Prof. Dr. Ahmet TUTAR Organik Kimya Tel:02642956040 Fen-Edb. C. Blok, Ofis No: 813 [email protected] http://www.ahmettutar.com/ Kimya: Değişimin İncelenmesi Çince Karakter 1. Bölüm Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Kimya: Bir 21.yüzyıl Bilimi Kimya, maddeyi ve maddedeki değişimi inceler. Merkez bilimdir. Diğer bütün bilimlerle ilişkisi vardır. • Sağlık ve İlaç • Sağlık sistemleri • Anestezi ile ameliyat • Aşı ve antibiyotik • Gen tedavisi DNA makinesinden oluşturulan DNA örneği •Enerji ve Çevre • Fosil yakıtları (Kömür, petrol, doğal gaz) • Güneş enerjisi Fotovoltaik Hücreler • Nükleer enerji 3 Kimya: Bir 21.yüzyıl Bilimi • Malzeme ve Teknoloji • Polimerler, seramikler, sıvı kristaller, yapıştırıcılar, kaplamacılık) • Oda sıcaklıklı süper iletkenler (%20 elektirik kaçağını önlemek için) • Moleküler bilgisayar İşlenmekte olan bir silisyum plakası • Besin ve ziraat • Genetik olarak değiştirilmiş ekinler Genetik olarak değiştirilmemiş tütün yaprağı ile değiştirilmiş tütün yaprağı (böceklerle etkileştirilmesi) • “Doğal” pestisitler • Özel gübreler 4 Kimya Dersinin Çalışılması Makroskopik Mikroskopik 5 Sosyal bilimler dahil, tüm bilim alanlarında değişimlerin izlenmesinde bilimsel yöntem uygulanır. Bu yöntem araştırmalara sistematik bir yaklaşımdır. Gözlem, olayları makroskopik dünyada görmeyi sağlar. Atomlar ve moleküller mikroskopik dünyayı oluştururlar. Temsil, deneysel sonuçları simge ve kimyasal eşitlikler yardımıyla ifade edebilmek için yapılan bir bilimsel kısaltmadır. 6 Hipotez, gözlemlerin yorumlanmasıdır. denenmiş modife edilmiş Bilimde bir yasa, olaylar arasındaki ilişkiyi ifade eden uygun sözel ya da matematiksel bir ifade olup, aynı koşullar altında her zaman geçerlidir. Örneği, Newton’un ikinci hareket yasasında kuvvet, kütle ile ivmenin çarpımına eşittir (F = ma). 7 Hipotezler, birçok deneysel çalışmalardan sonra geçerliliği saptanarak kuramlar (teori) haline getirilir. Kuram, herhangi bir olay ve/ya da bu olayın temelini oluşturan yasalarla ilgili belirli bir ilkeyi açıklar. Atom teorisi 8 Uygulamadaki Kimya: Başlangıçtaki Helyum ve Bing Bang Teorisi In 1940 George Gamow hypothesized that the universe began with a gigantic explosion or big bang. Deneysel Destek • genişleyen evren • kozmik ışıma • başlangıçtaki helyum 9 Bir maddenin belirli bir bileşeni ve özellikleri vardır. liquid nitrogen gold ingots silicon crystals 10 11 içecekler, süt, lehim Kumda çimento ve demir talaşı 12 Saf bir madde element ya da bileşik olabilir. Saf madde kimyasal yöntemlerle daha basit bileşenlere ayrılamıyorsa bu madde bir elementtir. . 115 element bilinmektedir. 82 element yer kabuğunda doğal olarak bulunur. altın, alüminyum, kurşun,oksijen, karbon, sülfür 33 element kimyacılar tarafından laboratuarlarda sentezlenmiştir. Tekniyum, amerikinyum 13 14 Bir bileşik, iki ya da daha çok elementin kimyasal olarak etkileşmesiyle sabit oranlarda birleşip tamamen farklı özellikte ürün oluşmasıyla meydana gelir. Bileşikler, karışımlardan farklı olarak, sadece kimyasal yolla kendisini oluşturan saf bileşenlere ayrılabilirler. dry ice – carbon dioxide lithium fluoride quartz 15 16 17 Maddenin Üç Hali Tüm maddeler, en azından ilke olarak üç halde bulunabilirler: katı, sıvı ve gaz. Katıların belirli şekilleri vardır. Sıvılar bulundukları kabın şeklini alırlar. Gazlar sınırsız genleşebilme özelliğine sahiptirler. 18 Maddenin üç hali. Buzun ısıtılarak su ve buhara dönüştürülmesi gas liquid solid 19 Bir fiziksel özellik maddenin özelliği ya da kimyasal yapısı değiştirilmeden incelenebilir ya da ölçülebilir. Örneğin buzun ısıtılarak değiştirilmesi bir fiziksel değişim iken erime noktası ise fiziksel bir değişimdir.. magnet 20 Destilasyon 21 Hidrojen havada yanarak su oluşturur 22 23 Kapasite ve Şiddet Özellikleri 24 25 26 Uluslararası Birim Sistemi (SI) Fransızca System Inteantional d’Unites’ den türetilmiştir. 27 28 29 30 SI birimi (m3) tür 1 cm3 = (1 x 10-2 m)3 = 1 x 10-6 m3 1 dm3 = (1 x 10-1 m)3 = 1 x 10-3 m3 1 L = 1000 mL = 1000 cm3 = 1 dm3 1 mL = 1 cm3 31 SI birimi kg/m3 tür 1 g/cm3 = 1 g/mL = 1000 kg/m3 yoğunluk = kütle hacim d= m V 32 d= m V m=dxV = 21.5 g/cm3 x 4.49 cm3 = 96.5 g 33 34 K = 0C + 273.15 273 K = 0 0C 373 K = 100 0C 0F 9 = x 0C + 32 5 32 0F = 0 0C 212 0F = 100 0C35 36 172.9 0F’ı oC ye çeviriniz.. = 5 x (0F – 32) 9 5 x (172.9 – 32) = 78.3 0C = 9 0C 37 Doğruluk ve kesinlik iyi Doğruluk yetersiz, kesinlik iyi Doğruluk ve kesinlik yetersiz 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 Dimensional Analysis Method of Solving Problems How many mL are in 1.63 L? Conversion Unit 1 L = 1000 mL 1000 mL 1.63 L x = 1630 mL 1L 2 1L L 1.63 L x = 0.001630 1000 mL mL 49 The speed of sound in air is about 343 m/s. What is this speed in miles per hour? conversion units meters to miles seconds to hours 1 mi = 1609 m 1 min = 60 s 1 mi 60 s m x x 343 s 1609 m 1 min 1 hour = 60 min 60 min mi x = 767 hour 1 hour 50 51 52 53 54 55 56 Atomlar, Moleküller ve İyonlar 2. Bölüm Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Dalton’un Atom Teorisi (1808) 58 SABİT ORANLAR YASASI X elementinin atomları birbirinin aynısıdır. Aynı zamanda Y atomlarının elementleri de birbirinin aynısıdır. Ancak, X ve Y atomları birbilerinden farklıdır. Belirli oranlarda bileşik oluştururlar. 16 X + 8Y 8 X2Y 59 Katlı Oranlar Yasası İki element birden fazla bileşik oluşturmak üzere birleşirse, bir elementin belli bir kütlesi ile birleşen diğer elementin farklı kütleleri arasında küçük tam sayılı bir oran vardır. 60 http://www.youtube.com/watc h?v=dExpJAECSL8 61 62 63 Cathode Ray Tube J.J. Thomson, measured mass/charge of e(1906 Nobel Prize in Physics) 64 Cathode Ray Tube (a) (b) 65 Millikan Deneyi 66 Kendiliğinden radyasyon yayımlayan herhangi bir elemente radyoaktif element denir. 67 Types of Radioactivity (uranium compound) 68 69 Rutherford’un a- Tanecikleri Deneyi 70 “Bir kağıt mendile 15 inch’lik bir kurşun sıktığımızda kurşunun geri dönerek sizi vurması kadar inanılmaz bir olaydı” http://www.youtube.com/watch?v=bSEOOMs5VNU&feature=re lated Rutherford atomdaki artı yüklerin tümünün, atomun içinde yoğun ve merkezi bir çekirdekte odaklandığını ortaya attı. Çekirdekteki artı yüklü taneciklere proton adı verilir. Bir protonun kütlesi 1,67262 X 10-24 g dır. Yani elektronun 1840 katı kadardır. 71 atom yarıçapı~ 100 pm = 1 x 10-10 m Çekirdeğin yarıçapı~ 5 x 10-3 pm = 5 x 10-15 m “Atom spor statyumu büyüklüğünde olsaydı atomun çekirdeği futbol topu kadar olurdu” 72 a + 9Be 1n + 12C + energy neutron (n) is neutral (charge = 0) n mass ~ p mass = 1.67 x 10-24 g 73 mass p ≈ mass n ≈ 1840 x mass e74 Bir elementin atomlarının çekirdeklerinde bulunan protonların sayısına atom numarası (Z) denir. Nötür bir atomda protonların sayısı elektronların sayısına eşittir. Kütle numarası (A) bir elementin atomlarının çekirdeklerinde bulunan proton ve nötronların sayısının toplamıdır. Atom numaraları aynı, ancak kütle numaraları farklı olan atomlara izotop adı verilir. 75 The Isotopes of Hydrogen 76 77 Periyodik Çizelge Periyodik çizelge benzer kimyasal ve fiziksel özellikleri olan elementlerin birlikte gruplandırıldıkları bir çizelgedir. Elementler atom numaralarına göre yatay periyotlarda, kimyasal özelliklerindeki benzerliklere göre ise dikey gruplarda sıralanmışlardır. Elementler üç sınıfa ayrılabilirler; metaller, ametaller ve yarı metaller. Metaller, ısı ve elektriği iyi ileten elementlerdir, ametaller genellikle ısı ve elektriği iletmezler, yarı metaleer ise metallerle ametaller arası özelliklere sahiptirler. 78 79 Periyodik Çizelge 80 Noble Gas Halogen Group Alkali Metal Alkali Earth Metal Period Molekül, en az iki atomun belli bir düzende, kimyasal kuvvetlerle (kimyasal bağlarla) bir arada tutulduğu atomlar topluluğudur. H2 H2O NH3 CH4 H2 olarak gösterilen hidrojen molekülüne diatomik (iki atomlu) denir. H2, N2, O2,molekül Br2, HCl, CO İkiden çok atom içeren moleküllere poliatomik (çok atomlu) moleküller denir. O3, H2O, NH3, CH4 81 Pozitif veya nefatif yükü olan bir atoma ya da atomlar grubuna iyon denir. Nötür bir atomdan bir ya da daha çok sayıda elektronun kaybedilmesi sonucunda oluşan pozitif yüklü iyona katyon denir. Nötür bir atomun elektron almasıyla oluşan eksi yüklü iyona anyon denir. Katyon ve anyondan oluşan bileşiğe de iyonik bileşik denir. NaCl iyonik bir bileşiktir. Çünkü Na+ ve Cl- iyonlarından oluşmuştur. 82 83 Sadece bir atom içeren iyonlara tek atomlu iyonlar denir. Na+, Cl-, Ca2+, O2-, Al3+, N3- Birden fazla atom içeren iyonlara poliatomik iyonlar denir. OH-, CN-, NH4+, NO3- 84 Periyodik Çizelgede Çok Rastlanan İyonlar 85 How many protons and electrons are in 27 Al ? 3+ 13 13 protons, 10 (13 – 3) electrons How many protons and electrons are in 78 Se 2? 34 34 protons, 36 (34 + 2) electrons 86 Kimyacılar moleküllerin ve iyonik bileşiklerin bileşimini kimyasal simgelerle ifade etmek için kimyasal formüller kullanırlar. Molekül Formülü; bir maddenin en küçük biriminde bulunan elementlerin atom sayısını ve cinsini tam olarak gösteren formüldür. Kaba Formül; bir molekülde hangi elementlerin bulunduğunu ve bu elementlerin atomlarının en basit tam sayılı oranını gösterir. Yapı Formülü; moleküldeki atomların birbirine nasıl bağlandığını gösterir. Allotrop; bir elementin iki veya daha çok sayıdaki biçimlerine verilen isimdir. Molekül Modelleri; molekülleri gözümüzde canlandırabilmek için kullanılan modellerdir. Top-çubuk ve uzay-dolgu modeli bunlara örnektir. 87 88 Molekül Formülü Kaba Formülü H2O H2O C6H12O6 CH2O O3 O N2H4 NH2 O2 ve O3 (ozon) birbirlerinin allotropudur. 89 Karbonun bazı allotropları: a) elmas; b) grafit; c) altıgen elmas; d-f) fullerenler (C60, C540, C70); g) amorf karbon; h) karbon nanotüp 90 91 92 İyonik bileşiklerin formülleri çoğu zaman kaba formülleri ile aynıdır. İyonik bileşiklerde katyon ve anyon yüklerinin toplamı eşittir. Katyonun alt indisi sayısal açıdan anyonun yüküne, anyonun alt indis ise katyonun yüküne eşittir. 93 Metaller ve ametaller iyonik bileşikleri oluştururlar. 94 Formula of Ionic Compounds 2 x +3 = +6 3 x -2 = -6 Al2O3 Al3+ O2- 1 x +2 = +2 2 x -1 = -2 CaBr2 Ca2+ 1 x +2 = +2 Br- 1 x -2 = -2 Na2CO3 Na+ CO3295 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 Molecular Compounds HI hydrogen iodide NF3 nitrogen trifluoride SO2 sulfur dioxide N2Cl4 dinitrogen tetrachloride NO2 nitrogen dioxide N2O dinitrogen monoxide 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 Oksiasit ve oksianyonların adlandırılması 117 Naming Oxoacids and Oxoanions 118 Hidratlar bileşimlerinde belli sayıda su bulunduran bileşiklerdir. BaCl2•2H2O LiCl•H2O MgSO4•7H2O Sr(NO3)2 •4H2O CuSO4•5H2O barium chloride dihydrate lithium chloride monohydrate magnesium sulfate heptahydrate strontium nitrate tetrahydrate CuSO4 119 120 Organic chemistry is the branch of chemistry that deals with carbon compounds Functional Groups H H H C H methanol OH H C NH2 H methylamine H H O C C OH H acetic acid 121 122 Kimyasal Reaksiyonlarda Kütle İlişkisi; Stokiyometri 3. BÖLÜM Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Mikro Dünya Atomlar & Moleküller Makro Dünya Gramlar Uluslar arası kabullere göre, atom kütlesi (bazen atom ağırlığı denilmektedir) atom kütle birimi (akb) ile verilir. Atom kütle birimi, tam olarak C-12 atomunun kütlesinin 1/12 sine eşittir. Bu Ölçeğe göre 12C 1H = 12 akb = 1.008 akb 16O = 16.00 akb Fe = 56 akb 124 Bir elementin atom kütlesi ölçülürken, genellikle doğada bulan izotopların ortalama kütlesi ölçülür. 125 Doğal olarak lityum: 7.42% 6Li (6.015 akb) 92.58% 7Li (7.016 akb) Lityumun Ortalama Kütlesi: 7.42 x 6.015 + 92.58 x 7.016 100 = 6.941 amu 126 Average atomic mass (6.941) 127 128 129 1. Düzine 12 parça Bir çift 2 parça 1 gross 144 parça Kimyacılar atom ve molekülleri ölçmek için mol kavramını kullanırlar. 130 Mol Kütle: Bir mol atom ya da molekülün (gram ya da kilogram cinsinden) kütlesi olarak tanımlanır. 1 mol 12C atom = 6.022 x 1023 atom = 12.00 g 1 12C atom = 12.00 akb 131 132 133 134 One Mole of: S C Hg Cu Fe 135 1 12C atom 12.00 g 1.66 x 10-24 g x = 23 12 12.00 amu 6.022 x 10 C atoms 1 amu 1 amu = 1.66 x 10-24 g or 1 g = 6.022 x 1023 amu M = molar mass in g/mol NA = Avogadro’s number 136 How many atoms are in 0.551 g of potassium (K) ? 1 mol K = 39.10 g K 1 mol K = 6.022 x 1023 atoms K 1 mol K 6.022 x 1023 atoms K 0.551 g K x x = 1 mol K 39.10 g K 8.49 x 1021 atoms K 137 138 139 140 141 142 SO2 143 144 Herhangi Bir Molekül İçin molekül kütlesi (akb) = mol kütlesi (gram) 1 molekül su = 18,02 akb 1 mol su = 18,02 g 1 molekül SO2 = 64.07 akb 1 mol SO2 = 64.07 g SO2 145 146 147 148 How many H atoms are in 72.5 g of C3H8O ? 1 mol C3H8O = (3 x 12) + (8 x 1) + 16 = 60 g C3H8O 1 mol C3H8O molecules = 8 mol H atoms 1 mol H = 6.022 x 1023 atoms H 1 mol C3H8O 8 mol H atoms 6.022 x 1023 H atoms 72.5 g C3H8O x x x = 1 mol C3H8O 1 mol H atoms 60 g C3H8O 5.82 x 1024 atoms H 149 Atom ve molekül kütlelerinin doğrudan ve en kesin şekilde kütle spektrometresi ile yapılmaktadır. Kütle Spektrometresi gaz halindeki örneğin, yüksek enerjili elektronlarla bombardımanı ilkesi ile çalışır. 150 Yüksek enerjili elektronlar pozitif yüklü iyonları oluşturur. Hızlandırıcıda hızlanır. e/m oranına göre dairesel yol izlerler. Ayrılan iyonlar dedektöre ulaşır ve çarpan iyon sayısı izotopların bolluğunu bulmamıza yardımcı olur. 151 Formula mass is the sum of the atomic masses (in amu) in a formula unit of an ionic compound. 1Na NaCl 22.99 amu 1Cl + 35.45 amu NaCl 58.44 amu For any ionic compound formula mass (amu) = molar mass (grams) 1 formula unit NaCl = 58.44 amu 1 mole NaCl = 58.44 g NaCl 152 What is the formula mass of Ca3(PO4)2 ? 1 formula unit of Ca3(PO4)2 3 Ca 3 x 40.08 2P 2 x 30.97 8O + 8 x 16.00 310.18 amu 153 Yüzde bileşim bileşik içerisindeki her elementin kütlece yüzdesidir. 154 C2H6O 2 x (12.01 g) x 100% = 52.14% 46.07 g 6 x (1.008 g) %H = x 100% = 13.13% 46.07 g 1 x (16.00 g) %O = x 100% = 34.73% 46.07 g %C = 52.14% + 13.13% + 34.73% = 100.0% 155 156 Yüzde Bileşimi ve Kaba Formülü %24,75 K, %34,77 Mn ve %40,51 O içeren bileşiğin kaba formülünü bulunuz. 1 mol K nK = 24.75 g K x = 0.6330 mol K 39.10 g K nMn = 34.77 g Mn x 1 mol Mn = 0.6329 mol Mn 54.94 g Mn nO = 40.51 g O x 1 mol O = 2.532 mol O 16.00 g O 157 nK = 0.6330, nMn = 0.6329, nO = 2.532 0.6330 ~ K: ~ 1.0 0.6329 Mn : 0.6329 = 1.0 0.6329 2.532 ~ O: ~ 4.0 0.6329 KMnO4 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 Kimyasal tepkime bileşik ya da bileşiklerin değişerek yeni bileşik veya bileşikler oluşturduğu bir işlemdir. Kimyasal eşitlikte, kimyasal tepkimelerde ne olduğunu göstermek için kimyasal simgeler kullanılır. tepkenler ürünler 168 169 170 171 172 173 174 175 Bir kimyasal tepkimede tepkenler ve ürünlerin nicel olarak çalışılmasına stokiyometri denir. Mol yöntemi bir kimyasal tepkimede katsayılar bileşiklerin mol sayılarını belirtir. 176 177 178 179 180 Methanol burns in air according to the equation 2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O If 209 g of methanol are used up in the combustion, what mass of water is produced? grams CH3OH moles CH3OH molar mass CH3OH 209 g CH3OH x moles H2O grams H2O molar mass coefficients H2O chemical equation 4 mol H2O 18.0 g H2O 1 mol CH3OH = x x 32.0 g CH3OH 2 mol CH3OH 1 mol H2O 235 g H2O 181 182 183 Tepikemde tamamen tükenen maddeye sınırlayıcı tepken denir. Fazla tepken ile tepkime verebileceği miktardan fazlasına sahip olan bileşendir. Hesaplamalar sınırlayıcı tepkene göre yapılır. 184 185 186 187 188 189 124 g Al 601 g Fe2O3 ile tepkimeye girdiğinde oluşan Al2O3 miktarını hesaplayınız. 2Al + Fe2O3 g Al mol Al g Fe2O3 124 g Al x mol Fe2O3 needed mol Fe2O3 1 mol Al 27.0 g Al 124 g Al Al2O3 + 2Fe x g Fe2O3 needed OR mol Al needed 1 mol Fe2O3 2 mol Al 160. g Fe2O3 = x 1 mol Fe2O3 g Al needed 367 g Fe2O3 367 g Fe2O3 601 g Fe2O3 olduğu için Al sınırlayıcı reaktiftir 190 Sınırlayıcı reaktif Al dur. g Al mol Al mol Al2O3 2Al + Fe2O3 124 g Al x 1 mol Al 27.0 g Al x 1 mol Al2O3 2 mol Al g Al2O3 Al2O3 + 2Fe 102. g Al2O3 = x 1 mol Al2O3 234 g Al2O3 Tüm Al tükenir. Fe2O3 ten bir miktar tepkimeye girmeden kalır. 191 Bir tepkimenin kuramsal verimini sınırlayıcı tepken belirler. Kuramsal verim sınırlayıcı tepkenin tümüyle kullanılması halinde oluşabilecek ürün miktarıdır. Uygulamada ise gerçek verim kullanılır ve gerçek verim tepkime sonunda gerçekten oluşan ürün miktarıdır. Kimyacılar bir tepkimenin verimini, gerçek verimi kurumsal verime oranlayarak hesaplarlar ve buna yüzde verim denir. Yüzde verim şöyle hesaplanır: 192 193 194 195 196