Ünite 1: Madde, Atomlar, Moleküller ve İyonlar

Kimya Nedir?

Kimya, maddeyi ve maddenin uğradığı değişimleri inceleyen bir bilim dalıdır. Boşlukta yer kaplayan ve kütlesi olan her şey madde olarak tanımlanır. Çevremizdeki birçok olayın nasıl olduğunu anlamak için kimya bilgisi gereklidir.

Maddenin Sınıflandırılması

Belli bir bileşime ve özelliklere sahip olan maddelere saf madde denir. En az iki maddenin kendi özelliklerini kaybetmeden oluşturduğu yapıya ise karışım denir. Karışımı oluşturan saf maddelere karışımın bileşenleri denir.

Homojen karışımda, karışımın her yerinde bileşim aynıdır. Homojen karışımlara aynı zamanda çözelti de denir. Bileşimi farklı noktalarda farklı olabilen karışımlara heterojen karışım denir. Karışım ister homojen ister heterojen olsun fiziksel yollarla bileşenlerinin özellikleri korunarak kendisini oluşturan saf maddelere ayrılabilir.

Aynı tür atomlardan oluşan ve kimyasal yöntemler ile daha basit maddelere ayrılamayan maddelere element denir. Bazı elementler doğada elementel halde bulunurken, birçok element başka elementler ile oluşturduğu bileşikler halinde bulunurlar. Her elementin bir adı bir de sembolü vardır. Elementlerin sembolleri, kimyasal tepkime denklemlerinde yani saf maddelerin başka saf maddelere dönüşümünü gösteren denklemlerde kullanılır. Tek harfli semboller her zaman büyük harfle yazılırken, iki harfli sembollerde ilk harf büyük, ikinci harf küçük yazılır. Element adları ve sembolleri ile ilgili olarak kitabınızın sonundaki çizelgelere bakabilirsiniz.

Bileşikler, iki ya da daha fazla sayıda farklı elementin atomlarından oluşan saf maddelerdir. Bileşikleri oluşturan elementlerin bileşimleri sabittir. Bu durum sabit oranlar yasası veya belirli oranlar yasası olarak bilinmektedir. Sabit oranlar yasası, “Atom Kuramı ve Atomun Yapısının Keşfi” kısmında tanımlanmıştır. Bileşikler organik ya da anorganik olarak sınıflandırılır. Organik bileşikler karbon ve genellikle hidrojen elementleri içeren moleküler bileşiklerdir. Diğer bütün bileşikler ise anorganik bileşik olarak sınıflandırılır.

Bütün maddeler katı, sıvı ve gaz olmak üzere başlıca üç fiziksel halde bulunurlar. Maddelerin bileşimleri değişmeden fiziksel halleri değişebilir.

Maddenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Fiziksel özellikler, maddenin kimliği ve bileşimi değişmeden gözlenebilir ve ölçülebilir özelliklerdir. Kimyasal özellikler ise bir maddenin, başka bir madde oluşturmak için değişime uğraması yani tepkimeye girmesi ile gözlenen özelliklerdir.

Maddenin bazı özellikleri incelenen madde miktarına bağlı değildir. Bu tür özelliklere şiddet özelliği denir. Madde miktarına bağlı olan özelliklere ise kapasite özelliği denir.

Atomun varlığını belirlemeye yönelik çalışmaların XVII. yüzyılda başladığı görülmektedir ve atom ile ilgili ilk hipotezler 1807 yılında John Dalton tarafından önerilmiştir. John Dalton yaptığı gözlemler sonucu atom ile ilgili aşağıdaki hipotezleri önermiştir:

• Elementler atom denilen çok küçük taneciklerden oluşur.
• Bir elementin bütün atomları özdeştir. Farklı elementlerin atomları farklıdır ve farklı özelliklere ve farklı kütleye sahiptirler.
• Bir elementin atomları kimyasal tepkimelerle farklı atomlara dönüştürülemez.
• Kimyasal tepkimelerde atomların oluşturulması ya da yok edilmesi söz konusu değildir.
• Bileşikler birden fazla elemente ait atomların bir araya gelmesi sonucu oluşur.
• Bir bileşikte bulunan atomlarının türü ve sayısı daima aynıdır.

Sabit oranlar yasası, kaynağı ne olursa olsun bir bileşikte onu oluşturan elementlerin kütleleri arasında daima belli ve sabit bir oran olduğunu ifade eder.

Kütlenin korunumu yasası, maddenin yoktan var, vardan yok olamayacağını ifade eder. Katlı oranlar yasası, eğer iki element birden fazla bileşik oluşturuyorsa, elementlerden birinin sabit kütlesi ile birleşen diğer elementin kütleleri arasındaki oranın (veya oranların) en küçük tamsayılar ile ifade edilen bir oran (veya oranlar) olduğunu ifade eder.

Atomun oldukça küçük ve bölünemez bir parçacık olduğu Dalton tarafından düşünülmüş olsa da atomun varlığına yönelik doğrudan kanıtlar XIX. yüzyılın sonları ile XX. yüzyılın başlarında geliştirilen yöntemler sayesinde elde edilmiştir. Bu çalışmalar sonucu atomun elektron, proton ve nötron olarak adlandırılan daha küçük parçacıklardan (atomaltı parçacıklar) oluştuğu kanıtlanmıştır.

Elektronun keşfi, gaz boşalım tüpü olarak adlandırılan düzenek ile yapılan çalışmalar sonucu gerçekleşmiştir. Gaz boşalım tüpüne ilişkin günümüzdeki uygulamaların neon ışıkları, floresan ışıkları ve televizyon tüpleridir. Katot ışınları üzerine uzun yıllar çalışan Joseph John Thomson, bu ışınların hem elektrik hem de manyetik alanda saptığını bulmuştur ve bu çalışmalar sonucu, Thomson 1897 de bu ışınların atom kütlesinden oldukça küçük kütleye sahip negatif yüklü parçacıklar (elektronlar) olduğunu ileri sürmüştür. Elektronun yük/kütle oranı belirlendikten sonra, 1909 da Robert Millikan yağ damlacığı deneyi ile bir elektron üzerindeki yükün değerini belirlemiştir.

?-Parçacığı bazı radyoaktif elementler tarafından çok yüksek hızla yayılan +2 yüklü helyum iyonu (He ²⁺ ) yani helyum çekirdeğidir. Atom çekirdeğinin keşfi, ?-parçacığı kullanılarak yapılan bir deney sonucunda gerçekleşmiştir.

Thomson’un üzümlü kek modelinde, üzümlü kekte kuru üzümlerin kek içinde dağıldığı şekildeki gibi, elektronların atomda pozitif (+) yüklü bir bulut içinde dağıldığı önerilmiştir.

Thomson’un atom modeli, Rutherford ve öğrencileri Geiger ve Marsden tarafından 1910 yılında araştırılmıştır. Araştırma sonuçları, Thomson’un üzümlü kek diye bilinen atom modeliyle çelişmektedir. Rutherford, ?-parçacık saçılması sonuçlarını kullanarak 1911 yılında yeni bir atom modeli ortaya koymuştur. Bu modelde, atomun kütlesinin çok büyük miktarı ve pozitif yükünün tamamı atomda çok küçük ve çok yoğun bir bölgede bulunmaktadır. Rutherford, atomdaki bu çok küçük ve çok yoğun bölgeyi çekirdek olarak adlandırmıştır. Çekirdek atomun merkezindedir ve atomun büyüklüğüyle karşılaştırıldığında çok küçüktür. Çekirdeğin çapı ~10 ^-14 m, atomun çapı ~10 ^-9 m’dir. Bu modelde elektronların, güneşin etrafındaki gezegenler gibi çekirdeğin yörüngesinde bulundukları düşünülmüştür. Yapılan çalışmalar sonucu atom çekirdeğinde elektrona göre daha ağır böyle bir parçacığın (proton) varlığı bulunmuş ve yükünün elektron yüküne eşit ancak zıt işaretli (+1,60x10- ¹⁹ C) olduğu belirlenmiştir. Atom çekirdeğinde ayrıca yüksüz, kütlesi protona yakın bir parçacık (nötron) bulunmuştur.

Atomlar, Moleküller ve İyonlar

Bir elementin atom numarası (Z), o elementin atomlarında bulunan proton sayısıdır. Atomun elektriksel olarak nötr olmasından dolayı, sahip olduğu protonların sayısı elektronlarının sayısına eşittir. Kütle numarası (A) ise bir atomun çekirdeğinde bulunan proton ve nötron sayılarının toplamıdır. Bir atomda nötron sayısı, kütle numarasından atom numarası çıkarılarak bulunur.

Atom numarası aynı ancak nötron sayısı farklı olan, buna bağlı olarak da kütle numarası farklı atomlara izotop denir. Bir izotop, element adından sonra kütle numarası yazılarak adlandırılır. İzotopların fiziksel ve kimyasal özellikleri neredeyse aynıdır.

Elementler atom numarası sırasına göre belli bir şekilde düzenlendiğinde ortaya çıkan çizelgede komşu elementler arasındaki fiziksel ve kimyasal özelliklerin birbirine benzediği görülür. Elementlerin, özellikleri açısından birbirleriyle ilişkilerini gösteren bu düzenlemeye periyodik çizelge (şekil 1.8) denir. Periyodik çizelgede elementlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri periyodik olarak tekrar eder.

Periyodik çizelgedeki sütunlar grup olarak adlandırılır. Periyodik çizelgede yatay sıralara ise periyot denir ve yukarıdan aşağıya doğru 1 den 7 ye kadar numaralandırılır.

Periyodik çizelgedeki birkaç gruba özel adlar verilmiştir. Örneğin, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr içeren Grup IA, alkali metaller olarak bilinir. Özel adlara sahip diğer gruplar aşağıda belirtilmiştir:

IIA(veya 2):Toprak alkali metaller (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) VIIA(veya 17): Halojenler (F, Cl, Br, I, At)

VIIIA (veya 18):Soy gazlar (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn)

Periyodik çizelgede A grubu elementler baş grup elementleri, B grubu elementler geçiş metalleri olarak bilinirler. Ana çizelgenin altında gösterilen uzun iki sıralı blokta iç geçiş metalleri bulunur. Hidrojen ise çok özel bir element olduğu için herhangi bir grup içinde değerlendirilmez. Periyodik çizelgedeki elementler ayrıca metaller, ametaller ve yarı metaller olarak sınıflandırılırlar.

Moleküller, en az iki atomun kimyasal bağ denilen bir kuvvetle belli bir düzen içinde bir araya gelmesiyle oluşur ve nötral yapılardır. İki atomdan oluşan moleküllere diatomik molekül (O ₂ , CO, HCl), ikiden fazla atom içeren moleküllere poliatomik molekül (O ₃ , CH ₄ , NH ₃ ) denir.

Bir bileşiğin kimyasal formülü, bileşikte bulunan elementlerin kimyasal sembolleri ile her bir elementin diğerlerine göre bağıl sayısını içerir.

Molekül formülü, bir moleküldeki atomların türünü ve gerçek sayılarını belirten formüldür. Basit (deneysel) formül, bir moleküldeki atomların türünü ve sadece bu atomların sayıları arasındaki oranı veren formüldür. Bir bileşiğin yapı formülü moleküldeki atomların birbiriyle nasıl bağlandığını gösterir.

İyonlar, pozitif veya negatif yüklü atom veya atom gruplarıdır ve atomlar tarafından bir veya daha fazla elektronun verilmesi veya alınmasıyla oluşurlar. Pozitif yüklü iyonlara katyon, negatif yüklü iyonlara anyon denir. Tek bir tür atomdan oluşan iyonlara basit iyonlar veya monoatomik iyonlar denir. Birden fazla çeşit atom içeren iyonlara poliatomik iyonlar denir. İyonik bir bileşiğin basit formülüne formül birimi denir.

Metal atomlarının elektron vermesiyle oluşan katyonların adlandırılması, metalin sadece tek bir yüke sahip katyonu varsa metalin ismine iyon kelimesi eklenerek yapılır. Bir metalin iki veya daha fazla sayıda farklı yüke sahip katyonları oluşuyorsa; adlandırmada metalin isminin ardından parantez içerisinde Romen rakamıyla katyonun yükü yazılır ve ardına iyon kelimesi eklenir. Ametal element atomlarından oluşan poliatomik katyonların adlandırılması, adın sonuna -yum eki getirilerek yapılır.

Monoatomik ve bazı poliatomik anyonların adlandırılması:

Monoatomik anyonların birçoğunun adlandırılması element adının sonuna -ür soneki eklenerek yapılır. Bazı anyonların adlandırılması ise atomun isminde bulunan sonek düşürülerek yerine -ür soneki getirilerek yapılır.

Çok az sayıdaki poliatomik anyonun adlandırılması da -ür son eki kullanılarak yapılır. Belirli bir grup anyon ise -it soneki getirilerek adlandırılır. Oksijen içeren poliatomik anyonların adlandırılması -at veya -it sonekleri kullanılarak yapılır. Bu anyonlara oksianyonlar denir. Yükü aynı olan fakat oksijen atomu sayısı bir tane az olan oksianyon için -it soneki, diğeri için –at soneki kullanılır.

Bazı elementler özellikle de halojenler, ikiden fazla oksianyon oluştururlar. Bunlarda; per- öneki, -at soneki bulunan oksianyondan bir tane fazla oksijen atomuna, hipo- öneki ise -it soneki bulunan oksianyondan bir tane az oksijen atomuna sahip iyonun adlandırmasında kullanılır. Bir oksianyona H ⁺ ilavesiyle türetilen anyonlar ise uygun olduğu şekilde hidrojen veya dihidrojen kelimelerinin önek olarak kullanılmasıyla adlandırılır.

İyonik bileşikler önce katyon sonra da anyonun adı yazılarak adlandırılırlar. Her iki iyonun adında bulunan iyon kelimeleri kullanılmaz. Bazı iyonik bileşikler, kendi iyonlarının yanı sıra, belirli miktarda su moleküllerini de yapılarında bulunduracak şekilde kristaller oluşturur. Bu bileşiklere hidratlar denir. Hidratların adlandırılması önce bileşiğin adı, ardından da her formül birimde bulunan su molekülü sayısını belirten Yunanca önekin hidrat kelimesinin önüne getirilmesiyle yapılır.

Adının sonunda -ür bulunan anyonlar içeren asitler, hidroöneki ve -ik soneki kullanılarak adlandırılırlar. Adının sonunda -at bulunan anyonlar içeren asitler -ik, adının sonunda –it bulunan anyonlar içeren asitler -öz soneki kullanılarak adlandırılırlar. Adlandırırken anyonun adındaki önek (varsa) asidin adında korunur. İki atomlu moleküler bileşiklerin adlandırılması iyonik bileşiklerin adlandırılmasına benzer.

Ölçme

Kimya alanında çalışanlar çeşitli ölçümler yaparlar. Ölçüm sonucu elde edilen bir büyüklüğün anlamlı bir şekilde ifade edilebilmesi için, sayısal değeri ile birlikte mutlaka biriminin de verilmesi gerekir. Bilimsel çalışmalarda uzunluk birimi kullanımında karışıklığa neden olmamak için standart uzunluk birimi olarak metre kabul edilmiştir. Uzunluk ile birlikte yedi fiziksel nicelik için standart birimler tanımlanmıştır ve bu yedi temel birim Çizelge 1.4’de verilmiştir. Bu birimlerden oluşan birim sitemine Uluslararası Birim (SI) Sistemi denir. Standart birimlerin katlarını veya kesirlerini belirtmek için çeşitli önekler kullanılır. Bunlar Çizelge 1.5 de listelenmiştir. SI birim sistemi dışındaki bazı birimlerin de halen bilimsel çalışmalarda kullanımının devam ettiği görülmektedir.

Bazı fiziksel büyüklüklerin birimleri, bir temel SI birimi ile belirtilemez. Bu durumda uygun temel SI birimleri kullanılarak ilgili büyüklük için birim türetmek gerekir. Örneğin basınç birim alana uygulanan kuvvettir. Türetilmiş bir SI biriminde terim sayısı arttığı zaman bu birime genellikle yeni bir ad verilmektedir. Basınç için bunu ele alırsak, türetilmiş SI birimi pascal (Pa)’dır ve kg/m s2 ye karşılık gelen bir birimdir.

Bilimsel çalışmalarda genelde kullanılan iki sıcaklık ölçeği Celsius ve Kelvin’dir. Kelvin, sıcaklık için SI temel birimidir.

Değeri tam olarak bilinen sayılara kesin sayılar, değeri tam olarak bilinmeyen sayılara ise kesin olmayan sayılar denir. Ölçme sonucu elde edilen sayılar ise kesin değildir ve her zaman bu sayılarda bir belirsizlik vardır. Bunun nedeni de ölçüm aletinin duyarlılığı, ölçüm yapanın yeteneği gibi koşullardan kaynaklanır. Bir ölçümdeki belirsizlik, eğer verilmemişse, son rakamın ±1 i olduğu kabul edilir. Ölçüm sonucu elde edilen sayısal değerdeki belirsizliği içeren rakamda dâhil bütün rakamlara anlamlı rakam denir.

Ölçüm sonucu elde edilen veriler kullanılarak çeşitli hesaplamalar yapmak gerekebilir. Hesaplama sonucu elde edilen değerlerin doğru şekilde ifade edilebilmesi için, bu değerlerin anlamlı rakam sayısı doğru belirlenmelidir. Çarpma ve bölme işlemlerinde bulunan sonuç, işlemde kullanılan en az sayıda anlamlı rakam içeren sayı kadar anlamlı rakam içerecek şekilde yuvarlanır.

Kimyasal hesaplamalarda boyut analizi yapmak gerekebilir. Boyut analizinde birimler, sayıların aynı matematiksel işlemlerinde yapılan işlemler gibi işlemler aracılığıyla oluşturulurlar. Boyut analizini doğru yapmanın püf noktası, bir sayısal büyüklüğü bir birimden diğer birimde sayısal büyüklüğe çevirme sırasında doğru çevirme faktörünün veya faktörlerinin kullanılmasıdır. Çevirme faktörü, aynı miktarın farklı birimlerde ifade edildiği pay ve paydadan oluşan bir orandır ve değeri 1’dir.