D) - 3 2 E) - 4 (k) → P4 + 6 CaSiO3 + ? CO reaksiyonunda C'un ve CO'un önünde olması gereken katsayı kaçtır? A) 1 B) 2 C) 3 D) 7 E) 10 4. ? Fe+2 (suda) + Cr2 O -27 + 14H+ (suda) → ? Fe+3 (suda) + 2Cr+3 (suda) + 7H2 O(s) Reaksiyonunda Fe+2 ve Fe+3 iyonları önünde olması gereken katsayı kaçtır? A) 1 B) 3 C) 4 D) 5 5. Bazik ortamda Cr(OH)3 çökeltisi IO 3 E) 6 iyonları ile reaksiyona girerek I- ve CrO4-2 ürünlerini oluşturur. Bu reaksiyon için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) Cr(OH)3 + 5OH- CrO4-2 B) IO3- + H2 O I- + OH- C) Cr (OH)3 + OH- + IO3- I- + CrO4 -2 D) 2Cr (OH)3 + IO3- + 4OH - 2CrO4 -2 + I- + 5 H2 O E) 2Cr(OH)3 + IO3- + OH- 2CrO4 -2 + I- - 231 - 6. Sn+2 + 2e- → Ni+2 + 2e- → Sn (k) Ni (k) E° = -0,14V E° -0,25V Yarı reaksiyonlarına göre çalışacak standart pilin gerilimi kaç volttur? A) -0,39 7. B) -0,11 C) +0,11 D) +0,39 E) 0,50 D) 1,13 E) 1,60 Zn | Zn+2 (1,0 x 10-2 M) | Cu+2 (1x10-1 M) | Cu Pilinin gerilimi kaç volttur? A) 0,34 8. C) 0,42 Çinko bakır pilinin ∆E° = 1,10 V olduğuna göre reasiyonun denge sabiti nedir? A) 10 9. B) 0,76 B) 12 C) 23 D) 37,2 E) 105 25°C 'da 0,1M Sn+2 iyonları içeren kalay elektrodunun elektrot gerilimi kaç volttur. A) -0,136 B) -0,166 C) -0,32 D) 0,166 E) 0,136 10. Cd | Cd+2 || Cu+2 | Cu pili için aşağıdakilerden hangisi doğrudur? A) Pil şemasının sağ yanındaki elektrot anottur B) Pilin ∆E° 'i pozitif, pil kendiliğinden çalışır C) Pilin ∆E° 'i pozitif, pil kendiliğinden çalışmaz D) Pilin ∆E° 'i negatif E) Pilin ∆E° 'i negatif, pil kendiliğinden çalışır. - 232 - ÜNİTE 13 Radyoaktivite Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Radyoaktivite, ■ Çekirdek kararlılığı, ■ Radyasyon ve etkileri, ■ İyonlaştırıcı radyasyon etkileri, ■ Radyasyon ölçü ve birimleri hakkında bilgi edineceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Çekirdek ■ Radyoaktivite ■ Yarı-ömür ■ Canlı Hücrelerine Radyasyonun Etkileri ■ Radyasyon Ölçü ve Birimleri ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi kavrayabilmek için Ünite 2'de verilen atomun yapısını çok iyi anlamış olmanız gerekir. 1. GİRİŞ Radyoaktiflik, 1895 yılında Wilhelm Röntgen'in x-ışınlarını bulmasından sonra, 1896 yılında Henry Becquerel'in uranyumun gözle görülmeyen ışınlar yaydığını belirlemesiyle keşfedilmiştir. Bu buluşların ardından Marie ve Pierre Curie tarafından başka radyoaktif elementler bulunarak izole edilmiştir. Radyoaktif maddeler tarafından yayılan ışınların özellikleri ise, Ernest Rutherfort tarafından aydınlatılmıştır. 2. ÇEKİRDEK Atom yapısını irdeleyen önceki bölümlerde atom çekirdeğinin temel taşlarının proton (p) ve nötron (n) olduğu ve çekrideğin etrafında proton sayısına eşit sayıda elektronların yer aldığı belirtilmişti. Ayrıca pozitif yüklü proton ile yüksüz nötron taneciklerinin yaklaşık eşit kütlede oldukları ve negatif yüklü elektronun ise, diğer ikisine kıyasla çok daha küçük bir kütleye sahip olduğu açıklanmıştı. Atom çekirdeğinde yer alan proton ve nötron tanecikleri "nükleon" olarak adlandırılırlar. Buna göre bir çekirdekte yer alan nötron ve protonların toplam sayısı (n+p) veya farklı bir ifade ile nükleonların toplam sayısı, o çekirdeğe ilişkin "kütle numarasının" belirtir ve "A" harfi ile sembolize edilir. Öte yandan bilindiği gibi atom çekirdeğinde yer alan protonların toplam sayısı (nötür yapıdaki atomlar için elektron sayısı da olabilir), o çekirdeğe ilişkin "atom numarası" belirtir ve "Z" harfi ile sembolize edilir. Bir çekirdeğin atom numarası ve kütle numarası A X veya X A şeklinde ifade edilir. Z Z Ünite 2'de bir elemente ilişkin farklı izotoplar olabileceğini ve bu izotopların "atom numarası aynı ancak atom kütle numarası farklı çekirdekler" olarak tanımlanabileceklerini öğrenmiş ve çizelge 2.1'de bazı izotoplara ilişkin açıklamaların dökümü verilmişti. Hatırlanacağı gibi elementlerin birçoğu için birden fazla kararlı izotopun bulunmasına karşın, bazı izotoplarının kararsız radyoaktif izotoplar olduklarına değinilmişti. Örneğin oksijen elementinin doğal izotoplarının 16 O , 17 O , 18 O kararlı olmalarına karşın 8 8 8 13 O , 14 O , 15 O , ve 20 O gibi radyoaktif izotopları da bulunabilmektedir. Atom küt8 8 8 8 le numarası aynı (A = Z + n) ancak atom numarası (Z) farklı çekirdeklere ise "izobar" de40 nir. Örneğin 40 19 K ile 20 Ca farklı elementlere ilişkin izobarlardır. Öte yandan hem atom kütle numaralarının (A) hem de atom numaralarının (Z) farklı olmalarına karşın, aynı sayıda nötron içeren çekirdeklere "izoton" denir. Örneğin 14 N ile 15 O çekirdekle7 8 rinde yedişer nötron bulunmaktadır ve bu çekirdekler birbirlerinin izotonodur. - 234 - Tüm atom çekirdekleri için çekirdek yoğunluğunun sabit olduğu kabul edilir. Bu değer 2,44 x 1014 gr/cm3 olarak hesaplanmıştır. Görüldüğü gibi atom çekirdeklerindeki yoğunluk çok yüksektir. Örneğin 1 cm3 çekirdek maddesinin ağırlığı yaklaşık 250.000.000 ton civarındadır. Çekirdeği bir arada tutan kuvvetlerin niteliğinin tam kesinlik kazanmamasına karşın, bu kuvvetlerin nükleonları bir arada tutabilmelerinden sorumlu oldukları ve protonlar arasındaki itme kuvvetlerinin üstesinden gelebilecek güçte oldukları açıktır. 2.1. Çekirdek Kararlılığı Atom çekirdeklerinin, parçalanmaya ve nükleer bozunmaya karşı dayanıklılığı "çekirdek kararlılığı" olarak tanımlanır. Çekirdek kararlılığında en büyük etken, atom çekirdeklerinin bünyesinde yer alan nötron ve protonların birbirlerine oranıdır. Atom kütlesi küçük olan çekirdeklerin kararlı olabilmesi için nötron/proton oranının bir 13 14 veya bire yakın bir değerde olması gereklidir. Örneğin 12 6 C , 6 C ve 6 C izotoplarına ilişkin nötron/proton değerleri sırasıyla 1,00, 1,16 ve 1,33 dür. Bu nedenle doğal 12 C ve 13 C'nın karbon izotopları arasında kararlı olmasına karşın, 14 6 6 6 C kararsız radyaktif bir elementtir. Atom kütlesi büyük olan çekirdeklerin kararlı olabilmesi için nötron/proton oranının yaklaşık 1,5 civarında bir değerde olması gereklidir. Örneğin civa elementini ele alırsak , 200 80 Hg çekirdeğinde 80 proton ve 120 nötron olmasına ve nötron/proton oranının 1,5 olmasına karşın, bu çekirdeğin kararlı olduğunu görürüz. 40 kadar olan küçük kütleli 20 Ca atomlarda nötron/proton oranlarının yaklaşık bir olduğunu, daha yüksek kütle- Eğer bir genelleme yapılacak olunursa, li atomlar için bu eşitliğin bozulduğunu belirtebiliriz (Şekil 13.1). Bu durumun nedenlerini, atom çekirdeklerindeki itme ve çekme kuvvetlerinde aramalıyız. Doğal olarak atomların atom numarası arttıkça, proton sayıları artmakta ve proton- 235 - lar arası itme etkileşimi de buna paralel artmaktadır. Yani çekirdeği birarada tutan çekme kuvvetlerine kıyasla, itme kuvvetleri gittikçe daha belirgin olmakta ve bir noktadan sonra ön plana geçebilmektedir. Bu durum ise çekirdeklerin kararlılığının azalmasına neden olur. 130 120 110 100 90 80 Nötron Sayıs 70 60 N=1 Z 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 Proton Sayısı 70 80 90 100 Şekil 13.1 Çekirdek kararlığının nötron proton oranına bağlılığı Atom numarası 40 20 Ca 'den yüksek çekirdeklerde bu itme kuvvetlerinin etkisini azaltmak için gittikçe artan nötrona gerek duyulur. İşte bu nedenle atom numarası yükseldikçe nötron/proton oranı 1,5'a doğru yükselir. Atom çekirdeklerindeki nötron sayısı ne kadar çok olursa olsun, yine de kararlı bir çekirdekte bulunabilen proton sayısı sınırlıdır. En büyük atom numarasına sahip kararlı çekirdek, 209 Bi çekirdeğidir. 83 Daha büyük atom numarasına sahip çekirdeklerin hepsi "radyoaktif" özellik taşırlar. Radyoaktif çekirdekler, kararlı bir nötron/proton oranına ulaşıncaya kadar "radyoaktif çekirdek bozunması" olarak adlandırılan bir süreçle "radyasyon" yayarlar. - 236 - Çekirdek kararlılığını etkileyen etkenlerden bir diğeri de nötron ve proton sayılarının tek veya çift oluşudur. Tek - çift kuralı olarak bilinen bir kurala göre, nötron ve (veya) proton sayıları çift olan çekirdeklerin kararlı oldukları saptanmıştır. Örneğin bilinen 264 kararlı çekirdekten 102 tanesinde nötron veya proton sayılarının çift olduğu, 157 tanesinde hem nötron hem de proton sayılarının çift olduğu ve sadece 5 tanesinde nötron ve proton sayılarının tek olduğu anlaşılmıştır. Çekirdek kararlığına ilişkin bir diğer ilginç durum ise "sihirli sayılar" olgusudur. Sihirli sayılar kuralına göre nötron ve/veya proton sayıları 2, 8, 20, 50, 82, 126 olan çekirdekler çok kararlıdırlar. Bu sebeple söz konusu sayılara "sihirli sayılar" adı verilmektedir. Aynı zamanda hem proton hem de nötron sayıları sihirli sayılardan birine eşit 4 He , 16 O , 40 Ca , 208 Pb gibi çekirdekler, bolluk dereceleri (doğal 2 8 20 82 dağılım oranları) yüksek olan kararlı izotoplardır. 3. RADYOAKTİVİTE Doğada kararlı bir çekirdeğe sahip atom sayısı oldukça azdır. Daha önce değinildiği gibi bir çekirdeğin kararlı olması, belli sayıda nötrona ve protona sahip olmasına bağlıdır. Bu sayıların dışına çıkıldığı zaman, çekirdekler kararsız bir yapı kazanırlar. Kararlı hale gelebilmek için parçalanan bu tür çekirdekler, "radyoaktif çekirdek" ler olarak bilinirler. Ağır elementlerin çoğu radyoaktif özelliklere sahiptir. Radyoaktif çekirdekler kararlı bir nötron/proton oranına ulaşana kadar, bozunmaya uğrarlar. İlk bozunmaya uğrayan radyoaktif çekirdek "ana çekirdek", ve ana çekirdeğin radyoaktif bozunmaya uğraması sonucu oluşan çekirdek ise "yavru çekirdek" adını alırlar. - 237 - α), beta (β β) ve gamma (γγ) Bozunma sürecindeki radyoaktif çekirdekler, alfa (α radyasyonlarından birini veya birkaçını yayınlayarak, rahatlama yolunu seçerler. Radyasyon Yavru çekirdek Yavru çekirdek (Kararsız) (Kararlı) Yavru çekirdek (Kararsız) Kararsız çekirdek Şekil 13.2 Kararsız bir radyoaktif çekirdekten kararlı bir çekirdek oluşumu α), beta (β β) ve gamma (γγ) bozunmaları sonucu yavBir radyoaktif ana çekirdekten alfa (α ru çekirdekler oluşturan seriler, "radyoaktif seriler" olarak tanımlanır. Radyoaktif seriler uranyum, toryum, aktinyum ve neptinyum serisi şeklinde dört grup oluşturulmuştur. Her seri, bozunma zincirini tamamladıktan sonra kararlı bir çekirdek haline dönüşür. Şekil 13.3 de Uranyum-238 serisi gösterilmiştir. α 238 U 92 β, γ β, γ 234 Th 234 Pa 90 91 25 gün 5x10 yıl 9 Uranyum Toryum α 234 U 92 7 saat Protaktinyum 230 Th 90 2,7.105 Uranyum Toryum 8x104 yıl β, γ 214 Bi 83 27 dak. Bizmut α α 214 Pb 82 3 dak. 218 Po 84 Kurşun Polonyum α, γ 222 Rn 86 4 gün 2.10 yıl 3 Radon α, γ 226 Ra 88 Radyum 20 dak. β, γ α 214 Po 84 16x10 Polonyum -4 β, γ 210 Pb 82 22 yıl Kurşun β 210 Bi 83 5 gün α 210 Po 84 Bizmut Şekil 13. 3 Uranyum-238 radyoaktif serisi - 238 - 138 gün 206 Pb 82 Kurşun (Kararlı İzotop) α) Bozunması 3.1. Alfa (α Radyoaktif çekirdeklerin kararlı bir çekirdek yapısına ulaşmak için izlediği yollarα-bozunmasıdır." Alfa (α α) bozunması, radyoaktif çekirdekten kütdan biri "α le numarası 4 atom numarası 2 olan bir taneciğin ayrılması sonucu gerçekleşir. 4 Ayrılan tanecik aslında bir helyum çekirdeğidir. 2 He . Demek ki bir atom çekirdeği α bozunmasına uğradığı zaman kütle numarasında 4 ve atom numarasında 2 eksilme olur. Örneğin uranyum'un en bol bulunan izotopu uranyum-238 α bozunmasına uğradığı zaman toryum-234'e dönüşür. 238 U → 234 Th + 4 He 92 90 2 Bu tür bozunmalarda okun sol tarafı başlanfıçtaki radyoaktif çekirdeği, sağ taraf ise bu çekirdeğin radyoaktif bozunması sonucu oluşan ürünü gösterir. İfadenin doğruluğu ise her iki tarafta bulunan nötron ve proton eşitliğinin sağlanmasıyla kontrol edilir. Yukarıdaki ifade de, Okun solu Okun sağı Kütle numarası 238 234 + 4 Atom numarası 92 90 + 2 olduğundan doğru yazıldığı görülür. Bu ifade de oluşan toryum-234 (yavru çekirdek) de kararsız bir radyoaktif çekirdektir. Alfa (α) taneciklerinin giricilikleri (nufuz etme gücü) düşüktür. α) tanecikleriBu tanecikler ince bir kağıt yardımıyla durdurulabilirler. İnsan derisi alfa (α ni hücrelere ulaşmadan durdurabilir (Şekil 13.4). - 239 - Şekil 13.4 α, β ve g Işınlarının insan üzerine etkileri β ) Bozunması 3.2. Beta (β β) taneciği aslında çekirdekten yayınlanan yüksek enerjili bir elektrondur Beta (β 0 -1 e . Beta (β) bozunması sürecinde, radyoaktif çekirdekte bulunan bir nöt0 ron, bir proton ile bir elektrona dönüşür. β veya -1 e 1 n → 1 p + 0 e + Enerji 0 1 -1 Nötron Proton Elektron ( β) Nötron/ proton oranı çok yüksek radyoaktif çekirdeklerde, beta bozunması n/p oranının azalmasına ve bu azalma nedeniyle kararlılık artışına neden olur. Oluşan elektron çekirdekten ani olarak fırlar ve bu fırlama sonucu, radyoaktif çekirdek ardında kütle numarası aynı fakat atom numarası farklı bir yavru çekirdek bırakır. Örneğin uranyum238 in α ışıması sonucu oluşturduğu toryum-234 bir β taneciği fırlatıcısıdır. Örnekte görüldüğü gibi ana ve yavru çekirdeklerin atom kütle numarasının değişmemesine karşın, yavru çekirdeğin atom numarasında bir eksilme olmaktadır. 234 Th → 234 Pa + 0 e -1 90 91 β) tanecikleri, alfa (α α) taneciklerinden çok daha küçüktür. Bu nedenle de Beta (β α taneciğine göre daha etkilidir ve giricilikleri (nufuz etme özellikleri) de daha fazladır. - 240 - Beta tanecikleri kağıttan geçerler fakat birkaç metre hava tabakası ve birkaç milimetrelik aluminyum levha bu ışınları durdurur. Beta ışınları, dış derideki ölü seviyeye nüfus eder, derinin iç kısmında durduğu için dış derideki dokulara yakarak zarar verir (Şekil 13.4). 3.3. Gamma (γγ) Bozunması Gamma (γγ) ışınları tanecik değildir. Bunlar kısa dalga boylu ve yüksek enerjili (x- ışınları benzeri) ışınlardır. α) ve beta (β β) bozunması sırasında birçok atom çekirdeği uyarılmış birer yapıya Alfa (α (yüksek enerjili hale) ulaşırlar. Bu tür yüksek enerjili çekirdekler, gamma (γ) ışıması yardımı ile rahatlama yolunu seçerler. Özetle birçok alfa ve beta bozunmalarının, gamma ışımasını da birlikte sürdürdüklerini belirtebiliriz. (Bakınız şekil 13.3). Gamma ışıması sürdüren bir çekirdekte atom kütle numarası ve atom numarası değişikliğe uğramaz. Gamma (γ) ışımasının mekanizmasını aşağıdaki basamaktada özetleyebiliriz. 226 Ra → 222 Rn* + 4 He 2 88 86 222 Rn* → 222 Rn + γ 86 86 Toplam Çekirdek ifadesi 226 Ra → 222 Rn + 4 He + γ 2 88 86 Yüksek enerjili hal Düşük enerjili hal 4. YARI - ÖMÜR Radyoaktif maddeler, kendilerine özgü bir bozunma hızına sahiptir. Radyoaktif izotopların bozunma hızı "yarı-ömür" adı verilen bir sayı ile belirtilir ve yarı ömür "t1/2" olarak ifade edilir. Yarı ömür (t1/2) radyoaktif ve bozunmaya uğrayan bir örnekteki atomların yarısının yok olması için geçen zaman olarak tarif edilir. - 241 - Radyoaktif bir izotopun birinci yarı ömrü sonrsı yarı miktarı yok olurken, diğer yarısı değişmeden kalır. İkinci yarı-ömür sonrası başlangıç miktarının 1/4'ü, üçüncü yarı-ömür sonrası başlangıç miktarının 1/8'i vs. kalacak şekilde azalmaya uğrar (Şekil 13.5). x Kalan Miktar x 2 x 4 1 2 x 8 3 x 16 4 x 32 5 x 64 6 Yarı-ömür sayısı Şekil 13.5 x Gram ağırlığında radyoaktif bir maddenin yarı-ömürleri ve kalan miktarları arasındaki ilişki Örneğin azot-13 izotopunun yarı-ömür süresi (t1/2) 10 dakikadır. Eğer elimizde başlangıçta 1 gram azot - 13 izotopu varsa, ilk 10 dakika sonra 0,5 gram azot-13, ikinci 10 dakika sonra 0,25 gram azot-13, üçüncü 10 dakika sonra ve sadece 0,125 gram azot-13 kalacaktır. (Şekil 13.6). t 1/2 = 10 dk. 10 dk. 1 gram 10 dk. 10 dk. 1 gram 4 1 gram 2 1 gram 8 Şekil 13.6 Yarı-ömür sonrası kalan miktarlar Özellikle vurgulanması gereken bir nokta ise, radyoaktif özelliğe sahip farklı izotoplara ilişkin yarı ömürlerin ve yayınladıkları radyasyon türlerinin farklı olduklarıdır. - 242 - Çizelge 13.1 de bazı izotoplara ilişkin yarı-ömür ve radyasyon türleri verilmiştir. Çizelge 13.1 Bazı radyoaktif izotoplar ve yarı-ömürleri Element İzotop Yarı-ömür Verdiği radyasyon Hidrojen 3H 1 12 yıl Beta Karbon 14 C 6 5730 yıl Beta 14 gün Beta 1.28x109 yıl Beta ve gamma 5 yıl Beta ve gamma 28 yıl Beta 8 gün Beta ve gamma 32 P 15 40 19 K 60 Co 27 90 Sr 38 131 I 53 Fosfor Potasyum Kobalt Stronsiyum İyot 30 yıl Beta Polonyum 137 Cs 55 214 Po 84 1,6x10-4 saniye Alfa ve gamma Radyum 226 Ra 88 1600 yıl Alfa ve gamma Uranyum 235 U 92 7,1x108 yıl Alfa ve gamma 238 U 92 4,5x10 yıl Alfa Sezyum 9 Örnek 13.1 Fosfor-32 izotopundan biyolojik araştırmalara dönük çalışmalarda yararlanılır. Fosfor-32'nin yarı-ömür'ü 14 gündür. Laboratuvar araştırmalarında 500 mg Fosfor-32 ile başlanınsa, 70 gün sonra fosfor-32 nin kaç gramı bozunmadan kalır? Çözüm 13.1 Problemin çözümüne 70 günün kaç yarı-ömür karşılığı olduğunu bularak başlayalım. 70 gün x 1 yarı - ömür = 5 yarı - ömür 14 gün Şimdi Fosfor-32 izotopunun başlangıç miktarına x diyelim. bu durumda 5 yarı-ömür sonra kalan miktar x kadar olur. 32 x= 500 gr olduğuna göre Fosfor - 32 nin kalan miktarı = 500 mg = 15,6 mg dır. 32 - 243 - 5. CANLI HÜCRELERİNE RADYASYONUN ETKİLERİ 5.1. İyonlaştırıcı Radyasyon Radyoaktif materyallerin kullanımı, pekçok tıbbi teşhis alanında standart bir yöntem olarak yer almaktadır. Ayrıca bu tür materyaller, bazı hastalıkların tedavisinde de önemli rol oynamaktadır. Ayrıca bu tür materyaller, bazı hastalıkların tedavisinde de önemli rol oynamaktadır. Bu durumda radyoaktif maddelerin, insan sağlığına zarar veren etkilerine rağmen bazen sağlık sorunlarının çözümlenmesine yardımcı olabildiklerini belirtmeliyiz. ? Radyoakitf maddelerin zararlı etkilerini nasıl açıklayabiliriz? Alfa, beta, gamma ve kozmik ışınlar, canlı dokuyla temas ettikleri zaman, iyon çiti olarak adlandırılan kararsız ve reaktif yüklü tanecikler oluştururlar. Bu sebepten dolayı, bu tür radyasyonlara "iyonlaştırıcı radyasyon" adı verilir. Buna ilaveten, bu tür radyasyonlar canlı dokuda moleküllere çok yüksek enerji transfer ederler ve bunun sonucu hücredeki moleküllerin ayrışmasıyla "serbest radikal" olarak adlandırılan yüksek enerjili, yüksüz taneciklerin oluşumuna da neden olurlar. Oluşan yüksek enerjili serbest radikaller, diğer molekülleri etkileyecek kabiliyettedir. Böylece canlı dokularını tamamen etkileyebilirler. İyonlar ve serbest radikaller birbirleriyle veya diğer moleküllerle etkileşerek, hücreye yabancı yeni maddeler oluşturma yoluyla tehlike yaratabilirler. Üretilen yeni maddeler radyoaktif olmamalarına karşın, çok yüksek enerjili olmaları nedeniyle, canlı yapısına zarar verici yeni reaksiyonların başlamasına neden olabilirler. - 244 - Şekil 13.7 İyonize radyasyonun canlı hücreye isabet etmesiyle oluşan yüksek enerjili kararsız iyonlar ve radikaller İnsan vücudundaki tek bir hücre üzerine bir an için göz atıldığında iyonlaştırıcı radyasyonun büyük zarar veren iki ara etkisi görülür. Birincisi "direkt etki" ile sebep olabildiği zarardır. İyonlaştırıcı radyasyon önemli bir biyolojik moleküle direkt isabet ettiğinde moleküllün biyolojik olarak yararlı olmayan parçalara ayrılmasına sebep olabilir. Örneğin "DNA" canlılar için hayati önem taşıyan bir moleküldür. Bu molekül ikiye ayrılarak çoğalan bir yapıya sahiptir. Eğer DNA bütünüyle harap olursa, bölünme yapamaz ve hücre ölür. Birden fazla hücrede bu durum gerçekleştiğinde ise, doku ölür. Doğal olarak bu durum, organizmanın vaktinden evvel ölümüne neden olur. Öte yandan eğer bir tek DNA molekülü zarar görürse, hücre o durumda anormal bir bölünme yapar yeni hücrelerdeki DNA değişir. Böyle hücreler "değişen hücreler" olarak bilinir. Değişen bir hücre değişik DNA lara sahiptir ki bunlar insan vücudunda uzun süre kontrol edilir. Ancak hücre büyüyemeye başlar ve kontrolsuz parçalanırsa, normal hücreleri harap eder. Bu şekilde davranan hücrelere "habis ur" veya "kanser" adı verilir. Görülüyor ki, iyonlaştırıcı radyasyonlar genetik bozukluklar ve kanser dahil sağlığa zararlı birçok etkiye sahiptir. Biyolojik önem taşıyan moleküller üzerine iyonlaştırıcı radyasyonun direkt etkisi, hücreye zarar veren tek yol değildir. İyonlaştırıcı radyasyon "indirekt etki" ile de zarara sebep olabilir. Hayvan hücrelerinin yaklaşık %80 sudur ve iyonlaştırıcı radyasyon su moleküllerine etki ederek, canlı hürcede negatif ve pozitif iyonlar veya yüksek enerjili radikaller oluştururlar. Bu tür serbest radikaller suyu parçalayabilirler ve zararlı bir kimyasal madde olan hidrojen peroksit (H2O2) oluşumuna neden olurlar. Hidrojen peroksit yüksek toksit etkisi olan bir maddedir. Bu sebeple hidrojen peroksit zehirlenmesine neden olabilmektedir. Serbest radikaller, oksijen ile reaksiyona girerek, hücre içinde, hidrojen peroksitten daha sakıncalı olan yeni peroksi radikallerin oluşumuna neden olurlar (Şekil 13.8). - 245 - Şekil 13.8 İyonlaştırıcı radyasyonun direkt ve endirekt etkisi 6. RADYASYON ÖLÇÜ VE BİRİMLERİ Radyasyon yayınlayan cihaz, makina ve radyoaktif maddeler endüstride geniş uygulama alanları bulmaktadır. Bu uygulamalar sırasında çok sayıda insan iyonlaştırıcı radyasyonun etkisinde kalmaktadır. Bu kişilerde, alınan radyasyon dozu ile orantılı olarak bazı zararlı biyolojik etkilere neden olduğu görülmüştür. İyonlaştırıcı radyasyon canlı hücrelerinden geçerken hücre molekülleri ile etkileşerek zarar vermektedir. İyonlaştırıcı radyasyona uğrayan kişilerde, etkilenilen radyasyon miktarı verdiği zararla orantılı olduğu için radyasyon miktarının ölçülmesi ve her birinin tanımlanması gerekmektedir. Bu amaçla, x - ışınlarının keşfinden bu güne kadar birçok birim tanımlanmış, fakat bazıları günümüzde kullanılmaz olmuştur. Uluslararası Radyoloji komisyonu (ICRU), Uluslararası birimler Sisteminin (SI) önerileri doğrultusunda 1971 yılında radyasyon ölçülmesiyle ilgili SI birimlerinin saplanmasından önceki yıllarda, radyasyon birimi olarak "röntgen"; soğurulma doz birimi olarak "rad" (radiaton absorbed dose), doz eşdeğer birimi olarak "rem" (roentgen equivalent man) ve radyoaktivite birimi olarak da "Curie" kullanılmıştır. Belli bir geçiş süresinden sonra günümüzde SI birimleri kullanılmaktadır. - 246 - 6.1. SI Birimleri 6.1.1. Radyasyon Birimi (Röntgen) Röntgen yerine yeni bir isim gerek duyulmadığı için aynı isim üzerinden yeni birimin yürütülmesi düşürülmüştür. Yeni radyasyon birimi olarak "Coulomb/kg" tarif edilmiştir. Normal hava koşullarında (O°C ve 1 atm basınç) havanın 1 kilogramında 1 Coulomb pozitif ve negatif elektrik yükü taşıyan iyonlar meydana getiren x - veya γ - radyasyon miktarına "Coulomb/kg" denir. 1 Coulomb/kg = 3876 R veya 1R = 2,58 x 10-4 C/kg dır. 6.1.2. Soğurulmuş Doz (D) ve Birimi Nükleer teknolojinin ilerlemesi ile elde edilen yüksek enerjili x ışınlarının α, β ve nötron gibi radyasyonlardan herhangi bir cisimde soğurulan enerjisinin ölçümünde coulomb/ kg veya röntgen yetersiz kalmıştır. Bu nedenle her çeşit radyasyon ve madde için soğurulan doz birimi olarak "gray" tanımlanmıştır. Herhangi bir maddenin kilogram başına 1 Joule'lük enerji soğurması meydana getiren radyasyon dozuna (miktarına) "gray" denir v kısaca "Gy" ile sembolize edilir. Soğurulmuş dozun (veya kısaca doz da denilebilir) SI öncesi kullanılan birimi "rad" olup, 1 rad = 100 erg / g 1 rad = 0,01J /kg 1 rad = 10-5 J /g 100 rad = 1 gray 1 gray = 1 J /kg'dır. - 247 - 6.1.3. Doz - Eşdeğeri (H) ve Birimi Radyasyon dozunun birimleri olan rad vegray radyasyonun insan sağlığı üzerindeki etkisini ifade etmekte yetersizdir. Zira soğurulan dozun meydana getirdiği zararlı biyolojik etkiα, β, γ vs.) göre ler, hem iyonizasyon yoğunluğuna hem de radyasyonun türüne (α farklılık göstermektedir. Örneğin aynı enerji ve şiddetindeki beta radyasyonu ile nötronların etkileri kıyaslandığında, 10 kez daha fazla tehlikeli oldukları anlaşılmıştır. Bu durum farklı türdeki radyasyonlara ilişkin dozların, aynı skalada ifade edilebilmeleri için, radyasyon dozunun yanısıra, radyasyonun türüne bağlı bir etki faktörünün de değerlendirilmeye alınmasını gerekli kılmaktadır. Buna göre kısaca "H" ile sembolize edilen doz-eşdeğeri hesaplamalarında, soğurulan doz ile radyasyonun türüne bağlı "etkinlik faktörünün" çarpımından yararlanıldığını belirlebiliriz. Bu yorum çerçevesinde kısaca "insan için eşdeğer radyasyon" sözcüklerinin İngilizcedeki karşılığı olan "radiation equivalent for man" sözcüklerinin baş harflerinden oluşan ve "rem" olarak ifade edilen "doz eşdeğeri birimi" ortaya atılmıştır. Bir rem dozunun hesaplanmasında, soğurulmuş radyasyonun (rad) ile radyasyonun türüne ilişkin zarar etkinliği faktörünün çarpımı yoluna gidilir. Daha önce de değinildiği gibi "rem" SI öncesi kullanılan birim olup, günümüzde halen geçerlidir. Doz eşdeğerinin (H) SI birimi "Sievert" dir ve kısaca "sv" ile sembolize edilir. Buna göre soğurulan dozun (D) kalite faktörü (Q) ve tüm diğer etkili faktörleri barındıran (N) faktörü ile çarpımının "Sievert birimi cinsinden doz eşdeğerini" verdiğini belirtebiliriz. Hsievert = Dgray x Q x N - 248 - 6.2. Radyoaktivite Birimi Hastahane veya kliniklerde radyoaktif maddelerin kullanımı yaygındır. Kullanıcı satın aldığı radyoaktif maddenin aktivitesini bilmek ister. Radyoaktif maddenin saniye başına gerçekleştirdiği bozunma sayısına "aktivite" denir. Aktivitenin SI birimi "becquerel" olarak adlandırılır ve kısaca (Bq) ile sembolize edilir. Daha önce de belirtildiği gibi "curie" SI öncesi kullanılan radyoaktivite birimi olup kısaca "Ci" ile sembolize edilir. Bir gram radyumun saniyede uğradığı bozunma sayısı (3.7x1010 bozunma/saniye) "curie" olarak tanımlanmış ve bu sayıda aktivite gösteren tüm diğer radyoaktif maddelerin aktivitesi 1 curie olarak belirtilmiştir. 1 Ci = 307 x 1010 bozunma/saniye 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq 1 Bq = 2,703 x 10-11 Ci 6.3. Tolerans Dozu Bir insanın tek bir göğüs filmi çektirmesi, yaklaşık 7 milliremlik (7x103 rem) bir doz alınmasını gerektirir. Ancak bir insanın maruz kaldığı toplam radyasyon dozunun belirlenebilmesi için, tüm diğer radyasyon türlerinden aldığı dozun rem (veya-sievert) cinsinden hesaplanıp, toplanması gerekir. Uluslararası Korunma komisyonu (ICRP) "maksimum izin verilen doz" kavramını ortaya atarak, bu dozu 0,3 rem/hafta olarak sınırlamıştır. İnsanlarda yaklaşık 300 rem civarında veya üstünde bir doz "öldürücü etki" gösterir. - 249 - Özet Radyasyona, radyoaktif çekirdeklerin bozunması sonucu ortaya çıkar. Bir çekirdeğin kararlı olması çekirdekteki nötron/proton oranına bağlıdır. 40 20 Ca ka kadar olan küçük kütleli atomlarda nötron/proton oranı yaklaşık birdir. Radyoaktif ana çekirdek kararlı yavru çekirdek oluşturuncaya kadar bozunur. Bu bozunma4 lar α, β ve γ bozunmaları olarak bilinir. Alfa (α) taneciği aslında bir 2 He çekirdeğidir. Beta (β) taneciği bir elektrondur. Gamma bozunması ise bir enerjidir. Her radyoaktif madde bir yarı-ömür ile tanınır. Yarı-ömür başlangıç radyoaktif maddenin ağırlığının yarıya inmesi için geçen süre olarak tarif edilir ve t1/2 ile ifade edilir. Radyasyon canlı hücresine iyon çifti ve serbest radikal oluşturarak zararlı olur. Bu tür radyasyonlara "iyonlaştırıcı radyasyonlar" adı verilir. Radyasyon miktarı doz kavramıyle açıklanır. Doz miktarı çeşitli şekilde ölçülür. Değerlendirme Soruları Aşağıdaki soruların yanıtlarını verilen seçenekler arasından bulunuz. 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Ca - 40'a kadar bütün atom çekirdekleri radyoaktiftir. B) Nötron/proton sayıları 1 olan çekirdekler kararlıdır. C) En büyük atom numarasına sahip kararlı çekirdek 209 83 Bi çekirdeğidir. D) Doğada bulunan kararlı çekirdeklerin çoğunda çift sayıda proton ve nötron bulunur. E) Atom numarası tek olan kararlı element sayısı 2 yi geçmez. 2. 4 He helyum çekirdeği hangi bozunma sonucu oluşur? 2 A) α bozunması B) β bozunması C) γ bozunması D) x - ışını E) Yavru çekirdek oluşumundan - 250 - 3. Herhangi bir radyoaktif çekirdeğin 2 yarı-ömür sonra miktar olarak hangi oranda kalır? A) 1/2 B) 1/4 C) 1/8 D) 1/3 E) Tamamı yok olur 4. 10 dakika yarı-ömür'e sahip bir radyoaktif madde 1 gram geliyorsa, 10 dakika sonra kaç gram madde azalır? A) 0,1 gram 5. B) 0,2 gram C) 0,3 gram D) 0,4 gram E) 0,5 gram α - taneciği insan vücuduna ne kadar nüfus eder? A) İnsan derisini geçerek, hücrelere ulaşır B) İnsan derisini yakacak kadar C) İnsan derisini geçmeden durur D) Havadan geçemez E) Hücre içlerine kadar nüfus eder. 6. Aşağıdakilerden hangisi radyoaktivite miktarı ölçü birimidir? A) Becquerel B) Sievert C) Gray D) Rem E) Rad 7. Uluslararası Korunma Komisyonu tarafından "maksimum izin verilen doz miktarı" haftalık kaç rem olarak kabul edilmiştir? A) 0,1 rem B) 0, 2 rem C) 0,3 rem - 251 - D) 0,4 rem E) 0,5 rem 8. Aşağıdaki ifadelerin hangisi doğrudur? A) İyonlaştırıcı radyasyonun direkt ve indirekt etkileri, canlılarda zarara neden olur. B) Bir SI birimi olan Curie,radyoaktivitenin miktarını belirtir. C) Bir SI birimi olan rad, soğurulan radyoaktivitenin dozunu belirtir. D) Bir SI birimi olan rem, soğurulan dozun zararını belirtir. E) Aktivitenin SI öncesi birimi, "becquerel" olarak bilinir. 9. Aşağıdaki ifadelerin hangisi doğrudur? A) 210 Pb → 210 Bi + 0 e + 4 He -1 2 82 83 B) 210 Pb → 210 Bi + γ 82 83 C) 210 Pb → 210 Bi + n 82 83 D) 210 Pb → 210 Bi + 0 e + γ -1 82 83 E) 210 Pb → 210 Bi + 4 He + γ 2 82 83 10. Aşağıdaki ifadelerden hangisi doğrudur? A) 226 Ra → 214 0 4 88 84 Po + -1 e + 2 He B) 226 Ra → 222 Rn + 4 He + γ 2 88 86 218 C) 226 88 Ra → 84 Po + D) 4 He + 0 e 2 -1 226 Ra → 222 Rn + 0 e + 1 n -1 88 86 0 E) 226 Ra → 222 Rn + γ 88 86 - 252 - 14 ÜNİTE Organik Kimya - I Hidrokarbonlar Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra; ■ Anorganik ve organik kimya arasındaki farkı, ■ Organik kimya'da fonksiyonel grup kavramını, ■ Hidrokarbonların temel özelliklerini, ■ Hidrokarbonların temel reaksiyonlarını öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Organik Kimya Nedir? ■ Organik Bileşiklerde Bağlanma ■ Hibritleşme ■ Organik Bileşiklerin Yapıları ■ Alkanlar ■ Alkenler ■ Alkinler ■ Aromatik Hidrokarbonlar ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi kavrayabilmek için karbon, oksijen, azot ve hidrojen elementlerinin temel kimyasal özelliklerinin bilinmesi gerekir. ■ Periyodik cetveli her zaman yanınızda bulundurunuz. 1. ORGANİK KİMYA NEDİR? Organik kimya temel olarak karbon ve hidrojen elementi içeren bileşikleri inceleyen bir bilim dalıdır. Saç, cilt ve kasları meydana getiren RNA ve DNA; yediğimiz içtiğimiz gıdalar; giydiğimiz elbiseler; ve aldığımız tüm ilaçlar organik maddelerdir. Organik kimya'nın temeli 18. yüzyıl ortalarında simyacılar tarafından atılmıştır. O tarihlerde simyacılar canlı kaynaklardan elde edilen maddeler ile minerallerden elde edilen maddeler arasında o zaman için açıklanması mümkün olmayan farklar gördüler. Bitkilerden ve hayvanlardan elde edilen bileşiklerin izole edilmesi ve saflaştırılması çoğu kez zordu. Bu maddeler saf olsalar dahi, bunlar ile çalışmak kolay iş değildi ve mineral kaynaklardan elde edilen bileşiklere nazaran bozulmaya daha fazla yatkınlardı. İsveç'li kimyacı Torbern Bergman 1770 yılında ilk defa olarak "organik" ve "inorganik" maddeler arasındaki farkı ifade etti. Bu tarihten sonra "organik kimya" sözcüğü çok kısa süre içinde canlı organizmalardaki bileşiklerin kimyası manasına ulaştı. O yıllarda, kimyacıların çoğu organik bileşiklerde canlı kaynaktan gelen "yaşamsal kuvvet" (vital force)'in organik ve inorganik bileşikler arasındaki farkı yarattığını düşünüyorlardı. Bundan dolayı, kimyacılar organik bileşiklerin inorganik bileşikler gibi laboratuvarlarda elde edilemeyeceğini ve bu bileşikler ile deney yapılamayacağına inanıyorlardı. Dolayısıyla, organik kimyanın gelişmesi çok gecikmiş oldu. Michel Chevreul (1786-1889) 1816 yılında hayvansal yağ ile alkalileri reaksiyona soktu. Elde edilen madde bildiğimiz sabun idi ve sabun bir kaç saf organik bileşiğe ayrılabildi. Bu maddelere "yağ asitleri" adı verildi. Böylece, ilk kez bir organik madde (yağ) dışarıdan bir itici güç (yaşamsal kuvvet) olmadan diğer organik bileşiklere (yağ asitleri) dönüştürülmüş oldu. Şayet yağ asitlerindeki uzun karbon-zincirini R ile gösterirsek, bu durumu aşağıdaki şekilde gösterebiliriz. R = Uzun karbon zinciri O R C O CH2 O R C O CH + 3 NaOH H 2O O 3 R C O Na Alkali Sabun O H2C OH + HC OH H2C OH Gliserin R C O CH2 Yağ - 254 - Friedrich Wöhler (1800-1882) 1828 yılında inorganik bir tuz olan amonyum siyanatı daha önceleri bilinen organik bir madde olan üreye dönüştürerek "yaşamsal kuvvet" kuramını iyice çürüttü. NH4OCN Amonyum siyanat Isı O H 2N C NH2 Üre Kimyacıların çoğu 19. yüzyıl ortalarında "yaşamsal kuvvet" kuramını terk etmişlerdi. William Brande 1848 yılında organik ve inorganik kimya arasında keskin bir hat çizilemeyeceğini belirtmiştir. Kimya bugün birleşmiş durumdadır. En basit inorganik bileşikleri açıklayan temel bilimsel ilkeler en karmaşık organik bileşikleri de açıklayabilmektedir. Bununla birlikte, tarihsel nedenlerden dolayı organik ve inorganik kimya arasındaki bölünme kendini hala hissettirmektedir. 2. ORGANİK BİLEŞİKLERDE BAĞLANMA Organik kimya, bugün karbon bileşiklerinin incelendiği bir daldır. Atom numarası 6 olan karbon atomu ikinci periyotta bulunan bir elementtir. Karbonun organik bileşikler içindeki en temel element olmasına karşın, organik bileşikler hidrojen, azot, oksijen, kükürt, fosfor ve halojenler başta olmak üzere çeşitli diğer elementleri de içine almaktadır. Karbon niçin özeldir? Periyodik cetvelde karbonu diğer tüm elementlerden ayrı kılan şey nedir? Bu soruların cevapları oldukça karmaşık ve zordur. Karbon atomları 4 değerlidir. Yani, diğer atomlar ile dört bağ yapma kapasitesine sahiptir. Karbon atomları kuvvetli karbon-karbon ve karbon-hidrojen bağları oluştururlar. Karbon atomu tüm elementler içinde aynı atomların kararlı uzun-zincirli bileşikler yapabilen tek elementtir. Sadece karbon ve hidrojen içeren ve "hidrokarbonlar" denilen onbinlerce farklı bileşik vardır. - 255 - ( CH 2- CH2 - CH2 ) x CH4 CH3 CH3 Metan Etan Polietilen (PET) Molekül ağırlığı: 16 Molekül ağırlığı: 28 Molekül ağırlığı (yaklaşık): 100.000 Çap: 0.000000003 Uzunluktan (en fazla) : 0.00005 cm 3. HİBRİTLEŞME s Orbitali ve p orbitallerinin matematiksel olarak bir araya gelmesiyle oluşan yeni atomik orbitallere "hibrit" orbitalleri denir. Eğer hibritleşmeye s'nin yanında üç adet p orbitali de katılmış ise oluşan yeni orbital "sp3" orbitali adını, 2 adet p orbitali katılmışsa, "sp2" orbitali adını ve son olarak s'in yanında sadece 1 adet p orbitali hibritleşmeye katılmış ise bu durumda oluşan yeni orbital "sp" orbitali adını alır. + _ p orbitali + + + p orbitali sp3 orbitali 4. ORGANİK BİLEŞİKLERİN YAPILARI Bugün için bilinen organik bileşik sayısı sekiz milyon kadardır. Bu bileşiklerin herbirinin kendine özgü erime noktası, kaynama noktası gibi fiziksel özellikleri ve dolayısıyla kendine özgü kimyasal reaktiviteleri vardır. Yıllar içinde kimyacılar organik bileşikleri yapısal özelliklerine göre sınıflandırmışlardır. Milyonlarca organik bileşiğin tek tek reaktivitesi ile uğraşmaktansa birkaç düzine genel organik bileşik ailesinin reaktivitelerini öğrenmek işleri çok kolaylaştırmıştır. Bileşikleri reaktivitelerine göre sınıflandırmaya imkân veren yapısal özelliklere "fonksiyonel grup" denir. Fonksiyonel grup büyük bir molekülün bir parçasıdır; kendine özgü kimyasal davranışlara sahip bir atom veya atomlardan meydana gelen bir gruptan meydana gelmiştir. Kimyasal olarak, belli bir fonksiyonel grup her molekülde yaklaşık olarak aynı şekilde hareket eder. Örneğin, en basit fonksiyonel gruplardan biri karbon-karbon çift bağıdır. Karbonkarbon çift bağı iki kısımdan meydana gelmiştir: her bir karbon atomundaki sp2 orbitalle- - 256 - σ) bağı ve her bir karbon atomundaki rinin kafa-kafaya örtüşmesi ile oluşan bir sigma (σ p orbitallerinin yan yana örtüşmesi ile oluşan pi (π) bağıdır. Pi bağı (üst) Sigma bağı C C Pi bağı (alt) Karbon-karbon çift bağının oluştuğu tüm moleküllerde karbon-karbon çift bağının elektronik yapısı yaklaşık olarak aynı kaldığından dolayı, bağın kimyasal reaktivitesi de aynı olur. Karbon-karbon çift bağına sahip eten'in (etilen) reaksiyonları ile çok daha karmaşık yapıya sahip bir molekül olan kolesterol'ün reaksiyonları hemen hemen aynıdır. H H + C C H H2C Br2 CH2 Br Br H Eten (Etilen) 1,2-Dibromoetan H3C H3C H H H3C H H3C Br2 H H H H H HO HO H H Br Br Kolesterol Kolesterol dibromür 5. ALKANLAR Sadece karbon-karbon ve/veya karbon-hidrojen tekli bağ içeren bileşiklere "alkanlar" denir. Alkanların genel formülünü CnH2n + 2 şeklinde gösterebiliriz. Burada "n" alkan bileşiğinde karbon sayısıdır. Alkanlar kimyasal açıdan reaktif maddeler değildirler. Bundan dolayı, bunlara "parafinler" de (lâtince, çok az ilgili manasında) denmektedir. - 257 - 5.1. Alkanların İsimlendirilmesi Milyonlarca organik bileşiğin her birine tek tek özel isim vermenin çok mantıklı bir iş olamayacağını gören bilim adamlarından oluşan bir komisyon (IUPAC) 1892 yılında Cenevre'de toplanarak bileşiklerin sistematik şekilde isimlendirilmelerine ilişkin bir dizi tavsiye kararları almıştır. Sistematik isimlendirmede mononükleer hidrürler temel olarak alınır ve diğer bileşiklerin isimlendirilmesi esas hidrür'ün başına ve/veya sonuna ekler getirmek suretiyle gerçekleştirilir. Örneğin, O CH4 CH3OH H Metanol Metan C CH3NH2 H Metanamin Metanal NH3 H 2N SiH4 SiH3 - SiH2 - SiH3 Silan Trisilan Azan (Amonyak) NH2 Diazan (Hidrazin) PH2 - PH - PH - PH - PH2 PH3 Fosfan Pentafosfan Alkanların sistematik isimlendirilmesinde, en uzun karbon zinciri esas alınır ve bu zincirdeki karbon sayısına karşılık gelen sözcüğün sonuna "an" eki getirilir. Örneğin, CH3 CH3CH2CH2 C H CH3 2-Metilpentan CH3 H3C C H CH3 2-Metilpropan Alkanlarda bir hidrojenin çıkmasıyla geride kalan kısma "kök" veya "alkil" grubu denir. Örneğin, H H H H C H H C C H H H H Metan Etan - 258 - H H H H C C C H H H Propan H H H H H H H H H H H C H C C H C C C H C C C H H H H H H Metil Etil n-Propil H H H İzopropil Bir alkanda bir uç hidrojen atomu bir metil grubu ile sürekli yer değiştirmek suretiyle düz-zincir alkan serisi elde etmiş oluruz. Bunlara "normal" veya "n-alkanlar" da denir. Çizelge 14.1. İlk On Düz-Zincir Alkanlar. Alkan Kapalı formül Yapısal formül Alkil Metan CH4 CH4 Metil Etan C 2H 6 CH3CH3 Etil Propan C 3H 8 CH3CH2CH3 Propil Bütan C4 H10 CH3(CH2)2 CH3 Bütil Pentan C5 H12 CH3(CH2)3 CH3 Pentil Hekzan C6 H14 CH3(CH2)4 CH3 Hekzil Heptan C7 H16 CH3(CH2)5 CH3 Heptil Oktan C8 H18 CH3(CH2)6 CH3 Oktil Nonan C9 H20 CH3(CH2)7 CH3 Nonil Dekan C10 H22 CH3(CH2)8 CH3 Dekil 5.2. Alkanların Genel Özellikleri Alkanlardaki karbon atomları sp3 hibritleşmesi gösteren karbon atomlarıdır. Her bir karbon atomu dört bağ yapmak zorundadır. Bir alkan bileşiğinde karbonlardan birini merkez atom olarak ele alırsak, buna bağlı diğer dört atom tetrahedral (dört yüzlü) bir yapı verecek şekilde bu merkez atomuna bağlanmışlardır. Bağlı atomlar arasındaki açı 109.5° dır. - 259 - Kapalı formül İki boyutlu formül Üç boyutlu formül 109.5º H C H4 Metan 109.5º H C H H H H H C 109.5º H 109.5º 109.5º H H C2H6 Etan H C C H H H H H H C C H H H 109.5º 5.3. Alkanların Kimyasal Özellikleri Alkanlar fonksiyonel grup içermeyen tamamen doymuş hidrokarbon bileşikleri olduklarından dolayı kimyasal reaktiviteleri diğer bileşikler ile kıyaslandığında çok düşüktür. Alkanların en temel reaksiyonlarından biri oksijen ile verdikleri yanma reaksiyonudur. Örneğin, doğal gazın temel bileşenlerinden olan metan gazının oksijen ile yanması sonucu karbondioksit ve su çıkar. CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + ısı Alkanlar halojenler ile "alkil halojenürleri" verirler. Örneğin, metan klor gazı ile 120°C de veya uygun dalga boyunda bir ışık kaynağı ile tepkimeye girdiğinde, bir alkil halojenür olan klorometan elde edilir. CH4 + Cl2 120°C veya ışık CH3Cl + HCl - 260 - ∆H = -24.7 kcal/mol Alkanlar büyük oranda petrolün damıtılması yoluyla elde edilmelerine karşın bazı önemli elde edilme yöntemleri vardır. Alkan ve alkinlerin hidrojenlenmesi alkanları verir. H 2C CH2 + Eten H3C H2 Raney-Ni Isı C C H + H 2 Pd/C Propin Isı H3C CH3 Etan CH3CH2CH3 Propan Karboksilik asitlerin sodyum tuzlarının sodyum hidroksit ile reaksiyonu alkanları verir. O H 3C C O Na + N a OH 250°C C H 4 + Na 2 C O 3 Metan Sodyum asetat 6. ALKENLER En azından bir adet karbon-karbon çift bağı içeren hidrokarbonlara "alkenler" denir. Bu bileşiklerin diğer bir ismi ise olefinlerdir. Alkenlerde çift bağ bir adet kuvvetli sigma σ) bağı ile sigma bağına kıyasla biraz daha zayıf pi (π π ) bağından oluşmuştur. (σ Pi bağının kolayca kırılmasından dolayı, alkanlara kıyasla alkenler daha reaktiftirler. - 261 - 6.1. Alkenlerin İsimlendirilmeleri Alkenlerin isimlendirilmesi alkanların isimlendirilmesine benzer. Tek fark alkanlardaki son ek "an" alkenlerde "en" ekine dönüşmesidir. Örneğin, Etan Eten, Prapan Propen, Butan Buten, .... v.s. Alkenlerin isimlendirilmesinde dikkat edilecek konulardan birisi de, en uzun karbon zincirinin tespit edilmesinde karbon-karbon çift bağının en küçük numarayı alabileceği yönde numaralandırmaktır. 6 5 4 3 CH3CH2CH2CH 2 H3 C 1 1 CHCH3 2 3 4 5 6 CHCH CHCH2CH3 H 3C 2-Hekzen 2-Metil-3-hekzen 6.2. Alkenlerin Genel Özellikleri Alkenlerin genel çift bağ özelliklerini eten (etilen) üzerinde ele alalım. alkenlerde karbon atomu üç adet sp2 hibritleşmiş ve bir tane de hibritleşmemiş p orbitaline sahiptir. İki karbon atomu bağ yapmak üzere birbirlerine yaklaştıkları takdirde, iki çeşit bağ oluşur; sp2 σ) ve p orbitallerinin yan yaorbitallerinin kafa kafaya örtüşmesinden bir adet "sigma (σ π)" bağı oluşur. Çifte bağlı karbon atomları ve na örtüşmelerinden oluşan bir adet "pi (π bunlara bağlı dört atom hepsi bir düzlem içinde bulunurlar. Bağ açıları da 120° dir. 120º H H C C H 120º H π- bağı σ-bağı 6.3. Alkenlerin Kimyasal Özellikleri Alkenler pi bağının nispeten elektronca zenginliğinden dolayı elektron bakımından fakir merkezler (elektrofiller) ile "katılma reaksiyonları" verirler. Örneğin, HBr'nin eten molekülüne katılması ile bromometan elde edilir. - 262 - H H C C + H H HBr H2C CH3 + Br CH3CH2Br Bromoetan Karbonyum iyonu (Ara ürün) Eten (Etilen) Alkenlerin katılma reaksiyonlarında, elektrofillerin karbon-karbon çift bağında hangi karbon atomuna bağlanacağı büyük önem taşır. Eğer karbon-karbon çift bağına bağlı hidrojenlerin sayısı her iki karbonda da eşit ise, bu durumda elektrofilin bu karbonlara bağlanma olasılığı yaklaşık aynıdır. Dolayısıyla, iki farklı ürün elde etme durumu ortaya çıkar. Örneğin, 2-Penten'in HBr ile reaksiyonunda iki ürün elde ederiz. CH3 CH2 CH CHCH3 + HBr Eter 2-Penten CH3 CH2 CH2 CHCH3 Br 2-Bromopentan + CH3 CH2 CHCH2CH 3 Br 3-Bromopentan Karbon-karbon çift bağına bağlı hidrojenlerin sayısı her iki karbon atomunda eşit değil ise, elektrofil hidrojen sayısı fazla karbon atomuna bağlanır. Bu kural, "Markovnikov kuralı" olarak bilinir. Örneğin, 2-metilpropan ile HCl arasındaki reaksiyondan iki ürün bekleyebiliriz. Fakat, bunlardan sadece biri oluşur. H 3C C CH2 H3C 2-Metilpropan + HCl Eter CH3 H3C C Cl CH3 2-Kloro-2-metilpropan (Oluşur) - 263 - H 3C CH CH2Cl + H3C 1-Kloro-2-metilpropan (Oluşmaz) Alkenler halojenler ile 1,2-dihalojenür bileşikleri verirler. H H H 3C C CH2 + CCl4 Br2 H3C Propen C CH2 Br Br 1,2-Dibromopropan Alkenler halojenler ile sulu ortamda reaksiyona girerse, bu durumda halohidrinler elde edilir. H H H H C C CH3 H 3C Br2 + H2O CH3 C C CH3 Br OH 2-Büten 3-Bromo-2-bütanol Bromlama maddesi olarak kullanımı daha kolay olan N-bromo süksinimit'i (NBS) kullanabiliriz. O H C CH2 Stiren + H N Br C H2O DMSO O OH Br CH2 2-Bromo-1-feniletanol NBS İyod azit alkenler ile katılma reaksiyonu verir. CH3CH2CH2CH2CH 1-Hekzen CH2 + I N3 İyot azit - 264 - CH3CH2CH2CH2CH N3 CH2I Alkenlerin civa asetat ile sulu tetrahidrofuran (THF) içinde reaksiyonu alkolleri verir. Alkenlerin katalitik hidrojenlenmesi alkanları verir. Alkenlerin potasyum permanganat (KMnO4) veya osmiyum tetraoksit ile yükseltgenmesi 1,2-diol'leri verir. - 265 - Alkenlerde karbon-karbon çift bağının ozon (O3) ile parçalanması sonucu karbon atomlarına bağlı gruplara göre aldehit ve/veya ketonlar elde edilir. Alkenlerin en önemli elde edilme yollarından birisi "ayrılma reaksiyonları" veya eliminasyon reaksiyonları" olarak bilinen temel reaksiyonlar aracılığı ile gerçekleşir. 7. ALKİNLER Karbon-karbon üçlü bağ içeren hidrokarbonlara "alkinler" veya "asetilenler" denir. En basit alkin olan asetilen (H-C ≡ C-H) sanayide asetaldehit, asetik asit, vinil klorür gibi maddelerin başlangıç maddesi olarak kullanılmaktadır. 7.1. Alkinlerin İsimlendirilmesi Alkinlerin isimlendirilmeleri aynen alkinlerin isimlendirilmeleri gibidir. Tek fark alkenlerdeki son ek "en" alkinlerde "in ekine" dönüşür. - 266 - 7.2. Alkinlerin Genel Özellikleri Alkinlerin genel üçlü bağ özelliklerini etin (asetilen) üzerinde ele alalım. Alkinlerde karbon atomu 2 adet sp hibritleşmiş ve iki tane de hibritleşmeye girmemiş p orbitallerine sahiptir. İki karbon atomu bağ yapmak üzere birbirlerine yaklaştıkları takdirde, sp orbitallerinin kafa kafaya örtüşmelerinden bir adet kuvvetli sigma bağı ve p orbitallerinin yan yana örtüşmelerinden dolayı iki adet pi bağı oluşur. Üçlü bağlı karbon atomları ve bu karbon atomlarına bağlı iki atom bir doğru üzerinde bulunurlar. Yani bağ açıları 180° dir. 7.3. Alkinlerin Kimyasal Özellikleri Alkinlerin reaksiyonları alkenlerinkine çok benzer. Elektrofillerin alkenlere katılmasındaki kurallar aynen alkinlerde de geçerlidir. Örneğin, 1-hekzin 1:1 oranında HBr ile reaksiyonu 2-bromo-1-hekzen'i verirken aynı maddenin 1:2 oranında HBr ile reaksiyonu 2,2 dibromohekzan'ı verir. - 267 - Alkinlerde dört pi elektron bulunduğundan dolayı, bunların elektrofilik katılma reaksiyonlarının alkenlerdekine kıyasla daha kolay olabileceği beklenebilir. Fakat durum bunun tersi şeklindedir. Bunun nedeni, alkinlerin elektrofilik katılma reaksiyonlarında oluşan ara ürünün alkenlerde oluşan ara ürüne kıyasla daha az kararlı olmasıdır. Bundan dolayı, alkenler sulu sülfürik asit ile kolayca katılma reaksiyonu vermelerine karşın, alkinler sulu sülfürik asit ile reaksiyon vermezler. Katılma ancak, civa sülfat katalizörlüğünde gerçekleşir. Bir metil keton elde etmek istiyorsak, bir terminal (uç) alkin'i eğer karışık keton elde etmek istiyorsak bir internal (iç) alkin'in civa sülfat katalizörlüğünde sulu sülfirik asit ile reaksiyona sokmak gerekir. - 268 - Alkinler bir katalizör eşliğinde hidrojen katılması ile kolayca alkenlere indirgenirler. Terminal alkinlerin zayıf asidik özelliğinden dolayı, bu maddeler sodyum amit (NaNH2) gibi kuvvetli bazlar ile asetilit anyonu oluşturur. Alken kimyası ile alkin kimyası arasındaki en önemli fark bu çeşit reaksiyondur. 8. AROMATİK HİDROKARBONLAR Organik kimyada "aromatik" kelimesi benzen ve benzene yapısal olarak benzeyen bileşikler için kullanılmaktadır. Aromatik bileşikler doymamış alifatik maddelere kıyasla oldukça farklı kimyasal özellikler gösterirler. Alkenlere ve alkinlerin kolayca elektrofilik katılma reaksiyonu vermelerine karşın benzen ve diğer aromatik bileşikler genellikle "elektrofilik yer değiştirme" reaksiyonu verirler. - 269 - 8.1. Aromatik Hidrokarbonların İsimlendirilmeleri Aromatik hidrokarbonlar sistematik (IUPAC) şekilde isimlendirilmesine rağmen, birçok bileşik geleneksel isimleri ile bilinmektedir. Sistematik isimlendirmede, benzen esas yapı olarak ele alınır. Buna bağlı gruplar "benzen" kelimesinin önüne önek olarak yazılırlar. Çizelge 14.3 Bazı Aromatik Bileşiklerin İsimlendirilmesi - 270 - 8.2. Aromatik Hidrokarbonların Genel Özellikleri Aromatik hidrokarbonlar fiziksel açıdan diğer hidrokarbonlara benzerler. Polariteleri genellikle düşük olduklarından, suda çözünmemelerine karşın polariteleri düşük organik çözücülerde çözünürler. Aromatik hidrokarbonların büyük çapta elde edildiği iki kaynak petrol ve kömürdür. Benzen, toluen, ksilenler, inden, naftalin, antrasen ve fenantren kömürden elde edilen aromatik hidrokarbonlardan bir kaçıdır. Petrol büyük oranda alkanlardan oluşmuştur. Dolayısıyla, petrol çok az aromatik bileşiği içinde barındırmaktadır. 8.3. Aromatik Hidrokarbonların Kimyasal Özellikleri Aromatik hidrokarbonların en önemli reaksiyonları "elektrofilik yer değiştirme reaksiyonları" dır. Aromatik hidrokarbonların bromlanması bir Lewis asiti olan FeBr3 ile brom eşliğinde gerçekleşir. Bromlama reaksiyonu tipik bir elektrofilik yer değiştirme reaksiyonudur. Reaksiyonda Br2 / Fe Br3 yerine Cl2 / Fe Cl3 kullanımı durumunda klorobenzen elde edilir. - 271 - Aromatik hidrokarbonlar sülfirik asit ile sülfonik asitleri nitrik asit ile nitro bileşiklerini verirler. Bu reaksiyonlar da tipik birer elektrofilik yer değiştirme reaksiyonlarıdır. Özet Organik kimya temel olarak karbon ve hidrojen elementi içeren bileşikleri inceleyen bir bilim dalıdır. s ve p orbitallerin matematiksel olarak bir araya gelmesiyle oluşan yeni atomik orbitallere hibrit orbitalleri denir. Bilinen organik bileşik sayısı sekiz milyondur. Bileşikleri reaktivitelerine göre sınıflandırmaya imkân veren yapısal özelliklere fonksiyonel grup denir. Sadece karbon-karbon ve karbon-hidrojen tekli bağ içeren bileşiklere alkanlar denir. Genel formülleri CnH2n+2 dir. Alkanlardaki karbon atomları sp3 hibritleşmesi gösteren karbon atomlarıdır. - 272 - En azından bir adet karbon-karbon çift bağı içeren hidrokarbonlara alkenler denir. Genel formülleri CnH2n dir. Alkenlerdeki karbon atomları sp2 hibritleşmesi gösteren karbon atomlarıdır. Alkenlerin en önemli reaksiyonları "elektrofilik katılma reaksiyonları"dır. Karbon-karbon üçlü bağ içeren hidrokarbonlara alkinler veya asetilenler denir. Alkinlerdeki karbon atomları sp hibritleşmesi gösteren karbon atomlarıdır. Alkinler alkenler gibi elektrofilik katılma reaksiyonu verirler. Aromatik hidrokarbonlar genellikle alken ve alkinlerin aksine elektrofilik yer değiştirme reaksiyonu verirler. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Organik kimya temel olarak karbon ve hidrojen elementi içeren bileşikleri inceleyen bir bilim dalıdır. B) C) D) E) Organik bileşikleri laboratuvar şartlarında elde etmek mümkün değildir. Karbon atomu dört değerlidir. Dolayısıyla, dört bağ yapma kapasitesine sahiptir. Organik maddelerin temel kaynağı bitkiler, hayvanlar, kömür ve petroldür. Anorganik bileşiklerden organik bileşikleri elde etmek mümkündür. 2. Aşağıdaki bileşiklerden hangisi alkendir? - 273 - 3. Aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? 4. Aşağıdaki hangi bileşikte sp hibritleşmiş karbon atomu vardır? 5. Aşağıdaki reaksiyon sonucunda hangi ürün oluşur? 6. Aşağıdaki yanma işleminin gerçekleşebilmesi için kaç mol O2'ye gerek vardır? CH3 CH2 CH2 CH3 + O2 CO2 + H2O A) 15 / 2 C) 6 B) 17 / 2 D) 5 E) 13 / 2 - 274 - 7. Aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? A) Alkenler elektrofilik katılma reaksiyonu verirler, B) Alkinler elektrofilik katılma reaksiyonu verirler, C) Alkanlar elektrofilik katılma reaksiyonu verirler, D) Alkanlar oksijen ile yanma reaksiyonu verirler, E) Alkinler kuvvetli bazlar ile reaksiyon verirler. 8. Aşağıdaki reaksiyonun gerçekleşebilmesi için boş bırakılan yere en uygun maddeyi yazınız. A) CH3 OH B) CH2OH C) HBr D) HOBr E) H2O 9. Aşağıdakilerden hangisini elektrofilik yer değiştirme reaksiyonu vermez? - 275 - 10. Aşağıdaki reaksiyon sonundan hangi ürün oluşur? - 276 - 15 ÜNİTE Organik Kimya - II Heteroatomlu Bileşikler Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra; ■ Heteroatom kavramını, ■ Heteroatom içeren bileşiklerin önemini, ■ Heteroatom içeren bileşiklerin reaksiyonlarını, ■ Heteroatom içeren bileşiklerin isimlerini öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Alkoller ■ Eterler ■ Aminler ■ Alkil halojenürler ■ Aldehitler ■ Ketonlar ■ Karboksilik asitler ■ Karboksilik esterler ■ Karboksilik amitler ■ Karboksilik halojenürler ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi kavrayabilmek için karbon, oksijen, azot ve hidrojen elementlerinin temel kimyasal özelliklerinin bilinmesi gerekir. ■ Kimyasal bağlanma nedir? Bu kavramın iyice anlaşılması gerekir. ■ Tüm fonksiyonel gruplara ilişkin formüllerin bilinmesi gerekir. 1. GİRİŞ Ünite 14'de hidrokarbonları görmüştük. Daha önce belirttiğimiz gibi, karbon ve hidrojen atomunun dışındaki atomlara "heteroatom" demekteyiz. Organik kimyada göreceğimiz en önemli heteroatomlar oksijen (O), azot (N), kükürt (S), fosfor (P) ve halojenler (F,Cl, Br, I) dir. 2. ALKOLLER Doymuş sp3 -hibritleşmiş karbon atomlarına hidroksil (OH) grubu bağlı bileşiklere "alkoller" denir. Bu tanımlama fenollerin (aromatik bir hidrokarbona hidroksil grubunun bağlı olduğu bileşikler) ve enollerin (vinil alkoller) alkol sınıfına dahil edilmemeleri gerektiğini göstermektedir.. OH OH H H H Metanol Fenol H OH H H Vinil alkol (Bir enol) Yapısal olarak yukarıdaki üç maddede de hidroksil grubu olmasına rağmen, bu maddelerin kimyasal özellikleri birbirinden oldukça farklıdır. Alkoller su molekülündeki hidrojen atomlarının bir organik grup ile yer değiştirmiş türevi kabul edilebilir. Genel formülleri R-OH şeklindedir. H O H Su molekülü R O H R : Bir organik grup Alkol Etanol, mentol ve kolesterol doğada oluşan alkollerdir. - 278 - H 3C H3C H CH3CH2OH Etanol H 3C H 3C H C H H H H H H HO OH H Kolesterol CH3 Mentol 2.1. Alkollerin İsimlendirilmesi Alkoller sistematik (IUPAC) isimlendirmeye göre üzerinde (OH) hidroksil grubu bulunduran en uzun karbon zinciri seçilerek hidroksil grubuna en küçük numarayı verecek tarzda numaralanır ve alkanların soneki "an" ın "ol" eki ile değiştirilmesiyle isimlendirilirler. OH CH3CH2CH2OH 1 2 H 3C 3 4 5 C CH2CH2CH3 CH3 Propanol 2-Metil-2-pentanol IUPAC tarafından da kabul edilen alternatif bir diğer isimlendirme ise, "OH" grubunun bağlı olduğu alkil grubuna göre isimlendirmedir. Bu durumda alkil grubundan sonra sonek olarak "alkol" eki getirilir. CH2OH CH3CH2OH H3C Etil alkol Benzil alkol CH3 H C OH CH3 İzopropil alkol H3C C OH CH3 t-Bütil alkol t : T ersiyer Alkoller hidroksil grubunun bağlı olduğu karbon atomuna bağlı karbon atomlarının (alkil gruplarının,R) sayısına bağlı olarak birincil (1°) ikincil (2°) ve üçüncül (3°) olmak üzere üç sınıfta sınıflandırılırlar. - 279 - H H R C OH R C OH R H 1º-Alkol 2º-Alkol R R C OH R 3º-Alkol Buna göre hidroksil grubunun bağlı olduğu merkez karbona sadece bir tek alkil grubu bağlı ise, yapı "birincil alkol" olarak adlandırılır. Örneğin, etil alkol birincil bir alkoldür. Benzer şekilde merkez karbona iki adet alkil grubunun bağlı olması durumundaki alkoller "ikincil alkoller" ve üç adet alkil grubunun bağlı olması durumundaki alkoller ise "üçüncül alkoller" olarak adlandırılırlar. İzopropil alkol ikincil alkollere, t-bütil alkol ise üçüncül alkollere örnek olarak verilebilirler. 2.2. Alkollerin Genel Özellikleri Alkoller hidroksil grubunun polar yapısından dolayı alkan ve alkenlere kıyasla çok daha polar bileşiklerdir. Metanol, etanol, propanol ve bütanol gibi küçük alkollerin suda çok çözünmelerine rağmen, genelde karbon sayısı arttıkça alkollerin su içindeki çözünürlükleri azalır. Alkollerin suda çözünmeleri, alkol molekülleri ile su molekülleri arasındaki hidrojen bağlanmasının bir sonucudur. Öte yandan alkol molekülleri arasında da hidrojen bağı söz konusudur. Alkollerin kaynama noktaları beklenenden daha yüksektir. Bu durum hidrojen bağlanmasından kaynaklanmaktadır. 2.3. Alkollerin Kimyasal Özellikleri Alkollerin reaksiyonları karbon-oksijen ve oksijen-hidrojen bağından kaynaklanan reaksiyonlar olmak üzere iki grupta toplanır. O-H Reaksiyonları C O H C-O Reaksiyonları Ünite 14 de değinildiği gibi alkollerin uygun şartlarda bir mol su kaybetmeleri ile "alkenler" elde edilir. - 280 - Bu reaksiyonlar genel olarak "ayrılma" veya "eliminasyon" reaksiyonları olarak bilinirler. Ancak alkollerden bu reaksiyonlar aracılığı ile bir molekül su ayrılması durumunda "dehidratasyon reaksiyonları" olarak adlandırılırlar. Birincil ve ikincil alkoller tionil klorür (SOCl2), fosfor pentaklorür ve benzeri halojenlendirme maddeleri ile alkil halojenürlere (R - X) dönüşürler. CH3CH2CH2OH + SOCl2 Propanol CH3CH2CH2Cl + SO2 + HCl Tionil klorür Klorapropan O Alkollerin en önemli reaksiyonlarından birisi karbonil C bileşikleri- ne yükseltgenme reaksiyonudur. OH O Na2Cr2O7 H2O, CH3COOH, ısı Siklohekzanon Siklohekzanol O CH2OH C CrO3, H2SO4 H2O, aseton Siklopentilmetanol OH Siklopentankarboksilik asit - 281 - 3. ETERLER Bir oksijen atomuna iki organik grubu bağlı bileşiklere "eterler" denir. Organik gruplar alkil, aril, veya vinilik olabilir. Bu durumda genel formülleri şöyle olur R - O - R '. O CH3CH2 CH3 O CH2CH3 O Dietil eter Tetrahidrofuran (THF, halkalı eter) Metil fenil eter (Anisol) 3.1. Eterlerin İsimlendirilmesi Eterlerin isimlendirilmesi biraz karışık olmakla birlikte, (IUPAC) iki çeşit isimlendirmeye izin vermektedir. Eğer oksijene bağlı gruplar basit ise, bu durumda bu grupların ismini belirterek sonek olarak "eter" kelimesini ilave ederiz. O H 3C H O CH3 Dimetil eter CH3CH2CH2 O C CH2 n-Propil vinil eter Siklopropil fenil eter Eğer birden fazla eter grubu veya daha önemli başka bir fonksiyonel grup varsa, bu durumda eterler ana bileşiğe bağlı gruplar gibi okunur. OCH2CH3 OCH2CH3 1,2-Dietoksibenzen 3 2 4 O CH3 1 4-Metoksi-1-siklohekzen - 282 - 3.2. Eterlerin Genel Özellikleri Eterlerin polariteleri çok düşüktür. Bundan dolayı suda çok az çözünürler. Ancak eterler, düşük polariteli organik bileşiklerin çözünmelerinde çok uygun çözücüdürler. 3.3. Eterlerin Kimyasal Özellikleri Eterlerin en önemli kimyasal özelliklerinden birisi kimyasal reaktivitelerinin çok düşük olmasıdır. Eterler oksijen ile çok yavaş reaksiyona girerek peroksitleri oluştururlar. CH3CH2 O CH2CH3 + O2 CH3CH2 Dietil eter O O CH2CH3 Dietil peroksit Eterlerin önemli reaksiyonlarında birisi de yanma reaksiyonudur. H 3C O CH3 + 2 CO2 3 O2 + 3 H2O + ısı Dimetil eter Eterler sulu HBr veya HI ile reaksiyona sokuldukları takdirde eter bağı parçalanır. H H 3C H C COOH + OCH2CH3 HI H 2O 100ºC CH3CH2I + H3C İyodoetan OH 2-Etoksipropanoik asit O CH2CH3 C COOH Laktik asit O H 2O + HBr Kaynatma Etil fenil eter Bromoetan Fenol - 283 - H + CH CH Br 3 2 4. AMİNLER Amonyak (NH3) molekülündeki hidrojen atomlarından birinin veya daha fazlasının bir alkil, aril veya vinilik grup ile yerdeğiştirmesi ile elde edilen bileşiklere "aminler" denir. Eğer hidrokarbon grubu aromatik yapıda ise bu tür aminlere "aromatik aminler", şayet alkil veya vinilik yapıda ise bu tür aminlere "alifatik aminler" denir. Aminlerin genel formülü R - NH2 dir. NH2 CH3 NH2 Metilamin (Alifatik amin) Fenilamin (Anilin) (Aromatik amin)) 4.1. Aminlerin İsimlendirilmesi Aminler azota bağlı alkil sayısına bağlı olarak birincil (1°) amin, ikincil (2°) amin ve üçüncül (3°) amin diye sınıflandırılırlar. H N H H N R R N R H H H Amonyak 1º-Amin 2º-Amin R N R R 3º-Amin Örneğin; H N CH2CH3 N CH2CH3 H H Etilamin N- Feniletilamin N CH2CH3 CH3 N- metil-N-feniletilamin Aminlerin IUPAC sistematik isimlendirilmesi yukarıdaki örneklerden de anlaşılacağı üzere, alkil grubunun sonuna "amin" soneki'nin getirilmesiyle olur. - 284 - 4.2. Aminlerin Genel Özellikleri Aminler oldukça polar maddeler olduklarından dolayı bunların kaynama noktaları eşdeğer molekül ağırlığına sahip alkanlara kıyasla çok daha fazladır. 4.3. Aminlerin Kimyasal Özellikleri Aminlerin en göze çarpan özellikleri bunların oldukça bazik özelliklere sahip olmasıdır. Aminler proton kabul eden bileşikler olduğu için, bunlar Brφnsted-Lowry bazıdırlar. Örneğin, Trimetilamin sudan proton kapak trimetilamonyum hidroksiti oluşturur. CH3 H3C N CH3 + H3C H OH CH3 N H OH CH3 Trimetilamonyum hidroksit Trimetilamin (Lewis bazı) Bilindiği gibi bir çift elektron kabul edebilecek alıcıya bir çift elektron verebilen maddelere "Lewis bazı" denmektedir. Bu tanıma uygun olan aminlerdeki azot atomunun eşleşmemiş bir çift elektronu bir Lewis asiti ile paylaşılabilir. CH3 H3C CH3 N + H3C H Cl CH3 CH3 Trimetilamonyum klorür Trimetilamin (Lewis bazı) CH3 CH3 H3C N CH3 N H Cl + H3C H3C I N CH3 I CH3 İyodometan Tetrametilamonyum iyodür Trimetilamin (Lewis bazı) - 285 - Aminlerin en önemli reaksiyonları alkil ve asil halojenürler ile yaptıkları alkilleme ve asilleme reaksiyonlarıdır. H N CH2CH3 + H CH3I İyodometan H N CH2CH3 CH2CH3 CH3 N- Metiletilamin Etilamin H N O + H 3C O Piridin C Cl H 3C C N CH2CH3 Asetil klorür H H N-Etiletanamit Etilamin Aminler uygun şartlarda alkenlere dönüştürülebilirler. CH3CH2CH2CH2CH2CH2NH2 + CH 3I n-Hekzilamin CH3CH2CH2CH2CH2CH2 (fazlası) İyodometan CH3 N CH3 I CH3 n-Hekzil trimetilamonyum iyodür Ag2O H 2O AgI + CH3CH2CH2CH2CH2CH2 CH3 N CH3 OH CH3 n-Hekzil trimetilamonyum hidroksit ısı CH3CH2CH2CH2CH 1-Hekzen CH 2 + CH3 H3C N CH 3 Trimetilamin - 286 - 5. ALKİL HALOJENÜRLERİ Hidrokarbonlardaki hidrojenlerden birinin halojenür atomu ile yer değiştirmesi sonucu elde edilen yapılara "alkil halojenürler" denir. Genel formülleri R - X şeklindedir. Genel formüldeki X bir halojen atomu temsil etmektedir. CH3 H 3C F H 3C Florometan (Metil florür) C Cl CH3 2-Kloro-2-metilpropan (t-Bütil klorür) 5.1. Alkil Halojenürlerin İsimlendirilmesi IUPAC sistematik isimlendirmeye göre halojenürler ana karbon zincirinde bağlı grup olarak düşünülür. Br 1 2 3 4 5 6 7 CH3CHCH2CHCHCH2CH3 CH3 CH3CH2CH2I İyodopropan CH3 5-Bromo-2,4-dimetilheptan Sistematik isimlendirmenin yanında, karbon sayısı düşük bazı alkil halojenürler geleneksel isimleri ile bilinirler. Yapı Sistematik isimlendirme (IUPAC) Geleneksel isim CH3I CH2Cl2 CHCl3 İyodometan Metil iyodür Diklorometan Metilen klorür Triklorometan Kloroform Bromosiklohekzan Siklohekzil bromür Br - 287 - 5.2. Alkil Halojenürlerin Genel Özellikleri Alkil halojenürlerde karbon-halojen bağı sp3 hibritleşmiş karbon atomu ile bir halojen orbitalinin örtüşmesinden oluşmuştur. Bundan dolayı alkil halojenürdeki karbon atomları aşağı yukarı tetrahadral bir geometriye sahiptir. H - C - X bağ açıları 109° civarındadır. 5.3. Alkil Halojenürlerin Kimyasal Özellikleri Alkil halojenürlerin gerçekleştirebildiği en önemli reaksiyonlarından biri "ayrılma" (eliminasyon) reaksiyonlarıdır. CH3CH2CH2Cl CH3CH Kloropropan CH2 + HCl Propen Alkil halojenürler eter veya THF içinde mağnezyum ile etkileşerek organik kimyada çok büyük öneme sahip olan "Grignard bileşiklerini" verirler. R X + Mg Eter Alkil halojenür X = F, Cl, Br, I RMgX Alkilmağnezyum halojenür (Grignard bileşiği) Br MgBr + Mg Eter Bromobenzen Fenil mağnezyum bromür Grignard bileşiği) CH3 H 2C C + Mg CH3 THF H2C C MgBr Br 2-Bromopropen İzopropenilmağnezyum bromür (Grignard bileşiği) Alkil halojenürler pentan gibi uygun çözücüler içinde metalik lityum ile etkileşerek yine büyük öneme sahip alkillityum bileşiklerini verir. CH3Br + 2 Li Pentan CH3Li Metillityum Bromometan - 288 - + LiBr Alkil halojenürlerin gerçekleştirebildiği bir diğer çok önemli reaksiyon ise "nükleofilik yer değiştirme" reaksiyonlarıdır. Bu reaksiyonlar aracılığı ile "alkil halojenürlerden aminler, alkoller vs. gibi maddeler oluşturulabilirler. CH3I + H2O CH3OH İyodometan CH3CH2Br HI + Metanol + CH3CH2NH2 NH3 + HBr Etilamin Bromoetan 6. ALDEHİTLER O R- C - H Genel formülüne sahip maddelere "aldehit" denir. Aldehitler organik kimyada en önemli bileşiklerdendir. Doğada, yaşam için gerekli bir çok madde aldehittir. Aldehitler hayvan ve bitki organizmalarında yaygın şekilde bulunur. Badem yağının temelini benzaldehit, vanilyanın temelini vanilin ve tarçını ise sinnamaldehit oluştururlar. O O C H O H H3CO C H C C H C H HO Benzaldehit (Badem yağinda) Vanilin (Vanilyada) Sinnamaldehit (Tarçında) Aminoasitlerin metabolik reaksiyonlarında rol alan koenzim piridoksal bir aldehittir. H C O HOH2C OH N OCH3 Piridoksal - 289 - 6.1. Aldehitlerin İsimlendirilmeleri Aldehitlerin IUPAC kuralına göre isimlendirilmesinde -CHO grubunu içeren en uzun karbon zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "al" eki getirilir. Bazı basit ve/veya çok bilinen aldehitler ise, IUPAC tarafından da kabul edilen geleneksel isimleri ile bilinirler. Formül Geleneksel isim Sistematik isim Formaldehit Metanal Asetaldehit Etanal Propionaldehit Propanal Bütiraldehit Bütanal Valeraldehit Pentanal Benzaldehit Benzenkarbaldehit O H C H O H3C C H O CH3CH2 C H O CH3CH2CH2 C H O CH3CH2CH2CH2 C H O C H Şayet -CHO grubu bir halkaya bağlı ise, bu durumda aldehit "karbaldehit" soneki getirilerek isimlendirilir. O C O 1 2 H C H H O Siklohekzankarbaldehit 2-Naftalinkarbaldehit C O 2-Furankarbaldehit 6.2. Aldehitlerin Genel Özellikleri Aldehitlerin en göze çarpan özelliklerinden birisi karbon-oksijen çift bağının polarizasyonundan kaynaklanan reaktiviteleridir. Karbon-oksijen çift bağında oksijen atomunun yüksek elektronegativitesinden dolayı pi elektronları oksijen atomu üzerine çekilir. So- 290 - nuç itibariyle, karbon atomu artı yüklü merkez haline gelerek elektronca zengin merkezler (nükleofiller) için uygun bir merkez olmuş olur. R δ+ R δ− C O R C O C O H H Aldehit yapısı 6.3. Aldehitlerin Kimyasal Özellikleri Sıcak nitrik asit, potasyum permanganat ve sülfirik asit içinde C rO3 gibi yükseltgeyici maddeler aldehitleri kolaylıkla karboksilik asitlere dönüştürürler. O O CH3CH2CH2CH2 C H CrO3, H2O H 2SO4, Aseton CH3CH2CH2CH2 Pentanal C OH Pentanoik asit "Nükleofilik katılma" reaksiyonu aldehitlerin en önemli reaksiyonlarından biridir. O C CH3CH2 OH HCN CH3CH2 H C CN H Propanal 2-Hidroksibütannitril "Nükleofilik katılma" reaksiyonuna tipik bir örnek, Grignard bileşikleri ile aldehitler arasındaki reaksiyondur. O C H + CH 3MgBr Benzaldehit OMgBr C H CH3 Ara ürün H3O OH C H CH3 1-Feniletanol Aldehitlerin asit katalizatörlüğünde alkoller ile reaksiyonları sonunda "asetal"ler elde edilirler. - 291 - O C H 3C + H H3C H 3O CH3CH2OH H Etanol Etanal (Asetaldehit) C OCH2CH3 OCH2CH3 1,1-Dietoksietan veya Etanal dietil asetal Aromatik aldehitler ve bazı alifalik aldehitler (CHO grubunun bağlı olduğu karbon üzerinde hidrojen içermeyen alifatik aldehitler) derişik KOH ile ısıtıldıklarında "Cannizaro reaksiyonu" olarak bilinen özel bir reaksiyon gerçekleştirirler. Bu reaksiyon sonunda iki mol aldehitten biri karboksilik asite yükseltgenirken diğeri alkole indirgenir. O O C H C 1. H2O/OH OH CH2OH + 2. H3O Benzaldehit Benzoik asit CH3 O H3C C C CH H 3 Benzil alkol CH3 CH3 O H3C C CH2OH + H3C C C OH CH 3 CH 3 2,2-Dimetilpropanoik asit 2,2-Dimetil-propan-1-ol 1. H2O/OH 2. H3O 2,2-Dimetilpropanal (Alifatik aldehit) Aldehitlerin en önemli elde edilme yöntemlerinden birisi birincil alkollerin uygun yükseltgeyiciler ile yükseltgenmesidir. O CH3CH2CH2CH2CH2CH2OH PCC CH2Cl2 n-Hekzanol CH3CH2CH2CH2CH2 C Hekzanal H PCC: (Piridinyum klorokromat) N H CrO3Cl Aldehitler en azından bir adet vinilik hidrojene sahip alkenlerin ozon ile yükselgenmesinden elde edilebilirler. C C H CH3 2. Zn/H3O O O 1. O3 H3C C CH2CH2CH2CH2 6-Okzoheptanal 1-Metilsiklohekzen - 292 - C H 7. KETONLAR O genel formülüne sahip maddelere "keton" denir. Keton yapısındaki hidro- R-C-R karbon grupları (R) alkil, aril ve vinilik vs. olabilir. Ketonlar da aldehitler gibi doğal hayatta ve organik kimyada büyük öneme sahip bileşiklerdir. Aseton endüstride en çok kullanılan ketonlardan biridir. O H 3C C CH3 Propanon (Dimetil keton) (Aseton) 7.1. Ketonların İsimlendirilmesi Ketonların IUPAC kuralına göre isimlendirilmesinde karbonil grubunu içeren en uzun karbon zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "on" soneki getirilir. Burada dikkat edilecek tek konu, en uzun karbon zincirini seçtikten sonra, bu zincirin karbonil grubuna en küçük numarayı getirecek şekilde numaralanmasıdır. O C Karbonil grubu O O O C CH 2CH3 CH3CH2CH2 CH2CH2CH2CH3 4-Oktanon 2-Bütanon n-Bütil n-propil keton (Etil metil keton) H 3C C CH3CH CHCH2 C CH3 4-Hekzen-2-on Bazı ketonlar geleneksel isimlerini muhafaza edebilirler. O O H 3C C C O CH3 C CH3 Aseton Asetofenon Benzofenon Ketonlar yukarıdaki örneklerden de anlaşılacağı üzere karbonil grubuna bağlı alkil veya aril gruplarına göre de isimlendirilebilir. - 293 - 7.2. Ketonların Genel Özellikleri Karbon-oksijen çift bağındaki polariteden dolayı ketonlar benzer molelül ağırlığına sahip alkanlara kıyasla daha yüksek kaynama noktalarına sahiptirler. Ancak, ketonlar hidrojen bağı yapamadıklarından dolayı, bunlara karşılık gelen alkollere nazaran kaynama noktası düşüktür. 7.3. Ketonların Kimyasal Özellikleri Ketonların kimyasal reaktiviteleri aldehitlerinkine çok benzemekle birlikte, aldehitlere O kıyasla biraz daha düşük reaktiviteye sahiptirler. Bunun nedeni, karbonil grubuna (- C -) bağlı hidrokarbon gruplarının (R) karbonil grubundaki karbon atomuna doğru elektronları itmesi dolayısıyla, karbonil grubundaki karbon-oksijen çift bağındaki polaritenin azalmasıdır. Ketonlar çoğu yükseltgeyicilere karşı duyarsız olmalarına rağmen, sıcak potasyum permanganat (KMnO4) ile reaksiyona girdiklerinde karbonil grubuna komşu karbon-karbon bağının kırılması ile sonuçlanan bir yükseltgenme reaksiyonu verir. O O O C KMnO4, ısı HO H2O, OH C CH2CH2CH2CH2 C 1,6-Hekzandioik asit Siklohekzanon Aldehitler gibi ketonların da en önemli reaksiyonları "nükleofilik katılma" reaksiyonlarıdır. Ketonların Grignard bileşikleri ile reaksiyonları sonunda "üçüncül alkoller" elde edilirler. O H 3C C 1. CH3MgBr CH3 2. H3O Aseton CH3 H3C C OH CH3 t-Bütil alkol - 294 - OH Ketonların asit katalizörlüğünde alkoller ile reaksiyonları sonunda "ketal"ler elde edilirler. O C OCH3 CH3 + CH3OH H3O C OCH3 CH3 Metanol Asetofenon dimetil ketal Asetofenon Ketonların elde edilme yöntemleri aldehitlerin elde edilme yöntemlerine çok benzer. İkincil alkollerin sulu sülfürik asit içinde CrO3 ile yükseltgenmesi ketonları verir. H2O + CrO3 + H2SO4 CH 2Cl2 OH O Siklopentanol Siklopentanon Uygun alkenlerin ozon ile yükseltgenmesi ketonları verir. H 3C CH2CH3 C C H 3C CH3 O O 1. O 3 2. Zn/H3O H 3C C CH3 Aseton 2,3-Dimetil-pent-2-en + H3C C CH2CH3 2-Bütanon Aril ketonların hazırlanması ise, Lewis asidi eşliğinde karboksilik asit halojenürleri ile yapılır. O + CH3CH2 C AlCl3 , ısı Cl Benzen O C CH2CH3 Propanoil klorür Etil fenil keton - 295 - Metil ketonlar uç (terminal) alkinlerin civa asetat katalizörlüğünde su ile olan reaksiyonundan elde edilirler. O CH3CH2 H 3O Hg(OAc) 2 C C H 1-Bütin C H 3C CH2CH3 2-Bütanon O AcO: H 3C C O (Asetat anyonu) 8. KARBOKSİLİK ASİTLER Karboksilik asitler tüm canlı organizmalarda bulunan temel organik bileşiklerdendir. Karboksilik asitler terpenlerin, steroidlerin, uzun zincir yağ asitlerinin ve lipitlerin başlangıç maddeleridir. Genel formülleri O R - C - OH şeklindedir. Bu formulasyonda yer alan hidro- karbon grupları (R) alkil, aril ve vinilik vs. olabilir. H H CH3(CH2)7 C C (CH2)7 Oleik asit (Yağ asiti) O C OH 8.1. Karboksilik Asitlerin İsimlendirilmesi IUPAC karboksilik asitlerin isimlendirilmesinde asit molekülünün karmaşık olup olmadığına göre iki çeşit isimlendirmeye izin vermektedir. O Bu isimlendirmenin ilki aldehitlerin isimlendirmesine benzer. Buna göre - C - OH grubunu içeren en uzun karbon zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "oik" soneki getirilir. Karboksilik asit grubuna bağlı zinciri numaralama yaparken O grubundaki karbon atomu her zaman 1 numarayı almalıdır. - C - OH Cl O CH3CHCH2CH2 C OH 4-Kloropentanoik asit Br H O C C C OH NC 3-Bromo-3-siyanopropenoik asit - 296 - Eğer - COOH grubu bir halkaya bağlı ise, bu durumda halka isminde sonra "karboksilik asit" soneki getirilir. O 1 C O 5 OH 1 C 4 Br 2 4 OH 2 3 3 1-Siklopentenkarboksilik asit 4-Bromosiklohekzankarboksilik asit Tarihsel nedenlerden dolayı IUPAC birçok karboksilik asitin geleneksel ismi ile kullanılmasına imkân tanımaktadır. Asit Sistematik isim yapısı (IUPAC) Geleneksel isim Asil grubu Asil yapısı O H C OH Metanoik asit Formik asit Formil Etanoik asit Asetik asit Asetil H O H3C C OH O H3C O C OH Propanoik asit Propionik asit Propionil CH3CH2CH2 O C OH Bütanoik asit Bütirik asit Bütiril Pentanoik asit Valerik asit Valeril CH3CH2CH2CH2 Etandioik asit Okzalik asit Okzalil 1,3-Propandioik asit Malonik asit Malonil CH3CH2 COOH CH 2 C O C O C O C COOH CH2 COOH C O COOH COOH C O CH3CH2CH2 O C OH C O CH3CH2 CH3CH2CH2CH2 O C CH2 O C O C 1,4-Bütandioik asit Süksinik asit Süksinil CH 2 CH 2 CH 2 COOH O C H O H 2C C C OH H O H 2C C C Propenoik asit Akrilik asit Akrilil O H C C C OH O Propinoik asit Propiolik asit - 297 - Propiolil H C C C 8.2. Karboksilik Asitlerin Genel Özellikleri Aynı molekül ağırlığına sahip bileşikler ile kıyaslandığında karboksilik asitlerin kaynama noktalarının beklenenden çok fazla olduğu görülür. Örneğin, formik asit, dimetil eter ve etanol aynı molekül ağırlığına sahip olmalarına rağmen, dimetil eterin kaynama nokası -25°C, etanolün kaynama noktası 79°C ve formik asidin kaynama noktası 101°C'dir. Karboksilik asitlerin bu yüksek kaynama noktalarına sahip olmaları, hidrojen-bağlı dimer oluşturmaları ile açıklanabilir. H O O C H H C O H O Formik asit (Dimer hali, k.n.= 101ºC) O Karboksilik asit fonsiyonel grupları yapısal olarak hem ketonlara ( R- C -R ) hem de alkollere (R - OH) benzemekle birlikte, yine de büyük farklar vardır. Karboksil grubundaki O karbon atomu sp2 hibritleşmiş karbon atomudur. Dolayısıyla, karboksil asit - C - OH grupları düzlemsel bir yapıya sahiptir. C - C - O ve O - C - O bağ açıları yaklaşık 120° civarındadır. Karboksilik asitler Brφnsted-Lowry asitleridir. Karboksil O ( - C - OH ) grubun- daki proton bir baz tarafından kolaylıkla alınabilir. Karboksilik asitler "zayıf asitler" olarak bilinirler ve pKa değerleri yaklaşık olarak 0 - 5 civarındadır. 8.3. Karboksilik Asitlerin Kimyasal Özellikleri Karboksilik asitlerin zayıf asitler olduğunu daha önce belirtmiştik. Asidik özellikleri nedeniyle karboksilik asitler sodyum hidroksit ve sodyum bikarbonat gibi bazlar ile "metal karboksilat" lar denen tuzları oluştururlar. O H 3C C O + H 3C NaOH OH + C O Asetik asit Sodyum asetat - 298 - Na H 2O Karboksilik asitler kuvvetli hidrür bileşikleri alkollere kolayca indirgenebilirler. O 1. LiAlH4, THF, ısı C CH2OH 2. H3O OH Benzil alkol Benzoik asit Karboksilik asitler alkoller ile "esterleri"; amonyak veya aminler ile "amitleri" ve uygun halojenlendirme bileşikleri ile "karboksilik asit halojenürleri " verirler. O O C + H3O CH3OH C OCH3 OH Benzoik asit Metil benzoat O O H 3C C + OH CH3CH2NH2 H 3C Etilamin C N CH2CH3 H Asetik asit N-Etiletanamit O C O + OH SOCl2 H3O C Tionil klorür Cl Siklohekzankarboksilik asit Siklohekzankarbonoil klorür Karboksilik asitler çeşitli yollardan elde edilebilirler. Alkenlerin potasyum permanganat ile parçalanması sonucu karboksilik asitler elde edilebilirler. O CH3CH CH2 + KMnO4 H 3C Propen + H C C OH Asetik asit - 299 - O OH Formik asit Grignard bileşiklerinin karbon dioksit ile reaksiyonu karboksilik asitleri verir. CH3CH2MgBr O C O + H 3O O CH3CH2 C OH Etilmağnezyum bromür Propanoik asit Karboksilik asitlerin önemli elde edilme yöntemlerinden biri de aldehit ve alkollerin uygun yükseltgenler ile yükseltgenmeleridir. O C O H C H 2O, H2SO4 OH CrO 3 Benzoik asit Benzaldehit CH3CH2CH2OH n-Propil alkol H2O, H2SO4 CrO 3 O CH3CH2 C OH Propanoik asit 9. KARBOKSİLİK ESTERLER Esterler doğal olarak oluşan bileşikler içinde en önemli ve en yaygın şekilde bulunan bileşiklerdir. Yapısal olarak karboksilik asitlere çok benzer. Tek fark - COOH grubundaki hidrojen atomunun bir alkil, aril, vinil ve vb. grup ile yer değiştirmesidir. Genel formülleri aşağıdaki şekildedir. O R C OR' Molekül ağırlığı düşük esterler genellikle hoş kokulu bileşiklerdir. Örneğin, metil bütanoat elmadan ve izopentil asetat muzdan izole edilebilirler. - 300 - 9.1. Karboksilik Esterlerin İsimlendirilmeleri Esterlerin isimlendirilmeleri aldehit ve karboksilik asitlerin isimlendirilmesine benzer. Karbonil O C grubunu içeren en uzun karbon zinciri seçilir, arO dından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "oat" soneki ve C - OR' gru- bundaki oksijene bağlı hidrokarbon grubuna (R') ait isim önek olarak verilir. Karboksilik asitlerde olduğu gibi bazı karboksilik esterler geleneksel isimleri ile bilinirler. 9.2. Karboksilik Esterlerin Genel Özellikleri Karboksilik asitler yapısal olarak aldehit, keton ve karboksilik asitlere benzemekle birlikO O te ester grubundaki (RC - OR') R'O- grubunun karbonil karbonuna C doğru elektron itme özelliğinden dolayı fiziksel ve kimyasal özellikleri farklılık gösterir. 9.3. Karboksilik Esterlerin Kimyasal Özellikleri Karboksilik esterlerin asidik veya bazik ortamda su ile reaksiyonu (hidroliz reaksiyonu) "karboksilik asitleri" verir. - 301 - Esterler amonyak veya aminler ile "amitleri" verirler. O H 3C + NH3 C Eter O H3C OCH2CH3 + CH3CH2OH C NH2 Etanol Etanamit (Asetamit) Etil asetat Esterlerin Grignard bileşikleri ile reaksiyonları sonunda "tersiyer alkoller" oluşur. O C OCH2CH3 CH3 1. CH3MgBr C OH 2. THF, H3O Etil siklohekzankarboksilat CH3 2-Siklohekzil-2-propanol Esterler lityum alüminyum hidrür (LiALH4) ile kolaylıkla birincil alkollere indirgenirler. O 1. LiAlH4, eter CH3CH2CH2 C OCH2CH3 2. H 3O Etil bütanoat CH3CH2CH2CH2OH + n- Bütanol CH3CH2OH Etanol 10. KARBOKSİLİK AMİTLER O R-C-N 1 R R 2 genel formülüne sahip maddelere "amit" denir. Yapısal formülden de anla- şılacağı üzere karboksilik amitler karboksilik asit ve karboksilik esterlere benzerler. Karbonil grubuna bağlı hidrokarbon grubu (R) alkil, aril ve alkenil vs. olabilir. Azota bağlı R1 ve R2 grupları hidrojen, alkil, aril ve alkanil vs. grupları olabilir. - 302 - 10.1. Karboksilik Amitlerin İsimlendirilmesi O Amitlerin isimlendirilmeleri esterlerinkine benzer. Önce grubunu içeren en -C-N uzun karbon-zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "amit" ve eğer azota bir grup bağlı ise buna karşılık gelen alkil veya aril önek olarak belirtilir. O O 6 5 4 3 2 1 CH3CH2CHCH2CH2 C CH3CH2CH2CH2 N CH3 CH3 C H N H Pentanamit 4, N-Dimetil-N-fenilhekzanamit (4-Metilhekzanoik asit metil-fenil-amit) O Eğer -C-N grubu doğrudan bir halkaya bağlı ise bu durumda isimlen- dirme aşağıdaki şekilde olur. O C O N C H H N CH3 CH3 Siklohekzankarboksamit N,N-Dimetilsiklopentankarboksamit Sistematik isimlendirmenin yanında bazı amitler geleneksel isimleri ile bilinirler. O H 3C C O N H Etanamit (Asetamit) H H C O N CH3 C CH3 N,N-Dimetilmetanamit (Dimetilformamit, DMF) N H H Benzamit 10.2. Karboksilik Amitlerin Genel Özellikleri Amitlerin en karakteristik özelliklerinden birisi amit azotunun nükleofillik ve bazlık özelliğinin buna karşılık gelen amine kıyasla çok azalmasıdır. Bunun nedeni azot ve karbon atomu arasındaki bağ tam olarak tekli bağ olmamasıdır. Gerçek elektronik yapı iki yapının arasında yani tek bağ ile çift bağ arasında düşünülmelidir. - 303 - O R C O N R C N Amit yapısı 10.3. Karboksilik Amitlerin Reaksiyonları Amitlerin önemli reaksiyonlarından birisi bunların asidik veya bazik ortamda su ile yaptıkları "hidroliz" reaksiyonudur. O C N H O HCl H 2O H NH3 + C OH Benzamit Benzoik asit Amitler lityum alüminyum hidrür (LiAlH4) ile "aminlere" indirgenirler. O CH3CH2CH2 C N-Metilbütanamit N CH3 1. LiAlH 4, eter H 2. H 3O CH3 CH3CH2CH2CH2 N N-Metilbütilamin H Amitler genellikle karboksilik asit halojenürlerinin amonyak veya aminler ile reaksiyonundan elde edilir. O O H 3C + CH 3CH2NH2 C Cl H 3C Etilamin C N CH2CH3 + HCl H Asetil klorür N- Etiletanamit 11. KARBOKSİLİK ASİT HALOJENÜRLERİ Karboksilik asitlerdeki - OH grubunun bir halojenür (F, Cl, Br, I) ile yer değiştirmesi sonucu elde edilen bileşiklere "karboksilik asit halojenürleri" denir. Genel formülleri şeklindedir. R alkil, aril, alkenil vs. grubu olabilir. - 304 - O R-C-X O CH3CH2 O C C Cl Cl Benzoil klorür Propanoil klorür 11.1. Karboksilik Asit Halojenürlerinin İsimlendirilmesi Karboksilik asit halojenürlerinin IUPAC kuralına göre isimlendirilmeleri karO boksilik asitlerin isimlendirilmesine benzer. grubunu içeren en uzun kar- -C-X bon-zinciri seçilir, ardından buna karşılık gelen hidrokarbonun sonuna "oil" soneki getirilir. 7 6 5 4 3 2 CH3CH2CHCH2CH2CH2 1 O 4 C 3 2 1 O CH3CH CH2 C Br CH3 Cl 2-Bütenoil klorür 5-Metilheptanoil bromür Eğer O grubu doğrudan bir halkaya bağlı ise bu durumda isimlendir- -C-X me aşağıda belirtildiği gibi olur. O O 1 C I 2 Siklopentankarbonoil iyodür C F 1-Siklohekzenkarbonoil florür 11.2. Karboksilik Asit Halojenürlerinin Genel Özellikleri Karboksilik asit halojenür molekülündeki karbon-oksijen çift bağı (C = O) ve karbon-halojen (C - X) bağındaki yüksek polariteden dolayı, karbonil bileşikleri içinde en yüksek reaktiviteye sahip maddeler karboksilik asit halojenür bileşikleridir. Karboksilik asit halojenürleri havadaki sudan dahi etkilenerek kolayca karboksilik asitleri verirler. O R C O + H 2O R C X + OH X: F, Cl, Br, I - 305 - HX 11.3. Karboksilik Asit Halojenürlerinin Kimyasal Özellikleri Karboksilik asit halojenürlerinin temel reaksiyonları "nükleofilik yer değiştirme" reaksiyonlarıdır. O O R C + Nü + R C X X Nü Karboksilik asit halojenür X: F, Cl, Br, I Nü: Nükleofil Karboksilik asit halojenürleri amonyak veya aminler ile kolaylıkla etkileşerek "amitleri" verir. O O C H 3C + CH 3CH2NH2 Cl Etilamin Asetil klorür H 3C C N H + CH3CH2NH3Cl Etilamonyum klorür CH 2CH3 N-Etiletanamit Karboksilik asit halojenürler Grignard bileşikleri ile "üçüncül alkolleri" verirler. O C Cl CH2CH3 1. CH 3MgBr, eter C OH 2. H3O CH2CH3 Benzoil klorür 3-Fenil-3-pentanol Karboksilik asit halojenürler alkoller ile "esterleri" verirler. O C + Br Propanoil bromür CH3CH2 OH Piridin Siklopentanol CH3CH2 O C O + HBr Siklopentil propanoat (Propanoik asit siklopentil esteri) Karboksilik asit halojenürleri lityum alüminyum hidrür (LiAlH4) ile "alkollere" indirgenir. - 306 - O 1. LiAlH4, eter C CH2OH 2. H 3O Cl Benzil alkol Benzoil klorür Karboksilik asit halojenürleri benzen gibi aromatik bileşikler ile Lewis asiti katalizörlüğünde "Friedel-Crafts" reaksiyonu gerçekleştirirler. Bu reaksiyonlar sonucu "ketonlar" elde edilir. O + H 3C C AlCl3 (susuz) O Cl Benzen + C HCl CH3 Asetil klorür Asetofenon Özet Doymuş sp3 hibritleşmiş karbon atomlarına (OH) grubu bağlı bileşiklere "alkoller" denir. Alkoller su molekülündeki hidrojen atomlarının bir organik grup ile yer değiştirmiş türevidirler. Alkollerin en önemli reaksiyonları ayrılma (eliminasyon) reaksiyonlarıdır. Bir oksijen atomuna iki organik grubu bağlı bileşiklere "eterler" denir. Eterler su molekülündeki hidrojen atomlarının iki organik grup ile yer değiştirmiş türevidirler. Eterlerin kimyasal reaktiviteleri oldukça düşüktür. Eterlerin en önemli reaksiyonlarından birisi yanma reaksiyonudur. Amonyak molekülündeki hidrojen atomlarından en az birisinin veya daha fazlasının alkil, aril veya vinilik bir grup ile yer değiştirmesi ile elde edilen bileşiklere "aminler" denir. Aminlerin en önemli reaksiyonları alkil ve asil halojenürler ile yaptıkları reaksiyonlardır. - 307 - Hidrokarbonlardaki hidrojenlerden birinin halojenür atomu ile yer değiştirmesi sonucu elde edilen yapılara "alkil halojenürler" denir. Genel formülleri R - X şeklindedir. Alkil halojenürlerin en önemli reaksiyonlarından birisi ayrılma (eliminasyon) reaksiyonlarıdır. Alkil halojenürlerin yaptığı önemli reaksiyonlardan birisi de nükleofilik yer değiştirme reaksiyonlarıdır. R - C = O Genel formülüne sahip maddelere "aldehit" denir. H Aldehitlerin en önemli reaksiyonları nükleofilik katılma reaksiyonlarıdır. R Genel formülüne sahip maddelere "keton" denir. C= R O Genel formülleri R - C - OH olan bileşiklere "karboksilik asitler" denir. Karboksilik asitler genellikle zayıf asidik karakter sergilerler. Karboksilik asitler alkoller ile esterleri, aminler ile amitleri ve uygun halojenlendirme bileşikleri ile karboksilik asit halojenürleri verirler. Karboksilik asitlerdeki OH grubunun alkoksi (OR) grubu ile yer değiştirmesi sonucu elde O edilen bileşiklere "karboksilik esterler" denir. Genel formülleri dir. O R - C - OR şeklinde- R Genel formülüne sahip maddelere "karboksilik amitler" denir. R-C-N R O R-C-X Genel formülüne sahip bileşiklere "karboksilik asit halojenürleri" denir. Karboksilik asitlerin, karboksilik esterlerin, karboksilik amitlerin ve karboksilik asit halojenürlerinin en önemli reaksiyonları nükleofilik yer değiştirme reaksiyonlarıdır. Karboksilik asit halojenürleri karbonil bileşikleri içinde kimyasal reaktiviteleri en çok olan bileşiklerdir. - 308 - Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki reaksiyonlardan hangisi gerçekleşebilir? O A) H C 3 O C OH + CH3NH2 H 3C O B) H3C O C OH + CH3NH2 H 3C O C) H 3C C OH + CH3NH2 H 3C 2. + H 2O + NH3 + CH4 + NH2OH CH3 C OCH3 C ONH2 O C OH + CH3NH2 H 3C O E) H3C N O O D) H 3C C H C CH3 O C OH + CH3NH2 H 3C C CH2NH2 + H 2O Aşağıdaki reaksiyonun gerçekleşebilmesi için boş kalan yere uygun gelen maddeyi yazınız. O CH3CH2 C Cl + A) CH3CH2OCH2CH3 B) H3C—CH3 O ? CH3CH2 O C) H3C C OCH2CH3 O D) H3C E) CH3CH2OH C OH - 309 - C OCH2CH3 3. Aşağıdakilerden hangisi Lewis bazı değildir? NH2 A) B) CH3NH2 C) NH3 H N D) CH3 E) H3C N Cl CH3 4. Aşağıdakilerden hangisi benzaldehit ( Ph - C - H) ile tepkimeye girebilir? O A) HCN B) H 2O O C) H3C C OCH3 D) H 3C O CH3 E) CH3CH2 O CH2CH3 - 310 - 5. Aşağıdaki reaksiyon sonucu çıkan ürünü belirleyiniz. + OH Na2Cr2O7 + H2O CH 3COOH ısı A) O B) O O O C) O O D) O O E) 6. Aşağıdakilerden hangisi siklobutil fenil eter'e karşılık gelir? A) O B) O C) O D) O E) O - 311 - ? 7. Aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? A) Aldehitler nükleofilik katılma reaksiyonu verirler. B) Karbonil bileşikleri genellikle nükleofilik katılma ve nükleofilikle yer değiştirme reaksiyonları verir. C) Karbonil bileşikleri genellikle elektrofilik katılma reaksiyonu verir. D) Karboksilik asit esterleri genellikle nükleofilik yer değiştirme reaksiyonu verirler. E) Karboksilik asit klorürleri karboksilik asitlere kıyasla daha reaktif maddelerdir. 8. Aşağıdaki reaksiyonun gerçekleşebilmesi için boş kalan yere uygun maddeyi yazınız. H O C C OH + CH3CH2CH2 OCH3 B) HI NaIO3 C) I2 D) CH3OH E) NaOH A) 9. ? H 2O 100ºC Aşağıdakilerden hangisi ikincil alkoldür? A) CH3CH2OH CH3 B) H 3C C OH H CH3 C) H3C C OH CH3 OH D) H2C C H E) H 3C O CH3 - 312 - H O CH3CH2CH2 C C OH + CH3I OH 10. Aşağıdaki reaksiyon sonucu çıkan ürünü yazınız. CH3CH2CH2I + CH3NH2 1 mol 1 mol A) CH3NHI B) CH 3NHCH2CH3 C) CH3NHCH2CH2CH3 CH3 D) H3C N CH3 I CH2CH2CH3 E) CH3CH2CH2CH3 - 313 - ? + HI ÜNİTE 16 Biyoelementler I (Makromineraller) Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Biyoelement kavramını tanımlayabilecek, ■ Biyoelementlerin cinslerini ve göreceli miktarlarını öğrenecek, ■ Makromineralleri, vücuttaki işlevlerini ve hangi kaynaklardan sağlanabileceklerini öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Yaşam İçin Gerekli Elementler ■ Makromineraller ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi çalışmadan önce Ünite 2'deki Periyodik Cetvel bölümünü gözden geçiriniz ve önünüze bir periyodik cetvel alınız. ■ Üniteyi dikkatle okuduktan sonra, ünite sonundaki değerlendirme sorularını mutlaka çözünüz. 1. GİRİŞ Önceki iki ünitede organik kimyanın temel elementi olan karbon ile bunun hidrojen, oksijen ve azotla oluşturduğu organik bileşikler incelenmişti. Canlı organizmalarda bu dört elementin dışında, eksiklik veya fazlalığı sorunlara yol açan bir dizi element daha vardır ki, tüm bu elementler "biyoelementler" adı altında özgün bir küme oluştururlar. İyot elementiyle doğrudan ilişkili guatr hastalığı ve flor elementinin eksikliğinin yol açtığı diş çürümeleri bu konuda hemen akla gelebilecek iki örneği oluştururlar. Bu ve bir sonraki ünitenin konusunu karbon, hidrojen, oksijen ve azot dışındaki biyoelementler oluşturacaktır. 2. YAŞAM İÇİN GEREKLİ ELEMENTLER ? İnsan vücudunda hangi elementler, hangi oranlarda bulunabilir? Önceki iki ünitede ele aldığımız dört temel element karbon, hidrojen, oksijen ve azot, çok fazla sayıda bileşik oluşturmakta ve insan vücudunda yer alan atomların yaklaşık %99,5 luk en önemli kısmını bu elementler oluşturmaktadır. Bunun dışında yirmi biyoelement daha vardır ve bunlar epeyce düşük bir oran oluşturmalarına karşın, yaşam için kritik önemde çok sayıda işleve sahiptirler. Bu kritik önem, sözkonusu elementlerden herhangi birinden yoksun olan bir kişinin bazı durumlarda sağlığını ölümcül düzeyde yitirebilmesi nedeniyledir. Çizelge 16.1 de yaşamsal önemi olan tüm biyoelementler sıralanmış ve vücut ağırlığına katkıları belirtilmiştir. - 315 - Çizelge 16.1 Biyoelementler Çizelgeden izlenebileceği gibi, sözkonusu bu 20 element kalsiyumdan magnezyuma bir grup, demirden iyoda da bir başka grup oluşturmak üzere sınıflandırılmıştır. Kalsiyum ile başlayan ilk yedi elementin oluşturduğu grup "makromineraller" adını alır ve bu elementler verilen değerlerden de anlaşılabileceği gibi, diğer gruptakilere göre vücutta daha büyük miktarlarda bulunurlar. Vücutta çok düşük miktarlarda bulunan diğer elementlerin oluşturduğu grup ise "eser elementler" adı ile bilinir. Bu ünitede yalnızca makroelementler ele alınacak, eser elementler ise bir sonraki ünitenin konusunu oluşturacaktır. ? Biyoelementler vücutta hangi şekillerde bulunurlar? Verilen 20 biyoelement, canlı organizmalarda ya iyonlar ya da organik moleküllerde kovalent bağlı olarak bulunurlar. ? Biyoelementlerin vücuttaki işlevleri neler olabilir? - 316 - Bu elementlerin kimyasal özelliklerine ve vücuttaki doku veya sıvılarda yerleşme biçimlerine göre oldukça fazla çeşitte görevleri vardır. Örneğin hücrelerde ve vücut sıvılarında katyon-anyon dengesini kurarlar. Sinir impulslarının iletiminde ve kasların çalışmasında bunların üstlendikleri önemli görevler vardır. Vücut sıvılarının dokulara ve hücrelere hareketini biyoelementlerin derişimi denetler. Sindirim sistemi salgılarında yer aldıkları gibi, enzimleri aktive ederler. Vitaminlerin, hormonların ve proteinlerin yapılarına girerler. 3. MAKROMİNERALLER Yedi biyoelementten oluşan bu grup, vücutta miktarları ile orantılı işlevsel öneme sahip mineralleri ile oldukça önemli bir yer tutar. Bu bölümde, elinizdeki kitabını hacminin elverdiği ölçüde, makrominerallere vücudumuzdaki bolluk sıralamasına göre göz atılacaktır. 3.1. Kalsiyum Çizelge 16.1 de görüldüğü gibi vücuttaki atomların %0,31'ini ve yetişkin bir insanın ağırlığının yaklaşık kırkta birini oluşturacak miktardadır. Günümüzde, kalsiyumun kemik ve dişlerimiz için önemini duymayan kalmamış gibidir. Vücudumuzdaki kalsiyumun neredeyse %99'ı kemik ve dişlerde çeşitli anorganik kalsiyum tuzu halinde bulunur. Dişlerimizdeki kalsiyum değişik tabakalarında fosfat, hidroksit, klorür, florür ve karbonat bileşikleri şeklinde yeralmaktadır. Ünite 2'de belirtildiği gibi bir 2A grubu toprak alkali metali olan kalsiyum, grubundaki diğer elementler gibi iki adet değerlik elektronuna sahip olup, vücudumuzda kararlı Ca2+ iyonları halinde bulunur. Kandaki kalsiyum iyon düzeyi ile D vitamini ve bazı hormonlar arasındaki,epeyce karmaşık bağlantı sayesinde bağırsaklarda emilime uğrayan kalsiyum miktarı kontrol edilebildiği gibi, kandaki kalsiyum iyon derişimi ile kemik ve dişlerde depolanan kalsiyum miktarı da böylece ayarlanabilmektedir. Örneğin paratiroid bezlerinin salgıladığı parathormon adlı hormon vücuttaki kalsiyum (ve fosfor) metabolizmasını ayarlar. (Metabolizma vücutta ortaya konan işlevlerin yürütülebilmesi için gerçekleşmesi geren kimyasal olayların tümüdür.) Bu hormonun ge- 317 - reğinden az salgılanması halinde tetani hastalığı ortaya çıkar. Bu hastalık el ve ayak parmaklarında kıvrılmaya neden olduğu gibi, gelişme çağındaki çocuklarda diş ve kemikler yeterince gelişemez, deri kurur ve kan basıncı düşer. Bu çocuklarda zeka geriliğine de çokça rastlanır. Aksine parathormonun gereğinden fazla salgılanması halinde kandaki kalsiyum miktarı artar ve bunun sonucunda kaslarda gevşeme görülür. ? Vücuttaki kalsiyumun kemiklerde ve dişlerde yer almayan %1 lik diğer kısmı ne işe yarar? Vücuttaki kalsiyumun kemik ve dişlerde yer almayan kısmı diğer bazı süreçlerde oldukça önemli işlevler üstlenir. Kasların çalışmasında, sinir sisteminin uyarıcılara karşılık vermesinde, kanın pıhtılaşmasında ve nihayet diğer mineral iyonlarının koordinasyonunda kalsiyum iyonları yaşamsal önem taşır. Şimdi bu işlevlere kısaca bir göz atalım. Kalp kaslarının ritmik kasılmasının sağlanması başta olmak üzere, kalsiyum iyonlarının kasların çalışması için en uygun derişimlerde bulunması gerektiği bilinmektedir. Fazlasıyla düşük derişimler kasların kasılmasını tümüyle durdurabilmektedir. Kalsiyum iyonları sinir hücresi zarı üzerindeki kararlılaştırıcı etkisi ile, sinir sistemindeki iletim olayında aktif rol oynamaktadır. Kanda gereğinden fazla veya düşük kalsiyum varlığı, ya sinir impulslarında ve kasların bu impulslara karşılık vermesinde zayıflamaya, bu yüzden de insanın dış uyarıcılara karşı duyarsızlamasına yol açar; ya da sinirlerin ve kasların aşırı duyarlı olmasına neden olur. Bu aşırı duyarlılık kimi durumlarda yüksekçe bir ses, öksürme veya dokunma halinde kişide çok şiddetli ihtilaçlara yol açar. Böylesi bir durum kişiyi son derece bitkin düşürmekten başka, ölümüne bile yol açabilir. Kalsiyum iyonlarının beyin sıvısındaki düzeyinin vücut sıcaklığının denetlenmesinde kritik önem taşıdığı bilinmektedir. Kalsiyum derişiminin çok fazla yüksek olması vücut sıcaklığını düşürmektedir. Kalsiyum iyonları aynı zamanda kanın pıhtılaşması için de gereklidir. Bu nedenle kanda kalsiyum iyonlarını azaltan etkenler pıhtılaşmayı da engeller. (Kan emerek beslenen canlılarda beslenirken ve sindirirken pıhtılaşmayı engellemek için, kandaki kalsiyum iyonlarıyla reaksiyona giren bir madde salgılayabilme özelliği vardır). Taze kanda pıhtılaştırıcı reaksiyonları önlemek için, sitrat veya okzalat iyonlarının kandaki kalsiyum iyonları ile bileşmesi sağlanır. Transfüzyonlarda pıhtılaşma engelleyici olarak sodyum sitrat yaygın şekilde kullanılmaktadır. - 318 - 2+ 2C6H5O3→ Ca3 C6H5O7 2 7 + 3Ca Sitrat iyonu Kalsiyum sitrat Kalsiyum iyonlarının aynı zamanda birçok enzimi aktive ettiği de bilinmektedir. Kalsiyum iyonları hücre içine ve dışına akışlarını düzenleyerek K+, Na+ gibi diğer mineral iyonları arasında bir cins koordinatör görevi yapar. ? Vücudumuz için gereken kalsiyumu hangi yolla sağlayabiliriz? Süt ve çeşitli süt ürünleri temel kalsiyum kaynağı olan besinlerimizdendir. Günde yarım litre süt içen yetişkin bir insan, günlük kalsiyum gereksinimini (1 gram) karşılamış demektir. Kandaki kalsiyum düzeyini denetleyen karmaşık düzen, düşük kalsiyumlu beslenme, kanda D vitamini ile gerekli hormonların miktarının normal ölçülerde olmaması gibi çeşitli nedenlerle altüst olabilmektedir. Vücutta D vitaminin çok düşük düzeyde olması raşitizm hastalığına yol açar. Bilindiği gibi bu hastalık kemiklerde yumuşama ve şekil bozukluklarına neden olur. (D vitamini güneş ışığına maruz kalan bünyede kendiliğinden oluşmakta, kimi durumlarda da fazladan D vitaminin dışarıdan sağlanması gerekmektedir. Ancak bu maddenin gereğinden fazla olması da kemiklerde sertleşme ve yumuşak dokularda kireçlenmelere yol açabilir). 3.2. Fosfor Bir önceki bölümde kalsiyumun kemik ve dişler için önemi ortaya konulmuştu. Fosfor da kemik ve dişlerdeki kalsiyum tuzlarında yer alan önemli bir elementtir. Vücuttaki fosforun %90'ı kemik ve dişlerde fosfat iyonu, PO 34 şeklinde bulunur. Fosfat iyonu fosforik asidin üç hidrojen iyonu, H+, vermesi ile oluşur. - 319 - + + -H → + H H3 PO4 -→ H2PO -4 Fosforik Dihidrojen Monohidrojen Fosfat asit fosfat iyonu fosfat iyonu iyonu HPO 24 -→ H PO 34 Bu olay esnasında oluşan dihidrojen ve monohidrojen fosfat iyonları vücut sıvılarının uygun pH değerlerinde kalmasını sağlamakta tampon görevi yaparlar. Fosforik asit aynı zamanda bir fosfat esteri oluşturmak üzere vücutta alkol gruplarıyla reaksiyona girer. Bu organik fosfat esterleri,hücre zarlarını ve sinir dokularını oluşturan fosfolipidlerde, protein sentezini ve kalıtımı denetleyen DNA ve RNA ile koenzimlerde bulunur. Kemik ve dişlerin yapılarında yeralma ve vücut sıvılarının nötralliğinin sağlanmasından başka, fosfat iyonları hücrelerimizin anlık enerji gereksinimi de karşılar. Belirli organik fosfat esterlerinin hidrolize uğraması önemli ölçüde enerjinin açığa çıkmasına yol açar. Böylesi fosfatlar "yüksek enerji fosfatları" adıyla bilinir ve hücrelerin anlık enerji gereksinimini bu bileşikler sağlar. Fosfor elementi günlük gıdalarımızda öylesine yaygın bulunur ki, hemen hemen herkes yetişkin bir insana gereken günlük 1 gramlık fosfor desteğini alabilmektedir. 3.3. Potasyum, Sodyum ve Klor Bu elementlerin vücudumuzdaki işlevleri epeyce karmaşık bir şekilde bağlantılıdır. Potasyum ve sodyum iyonları vücutta genellikle klorür tuzları şeklinde bulunur. Bu üç iyonun organizmadaki ana görevi hücrelerdeki, doku sıvılarında ve kanda katyon-anyon dengesini korumaktır. Böylesine bir denge ile vücuttaki sıvıları normal şekilde akışı sağlanırken, asitlerle bazlar arasındaki denge de denetlenmiş olur. Potasyum iyonu genellikle hücre içi sıvısında yer alırken, sodyum iyonu hücreleri çevreleyen hücrelerarası sıvılarda bulunur. - 320 - Potasyum, sodyum ve klor iyonlarının bir başka önemli işlevi de, kandaki oksijen ve karbondioksidin taşınmasında kendini gösterir. Potasyum ve sodyum iyonlarının hücre zarlarından şekerlerin iletiminde ve bunların hücre içinde yıkımında da rolleri bulunur. Kalsiyum ve bir sonraki kesimde değinilecek magnezyum iyonlarından başka, potasyum ve sodyum iyonlarının da sinir ve kasların çalışmasında etkin olduğu bilinmektedir. Ne var ki potasyum ve sodyumun etkisi, kalsiyum ve magnezyumunkinin aksi yönde kendini gösterir ve bu yüzden bu dört iyonun derişimlerinin dengeli olması sinir ve kas sistemi için son derece önem taşır. Öte yandan sodyum klorür ve potasyum klorür büyük protein molekillerini çözeltide tutarak kanın viskozluğunu (kalınlığını) düzenlerler. Belirli yiyeceklerin midedeki sindirimini başlatan mide asidi hidroklorik asit, HCl, kandaki sodyum klorürden üretilir. Ayrıca mide özsuyu, pankreas sıvısı ve safra da kandaki sodyum ve potasyum tuzlarından elde edilir. Gözdeki retina tabakasının ışık impulslarına karşılık vermesi de, vücuttaki sodyum, potasyum ve klorür iyonlarının uygun derişimde olmasıyla ilişkilidir. Görüldüğü gibi vücutta gerçekleşen birçok önemli olay bu üç iyona bağlı olup, bunlardan herhangi birinin düzeyindeki dengesizlik vücutta ciddi etkilere yol açar. Bu nedenle sıcak havalarda fazlasıyla efor sarfederek aşırı terleyen bir insanda, örneğin bir koşucuda, vücutta bu iyonların derişimi önemli ölçüde düşer. (Terin tuzluluğu bundan kaynaklanır). Bu dengesizlik vücutta mide bulantısına, kusmalara, bitkin düşmeye ve kas kramplarına neden olabilmektedir. Bu yüzden koşucular genellikle önceden tuz tabletleri veya özel meşrubatlarla bu iyon kayıplarını telafi ederler. Normal beslenme koşullarındaki bir insanda, bu iyonların eksikliği sorunu gözlenmez. Bununla birlikte, uzun süreli ishallerde veya idrar söktürücü ilaç kullanımında, potasyum eksikliği kendini gösterir. Beslenme alışkanlığı aşırı tuz tüketimine yol açan bir kişide ise, fazlaca yükselen sodyum ödemlere,yağ metabolizmasında bozulmalara, mide salgılarında değişikliklere ve yüksek tansiyona neden olmaktadır. - 321 - 3.4. Magnezyum Vücudumuzdaki atomların %0,01'lik bir kısmını oluşturan magnezyum iyonları, Mg2+, hücredeki bileşiklere fosfat gruplarının eklenmesi ve uzaklaştırılmasını denetleyen enzimleri aktive eder. Klorofil molekülünde yer alarak fotosentez olayına katkıda bulunur. Magnezyum yeşil sebzeler, fındık, ceviz, tahıllar ve deniz ürünleri gibi epeyce geniş bir besin grubunda bulunduğu için normal beslenme ile, vücuda gerekli günlük 400 mg civarındaki magnezyum dozunu almış oluruz. Bununla birlikte vücuttaki magnezyum düzeyi düşme gösterirse, kalsiyum eksikliğinde olduğu gibi kişide aşırı duyarlılık ve sinirlilik, saldırganlık, kas spazmları ve şiddetli kasılmalar gözlenebilmektedir. Kronik alkoliklerde, protein eksikliği olan çocuklarda ve diet uygulanan ameliyat olmuş hastalarda magnezyum eksikliği ortaya çıkabilmektedir. Öte yandan gereğinden fazla magnezyum alımı, kas ve sinir sisteminde duyarlılık azalmasına yol açabilmekte ve çok yüksek düzeyler lokal ya da genel anesteziye ve felçlere neden olabilmektedir. 3.5. Kükürt Ele alacağımız son makromineral olan kükürt, oksijen gibi bir 6A grubu elementi olup, oksijenin hidroksil grubuna, (-0-H) benzer sülfhidril grubu (-S-H) içeren bileşiklerinin yaygın birkullanım alanı vardır. Örneğin kötü kokularından dolayı gaz kaçaklarının saptanmasında merkaptan adı verilen bu tür bileşikler kullanılır. Sülfhidril grupları içeren diğer bazı bileşikler ise kokusuz olup, örneğin proteinleri oluşturan aminoasitlerden sistein sülfhidril grubu içeren önemli bir bileşiktir. NH2 H - S - CH2 - CH - COOH Sistein Organik bileşiklerden eterlerin - C - O - C - yapısında moleküllerden oluştuğunu öğrenmiştiniz. Tiyoeter veya organik sülfürler de, - C - S - C - yapısı içerirler. Soğana ve sarmısağa kendilerine özgü kokuları böylesi gruplar içeren bileşikler verir. H2C = CH - S - CH = CH2 H2C = CH - CH2 - S - CH2 - CH = CH2 Divinil sülfür (soğanda) Diallil sülfür (sarmısakta) - 322 - Metiyonin tiyoeter grubu içeren bir aminoasit olup, tüm vücut proteinleri bu amino asidi içerirler. Vücudumuz sisteini metiyoninden üretebilmektedir. NH2 H3C - S - CH2 - CH2 - CH - COOH Metiyonin Özet Canlı organizmanın yapısında yer alan elementler olan biyoelementlerin, hidrojen, oksijen,karbon ve azot dışında kalan yirmi adedinden yedisini oluşturan kalsiyum, fosfor, potasyum, kükürt, klor, sodyum ve magnezyum, "makromineraller" adını alır. Günlük alım gereği yarım gramdan birkaç grama değişen makrominerallerden başka, organizmada çok düşük miktarlarda yer alan ve günlük gereksinimin birkaç miligram düzeyinde olduğu onüç element de eser element adını alır. Biyoelementlerin tümünün de vücuttaki pek çok süreçte önemli görevleri vardır. Hücrelerde ve vücut sıvılarında katyon-anyon dengesinin sağlanması, kasların kasılması ve sinir impulslarının iletimi, vücut sıvılarının hareketinin düzenlenmesi bunlar arasındadır. Biyoelementlerin vücuttaki derişimleri birbirleriyle yakından ilişkilidir. Miktarlarının gereğinden az veya fazla olmaları halinde çeşitli hastalıklar ortaya çıkar. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdakilerden hangisi bir biyoelement olamaz? A) Karbon B) Klor D) Kadmiyum E) Selenyum - 323 - C) Sodyum 2. Biyoelementlere ilişkin aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Biyoelementler hücrelerde ve vücut sıvılarında katyon-anyon dengesini kurarlar. B) Vücut sıvılarının akıcılık derecesini bir kısım biyoelementin oranı belirler. C) Organizmada çok miktarda ve serbest halde bulunan elementler makromineral adını alır. D) Sodyum, potasyum, kalsiyum ve magnezyum vücuttaki makromineralleri oluşturan metallerdir. E) Vücuttaki hormonların, vitaminlerin ve proteinlerin yapısında biyoelementlerin belirli bir yeri vardır. 3. Raşitizm, tetani gibi hastalıkların ve kanda pıhtılaşma gecikmesinin aşağıdaki biyoelentlerden hangisinin vücuttaki düzeyi ile yakın ilişkisi vardır? 4. A) Fosfor B) Sodyum D) Oksijen E) Kalsiyum C) Kükürt "Protein sentezini ve kalıtımı denetleyen DNA ve RNA ile koenzimlerde bulunurlar. Hidrolize uğradıklarında önemli miktarda enerji açığa çıkar ve hücrelerin anlık enerji gereksinimi karşılanır." Yukarıdaki ifade aşağıdakilerden hangisini tanımlar? A) Kalsiyumun florür ve klorür tuzlarını B) Organik fosfat esterlerini C) Sülfhidril gruplarını D) Potasyum ve sodyumun klorür tuzlarını E) Kükürt içeren aminoasitleri 5. Ayağıda verilen biyoelement gruplarından hangisi büyük protein moleküllerini çözeltide tutarak kanın viskozite derecesini düzenler? A) Sodyum, potasyum, klor B) Kalsiyum, sodyum, potasyum C) Potasyum, magnezyum, hidrojen D) Sodyum, magnezyum, kükürt E) Kalsiyum, magnezyum, fosfor - 324 - 6. Kükürt elementi sülfhidril, disülfür ve tiyoeter grupları ile vücutaki çeşitli önemli bileşiklerde yer alır. Aşağıdaki aminoasitlerden hangisinde veya hangilerinde sülfhidril grubu bulunmaktadır? I. CH3 - S - CH2 - CH2 - CH - COOH NH2 NH2 II. HOOC - CH - CH2 - S - H III. HOOC - CH - CH2 - S - S - CH2 - CH - COOH NH2 7. NH2 A) Yalnız I B) Yalnız II D) II ve III E) I, II ve III C) I ve II Aşağıdaki makrominerallerden hangisi, özellikle kemik ve dişdokusunda yeralırken diğerlerine göre vücutta en yüksek miktarda bulunur? A) Mg B) S C) Na D) Ca E) K 8. "Vücut sıvılarının uygun pH değerlerinde bulunmasını sağlayarak tampon görevi yaparlar". Yukarıdaki ifade verilen iyon çiftlerinden hangisi için uygundur? 2A) HPO 4 , H2PO 4 2+ , C6H5O3B) Ca 7 2+ D) Mg + E) Na , S 2- C) K + , C6H5O37 , Cl- 9. Aşağıdaki tuzlardan hangisi mide asidinin üretiminde kullanılır? A) CaH2 PO4 B) K2 SO4 D) Mg3 (C6 H5 O7)2 E) Na2 C2O4 C) NaCl 10. "Yeşil sebzelerde, fındık ve ceviz gibi kabuklu meyvelerde, tahıllar ve deniz ürünlerinde bulunan bu eser elementin düzeyi, kronik alkoliklerde, protein eksikliği olan çocuklarda ve ameliyat sonrası diyeti uygulanan hastalarda epeyce düşmektedir." Verilen ifade hangi makrominerali tanımlamaktadır? A) Ca B) P C) Na - 325 - D) Cl E) Mg ÜNİTE 17 Biyoelementler II (Eser Elementler) Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Eser element kavramını tanıyacak, ■ Eser elementlerin biyoelementler içindeki yer ve önemini kavrayacak, ■ Sağlıklı bir yaşam ile organizmadaki eser elementlerin düzeyi arasındaki ilişkiyi öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Eser Elementler ve Organizma ■ Eser Elementler ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi çalışmadan önce bir önceki üniteyi dikkatlice okuyunuz. 1. GİRİŞ Bir önceki ünitede karbon, hidrojen, oksijen ve azot dışındaki yirmi biyoelement, organizmada yer alma miktarları açısından "makromineraller" ve "eser elementler" olarak gruplandırılmıştı. Canlı organizmada son derece düşük miktarlarda bulunması nedeniyle "eser element" adını alan onüç biyoelementten demir, manganez, kobalt, bakır, çinko, molibden, vanadyum, krom ve kalay'ın metal olmalarına karşın, flor, silisyum, selenyum ve iyot ametal özelliktedir. 2. ESER ELEMENTLER VE ORGANİZMA Bu elementlerin vücutta son derece düşük miktarlarda bulunmalarına karşın, organizma için son derece önemli işlevleri vardır. O kadar ki, bu elementlerden herhangi birinin vücutta tümüyle yol olması, ölüme bile neden olabilmektedir. ? Eser elementlerin vücuttaki görevleri neler olabilir? Eser elementlerin vücutta son derece az miktarda bulunmaları işlevlerinin anlaşılmasını zorlaştırmakta ise de, yapılan araştırmalar organizmada önemli görevleri olduğunu ortaya koymuştur. Bunların çoğu enzimlerin önemli bir kısmını oluşturur. Enzimler tekrar tekrar kullanılabileceğinden bu elementlerin hücrelerde çok düşük derişimlerde olmalarına karşın etkinlikleri devam eder. Şimdi bu elementlere tek tek göz atalım. 3. ESER ELEMENTLER 3.1. Demir Kanımızdaki alyuvarlarda bulunan hemoglobin kanın kırmızı görünmesinden başka, akciğerlerden dokulara oksijenin iletilmesinden de sorumludur. Her hemoglobin molekülü dört demir atomu içermektedir. Her hemoglobin molekülünde demir (II) katyonu içeren hem gruplarından dört tane bulunur. (Şekil 17.1). - 327 - O2 O2 Fe Fe Fe Fe O2 O2 Şekil 17.1 Dört hem grubu ile hemoglobin molekülü (Hem grupları Fe ile gösterilmektedir.) Aşağıdaki şekil 17.2 de formüllendirilmiş olan bu hem gruplarından herbiri bir oksijen molekülü taşıyabilmekte ve böylece bir hemoglobin molekülü dört oksijen molekülü taşıyabilmektedir. Şekil 17.2 Hem grubu. Sağlıklı bir insanın vücudunda 5-7 gram civarında -iki küçük çivideki kadar-demir bulunur. Kandaki demir düzeyinde az bir düşme bile, anemi denilen rahatsızlığa yol açar. Anemi vücutta genel bir zayıf düşme ve bitkinliğe neden olur. Demir eksikliğinin neden olduğu anemilere çocuklarda altı aylık iken, bayanlarda ise 30-50 yaş arasında sık rastlanmaktadır. ? Günlük demir gereksinimimiz ne kadardır? Yetişkin bir insanın günde yaklaşık 18 mg demir alması gerekir. Karaciğer, böbrek,yürek, yumurta sarısı, bazı kurubaklagiller ve deniz ürünleri demir içeren besinler arasındadır. - 328 - Vücutaki demir ince bağırsakta Fe2+ iyonu şeklinde emilir. Demirin bu emilimi C vitamini varlığında artar. Çünkü C vitamini Fe3+ iyonlarını bağırsaklarda Fe2+ iyonuna indirgemektedir. Normal koşullarda yediğimiz gıdalardaki demirin %5-15 kadarı vücutta alıkonur. Demirden yoksun bir beslenme alışkanlığı kişide çevreye kayıtsızlık ve bitkinlik, hastalıklara dirençte azalma ile kalp atışı ve solunum hızında yükselme gibi etkilere yol açar. Çocuklardaki demir eksikliği de büyüme sürecinin yavaşlamasına neden olmaktadır. Öte yandan, demirin gereğinden yüksek olması da sağlığa zararlıdır. Anormal ölçüde yüksek düzeylerdeki demir, karaciğerde siroza, pankreaste fibrosise yol açabilmekte, şeker hastalığına ve kalp rahatsızlıklarına neden olabilmektedir. ? Vücuttaki eser elementlerin miktarları birbirine bağımlı olabilir mi? Demirin vücuttaki işlevi bu soruya iyi bir yanıt oluşturmaktadır. Bir hemoglobin molekülünün oluşabilmesi için bakır içeren bir enzim gerekir. Bu nedenle vücuttaki hemoglobinin derişimi yalnızca demir düzeyine değil, aynı zamanda bakır derişimine de bağımlıdır. Bakır derişimi yüksek olduğunda demir fazla miktarda harcanır. Eser elementler arasındaki bu ilişki aksi yönde de kendini gösterebilir. Örneğin molibdenin fazla miktarda vücuda alınması bakır emilimini azaltır ve hemoglobin oluşumunu yavaşlatır. 3.2. Manganez Bu element çeşitli enzimlerin görevlerini yapabilmeleri için vücutta gereklidir. Manganez hücrede enerjinin üretildiği mitokondria bölgesinde yüksek derişimlerde bulunur. Manganezden mahrum bir organizmada mitokondria yapısında anormallikler kendini gösterir. Manganez aynı zamanda normal tiroid çalışmasının sağlanmasında ve kıkırdak ile kemik gelişiminde de önem taşır. Bu elementin bir başka işlevi de, beyin ve sinir sisteminin normal çalışmasının sağlanmasında kendini gösterir. Gerçekten de epilepsi (sara) gibi hastalıklardan şikayetçi çocukların neredeyse üçte birinde, kandaki manganez düzeyi düşük bulunmaktadır. Yüksek düzeydeki manganez de vücut için tehlike oluşturur. Manganez elementiyle fazlaca teması olan kitlelerde, öneğin madencilerde, başağrıları, psikozlu davranışlar ve uyuşukluk vakaları yaygındır. - 329 - 3.3. Kobalt Kobalt ta vücudumuzda yer alan eser elementlerden biridir. Bu element kandaki eritrositlerin oluşumunda gerekli B12 vitaminin bir parçasını oluşturur. Bu nedenle vücuttaki kobalt eksikliği, eritrosit oluşumunu engellediğinden, "pernisyöz anemi" adı verilen ağır bir kansızlık durumu oluşur ve hastalarda bitkin düşme ile genel zafiyet kendini gösterir. 4.4. Bakır Bakırın vücuttaki rolü 19. yüzyıldan beri bilinmektedir. Bakırın vücudumuzdaki miktarı çok düşük de olsa, bu değer normal vücut işlevleri için son derece önemlidir. Organizmaya, bakır birçok yönden gereklidir. Öncelikle bu element birçok önemli enzimin bileşimine girer. Bu sayede kanın, damarların, kirişlerin ve kemiklerin yapımında görev alır. Bakırdan yoksun bir beslenme, zayıflık ve kan damarları ile kemiklerde narinliğe yol açar. Bundan başka, sinirleri saran koruyucu kılıfın oluşumu da vücuttaki bakır miktarına bağımlıdır. Bakır eksikliği halinde, sinir sisteminde sinir impulslarının gereği şekilde iletilememesine yol açan bozukluklar ortaya çıkar. Öte yandan, bakır elementi vücudumuzu güneşin zarar verici morötesi ışınlarından korur. Çünkü rengini koyulaştırarak deriyi mor ötesi ışınlardan koruyan melanin pigmentinin oluşmasını sağlayan enzimin bir parçasını da bakır elementi oluşturur. Daha önce de belirtildiği gibi bakırın hemoglobinin oluşumunda önemli bir rolü vardır. Son olarak, yiyeceklerin lezzetini tadabilme duyumuzun da vücutta bakır varlığına bağımlı olduğunu belirtelim. Bakır elementi pekçok enzimin bir parçası olduğundan, bu elementten yoksunluk ciddi hastalıklara yol açabilmektedir. Aynı şekilde gereğinden yüksek düzeylerde bakır da zehirleyici etki göstermektedir. Bu olgu halk dilinde "bakır çalığı" adı ile bilinir. Bakır elementi hemen hemen tüm gıdalarda ve içme sularında bulunduğundan, vücudumuzda bakırın emilim ve atılımı belirli bir düzen içinde yürür. Vücuttaki bakır düzeyi, günlük beslenmedeki bakır, molibden ve sülfat dengesine bağımlıdır. - 330 - 3.5. Çinko Vücut gelişimi için son derece önem taşıyan bir eser element olan çinko, özellikle cenin aşamasındaki gelişimde ve küçük çocukların beslenmesinde oynadığı rol ile göze çarpar. Çünkü bu element hücredeki genetik madde olan DNA'nın oluşumu için gereklidir. Bu nedenle de cenindeki çinko eksikliği büyüme gecikmesine, vücutta bozuk oluşumlara ve kromozomlarda anormalliklere yol açar. Doğumdan sonraki çinko eksikliği ise cüceliğe, cinsel gelişmede gecikmeye, saç dökülmesine ve deri problemlerine neden olur. Anne sütü kandakinin neredeyse on katı fazla derişimde çinko içerir. Ayrıca bu çinko bebeğin gereksinimleri için en uygun kimyasal şekilde bulunur. Bu da anne sütünün önemini ayrıca gözler önüne sermektedir. Yetişkinler için günlük normal çinko gereksinimi 15 mg düzeyinde olup, fındık ve ceviz türü yemişler, yumurta, sığır eti ve karaciğer zengin çinko kaynağı sayılabilecek besinlerdendir. 3.6. Molibden Bu element hücre içi enerji aktarım reaksiyonlarına katılır ve çeşitli bağırsak enzimlerinin işlevlerini sürdürebilmelerine yardımcı olur. Öte yandan vücutta bakır emiliminin düzeyini denetleyen unsurlardan biridir. Bezelye türünden sebzeler, tahıllar, bira mayası molibden içeren gıdalardandır. 3.7. Vanadyum,Kalay ve Silisyum Bu üç eser elementin işlevleri henüz tümüyle açıklanamamıştır. Ancak çeşitli bitkilerin ve hayvanların, önemli besleyici unsurlarından oldukları anlaşılmıştır. 3.8. Krom Krom elementinin pankreasın salgıladığı insülin bileşiğinin etkisini artırdığı anlaşılmıştır. Bilindiği gibi kandaki şeker düzeyi dokuların, özellikle de beynin işlevleri üzerinde yaşamsal öneme sahiptir. Şeker miktarının ayarlanmasında yardımcı birçok faktörden biri - 331 - de insülindir. Böylece krom vücuttaki şeker düzeyinin normalde tutulmasına yardımcı olmaktadır. Krom eksikliği vakalarında şeker hastalığına benzer belirtilerin gözlenmesinin nedeni de budur. Bira mayası, tahıllar ve karaciğer zengin krom kaynağı besinlerdendir. 3.9. Flor Kemik ve diş yapısında yer alan flor elementi eksikliği veya fazlalığı vücutta zararlı sonuçlar doğuran eser elementlerden biridir. Yapılan araşıtrmalar bir yörede tüketilen içme suyu kaynağının 0,5 ppm (0,5 mg/litre) ve daha düşük düzeylerde florür iyonu, (F-) içermesi halinde fazla miktarda diş çürüklerine rastlandığını, 10-20 ppm değerlerindeki florür miktarının ise dişlerde beneklenmelere ve florosis'e neden olduğunu ortaya çıkarmıştır. İçme suyunun 1 ppm düzeyinde florür içermesi halinde ise diş çürümeleri ve beneklenme oldukça düşük miktarda gözlenmektedir. Çünkü uygun derişimdeki florür iyonu vücutta kalsiyum bileşiğine dönüşmekte ve bu bileşik diş minelerinin yapısına girerek çürütücü etkenlere karşı dirençli olmasını sağlamaktadır. 3.10. Selenyum Bu eser element çok düşük miktarlarda çok yararlı bir madde iken, epeyce yüksek miktarlarda olduğunda çok zehirlidir. Toprağın ve bitki örtüsünün selenyumca zengin olduğu bölgelerde yetiştirilen çiftlik hayvanlarında görme bozuklukları, kas zayıflığı, karaciğerde çürüme ve solumun yetmezliğinden ölüm vakaları görülmektedir. Vücutta gereğinden fazla selenyum bulunduğunda, birçok hücre bileşiğinde bu element kükürt ile yer değiştirmektedir. Oluşan bu selenyum bileşikleri daha reaktif olduğundan, hücrenin normal işlevlerine engel olmaktadır. Eser miktarlarda iken temel bir besin olan selenyum, glutatiyon peroksidaz enziminin yapısına girmekte, bu enzim de hücrelerde hidrojen peroksit ve organik peroksitlerin birikmesini engelleyerek kanser oluşumuna karşı vücudu korumaktadır. Selenyum zehirleyici etkilerini yüksek kobalt derişimleri artırabilmekte ve kalp ile karaciğerde büyümeye yol açmaktadır. - 332 - 3.11. İyot Yaşam için oldukça önemli bir ametal eser element te iyottur. Vücuttaki iyodun %70-80 kadarı boyundaki tiroid bezlerinde bulunmaktadır. Bu bezin salgıladığı tiroksin hormonu metabolizmayı düzenleyerek normal gelişmeyi sağlar ve iyot elementi bu hormonun bir parçasıdır. (Şekil 17.3). I I NH2 CH2 — CH — C — OH O HO I O I Şekil 17.3 Tiroksin. Tiroksin hormonunun salgısında az veya çok herhangi bir düzensizlik insanı ölüme bile götürebilecek denli kötü sonuçlar doğurabilir. Öte yandan vücuda yeterli miktarda iyot alınmaması halinde tiroid bezi anormal derecede büyür. Guatr adıyla bilinen bu hastalığın yaygınlaşması, iyodür içeren tuzların kullanılmasıyla veya iyotça zengin besin kaynaklarının (çeşitli deniz ürünleri gibi) yeterince tüketilmesiyle önlenmeye çalışılmaktadır. Vücudun günlük normal iyot gereksinimi 0,2 miligram civarındadır. Özet Vücutta miktarda çok düşük düzeyde bulunmaları nedeniyle "eser element" olarak adlandırılan, demir, manganez, kobalt, kalay, flor, silisyum, selenyum ve iyot elementleri, normalin altındaki veya üzerindeki miktarlarda olduklarında son derece önemli sağlık sorunları ortaya çıkarabilen çok önemli elementlerdir. Enzimleri aktive eden, hücre içinde ve dışında pek çok olayda, bir kısmı henüz yeterince anlaşılamamış, aktif roller alan bu elementlerin organizmadaki düzeyleri birbirine bağımlılık gösterir. Bu elementlerden yeterince almayı sağlayacak bir beslenme rejimi sağlıklı bir yaşam için büyük önem taşır. - 333 - Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki biyoelementlerden hangisi bir eser element değildir? A) Demir 2. B) Sodyum C) Selenyum D) Bakır E) Silisyum "Kandaki düzeyinin düşüklüğü anemi adı verilen rahatsızlığa yol açar ve bu da vücutta genel bir zayıf düşmeye, bitkinliğe neden olur?" Yukarıdaki ifadede sözü edilen eser element aşağıdakilerden hangisidir? A) Flor 3. B) İyot C) Çinko D) Demir E) Bakır Eksikliği halinde hücre yapısında mitokondrial anormallikler gözlenen eser element aşağıdakilerden hangisidir? A) Manganez 4. B) Demir C) Kobalt D) Krom E) İyot Cenindeki eksikliğinin büyüme gecikmesine, vücutta bozuk oluşumlara ve anormalliklere, doğumdan sonraki eksikliğinin ise cücelik, cinsel gelişme gecikmesi gibi sorunlara yol açtığı saptanan eser element aşağıdakilerden hangisidir? A) Demir 5. B) Çinko C) Manganez D) Krom E) Bakır Aşağıdaki eser elementlerden hangisi kandaki eritrositlerin oluşumu için gereken B12 vitaminin bir üyesi olup, eksikliği halinde ağır bir kansızlığa neden olur? A) Bakır 6. B) Vanadyum C) Kobalt D) Molibden E) İyot "Pankreasın salgıladığı insülin bileşiğinin etkisini artırdığı için vücuttaki şeker düzeyinin normal ölçülerde tutulmasına yardımcı olmaktadır" Verilen ifade hangi eser elementi tanımlar? A) Demir B) Silisyum C) Çinko - 334 - D) Flor E) Krom 7. Kandaki hemoglobin derişimi aşağıdaki element çiftlerinden hangisinin oranına göre değişebilir? A) Kalsiyum ve sodyum B) Potasyum ve çinko C) Fosfor ve kükürt D) Demir ve bakır E) Demir ve klor 8. Aşağıdaki eser elementlerden hangisi derinin rengini koyulaştırarak zararlı mor ötesi ışınlardan koruyan melanin pigmentinde yer alır? A) Cu 9. B) Co C) Cr D) F E) I "Kemik ve diş yapısında yer alan önemli bir ester element olan .... , vücutta gereğinden az veya fazla bulunduğu takdirde dişlerde çürüme ve beneklenmeler ortaya çıkmaktadır." Yukarıdaki ifade de boş bırakılan yere aşağıdakilerden hangisi gelmelidir? A) Potasyum 10. B) Selenyum C) Flor D) Manganez E) Çinko Guatr hastalarının vücutlarında aşağıdaki biyoelementlerden hangisi gereğinden daha az bulunmaktadır? A) Karbon B) Kalsiyum C) Magnezyum - 335 - D) Flor E) İyot ÜNİTE 18 Laboratuvarda Uygulanan Temel İşlemler Amaçlar Bu üniteyi çalıştıktan sonra, ■ Kimya Laboratuvarında kullanılan temel malzemeler hakkında bilgi edinecek, ■ Kimya Laboratuvarında uyulması gereken kuralları öğrenecek, ■ Laboratuvarda karşılaşılabilecek kazalar ve yapılması gerekenleri bilecek, ■ Laboratuvarda uygulanan temel işlemleri öğreneceksiniz. İçindekiler ■ Giriş ■ Kimya Laboratuvarında Kullanılan Temel Malzemeler ■ Laboratuvarda Uyulması Gereken Kurallar ■ Laboratuvarda Karşılaşılabilecek Kazalar ve Yapılması Gerekenler ■ Laboratuvarda Uygulanan Temel İşlemler ■ Özet ■ Değerlendirme Soruları Öneriler ■ Bu üniteyi çalışmadan önce "Temel Kavramlar" konulu Ünite 1'i gözden geçiriniz. 1. GİRİŞ Bildiğiniz gibi kimya, maddelerin yapısını, özelliklerini ve başka maddelere dönüşüm reaksiyonlarını teorik (kuramsal) ve deneysel olarak inceleyen bir bilim dalıdır. Bu üniteye kadar temel kimya konularını teorik olarak gördünüz. Ancak temel ve uygulamalı bilimlerin öğrenimi sürecince çeşitli laboratuvarlarda uygulamalar yapılır. Bunların en basiti ve ilki Genel Kimya Laboratuvarıdır. Bu laboratuvarda; maddenin fiziksel ve kimyasal özellikleri, faz dönüşümleri, saflaştırma ve ayırma yöntemleri ve değişik koşullarda verdiği kimyasal reaksiyonlar incelenir. Bu yolla teori-deney ilişkisi kurulması sağlanmaya çalışırken, bir yandan da temel deney teknikleri öğrenilir, araştırma, gözlem ve deney yapma becerisi kazanılır. Günümüzde hızla gelişen teknolojinin sağladığı imkanlar ile eğitim, sağlık, endüstri, çevre ve tarım ile ilgili laboratuvarlarda çok gelişmiş aletler ile deneylerin yapıldığını görebiliriz. Ancak aletin kullanım düğmesine gelinceye kadar bazı temel laboratuvar bilgilerine gereksinim vardır. İnceleme yöntemleri ve mataryeli farklı olan meslek gruplarınca aynı yöntemler kullanılabilir, ancak amaçlarda farklılık görülmektedir. Bütün bu durumlar göz önüne alınarak, bu ünitede olanaklar ölçüsünde kimya laboratuvarında kullanılan malzemeler, dikkat edilmesi gereken kurallar ve temel işlemler ile ilgili ön bilgiler verilecektir. 2. KİMYA LABORATUVARINDA KULLANILAN TEMEL MALZEMELER Kimya Laboratuvarında kullanılan çok sayıda çok çeşitli malzemeler vardır. Bunları tek tek tanıtmak mümkün değildir. Bu nedenle, burada genel kimya laboratuvarında kullanılan temel alet ve malzemeler görülecektir. (Şekil 18.1) - 337 - Şekil 18.1 Çeşitli laboratuvar malzemeleri - 338 - Şekil 18.1 Çeşitli laboratuvar malzemeleri - 339 - Laboratuvarda deney yaparken kullanılan maddelerin miktarlarının doğru olarak kullanılması deneyin doğruluğu bakımından çok önemlidir. Burada "doğruluk" terimi ölçülen birdeğerin "gerçek" değere veya kabul edilen değere ne kadar yakın olduğunu belirtir. Bilindiği gibi katı maddeler tartılarak, sıvı ve gazlar ise hacim ölçümü ile ölçülürler. Tartım için kullanılan teraziler farklı duyarlılıkta olup çok çeşitlidir. Terazinin duyarlılığı, terazi dengede iken kefesine 1 mg konduğu zaman göstergenin yaptığı sapma ile ifade edilir. Örneğin 1 mg'da 10 taksimat sapan terazi 0,1 mg'a kadar duyarlı demektir. Bu duyarlılık terazinin yapılışına bağlıdır,ancak her terazinin duyarlılığı tartılan yük miktarının artışı ile azalır. Teraziler duyarlılıklarına ve kapasitelerine göre şu şekilde sınıflandırılır: ■ Kaba teraziler : 500 g kapasite, 10 mg'a kadar duyarlı ■ Makro teraziler : 160-200 g kapasite, 0,1 mg'a kadar duyarlı ■ Yarı-mikro teraziler : 80-10 g kapasite, 0,01 mg'a kadar duyarlı ■ Mikro teraziler : 20 g kapasite, 0,001 mg'a duyarlı ■ Ultra mikro teraziler : 25 mg kapasite, 0,00002 mg'a kadar duyarlı Bu beş tip teraziden en çok kullanılanları; kaba tartımlar için kullanılan kaba teraziler, duyarlı tartımlar için kullanılan makro ve yarı-mikro terazilerdir. Yapılış bakımında da her duyarlılıktaki terazinin tek ve çift kefeli tipleri vardır. Şekil 18.1'de çift kefeli ve tek kefeli terazi görülmektedir. Tek kefeli teraziler çift kefelilerden daha pahalı olmalarına rağmen, tartım kolaylığı ve emin olması bakımından tercih edilirler. Sıvıların hacimlerinin ölçülmesinde ise genellikle cam ölçü malzemeleri kullanılır. Bu malzemelerin en çok kullanılanları balon joje, büret, mezür ve pipetlerdir. Balon jojelerle yalnızca belli hacimlerde ölçüm yapılır. Örneğin 100 mL'lik bir balon joje ile sadece 100 mL'lik bir hacmi ölçebiliriz. Büret ve mezürler ise mL ölçeklidir ve istenilen hacimde ölçüm yapılabilir. Pipetler hem mL ölçekli hem de belirli hacimde olabilirler. Ölçeklendirilmiş beher, erlen, balon, şişe gibi diğer cam malzemeler her ne kadar belirli hacimleri gösterseler de duyarlı hacim ölçümlerinde kullanılmaz. Isıtma veya vakum gerektiren deneylerde kullanılan cam malzemeler ise ısıya ve/veya vakuma dayanıklı cam malzemelerden özel olarak yapılmışlardır. Bazı madde ve malzemelerin nemden korunabilmesi için kullanılan desikatör de önemli cam malzemelerdendir. Bunların dışında, çeşitli amaçlarla kullanılan deney tüpü, cam çubuk (baget), cam boru (çeşitli çap, uzunluk ve açılarda), süzme işlemlerinde kullanılan huni, nuche erleni, ayırma işlemlerinde kullanılan ayırma hunisi, kurutma ve kristallendirmede kullanılan saat camı gibi cam malzemeler laboratuvarlarda bulunur (Şekil 18.1). - 340 - Şekil 18.2 Spor, kıskaçlar ve halkalar Cam malzemeler ile kurulan deney düzeneklerini sabitleştirmek için spor (bir destek üzerinde dikey olarak bulunur) kullanılır (Şekil 18.2). Kıskaç ve halkalar bu spora bağlanarak büret, huni vb. malzemeler sabitleştirilir. Deney tüpleri ise üzerinde tüplerin konulabileceği yerler bulunan tüplüklere yerleştirilir (Şekil 18.1). Isıtma ve buharlaştırma işlemlerinde bunzen beki veya elektrikli ısıtıcılar ile ateşe dayanıklı killerden yapılmış porselen krozeler ve kapsüller kullanılır (Şekil 18.1). Porselen krozelerden başka nikel, demir, platin vb. gibi metallerden yapılan krozeler de kullanılmaktadır. Bekteki ısıtma işlemlerinde kil üçgen (krozelerin ısıtılmasında), amyant tel (beher, erlen vb. cam malzemelerin ısıtılmasında) ve üç ayak kullanılır. Isıtılan malzemeler tahta veya metal maşa ile tutulur. Sıcaklık ölçümlerinde termometre, zaman ölçümlerinde kronometre kullanılır. Süzme işlemlerinde, huniler, gooch krozesi, nuche erleni gibi malzemeler kullanılır. Katı maddeleri öğütmek üzere havan, yıkama işlemlerinde cam veya plastikten yapılmış piset, fırça gibi malzemeler kullanılır (Şekil 18.1) 3. LABORATUVARDA UYULMASI GEREKEN KURALLAR Laboratuvarda yapılan deneyler belli bir itina ile yapıldığında emniyetlidir. Ancak kurallara uyulmadığında unutmayın ki bütün kimyasal deneyler tehlikelidir. - 341 - ■ Kurallara uyulduğu sürece laboratuvar tehlikeli ve korkulacak bir yer değildir! Öncelikle laboratuvarın ciddi çalışma yapılan bir yer olduğu akıldan çıkarılmamalı, beyaz laboratuvar önlüğü giyilmeli, saçlar dağınık olmamalıdır. Özellikle gözler kimyasal maddelerin etkilerinden korunmalı ve deneyler sırasında koruyucu gözlük kullanılmalıdır. Laboratuvarda kontak lenslerin kullanılması sakıncalıdır, kimyasal madde buharları göz ile kontak lens arasına sızarak etkisini yavaş gösteren zararlı oluşumlara yol açabilir. ■ Kimyasal maddelerin ve çözeltilerin kullanımı sırasında ellere, yüze ve vücuda bulaşmamasına çok özen gösterilmelidir. Herhangi bir bulaşma durumunda ilk yardım düzeyinde laboratuvarda müdahele edilebilir. Ancak ağır olaylarda doktora başvurulmalıdır. ■ Kimyasal maddeleri ve çözeltileri kesinlikle tatmamalı, çıplak elle tutmamalı, laboratuvarda yenilip içilmemeli, doğrudan burun yaklaştırılarak koklamamalıdır. Koku tanımlaması gerekiyorsa, kabın üzerinden elle yelpazelenerek buruna gönderilen bir miktar buharın kokusunun hissedildiği uzaklığa kadar yaklaşılarak yapılmalıdır (Şekil 18.4). Şekil 18.3 Koku tanımlaması ■ Deneyde kullanılacak alet ve cam malzemenin temiz olmasına dikkat edilmeli, kırık ve çatlak araç-gereçle çalışmamalıdır. Deney bitiminde çalışma yeri ve kullanılan malzeme temizlenmelidir. Herhangi bir yere asit veya başka bir aşındırıcı kimyasal düküldüğünde anında bol su ile yıkanmalıdır. ■ Kimyasal madde alırken, alınan kabın üzerindeki etiket dikkatle okunmalı, doğru maddenin alındığından emin olunmalıdır. Ayrıca kullanılan kimyasal maddeler doğrudan büyük şişelerden alınmamalıdır. Gereken miktar kadar sıvı reaktif- 342 - ler, reaktif şişelerine, katı maddeler de kapaklı geniş ağızlı cam veya plastik şişe ya da kavonozlara konulmalıdır. Reaktif şişeleri üzerine reaktif adını ve konsantrasyonunu belirten etiketler yapıştırılmalı ve kullanım sırasında kapakları açık bırakılmamalı sıkıca kapatılmalıdır. ■ HNO3, HClO4 gibi organik maddeleri etkileyen reaktifler için cam kapaklı cam şişeler kullanılmalıdır. Camı etkileyen HF ve derişik alkali hidroksit çözeltileri ise plastik şişelerde tutulmalıdır. ■ Bir kimyasal madde veya çözeltiyi bulunduğu kaptan alırken kullanılan araç kesinlikle kuru ve temiz olmalıdır. Özellikle sıvılardan birini almak için kullanılan cam malzeme başka bir sıvı için kullanılmamalıdır. ■ Asit, baz veya tuz çözeltilerinin hazırlanmasında; bu maddelerin üzerine su dökülmemelidir. Çünkü ani köpürmeler istenmeyen durumlara yol açabilir. Bu nedenle suyun üzerine bu tür maddeler yavaşça eklenmelidir. ■ Laboratuvarda kullanılan birçok maddenin buharlarının solunulması zehirlenmelere ve solunum yollarında yara oluşumlarına yol açabilir. Laboratuvarda en çok kullanılan nitrik asit (HNO3), sülfürik asit (H2SO4), hidroklorik asit (HCl) gibi inorganik asitler; formik asit (HCOOH), asetik asit (CH3 COOH), kloroasetik asit (ClH2COOH) gibi organik asitler ve pentan (C5H12), benzen (C6H6), etilalkol (C2H5O4), asetik asitin etil esteri (CH3 COOC2H5) gibi organik çözücülerin buharlaştırılmasında kaynama noktalarına uygun olarak seçilen değişik türde denetimli ısıtıcılar kullanılır. Özellikle bu maddelerin buharlarının zehirli olması çeker ocakta çalışmayı gerektirir. Alkol, eter gibi yanıcı organik sıvılar çeker ocakta bile asla çıplak alevde ısıtılmamalı uygun elektrikli ısıtıcı kullanılmaladır. Çeker ocak içinde hava emişi yapılabilen, ön tarafı sürgülü cam ile kapatılan birbölmedir (Şekil 18.1). İçerisinde hava emişini sağlayan bir aspiratör bulunur. Çalışma süresince aspiratör çalıştırılır ve ön sürgülü cam kapalı tutulur. ■ Zehirli kimyasalları lavaboya akıtarak değil, size gösterilecek özel şişelere dökünüz. Katı kimyasal maddeler ve çözeltiler çöp sepetine dökülmemelidir. Lavaboya dökülmesi sorun yaratmayan çözeltiler bol su ile akıtılmalı; katı kimyasal maddeler ise toplama kabında toplanmalıdır. - 343 - 4. LABORATUVARDA KARŞILAŞILABİLECEK KAZALAR VE YAPILMASI GEREKENLER Laboratuvarda tüm önlemler alınmış olsa bile tamamen tehlikelerden uzaklaşılmış sayılmaz. Çalışma sürecince tüm dikkat ve ilgi çalışmaya verilmelidir. Karşılaşılabilecek tehlikeleri şöyle sıralayabiliriz: Yakıcı maddelerle çalışma (asit, baz vb), Patlayıcı maddelerle çalışma (yakıt maddeleri ile oksijenin birleşmesi), klorat ve Permanganatlarla sülfürik asitten oluşmuş karışımlar, zehirli madde ve gazlarla temas, zehirli gazların oluşması (arsenik hidrür,fosforik asit,hidrosiyanik asit,klor, brom gibi halojenler), zehirli maddelerle çalışma (kurşun bileşikleri, arsenik III oksit, siyanür tuzları, fosfor, civa gibi), cam malzemenin kırılması, yangın. Bütün bu tehlikelerin önüne geçmek için koruyucu gözlük kullanılmalı,tehlike taşıyan deneyler çeker ocakta yapılmalı, dietil eter, aseton, benzen, etil alkol gibi çabuk tutuşan maddelerle çalışırken yakın çevrede alev bulunmamasına özen gösterilmelidir. Yangın başlangıcı ile karşı karşıya kalındığında ise paniğe kapılmamak çok önemlidir. Eğer alev alan madde beher gibi bir kap içerisinde bir saat camı ile kapatılarak hava ile teması önleyerek alev boğulabilir. Ancak alev büyük alana yayılmış ise hemen gaz muslukları kapatılmalı,bütün yanıcı maddeler uzaklaştırılmalı, yangın söndürücülerle söndürmeye çalışılıp kum dökülmelidir. Yangın denetlenmez durumda ise derhal itfaiyeye haber verilmelidir. Ayrıca laboratuvarda, yanıklar, kesikler, asit ve baz yanıkları brom ve fosfor yanıkları, göz yaralanmaları, solunum yolu ile olan zehirlenmeler, yutulan maddeler ile olan zehirlenmeler ile karşı karşıya kalınabilir. Böyle durumlarda başvurulacak ilk Bardım dolabı mutlaka laboratuvarda bulunmalıdır. Ağır durumlarda doktora başvurulmalıdır! 5. LABORATUVARDA UYGULANAN TEMEL İŞLEMLER Laboratuvarda uygulananan kimyasal işlemler, kimyasal analiz ve kimyasal sentez olmak üzere iki grupta toplanabilir. Kimyasal analiz, bir kimyasal bileşikte veya karışımda bulunan element veya atom gruplarının aranması ve bunların o bileşik veya karışım içinde hangi oranlarda bulunduğunun saptanması için yapılan işlemlerin toplamına denir. - 344 - Kimyasal analiz, kalitatif (nitel) analiz ve kantitatif (nicel) analiz olmak üzere iki bölümde incelenir. Kalitatif analiz, organik ya da inorganik özellikte bir maddenin bileşenlerini, kantitatif analiz ise bu bileşenlerin miktarlarını belirler. Kimyasal sentez ise basit yapılı maddelerden daha karmaşık yapılı maddelerin elde edilmesi için yapılan işlemlere denir (Kimyasal sentezin asıl uygulama alanı organik kimyadır). Bu bölümde, kimyasal sentez işlemlerine girilmeyecek, ancak kimyasal analizde en çok uygulanan heterojen karışımları ve homojen karışımları ayırma işlemleri üzerinde durulacaktır. Ayırma işlemleri, maddelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerinden yararlanarak yapılır. Kimyasal özelliklere dayanarak yapılan ayırma işlemlerinde, ayrılmak istenen maddelerden birinin bir reaktifle bileşik vermesi ve diğerinin ise bu bileşiği vermemesinden yararlanılır. Fiziksel özelliklere dayanarak yapılan ayırma işlemlerinde ise, maddelerin çözünürlük farklılığından veya kaynama noktalarının farklılığından yararlanılır. Bu tür ayırma işlemleri arasında; istenilen bir maddeyi uygun bir ortamdan çöktürerek ayırma, organik çözücülerde çözünen maddeleri sulu çözeltiden ekstraksiyon yoluyla ayırma, distilasyon, süblimasyon, kristallendirme işlemleri sayılabilir. Ayrıca, fiziksel ve kimyasal özellikleri birbirlerine çok yakın olan ya da eser miktarda ele geçen madde karışımlarını kısa sürede ayırabilen bir ayırma yöntemi de "kromatografi" olup günümüzde çok kullanılan bir yöntemdir. 5.1. Heterojen Karışımları Ayırma Yöntemleri Heterojen bir karışımı homojen kısımlara ayırma işlemlerine "temel işlemler" denir. Bu işlemlerde kullanılan belli başlı yöntemler kısaca aşağıda verilmiştir. 5.1.1. Çöktürme ve Çökeltilerin Çözeltilerden Ayrılması İki çözeltinin birbirine katılması sonucu ortamda çözünmeyen bir maddenin katı olarak ayrılması olayına "çökme" denir. Katı-sıvı heterojen karışımından, katı olarak ayrılan maddeye "çökelek" yapılan işleme ise "çöktürme" denir. - 345 - Çöktürme işlemi; yeterli miktarda ya da iri taneli çökeleklerle çalışılıyorsa uygun büyüklükte bir beher içersinde, çok az miktarda olan çökeleklerle çalışılıyorsa santrifüj tüpünde yapılır. 5.1.2. Aktarma (Dekantasyon) Şekil 18.4 Aktarma işlemi Oluşan çökeleğin tümünün dibe çökmesi (sedimantasyon) beklenir ve üstteki duru sıvı bulandırılmadan dikkatlice başka bir kaba aktarılır. Bu şekilde üstteki sıvı kısmın ayrılmasına "aktarma" (dekantasyon) denir. Bu işlemde çökeleğin ağır, iri taneli ve kristal yapıda olması gerekir. 5.1.3. Süzme Şekil 18. 5 Süzme işlemi - 346 - Oluşan çökeleğin tanecikleri yeteri kadar iri taneli olmadığı durumlarda aktarma işlemi zorlaşır ve bu durumda süzme işlemi yapılır. Bu işlemde çökelek, sıvısından ince delikli birsüzgeçten geçirilerek ayrılır. Bu amaçla genellikle huni ve süzgeç kağıdı, porselen süzgeç vb. kullanılır. Kullanılacak süzgeç kağıdı; çökeleğin ince taneli, iri taneli veya jelimsi olmasına göre sırasıyla mavi bantlı (sık gözenekli), beyaz bantlı (orta gözenekli) ve siyah bantlı (geniş gözenekli) olanlardan seçilir. (Whatman süzgeç kağıtları, kağıdın delik çapına ve kimyasal yapısına göre özel renklerle (mavi, beyaz, siyah gibi) bandlandırılmıştır.) 5.1.4. Vakumda Süzme Şekil 18. 6 Vakumda süzme (a) Su trompu yardımıyla (b) Vakum pompası yardımıyla Süzme işlemini kolaylaştırmak ve çabuklaştırmak için süzgeç altından vakum uygulanır. Bu işlem için genellikle yatay konumda delikli bir porselen yüzey içeren Büchner hunisi ve Nuche erleni kullanılır ve su trompu veya vakum pompası yardımı ile vakum yapılarak süzme işlemi gerçekleştirilir. 5.1.5. Santrifüjleme Şekil 18. 7 Santrifüj aleti - 347 - Sıvı içersindeki katı tanecikler hafif, ince taneli ve çok az miktarda ve de süzme ile ayırmanın mümkün olmadığı durumda santrifüj aletinden yararlanılır. Santrifüj aleti, etkin olan yerçekimi kuvvetinden çok daha büyük merkezkaç kuvvetinden yararlanarak çalışır. Dolayısıyla çökelek santrifüj tüpünün dibinde sıkışmış halde toplanır ve üstteki sıvı kısım kolayca aktarılabilir. Böylelikle zamandan büyük tasarruf sağlanarak iki farklı madde birbirinden santrifüjleme ile ayrılmış olur. 5.1.6. Dializ Şekil 18.8 Dializ tüpü büyük moleküller diyaliz tüpünün içinde hapsedilmiş olarak kalırken, küçük moleküller yarı geçirgen zardan her iki yöne de hareket ederler Santrifüzleme ile ayrılamayan, çökmeyecek kadar çok küçük tanecikleri (kolloitler, çapları 1-100 nm arasında değişen tanecikler) içeren sıvı-katı karışımları ayırmak için "dializ" işlemi uygulanır. Dializde, delik çapları 1-5 nm olan selofan, hayvan derisi, parşömen gibi süzgeç görevi gören yarı-geçirgen bir zar kullanılır. Bu zardaki deliklerden küçük moleküller geçebilirken daha büyük moleküller (proteinler veya kolloidler) geçememektedir. Diyaliz böbrek hastalarının tedavisinde kullanılır. Kan, yüzey alanı çok geniş olan bir diyaliz zarından geçirilir. Metabolik atık olan küçük moleküller zardan geçerler. Kan plazmasının gerekli bileşenleri olan protein molekülleri çok büyük olmaları nedeniyle zardan geçmeyerek kanda kalırlar. - 348 - 5.1.7. Ayırma Hunisi Kullanarak Ayırma Şekil 18.9 Ayırma hunisi Heterojen sıvı-sıvı karışımlarını ayırmada, ayırma hunilerinden yararlanılır. Bu işlemde,söz konusu karışım ayırma hunisinde kapağı kapalı olarak iyice çalkalanır. İşlem sırasında oluşan baskıyı gidermek için kapak sıkıca tutularak huni ters çevrilir ve musluk açılıp kapatılır. Daha sonra fazların ayrılması için bir süre kendi haline bırakılır. Alttaki faz, huninin musluğu açılarak başka bir kaba dışarı alınır. 5.2. Homojen Karışımları Ayırma ve Saflaştırma İşlemleri Homojen bir karışımdan maddeleri ayrı ayrı ve saf olarak ayırmak üzere en çok kullanılan belli başlı yöntemler olarak; distilasyon, süblimasyon, kristallendirme ve kromatografik ayırma kısaca aşağıda verilmiştir. 5.2.1. Distilasyon (Damıtma, Distilleme) Distilasyon işlemi, sıvı karışımlardaki bileşenleri birbirinden ayırmakta ve bu bileşenleri saflaştırmakta kullanılır. Bildiğiniz gibi sıvı maddeler belirli bir buhar basıncına sahiptir. Sıvı bir madde ısıtıldığında, sıcaklık yükselmesiyle birlikte buhar basıncı da artar ve buhar basıncı dış basınca eşit olduğunda da kaynama başlar. Kaynama süresince sıcaklık sabit kalır. - 349 - Her maddenin kendine özgü olan bu sabit sıcaklığa "kaynama noktası" denir ve bu sıcaklıkta sıvı gaz haline geçer. Gaz haline geçen maddeye "buharlaşmış madde" denir. Buharlaşmış maddenin soğutulmasıyla madde sıvı hale geçer. Buolaya da"yoğunlaşma" adı verilir. Her maddenin farklı kaynama noktasına sahip olma özelliğinden yararlanarak, sıvı karışımın kaynatılıp gaz haline dönüştürülmesi ve bu gazın soğutulup yeniden sıvı hale yoğunlaştırılması ile teker teker geri kazanılması işlemine "distilasyon" denir. Bu işlem için Şekil 18.10'da görülen distilasyon düzeneğinden yararlanılır. Şekil 18.10 Distilasyon düzeneği Karışımı oluşturan maddelerin kaynama noktaları çok farklı ise Şekil 18.10'da gösterilen distilasyon aparatı yeterlidir. Ancak kaynama noktaları yakın maddelerden oluşan sıvı-sıvı karışımları saf halde bu düzenekle ayırmak güçtür. Bu durumda distilasyon balonu üzerine fraksiyon başlığı yerleştirilir (Şekil 18.11) ve kaynama noktalarına bakılarak sıvılar saflaştırılır. Bu işlem "fraksiyonlu distilasyon" (kısımlı distilasyon,kısımlı damıtma) olarak bilinir. Fraksiyon başlığı parçaları ile doldurulmuş olup, yüksek yüzey alanı sağlar. Distillenen buharlar yoğunlaşıp distilasyon balonuna geri döner. İşlemin tekrar edilmesiyle daha uçucu olan bileşik üstte toplanır ve yoğunlaştırılır. - 350 - Şekil 18.11 Fraksiyonlu distilasyon düzeneği Kaynama noktaları çok yüksek olan veya kaynama noktalarına gelmeden bozunan maddeleri içeren karışımlar ise düşük basınçta distillenir. Bu durumda maddenin kaynama noktası düşer. Düşük basınçta distilasyon için distilasyon düzeneğine vakum pompası bağlanır ve bu tür distilasyona "vakum distilasyonu" adı verilir (Şekil 18.12). Bu tür distilasyonlar için laboratuvarlarda genellikle "rotary evoporotör" (döner buharlaştırıcı) denen cihazlar kullanılır. Şekil 18.12 Vakum distilasyonu - 351 - 5.2.2. Süblimleşme Sıvı fazdan geçmeden, katı-gaz ve gaz-katı dönüşmeleri mümkündür ve bu olguya "süblimleşme" denir. Bu tür özellikte maddeleri içeren bir karışım ısıtıldığında süblimleşebilen madde soğuk yüzeyde tekrar katı olarak saf halde ayrılır. Yüksek sıcaklıkta süblimleşen maddeler vakumda süblimleştirilirler. Küçük madde miktarlarını vakum altında süblimleştirmek için kullanılan düzenek Şekil 18.13'de görülmektedir. Şekil 18. 13 Vakumda süblimasyon (işlem sırasında tüp bir su veya yağ banyosuna batırılarak ısıtılır) 5.2.3. Kristallendirme Bu işlem katı karışımlardaki bileşenleri birbirinden ayırmakta ve bu bileşenleri saflaştırmada kullanılan bir yöntemdir. Kristallenme ile ayırmaya "ayrımsal kristallendirme" ve saflaştırmaya ise "kristallendirme" denir ve temelde aynı işlemleri içerir. Kristallendirme işlemi uygulanacak katının; belirli bir çözücüde sıcakta çözünüp, soğukta çözünmemesi gerekir. Bunun için saflaştırılacak katı uygun bir çözücüde ısıtılarak doygun çözeltisi hazırlanır ve sıcak çözelti süzülerek çözünmeyen safsızlıklar uzaklaştırılır. Sıcak çözeltide bulunan maddenin kristallenmesini sağlamak için şu işlemlerden biri uygulanır: ■ Çözelti soğutulur ■ Çözelti aşırı doymuş hale getirilir ■ Çözünenin çözünmediği ikinci bir çözücü eklenir ■ Çözünenin buharlaşmayacağı durumlarda çözücünün bir kısmı buharlaştırılır. - 352 - mavi çözelti beyaz KNO3 kristalleri Şekil 18.14 KN03'ın kristalendirilmesi KNO3 kristalleri, KNO3 ve CuSO4 (safsızlık)'ın sulu çözeltisinden ayrılır. Çözeltinin mavi rengi çözeltide kalan Cu+2'den dolayıdır. Oluşan saf kristaller süzülerek alınır, çözeltide ise çözünür safsızlıklar kalır. Bu şekilde elde edilen kristaller yeteri kadar saflıkta değilse, başka çözücü ya da çözücü sistemleri kullanarak yeniden kristallendirme işlemi yapılır. Ayrımsal kristallendirme işleminde ise, katı karışımdaki bileşenlerden birinin daha az diğerinin daha çok çözündüğü bir çözücü belirlenir ve bu çözücüde katı karışım ısıtılarak çözülür ve sıcakken süzülür. Çözelti soğutulurken önce, çözücüde daha az çözünen maddenin saf kristalleri, çözeltinin daha çok soğutulması ile daha çok çözünen maddenin saf kristalleri oluşur. Elde edilen kristaller ayrı süzme işlemleri ile çözeltiden alınır. Örneğin sodyum klorür (NaCl) ile potasyum nitrat (KNO3)tuz karışımının ayrılması ayrımsal kristallendirme işlemi ile gerçekleştirilir. Bunun için tuz karışımı suda çözülür, ısıtılır ve süzülür. Çözelti soğutulurken önce daha az çözünen NaCl çöker, KNO3 suda çözülmüş olarak kalır. Kalan bu çözelti daha da soğutularak KNO3'ın kristallenmesi sağlanır Böylelikle NaCl ile KNO3 tuzları ayrılmış olur. 5.2.4. Kromatografi ile Ayırma Saflaştırma Kromatografi, bir karışımda bulunan maddelerin birbirinden ayrılmasını gerçekleştiren yöntemlerin genel adıdır. Bu yöntemler ile buraya kadar anlatılan kristallendirme, distilasyon v.b. klasik yöntemlerle birbirlerinden ayrılmaları çok zor hatta imkansız olan maddeleri, saf olarak birbirlerinden ayırmak mümkün olur. Kromatografi, çeşitli maddelerin, hareketli bir faz yardımıyla, sabit bir faz arasından değişik hızlarla hareket etmeleri temeline dayanır. - 353 - Kromatografi yöntemleri, genellikle belli uzunluktaki cam veya metal kolonlar (borular) içinde gerçekleştirilir. Bu kolonlar dolgu maddesi (gözenekli bir katı) ile iyice doldurulurlar. Böyle bir dolguya "sabit faz" veya "kolon" denir. Sistem ya bu haliyle kullanılır veya bu katıya bir sıvı emdirilir ve bu sıvı bir sabit sıvı faz gibi işlem görür. hareketli faz ayrılması istenilen karışım kum dolgu maddesi .... .... kum pamuk musluk Ayrılması istenen karışım, kolonun bir ucundan uygulanır ve üzerine dikkatlice sıvı faz etlenir. Kolonun altındaki musluk açıldığında sıvı faz "hareketli faz"ı oluşturur. Karışımda bulunan maddeler, kolonun bir ucundan diğer ucuna kadar hareketli faz ile sürüklenerek taşınır. Bu taşınım sırasında karışımdaki maddeler, dolgu maddesi ile etkileşmesi nedeniyle sabit faz tarafından bir miktar tutulur. Bu tutulma karışımdaki farklı maddeler için farklı miktarlarda olur. Karışımdaki maddeler sabit faz ile hareketli faz arasında belli bir dağılım gösterirler. Bir A maddesinin sabit faz ile hareketli faz arasındaki dağılımı, AH AS dengesine göre oluşur ve A maddesinin iki fazdaki derişimlerinin oranına, dağılma katsayısı, K denir ve KA = CS CH CS= Sabit fazdaki A maddesinin konsantrasyonu CH= Hareketli fazdaki A maddesinin konsantrasyonu şeklinde verilir. Eğer karışımdaki A maddesi, kolon boyunca yavaş ilerliyorsa sabit fazda iyi tutulmuş demektir. Bu durumda K değeri büyük olur. Tersine A maddesi kolon içersinde hızla ilerliyorsa,hareketli faza ilgisi fazladır ve K değeri küçük olur. Bir karışımda bulunan maddelere ait K değerlerinin farklı olması bunların kolon boyunca birbirlerine göre farklı hızlarda ilerlemelerine neden olur. Böylelikle maddeler kolonun sonlarına doğru birbirlerinden ayrılır ve kolondan farklı zamanlarda ayrılırlar. - 354 - Hareketli faz Hareketli faz A+B+C karışımı B A C A C Şekil 18.15 Kolon kromatografisinde maddelerin ilerlemesi Kolon kromatografisi, kromatografik yöntemlerin ilk uygulananıdır. Yukarıda bahsedilen sabit faz olarak kullanılan kolonun yerine; özel olarak yapılmış kalın süzgeç kağıdı üzerine emdirilmiş sıvı faz, sabit faz olarak kullanıldığı durumda ise karışımdaki maddeler farklı dağılma eğilimlerine göre bu kağıt üzerinde ilerler. "Kağıt Kromatografisi" adını alan bu yöntemde hareketli faz kağıdın daldırıldığı sıvıdır ve bu sıvı kağıt üzerinde kılcallık etkisiyle ilerler ve karışımdaki maddeleri sürükleyerek ayrılmalarını sağlar. Bir sıvı-sıvı kromatografisidir. Kromatografi kağıdı Kromatografi tankı Ayrılması istenen karışım Çözücü hareketli faz Şekil 18.16 Kağıt kromatografisi Kağıt kromatografisine benzer olarak uygulanan "ince tabaka kromatografisi" ise bir sıvıkatı kromatografisidir. Bu yöntemde sabit faz, cam plaka üzerine sıvanmış bir katıdır. Karışımdaki maddelerin ayrılması katı yüzeyindeki farklı adsorpsiyon ilgilerine bağlı olarak gerçekleşir. İnce toz halindeki katı madde ile kaplanmış cam plaka Çözücü hareketli faz Şekil 18.17 İnce tabaka kromatografisi (İTK) - 355 - Kağıt kromatografisinde, kromatografi kağıdından kesilmiş şeritin ucuna ayrılması istenen karışımdan damlatılır ve bu kağıt kapalı bir kaptaki (yürütme tankı) çözücüye daldırılır. İnce tabaka kromatografisinde de üzerine ince katı bir faz sürülmüş cam plakanın bir ucuna karışımdan damlatılır ve yürütme tankına yerleştirilir. Kağıt veya ince tabaka üzerinde kılcal kanallardan ilerleyen çözücü, karışımdaki bileşenleri bunların sabit faza olan ilgileri ile ilişkili olarak farklı hızlarla sürükler ve birbirinden ayırır. Kağıt veya lehva üzerinde, belli bir süre sonra, bileşenlerin yol aldığı uzaklık ile çözücünün ulaştığı uzaklığın oranı, Rf değeri olarak bilinir ve bu değerler kalitatif analizde kullanılır. Sıvı kromatografisinde, hareketsiz katı faz olarak iyon değiştirici reçine de kullanılabilmektedir. Bu reçine anyon veya katyonları tutabilme özelliğine sahip olduğundan, iyon halinde maddeler içeren karışımların ayrılmasında kullanılır. Bu tür iyon değiştirici reçinelerin kullanıldığı "iyon değiştirici kromatigrafisinde" hareketli faz belli pH değerine tamponlanmış sulu çözeltidir. Bu yöntemle metal iyonları, anyonlar, amino asitler ve proteinlerin ayrılmasısağlanır. Günümüzde teknolojinin ilerlemesi ile temelde aynı prensiplere dayanan ancak yukarıda anlatılan tekniklerden farklı olarak, ayrıma gücü yüksek kantitatif analize çok uygun gaz kromatografisi yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemler komplike pahalı cihazların kullanımını gerektirir. Gaz kromatografisi yöntemleri, bir karışımda gaz halinde bulunan veya kolayca buharlaştırılabilen maddelerin birbirlerinden ayrılmasında kullanılır. Bu yöntemde hareketli faz bir gazdır. Bu gaz azot,helyum, argon gibi bir gaz olup "taşıyıcı gaz" adını alır. Sabit faz ise kolonda yer alır ve alumina, silika gibi bir katı olabilir. Bu durumda yöntem "gaz-katı kromatografisi" adını alır. Eğer sabit faz, kieselghur gibi katı dolgu maddesi üzerinde tutulmuş uçucu olmayan bir sıvı filmi ise yöntem "gaz-sıvı kromatografisi" adını alır. Burada sabit fazın yer aldığı gaz kromatografi kolonları kapiler kolonlar olup 0,2-0,5 mm iç çapında ve 10-15 m boyundadırlar. - 356 - Enjektör Detektör Akım ölçer Taşıyıcı gaz tankı ve regülatör Çıkış Yükseltici Fırın Kaydedici Kolon Şekil 18.18 Şematik olarak gaz kromatografi cihazı Gaz kromatografisi aletinde, ayrılması istenen karışımın kolona gelmeden gaz haline dönüştürülmesi için ısıtılan bir bölme vardır. Bu bölmede yüksek sıcaklığa ısıtılmış bir Pt tel yer alır ve bu platin tel üzerinde madde gaz haline dönüştürülür. Kromatografi kolonu ise sıcaklığı ayarlanabilen bir fırına yerleştirilmiştir. Sıvı örnekler bir şırınga ile giriş kısmından enjekte edilir. Alette taşıyıcı gaz ve akışını ayarlayan düzenekler mevcuttur. Kolon çıkışına uygun bir dedektör yerleştirilmiştir. Burada elde edilen sinyallere göre analiz değerlendirilir. Özet Laboratuvarda ilk koşul kurallara uymaktır. Karşılaşılabilecek kazaları ve yapılması gerekenleri bilmekte fayda vardır. Kimyasal işlemler, kimyasal analiz ve kimyasal sentez olmak üzere iki grupta toplanabilir. Kimyasal analiz, kalitatif ve kantitatif olmak üzere iki bölümde incelenir. Ayırma işlemleri maddelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinden yararlanılarak yapılır. Heterojen karışımları homojen kısımlara ayırma işlemlerine temel işlemler denir. Bu işlemler, çöktürme ve çökeltilerin çözeltilerden ayrılması, aktarma, süzme, santrifüjleme, dializ, ayırma hunisi kullanımıdır. Homojen karışımları ayırma yöntemleri ise,distilasyon, süblimleşme, kristallendirme, kromatografi ile ayırmadır. Kromatografi çeşitli maddelerin, hareketli bir faz yardımıyla, sabit bir faz arasından değişik hızlarla hareket etmeleri temeline dayanır. - 357 - Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Doğruluk, gerçek değere veya kabul edilen değere ne kadar yakın olduğunu belirtir B) Balon jojelerde belli hacimlerde ölçüm yapılır C) Nem çeken maddelerin korunması için desikatör kullanılır D) Deney düzeneklerini sabitleştirmek için spor kullanılır E) Ayırma hunisi tartımda kullanılır. 2. Aşağıdaki ifadelerden hangisi doğru değildir? A) Asitin üzerine su dökülmemelidir B) Organik çözücülerin buharlaştırılması çıplak alevde yapılmamalı C) Dietil eter,alkol, aseton, benzen gibi maddeler çıplak alevde tehlikeli değildir D) Fosfor, civa, kurşun bileşikleri zehirli maddelerdir E) Tehlike taşıyan deneyler çeker ocakta yapılmalıdır. 3. Aşağıdaki işlemlerden hangisi heterojen karışımları ayırma yöntemlerinden değildir? A) Dekantasyon B) Süzme C) Santrifüjleme D) Dializ E) Desikatör kullanmak 4. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Kalitatif analiz bir karışımdaki organik ya da inorganik özellikte bir maddenin bileşenlerini belirler. B) Kantitatif analiz miktar belirler C) Kimyasal sentez, bir karışımdaki maddeleri nitel ve nicel olarak araştırır D) Kimyasal analiz, kalitatif ve kantitatif analizi kapsar E) Kimyasal sentez basit yapılı maddelerden daha karmaşık yapılı maddelerin eldesi için yapılan işlemlerdir. - 358 - 5. Aşağıdaki ifadelerden hangisi fiziksel özelliklere dayanarak yapılan işlemlerden değildir? A) Distilasyon B) Süblimasyon C) Kristallendirme D) Çöktürerek ayırma E) Ayrılmak istenen maddenin bir reaktifle bileşik oluşturması. 6. Aşağıdaki ifadelerden hangisi doğru değildir? A) Katı-sıvı heterojen karışımından katı olarak ayrılan maddeye çökelek denir B) İki çözeltinin birbirine katılması ile ortamda çözünmeyen bir katının oluşması distilasyon olayıdır C) Vakumda süzme, Büchner hunisi ve Nuche erleni ve vakum yardımıyla yapılır D) Süzmede kullanılacak süzgeç kağıdı çökeleğin tanecik boyutuna göre seçilir E) Çökeleğin üstündeki duru sıvının başka kaba aktarılması dekantasyon işlemidir. 7. Heterojen sıvı-sıvı karışımları ayırmada aşağıdaki işlemlerden hangisi uygulanır? A) Süblimasyon B) Kristallendirme C) Dializ D) Ayırma hunisi kullanarak ayırma E) Vakumda süzme 8. Aşağıdakilerden hangisi homojen karışımları ayırmada kullanılan yöntemlerden değildir? A) Distilasyon B) Santrifüjleme C) Kristallendirme D) Kromatografik ayırma E) Süblimasyon - 359 - 9. Aşağıdaki ifadelerden hangisi yanlıştır? A) Distilasyon farklı kaynama noktalarına sahip bileşenlerden oluşan karışımların ayrılıp saflaştırılmasında kullanılan bir yöntemdir B) Kaynama noktaları çok yakın sıvı-sıvı karışımlarının distilasyonla ayrılmasında fraksiyon başlığı kullanılması gerekir C) Kaynama noktaları çok yüksek veya kaynama noktasına gelmeden bozulan maddeleri içeren karışımları ayırmak için vakum distilasyon uygulanır D) Sublimasyon sıvı karışımların ayrılmasında uygulanır E) Kristallendirme, katı karışımlardaki bileşenleri birbirinden ayırmakta ve saflaştırmada kullanılan bir yöntemdir. 10. Aşağıdaki ifadelerden hangisi doğru değildir? A) Kromatografi çeşitli maddelerin, hareketli bir faz ile sabit bir faz arasından değişik hızlarla heraket etmeleri temeline dayanır B) Dağılma katsayısı, maddenin sabit fazdaki konsantrasyonun, hareketli fazdaki konsantrasyonuna oranıdır C) Dağılma katsayısı, K, büyükse, ayrılması istenen bileşen sabit fazda iyi tutulmuş demektir D) Gaz kromatografisi kromatografik yöntemlerin ilk uygulananıdır E) Gaz kromatografisinde hareketli faz azot, helyum, argon gibi taşıyıcı bir gazdır. - 360 - C = 12.0000 akb 12 6 EK 1 : Atom Ağırlıkları Element Aktinyum Altın Alüminyum Amerikyum Antimon Argon Arsenik Astatin Azot Bakır Baryum Berilyum Berkelyum Bizmut Bor Brom Civa Çinko Demir Disprosyum Einsteinyum Erbiyum Europyum Fermiyum Flor Fosfor Fransyum Gadalinyum Galyum Germanyum Gümüş Hafniyum Hahniyum Helyum Hidrojen Holmiyum İndiyum İridyum İterbiyum İtriyum İyot Kadmiyum Kalay Kaliforniyum Kalsiyum Karbon Klor Kobalt Kripton krom Ksenon Kurçatovyum Sembol Ac Au Al Am Sb Ar As At N Cu Ba Be Bk Bi B Br Hg Zn Fe Dy Es Er Eu Fm F P Fr Gd Ga Ge Ag Hf Ha He H Ho In Ir Yb Ye I Cd Sn Cf Ca C CI Co Kr Cr Xe Ku Atom numarası 89 79 13 95 51 18 33 85 7 29 56 4 97 83 5 35 80 30 26 66 99 68 63 100 9 15 87 64 31 32 47 72 105 2 1 67 49 77 70 39 53 48 50 98 20 6 17 27 36 24 54 104 Atom ağırlığı (227) 197.0 27.0 (243) 121.8 39.9 74.9 (210) 14.0 63.5 137.3 9.0 (247) 209.0 10.8 79.9 200.6 65.4 55.8 162.5 (252) 167.3 152.0 (257) 19.0 31.0 (223) 157.2 69.7 72.6 107.9 178.5 (262) 4.0 1.0 164.9 114.8 192.2 173.0 88.9 126.9 112.4 118.7 (249) 40.1 12.0 35.5 58.9 83.8 52.0 131.3 (260) Element Sembol Atom numarası Kurşun Kükürt Küriyum Lantanyum Lavrensiyum Lityum Lutesyum Magnezyum Manganez Mendelevyum Molibden Neodimyum Neon Neptunyum Nikel Niyobyum Nobelyum Oksijen Osmiyum Palladyum Platin Plutonyum Polonyum Potasyum Praseodimyum Prametyum Protaktinyum Radon Radyum Renyum Rodyum Rubidyum Rutenyum Samaryum Skandiyum Selenyum Seryum Sezyum Silisyum Sodyum Stronsiyum Talyum Tantalum Teknesyum Tellür Terbiyum Titanyum Toryum Tulyum Tungsten Uranyum Vanadyum Zirkonyum - 361 - Pb S Cm La Lr Li Lu Mg Mn Md Mo Nd Ne Np Ni Nb No O Os Pd Pt Pu Po K Pr Pm Pa Rn Ra Re Rh Rb Ru Sm Sc Se Ce Cs Si Na Sr Tl Ta Tc Te Tb Ti Th Tm W U V Zr 82 16 96 57 103 3 71 12 25 101 42 60 10 93 28 41 102 8 76 46 78 94 84 19 59 61 91 86 88 75 45 37 44 62 21 34 58 55 14 11 38 81 73 43 52 65 22 90 69 74 92 23 40 Atom ağırlığı 207.2 32.1 (247) 138.9 (257) 6.9 175.0 24.3 54.9 (256) 95.9 144.2 20.2 237.0 58.7 92.9 (259) 16.0 190.2 106.4 195.1 (244) (209) 39.1 140.9 (145) 231.0 (222) 226.0 186.2 102.9 85.5 101.1 150.4 28.1 79.0 140.1 132.9 45.0 23.0 87.6 204.4 180.9 98 127.6 158.9 47.9 232.0 168.9 183.8 50.9 91.2 EK 2 C. ÇÖZÜNÜRLÜK ÇARPIMLARa Katının adı alüminyum hidroksit alüminyum fosfat bakır (I) klorür bakır (I) siyanür bakır (I) iyodür bakır (II) arsenat bakır (II)karbonat bakır (II) kromat bakır (II) ferrosiyanür bakır (II) hidroksit bakır (II) sülfürb baryum karbonat baryum kromat baryum florür baryum hidroksit baryum sülfat baryum sülfit baryum tiyosulfat bizmutil klorür bizmutil hidroksit civa (I) bromür civa (I) klorür civa (I) iyodür civa (II) sülfürb çinko karbonat çinko hidroksit çinko okzalat çinko fosfat çinko sülfür b demir (II) karbonat demir (II) hidroksit demir (II) sülfür demir (III) arsenat demir (III) ferrosiyanür demir (III) hidroksit demir (III) fosfat gümüş arsenat gümüş azotür gümüş bromür gümüş klorür gümüş kromat gümüş siyanür gümüş iyodat gümüş iyodür gümüş nitrit gümüş sülfat gümüş sülfür b gümüş sülfit gümüş tiyosiyanat kadmiyum karbonat kadmiyum hidroksit Formülü Al(OH)3 AlPO4 CuCl CuCN CuI Cu 3(AsO4 )2 CuCO3 CuCrO4 Cu 2 [Fe (CN)6) Cu(OH)2 CuS BaCO 3 BaCrO4 BaF 2 Ba(OH)2 BaSO4 BaSO3 BaS2O3 BiOCl BiOOH Hg 2Br2 Hg 2Cl2 Hg 2I2 HgS ZnCO3 Zn(OH)2 ZnC2O4 Zn 3(PO4)2 ZnS FeCO3 Fe(OH)2 FeS FeAsO4 Fe 4 [Fe(CN)6 ]3 Fe(OH)3 FePO 4 Ag3AsO 4 AgN 3 AgBr AgCl Ag2CrO 4 AgCN AgIO 3 AgI AgNO 2 Ag2SO4 Ag2S Ag2SO3 AgSCN CdCO3 Cd(OH)2 Kçç 1,3 x 10-33 6,3 x 10-19 1,2 x 10-6 3,2 x 10-20 1,1 x 10-12 7,6 x 10-36 1,4 x 10-10 3,6 x 10-6 1,3 x 10-16 2,2 x 10-20 6 x 10 -37 5,1 x 10-9 1,2 x 10-10 1,0 x 10-6 5 x 10 -3 1,1 x 10-10 8 x 10 -7 1,6 x 10-5 1,8 x 10-31 4 x 10 -10 5,6 x 10-23 1,3 x 10-18 4,5 x 10-29 2 x 10 -53 1,4 x 10-11 1,2 x 10-17 2,7 x 10-8 9,0 x 10-33 2 x 10 -25 3,2 x 10-11 8 x 10 -16 6 x 10 -19 5,7 x 10-21 3,3 x 10-41 4 x 10 -38 1,3 x 10-22 1,0 x 10-22 2,8 x 10-9 5 x 10 -13 1,8 x 10-10 2,4 x 10-12 1,2 x 10-16 3,0 x 10-8 8,5 x 10-17 6,0 x 10-4 1,4 x 10-5 6 x 10 -51 1,5 x 10-14 1,0 x 10-12 5,2 x 10-12 2,5 x 10-14 Katının adı Formülü kadmiyum sülfür CdS kalsiyum karbonat CaCO3 kalsiyum kromat CaCrO4 kalsiyum florür CaF2 kalsiyum hidroksit Ca(OH)2 kalsiyum CaHPO4 hidrojen fosfat kalsiyum fosfat Ca 3(PO4)2 kalsiyum sülfat CaSO 4 kalsiyum sülfit CaSO 3 kobalt (II) karbonat CoCO3 kobalt (II) hidroksit Co(OH)2 kobalt (III) hidroksit Co(OH)3 krom (II) hidroksit Cr(OH)2 krom (III) hidroksit Cr(OH)2 kalay (II) hidroksit Sn(OH)2 kalay (II) sülfürb SnS kurşun (II) arsenat Pb3(AsO 4)2 kurşun (II) azotür Pb(N3 )2 kurşun (II) bromür PbBr2 kurşun (II) karbonat PbCO 3 kurşun (II) klorür PbCl 2 kurşun (II) kromat PbCrO4 kurşun (II) florür PbF 2 kurşun (II) hidroksit Pb(OH)2 kurşun (II) iyodür PbI 2 kurşun (II) sülfat PbSO4 kurşun (II) sülfürb PbS lityum karbonat Li2CO 3 lityum florür LiF lityum fosfat Li3PO4 magnezyum MgNH4 PO4 amonyum fosfat magnezyum karbonat MgCO3 magnezyum florür MgF2 magnezyum hidroksit Mn(OH)2 magnezyum fosfat Mg3 (PO4)2 mangan (II) hidroksit Mn(OH)2 mangan (II) karbonat MnCO3 mangan (II) sülfür MnS nikel (II) karbonat NiCO3 nikel (II) hidroksit Ni(OH)2 skandiyum florür ScF3 skandiyum hidroksit Sc(OH)3 stronsiyum florür SrF3 stronsiyum karbonat SrCO3 stronsiyum kromat SrCrO4 stronsiyum sülfat SrSO4 talyum (I) bromür TIBr talyum (I) klorür TICI talyum (I) iyodür TII talyum (III) hidroksit T(OH) 3 a veriler değişik sıcaklıklarda, 18-25°C, alınmıştır. b MS(k) + H2O→ M+2(aq) = HS- (aq) + OH- (aq) tipindeki çözünürlük dengeleri için. - 362 - Kçç 8 x 10 -28 2,8 x 10-9 7,1 x 10-4 5,3 x 10-9 5,5 x 10-6 1 x 10 -7 2,0 x 10-29 9,1 x 10-6 6,8 x 10-8 1,4 x 10-13 1,6 x 10-15 1,6 x 10-44 2 x 10 -16 6,3 x 10-31 1,4 x 10-28 1 x 10 -26 4,0 x 10-36 2,5 x 10-9 4 x 10 -5 7,4 x 10-14 1,6 x 10-5 2,8 x 10-13 2,7 x 10-8 1,2 x 10-15 7,1 x 10-9 1,6 x 10-8 3 x 10 -28 2,5 x 10-2 3,8 x 10-3 3,2 x 10-9 2,5 x 10-13 3,5 x 10-8 3,7 x 10-8 1,8 x 10-11 1 x 10 -25 1,9 x 10-13 1,8 x 10-11 3 x 10 -14 6,6 x 10-9 2,0 x 10-15 4,2 x 10-18 8,0 x 10-31 2,5 x 10-9 1,1 x 10-10 2,2 x 10-5 3,2 x 10-7 3,4 x 10-6 1,7 x 10-4 6,5 x 10-8 6,3 x 10-46 EK 3 KOMPLEKS İYONLARIN OLUŞUM SABİTLERİ c Formüld [Ag(CN)2]- Kol 5,6 x 1018 Formüld Kol Formüld [Co(ox)3]-3 1020 [HgI4]-2 1023 [Hg(ox)2]-2 9,5 x 106 8 x 1029 [Ni(CN)4]-2 2 x 1031 [Ag(EDTA)]-3 2,1 x 107 [Cr(EDTA)]- [Ag(en)2]+ 5,0 x 107 [Cr(OH)4]- [Ag(NH3)2]+ 1,6 x 107 [CuCl3]-2 [Ag(SCN)4]-3 1,2 x 1010 [Cu(CN)4]-3 [Ag(S2O3)2]3- 1,7 x 1013 [Cu(EDTA)]-2 5 x 1018 [Ni(NH3)6]+2 [A(EDTA)]- 1,3 x 1016 [Cu(en)2]+2 1 x 1020 [Ni(ox)3]-4 [Al(OH)4]- 1,1 x 1033 [Cu(NH3]4]+2 [Al(ox)3]-3 2 x 1016 [Cu(ox)2]-2 3 x 108 [CdCl4]-2 6,3 x 102 [Fe(CN)6]-4 1037 5 x 105 [Cd(CN)4]-2 6,0 x 1018 [Fe[EDTA)]-2 [Cd(en)3]+2 1,2 x 1012 [Cd(NH3)4]+2 2,0 x 1030 1,1 x 1013 Kol 6,8 x 1029 [Ni(EDTA)]-2 3,6 x 1018 [Ni(en)3]+2 2,1 x 1018 [PbCl3][Pb(EDTA)]-2 [PbCl4]-2 5,5 x 108 3 x 108 2,4 x 101 2 x 1018 3,0 x 104 2,1 x 1014 [Pb(OH)3]- 3,8 x 1014 [Fe(en)3]+2 5,0 x 109 [Pb(ox)2]-2 3,5 x 106 1,3 x 107 [Fe(ox)3]-4 1,7 x 105 [Pb(Sr2O3)3-4 2,2 x 106 [Co(EDTA)]-2 2,0 x 1016 [Fe(CN)6]-3 [Co(en)3]+2 8,7 x 1013 [Fe(EDTA)]- [Co(NH3)6]+2 [Co(ox)3]-4 1,3 x 105 5 x 109 [Co(SCN)4]-4 1,0 x 103 [Co(EDTA)]- 1036 1,7 x 1024 [Fe(ox)3]-3 2 x 1020 [Fe(SCN)]+2 [HgCl4]-2 8,9 x 102 1,2 x 1015 [Hg(CN4)]-2 [Co(en)3]+3 4,9 x 1048 [Hg(EDTA)]-2 [Co (NH3)6]+3 4,5 x 1033 [Hg(en)2]+2 c 1042 3 x 1041 6,3 x 1021 2 x 1023 [PtCl4]+2 1 x 1016 [Pt(NH3)-2]+2 2 x 1035 [Zn[CN)4]-2 1 x 1018 [Zn(EDTA)]2- 3 x 1016 [Zn(en)3]+2 [Zn(NH3)4]+2 4,1 x 108 [Zn(OH)4]-2 4,6 x 1017 [Zn(ox)3]-4 1,4 x 108 Bu çizelgede verilen ligandlardan CI-, CN-, I-, NH3, OH-, SCN-,S2O3-2 tek dişli; etilendiamin, en ve okzalat, ox, (C2O4-2), iki dişli; etilendiamintetraasetato iyonu, EDTA-4, dört dişlidir. d 1,3 x 1014 Kol değerleri toplanan (Kümülatif) oluşum sabitleridir. - 363 - EK 4 Fiziksel Sabitler İsim Sembol Birim (CGS) Birim (SI) Işık hızı c 2.997925 x 1010 cm sn-1 2.997925 x 108 ms-1 Planck sabiti h 6.6256 x 10-27 erg sn 6.6256 x 10-34 js Avogadro sayısı No 6.02252 x 1023 molekül mol-1 6.02252 x 1023 mol-1 Elektron yükü e 4.80258 x 10-10 esu 1.60210 x 10-19 C Boltzman sabiti k 1.38054 x 10-16 erg k-1 1.38054 x 10-23 JK-1 Gaz birimi R 8.31433 x 107 erg k-1 mol-1 8.31433 JK-1 mol-1 1.98717 cal k-1 mol-1 0.082056 lt atm k-1 mol-1 82.056 cm3 atm K-1 mol-1 Enerji çevirme faktörleri erg J cal ev(1 mol için) 1 10-7 2.385 x 10-8 1.0364 x 10-12 107 1 0.2389 1.0364 x 10-5 4.184 x 107 4.184 1 4.337 x 10-5 Sıcaklık çevirme faktörleri OK = -273.15°C OK = -459.67°F K= °C + 273.15 °C = 5 °F - 32 9 °F = 9 °C + 32 5 Hacim çevirme faktörleri 1 litre = 10-3 m3 = 1 dm3 1 galon = 3.7854 litre Uzunluk çevirme faktörleri 1 metre = 1.0936 Yard 1 inç = 2.54 cm 1 santimetre = 0.39370 inç 1 km = 0.62137 mil - 364 - SI dışı bazı birimler Fiziksel nicelik Birimin ismi Birimin sembolü Birimin tanımı Uzunluk Argström A° 10-8 m Zaman dakika dk 60 s saat s 3600 s gün d 86400 s erg erg 10-7 J kilowatt saat kwh 36 x 106 J kalori cal 4.184 J Kuvvet din dyn 10-5 N Basınç bar bar 105 Pa atmosfer atm 101325 Pa milimetre civa mmHg 13.5951 x 9.0665 Pa torr torr 133.322 Pa Enerji SI tarafından onaylanmış bazı örnekler Önek sembol Önek Sembol 10-1 desi d 101 deka da 10-2 senti c 102 hekto h 10-3 mili m 103 kilo k 10-6 mikro µ 106 mega M 10-9 nano n 109 giga G 10-12 piko p 1012 tera T 10-15 femto f 1015 peka P 10-18 atto a 1018 ekza E Türetilmiş SI birimleri Fiziksel incelik İsim Sembol Boyut Kuvvet newton N kgms-2 Enerji joule J kgm2s-2 Basınç paskal Pa kgm-1s-2 Güç Watt W kgm2s-3 Yük coulomb C As Potansiyel volt V kgm2s-3A-1 Direnç ohm Ω kgm2s-3A-2 İletkenlik siemens S kg-1m-2s3A2 - 365 - Yararlanılan Kaynaklar Bloomfield, M.M. Chemistry and The Living Organism, John Wiley and Sons, Inc. U.S.A., 1980. Brady, J.E. and Holum, J.R. Fundamentals of Chemistry, John Wiley and Sons, Inc, U.S.A., 1981. Erdik, E. ve Sarıkaya, Y. Temel Üniversite Kimyası, Hacettepe Taş Kitabevi, Ankara, 1984. Tunalı, N.K. ve Aras, N.K. Kimya Temel Kavramlar, Daily News Ofset Tesisleri, Ankara, 1977. Ucko, A.D. Basics for Chemistry, Academic Press, Inc. Ltd. London, 1982. - 366 - ÜN İ TELERDEK İ DEĞ ERLEND İ RME SORULARININ YANITLARI ÜN İ TE 1 ÜNİ TE 2 ÜNİ TE 3 ÜNİ TE 4 ÜNİ TE 5 1. D 1. A 1. E 1. C 1. B 2. D 2. E 2. A 2. B 2. C 3. C 3. C 3. B 3. E 3. B 4. E 4. D 4. C 4. D 4. B 5. C 5. E 5. A 5. A 5. A 6. B 6. C 6. B 6. A 6. C 7. C 7. A 7. A 7. A 7. A 8. A 8. C 8. A 8. B 9. C 9. B 9. E 9. C 10. A 10. E ÜN İ TE 6 ÜNİ TE 7 1. E 1. B 2. D 10. D ÜNİ TE 8 ÜNİ TE 9 ÜNİ TE 10 1. C 1. E 1. E 2. C 2. A 2. C 2. E 3. B 3. C 3. E 3. A 3. C 4. A 4. B 4. B 4. A 4. A 5. E 5. E 5. D 5. D 5. C 6. B 6. A 6. A 6. D 6. D 7. C 7. D 7. C 7. C 7. B 8. A 8. E 8. D 8. C 8. A 9. D 9. A 9. E 9. C 9. 10. C 10. D 10. B 10. C 10. - 367 - ÜN İ TE 11 1. E ÜNİ TE 12 1. ÜNİ TE 13 1. ÜNİ TE 14 1. ÜNİ TE 15 1. 2. A 2. 2. 2. 2. 3. E 3. 3. 3. 3. 4. E 4. 4. 4. 4. 5. D 5. 5. 5. 5. 6. C 6. 6. 6. 6. 7. D 7. 7. 7. 7. 8. D 8. 8. 8. 8. 9. B 9. 9. 9. 9. 10. B 10. 10. 10. ÜN İ TE 16 ÜNİ TE 17 ÜNİ TE 18 1. 1. 1. 2. 2. 2. 3. 3. 3. 4. 4. 4. 5. 5. 5. 6. 6. 6. 7. 7. 7. 8. 8. 8. 9. 9. 9. 10. 10. 10. - 368 - 10.
