Genel kimya 9786053552819, 605355281X

Citation preview

On Birinci Baskıdan Çeviri

Genel Kimya Raymond Chang Williams Koleji

Kenneth A. Goldsby Florida State Üniversitesi

Çeviri Editörleri

Prof. Dr. Recai İNAM • Prof. Dr. Serpil AKSOY Gazi Üniversitesi

Gazi Üniversitesi

Palme Yayincilik ANKARA, 2014

PALME YAYINLARI: 897

GENEL KİMYA, 11. Baskıdan Çeviri Yazarları

: Raymond Chang • Kenneth A. Goldsby

Çeviri Editörleri

: Prof. Dr. Recai ÎNAM • Prof. Dr. Serpil AKSOY

Yayın Koordinatörü

: I I. İbrahim Somyürek

Yayına Hazırlama

: PALME Dizgi-Grafık Tasarım: Volkan Öztürk

ISBN

: 978-605-355-281-9

Yayıncı Sertifika No

: 14142

Palme Yayıncılık © 2014

Baskı

: Ayrıntı Basım Yayım (0312 394 55 90)

Basımevi Sertifika No

: 13987

Orijinal Baskısına Katkıda Bulunanlar Vice President, Editor-in-Cliicf: Marty lunge Vice President, EDP: Kimberly Meriwether David Senior Director of Development: Kristine Tibbetts Publisher: Kyan Blankenship IZxecii 11 ve Isdi I or: Jeff 11 uettman Senior Dev el opmen I al Editor: Shirley R. Oberbroeckling Executive Marketing Manager: Tamara L. 1 lodge Senior Project Manager: Sandy Wille Senior Buyer: Kara Kudronowicz

Lead Media Project Manager: Judi David Senior Designer: David W. Hash Cover/I uteri or Designer: Jamie E. O'Neal Cover Image: 'The Structure of the Hirst. Coordination Shell in Liquid Water, Hirohito Ogasawara, Ph.D. Senior Photo Research Coordinator: Jb/w C. Leland Photo Research: Toni Miehaels/I'hotoHind, LLC Compositor: Aptara®, Inc.

Kitabın Özgün Adı Yazarlar

Chemistry, Eleventh Edition

Yayıncı Firma

Published by McGraw-Hill, a business unit of The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221

Raymond Chang • Kenneth A. Goldsby

Avenue of the Americas, New York, NY 10020

Telifi Orijinal ISBN Türkçe Basım

Copyright © 2013, by McGraw-Hill Companies. All rights reserved. 978-0-07-340268-0 This translation published under license by PALME YAYINCILIK, Copyright © 2014. All rights reserved. Türkçe baskısı, PALME YAYINCILIK tarafından yayımlanmıştır. Tüm telif hakları saklıdır, © 2014

Published by McGraw-Hill, a business unit of The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York, NY 10020. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or by any means, or stored in a database or retrieval system, without the prior written consent of The McGraw-Hill Companies, Inc., including, but not limited to, in any network or other electronic storage or transmission, or broadcast for distance learning. Bu kitabın Türkiye'deki her turlu yayın hakkı Palme Yayıncılık Ltd. Şti.'ne aittir, tüm hakları saklıdır. Kitabın tamamı ya da bir kısmı 5846 sayılı yasanın hükümlerine göre, kitabı yayınlayan firmanın önceden izni olmadan elektronik, mekanik, fotokopi ya da herhangi bir kayıt sistemiyle çoğaltılamaz, yayınlanamaz, depolanamaz.

PALME YAYIN, DAĞITIM, PAZARLAMA, İÇ VE DIŞ TİCARET LTD. ŞTİ. Merkez: A. Adnaıı Saygun Cad. No: 10/A Sıhhiye-ANKARA Tel: 0312-433 37 57 • Fax:0.312-433 52 72 www.palmeyayinevi.com

e-mail: [email protected]

Ankara Şubesi : Olgunlar Sok. No: 4/5 Bakanlıklar/ANKARA İzmir Şubesi : Kazım Dirik Mah. Ankara Cad. No: 259/C Bornova/İZMIR

Tel: 0.312 417 95 28 Faks: 0.312 419 69 64 Tel: 0.232 343 10 77 Faks: 0.232 343 10 78

Yazarlar Hakkında Raymond Chang Hong Kong’da doğmuş, Şaııgay (Çın) ve Hong Kong’da büyümüştür. Kimya dalındaki lisans derecesini (B.Sc.) Londra Üniversitesi’ııdeıı (İngiltere), doktora derecesini (Plı.D.) ise Yale Üniversitesi’nden alınışta. City' University of New York’da doktora soması araştırmalarını yaptıktan soma Williams Kolej’de Kimya bölümü öğretim üyesi olarak 1968’den beri çalışmaktadır. Profesör Chang, Amerikan Kimya Topluluğu Smav Komitesi, Ulusal Kuııya Olimpiyatları Smav Komitesi ve diploma tescil denetleme komite­ lerinde lıızmet vermiştir. R. Chang “The Chemical Educator” dergisinin editörüdür. Fizikokimya, endüstriyel kimya ve doğal bilimler alanlarında kitapları varda. Aynı zamanda Çm dili, resimli çocuk kitapları ve gençler için yazılan bu romaımı yazarlarındandır. Profesör Chang’ııı hobileri arasında bahçe bakımı, tenis ve masa tenisi oynama, mızıka ve keman çalma yer ahııaktadu.

Ken Goldsby

Floıida’da, Peıısacola’da doğmuş ve büyümüştür. Kuııya ve matematik dalındaki lisans derecesini (B.Sc.) Rice Üniversitesi’nden almıştır. Chapel Hill’deki North Carolina Üniversitesi’nden doktora derecesini (Plı.D.) aldıktan soıaa. Ken Goldsby, Ohio State Üniversitesi’ııde doktora soması araştırmalarını ger­ çekleşmiştir. 1986 yılında Florida State Üniversitesi, Kuııya ve Biyokimya Bölümü’ııe katıldıktan soma Kimya Öğretimine Yönelik “Cottrell Family Professorship” dahil olmak üzere öğretim ve danışmanlık ödtilleıi alınış­ tır. 1998 yılında Florida State Üniversitesi’ııde Seçkm Öğretim Üyesi seçilmiştir. Ken Goldsby boş zamanlarında ailesi ile birlikte dışarıda olmaktan, özellikle sahilde birlikte vakit geçirmekten hoşlanır.

iii

ÇEVİRİ EE)İTÖRLERİ

Prof. Dr. Recai İNAM • Prof. Dr. Serpil AKSOY Gazi Ürı\iversitesi

ÇEVİRİ 1CURULU

Prof. Dr. Abdullah MENZEK

Prof. Dr. Nermin ERTAN

Atatürk Ünv. Fen-Ed. Fak

Gazi Üniversitesi, Fen Fak.

Prof. Dr. Adalet TUNÇELİ

Prof. Dr. Orhan ACAR

Gazi Üniversitesi, Fen Fak.

Gazi Üniversitesi, Fen Fak.

Prof. Dr. Ali DİŞLİ

Prof. Dr. Oya ŞANLI

Gazi Üniversitesi, Fen Fak.

Gazi Üniversitesi, Fen Fak.

Prof. Dr. Fatma SEVİN DÜZ

Prof. Dr. Perihan GÜRKAN

Hacettepe Üniversitesi, Fen Fak.

Gazi Üniversitesi, Fen Fak.

Prof. Dr. H. İbrahim ÜNAL

Prof. Dr. Pervin CİVCİR

Gazi Üniversitesi, Fen Fak.

Ankara Üniversitesi, Fen Fak.

Prof. Dr. Hülya YEKELER

Prof. Dr. Semra BİLGİÇ

Cumhuriyet Üniversitesi, Fen Fak.

Ankara Üniversitesi, Fen Fak.

Prof. Dr. İsmail KIRAN

Prof. Dr. Sol ÇELEBİ

Eskişehir Osmaııgazi Üniv. Fen ve Edebiyat Fak.

Dokuz Eylül Ünv. Emekli Öğr. Üyesi

Prof. Dr. M. Levent AKSU

Prof. Dr. Ülker BAKIR ÖĞÜTVEREN

Gazi Üniversitesi, Eğitim Fak.

Anadolu Üniv. Müh. Mim. Fak.

Prof. Dr. Mehlika PULAT

Doç. Dr. Eda Ayşe AKSOY

Gazi Üniversitesi, Fen Fak.

Hacettepe Üniv. Eczacılık. Fak.

Prof. Dr. Mehmet AKÇAY

Doç. Dr. Hayrettin TÜMTÜRK

Cumhuriyet Üniversitesi, Fen Fak.

Gazi Üniversitesi, Fen Fak.

Prof. Dr. Mehmet ÇOŞKUN

Doç. Dr. Pınar ÇAMURLU

Fırat Üniversitesi, Fen Fak.

Akdeniz Üniversitesi, Fen Fak.

Prof. Dr. Mehmet ERBİL

Yard. Doç. Dr. Hülya SİLAH

Çukurova Üniv. Fen ve Edebiyat Fak.

Bilecik Şeyh Edebali Ünv, Fen-Ed. Fak.

Prof. Dr. Mustafa ERSÖZ

Dr. Ebru Aktan

Selçuk Üniversitesi, Fen Fak.

Gazi Üniversitesi, Fen Fak.

Prof. Dr. Nazan DEMİR Muğla Sıtkı Koçmaıı Üniversitesi, Fen Fak.

İV

Çeviri Editörleri Hakkında Prof. Dr. R.CCCIİ İNAM 1963

Zonguldak doğumludur. Lisans öğrenimini 1987’de Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fen-Edebıyat Fakültesi Kunya Bölümünde, Yüksek Lisansan 1993’de, Doktoıasnıı 1997’de Gazi Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümünde tamamlamıştn. 1987-1994 yıllarında oıta öğretim kurumlannda kimya öğretmenliği yaptıktan soma 1994-2000 yılları arasında Gazi Üniversitesi Fen- Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümünde Araştırına Görevlisi olarak görev yapmıştır. Aynı bölümde 2000 - 2001 yıllarında Yard. Doç. Dr., 2001-2008 yıllarında Doç. Dr., 2008 yılından beri Profesör olarak görev yapmaktadır. 2004 yılında Mıclıigan State Üniversitesinde aıaştama ve niceleme yapmak üzere görevlendiril­ miştir. 2010-2013 yılları aıasuıda “Gazi Unıversity Joıııııal of Science” deıgisiııin editörlüğünü yapmışta. Prof. Dr. Recaı ÎNAM’m uluslararası indeks­ lerde taranan dergilerde çok sayıda makalesi ve yurt içi-yurt dışı kongre­ lerde sunulan bildirisi buhınıııaktadn. Çalışmaları genel olarak elektrokiıııyasal tekniklerle eser elementlerin ve pestisitleriıı tayinlerine yönelik yön­ tem geliştirme üzerinedir. Chang-Genel Kimya, Petnıccı-Geııel Kimya ve Craıııe & Haıd-Oıganik Kimya ders kitaplarmın çeviri editörlerindendir. Ayrıca bazı ders kitaplarmın da çevınneıılerindendıı. Boş zamanlarında halk müziği dinlemeyi ve söylemeyi, doğa gezisini ve arkadaşları ile imlikte vakit geçilmeyi sevmektedir.

Prof. Dr. Serpil AKSOY

1947 Diyarbakır doğumludur. Lisansını 1971’de, Yüksek Lisansını 1973’de Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümünde, Doktorasını Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümünde tamamlamıştır. 1971-1981 yıllarında Yükseliş Müh. Mim. Yük. Okulunda ve Ankara Devlet Müh. ve Mim. Akademisinde Asistan, 1981-1982 yıllarında Öğretim Görevlisi, 1982-1990 yıllarında Gazi Üniversitesi Fen- Edebiyat Fakültesi Kimya Bölümünde Yard. Doç. Dr., 1983-1990 yıllarında Doç. Dr. ve 1990-2014 yıllarında Profesör olarak görev yapmıştır. Çalışmaları genel olarak polimer sentezleri ve uygulamaları üzerinedir. Chang-Genel Kimya ve Petrucci-Geııel Kimya ders kitaplarının çeviri editörlerinden­ dir. Boş zamanlarında çiçekler ve bahçe ile ilgilenmeyi, seyahat etmeyi sevmektedir.

v

Çeviri Editörlerinin ‘

ürkçe ders kitabı eksikliği öğrencilerimizin Genel Kimya dersleri kimya bölümleri dışında Fizik, Üniversitelerde karşılaştığı en önemli problemler­ Biyoloji, Sağlık Bilimleri, Mühendislik. Çevre ve Ziraat den bııi olmuştur. Son yıllarda birçok alanda yeni alanlarında öğrenim gören öğrencilerin de temel deısleders kitabı çevirileri yapılmakla birlikte, bunun yinedeıındendır. Bu alanların çoğunda öğrencilerin üst sınıf­ larda daha ileri bıı kimya dersi görme olanakları yoktur yeterli olduğunu söylemek zordur. Bilim ve teknolojideki gelişmeler baş döndürücü bıı hızla devam etmekte ve ve kimya bilgileri bu düzeyde kalmak durumundadır. Bu buna bağlı olarak ders kitapları da sürekli olarak gtincelnedenle, elinizdeki bu kitap, kimyanın temel ilkeleri hak­ leımıektedır. Diğer yandan, eğitim bilimciler sürekli yem kında tüm alt anabilim dallarını da kapsayacak şekilde, öğretim yöntem ve teknikleri geliştirmektedirler. Üniver­ asıl alanı kimyanın dışında olan öğrencilerin bile kolayca sitelerimizde öğrencilerimize çok sayıda güncel ders ki­ anlayabileceği basit ve anlaşılır bıı Türkçe ile yazılmıştır. taplarının sunulması ve yeterli bilgi kaynağının sağlan­ Kitabın tamamı 25 bölümden oluşmaktadır. Türkçe’ye ması, onlara bilimdeki son gelişmeleri yakından izleme çevirisinde değişik üniversitelerden çok sayıda öğretim olanağı verecektir. üyesi özverili çalışmalarıyla, geleceğimizin güvencesi Orijinal adı “Chemistry” olan ve Prof. Raymoııd olan üniversite gençliğimize ve dolayısıyla ülkemize hiz­ CHANG ile Ken GOLDSBY tarafından yazılan bu ki­ met etme yolunda hiçbir fedakarlıktan kaçınmamışlardır. tapta kavram ve ilkelerle sağlam bıı temel oluşturularak, Sabır ve fedakarlık gerektiren kitap yazımı ve çevirileri­ günlük hayatımızda kimyanın önemli üzerinde dunılmuşnin yaygınlaşması, üniversitelerimizdeki öğretimin daha tuı.Bu yeni baskıda, en son buluş ve kavramlar yer al­ üst düzeye çıkarılmasına önemli bir katkı sağlamış ola­ makta, konular görsel ve güncel örneklerle pekiştnıhııekcaktır. tedir. Öğrencilerimizin genel kimyayı en iyi şekilde kavSon olarak, bu kitabın yaymlaımıasmda hiçbir özve­ rayabılmeleri için konular çok sayıda güncel örnek ve riden kaçınmayan çeviri kııııılu üyelerimize, Palıııe problemlerle desteklenmiştir. Yorumlama, modelleme ve Yayınevine, kitabın dizgi ve düzlenmesiııdekı titiz çalış­ malarından dolayı Volkan Öztüık’e takdir ve teşekkülle­ tahmin adı verilen yeııı problem türleri, dünyadaki gerçek problemlerinin çözümünü öğrencilere öğretmek için tarimizi sunarız. Bu çalışmamızda eksiklerimizin olabile­ sarlaıımış, uygun varsayımlara dayalı tahminleri içer­ ceği düşüncesiyle eleştirilerim bizden esirgemeyecek mektedir. “Kimya İş Başında” adlı okuma parçaları, kim­ olan öğretim üyelerimize ve öğrencilerimize, kitabın son­ yanın çözüm getirdiği birçok ilginç olaylara yer vermek­ raki baskılarında bu eksiklerimizi gidermek ıçııı yapacak­ tedir. Bu kitaptaki hedef, gereksiz fazla bilgiler ile öğren­ ları katkılardan dolayı şimdiden teşekkül’ ederiz. cilerin aşırı yüklenmesini önlemek, soyut kavramları so­ Prof Dr Recai İNAM • Prof Dr Serpil AKSOY mut hale getirerek zor görünen kavramları kolaylaştır­

T

mak ve öğrencileri bir somaki öğrenme seviyesine hazır­ lamaktır.

vii

1

Kimya: Değişimin İncelenmesi

2

Atomlar, Moleküller ve İyonlar

3

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

4

Snlıı Çözelti Tepkimeleri

5

Gazlar

6

Termokimya

7

Knantıun Kınamı ve Atomların Elektron Yapısı

8

Elementlerin Periyodik İlişkileri

9

Kimyasal Bağlanma I: Temel Kavramlar

10

38 75

118

172 230 276

328 370

Kimyasal Bağlanma II: Molekül Geometrisi ve Atom

Oıbıtalleı iııiıı Melezleşmesi

414

11

Molekiillerarası Kuvvetler, Sıvılar ve Katilar

12

Çözeltilerin Fiziksel Özellikleri

13

Kimyasal Kinetik

14

Kimyasal Denge

623

15

Asitler ve Bazlar

668

16

Asit-Baz ve Çözünürlük Dengeleri

17

Entıopi, Serbest Enerji ve Denge

18

Elektrokimya

19

Çekirdek Kimyası

864

20

Atmosfer Kimyası

902

21

Metalürji ve Metal Kimyası

22

Ametaller ve Bileşikleri

23

Geçiş Metalleri Kimyası ve Koordinasyon Bileşikleri

24

Organik Kimya

25

Sentetik ve Doğal Organik Polımerler

Ek 1 Ek 2 Ek 3 Ek 4

viiı

1

467

520

564

722 778

814

932

958 996

1027

Element İsimlerinin Türeyişi Gaz Sabiti Birimleri

1060

E-l

E-7

1 atın ve 25°C’de Seçilmiş Termodinamik Veriler

Matematiksel İşlemler

E-13

E-8

İçindekiler Uygulamaların Listesi xix Animasyonların Listesi xx Önsöz xxi Öğrenme Basamaklarının Kurulması xxviii Öğrenciye Notlar xxxiii

Kimya: Değişimin incelenmesi 1 1.1 1.2 1.3

Kimya: Yirmi Birinci Yüzyılın Bilimi 2

Kimyanın Çalışına Alanı 2

Bilimsel Yöntem 4 KİMYA İş Başında İlk Helyum ve Büyük Patlama Kuramı 6

1.4 1.5 1.6 1.7

Maddenin Sınıflandırılması 6 Maddenin Üç Hali 9

Maddenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri 10 Ölçme 12 KİMYA İş Başında Birimlerin önemi 17

1.8 1.9 1.10

Sayıların Kullanımı 18 Problem Çözümünde Boyut Analizi 23 Dünyadaki Gerçek Problemlerin Çözümü: Bilgi. Varsayımlar ve Basitleştirmeler 27 Anahtar Eşitlikler 28 Olguların ve Kavramların Özeti 29 Anahtar Kelimeler 29 Sıralar ve Problemler 29

KİMYANIN Gizemi Dinozorların Yok Oluşu 36

IX

X

İçindekiler

Atomlar, Moleküller ve İyonlar 38 2.1 2.2 2.3 2.4

Atom Kuramı 39 Atomun Yapısı 40

Atom Numarası, Kütle Numarası ve İzotoplar 46 Periyodik Çizelge 48

KİMYA İş Başında Elementlerin Dünyada ve Canlı Sistemlerde Dağılımı 49

2.5 2.6 2.7 2.8

Moleküller ve İyonlar 50 Kimyasal Formüller 52 Bileşiklerin Adlandırılması 56 Organik Bileşiklere Giriş 65 Anahtar Eşitlikler 67 Olguların ve Kavramların Özeti 67 Anahtar Kelimeler 67 Sorular ve Problemler 68

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri 75 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Atom Kütlesi 76 Avogadro Sayısı ve Elementlerin Mol Kütleleri 77

Molekül Kütlesi 81

Kütle Spektroıııetresi 84 Bileşiklerin Yüzde Bileşimi 85 Kaba Formüllerin Deneysel Belirlenmesi 88

Kimyasal Tepkimeler ve Kimyasal Denklemler 90 Tepkeııler ve Ürünlerin Miktarları 95 Sınırlayıcı Tepkeııler 99 Tepkime Verimi 103 KİMYA İş Başında Kimyasal Gübreler 105 Anahtar Eşitlikler 106 Olguların ve Kavramların Özeti 106 Anahtar Kelimeler 107 Sorular ve Problemler 107

İçindekiler

Sulu Çözelti Tepkimeleri 118 4.1 4.2

Sulu Çözeltilerin Genel Özellikleri 119 Çökme Tepkimeleri 121 KİMYA İş Başında İstenmeyen Çökme Tepkimeleri 126

4.3 4.4

Asit-Baz Tepkimeleri 126 İndirgenme-Yükseltgenme Tepkimeleri 132 KİMYA İş Başında Nefes Analiz Cihazı (Alkolmetre) 144

4.5 4.6 4.7 4.8

Çözelti Derişimleıi 145

Gravimetrik Analiz 149

Asit-Baz Titıasyonları 151 Redoks Titrasyonları 155 KİMYA İş Başında Denizden Metal Eldesi 156 Anahtar Eşitlikler 157 Olguların ve Kavramların Özeti 157 Anahtar Kelimeler 158 Sorular ve Problemler 158

KİMYANIN Gizemi Napolyon'u Kim öldürdü? 170

Gazlar 172 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

Gaz Halinde Bulunan Maddeler 173

Bir Gazın Basıncı 174 Gaz Yasaları 178 İdeal Gaz Denklemi 184

Gaz Stokiyometrisi 193

Dalton Tın Kısmi Basınçlar Yasası 195 KİMYA İş Başında Dalgıçlık ve Gaz Yasaları 200

5.7

Gazların Kinetik Molekül Kuramı 202 KİMYA İş Başında Süper Soğuk Atomlar 208

5.8

İdeal Davranıştan Sapma 210 Anahtar Eşitlikler 213 Olguların ve Kavramların Özeti 214 Anahtar Kelimeler 214 Sorular ve Problemler 215

KİMYANIN Gizemi Oksijen Azalması 228

XI

İçindekiler

XII

Termokimya 230 6.1 6.2 6.3

Enerjinin Doğası ve Enerji Çeşitleri 231 Kimyasal Tepkimelerde Enerji Değişimleri 232 Termodinamiğe Giriş 234

KİMYA İş Başında Yapay Kar ve Bisiklet Lastiğinin Şişirilmesi 240

6.4 6.5

Kimyasal Tepkimelerde Eııtalpi 240 Kaloriıııetri 246 KİMYA İş Başında Beyaz Yağ Hücreleri, Kahverengi Yağ Hücreleri ve Obezite İçin Potansiyel Tedavi 250

6.6

Standart Oluşum Eııtalpisi ve Tepkime 254

KİMYA İş Başında Bombardıman Böceği Nasıl Kendisini Savunur 257

6.7

Çözelti Isısı ve Seyrelme 260 Anahtar Eşitlikler 263 Olguların ve Kavramların Özeli 263 Anahtar Kelimeler 263 Sorular ve Problemler 264

KİMYANIN Gizemi İnfilak Eden Lastik 274

Kuantum Kuramı ve Atomların Elektron Yapısı 276 7.1 7.2 7.3 7.4

Klasik Fizikten Kuantum Kuranıma 277 Fotoelektrik Olay 281 Bolır Hidrojen Atomu Kuramı 284

Elektronun İkili Doğası 289 KİMYA İş Başında Lazer—Görkemli Işık 290

NWQM

HbİmmC

7.5

Kuantum Mekaniği 293 KİMYA İş Başında Elektron Mikroskobu 294

7.6 7.7 7.8

Kuantum Sayıları 297 Atom Oıbitalleıi 299

Elektron Dağılımı 303

İçindekiler

7.9

xiu

Yerleştirme İlkesi 310 KİMYA İş Başında Kuantum Noktalar 314

Anahtar Eşitlikler 315 Olguların ve Kavramların Özeti 316 Anahtar Kelimeler 317 Sorular ve Problemler 317

KİMYANIN Gizemi Helyumun Keşfi, Koronyumun Doğuşu ve Çöküşü 326

Elementlerin Periyodik İlişkileri 328 8.1 8.2 8.3 8.4

Periyodik Çizelgenin Gelişmesi 329

Elementlerin Periyodik Sınıflandırılması 331

Fiziksel Özelliklerdeki Periyodik Değişiklikler 335 İyonlaşma Enerjisi 342 KİMYA İş Başında Üçüncü Sıvı Element? 343

8.5 8.6

Elektron İlgisi 347 Baş Grup Elementlerinin Kimyasal Özelliklerindeki Değişim 349 KİMYA İş Başında Soy Gazların Keşfi 360 Anahtar Eşitlik 361 Olguların ve Kavramların Özeti 361 Anahtar Kelimeler 362 Sorular ve Problemler 362

* & A* t Ot öşj t z-

rr

Kimyasal Bağlanma I: Temel Kavramlar 370

«Mp4

A *****

y te

9.1 9.2 9.3

Lewis Nokta Simgeleri 371 İyonik Bağ 372 İyonik Bileşiklerin Örgü Enerjisi 374 KİMYA İş Başında

e

g-

Sodyum Klorür—önemli ve Çok Bilinen Bir İyonik Bileşik 378

û 9.4 9.5 9.6 9.7

Kovaleııt Bağ 379 Elektoııegatiflik 382

Lewis Yapılarının Yazılması 386 Formal Yük ve Lewis Yapısı 389

XIV

İçindekiler

9.8 9.9

Rezonans Kavramı 392

Oktet Kuralından Sapmalar 394 KİMYA İş Başında Nitrik Oksit (N0) 399

9.10

Bağ Enerjisi 400 Anahtar Eşitlik 405 Olguların ve Kavramların Özeti 405 Anahtar Kelimeler 405 Sorular ve Problemler 405

Kimyasal Bağlanma II: Molekül Geometrisi ve Atom Orbitallerinin Melezleşmesi 414 ıo.ı 10.2

Molekül Geometrisi 415 Dipol Momentler 425 KİMYA İş Başında Mikrodalga Fırınlar-Dipol Momentler 428

10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8

Değerlik Bağ Kuramı 431 Atom Orbitallerinin Melezleşmesi 433

İkili ve Üçlü Bağ İçeren Moleküllerde Melezleşme 442

Molekül Orbital Kuramı 445 Molekül Orbital Dağılımları 448

Delokalize Molekül Orbitalleıi 454 KİMYA İş Başında Bucky Topu: Fullerenler 456 Anahtar Eşitlikler 458 Olguların ve Kavramların Özeti 458 Anahtar Kelimeler 458 Sorular ve Problemler 459

Molekiillerarası Kuvvetler, Sıvılar ve Katilar 467 11.1 11.2 11.3 11.4

Sıvı ve Katiların Kinetik Molekül Kuramı 468 Moleküller Arası Kuvvetler 469 Sıvıların Özellikleri 475

Kristal Yapı 478 KİMYA İş Başında Göller Neden Yukarıdan Aşağıya Doğru Donar? 479

11.5

Kristallerde X-Işım Kırınımı 486

İçindekiler

11.6

Kristal Tipleri 488 KİMYA İş Başında Yüksek-sıcaklık süper-iletkenleri 490

KİMYA İş Başında Bir Düğme Yüzünden 494

11.7 11.8 11.9

Amorf Katilar 494 Faz Değişimleri 495 Faz Diyagramları 505

KİMYA İş Başında Dağ Zirvesinde Yumurta Haşlamak, Düdüklü Tencere ve Buz Pateni 507

KİMYA İş Başında Sıvı Kristaller 508 Anahtar Eşitlikler 510 Olguların ve Kavramların Özeti 510 Anahtar Kelimeler 511 Sorular ve Problemler 51 /

Çözeltilerin Fiziksel Özellikleri 520 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Çözelti Türleri 521 Çözelti Oluşumuna Moleküler Bakış 522 Derişim Birimleri 524 Çözünürlüğe Sıcaklığın Etkisi 529

Gazların Çözünürlüğüne Basıncın Etkisi 531 KİMYA İş Başında Katil Göl 533

12.6 12.7

Elekıolit Olmayan Çözeltilerin Kolligatif Özellikleri 534

Elektrolit Çözeltilerin Kolligatif Özellikleri 546 KİMYA İş Başında Diyaliz 548

12.8

Kolloitler 548 Anahtar Eşitlikler 551 Olguların ve Kavramların Özeti 551 Anahtar Kelimeler 552 Sorular ve Problemler 552

KİMYANIN Gizemi Yanlış Bıçak 562

xv

XVI

İçindekiler

Kimyasal Kinetik 564 13.1 13.2 13.3

Tepkime Hızı 565

Hız Yasası 573

Tepken Derişimleri ile Zaman Arasındaki İlişki 577

KİMYA İş Başında Radyokarbon Yaş Tayini 588

13.4 13.5 13.6

Eşik Enerjisi ve Hız Sabitinin Sıcaklığa Bağlılığı 590 Tepkime Mekanizmaları 596

Kataliz 601 KİMYA İş Başında Farmakokinetik 608 Anahtar Eşitlikler 610 Olguların ve Kavramların Özeti 610 Anahtar Kelimeler 61 / Sorular ve Problemler 611

Kimyasal Denge 623 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5

Denge Kavramı ve Denge Sabiti 624 Denge Sabiti İfadelerinin Yazılması 627 Kimyasal Kinetik ve Kimyasal Denge Arasındaki İlişki 639

Denge Sabiti Bize Neyi İfade Eder? 640 Kimyasal Dengeyi Etkileyen Faktörler 646 KİMYA İş Başında Yüksek İrtifalarda Yaşam ve Hemoglobin Üretimi 653

KİMYA İş Başında Haber Süreci 654 Anahtar Eşitlikler 656 Olguların ve Kavramların Özeti 656 Anahtar Kelimeler 657 Sorular ve Problemler 657

Asitler ve Bazlar 668 ıs.ı 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7

Bronsted Asit ve Bazlar 669

Suyun Asit-Baz Özellikleri 670 pH—Asitliğiıı Ölçümü 672

Asit ve Bazların Kuvveti 675 Zayıf Asitler ve Asit İyonlaşma Sabitleri 679 Zayıf Bazlar ve Baz İyonlaşma Sabitleri 687

Asit ve Eşlenik Bazların İyonlaşma Sabitleri Arasındaki İlişki 689

İçindekiler

15.8 İki Protonlu ve Çok Pıotoıılu Asitler 690 15.9 Molekül Yapısı ve Asitlerin Kuvveti 694 15.10 Tuzların Asit-Baz Özellikleri 698 15.11 Oksitlerin ve Hidroksitlerin Asit-Baz Özellikleri 15.12 Lewis Asitleri ve Bazları 706

704

KİMYA İş Başında Antasitler ve Midenizin pH dengesi 708 Anahtar Eşitlikler 710 Olguların ve Kavramların Özeti 711 Anahtar Kelimeler 711 Sorular ve Problemler 71 /

KİMYANIN Gizemi Çürüyen Kağıtlar 720

Asit-Baz ve Çözünürlük Dengeleri 722 16.1 16.2 16.3 16.4

Heterojen ve Homojen Çözelti Dengelerinin Karşılaştırılması 723 Ortak İyon Etkisi 723

Tampon Çözeltiler 726

Asit-Baz Titıasyonları 732 KİMYA İş Başında Kan pH'sının Korunması 734

16.5 Asit-Baz İııdikatörleri 741 16.6 Çözünürlük Dengeleri 744 16.7 İyonların Ayrılması ve Ayrımsa 1 Çöktürme 751 16.8 Ortak İyon Etkisi ve Çözünürlük 753 16.9 pH ve Çözünürlük 755 16.10 Kompleks İyon Dengeleri ve Çözünürlük 758 KİMYA İş Başında Bir Yumurta Kabuğu Nasıl Oluşur? 762

16.11

Çözünürlük Çarpımı İlkesinin Nitel Analize Uygulanması 763 Anahtar Eşitlikler 765 Olguların ve Kavramların Özeti 766 Anahtar Kelimeler 766 Sorular ve Problemler 766

KİMYANIN Gizemi Haşlanmış Katı Bir Yumurta 776

XVII

xviii

İçindekiler

Entropi, Serbest Enerji ve Denge 778 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5

Termodinamiğin Üç Yasası 779

İstemli Olaylar 779 Entropi 780 Termodinamiğin İkinci Yasası 785

Gibbs Serbest Enerjisi 791 KİMYA İş Başında Isı Makinesinin Verimi 792

17.6 17.7

Serbest Enerji ve Kimyasal Denge 798 Canlı Sistemlerin Termodinamiği 802

KİMYA İş Başında Lastik Bandın Termodinamiği 803 Anahtar Eşitlikler 805 Olguların ve Kavramların Özeti 805 Anahtar Kelimeler 805 Sorular ve Problemler 806

Elektrokimya 814 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6

Redoks (Yükseltgenme-İndirgenme) Tepkimeleri 815 Galvanik Hücreler 818 Standart İndirgenme Potansiyelleri 820 Redoks Tepkimelerinin Termodinamiği 826 Hücrenin EmkTıe Derişimin Etkisi 829

Piller 834 KİMYA İş Başında Bakterilerin Gücü 839

18.7 18.8

Koıozyoıı 840

Elektroliz 843 KİMYA İş Başında Diş Dolgusu Rahatsızlığı 848 Anahtar Eşitlikler 850 Olguların ve Kavramların Özeti 850 Anahtar Kelimeler 851 Sorular ve Problemler 851

KİMYANIN Gizemi Kirli Su 862

İçindekiler

Çekirdek Kimyası 864 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5

Çekirdek Tepkimelerinin Doğası 865 Çekirdek Kararlılığı 867 Doğal Radyoaktiflik 872

Çekirdek Dönüşümü 876 Çekirdek Bölünmesi 879 KİMYA İş Başında Tabiat'ın Kendi Çekirdek Birleşme Reaktörü 884

19.6 19.7 19.8

Çekirdek Birleşmesi 885 İzotopların Kullanımı 888

Işımanın Biyolojik Etkileri 890 KİMYA İş Başında Besinlerin Işınlanması 892 Anahtar Eşitlikler 892

KİMYA İş Başında Bor Nötron Yakalama Terapisi 893

Olguların ve Kavramların Özeti 893 Anahtar Kelimeler 894 Sorular ve Problemler 894

KİMYANIN Gizemi Yirminci Yüzyılın Sanat Kalpazanlığı 900

Atmosfer Kimyası 902 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8

Dünyanın Atmosferi 903

Atmosferin Dış Tabakalarındaki Olaylar 906 Stratosferde Ozonun Azalışı 908 Volkanlar 913 Sera Etkisi 914 Asit Yağmuru 918 Fotokiıııyasal Sisli Duman 921

Evsel Kirlilik 923 Olguların ve Kavramların Özeti 926 Anahtar Kelimeler 927 Sorular ve Problemler 927

xıx

XX

İçindekiler

Metalürji ve Metal Kimyası 932 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7

Metallerin Bulunuşu 933 Matalurjik İşlemler 934

Elektriksel İletkenliğin Band Kuramı 941 Metalik Özelliklerde Periyodik Eğilimler 943 Alkali Metaller 944 Toprak Alkali Metaller 948

Alüminyum 950 KİMYA İş Başında Alüminyum Geri Dönüşümü 952 Olguların ve Kavramların Özeti 954 Anahtar Kelimeler 954 Sar ular ve Problemler 954

Ametaller ve Bileşikleri 958 22.1 22.2

Ametallerin Genel Özellikleri 959 Hidrojen 960 KİMYA İş Başında Metalik Hidrojen 964

22.3

Karbon 965

KİMYA İş Başında Kömürden Sentetik Gaz 968

22.4

Azot ve Fosfor 969 KİMYA İş Başında Ammonyum Nitrat—Patlayıcı Gübre 976

22.5 22.6

Oksijen ve Kükürt 977 Halojenler 984 Olguların ve Kavramların Özeti 991 Anahtar Kelimeler 991 Sorular ve Problemler 992

İçindekiler

Geçiş Metalleri Kimyası ve Koordinasyon Bileşikleri 996 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6

Geçiş Metallerinin Özellikleri 997

Demir ve Bakır Kimyası 1000 Koordinasyon Bileşikleri 1002 Koordinasyon Bileşiklerinin Yapısı 1007 Koordinasyon Bileşiklerinde Bağlanma: Kristal Alan Kuramı 1011 Koordinasyon Bileşiklerinin Tepkimeleri 1017 KİMYA İş Başında Canlı Sistemlerde Koordinasyon Bileşikleri 1018

23.7

Koordinasyon Bileşiklerinin Uygulamaları 1018 KİMYA İş Başında Cisplatin- Antikanser İlacı 1020 Anahtar Kavramlar 1022 Olguların ve Kavramların Özeti 1022 Anahtar Kelimeler 1022 Sorular ve Problemler 1023

Organik Kimya 1027 24.1 24.2

Organik Bileşiklerin Sınıflandırılması 1028 Alifatik Hidrokarbonlar 1028 KİMYA İş Başında Yanan Buz 1040

24.3 24.4

Aromatik Hidrokarbonlar 1041

İşlevsel Grupların Kimyası 1044 KİMYA İş Başında Petrol Endüstrisi 1050

Olguların ve Kavramların Özeti 1052 Anahtar Kelimeler 1053 Sorular ve Problemler 1053

KİMYANIN Gizemi Silinen Parmak İzleri 1058

XXI

XXII

İçindekiler

Sentetik ve Doğal Organik Polimerler 1060 25.1 25.2 25.3

Poliıııerlerin Özellikleri 1061

Sentetik Organik Polimerler 1061 Proteinler 1067 KİMYA İş Başında Orak Hücre Anemisi — Moleküler Bir Hastalık 1074

25.4

Nükleik Asitler 1075 KİMYA İş Başında DNA Parmak İzi 1078

Olguların ve Kavramların Özeti 1079 Anahtar Kelimeler 1079 Sar ular ve Problemler 1079

KİMYANIN Gizemi Saçlarınızı Kıvırcık Yapabilecek Bir öykü 1084

Ek 1

Element İsimlerinin Türeyişi E-l

Ek 2

Gaz Sabiti Birimleri E-7

Ek 3

1 atm ve 25°C’de Seçilmiş Termodinamik Veriler E-8

Ek 4

Matematiksel İşlemler E-13

Sözlük S-l Yanıtlar: Çift Sayılı Problemler YP-1 Fotoğraflar F-l Dizin D-l

Uygulamaların Listesi

Bu kitabın giriş cümlesi şöyledir: “Kimya, hem doğal hem de sosyal alanlarda dünyamız için hayatı öneme sahip, gelişmekte olan aktif bıı bilimdir”. Kitap boyunca “Kimya İş Başında” adlı okuma parçaları ve “Kimyanın Gizemi” metinleri, hayatımızın her ala­ lımda yer alan ve etkin olan kimya biliminin özgün ör­ neklerini bizleıe sunmaktadır.

Kimya İş Başında İlk Helyum ve Büyük Patlama Kuramı 6 Birimlerin Önemi 17 Elementlerin Dünyada ve Canlı Sistemlerde Dağılımı 49 Kimyasal Gübreler 105 İstenmeyen Çökme Tepkimeleri 126 Nefes Analiz Cilıazı (Alkolmetre) 144 Denizden Metal Eldesi 156 Dalgıçlık ve Gaz Yasaları 200 Süper Soğuk Atomlar 208 Yapay kar ve Bisiklet Lastiğinin Şişirilmesi 240 Beyaz Yağ Hücreleri, Kahverengi Yağ Hücreleri ve Obezıte İçin Potansiyel Tedavi 250 Bombardıman Böceği Nasıl Kendim Savunur 257 Lazer—Görkemli Işık 290 Elektron Mikroskobu 294 Kuaııtum Noktalar 314 Üçüncü Sıvı Element? 343 Soy gazların Keşfi 360 Sodyum Kloriir—Önemli ve Bilinen Bir İyonik Bileşik 378 Nitrik Oksıt(NO) 399 Mikrodalga Fuııılar—Dıpol Moment 428 Bııcky Topu: Fullerenler 456 Göller Neden Yukarıdan Aşağıya Doğru Donar? 479 Yüksek Sıcaklık Süper İletkenleri 490 Bıı Düğme Yüzünden 494 Dağ Zirvesinde Yumurta Haşlamak, Düdüklü Tencere ve Buz Pateni 507 Sıvı Kristaller 508 Katıl Göl 533

Diyaliz 548 Radyokarboıı Yaş Tayini 588 Fannakokmetık 608 Yüksek İrtifaklarda Yaşam ve Hemoglobin Üretimi 653 Haber Süreci 654 Aııtiasıtler ve Midenizin pH Dengesi 708 Kan pH’smın Korunması 734 Bıı Yumurta Kabuğu Nasıl Oluşur 762 Isı Makinesinin Verimi 792 Lastik Bandın Termodinamiği 803 Bakterilerin Gücü 839 Diş Dolgusu Rahatsızlığı 848 Tabıat’ııı Kendi Çekirdek Birleşme Rektörü 884 Besinlerin Işınlaması 892 Bor Nötron Yakalama Terapisi 893 Alüminyumun Geri Dönüşümü 952 Metalik Hidrojen 964 Kömürden Sentetik Gaz 968 Amonyum Nitrat—Patlayıcı Gübre 976 Canlı Sistemlerdeki Koordinasyon Bileşikleri 1018 Cisplatin—Antikanser İlacı 1020 Yanan Buz 1040 Petrol Endüstrisi 105 Orak Hücre Anemi—Molektiler Bir Hastalık 1074 DNA Parmak îzi 1078

Kimyanın Gizemi Dinozorların Yok Oluşu 36 Napolyon’u Kını Öldürdü? 170 Oksijen Azalması 228 İnfilak Eden Lastik 274 Helyumun Keşfi, Koroııyumun Yükselişi ve Çöküşü 326 Yanlış Bıçak 562 Çürüyen Kağıtlar 720 Haşlanmış Katı Bıı Yumurta 776 Kırlı Su 862 Yirminci Yüzyılın Sanat Kalpazanlığı 900 Silinen Parmak İzlen 1058

xxiii

Animasyonların Listesi A

Aşağıda verilen animasyonlar kimya ile ilişki­ lidir. Böliiııı içerisinde yer alan ikonlar öğrenci ve öğreticilere; bu bölüm içinde sunulan özgün bıı konu hakkında bir ani­ masyonun mevcut olduğunu göstermektedir. Animasyonlar Clıaııg Coıınect internet sitesinden çevri­ miçi olarak bulunabilir.

Chang Animasyonları Işığın absorpsiyonu (22.5) Asit-baz titrasyoııları (16.4) Asit iyonlaşması (15.5) Aktifleşme enerjisi (13.4) Alfa, beta ve gama ışınları (2.2) Alfa-taııecikleri saçılması (2.2) Atomik ve iyonik yarıçap (8.3) Baz iyonlaşması (15.6) Tampon çözeltiler (16.3) Kataliz (13.6) Katot ışın tüpü (2.2) Kimyasal denge (14.1) Kııallık (22.4, 24.2) Su üzerinde bıı gazın toplanması (5.6) Gazların difiizyoııu (5.7) Bir iyonik ve bir kovalent bileşiğin çözünmesi (12.2) Elektron dağılımları (7.8) Denge bulıaı basıncı (11.8) Forıııal yük hesaplamaları (9.7) Galvaııık piller (19.2) Gaz yasaları (5.3) Isı akışı (6.2) Melezleşme (10.4) Hidratlaşma (4.1) İyonik ve kovalent bağlanmanın karşılaştırılması (9.4) Le Clıâtelier ilkesi (14.5) Sınırlayıcı tepken (3.9) Çizgi spektrumu (7.3) Çözelti hazırlama (4.5)

xxiv

Millikan’uı yağ damlası (2.2) Çekirdek bölünmesi (23.5) Nötralleşıııe tepkimeleri (4.3) Çarpışmanın yönelimi (13.4) Osmoz (12.6) Yükseltgenıııe-indirgenme tepkimeleri (4.4) Kürelerin istiflenmesi (11.4) Moleküllerin polaıitesi (10.2) Çökme tepkimeleri (4.2) Seyreltme ile çözelti hazırlama (4.5) Radyoaktif bozunma (23.3) Rezonans(9.8) Sigma ve pi bağları (10.5) Kuvvetli elektrolitler, zayıf elektrolitler, ve elektrolit olmayanlar (4.1) VSEPR(lO.l)

Daha Fazla McGraw-Hill Animasyonları Alüminyum üretimi (21.7) Atomik çizgi spektrumu (7.3) Kübik birim hücreler (11.4) Baku/çınko voltaık pılı (18.2) Voltaık bıı pilden akını üretimi (18.2) Kuvvetli ve zayıf asitlerin ayrışması (15.4) Yayılma spektrumu (7.3) Yükseltgenme-indirgenme ile Ag2S oluşumu (4.4) İyonik bıı bileşiğin oluşumu (2.7) Kovalent bıı bağın oluşumu (9.4) Polarlığa şeklin etkisi (10.2) İyonik ve kovalent bağlanma (9.4) Molekül şekli ve orbital melezleşmesi (10.4) Voltaık bıı hücrenin işleyişi (18.2) Faz diyagramları ve maddenin halleri (11.9) Tampon çözeltilerin özellikleri (16.3) Cıı ile AgNO3’m tepkimesi (4.4) Magnezyum ve oksijenin tepkimesi (4.4, 9.2) Rutherford deneyi (2.2) VSEPR kuramı (10.1)

lk baskıdan bu yana hedefim, kimyasal kavram ve il­ keler ile sağlam bıı temel oluşturan ve günlük hayatı­ mızda kimyanın önemli bıı rol oynadığını öğrencilere aşılayan bir genel kimya kitabı yazmaktı. Bu amaç doğ­ rultusunda, geniş bir konu yelpazesi sunarak hem öğreti­ cilere hem de öğrencilere yardımcı olmak, bu ders kitabı yazarının kendisini sorumlu hissettiği bıı konudur. Teoıı ve uygulama arasında bir denge kurmaya ve mümkün ol­ duğunca güncel örnekler ile temel ilkeleri tanımlamaya çalıştım. Daha önceki baskılarda olduğu gibi, bu on bilinci baskıda da hedefim, soyut kavramları açıklayan, gereksiz fazla bilgiler ile öğrencilerin aşuı yüklenmesini önleyen, özlü ve öğrencileri bir somaki öğrenme seviyesine geç­ meye hazırlayan yeterince kapsamlı bıı kitap oluşturmak­ tır. Eğitimciler ve öğrencilerden aldığmı teşvik edici geri bildirimler bu yaklaşımuı etkili olduğu konusunda beni cesaretlendirmiştir.

İ

Bu Baskıda Neler Yenidir ? Florida State Üniversitesi ilden Ken Goldsby Raymoııd Chang’a Âin/vr/iıııı onbiıinci baskısında yazar olarak da­ hil olmuştur. İnorganik Kimya geçmişine sahip olan Ken, içerik ve problemlere katkı sağlamıştır. Ken’in, hem sı­ nıfta lıem de laboıatuvarda lisans öğrencileri ile birlikte yaptığı kapsamlı çalışmalar, Raymoııdiıı öğrenci ve eğiticilıler içııı yaptığı görsel malzemelere davalı geleneksel çalışmaları pekiştirmiştir. Kitabın daha somaki kısımlarında yer alan aşağıdaki bölümlerde yeııı düzenlemeler yapılmıştır:

Bölüm 17: Entropi, Serbest Enerji ve Denge Bölüm 18: Elektrokimya Bölüm 19: Çekirdek Kimyası Bölüm 20: Atmosfer Kimyası Bölüm 21: Metalürji ve Metal Kimyası Bölüm 22: Ametal Elementler ve Bileşikleri Bölüm 23: Geçiş Metalleri Kimyası ve Koordinasyon Bileşikleri Bölüm 24: Organik Kimya Bölüm 25: Sentetik ve Doğal Organik Polimeri er

Bu bölümlerin yeniden düzenlenmesi sayesinde, çekirdek kimyasını öğretecek olan öğretim üyeleri, elekt­ rokimya konusundan hemen soma bu bölümü anlatabile­ ceklerdir. Nükleer tıbbın artan önemim ve gelecekteki enerji ihtiyacının karşılaşmasında rol oynayacak olan nükleer güç lıakkındakı tartışmalar devam etmektedir. Atmosfer kimyası bölümünün lıemeıı öncesine çekirdek kimyası bölümünün alınması, atmosferdeki radon kirli­ liği tartışmasıııuı daha iyi anlaşılmasını sağlayacaktır. Bu yeni baskıya, çok sayıda yeııı bölüm sonu prob­ lemleri eklenmiştir. Bu problemlerin bıı kısım grafiksel verileri yorumlayabilme ve kavramları açıklayabilme açısından öğrencilerin yeteneklerim sınamaktadır. Yorumlama, Modelleme ve Tahmin adı verilen yeni problem türleri on bilinci baskıya eklenmiştir. Bu sorular, dünyadaki gerçek problemlerin çözümünü öğrencilere öğretmek içııı tasarlanmış, uygun varsayımlara dayalı tahminleri içermekte ve gerekli bılgıleıiıı elde edilmesini ve genel cevaplar için bir planın formülleştirilmesini ge­ rektirmektedir. Bölüm l.lO’da yeııı problem türleri ta­ nımlanmıştır. Connect® Chemistry sisteminin oluşturulması ve çok yönlülüğü bu baskıda yer alan yemliklerden biridir. McGraw-Hıll yüksek nitelikli elektronik ev ödevleri sağ­ lamak için titiz bir süreç başlatmıştır. Öğrencilerin ve eği­ timcilerin dikkatli gözlemleri sayesinde, çevrimiçi bir öğ­ renme aracı kullanılarak, ödevlerin geliştirilmesi müm­ kün olmaktadır. Connect sisteminin hedefi, bu en önemli disiplinin kuramsal ve hesaplamalı yönünü çevrimiçi öğ­ renme yoluyla kavratarak, yeııı bir çağ açmaktır. McGraw-Hıll “Connect Chemistry” bağlantısı öğ­ rencilere ve eğitimcilere gelişmiş bıı dijital ev ödevi de­ neyimi sunmaktadır. Coımect Chemistry sisteminde yer alan her problem, yanlış cevaplar için geıı bildirimlerin yanı sna, özgün ipuçları ile birlikte doğru çözüm metodo­ lojisini içerir. Her bir sorunun doğruluğu iki veya daha fazla kimya profesörü tarafından kontrol edilmiştir. Kitabın yazını ve kimya açısından doğruluğunun bıı kaç kez kontrolüne ek olarak, tüııı problemlerin öğrenciler ve öğretim üyeleri tarafından kontrol edilmesi, tüııı içeıiğiıı doğru olmasını sağlamak için atılmış adımlardır. Tüııı so­ mlar için sağlanan özgün ipuçları ve geri bildirimlerin yanı sıra, sorular öğrencilere ev ödevlerinin içinde değer­ lendirilebilecek olan molekül çizilin konusunda deneyim sağlar. Comıect Chemistry sistemi bilimsel çizim progXXV

XXVI

Önsöz

lamlarının “altın standart’T olarak kabul edilir ve mole­ kül, tepkime ve mekanizma çizimleri ile ilgilenen bılıııı adamları ıçııı köşe taşı uygulaması olan CaıııbridgeSoft’s ChemDraw programını kullanır. Yeııı “Kimya İş Başında” okuma parçaları. Bölüm 7’ye (Kuantıım Noktaları), Bölüm 12’ye (Diyaliz) ve Bölüm 13’e (Faımakokinetikleı) eklenmiştir. Ayrıca Bölüm 6’dakı Beyaz Yağ Hücreleri, Kahverengi Yağ Hücıeleıi ve Obezite Tedavisi, Bölüm 10’dakı Fullerenler ve Grafen ve Bölüm 13’deki Torino Kefeni konusundaki “Kimya îş Başında” olcuma parçaları güncellenmiştir. Connect ve Cheııı Draw programının bu birlikteliği profesyonel düzeyde çızuıı yete­ neklerine sahip kullanımı kolay, sezgisel ve kapsamlı ders yönetimi ve ev ödevi sistemini sunmaktadır. Kavramların Değerlendirilmesi kısımları bölümle­ rin çoğuna yeni eklenmiştir. Bu kısımlar, kavramların öğ­ renciler tarafından anlaşılıp anlaşılmadığının ölçülmesi ıçııı hızlı bıı bilgi testidir. Kavraııılarm Değerlendirilmesi bölümünün cevapları Öğrenci Çözüm Kitabında ve Connect ınternet sitesinde bulunmaktadır. Birçok bölüm ve kesimler yorumcular ve okuyuculardan gelen eleştirilere göre yeniden eklenmiş ve düzenlenmiştir. Bazı örnekler aşağıda verilmektedir: • Bölüm 1- Yeni bir örnek olan Örnek 1.9 Gerçek Dünya Problemlerinin Çözümü için: Bilgi, Varsayımlar ve Basitleştirmeler konusu ile Bölüm 1.10’a yeni olarak eklenmiştir. • Bölüm 3- Sentez konusunda çalışan kimyacıların yan tepkimeleri önlemek için aşırı tepkem nasıl ayarladıklarını gösteren yeni bir örnek. Örnek 3.16’yı içeren Bölüm 3.9’da tekrar düzenlenmiştir. • Bölüm 4- Zayıf iki protoıılu ve üç protoıılu asitleri içeren ıııoleküler ve net iyonik eşitliklerin yazılması konusu yeııı olarak Örnek 4.4’e eklenmiştir. • Bölüm 6- Kabul edilen kullanımlar ile uyumlu ol­ ması için, iç enerji (E) simgesi, U simgesi ile değiş­ tirilmiştir. • Bölüm 7- Kuantıım mekaniği konusuna yeni olarak Örnek 7.6 eklenmiştir. • Bölüm 9- Örnek 9.11 üçüncü periyot ve daha son­ raki periyotlarda bulunan elementleri içeren bileşik­ lerin Lewis yapılarının çizilmesi ve bu yapıların çi­ zilmesindeki tartışmaları açıklamaktadır. • Bölüm 13- Yalancı birinci dereceden tepkimeler ko­ nusu, yeııı bölüm olarak eklenmiştir. • Bölüm 19- Karbon 14 yaş tayininin tıbbı uygulama­ ları genişletilmiş ve güncelleştirilmiştir.

Problem Çözümü Problem çözme becerisinin geliştirilmesi her zaman bu ki­ tabın önemli bir hedefi olmuştur. Problem çözümlerinin öğ­ renilmesi konusundaki iki ana başlık aşağıda verilmektedir.

Çözümlü Örnekler, aşağıda verilen strateji ve çö­

züm basamaklarını içerir. •

Problemi ortaya koyma; soruyu temel alarak prob­

lemin çözümü ıçııı gerekli olan verileri ortaya koy­ maktır. •

İzlenecek yol; Öğrenmenin önemli bıı fonksiyonunu

yerine getirmek için dikkatlice düşünülmüş plan veya yöntemdir. •

Çözüm; verilen bn problemi basamaklı bıı şekilde

çözme sürecidir. •

Kontrol; öğrencilere cevabın makul olduğundan

enıııı olmaları ıçııı kaynak bilgisi ile karşılaştırma ve doğrulama olanağı sağlar. •

Alıştırma; problem çözmeye yatkın olmak için, ben­

zer bir problemi çözme olanağı sağlar. Alıştırmalar elektronik ödev sistemi olan Coııııect sisteminde buhııunaktadır. Kenar notları bölüm sonu problemle­ rinde yer alan benzer problemleri sıralar. Bölüm Sonu Problemleri çeşitli şekillerde düzen­ lenmiştir. Bıı konu başlığı altında, tarama sorularını taki­ ben problemlere yer verilmektedir. Ek problemler bö­ lümü ise daha fazla problemlere yer vermekte ve yeni bir problem türü olan Yorumlama, Modelleme ve Talimin Problemleri ile sona ermektedir. Bölüm sonu problemlerinin ve örneklerinin çoğunda ekstra bilgiler mevcuttur ve bıı kımyacmın çözmesi gere­ ken somları çözmenizi sağlar. Örnek ve problemler, öğ­ rencilere kimya alanında karşılaşılabilecek gerçek prob­ lemleri ve günlük hayattaki uygulamaları çözebilmeleri için yol gösterir.

Görselleştirme Grafikler ve Akış Şemaları bilimde önemlidir. Kimyada

akış şemaları, herhangi bir kavramı açıklayabilmek ve anlayabilmek için, velilerin grafik ya da sıralama ile ve­ rilmesini içerir. Bu baskıda birçoğu yeni olan Problemler ve Kavramların Değerlendirilmesi bölümlerinin önemli bir kısım grafiksel veıileıi içermektedir. Molekül resimleri gereksinimlere göre değişik for­ matlarda verilebilir. Molekül modelleri, atomların tiç bo­ yutlu düzenlenmesinin görselleştirilmesine yardım eder. Elektrostatik potansiyel halitaları moleküllerde elektron yoğunluğu dağılımını göstermektedir. Son olarak, ınakroskopik görseller, mikroskopik görsellere göre öğrenci­ lerin ıııoleküler düzeydeki süreçleri anlamasına yardımcı olur. Fotoğraflar öğrencilerin kimyasal maddeleri tanı­ masına ve tepkimelerin gerçekte nasıl göründüklerini an­ lamasına yardımcı olur. Cihaz şekilleri ise bıı kimya laboratuvarıııdaki uy­ gulamaların görselleştirilmesini sağlar.

Önsöz

Eğitim Destekleri Basamakların Kurulması Her bölüm; Bölüm başlıkları ve Toplu Bakış ile başlar. Bölüm Başlıkları öğrencilere bıı bakışta büyük resmi

görme ve bölümün ana fikirleri üzerine odaklanma imkanı sağlar. Toplu Bakış bölüm içerisinde sunulacak olan

kavramlarm kısaca gözden geçirilmesini sağlar.

XXV11

bölümünün cevapları Öğrenci Çözüm Kitabında ve Coıınect Chemistry ınternet sitesinde çevrimiçi olarak bulunabilir. Bölüm Sonu Problemleri Öğrencileri, eleştirel düşünme

ve problem çözme becerilelim geliştirmeleri için etkinleştirir’. Bu problemler çeşitli türlere ayrılmıştır. • Bölüm Soruları. Problemlerden önce gelen ta­

rama somları, öğrencilerin problem çözme beceri­ lerini sınamak içııı temel kavramlarm anlaşılma­ sını test eder.

Ders Çalışmak îçin Kullanılan Araçlar

• Ek Problemler problemi çözmek için çeşitli bö­

Kimya alanında çok sayıda yararlı yaıdmıcı eğitim araç­ ları bulunur. Bunlar kimyasal kavramlarm anlaşılmasını güçlendirmek ıçııı sürekli olarak kullanılmalıdır.

• Yorumlama, Modelleme ve Tahmin modelleri

Kenar Notları öğrencilerin bilgi tabanını geliştirmek ve

lümlerden ve/veya daha önceki bölümlerden elde edilen bilgileri kullanır.

formülleştirme sanatını ve uygun varsayımlara da­ valı olarak cevapların tahmin edilmesini öğretir.

ipuçları ile geı ı bıldnım sağlamak amacıyla kullanılır. Çözümlü Örnekler alıştırmalar ile birlikte kimyanın

öğrenilmesi ıçııı çok önemli araçlardır. Problem çözme basamakları, kimya alanında başarılı olmak içııı gerekli olan eleştirel düşünme konusunda, öğrencilere yol gösterir. Taslak oluşturulması, problemlerin çözümünde öğrencilerin anlamasına yardımcı olur (Bakınız. Sayfa 238 Örnek 6.1). Kenar, notlarında, bölüm sonu problemleri kısmında yer alan benzer problemler vardır. Alıştırmaların cevapları bölüm sonu problemlerinin sonunda sıralanmıştır. Kavramların Değerlendirilmesi bölüm içinde sunulan

kavramlarm anlaşılıp anlaşılmadığının tespit edilmesini sağlar. Kavramlarm Değerlendirilmesi sorulanımı cevapları, Öğrenci Çözüm Kitabında ve Coıınect Chemistry ınternet sitesinde çevrimiçi olarak bulunabilir. Anahtar Eşitlikler Öğrencilerin dikkatim çekmek içiıı,

arka planı boyalı olarak bölüm içerisinde verilen eşitliklerdir. Anahtar eşitlikler tekrar amacı ile ve çalışma aşamasında ilgili konuya kolay eıişilebihnesi içııı bölüm sonunda da verilmektedir. Olguların ve Kavramların Özeti bölüm ıçıııde ayrıntılı

olarak ele alman kavramlarm hızlı bıı biçimde gözden geçirilmesini sağlar.

Gerçek Hayata Uygunluk Hayatın içinde kimyanın nasıl uygulandığını gösteren il­ ginç örnekler kitap boyunca kullanılmıştır. Soyut kimya­ sal kavramlarm anlaşılmasına yardımcı olmak ıçııı uygun olan yerlerde benzetmeler kullanılmıştır. Bölüm Sonu Problemleri öğrencilerin çözmesi için birçok

koıııı ile ilgili sorular sunar. Örnekler “Yüzme antıanöıieri niçin yüzücülerin kulağına kaçan suyu dışarı çekmek için bazen kulağa bir damla alkol damlatır” veya “Kapağını açmadan gazlı bir içecek şişesindeki basınç nasıl talimin edilir?” gibi konuları içerir. Kimya İş Başında adlı okuma parçaları tüm bölümlerde yer almakta kimyanın günlük yaşamın önemli bıı bölümünü nasıl etkilediğim açıklayan bıı çok gerçek hikayeyi içeren okuma parçalarına yer vermektedir. Öğrenciler dalgıçlığı, nükleer tıp bilimini ve diğer birçok ilginç konuları kimya ile ilişkilendiıen ilginç bilimsel metinler okuyacaklardır. Kimyasal Gizem bölümleri öğrenciye kimyanın gizemim

sunmaktadır ve bir dizi kimya somları sorarak okuma parçalarında verilen kimyasal gizemin nasıl çözülebileceğim gösteren ipuçları vermektedir. Kimyasal gizem, öğrencilere kitap boyunca verilen problem çözme basamaklarını kullanarak yüksek düzeyde eleştirisel düşünme yeteneği kazandım.

Anahtar Kelimeler tüm önemli teıımleıi sıralayarak

öğrencilerin kimya dılıııı anlamalarına yardımcı olur.

Bilginizin Sınanması Kavramların

Değerlendirilmesi bölüm içerisinde

sunulan ve tartışılan kavramlarm anlaşılıp anlaşılmadığının kontrol edilmesini sağlar. Bu

Öğretim Üyeleri ve Öğrenciler için Geliştirilmiş Destekler McGraw-Hill, kimyada, hem öğretim üyeleri hem de öğ­ renciler içııı çeşitli araç ve teknoloji ürünlerini sunmakta­ dır. Öğretim üyeleri 1-800-338-3987’den McGraw-Hill

XXV111

Önsöz

Müşteri Hizmetleri Departmanını arayarak, www.mhhe. com ınternet sitesini ziyaret ederek veya McGraw-Hill satış temsilcisine başvurarak yardım alabilirler.

Öğretim Üyeleri için Mc

Graw

Hill

corned© İCHEMISTRY Featuring CambridgeSoft* ChemDraw

McGraw-Hill ConnectPlus'; Kimya öğrenme sürecim

etkinleştirmek için bilimsel ilkeleri içeren web tabanlı, ınteıaktıf ödev ve değerlendirme platformudur. CambıidgeSoft’s ChemDraw; “Connect Chemistry” sis­ temi içinde yer alan kimya ile ilgili çizim aracıdır ve bi­ limsel çizim programlarının “altın standart’’ı olarak kabul edilen molekül, tepkime ve mekanizma çizimleri ıçııı bıı köşe taşıdır. Connect ve Clıeın Draw programı, profes­ yonel düzeyde çizim yeteneklerine sahip, kullanımı ko­ lay, sezgisel ve kapsamlı ders yönetimi ve ev ödevi sis­ temi sunmaktadır. Bu kitapta yer alan Bölüm Sonu Problemleri, Comıect Chemistry internet sitesinde, öğretim üyeleri içinde mevcuttur. Öğretim üyeleri var olan soınlaı ı tekrar düzenleyebilirler, tamamen yeııı somlar oluşturabilirler. Problem, ödev ve kavram ile öğrencilerin bireysel perfor­ mansını izleyebilir, öğrencilere anında geri bildirim sağ­ layabilir, sonuçları güvenli bir şekilde çevıimıçi olarak saklayabilirler. Sınıf çalışmaları, WebCT ve Blockboard gibi öğrenme yönetim sistemleri ile kolayca bütünleştiri­ lebilir. Öğretim üyeleri Comıect sistemi ile yeııı mater­ yaller oluşturarak bunları meslektaşları ile paylaşabilir. Daha fazla bilgi için McGraw-Hill temsilcisine danışabi­ lir ve www.incgrawhillconnect.com/chemistiy ınternet adresine başvurabilirsiniz. Eğer siz veya öğrencileriniz geleneksel ders kitapla­ rının e-kitap gibi alternatif versiyonlarını kullanmaya ha­ zırsanız, McGraw-Hill yayınevi Comıect Plus ile size başka bir seçenek sunmaktadır. McGraw-Hill’de yer alan e-kıtaplaı akıllı, ineraktif, aranabilir ve taşmabiliıdir. Bu kitaplar ayrıntılı arama, vurgulama, not alına ve öğretici ile öğrenci arasında not paylaşımına izin veren güçlü bıı sistemdir. Buna ek olarak kimya açısından oldukça zen­ gin olan bu e-kıtap kaynağı; gerçek bir multmıedya öğ­ renme deneyimi için ders kitabı içeriğine uygun animas­ yon ve videolar ile donatılmıştır.

LearnSmart McGraw-Hill LearnSmart™ yapay zekaya dayanan,

ders materyalleri ile sürekli olarak bilginizi değerlendiren, Comıect Chemistry tarafından desteklenen uygulamalı bir öğrenme sistemidir. Sistem ile birlikte çalıştığınızda, LeamSmaıt sizin ıçııı hangi bilgilim aktif olarak öğr enil­ diğini ve konınduğunu gösteren uyarlanmış kişisel bir öğ­ renme yolu geliştirir. Ayrıca bu yenilikçi çalışına aracı, ödevler içııı başarıyı kademeli olarak ölçen yerleşik bir değerlendirmedir. Öğretim üyesi ıçııı duıuıııu tam olarak değerlendirebilme özelliklerine sahiptir. Genel Kimya içııı LearnSmart uygulamasına www.mcgrawliillconncet.com/ chemistry internet adresinden erişebilirsiniz.

Dünyanın En İyi İkilisi

—© C3

“McGraw-Hill Higher Education” ve “Blackboard” birlikte çalıştı. Web tabanlı ders yönetim sistemi olan BlackBoard®,

yüz yüze eğitimi tamamlamak ve çevrimiçi materyalleri ile etkinliklerin öğrenci ve öğretim üyeleri tarafından daha verimli kullanılmasını sağlamak ıçııı, McGraw-Hill ile ortaklığa girmiştir. BlackBoard sistemi daha mantıklı, görsel olarak daha etkileyici ve daha etkin öğrenme fiısatlarmı teşvik eden heyecan verici sosyal öğrenme ve öğretme araçlarına sahiptir. Bu ortaklık; size ve öğrencilerinize Blackboard ders sistemi içerisinde, McGraw Hill Coıuıect and Create sayfasmıda, tek bıı oturum açma hakkı ile bağlanma imkanı sııııaı. Connect and Create sistemi ile sadece tek oturum açına hakkı değil aynı zamanda Blackboard içinde bulu­ nan McGraw-Hill içeriğine ve içerik motorlarına ulaşma olanağı da bulursunuz. Dersiniz için bıı kitap seçeceğiniz zaman veya Comıect sisteminde bir ödev oluşturacağınız zaman, ihtiyacınız olan tüm kaynakları Blackboard sis­ temi içinde bulacaksınız. Ders kitapları kesintisiz bıı şekilde sistemde yer al­ maktadır. Bıı öğrenci bütünleştirilmiş Comıect sistemi ile ev ödevim tamamladığında, bu ev ödevi içııı ııohı kendi­ liğinden ve anında Blackboard sınıf merkezine aktarılır. McGraw-Hill ve Blackboard size lider endüstri tek­ nolojileri ve içeriğine kolaylıkla erişebilme olanağı sağ­ lar. Daha fazla bilgi için McGraw-Hill temsilcisine danı­ şabilirsiniz. Mc

Graw Hill

Oegrity.

McGraw-Hill Tegrity' öğrenciler ders çalışırken veya

ödevlerim tamamlarken, tekrar yapmaları içııı her dersi otomatik olarak bulmaktadırlar. Bu sistem basit im tık-

Önsöz

lama işlemi ile, başlatarak, durdurarak veya kaydederek işlem yapan günün her saati için sınıf ortamı oluşturan bıı hizmettir. Bilgisayar ekranınızda yer alan tüm görüntüyü ve ilgili sesleri kaydedebilirsiniz. Tegıity; bilgisayarınıza kaydettiğiniz slayt sunumlarınızı ve diğer materyallerinizi dızııı haline getiril ve böylece öğrenciler çalışmak istedik­ leri konuyu bulmak için anahtar kelimeleri kullanabilir ler.

Özelleştirilebilir Ders Kitapları: Create Hill

Sadece hayal ettiklerinizi oluşturun. Yeni bir web sitesi olan McGraw-Hill Create114; McGraw-Hill üzerinden kapsamlı ve disiplinler arası içeriklerin düzenlenmesi ile basılı veya e-kıtap şeklinde özel ders materyalleri oluş­ turmanızı sağlar. Hızlı ve kolay bir şekilde içeriğinizi ek­ leyin. Daha soıua bu ders ıçııı en mantıklı yol ile içeriği düzenleyin. Hatta ders İsını ve bilgileri ile birlikte kitabı­ nızı özelleştirebilirsiniz. Dersiniz içııı en iyi formatı se­ çin: renkli baskı, siyah beyaz baskı veya e-kitap. Günümüzde e-kitaplar iPad üzerinden de görtiııtüleııebılıııektedir. Kitabınızın özelleştirme işlemim bitir diğinizde, bıı kaç dakika içinde ücretsiz bn PDF kopyasını alabilir­ siniz. Bugün McGraw-Hill Create sayfasını —www. mcgrawhillcreate.com— ziyaret edin ve mükemmel bir kitap oluşturmaya başlayın.

Sunum Merkezi Sunum merkezi elektronik kitap görüntüleri ve öğretici­ ler içııı gerekli materyallerden oluşan eksiksiz bıı settir. Eğitim materyallerinizi istediğiniz yerde, istediğiniz za­ man, istediğiniz şekilde oluşturabilirsiniz. Ders kitabını­ zın Comıect ınternet sitesinden erişilen suııuııı merkezi; kişisel ders notları, görsel geliştirilmiş testler ve sınavlar, zorlayıcı dersler veya ilgi çekici ders materyalleri hazırla­ mak için kullanılabilecek fotoğraflar, resimler, animas­ yonlar ve diğer medya türlerim içeren çevrimiçi dijital bir kütüphanedir. Bütün sunumların telif hakları McGrawHill Higher Education1 a aittir ancak sınıf oıtammda eği­ tim amaçlı olarak eğitimciler tarafından kullanılabilir. Bu basımda yer alan görsel kaynaklar aşağıda verilmektedir: • Resim Kitapta yer alan tüm resimleri içeren tam renkli dijital dosyalardır. • Fotoğraflar Fotoğraf dosyası kitapta yer alan fotoğ­ rafların dijital dosyalarını içeril’. • Çizelgeler Kitapta yer alan her çizelge elektronik olarak mevcuttur. • Animasyonlar Önemli süreçleri açıklayan çok sa­ yıda renkli animasyonlar ayrıca verilmektedir. •

Slayt, Ders Notları Kitapta her bil’ bölüm için hazır

sunumlar mevcuttur.

•

XXIX

Slayt Sunumları Her bölüme ait çizim, fotoğraf ve

çizelgeler önceden boş olan PowerPoint slaytlarına eklenmiştir.

Coıınect ınternet sitesinin öğreticiler için hazırlanmış ol­ duğu Library sekmesinden Sunum Meıkezi’nin dinamik arama motoru ile ders kitapları ve bölümlerim anahtar kelimeler ile bulabilirsiniz.

Çevrimiçi Elektronik Test Bankaları Kapsamlı test sorusu bankası, öğreticilere herhangi bıı yerde, herhangi bir zamanda soru hazırlamaları veya mevcut soınlaıa ulaşmaları için olanak sağlar. Öğreticiler hızlı ve kolay bir şekilde test hazırlamak için yeni soru oluşturabilir veya mevcut somları düzenleyebilirler. Testler çevrimiçi dersler veya basılı ödevler içııı yayınla­ nabilir.

Öğreticinin Çözüm Kitabı Cnıickshank (Northem Arizona University), Rayıııond Chang ve Keıı Goldsby tarafından yazılmıştır. Tüm bölüm sonu problemlerııım çözüıııleıi bu kitapta veıilımştır. Kitapta ayrıca her problemin zorluk seviyesi ve türü belirtilmiştir. Bu ki­ tap çevrimiçi olarak ders kitabının Coıuıect Library site­ sinde bulunmaktadır. Öğretici çözüm

kitabı, Bıaııdon J.

Öğretici’nin El Kitabı Öğretici el kitabı, her bölümün içeriğinin kısa bıı özetim, öğrenme hedefleri ve öğretim ipuçları ile birlikte veril’. Bu el kitabı çevrimiçi olarak ders kitabının Coıınect Library sitesinde buluımıaktadır.

Öğrenciler İçin Öğrenciler kendi yerleşke kitapevleıiııe başvurarak, 1-800-262-4729 numaralı telefonu arayarak veya www. shopmcgraw-hill.com adresinden çevrimiçi olarak ek ça­ lışma malzemelerini sipariş edebilirler. Öğrencilere kimya öğrenme deneyimini en üst dü­ zeye çıkarmak için tasarlanmış olan aşağıdaki seçenek­ leri sunuyoruz:

connect’

İCHEMISTRY Featuring CambridgeSoft® ChemDraw

McGraw-Hill Connect® Chemistry ile öğrenciler bu

ders kitabında öğrendikleri problem çözme yöntemleri­ nin aynısını kullanarak, pratik yapabilirler. Algoritmik

XXX

Önsöz

problemler, içeriğe hakim olmak ıçuı verilen benzer prob­ lemlerin birçok versiyonunu sunar ve yaygın olarak veri­ len yanlış cevaplar için ipuçları ve geri bildirimler ile öğ­ rencilere yol gösterir. Uygun olduğu yerde, öğrenciler ev ödevlerinde doğrudan CambıidgeSoft’s ChemDraw programını kullanarak, kimya ile ilgili çizinden profes­ yonel düzeyde doğru bir şekilde öğreneceklerdir.

LeamSmart McGraw-Hill LearnSmart™ yapay zekaya dayanan,

ders materyalleri ile sürekli olarak bilginizi değerlendiren, ve Coıuıect Chemistry tarafından desteklenen uygulamalı bir öğrenme sistemidir. Sistem ile birlikte çalıştığınızda. LearnSmart hangi bilgilini aktif olarak öğrenildiğini ve konulduğunu gösteren uyarlanmış bir kişisel öğrenme yolu geliştirir. Ayrıca bu yenilikçi çalışına aracı, ödevler için başarıyı ölçen yerleşik bıı değerlendirme ile birlikte, öğretim üyesinin dununu tam olarak değerlendirmesini sağlayan özelliklere sahiptir. Genel Kimya için LeamSmart uygulamasına www.mcgrawhillconncet.com/chemistiy ınternet adresinden erişebilirsiniz.

Teşekkür Bu kitabın lıazuiaıunasında yorumlan ile bize katkıda bu­ lunan aşağıdaki meslektaşlarımıza teşekkürü bıı borç bi­ liyoruz:

William K Adeniyi North Carolina Agricultural and Technical State University Rachel J. Allenbaugh Murray State University Yiyan Bai Houston Community College Mufeed M. Basti North Carolina Agricultural

and Technical State University Sluihsien Batamo Houston Community College

Ilan Benjamin University of California-Santa Cruz

Jolui Blaha Columbus State Community College

Stuart Burris Western Kentucky University Tabitha Ruvarashe Cliigwada West Virginia University Guy Dadson Fullerton College Jay Deiner New York City College of Technology Jerome Delhonunelle University- ofNorth Dakota

Fredesvinda Dura New York City College of Technology Jahangir Ernrani North Carolina Agricultural

Öğrenci Çözüm Kitabı

and Technical State University

Öğrenci çözüm kitabı Brandon J. Cruıckshank (Northern Arizona University), Raymond Chang ve Ken Goldsby tarafından yazılmıştır. Bu kitap ders kıtabmda yer alan çift sayılı problemlerin ayrıntılı çözümleri ve açıklamala­ rını içerir. Bu çözüm kitabı ayrıca farklı problem türleri üzerine ayrıntılı tartışmalar sunar. Kimya problemlerin çözümü için yeni yaklaşımlar ve kitapta yer alan bölüm sonu problemlerinin çoğu için çözüm stratejileri sunar. Birlikte çözümler içerir. Yorumlama, Modelleme ve Tahmin başlığı altında verilen problemlerin çözümleri bu kitapta yer almamaktadır.

Theodore Fickel Los Angeles Valley College Sheree J. Finley Alabama State University

Öğrenci Çalışma Rehberi Bu rehber, öğrencilerin problem çözme becerilerini uygu­ lamaya dökmelerine yardımcı olmak için, önemli yar­ dımcı malzemeler içerir. Yazar her bölüm ıçııı çalışmanın amacı ve ilgili metnin özetini sunmuştur. Özetin ardından detaylı çözümler ile birlikte örnek problemler yer alır. Her bölüm doğnı-yanlış soıulaı ı ve kendi kendim test bö­ lümlerini içerir, tüm soruların cevapları bölüm sonunda verilmiştir.

Jason F. Fuller Eastern Kentucky University Eric Goll Brookdale Community’ College

Byron Howell Tyler Junior College Mark D. Keränen University’ of Tennessee-Martin Edith Kippenhan University of Toledo

James F. Kirby Quinnipiac University Evguenii Kozliak University’ ofNorth Dakota

Michael Langoh, Tarrant County’ College

Estelle Lebea, Central Michigan University’ Joan Lebsack Fullerton College Douglas R Linder Southwestern Oklahoma

State University

Karen Lou Union College Mary K. Lovato J. Sargeant Reynolds Community’ College

Yin Mao Camden County’ College Angela McGiurk Central Michigan University Demiis McMinn Gonzaga University’

MP3/iPod’lar için Animasyonlar

Jeremy T. Mitchell-Koch Emporia State University’ Svetlana Mitrovski Eastern Illinois University’

Kitaba ait Coıuıect ınternet sitesi aracılığı ileMp3/iPoD’unuza indirebileceğiniz çok sayıda animasyon mevcuttur’.

David Nachman Mesa Community College

Önsöz

Elijah Nyairo Alabama State University

Manoj Patil Western Iowa Tech Community College Les L. Pesterfi eld Western Kentucky University Karla Radke North Dakota State University Michael E. Rennekanip Columbus State Community College

Anin Royappa University of West Florida Diana Samaroo New York City College of Technology

Mark Scliraf West Virginia University

Rhodora Snow J. Sargeant Reynolds Community College David Son Southern Methodist University

Lothar Stahl University ofNorth Dakota Jeffrey Temple Southeastern Louisiana University

Kristofoland Varazo Francis Marion University Cheryl B. Vaughn Columbus State Community College Anthony Wren Butte College

Wei Zhou Southern Polytechnic State University Şöyle Bağlayalım: Bu Kimya kitabı şu isımleıin büyük çabalarıyla oldukça zenginleştirildi. Yasının Patell. Kansas State University; MaryKay Orgill, University of Nevada—Las Vegas; Mirela Krichten. Die College of New Jersey. Yukarıdaki isimler ipuçlarını yazmada, ödev problemlerinin çoğaltılmasında ve geri bilgi akışının sağ­ lanmasında, ustaca görev yaptılar. Aşağıdaki isimler LearnSmart for General Chemistry’de hedef odaklı içeriklerin zengiııleştiıibnesi

XXXI

için yazma ve gözden geçirmede katkıda bulundular: Margaret Ruth Leslie, Kent StateUniversity; David G. Jones, North Carolina Central University; Erin Wliitteck; Margaret Asiivatham, University of Colorado—Boulder; Alexander J. Seed. Kent State University; Benjamin Martin, Texas State University—San Marcos; Claire Cohen, University of Toledo; Manoj Patil. Western Iowa Tech Community College; Adam I. Keller, Columbus State Community College; Peter de Lijser, California State University—Fullerton; Lisa Smith, North Hennepin Community College. Çalıştığım Williams Collage ve Florida State’deki meslektaşlarınım, yurt içi ve yurt dışındaki eğitimcilerin değerli görüşlerinden faydalandım. Me Giaw-Hill’s Collage’nin aşağıdaki elemanlarına verdikleri desteklerden dolayı şiikıanlarımızı sunmak is­ tiyoruz: Tammy Ben, Annette Doerr, Kara Kudronowicz, Marty Lange, Thomas Tınıp, Scott Stewart ve Kurt Strand. Özellikle kitabın üretim danışmanlığı için Sandy Wille’yi, dizaynı için David HaslıT, fotoğraflar için John Leland’i, Medya için Judı David ve pazarlama müdürü Taıııi Hodge’ı burada anmak isteriz. Ayrıca sponsor edi­ törümüz Jeff Huetnıann’a ve yayıncını Ryan Blankenship’e tavsiye ve desteklen için teşekkür ederiz. Son olarak bu baskının her aşamasında büyük bir heves ve dikkatle denetim görevi yapan geliştirme Editörü Shirley Oberbroeclıling’e özel teşekküllerimizi sunarız. —Raymond Chang ve Ken Goldsby

Öğrenme Basamaklarının nlenmesi Gerçek Hayatla ilgili Kimyanın günlük yaşamdaki uygulamaları ile ilgili ilginç örneklere kitap boyunca yer verilmiştir. Soyut kimyasal kavramların anlaşılmasına yardımcı olmak için benzetmeler kullanılmıştır. Kimya İş Başında adlı okuma parçaları, çok değişik başlıklarla her bölümde yer al­ makta, her biri kimyanın hayatmıızı nasıl etkilediğim vurgulamaktadır. Öğrenciler tüplü dalış, nükleer tıp bilimi ve diğer bir­ çok ilginç bilimsel konuları buralardan öğ­ Nefes Analiz Cihazı (Alkolmetre) irleşik Devletlerde her yıl içkili araç kullanılın somcu renebilirler. 25000kişi ölmekte \c .500000kçi de yarahıunaktadır. İlci­

B

ne kadar toplum alkollü araç kullanmanın tclılikclcn ile ilgili olarak eğitilmeye çalışılsa da, alkollü araç kullanma için ağır­ laştırılmış sert eczalar olsa da, alkollü sünicülcnn Amerika kamyollannkuı meıkkç tırılımsı için yasa uygjılayıcılann dalıa ciddi önlemler alınılan gerekmektedir. Polislcı; sarlıcş olduğundan şüplıclcnilcn sülüdiicri kont­ rol etmek için çoğunlukla nefes analiz cihazı yani alkolmctvc adı verilen bir cihaz kullaımlar. Bu cihazın kimyasal temeli bir rodoks tepkimesidir. Bu işlemde, süriidiıiin nefesi üfleme ile bir alkolmctıvyv ahun ve burada asidik potasyum dikıoımt çözeltisi ile etkileşime girer. Aşağıda gösterilen eşitlikte olduğu gibi, nefesteki alkol (etanol) asetik atidedöıiışür

3c:ii,cii,oh + utıuaıl

2K£rA

+

Kimyasal Gizem bölümleri öğrenciye gi­

8U£O< —♦

pıtuyınıı ■lıltııııuıl

Qt tiıriıdırivı kvxxiı>i n№d içtvfö

Illtl'ıuıi

i« il

lir ,ih:inxAc dİAiailn Anaf

nHnxAkxA/.

(Itılaltaı■ ı ı:ııpıılu)

3CII£OOII luelûıutt

-20,(304),

-2^30,

ianıı(IIl) inlini (ytfil)

]a>twyıuu

+

lllip

Şekil 422). Bu renk değişiminin seviyesi dahi önceden kalibre edilmiş cihazları okunarak, süriicüıiin karandaki alkol onun hızlı bir biçimde belirlenir. Kandaki yasal alkol sının kütlece yüzde 0,08’dir. Bundan daha tozlan sarhoşluğa neden olur.

inlini

Bu tepkimede etanol asetik aside yükscltgcııir ve dikıoımttaki lunmcu-san krom (VI), yeşil kıom(lll) iyonum dönüşür (bak.

A№ain>t4/tY»f>

çrvt*ı‘iA

zemli bir olay sunar. Kimya ile ilgili bıı dizi sorular sorarak gizemin nasıl çözüle­ bileceğim gösteren ipuçları sağlar. “Kimyasal Gizem” kitap boyunca verilen problem çözme adımlarını kullanarak, öğ­ renciyi yüksek düzeyde eleştirel düşün­ meye sevk eder.

gâattvi/ni.

Sd sıiAMvı tfağnıdiv> gctltvv. l'tVm r.nJtvv olfıİKinkd.'ivıp

ğv> d.ign h>i< vxı seçrv.

Işık kaynağı

Filtre

Fotoscl detektörü

çözeltisi

Tepkime başlamadan önce

• o

Görselleştirme

% *

Moleküler Sanat

Grafikler ve Akış Şemaları

P (atm)

a Tepkime tamamlandıktan sonra

® H2 XXXII

CO

CH3OH

Öğrenme Basamaklarının Düzenlenmesi

XXX111

Anahtar Eşitlikler ±U=q+w

(6.1)

Termodinamiğin birinci yasasının matematiksel ifadesi.

w = -PbV

(6.3)

Gaz genleşmesi veya gaz sıkıştırılmasında işin hesaplanması.

H=U+PV

(6.6)

Entalpinin tanımı

AZZ=At/+Z>A/

(6.8)

Sabit-basınç işlemi için entalpinin (veya enerji) hesaplanması.

C = ms

(6.11)

Isı kapasitesinin tanımı.

q = /msAZ

(6.12)

Özgü I ısı y a day an 11 arak ı sı değeri n i n hesaplan m ası.

q = CM AZ/tccp = SnAH^Xürünler) - SmAHâ( tepken ler)

(6.13) (6.18)

Isı kapasitesine dayanarak ısı değişiminin hesaplanması.

AZZçözdti = U + A//hid

(6.20)

Örgü enerjisi ve h i dr ati aşmanın çözelti ısısına katkısı.

Standart tepkime entalpisinin hesaplanması.

••

Olguların ve Kavramların Özeti Eğitim Destekleri

Analıtaı Eşitlıkler-Bılgiııin kalıcılığını sürdürmek için gerekli eşitlikler

Olguların ve Kavramların Özeti-Önemli kavramların hızlı bir şekilde gözden geçirilmesi. Anahtar KelimelerKonuyu anlamak için ge­ rekli olan önemli terimler.

1. Enerji iş yapabilme kapasitesidir. Birçok enerji türü vardır ve bunlar birbirine dönüşebilirler. Enerjinin ko­ runumu yasası evrenin toplam enerjisinin sabit oldu­ ğunu belirtir.

2. Çevreye ısı veren bir süreç ekzolermik, çevreden ısı alan bir süreç ise endotermik olarak adlandırılır. 3. Bir sistemi tanımlamak için, bileşim, hacim, sıcaklık ve basınç gibi değişkenler kullanılır. 4. Sistemin hal fonksiyonundaki değişiklik, sistemin ilk ve son haline bağlı olup, izlenen yola bağlı değildir. Enerji bir hal fonksiyonudur, ancak iş ve ısı hal fonksi­ yonu değildir. 5. Termod nam iği n birinci yasasına göre, enerji yoklan var edilemez, varken yok edilemez. Ancak enerji bir şekil­ den başka şekle dönüşebilir. Kimyada genel olarak ısı enerjisi, elektrik enerjisi ve mekanik enerji ile ilgilenilir ve bunlar genellikle basınç-hacim işi ile ilişkilidirler. 6. Entalpi bir hal fonksiyonudur. Entalpi deki değişim (AZZ) sabil-basınçla /\U 1 Z’AF’ye eşittir.

7. Entalpi değişimi (AZZgcnelliklc kilojoule olarak verilir) sabit bası nçta tepkim e (veya başka bi r süreç) ısı sının öl çüsiidür.

8. Fiziksel ve kimyasal işlemlerde ısı değişimlerini ölç­ mek için sabil-hacim ve sabit-basınç kalorimetreleri kullanılır. 9. Hess yasasına göre bir tepkimenin entalpi değişimi, bu toplam tepkimeyi oluşturan basamakların entalpi deği­ şimleri toplamına eşittir. Bir tepkimenin standart en­ talpi değişimi, tepkimeye giren ve çıkan maddelerin oluşum cni al pil erinden bulunabilir. 10. Standart tepkime enlalpisi, tepkeni erin ve ürünlerin standart oluşum en lal pil erinden hesaplanabilir. 11. İyonik bir bileşiğin sudaki çözünme ısısı, bileşiğin örgü enerjisi ile hidratlaşma ısısının toplamıdır. Bu iki bü­ yüklüğün birbirine göre büyüklüğü çözünme işleminin endotermik veya ekzolermik olmasına bağlıdır. Seyrelme ısısı, bir çözelti seyrel ti kliğin de salman veya alınan ısı dr.

Anahtar Kelimeler Açık sistem, s. 232 Çevre, s. 232 Çözelti enlalpisi (AZZ(yc), s. 260 Çözelti ısısı (A/Z^), s. 260 Ekzolermik olay, s. 233 Endotermik olay, s. 233 Enerji, s. 231 Enerjinin korunumu yasası, s. 231 Entalpi, s. 241

Hal fonksiyonu, s. 234 llesss Yasası, s. 256 I lidratlaşma ısısı, s. 262 Isı enerjisi, s. 231 Isı kapasitesi (C*), s. 247 Isı, s. 232 Işıma enerjisi, s. 23 I İş, s. 231 Kalori m elh, s. 246 Kapalı sistem, s. 232 Kimyasal Enerji, s. 231

Örgü enerjisi ((/), s.261 Özgül ısı (s), s. 247 Potansiyel enerji, s. 231 Seyrelme ısısı, s. 262 Sistem, s. 232 Sistemin hali, s. 234 Sistemin hali, s. 234 Standart hal, s. 254 Standart oluşum enlalpisi (AZZ°ol), s. 254

Chang Öğrenme Sistemi Edindiğiniz bilgilerle bu hızlı testi cevaplayarak bölüm içeriğini gözden geçiriniz. Kavramlaruı D eğerle ndirilm esi (a)’da gaz halinde gösterilen tepkenlerden başlayarak tepkime için bir eşitlik yazınız, (b) - (d) arasında verilen durumlardan hangisinin sınırlayıcı bileşenle birlikle tepkimeyi gösterdiğini belirleyiniz.

Standart tepkime enlalpisi (AZrlcp), s. 255 Tepkime enlalpisi, s. 242 Termodinamiğin bi ri nci yasası, s. 234 Termodinamik, s. 234 Termokimya, s. 232 Termokimyasal eşitlik, s. 243 Yalıtılmış sistem, s. 232

Öğıeımıe Basamaklarının Düzenlenmesi

XXXIV

Aşağıdaki asit-baz tepkimeleri için moleküler, iyonik, net iyonik eşitlikleri yazınız. (a) hidrobromik asil (suda) + baryum hidroksil (suda) —> (b) sülfürik asil (suda)+ potasyum hidroksil (suda) —>

izlenecek Yol İlk yapılacak iş, asit ve bazları kuvvetli veya zayıf olarak tanımlamaktır. HBr’ün kuvvetli bir asil, H2SO4’in iyonlaşmanın ilk basamağında kuvvetli ikinci basamağında ise zayıf asil olduğunu görmüştük. Hem Ba(OH)2 hem de KOH kuvvetli bazdır.

Çözüm (a) Moleküler eşitlik:

2HBr(s«d BaBr2(suda) + 2H2O(s) İyonik eşitlik :

2H+(suda) + 2Br

+ Bu2+(suda) + 2OH (suda) ----- > Ba‘'(.swda) + 2Br (suda) + 2H2O(s)

Net iyonik eşitlik:

2H+(su H2O(i)

Problem çözme yöntemim, çözüm aşamaları olan “izlenecek yol, çözüm ve çözüm yolunuzu kont­ rol” basamaklarını izleyerek öğreniniz.

Yukarıda, hem Ba2‘ hem de Br gözlemci iyonlardır. (b) Moleküler eşitlik:

H2SO4(swJ«) + 2KOH($wda) ----- > K2SO4(sud 2K~ (suda) + SO2 (suda) + 2H2O(5) Net iyonik eşitlik:

H*(.vuJa) + HSO7(5Mfita) + 2OH"(5wJ«) ----- > SO4“(swfita) + 2H2O(s) IISO4 ın zayıf asil olduğuna ve suda fazlaca iyonlaşmadığına , K' nın sadece gözlemci iyon olduğuna dikkat ediniz.

Alıştırma Fosforik asit ve sodyum hidroksilin sulu çözeltileri arasında gerçekleşen tepkime için moleküler, iyonik ve net iyonik eşitlik yazınız.

Problem çözme yaklaşmılarmı, günlük hayattaki problemler için kullanınız. Sizleıe tıpkı bıı kimyager gibi problem çözme fırsatı sağlayan “Yorumlama, Modelleıııe ve Tahmin” soru­ ları, elinizdeki Kimya kitabında (11. baskı) 4.172

yer alan yemliklerden biridir.

Potasyum süperoksit (KO2) solunum ekipmanla­ rında yer alan faydalı bir oksijen kaynağıdır. Potasyum süperoksit su ile potasyum hidroksit, hid­ rojen peroksit ve oksijen oluşturmak üzere tepki­ meye girer. Ayrıca, potasyum süperoksit karbondi­ oksit ile tepkimeye girerek potasyum karbonat ve oksijen oluşturur, (a) B11 iki tepkime için eşitlikleri yazınız, potasyum süperoksitin uygulamadaki etkin­ liği hakkında yorum yapınız, (b) Sadece KO2 ve CO2 arasındaki tepkimede yoğunlaştığımızda, kirli bir çevrede bulunan işçinin 30 dakika çalışmaya de­ vam edebilmesi için ihtiyaç duyacağı KO2 miktarını bulunuz. Faydalanılacak bilgi için Problem 1.69’ a bakınız.

Öğrenme Basamaklarının Düzenlenmesi

XXXV

•• •• Connect Chemistry ile Öğrencilerin Öğrenmesi Mc Grauv Hill

connect*©

İnteraktif öğrenme platformu olan McGraw-Hill ConnectPlus® otoma­ tik ve aşamalı değerlendirmeler, kişiselleştirilebilir e-kitaplar ve öğ­ renme çıktıları ile zorluk düzeyleıiııe karşı etkin bıı uygulama sağlar.

İCHEMISTRY

Featuring CambridgeSofts ChemDraw

İhtiyacınız Olan Her Şey... Tek Bir Yerde!

OUIDED SOLUTION:


3) oluşumunun basitleştirilmiş bir moleküler görünümü. İşlem, geıçekte su gerektirir ve pas su moleküllerini de içerir.

1.3 Bilimsel Yöntem Sosyal bilimler de dahil olmak üzere, tüm bilim alanlarında, değişimlerin izlenmesin­ de araştırma için sistematik bir yaklaşım olan bilimsel yöntem uygulanır. Örneğin, sesin insanların kimya öğrenme yetisini nasıl etkilediğini bilmek isteyen bir psikolog ve hidrojen gazının havada yanması durumunda açığa çıkan ısının ölçülmesi ile ilgi­ lenen bıı kimyacı, araştırmalarını yürütmek için aşağı yukarı aynı basamakları takıp ederler. Her ikisinde de ilk adım, sorunun dikkatli bir şekilde belirlenmesidir. Takip eden adımda, inceleme altına alınan ve adma sistem demlen evren parçası ile ilgili deneyler ve dikkatli gözlemler yapılır, bilgiler ya da veriler kaydedilir. (Bu örnekler­ de psikologun çalıştığı sistem bir grup insan iken, kimyacının çalıştığı sistem hidro­ jen ile hava karışımıdır.) Bir araştırmada elde edilen veriler sistem lıakkındaki genel gözlemlerden oluşan nitel değerler olabileceği gibi, nicel yani sistemin çeşitli ölçümleri sonucunda elde edilen sayısal değerler de olabilir. Kimyacılar, ölçme sonuçlarını ve gözlenilelim kay­ dederken çoğunlukla standart simgeler ve eşitlikler kullanırlar. Bu gösterim şekli, sadece kayıtlanıl tutulma sürecim basitleştirmez, aynı zamanda diğer kimyacılarla ile­ tişim ıçııı ortak bir temel oluşturur. Deneyler tamamlanıp veriler kaydedildikten soıua, bilimsel yöntemdeki bir son­ raki admı sonuçların yorumlanması, yanı bilim insanının gözlemlediği olayı açıkla­ masıdır. Araştırmacılar, bir gözlem kümesi için geçici bir açıklama yapmak üzere, top­ lamış olduğu veıileıe dayalı bir hipotez oluştururlar. Hipotezin geçerli kılınması için mümkün olduğunca çok sayıda ilave deneyler tasarlanır ve süreç yemden başlar. Şekil 1.3’te bir araştırına sürecinin ana adımları özetlenmiştir. Yeterli miktarda veri toplandıktan soma elde edilen bilgiler kısa ve öz bir şekil­ de, bil’ yasa olarak özetlenir. Bilimde bir yasa, olaylar arasındaki bir ilişkinin özlü söz veya matematiksel bir ifadesi olup, aynı şartlar altında lıer zaman aynıdır. Örneğin, lise fen derslerinden hatulayacağmız, Sir Isaac Newton’un ikinci hareket

1.3 Bilimsel Yöntem

Gözlem

1---------- 1

Temsil

w

Yorum

t___ Şekil 1.3 Kimya ve kimya ile ilgili konuların çalışılması üç aşamalıdır. Gözlem, makroskopik dünyadaki olaylarla ilgilidir, atomlar ve moleküller mikroskopik dünyayı oluşturur. Temsil, Bir deneyi simgeler ve kimyasal eşitlikler yardımıyla ifade edebilmek için yapılan bir bilimsel kısaltmadır. Kimyacılar gözlemledikleri bir olayı açıklamak için atom ve moleküllerle ilgili bilgilerini kullanırlar.

yasasında kuvvetin kütle ile ivmenin çarpımı (F = ma) olduğunu söylediği gibi. Bu yasanın anlamı, her zaman içııı bıı maddeye etki eden kuvvet, kütle ya da ivmenin artması ile orantılı olarak artar, aynı şekilde kütle ve ivmeıuıı azalınası ile azalır. Hipotezler, birçok deneysel çalışmalardan soma geçerliliği saptanarak kuramlar haline getirilir. Kuram, herhangi bir olay ve/veya bu olayın temelini oluşturan yasa­ larla ilgili belirli bir ilkeyi açıklar. Kuramlar da devamlı test edilmelidir. Eğer bıı kuıaımn doğru olmadığı deneylerle gösterilirse, ya bu kuramdan vazgeçilmeli ya da düzeltilerek deneysel gözlemlerle uyumlu hale getirilmelidir. Bir kuıaımn doğrulan­ ması ya da yalanlanması yıllar alabileceği gibi, gerekli teknolojinin yeterli olmaması halinde asırlarca da sürebilir. Bölüm 2’de üzerinde duracağımız “atom kuramı” buna bıı örnektir. Kimyanın temel ilkelerim belirleyen bu kuıaımn Yunanlı bıı düşünür olan Deıııocritus tarafından ileri sürülmesinden doğrulamasına kadar gecen süre 2000 yıl­ dan fazladır. Daha güncel bıı örnek. Sayfa 6’da tartışılmış olan, evrenin oluşumuna ilişkin Büyük Patlama kuramıdır. Bilimsel gelişmeler, çok seyrek olarak kuralına uygun bıı şekilde adım-adım olur. Bazen bıı yasa bıı kuıaımn gelişmesini sağlarken bazen de tersi olur. İki bilim insa­ nı tamamen aynı amaca yönelik bıı konu üzerinde çalışmaya başlayıp, sonunda büyük ölçüde farklı yaklaşımlara varabilirler. Bilim insanları da her şeyden önce insandır. Çalışına ve düşünme tarzları, kendi alt yapıları, eğitimleri ve kişiliklerinden büyük oıaııda etkilenil. Bilimdeki gelişmeler düzensizdir ve hatta bazen mantıksızdır. Bıı kuram ya da yasa’nın son şekli bir kişiye mal edilse bile, büyük buluşlar genel olarak değişik araş­ tırmacıların katkıları ve gene birçok araştumacımıı deneyimlerinin birikimi ile ortaya çıkar. Şüphesiz, bilimsel buluşlarda şans faktörü de önemlidir, ancak “şans akıldan yanadır” uyanık ve iyi eğitimli bir kişi tesadüfen ortaya çıkan buluşların önemim kolayca kavrayıp, buluşa ait tüm avantajları elde eder. Halk çoğunlukla, sadece çar­ pıcı bilimsel başarıları öğrenir ve bunun sonuçlarım kullanır. Çok bilinen yüzlerce başarılı öykü için, bılmı insanları yıllarca çalışarak bu sonuçlara ulaşmışlardır. Çoğu olumlu gelişmeler pek çok hatadan dönülerek elde edilmiş, bu gelişmeler küçük adım­ larla sessizce ilerlemiştir. Şimdi bile evren lıakkmdakı bilginin sürekli olarak artma­ sına bağlı olarak sonuca ulaşıldığı düşünülen konulara, hala katkılar yapılmaktadır. Araştırına aşkı, birçok bilim insanını laboratuarlarda tutmaya yetmektedir.

Kavramların Değerlendirilmesi Aşağıdaki cümlelerden hangisi doğrudur? (a) Bıı hipotez daima bir yasa ile sonuçlanır. (b) “Bilimsel yöntem” sorunların çözümünde sıkı bir şekilde uygulanan adımlar dizisidir. (c) “Bn yasa” bıı seri deneysel gözlemin özetidir. “Bir kuram” ise gözlemler içüı bıı açıklama getirir.

5

İlk Helyum ve Büyük Patlama Kuramı iz nereden geldik? Evren nasıl oluştu? İnsan düşünebildiği sürece bu sonılaıı hep solmuştur. Cevapların aranması ise bilimsel yöntem için bir örnek oluşturur. 1940 yılında Rus-Amerikan fizikçi George Gaıııow evrenin milyonlarca yıl önce devasa bir patlama veya Büyük Patlama ile meydana geldiğini önerdi. İlk evrelerinde evren küçücük bir hac­ me sahipti ve inanılmayacak kadar sıcaktı. Mikroskopik boyuttaki madde tanecikleri ile karışmış radyasyondan oluşan bu ateş topu, atomları oluşturmak üzere yavaş yavaş soğudu. Çekim etkisi altın­ daki atomlar, bizim Samanyolu galaksimiz de dahil olmak üzere milyonlarca galaksi oluşturmak üzere, biıbirleriyle bir araya gele­ rek kümeleştiler. Gamow’uıı fikri ilginç ve son derece kışkırtıcıydı. Bu ku­ ranı değişik yollarla deneysel olarak test edildi. İlk yapılan ölçüm­ ler evrenin genişlemekte olduğunu gösterdi. Yani galaksiler yük­ sek hızlarda birbirlerinden uzaklaşacak şekilde hareket etmektey­ di. Bu gerçek evrenin bir patlama sonucu oluşumu ile örtüşmektedir. Filmi tersine oynatıyomıuş gibi patlamayı geriye dönük hayal ettiğimizde, astronomlar evrenin yaklaşık 13 milyar yıl önce oluş­ tuğu sonucuna vardılar. Gamow’uıı hipotezini destekleyen ikinci gözlem, kozmik aııa ışımasının tespit edilmesidir. Milyarlarca yıl boyunca kavurucu evren 3 K'e (- 270°C'a) kadar soğudu! Bu sı­ caklıkta. enerjinin büyük bir kısmı mikrodalga bölgesine karşılık gelir. Büyük Patlama evreni oluşturan bu küçücük hacmin her ye­ rinde aynı anda olduğundan, oıtaya çıkan ışınlar evrenin her tara­ fını kaplamış olmalıdır. Bu sebeple, gözlediğimiz her yönde ışın­ lar aynı olmalıdır. Gerçekte de. astronomlar tarafından kaydedilen mikrodalga sinyalleri yönden bağımsızdır. Gamow’uıı hipotezini destekleyen üçüncü bir kanıt başlan­ gıçta var olan kökensel helyumun keşfidir. Bilim insanları helyum ve hidrojenin (en hafif elementler) kozmik evrimin erken dönem­ lerinde oluşan ilk elementler olduğuna inanırlar. Karbon, azot ve oksijen gibi daha ağır elementlerin, daha sonraları hidrojen ve hel­ yum içeren nükleer tepkimelerle yıldızların merkezinde oluştuğu düşünülür. Eğer böyleyse, hidrojen ve helyum gazları pek çok ga­ laksinin oluşumundan önce evrene yayılmış olmalıydı. 1995’te astronomlar çok uzakta olan ve radyo dalgaları gönderen gök cis­ minden (kuasar; yani evrenin kenarında patladığı düşünülen, çok

B

Kuasar'ın konumu da dahil olmak üzere, bazı uzak galaksilerin renkli bir fotoğrafı

güçlü ışık ve radyo sinyali gönderen galaksi) gelen ıııor ötesi ışın­ ları analiz ettiler ve ışının bir kişilimin Dünya’ya doğru olan doğ­ rultudaki helyum atomları tarafından soğurulduğunu buldular. Bu kuasar 10 milyar ışık yılından (bir ışık yılı, ışık tarafından bir yılda kat edilen yoldur) daha fazla uzaklıkta olduğundan. Dünyaya ula­ şan ışık 10 milyar yıl önce gerçekleşen olayları ortaya koymakta­ dır. Peki, niçin daha fazla miktarda hidrojen tespit edilmemiştir? Bir hidrojen atomu sadece bir elektrona sahiptir ve bu elektron, kuasaı ’dan gelen ışınlarla iyonlaşma diye bilinen işlemle hidro­ jenden uzaklaştırılır. lyonlaşmış hidrojen atomu kuasar’daıı gelen hiçbir ışını soğuraınaz. Öte yandan, bir helyum atomu iki elektro­ na sahiptir. Işın helyum atomunun bir elektronunu uzaklaştırabilir ancak her ikisini de uzaklaştırması zordur. Tek elektronunu kaybe­ derek iyoıılaşmış helyum atomları hala ışın soğuıabilir ve bu yüz­ den tespit edilebilirler. Ganıow'un açıklamalarını destekleyenler evrenin derinlikle­ rinden ulaşan helyumun tespit edilmesinden hoşnut oldular. Bilim insanları. Gaıııow'un hipotezini ileri sürülen kanıtlarıyla birlikte “Büyük Patlama Kuramı" olarak adlandırmaktadırlar.

1.4 Maddenin Sınıflandmlması

6

Kısım 1.1’de kimyayı madde ve maddenin uğradığı değişiklikleri inceleyen bılıııı dalı olarak tanımlamıştık. Kütlesi olan ve uzayda yer kaplayan lıer hangi bir şey madde'dıı. Madde su, toprak ve ağaç gibi hem görebildiğimiz ve dokunabildiğimiz, hem de hava gibi göremediğimiz ve dokunamadığımız şeyleri içerir. Yanı, evrendeki her şeyin “kimya” ile bu bağı vardır.

4

1.4 Maddenin Sınıflandırılması

7

Kimyacılar maddeyi bileşimi ve özelliklerini esas alarak çeşitli alt gruplara ayınrlar. Saf maddeler, karışımlar, elementler ve bileşiklerin yanında atom ve molekül­ ler de dahil olmak üzere maddenin sınıflandırılması Bölüm 2’de verilecektir.

Saf Maddeler ve Karışımlar Saf madde, belirli veya sabit bir bileşimi olan ve kendine özgü özellikleri ile ayırt edilebilen maddenin bir şeklidir. Örneğin su, amonyak, sofra şekeri (sakaroz), altın ve oksijen saf maddedir. Saf maddeler bileşim olarak birbirlerinden farklıdır ve görü­ nüşleri, kokuları, tatları ve diğer özellikleri ile tanınabilirler. Karışım, lıer bir saf maddenin kendi özelliğini koruduğu iki ya da dalıa fazla saf maddenin bir araya gelmesi ile oluşur Hava, meşrubat, süt ve çimento aşina olduğu­ muz bazı örneklerdir. Kaıışımlarm sabit bıı bileşimi yoktur. Bu nedenle, farklı kent­ lerden alman hava örneklerinin bileşimi, örneğin almdığı yerin yüksekliği, kirliliği vb. farklılıklardan dolayı muhtemelen farklı olacakta. Karışımlar homojen ya da heterojen olabilir. Bıı kaşık şeker suda çözüldüğünde, karışımın bileşimi her tarafında aynı olan bir homojen karışım elde edilir. Diğer taraftan, kum ile demıı tozları kaııştn ılırsa, kum taneleri ile demıı tozları görülebilir halde ayrı ayrı kalırlar (Şekil 1.4). Bu tür karışım, bileşimi her yerinde aynı olmama­ sı nedeniyle heterojen karışım olarak adlaııduılır. Her hangi bir karışım, homojen ya da heterojen olsun, kolayca oluşturulabilir’ ve bileşenlerin özelliklerinde bir değişiklik olmaksızın, fiziksel yöntemlerle saf bileşen­ lerine tekrar ayrılabilir. Örneğin, ısıtılıp kumluğa kadar buharlaştırılan sulu çözeltisin­ den şeker geıı kazaııılabılu. Daha soma su buharı da yoğunlaştırılarak karışımın su bileşeni de geri kazanılır. Demir-kıun karışımında, kum mıknatıstan etkilenmediğin­ den, demııı kumdan ayırmak üzere mıknatıs kullanılır (Şekil 1.4b’ye bakınız). Ayırma işleminden soıua, karışımın bileşenleri başlangıçtaki ile aynı bileşim ve özelliklere sahip olmaktadır.

Elementler ve Bileşikler Saf bir’ madde element ya da bileşik olabıln. Eğer saf madde kimyasal yöntemlerle daha basit bileşenlerine ayrılamıyorsa, bu madde bir element tir. Bu güne kadar 118 element tam olarak tanımlanmıştır. Bu elementlerin çoğu yeryüzünde doğal olarak bulunmaktadır. Diğerleri ise, bilim adamları tarafından Bölüm 19’da konu edilen nük­ leer işlemler ile oluşturulur. Şekil 1 .4 (a) Karışım, demir tozu ve kum içermektedir, (b) Mıknatıs demir tozlarını karışımdan ayırır. Aynı teknik, alüminyum, cam ve plastik gibi manyetik özelliği olmayan maddelerden demir ve çeliğin ayrılması amacıyla büyük ölçekli sistemlere de uygulanabilir.

(a)

(b)

8

Kimya: Değişimin İncelenmesi

Çizelge 1.1

Çok Bilinen Bazı Elementler ve Simgeleri

Simgesi

Adı

Adı

Simgesi

Adı

Simgesi

F

Kurşun

Pb

Al

Flor Fosfor

P

Kükürt

s

Arsenik

As

Gümüş

Azot

N

Bakır

Cu

Hidrojen İyot

Ag H

Baryum

Kalsiyum

Bizmut

Ba Bi

Brom

Altııı Alüminyum

Au

I

Magnezyum

Mg

Mangan

Mn

Nikel

Ni

Oksijen

O

Kalay

Ca Sn

Platin

Pt

Br

Karbon

C

Potasyum

K

Cıva çinko

Hg Zn

Klor Kobalt

cı

Silisyum

Co

Sodyum

Si Na

Demir

Fe

Krom

Cr

Tungsten

W

Kimyacılar, kolaylık sağlamak amacıyla, elementleri temsil etmek üzere tek veya iki harfli simgeler kullanırlar. Elementi gösteren simgenin ilk harfi daima büyük, İkin­ cisi ise küçük yazılır. Örneğin Co, kobalt elementinin simgesi iken, CO, karbon moııoksıt molekülünün fonııülüdür. Çizelge 1.1’de çok bilmen bazı elementlerin adla­ rı ve simgeleri gösterilmiştir. Elementleri ve simgelerim içeren tam liste bu kitabın ön kapağının iç sayfasında verilmiştir. Bazı elementlerin simgeleri Latince isimlerin­ den türetilmiştir. Örneğin Aıı, aurum (altın) dan, Te,ferrum (demir) dan ve Na, ııatriıım (sodyum) dan türetılııken, bazı simgeler de İngilizce isimlerinden gelmektedir. Elementlerin isimlerinin kökeni ve keşfeden kişilerin isimlerim içeren bir liste Ek 1 ’de veıilmiştıı. Pek çok elementin atomları bileşik oluşturmak üzere başka element atomları ile etkileşebilir. Örneğin, hidrojen gazı oksijen gazı ile yanarak suyu oluşturur. Suyun özellikleri çıkış maddeleri olan oksijen ve hidrojenden tamamen farklıdır. Su, iki kısmı hidrojen ile bir kısım oksijenin birleşmesinden oluşur. İster Birleşik Devletler’deki bir musluktan, ister Moğalıstaıı’daki bıı gölden ister Mars’taki bir buz kapsülünden alın­ mış olsun su bileşimi değişmez. Bu sebeple, su bir bileşiktir. Bıı Bileşik, iki ya da dalıa çok elementin atomlarının sabit oranlarda kimyasal olarak birleşmesiyle oluşan saf maddedir. Karışımların aksine, bileşikler sadece kimyasal yollarla kendisini oluş­ turan saf bileşenlerine ayrılabilirler. Element, bileşik ve maddenin diğer sınıfları arasındaki ilişkiler Şekil 1.5’de özetleımıiştıı.

Kavramların Değerlendirilmesi Aşağıda verilen şekillerden hangisi elementleri, hangisi bileşiklen yansıtmaktadır? Her farklı renkteki küre veya kesik küre bıı atomu temsil eder.

e• ♦• (a)

• ••• (b)

••

(c)

(d)

1.5 Maddenin Üc Hali

9

3

Madde

Heterojen karışım

Homojen karışım

Bileşikler

- -- > Kimyasal

yöntemlerle ayırma

Elementler

Şekil 1.5 Maddenin sınıflandırılması

1.5 Maddenin Üç Hali Tüm saf maddeler, eıı azından ilke olarak tiç halde bulunabilir; katı, sıvı ve gaz. Şekil 1.6’da görüldüğü gibi, moleküller arasındaki mesafeler bakımından gazlar, sıvı ve katilardan farklıdır. Bıı katida, moleküller çok az serbestliğe sahiptir ve düzenli bıı şekilde birbirine yakın bulunurlar. Bir sıvıdaki moleküller birbirlerine yakın ancak sıkı sıkıya bağlı ohııadaıı. uygun konumda bulunurlar ve birbirleri üzerinden akabilirler. Bıı gazda moleküller, büyüklükleri ile karşılaştırıldığında birimleriyle büyük mesafe­ lerle ayrılmış durumdadır. Bıı maddenin üç hali, maddenin bileşimi değişmeksiziıı birbirine dönüşebilir. Bir katı, örneğin buz, ısıtıldığında bir sıvı (su) oluşturmak üzere erir. Bu değişimin mey­ dana geldiği sıcaklık erinıe noktası olarak adlandırılır. Diğer taraftan, bıı gazm soğu­ tulması onun yoğunlaşarak sıvı hale geçmesine neden olur. Oluşan sıvı daha da soğıı-

Şekil 1.6 Bir katı, bir sıvı ve bir gazın mikroskopik görünümü.

Katı

Sıvı

Gaz

10

Kimya: Değişimin İncelenmesi

Şekil 1.7 Maddenin üç hali. Sıcak bir demirin, buzu ısıtarak su ve buhara dönüştürmesi.

tulursa donarak katılaşır. Şekil 1.7 suyun üç halini göstermektedir. Sıvı haldeki su molekülleri katı lıaldekıne göre daha sıkı istıfleımıiştir. Bu dununun yaygın olarak bilinen maddeler arasında suyun özelliklerim benzersiz kıldığına dikkat ediniz.

Kavramların Değerlendirilmesi Bıı buz küpü kapalı bıı kaba yerleştirilir. Buz küpü ısıtma ile önce erir ve su oluşur, daha soıua kaynar ve sonunda buharlaşır. Buna göre, aşağıdaki cümlelerden hangisi doğrudur? (a) Suyun fiziksel görünümü her bıı hal değişimi basamağında farklıdır. (b) Suyun kütlesi buz halindeyken en fazla, buhar halindeyken en azdır.

1.6 Maddenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Saf maddeler bileşimleri ile olduğu kadar kendilerine özgü özellikleri ile de ayırt edi­ lebilirler. Renk, erime noktası ve kaynama noktası bııeı fiziksel özelliktir. Bıı fiziksel özellik, maddenin kimliği veya bileşimi değiştirilmeden incelenebilir ya da ölçülebi­ lir. Örneğin, bir buz kütlesini ısıtıp suya dönüşmesini sağlarken sıcaklık değişinimi

1.6 Maddenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

kaydetmek suretiyle buzun erime noktasını ölçebiliriz. Su sadece görünüş olarak buz­ dan farklıdır ancak bileşim olarak bir farklılık yoktur. Bu bıı fiziksel değişimdir ve su dondurularak tekrar buz haline dönüştürülebilir. Bu nedenle, bıı maddenin erime noktası fiziksel bir özelliktir. Benzer şekilde, helyum gazının havadan hafif olduğunu söylerken maddelerin fiziksel özelliklerini karşılaştırıyoruz demektir. Diğer taraftan, “hidrojen gazı oksijen gazı ile su oluşturmak üzere yanar” ifade­ si hidrojenin bıı kimyasal özelliğini belirtir. Çünkü bu özelliğin gözlenebilmesi için kimyasal bir değişim olması gerekir. Bu değişim yanmadır. Değişimden soıua, baş­ langıçtaki saf madde yani hidrojen gazı ortadan yok olmuş ve geride farklı bıı kim­ yasal madde olan su kalmıştır. Kaynama ve donmada olduğu gibi, bu olayda fiziksel değişimleri uygulayarak hidrojeni geri kazanmamız mümkün değildir. Yumurtanın suda kaynatılmasıyla yumurtada kimyasal bir değişim gerçekleştirilir. Sıcaklık 100°C dolayma getirildiğinde, yumurtanın hem sarısı hem de akı sadece fizik­ sel görünüşlerini değil, aynı zamanda kimyasal yapılarını da değiştirirler. Yumurta ye­ nildiğinde, vücutta bulunan ve enzim olarak adlandırılan maddelerle etkileşerek tekrar değişime uğrar. Bu sindirim hareketi kimyasal değişime başka bir örnektir. Sındının sı­ rasında olanlar, enzim ve besinlerin kimyasal özelliklerine bağlıdır. Maddenin ölçülebilir bütün özellikleri, kapasite ve şiddet özellikleri demlen grup­ lardan bilisinde yer alır. Kapasite özelliği'ilin ölçülen değeri, söz konusu maddenin ne kadarının dikkate alındığına, yani miktarına bağlıdır. Kütle, bir safmaddenin söz konu­ su olan örneğinde bulunan miktarıdır ve bir kapasite özelliğidir. Daha fazla madde daha fazla kütle demektir. Aynı kapasite özelliğine sahip değerler birbiri ile toplanabilir. Ör­ neğin, iki tane bakır paranın kütlesi her bir bakır paranın kiitleleıi toplamıdır. îki tenis kortunun uzunluğu toplamı, her bıı tenis kortunun uzunluklarının toplamı kadardır. Bir küpün hacmi, uzunluğun kiipıi olarak tanımlanır ve bu da başka bir kapasite özelliğidir. Kapasite özelliğinin büyüklüğünün sayısal değeri madde miktarına bağlıdır. Şiddet özelliği 'ııiıı ölçülen değeri, sözkoııusu maddenin miktarına bağlı değildir. Bir cismin kütlesinin hacmine bölümü olarak tarif edilin yoğunluk bir şiddet özelliği­ dir. Sıcaklık da bıı şiddet özelliğidir. Aynı sıcaklıkta iki tane su dolu beher alalım. Bu ıkı beherdeki suyu daha büyük bir beher içinde bir araya getirecek olursak, bıı araya geti­ rilmiş suyun sıcaklığı iki ayrı beherdeki suların sıcaklığı ile aynı olur. Kütle, uzunluk ve hacmin aksine, sıcaklık ve diğer şiddet özellikleri toplanamaz.

Kavramların Değerlendirilmesi Şekil (a)’da yeşil ve kırmızı küıecıkleıie gösterilen ıkı element atomlarından oluşan sıvı haldeki bir bileşik görülmektedir. Bu bileşiğe ait (b)-(d) şekillerinden hangisinde bir fiziksel değişim, hangisinde bir kimyasal değişim gösterilmiştir.

• . •

(b)

•9 * • • t • • •

# • * (a)

*

(e)

(d)

11

Hidrojen havada yanarak su oluş­ turur.

12

Kimya: Değişimin İncelenmesi

1.7 Ölçme Kimyacılar hesaplamalarda, diğer ilgili büyüklükleri elde etmek amacıyla çoğunlukla ölçme sonuçlarım kullanır. Farklı aletler yardımıyla bıı saf maddenin özelliklerini ölçebiliriz. Örneğin, metre ile uzunluk, büret, pipet, dereceli silindir ve ölçülü balon ile hacım (Şekil 1.8), terazi ile kütle ve termometre ile de sıcaklık ölçülür. Bu alet­ lerle makroskopik özellikler, yani doğrudan belirlenebilen özelliklerin ölçümü ger­ çekleştirilir. Atom ya da molekül düzeyindeki özellikler olan mikroskopik özellikler, Bölüm 2’de görüleceği gibi dolaylı yöntemlerle belirlenir. Ölçülen miktarlar çoğunlukla uygun bilimdeki bıı sayı ile verilir. Örneğin, belirli bir güzergah takip edilerek araba ile New York ve San Francisco arasındaki uzaklığın 5166 olduğunu söylemenin hiçbir anlamı yoktur. İki kent arasındaki uzaklığuı 5166 kilometre olduğunun belirtilmesi gerekir. Kimya için de aynı şey geçerlıdn. Ölçme sonuçlarını doğru olarak ifade edebilmek için, birimlerini belirtmek zorunludur.

SI Birimleri Bilim insanları uzun yıllar ölçme sonuçlarını metrik birimlerle, ondalıklarla yani 10’un kuvvetleri olarak kaydetmişlerdir. Ancak, 1960 yılında Ağırlık ve Ölçüler Genel Konferansında bıı araya gelen, uzmanlar. Uluslararası Birim Sistemi (Fransızca Systeme Internationale d’Unites’ den SI olarak kısaltılmıştır) olarak adlandırılan, yeni­ den düzenlenmiş SI metrik sistemini önermişlerdir. Çizelge 1.2’de yedi adet temel SI birimi görülmektedir. Ölçüm somıçlaı mın verildiği diğer birimler, bu temel bilimler­ den türetilebilir. Metrik birimler gibi, SI birimleri de. Çizelge 1.3’de gösterildiği gibi, 10’un kuvvetleri ile ifade edilebilu. Bu kitapta SI ve metrik sistemlerin her ikisi de kullanılmıştır. Kimya alanındaki çalışmalarda, zaman, kütle, hacim, yoğunluk ve sıcaklık gibi ölçümler oldukça sık kullanılmaktadır.

Şekil 1.8 Kimya laboratuarlarında yaygın olarak bulunan bazı ölçme aletleri. Gösterimler ölçekli değildir ve ölçme aletlerinin kullanımı Bölüm 4'te tartışılacaktır.

mL 100 gram-----> miligram

İngiliz biri m sistemindeki bazı çevirme fak­

törleri, ABD’de bil imsel ol mayan ölç melerde sıklıkla kullanılır (örneğin poıııd ve inç gibi). Bunlara ilişkin çevirme faktörleri kitabın arka kapağının iç kısmında verilmiştir.

Aşağıdaki dönüştürme faktörleri kullanılarak 453,6 g ----- «— 1 lb

ve

1 mg ----------- 7" IX 10_3g (Devamı)

26

Kimya: Değişimin İncelenmesi

Cevabı tek bir basamakta aşağıdaki gibi buluruz:

453 6 g 1 m° ? mg = 0,0833 lb X ■ * X--------- = 3,78 X 104 1112 1 lb ix 10"3g

Kontrol Tahminen, 1 lb yaklaşık 500 g ve 1 g = 1000 mg’dır. Bu nedenle, 1 lb Benzer problem: 1.45.

yaklaşık 5 X 10s mg’dır. 0.833 lb’yi 0,1 lb'ye yuvarlarsak 5 X 104 mg elde ederiz, bu değer yukarıdaki değere yakın bir değerdir.

Alıştırma Bir rulo alüminyum folyamıı kütlesi 1,07 kg‘dır. Bu kütle pound cinsinden 11e kadardır?

Örııek 1.7 ve Örnek 1.8, dönüşüm faktörlerinin boyut analizinde, kare veya küp kullanılabilineceğine ilişkindir.

Örnek 1.7 Ortalama bir yetişkin 5,2 L kana sahiptir. Bu kanın hacmi 11ı3 cinsinden 11e kadardır?

İzlenecek Yol Problem aşağıdaki gibi ortaya konulabilir: ? m3 = 5,2 L

Bu problemin çözümü için kaç tane dönüştürme faktörü gerekmektedir? 1 L = 1000 cııı3 ve 1 cııı = 1 X 102 m olduğunu anımsayalım.

Çözüm İki tane dönüştürme faktörü gerekmektedir. Birisi litreyi cııı3 e. diğeri de santimetreyi metreye dönüştürmek için kullanılır. 1000 cııı ' -----------1L

ve

1 X 10~2ın 1 cm

İkinci dönüştürme faktörünün uzunluk (cm ve m) ile ilgili olması ve hacmin hesaplan­ ması istenildiği için dönüştürme faktörünün küpü alınmalıdır.

Bir birimin kuvveti alındığında, kullandığınız dönüşüm faktörünün de aynı kuvvette ol­ ması gerektiğini unut mayınız.

1 X 10"2m 1 X 10~2m 1 X 10'2m /1 X 10"2m\3 --------------- X----------------- X----------------- = ----------------1 cm 1 cm 1 cm \ 1 cm / Bunun anlamı 1 cm = 1X10“ 111' dür. Şimdi aşağıdaki gibi yazarak sonucu bulabiliriz.

T 1000 cııı3 ? 11ı3 = 5,2 k X ------------ X İE

| = 5,2 X 10“3m3

Kontrol Yukarıda verilen dönüştürme faktörlerinden 1 L = 1 X 10’' m3 olduğunu görebilirsiniz. Bu sebeple, 5 L kan 5 X 10~3 m3 olacaktır, bu sonuç cevaba yakındır. Benzer problem: 1.50(d).

Alıştırma Bir odanın hacmi 1,08 X 10s dm3 dür. Hacim m3 cinsinden nedir?

Örnek 1.8 Sıvı azot sıvılaştırılmış havadan elde edilir. Sıvı azot dondurulmuş ürünlerin hazırlanma­ sında ve düşük ısı gerektiren araştırmalarda kullanılır. Sıvının kaynama noktasındaki (-196°C veya 77 K) yoğunluğu 0,808 g/cın' dür. Yoğunluğun bu birimini kg/111' birimi­ ne dönüştürünüz. (Devamı)

1.10 Dünyadaki Gerçek Problemlerin Çözümü: Bilgi, Varsayımlar ve Basitleştirmeler

27

İzlenecek Yol Problem aşağıdaki gibi ortaya konulabilir ? kg/m3 = 0,808 g/cm3 Bu problemin çözümü için iki ayrı dönüşüm gereklidir: g----- > kg ve cm3 ----- > ııı' 1 kg = 1000 g ve 1 cm = 1 X 10 2 ııı olduğunu anımsayalım.

Çözüm Örnek 1.7'de 1 cııı' = 1 X 10 6 m3 olduğunu gördük. Dönüşüm faktörleri aşağıda verildiği gibidir. 1 kg ıooo g

xe

1 cm3 IX 10"6nı3

Sonuç,

0,808 g

? kg/m3 = ------- r X

1 c-ırT

1 kg 1000 g

1 en?

____________ X ----------------------------------

IX 10"6m3

808 kg/m3

Sıvı azot yiyeceklerin dondurulma­ sında ve düşük sıcaklıkta yapılan araştırmalarda kullanılır

olarak bulunur.

Kontrol

1 ııı ' = 1 X 10" cııı' olduğundan, 1 ııı' teki kütlenin 1 cııı ' tekinden çok daha fazla olduğunu düşünebiliriz. Bu nedenle sonuç mantıklıdır.

Alıştırma

En hafif metal olan lityumun (Li) yoğunluğu 5,34 X 102 kg/ııı' dür. Bu yoğunluğu g/cııı3 e dönüştürünüz.

1.10 Dünyadaki Gerçek Problemlerin Çözümü: Bilgi, Varsayımlar ve Basitleştirmeler Kimyada diğer bilimsel disiplinlerde olduğu gibi, sayısal bir problemin tam çözümü her zaman mümkün değildir. Bu durumun pek çok nedeni vardır. Örneğin, olayı kav­ ramamız tam olmayabilir veya veriler bütünüyle mevcut olmayabilir. Böyle durum­ larda akıllı bıı tahmin yapmayı öğrenmemiz gerekir. Bu yaklaşım bazen, “bir zarfın arkasına” çalakalem yapılabilecek basit ve hızlı hesaplamalar olan “tahmini hesapla­ ma” olarak adlandırılır.1 Bölüm içindeki örnekler ve bölümün sonundaki somlarda dahil olmak üzere, şim­ diye kadar gölmüş olduğunuz ve göreceğimiz problemlerin çoğunda, problemi çözmek için gerekli bilgiler lıazn verilmiştir. Ancak tıp. enerji veya ziraat ile ilgili dünyadaki gerçek problemleri çözmek için gerekli bilgilerin ne olduğunu ve nereden temin edebi­ leceğimizi kendimiz belirlememiz gerekir. Gerekli olabilecek ek bilgilerin çoğu konu boyunca verilen çeşitli çizelgelerden bulunabilir. Çizelgeler ve önemli şekılleıiıı bıı lis­ tesi kitabın arka kapağın iç kısmında verilmiştir. Bununla beraber, çoğu kez ihtiyacınız olan bilgileri bulmak ıçııı dış kaynaklara bakmanız da gerekebilir. İnternet, bilgi bulma­ nın en hızlı yolu olmasına rağmen, kaynağın güvenilir ve iyi bir referans olduğuna dik­ kat etmelisiniz. Örneğin “Ulusal Standart ve Teknoloji Enstitüsü (NIST)” güvenilir kay­ naklardan biridir. Problemin çözümü için hangi bilgilere ihtiyacınız olduğunu öğrenmek için, önce­ likle bıı plan yapmanız gerekir. Bilimde kullanılan kuramların sınırlamalarına ilave ola­ rak. problemlerin bu kuramlara dayalı olarak ortaya konması ve çözümü için tipik var­ sayımlarda bulunulur. Ebetteki bu varsayımların ve basitleştirmelerin bir bedeli vardır. Örnek 1.9’da gösterildiği gibi, problemin varsayım yapılarak basitleştiıilmesiyle ceva­ bın doğruluğu azalır.

'Büyüklüğün mertebesi l() faktörü’dür.

Benzer problem: 1.51.

28

Kimya: Değişimin İncelenmesi

Örnek 1.9 Bugün kullaııılan“kurşuıU kalemler, karbonun bir biçimi olan grafitten yapılmıştır. Ucu sivriltilmemiş bir standart (No: 2) kurşun kaleminin içinde bulunan grafit göbeğinin küt­ lesini talimin ediniz.

İzlenecek Yol Kurşun kalemin yaklaşık bir silindir şeklinde olduğunu fark ediniz. Ucu sivriltilmemiş bir kalemin uzunluğu yaklaşık 18 cm (silgi kısmı çıkarıldıktan sonra) ve kurşun gövdenin çapı ise yaklaşık 2 mııı’dir. Bir silindirin hacmi V = ırr2/ formülü ile verilir. Burada ı; yarıçap, / ise uzunluktur. Kurşun göbeğin saf grafit olduğunu farz ederek ve grafitin çizelge 1.4’te verilen yoğunluğu ile hesaplanan hacmini kullanarak, kütlesini bulabilirsiniz.

Çözüm Kurşun göbeğin çapı cm’ye dönüştürülür. 1 cm - = 0,2 cm 10 mm Kurşun göbeğin uzunluğu kullanılarak hacim hesaplanır 2 mııı X

X 18 cm 0,57 cm3 Eşitlik 1.1 yeniden düzenlenerek

m =dX V = 2,2-^-r X 0,57 cm3 cm = 1 g

bulunur.

Kontrol Kurşun göbeğin hacmini hesaplamak için kullanılan değerlerin yuvarlatılması durumunda: 3 X (0,1 cııı)2 X 20 cııı = 0,6 cııf elde edilir. Hacim için bulunan bu değerin yaklaşık 2 g/cm3 ile çarpılması sonucunda yaklaşık 1 g bulunur ki, bu değer hesaplanan değerle aynıdır.

Benzer problemler: 1.105, 1.106, 1.114.

Alıştırma Bir pinpon topu içerisindeki havanın kütlesini tahmin ediniz..

Örııek 1.9’da, kurşun kalemin çapı daha büyük bıı duyarlılıkla ölçülmüş olsaydı bile, sonucun doğruluğu bu problemin çözümünde yapılan varsayımlarla sınırlı ola­ caktı. Kurşun kalem genellikle grafit ve kıl karışımıdır ve iki maddenin bağıl miktar­ ları kalemin yumuşaklığını belirler. Bu nedenle malzemenin yoğunluğu büyük ihti­ malle 2,2 g/cm1 ten farklı olur. No 2 kurşun kalemleıiıı yapımında kullanılan karışı­ nım yoğunluğu için çok daha iyi bıı değer bulabilirsiniz, ancak elde edilen sonuç har­ canan çabaya değmez.

Anahtar Eşitlikler m , ^ = ?(U)

Yoğunluğa ilişkin eşitlik

5°C ?°C = (OF _ 32oF\ x----- (i 2) v 7 çop x z

°F’ııı °C’a dönüştürülmesi

?°F = — X (°C) + 32°F (1.3)

oC’uıı °F ’a dönüştürülmesi

?K = (°C + 273,15°C)E| (1,4)

°C’un K’e dönüştürülmesi

Sorular ve Problemler

29

••

Olguların ve Kavramların Özeti Kimya çalışmaları gözlem, temsil ve yorum olmak üze­ re üç temel adımdan oluşur. Gözlem makıoskopik dün­ yadaki ölçümleri ifade eder; temsil iletişim için steno gibi gösterim simgelerini ve eşitliklerin kullanımını içe­ rir; yorum ise mikroskopik dünyaya ait olan atom ve moleküllere dayalıdır. Bilimsel yöntem, gözlemler ve ölçmeler yardımıyla elde edilen bilgiler ışığında yapılan araştırmalara siste­ matik bir yaklaşımdır. Bu süreçte, hipotezler, yasalar ve kuramlar geliştirilir ve denenir. Kimyacılar madde ve maddenin uğradığı değişimleri incelerler. Saf maddeler, kimlikleri ve kendilerine özgü kimyasal özellikleri değişmeksizin, fiziksel özelliklere sahip maddelerden oluşur. Kimyasal özellikler değişti­ ğinde maddenin kimliği de değişir. Karışımlar, homojen

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

ya da heterojen olsa da fiziksel yollarla saf bileşenlerine ayrılabilir. Kimyadaki en basit saf madde elementlerdir. Bileşikler belli oranlarda farklı elementlerin kimyasal yollarla bir­ leşmesi sonucu meydana gelirler. Bütün saf maddeler esas olarak katı, sıvı ve gaz gibi üç halde bulunabilirler. Bu hallerin birbirine dönüşümü sıcaklık değişimi ile gerçekleştirilebilir. SI birimleri, kimya da dahil olmak üzere, tüm bilim dal­ larındaki fiziksel nicelikleri ifade etmek için kullanılır. Bilimsel gösterimle ifade edilen sayılar N X 10" şeklin­ de gösterilir. Burada N, 1 ile 10 aralığında bir tam sayı ve n ise pozitif veya negatif bir tanı sayıdır. Bilimsel gösterim çok küçük ve çok büyük nicelikleri kullanma­ mızı sağlar.

Anahtar Kelimeler Ağırlık, p. 13 Anlamlı rakamlar, p. 19 Bileşik, p. 8 Bilimsel yöntem, p. 4 Doğruluk, p. 22 Element, p. 7 Fiziksel özellik, p. 10 Hacim, p. 11

Heterojen karışım, p. 7 Hipotez, p. 4 Homojen karışını, p. 7 Kapasite özelliği, p. 11 Karışını, p. 7 Kelviıı, p. 15 Kesinlik, p. 22 Kimya, p. 2

Kimyasal özellik, p. 11 Kuranı, p. 5 Kütle, p. 11 Litre, p. 14 Madde, p. 6 Makıoskopik özellik, p. 12 Mikroskopik özellik, p. 12 Nicel, p. 4

Nitel, p. 4 Saf madde, p. 7 Şiddet özelliği, p. 11 Uluslaıarsı birim sistemi (SI), p. 12 Yasa, P. 4 Yoğunluk, p. 11

Sorular ve Problemler Bilimsel Yöntem

çekim gücü nedeniyle yere doğru yönelir, (c) Bütün maddeler atom denilen çok küçük parçacıklardan oluşur.

Tarama Soruları 1.1 1.2

Bilimsel yöntemle ne kastedildiğini açıklayınız. Nitel veriler ve Nicel veriler arasındaki fark nedir?

Maddenin Sınıflandırılması ve Özellikleri

Problemler

Tarama Soruları

1.3

1.5

1.4

Aşağıda verilenleri, nedenini açıklayarak, nitel ya da nicel ifadeler olarak sınıflandırınız, (a) Güneş dünyadan yaklaşık 150 km uzaklıktadır, (b) Leonaıdo da Vinci. Michelangelo’dan daha iyi res­ samdır. (c) Buz sudan daha az yoğundur, (d) Tereyağının tadı margarinin tadından daha iyidir, (e) Zamanında atılan bir ilmik dokuz misli sayılır. Aşağıdaki ifadeleri hipotez, yasa veya kuram olarak tanımlayınız, (a) Beethoven evli olmuş olsaydı, müziğe olan katkısı çok daha fazla olurdu, (b) Sonbahar yaprakları, yaprak ve Dünya arasındaki

1.6 1.7 1.8

Aşağıda verilen her bir terim için bir örnek veriniz, (a) Madde, (b) Saf madde, (c) Karışını. Homojen karışım ve heterojen karışıma birer örnek veriniz. Örnekleri kullanarak, fiziksel özellik ve kimyasal özellik arasındaki farkı açıklayınız. Bir kapasite özelliği, şiddet özelliğinden nasıl farklı olur? Aşağıda verilen özelliklerden hangileri kapasi­ te, hangileri şiddet özelliğidir? (a) Uzunluk, (b) Hacim, (c) Sıcaklık, (d) Kütle.

30

Kimya: Değişimin İncelenmesi

1.9

Element ve bileşiğe birer örnek veriniz. Element ve bileşik arasında ne fark vardır? Bilinen elementlerin sayısı nedir.

1.10

Problemler 1.11

1.12

1.13

1.14

1.15

1.16

Aşağıdaki ifadeler fiziksel özelliği mı yoksa kimya­ sal özelliği mi açıklamaktadır? (a) Oksijen gazı yan­ mayı sağlar, (b) Gübreler tarımsal üretimin artması­ na yardımcı olııı. (c) Sn dağın tepesinde 100°C’nin altında kaynar, (d) Knrşuıı alüminyumdan daha yoğundur, (e) Uranyum radyoaktif bir elementtir. Aşağıdaki ifadelerin her biri fiziksel değişimi ıııi yoksa kimyasal değişimi ıııi ifade etmektedir? (a) Bir balonun içinde bulunan helyum gazı birkaç saat sonra sızarak dışarı kaçma eğilimi gösterir, (b) İşaret fenerinin ışığı yavaş yavaş azalır ve sonra söner, (c) Dondurulmuş portakal suyu, içine su eklenerek önceki haline dönüştürülür, (d) Bitkilerin büyümesi, fotosentez adı verilen olayın gerçekleşmesini sağla­ yan güneş enerjisine bağlıdır, (e) Bir kaşık sofra tuzu bir kase çorba içerisinde çözünür. Kimyasal simgeleri verilen elementlerin isimlerini söyleyiniz. Li. F, P. Cu. As. Zıı. Cl. Pt, Mg. U, Al. Si. Ne. (Çizelge 1.1 ve kitabın ön kapağının iç kısmın­ daki çizelgeye bakınız) Aşağıda verilen elementlerin kimyasal simgelerini yazınız, (a) Sezyum, (b) germanyum, (c) galyum, (d) stronsiyum, (e) uranyum, (f) selenyum, (g) neon, (h) kadmiyum (Çizelge 1.1 ve kitabın ön kapağının iç kısmındaki çizelgeye bakınız). Aşağıdaki maddelerin her birini element ya da bile­ şik olarak sınıflandırınız: (a) hidrojen, (b) su. (c) altın, (d) şeker. Aşağıda verilenleri element, bileşik, homojen karı­ şım veya heterojen karışım olarak sınıflandırınız, (a) Bir kuyudan alınmış su, (b) argon gazı, (c) sakkaroz. (d) bir şişe kırmızı şarap, (e) tavuklu şehriye çorba­ sı (f) kılcal boruda akan kan, (g) ozon.

Problemler 1.21

1.22

1.23

1.24

1.25

1.26

Sayıların Kullanılması Tarama Soruları

1.27 1.28

Ölçme Tarama Soruları

1.17

1.18

1.19

1.20

Kimyada önemli olan temel SI birimlerinin isimleri nelerdir? Aşağıda verilenlerin SI birimleri nedir? (a) Uzunluk, (b) hacım, (c) kütle, (d) zaman, (e) enerji, (f) sıcaklık. Aşağıda verilen önekler ile gösterilen sayıları yazı­ nız. (a) mega-, (b) kilo-, (c) desi-, (d) saııti-, (e) mili, (f) mikro-, (g) nano-, (h) piko-, Kimyacılar sıvı ve katiların yoğunluğu için genel­ likle hangi birimleri kullanır? Gaz yoğunluğu için kullanılan birim hangisidir? Farkını açıklayınız. Laboratuarda ve günlük yaşamda kullanılan Fahreııheit eşeli. Celciııs eşeli ve Kelviıı eşeli olan üç sıcaklık eşeliııi açıklayınız.

Brom kırmızımsı kahve renkli bir sıvıdır. 586 g bro­ mun hacminin 188 nıL olması durumunda. yoğunlu­ ğu g/nıL cinsinden hesaplayınız. Çözücü olarak kullanılan ve renksiz organik bir sıvı olan metanolün yoğunluğu 0,7918 g/nıL'dir. 89.9 nıL sıvının kütlesini hesaplayınız. Aşağıdaki sıcaklıkları Celsiııs veya Fahreııheit dere­ celerine dönüştürünüz: (a) 95°F, sıcak bir yaz günü sıcaklığı, (b) 12°F. soğuk bir kış günü sıcaklığı, (c) 102°F. yüksek ateş sıcaklığı, (d) bir fırın 1852 °F’da çalıştırılır, (e) -273,15°C (kuramsal olarak ulaşıla­ bilen en düşük sıcaklık). (a) Genel olarak insan vücudu, beyni ve hayati organ­ ları hasar görmeden, sadece kısa bir süre için 105°F sıcaklığa dayanabilir. Bu sıcaklık Celsiııc derecesi cinsinden nedir? (b) Etilen glikol, araba radyatörle­ rinde antifiıiz olarak kullanılan bir organik sıvı bile­ şiktir. Bu madde -ll,5°C’de donar. Etilen glikolüıı donma sıcaklığını Fahreııheit sıcaklığı cinsinden hesaplayınız, (c) Güneş yüzeyinin sıcaklığı yaklaşık 6300°C’dir. Bu sıcaklık Fahrenheit derecesi cinsin­ den nedir? (d) Kağıdın tutuşma sıcaklığı 41°F’tır. Bu sıcaklık Celsiııs derecesi cinsinden nedir? Aşağıda verilen sıcaklıkları Kelviıı derecesine dönüştürünüz: (a) 113°C. kükürdün erime noktası, (b) 37°C. normal vücut sıcaklığı, (c) 357°C, cıvanın kaynama noktası. Aşağıda verilen sıcaklıkları Celciııs derecesine dönüştürünüz: (a) 77 K, sıvı azotun kaynama nokta­ sı. (b) 4,2 K. sıvı helyumun kaynama noktası, (c) 601 K. kurşunun erime noktası.

Ondalık gösterim yerine bilimsel gösterim kullan­ manın avantajı nedir? Anlamlı rakamı tanımlayınız. Ölçme ve hesaplama­ larda uygun sayıda anlamlı rakam kullanımının öne­ mini tartışınız.

Problemler

1.29 1.30

1.31

Aşağıda verilen sayıları bilimsel gösterimle yazınız: (a) 0.000000027. (b) 356. (c) 47764, (d) 0.096. Aşağıdaki sayıları ondalık şeklinde gösteriniz: (a) 1.52 X 10’2. (b) 7.78 X 10’8. Aşağıdaki işlemlerin yanıtlarım bilimsel gösterimle yazınız: (a) 145,75 + (2,3 X 10’1) (b) 79500 4- (2,5 X 102) (c) (7.0 X 10’3) - (8.0 X 10-4) (d) (1.0 X 104) X (9.9 X 106)

Sorular ve Problemler 1.32

1.33

Aşağıdaki işlemlerin yanıtlarını bilimsel gösterimle yazınız: (a) 0.0095 + (8.5 X 10’3) (b) 653 -e- (5.75 X 10"8) (c) 850000 - (9.0 X 105) (d) (3.6 X 10“4) X (3.6 X 106) Aşağıda verilen her bir ölçüm sonucunda kaç tane anlamlı rakam vardır? (a) 4867mıl.

(b) (c) (d) (e)

56ıııL, 60104 ton, 2900 g. 40.2 g/cnı3,

(f) 0.0000003 cııı. (g) 0,7 inin. (h) 4,6 X 1019 atom. 1.34

1.35

1.36

1.37

1.38

Aşağıda verilen sayıların her birinde kaç tane anlam­ lı rakam vardır? (a) 0006 L, (b) 00605 dııı, (c) 605 ıııg. (d) 6055 cni2, (e) 960 X 10’3 g. (f) 6 kg. (g) 60 m. Aşağıdaki işlemleri, deneysel sonuçlarla işlem yapı­ yor gibi yapınız. Sonuçları doğru birimlerle ve doğ­ ru sayıda anlamlı rakamla veriniz. (a) 5.6792 ııı + 0.6 ııı + 4,33 m (b) 3.70 g - 2.9133 g (c) 4,51 cııı X 3,6666 cm (d) (3 X 104 g + 6.827 g)/(0.043 cııı3 - 0.021 cııı3)

Aşağıdaki işlemleri, deneysel sonuçlarla işlem yapı­ yor gibi yapınız ve sonuçları doğru birimlerle ve doğru sayıda anlamlı rakam ile veriniz. (a) 7310 kın 5.70 kın (b) (3.26 X 10’3nıg) - (7.88 X 10’5nıg) (c) (4.02 X 106 dııı) + (7.74 X 107 dııı)

(d) (7.8 ııı - 0.34 ııı)/(1.15 s + 0.82 s) Üç öğrenciden (A. B ve C) bir etanol örneğinin hac­ mini belirlemeleri isteniyor. Her öğrenci bir ölçülü silindir kullanarak hacmi üçer kez ölçüyor. Sonuçlar mililitre cinsinden şöyledir: A (87,1: 88.2: 87.6); B (86.9; 87.1; 87.2); C (87.6; 87.8. 87.9). Doğra hacim 87.0 ıııL olduğuna göre, her bir öğrencinin bulduğu sonucu kesinlik ve doğruluk açısından yorumlayı­ nız. Üç terzi çırağından (X. Y ve Z) pantolonun bir çift dikişini ölçmeleri isteniyor. Her çırak üç ölçüm alı­ yor. Sonuçlar inç cinsinden şöyledir: X (31,5: 31.6; 31.4); Y (32,8; 32,3; 32.7); Z (31,9; 32.2. 32.1). Doğru uzunluk 32.0 ııı’dir. Her bir çırağın ölçme sonuçlarını kesinlik ve doğruluk açısından yorumla­ yınız.

31

Boyut Analizi Problemler 1.39

Aşağıdaki dönüşümleri yapınız: (a) 22,6 m’yi desi­ metreye. (b) 25.4 mg’ı kilograma, (c) 556 ıııL’yi lit­ reye, (d) 10,6 kg/m3 ti g/cııı3 e.

1.40

Aşağıdaki dönüşümleri yapınız: (a) 242 lb'yi milig­ rama. (b) 68.3 cııı3 ti metre ktipe. (c) 7.2 ııı3 ti litre­ ye, (d)28.3 pg’ı pound’a.

1.41

Helyumun 25°C’deki hızı 1225 m/s’dir. Bu hızı saat başına ıııil (nıplı) olarak dönüştürünüz.

1.42

Bir gtiııeş yılında (365.24 gtiıı) kaç saniye vardır?

1.43

Işık güneşten Dünyaya kaç saniyede ulaşır? (Güneş ile Dünya arasındaki uzaklık 93 milyon ıııi; ışık hızı = 3.00 X 108m/s)

1.44

Bir koşucu 8.92 dakikada bir mil koşuyor. Bu hızı (a) in/s, (b) ııı/min. (c) kııı/lı cinsinden hesaplayınız.

1.45

6.0 ft uzunlundaki bir kişinin ağırlığı 168 lb’dir. Bu kişinin boyunu metre ve ağırlığını da kg cinsinden hesaplayınız (1 lb = 453.6 g; 1 m = 3.28 ft).

1.46

Alman otobanının bir kısmında uygulanan hız sınırı saatte 286 kilometredir (km/h). Hız sınırını saatte mil (nıplı) olarak hesaplayınız.

1.47

Bir jet uçağının uçak gemisinin güvertesinden hava­ lanabilmesi için hızının 62 nı/s’ye ulaşması gerekir. Hızı saatte mil (nıplı) cinsinden hesaplayınız.

1.48

İnsan kanının “normal” kurşun içeriği yaklaşık mil­ yonda 0.40 kısımdır (yani milyon gram kan 40 gram kurşun içerir. Buna 40 ppm’de denir). Milyonda 0.80 kısım (ppııı) kurşun değeri tehlikeli kabul edi­ lir. Ortalama kurşun içeriği 0.62 ppııı olan 6.0 X 103 g kan (bir yetişkinin ortalama kan miktarı) kaç gram kurşun içerir.

1.49

Aşağıdaki dönüşümleri yapınız, (a) 1,42 ışık yılını ıııil’e (bir ışık yılı astronomide uzaklık ölçümüdür, ışığın bir yılda veya 365 gtiııde kat ettiği mesafedir, ışık hızı 3,00 X 108 m/s’dir). (b) 32.4 yd’yi santi­ metreye, (c) 3.0 X 10lü cnı/s’yi ft/s’ye.

1.50

Aşağıdaki dönüşümleri yapınız: (a) Orta yaştaki bir kadının ortalama ağırlığı olan 70 kg’ı pound’a, (b) 14 milyar yıl’ı (evrenin yaklaşık yaşı) saniye’ye (bir yılda 365 gün olduğunu varsayınız), (c) 88.6 ııı3 ii litreye.

1.51

Alüminyum hafif metallerden biridir (yoğunluğu = 2.70 g/cnı3). Uçak yapımında, yüksek gerilim hatla­ rında ve folye olarak kullanılır. Alüminyumun yoğunluğu kg/ııı3 cinsinden nedir?

1.52

Amonyak gazının yoğunluğu normal koşullarda 0.625 g/L’dir. Amonyağın yoğunluğunu g/cııı3 ola­ rak hesaplayınız.

32

Kimya: Değişimin İncelenmesi

Ek Problemler 1.53

1.54

1.55

1.56

1.57

1.58

1.59

1.60

1.61

1.62

1.63

Aşağıda verilenler için bir tane nitel bir tane de nicel cümle yazınız, (a) sn, (b) karbon, (c) demir, (d) hid­ rojen gazı, (e) sakaroz (şeker kamışı şekeri), (f) tuz tableti (sodyum kloıiir), (g) cıva, (lı) altın, (i) hava. Aşağıdaki açıklamalardan hangileri fiziksel, hangi­ leri kimyasal özellikleri belirtmektedir? (a)Demir paslanma eğilimindedir, (b) Endüstri bölgelerinde yağmur suları asidik özelliktedir, (c) Hemoglobin molekülü kınnızı renklidir, (d) Bir bardak su güneş­ li bir yere bırakılırsa yavaş yavaş gözden kaybolur, (e) Havadaki karbon dioksit, bitkilerdeki fotosentez sırasında çok karmaşık moleküllere dönüşür.

Birleşik Devletlerde 2008 yılında yaklaşık 95,0 mil­ yar lb sülfürik asit üretilmiştir. Bu miktarı tona çevi­ riniz. Dikdörtgen şeklindeki metal bir çubuğun yoğunlu­ ğunu belirlemek amacıyla bir öğrenci aşağıda veri­ len ölçümleri yapıyor: uzunluk 8,53 cm; genişlik 2.4 cm; yükseklik 1,0 cııı; kütle 52.7064 g. Metalin yoğunluğunu hesaplayınız ve sonucu doğru sayıda anlamlı rakamla veriniz. Aşağıda verilenlerin kütlesini hesaplayınız, (a) Yarıçapı 10.0 cm olan altın küre (yarıçapı ı olan bir kürenin hacmi V = (4/3)7rr3 tür), (b) kenar uzunlu­ ğu 0.040 mm olan platin küp (platinin yoğunluğu = 21,4 g/cm3), (c) 50.0 mL etil alkol (etil alkolün yoğunluğu = 0,798 g/ıııL). Uzunluğu 21,5 cm olan silindir şeklindeki cam şişe yoğunluğu 0.953 g/ıııL olan yemeklik yağ ile doldu­ ruluyor. Şişeyi doldurmak için gerekli olan yağın kütlesi 1360 g ise. şişenin iç çapını hesaplayınız. Aşağıda verilen işlem bir balonun hacmini belirle­ mek için uygulanır. Balon kuru kuruya tartılır ve daha sonra su ile doldurulur. Balonun boş ve dolu kütlesi sırasıyla 56.12 g, 87.39 g ve suyun yoğunlu­ ğu 0.9976 g/cm3 ise, balonun hacmini cııı3 cinsinden hesaplayınız. Oda sıcaklığında sesin havadaki hızı yaklaşık 343 m/s’dir. Bu hızı saatte ıııil olarak hesaplayınız. Kütlesi 194.3 g olan bir gümüş (Ag) metal parçası, içerisinde 242,0 ıııL su bulunan bir ölçülü silindire yerleştiriliyor. Son durumda suyun hacmi 260.5 ıııL olarak okunuyor. Bu verileri kullanarak gümüşün yoğunluğunu hesaplayınız. Problem 1.61 'de anlatılan deneysel yöntem basit, ancak birçok katının yoğunluğunu belirlemek için yaygın olarak uygulanan yöntemlerden biridir. Buzun yoğunluğunu ölçebileceğiniz benzer bir yön­ tem tarif ediniz. Özellikle, yapacağınız deney için nasıl bir sıvıya gereksiniminiz olduğunu belirtiniz. Bir kurşun kürenin çapı 48.6 cm’dir. Bu kürenin kütlesi 6.852 X 10^ g olduğuna göre, kurşunun yoğunluğunu hesaplayınız.

Lityum bilinen en az yoğun elementtir (Yoğunluk: 0,53 g/cm3). 1.20 X 103 g lityum ne kadar hacim kaplar? Genellikle evlerde kullanılan tıbbi termometre ile sıcaklık ±0.1 °F duyarlıkla okunabilir. Bu termomet­ relerin duyarlılığı doktor muayenehanelerinde ±0.1°C olabilir. Her iki termometre ile yapılan ölç­ melere göre vücut sıcaklığı 38.9°C olan bir insan için, ölçmedeki hata yüzdesiııi "C cinsinden hesaplayınız? Çok az miktarda vaniliıı (dondurma ve bazı gıdalar­ da kullanılan vanilya çiçeği), insan burnu tarafından algılanabilir. Algılanabildiği en küçük değer bir litre havada 2.0 X 10_llg’dır. Vaniliııiıı 50 g’ıııın piyasa fiyatı 112 dolar olduğuna göre 5.0 X 107 fit3 hacimli büyük bir uçak hangarında algılanabilir vaniliıı mik­ tarının fiyatı ne kadardır? Celsius termometresinde hangi sıcaklıkta okunan değer Fahıenlıeit termometresindeki değere eşittir. Etanol’ün erime (-117.3°C) ve kaynama noktasını (78.3°C) esas alan yeni bir termometre geliştirildiği­ ni varsayınız. Bu termometrede etanolun erime nok­ tası 0 °S. kaynama noktası 100 °S kabul edilmiştir. Burada S yeni sıcaklık eşebilin simgesidir. Bu yeni eşele göre Celsius sıcaklığını elde edebilmek için gereken bağıntıyı türetiniz. Bu termometrede 25°C’uıı karşılığı nedir? Dinlenme halinde olan yetişkin bir insanın saf oksi­ jen ihtiyacı dakikada 240 ınL’dir ve bu ınsaıı bir dakikada ortalama 12 kez nefes alır. Eğer nefes ola­ rak alınan hava hacimce yüzde 20 oksijen içeriyorsa ve dışarıya verilen nefeste yüzde 16 oksijen bulunu­ yorsa. nefes başına havanın hacını ne kadardır? (Nefes alırken alman hava hacminin nefes verirken verilen hava hacmine eşit olduğunu varsayınız.) (a) Problem 1.69 ile ilgili olarak, bir yetişkinin bir günde soluyacağı havanın toplam hacmini litre cin­ sinden hesaplayınız, (b) Bir şehirde yoğun trafikteki hava litrede 2.1 X 10“6 L karbon ıııonoksit (zehirli bir gaz) içerir. Bir kişinin günlük ortalama karbon ıııonoksit alimim litre cinsinden hesaplayınız. Kütleleri 25.0 g olan üç farklı katı pellet örneği, üç ayrı silindirde bulunan 20.0 ıııL suya ilave ediliyor. Sonuç şekilde gösterildiği gibidir. Kullanılan üç metalin yoğunlukları (A: 2.9 g/cm3), (B: 8,3 g/cm3) ve (C: 3,3 g/cm3) olduğuna göre, her bir pellet örne­ ğini tanımlayınız.

1.64

1.65

1.66

1.67 1.68

1.69

1.70

1.71

30

20

(a)

(c)

Sorular ve Problemler

NBA onaylı bir basketbol topunun çevresi 29,6 in'dir. Dünyanın yarıçapının yaklaşık 6400 km olduğu göz önüne alındığında, bu basketbol topları­ nın kaç tanesi birbirine değerek ekvator çevresinde bir daire oluşturacaktır. Cevabınızı üç anlamlı rakam içeren bir tam sayıya yuvarlayınız. 1.73 Bir öğrenciye verilen krozenin, saf platin olup olma­ dığının belirlenmesi isteniyor. Öğrenci kıozeyi önce hava da sonra su (yoğunluğu = 0.9986 g/cııı3) içinde tartıyor ve sırası ile. 860,2 g ve 820,2 g değerlerini elde ediyor. Platinin yoğunluğu 21,45 g/cııı3 olduğu­ na göre, öğrenci elde ettiği verileri nasıl değerlendir­ melidir? (İpucu: Bir sıvı içinde bulunan her cisim, kendi hacmine eşit sıvının ağırlığı kadar bir kuvvetle kaldırılır. Bu kaldırma kuvveti hava için ihmal edilir.) 1.74 Pasifik Okyanusunun yüzey alanı ve ortalama derin­ liği. sırası ile 1,8 X 108 kııı2 ve 3.9 X 103 in’dir. Okyanusun hacmim litre olarak hesaplayınız. 1.75 Kuyumcu birimi “ons” sıklıkla altın (Aıı) ve platin (Pt) gibi değerli metaller için kullanılır. (1 kuyumcu birimi, ons = 31.103’g dır), (a) Bir madeni altın paranın ağırlığı 2.41 kuyumcu ons’ıı olduğuna göre, kütlesini gram cinsinden hesaplayınız, (b) Bir kuyumcu oııs’ıı bir onstan ağır mı, yoksa hafif midir? (1 lb = 16 oz; 1 lb = 453.6 g). 1.76 Osmiyum (Os) bilinen en yoğun elementtir (yoğun­ luk = 22.57 g/cııı3). Çapı 15 cııı olan (yaklaşık bir greyfurt büyüklüğünde) küre şeklinde bir Os parça­ sının kütlesini pound ve kilogram olarak hesaplayı­ nız. Kürenin hacmi için Problem 1.57’ye bakınız. 1.77 Yüzde hata çoğunlukla gerçek ve ölçülen büyüklük­ lerin mutlak değerleri arasındaki farkın gerçek değe­ re bölünmesi ile elde edilir: [gerçek değer - deneysel değeri X %100 yüzde hata = Igeıçek değer 1.72

1.78

1.79

1.80

Dikey çizgiler mutlak değeri belirtmektedir. Aşağıda verilen ölçme sonuçları için hata yüzdelerini hesapla­ yınız. (a) Alkolün (etanol) yoğunluğu 0,802 g/ıııL olarak bulunmuştur. (Gerçek değer: 0,798 g/ıııL.) (b) Bir altın küpenin analizinde içindeki altın kütlesinin 0.837 g olduğu bulunmuştur. (Gerçek değer: 0.864 g.) İnsan vücudundaki elementlerin doğal bolluğu küt­ lece yüzde cinsinden gösterildiğinde oksijen (O): % 65; karbon (C): % 18; hidrojen (H): % 10; azot (N): % 3; kalsiyum (Ca): % 1.6; fosfor (P): % 1.2 ve diğer elementlerin tamamı % 1,2’dir. 62 kg ağırlı­ ğındaki bir kişinin vücudunda bulunan her bir ele­ mentin kütlesini gram cinsinden hesaplayınız. Bir milin açık havada koşulmasına ilişkin erkekler dünya rekoru 1999 yılında 3 dakika 43.13 saniye’dir. Bu hızda 1500 ııı’yi koşmak ne kadar süre alır (İmi = 1609 m). Güneş’e en yakın ikinci gezegen olan Venüs’ün yüzey sıcaklığı 7,3 X 102 K’dir. Bu sıcaklığı °C ve °F’a çeviriniz.

1.81

1.82

1.83

1.84

1.85

1.86

1.87

1-88

1.89

1.90

33

Bakırın (Cu) ana filizi olan kalkopiıit kütlece yüzde 34.63 Cu içerir. 5.11 X 103 kg cevherden kaç gram Cu elde edilebilir. 8.0 X 104 ton altının (Aıı) madenlerden çıkarıldığı hesaplanmıştır. Altının onsunun fiyatı 948 dolar olduğuna göre bu kadar altının toplanı değeri nedir? 1.0 nıL deniz suyunda yaklaşık 4,0 X 10“12 g altın bulunur. Okyanus suyunun toplanı hacmi 1.5 X 1021 L’dir. Deniz suyunda bulunan altının toplanı mikta­ rını gram, değerini de dolar (Problem 1.82’ye bakı­ nız) olarak hesaplayınız. Denizde bu kadar çok altın olduğuna göre neden hiç kimse denizdeki bu cevhe­ ri kullanıp zengin olmamaktadır? Ölçümler 1,0 g demirin (Fe) 1.1 X 1022 Fe atomu içerdiğim göstermiştir. Bir yetişkinin vücudunda bulunan 4,9 g’lık toplanı demir miktarı kaç tane Fe atomu içerir. Dünyanın, yeryüzü olarak adlandırılan dış kısmın­ daki ince tabaka, dünyanın toplanı kütlesinin yakla­ şık % 0,50’siııi oluşturmaktadır, ancak bu tabaka hemen hemen tüııı elementlerin kaynağıdır (oksijen, azot ve bir kaç diğer gazlar atmosferden sağlamı). Silisyum (Si) yer kabuğunda en çok bulunan ikinci elementtir (kütlece % 27.2). Yerkabuğunda bulunan silisyumun kütlesini kilogram olarak hesaplayınız. (Dünyanın kütlesi 5.9 X 1021 ton; 1 ton = 2000 lb; 1 lb = 453.6 g’dır) Bakır atomunun (Cu) yarıçapı yaklaşık olarak 1.3 X 10“10 ııı’dir. 10 cm uzunluğundaki bir bakır çubuğu, atom boyutuna kadar küçültebilmek için kaç kez bölme işlemi yapmanız gerektiğini hesaplayınız. Bu işlemin yapılabilmesi için uygun bir aletin olduğunu ve 10 cm uzunluğundaki bakır çubuğun tüm atomla­ rının ııç uca bir sıra halinde dizilebildikleıini varsa­ yınız. Yanıtınızı tanı sayıya yuvarlayınız. Otomobil motorunda bir galon benzin yandığında, sera gazı olarak da bilmen ve atmosferin ısınmasına sebep olan 9.5 kg karbon dioksit oluşur. Birleşik Devletlerde 40 milyon otomobilin olduğunu, varsa­ yalım. Her arabanın yılda ortalama 5000 mil yol git­ tiğini ve bir galon benzinle 20 mil gidebildiğini kabul ederek, yılda atmosfere bırakılan karbon diok­ sit gazının kütlesini kilogram olarak hesaplayınız. İnce bir alüminyum (Al) levhanın toplam alanı 1.000 ft2 ve kütlesi 3.636 g’dır. Alüminyum levha­ nın kalınlığı milimetre olarak ne kadardır? (Al'uıı yoğunluğu = 2.699 g/cııı3.) Aşağıda verilenlerin homojen karışını ıııı ya da hete­ rojen karışını ıııı olduğunu yorumlayınız: (a) kapalı bir şişe içersindeki hava ve (b) New York şehri üze­ rindeki hava. Klor yüzme havuzlarını dezenfekte etmek için kul­ lanılır. Bu amaçla kabul edilebilen maksimum klor derişilin 1 ppııı klor, yani 1 milyon gram suda 1 g klordur. İçinde 2.0 X 104galon suyun bulunduğu bir

34

1.91

1.92

1.93

1.94

Kimya: Değişimin İncelenmesi

yüzme havuzuna, kütlece % 6,0 klor içeren bir çözeltiden eklenmesi gereken miktarı (mililitre ola­ rak) hesaplayınız. (1 galon = 3,79 L; sıvının yoğun­ luğu = 1,0 g/nıL’dir) Bir alüminyum silindirin uzunluğu 10,0 cm ve yarı­ çapı 0,25 cnı’dir. Tek bir Al atomunun kütlesi 4.48 X 10“23g olduğuna göre, silindirde bulunan Al atomlarının sayısını hesaplayınız. Alüminyumun yoğunluğu 2,70 g/cııı3 tür.

Piknometre sıvıların yoğunluğunun ölçülmesinde kullanılan bir alettir. Piknometre cam bir balon olup, içerisinde kılcal bir boşluk bulunan buzlu camdan yapılmış bir tıpa içerir, (a) Piknometrenin hacmi, 20°C’de yoğunluğu 0,99820 g/ıııL olan su kullanıla­ rak tayin edilir. Önce piknometrenin boğazına kadar su doldurulur. Tıpa yerleştirildiğinde suyun fazlası tıpadaki kılcal içersinde yükselir. Piknometre daha sonra süzgeç kağıdı ile kurulanır. Piknometrenin boş ve dolu kütleleri sırasıyla 32.0764 g ve 43.1195 g olduğuna göre piknometrenin hacmini hesaplayınız, (b) Piknometrenin etil alkolle dolu iken kütlesi 20°C’de 40.8051 g olduğuna göre, etil alkolün yoğunluğunu hesaplayınız, (c) Pikııometreler katila­ rın yoğunluğunun ölçülmesinde de kullanılır. Önce, ağırlığı 22.8476 g olan küçük çinko tanecikleri pikııometreye konur, daha sonra üzeri su ile doldurulur. Piknometrenin çinko tanecikleri ve su ile toplam kütlesi 62.7728 g olduğuna göre çinkonun yoğunlu­ ğu nedir?

Bir altın arayıcısı, 1849 yılında Califoınia’da bir torba kumlu altın külçelerini topladı. Altın ve kumun yoğunlukları sırasıyla 19.3 g/cm3, 2.95 g/cııı3 ve karışımın yoğunluğu da 4,17 g/cııı3 olduğuna göre altının karışımdaki kütlece yüzdesini bulunuz. Bir molekülün .r uzaklığına difüzlenmesi için gerek­ li ortalama süre şu ifade ile verilir:

1.95

İnsan beyninin ağırlığı yaklaşık 1 kg olup, yaklaşık 10" hücre içerir. Her bir hücrenin, yoğunluğu 1 g/ ıııL olan su ile tamamen dolu ve bir hücrenin de küp şeklinde olduğunu farz ederek hücrenin kenar uzun­ luğunu hesaplayınız. Hücreler tek hücre kalınlığın­ da ince bir tabaka oluşturmak üzere yayılırsa, yüzey alanı m2 cinsinden ne kadar olur?

1.96

(a) Karbon monoksit (CO). kanda bulunan oksijen taşıyıcı homoglobine çok hızlı bağlanması sebebiy­ le zehirli bir gazdır. Karbon monoksitin hacimce 8.00 X 102 ppm’lik derişimi insanlar için öldürücü olarak kabul edilir. Uzunluğu 17,6 m; genişliği 8.80 m ve yüksekliği 2.64 m olan bir odadaki karbon monoksitin hacmini litre cinsinden hesaplayınız, (b) Uzun süre cıva (Hg) buharına maruz kalmak nörolo­ jik bozukluklara ve solunum problemlerine neden olabilir. Güvenli hava kalitesi için, cıva buharının derişimi 0.050 ıııg/nı3 ün altında olmalıdır. Bu değe­ ri g/L’ye çeviriniz, (c) Tip II diyabet testinin uygu­ lanması için, kan şekeri (glikoz) seviyesi 120 mg/dL değerinin altında olmalıdır. Bu değeri mililitrede mikrogram (pg/ıııL) olarak çeviriniz.

1.97

Bir banka gişe memuru müşterileri için “bir dolarlık” bozuk para setleri oluşturdu. Her set 3 tane çeyrek, bir tane 5 sent ve 2 tane de 10 sentten oluşmaktadır. Bozuk paraların kütleleri çeyrek 5,645 g; 5 sent 4.967 g; 10 sent 2.316 g’dır. 33.871 kg çeyrek, 10,432 kg 5 sentlik ve 7.990 kg 10 sentlik bozuk para kullanılarak en fazla kaç set oluşturulabilir. Oluşturulan bozuk para setlerinin toplam kütlesi g cinsinden ne kadardır?

1.98

Bir ölçülü silindir 40.00 ıııL işaret çizgisine kadar madeni yağ ile dolduruluyor. Silindirin madeni yağ ilave edilmeden ve edildikten sonraki kütleleri sıra­ sıyla 124,966 g ve 159.446 g’dır. Başka bir deneyde, kütlesi 18.713 g olan metal bir bilye silindire yerleş­ tiriliyor ve silindir tekrar 40,00 ıııL işaret çizgisine kadar madeni yağ ile dolduruluyor. Bilye ve madeni yağın toplam kütlesi 50.952 g olduğuna göre bilye­ nin yoğunluğunu ve yarıçapını hesaplayınız. [Yarıçapı r olan bir kürenin hacmi (4/3)^’tür].

1.99

On dokuzuncu yüzyılda bir kimyacı bilinmeyen bir madde hazırladı. Genel olarak, bu maddenin bir ele­ ment ya da bir bileşik olduğunu kanıtlamanın zor olduğunu düşünür müsünüz? Açıklayınız.

1.100

Bronz, bakır (Cıı) ve kalay (Sn)’dan yapılmış bir alaşımdır. Yarıçapı 6.44 cm ve uzunluğu 44.37 cm olan bir bronz silindirin kütlesini hesaplayınız. Bronzun bileşimi % 79.42 Cıı ve % 20.58 Sn olup, Cıı ve Sn’m yoğunlukları sırasıyla 8.94 g/cm3 ve 7.31 g/cııı3 tür. Bu hesaplamayı yaparken hangi var­ sayımlarda bulunmalısınız?

1.101

Size bir sıvı verilmiş olsun. Bu sıvının bir saf mad­ de mi yoksa homojen bir karışını ıııı olduğunu gös­ termek için izleyeceğiniz basamakları kısaca açıkla­ yınız.

2D Burada t saniye cinsinden zaman; D ise difüzlenme katsayısıdır. Glikozun difüzlenme katsayısı 5.7 X 10“7 cm2/s olduğuna göre, bir glikoz molekülünün yaklaşık 10 pııı büyüklüğünde olan bir hücreye difüzlenmesi için gerekli süreyi hesaplayınız.

Alıştırmaların Cevaplan 1.102

1.103

Bir kimyacı homojen bir karışım oluşturmak üzere A ve B sıvılarım karıştırıyor. A sıvısının yoğunluğu 2,0514 g/ıııL ve B sıvısının yoğunluğu da 2,6678 g/ ıııL’dir. Kimyacı küçük bir cismi bu karışımın içeri­ sine bıraktığında cismin asılı kaldığım gözlemliyor yani cisim ne batıyor ne de yüzüyor. Sıvı karışımı hacimce % 41.37 A ve % 58.63 B sıvısından oluşu­ yorsa, metalin yoğunluğu nedir? Bu işlem genel ola­ rak katiların yoğunluğunun tayini için kullanılabilir mi? Bu yöntem uygulanırken hangi varsayımlar yapılmaktadır? Tuııı. mide ekşimesi (asit hazımsızlığı) için yaygın bir çözümdür. Tipik bir Tuııı tablet kalsiyum karbo­ nat ve bazı inert maddeler içerir. Tablet mideye alın­

35

dığında, mide sıvısı (hidıokloıik asit) ile karbondi­ oksit oluşturmak üzere tepkime verir. 1,328 g'lık bir tablet 40.00 ıııL hidıokloıik asit (yoğunluğu: 1,140 g/nıL) ile tepkime verdiğinde karbondioksit gazı oluşuyor ve çözelti 46.699 g geliyor. Karbon dioksit gazının yoğunluğu 1.81 g/L ise. açığa çıkan karbon dioksit gazını litre cinsinden hesaplayınız. 1.104 Hacmi 250 ıııL olan cam bir şişe. 20°C’daki 242 ıııL su ile dolduruluyor ve ağzı sıkıca kapatılıyor. Daha sonra, bir gece boyunca ortalama - 5°C olan bir sıcaklıkta, dışarıda bırakılıyor. Ne olacağını tahmin ediniz? Suyun yoğunluğu 20°C ve - 5°C’de sırasıy­ la 0,998 g/cm3 ve 0.918 g/cm3 tür.

Yorumlama, Modelleme ve Tahmin 1.105

1.106 1.107 1.108

1.109

Bir mol karıncanın kütlesi ne kadardır? (faydalanı­ lacak bilgi: Bir mol, atom veya atom altı tanecikler için kullanılan biı birimdir. 1 mol yaklaşık 6 X 1023 tanecik içerir. 1 cm uzunluğundaki bir karıncanın kütlesi yaklaşık 3 mg’dır). 80 yaşındaki bir kişinin ömrü boyunca uykuda geçirdiği zaman yıl cinsinden ne kadardır? Birleşik Devletlerde dört kişilik bir ailenin evdeki günlük su tüketimi galon cinsinden ne kadardır? Bovliııg salonları genel olarak kütleleri tam sayılar­ la belirtilen 8 lb'den 16 lb'ye kadar bovliııg topları­ nı bulundurur. Yönetmeliğe göre bovliııg toplarının çapı 8.6 in’dir. Böyle bir bovliııg topunun suda yüz­ mesini bekler misiniz? Çaplan 100 nııı - 300 mıı olan “nanolifleriıı” kaynaştırılıııasıyla çok küçük hacme sahip birleşme nokta­ ları oluşur. Bu küçük hacimler birkaç mole­ külün yer aldığı tepki­ melerin gerçekleşme­ sine olanak sağlar. İç çapı 200 ıuıı olan bu tür iki lif arasında oluşan birleşme noktası hacmini litre cinsin­ den talimin ediniz. Okunan ölçek 1 pnı’dir.

1.110 1.111

1.112 1.113 1.114

1.115

Birleşik Devletlerdeki binek otomobillerinin yıllık benzin tüketimini tahmin ediniz. Toplam deniz suyu miktarını litre cinsinden tahmin ediniz. Bir yetişkinin kanının hacmini litre cinsinden tali­ min ediniz. Işık bir ııanosaniyede ne kadar uzağa gider? Bir NBA oyuncusunun profesyonel bir basketbol oyununda ne kadar mesafe kat ettiğim mil cinsinden tahmin ediniz. Su muhafaza edilirken, kimyacılar haznedeki suyun buharlaşma hızını azaltmak amacıyla, su yüzeyini bazı inert malzemelerden yapılmış ince biı film taba­ kası ile kaplarlar. Beııjamin Frankliıı tarafından üç asır önce bulunmuş olan bu teknik çığır açmıştır. Frankliıı 0.10 ıııL yağın 40 m2 lik bir alana sahip su yüzeyine yayılabileceğini keşfetti. Yağın tek tabaka oluşturduğunu yani tabakanın tek bir molekül kalın­ lığında olduğunu farz ederek, her bir yağ molekülü­ nün uzunluğunu tahmin ediniz (1 nııı = 1 X 10_9m.)

Alıştırmaların Cevapları 1.1 96.5 g, 1.2 341 g. 1.3 (a) 621.5 °F. (b) 78,3°C. (c) -

196°C. 1.4 (a) İki. (b) Dört, (c) Üç. (d) İki. (e) İki veya üç. 1.5 (a) 26,76 L. (b) 4.4 g. (c) 1.6 X 107 dııı2. (d) 0.0756 g/

ıııL, (e) 6.69 X 104 ııı. 1.6 2,36 lb. 1.7 1,08 X 105m3. 1.8 0.534 g/cm3. 1.9 0.03 g.

KİMYANIN • /

Dinozorların Yok Oluşu ilyonlarca yıl yeryüzünde yaşama egemen olan dinozorlar aniden ortadan yok olmuş­ lardır. Bu sini çözümlemek amacıyla paleoııtologlar yeryüzü kabuğunun değişik kat­ manlarındaki kayaçlaıda bulunan fosil ve iskelet kalıntılarını incelediler. Araştırmacılar elde ettikleri bilgileri kullanarak, belirli jeolojik dönemler boyunca yeryüzünde var olan türlerin

M

36

haritasını oluşturdular. Ayrıca, 65 ıııilyoıı yıl önce gerçekleşen Kıetase döneminden hemen sonra oluşan kayaçlaıda dinozor iskeleti kalıntılarının olmadığını da ortaya koydular. Bu sebeple 65 milyon yıl önce dinozorların soyunun tükendiği varsayılır. Dinozorların oltadan yok olmalarını açıklamak üzere ileri sürülen hipotezler arasında besin zincirindeki aksaklıklar ve çok şiddetli volkanik patlamaların sebep olduğu büyük iklim değişiklikleri vardır. Ancak 1977 yılına kadar herhangi bir hipotez için ikna edici bir kanıt bulunamamıştır. O sırada İtalya'da araştırma yapan bir grup paleontolog, Gubbio yakınların­ daki bir yerleşim yerinde çok şaşırtıcı bulgular elde ettiler. Kıetase dönemi sırasında oluşmuş çökeltilerin üzerine biriken kil tabakasının (bu nedenle Kıetase döneminden sonra ortaya çıkan olayları kaydeden bir katman) kimyasal analizi şaşırtıcı bir şekilde yüksek miktarda iridyum (Iı) elementinin varlığını ortaya çıkardı. İridyum, asteroitleıde nispeten bol bulunan ancak yerkabuğunda çok nadir bulunan bir elementtir. Bu araştırma, dinozorların soyunun tükenmesini ortaya koyan aşağıdaki hipotezin geliş­ tirilmesini sağladı. Bulunan iridyum miktarı dikkate alındığında, bilim insanları çapı birkaç mil olan çok büyük bir asteroitin Dünyaya çarptığını, bu zamanda dinozorların soyunun tüken­ diğini ileri sürdüler. Asteroitin. dünyaya çarptığı yerdeki etkisi o kadar şiddetli olmuştur ki. bu etki büyük miktardaki kaya, toprak ve diğer cisimlerin tanı anlamıyla buharlaşmasına neden olmuştur. Oluşan toz ve kalıntı havaya yayılarak güneş ışınlarının aylarca, beklide yıl­ larca dünyaya gelmesini engellemiştir. Güneş ışınının yeterli olmaması sebebiyle pek çok bitki büyüyeıııemiştir. Aslında, pek çok bitki türünün bu zamanda bir anda yok olduğunu fosil kayıtları doğrulamaktadır. Sonuç olarak pek çok ot obur hayvan telef olmuş, buna bağlı ola­ rak etobur hayvanlar da açlıktan ölmeye başlamışlardır. Yiyecek kaynaklarındaki azalma şüp­ hesiz, daha fazla miktarda yiyecek ihtiyacı olan büyük hayvanları küçük hayvanlara göre hızla ve daha ciddi bir şekilde etkilemiştir. En irilerinin ağırlığı yaklaşık 30 ton’a kadar ulaşabilen devasa dinozorlar yiyeceğin tükenmesi nedeniyle ortadan yok olmuşlardır.

Kimyasal İpuçları 1.

Dinozorların yok oluşlarına ilişkin araştırma, bilimsel yöntemle nasıl gösterilir?

2.

Asteıoit çarpma hipotezini deneyebileceğiniz iki yöntem öneriniz.

3.

Sizin kişisel görüşünüze göre, dinozorların yok oluş kuramı olarak asteıoit çarpmasını sebep göstermek savunulabilir mi?

4.

Mevcut kanıtlar asteıoit kütlesinin yaklaşık % 20’siniıı toza dönüştüğünü ve bu tozların atmosferin üst tabakasının üzerine yerleşerek Dünya'nııı üzerini tamamen kapladığını göstermektedir. Bu toz yeryüzünde yaklaşık 0,02 g/cm2 tabaka oluşturmuştur. Asteroitin yoğunluğu yaklaşık 2 g/cm3 dür. Asteroitin küre şeklinde olduğunu farz ederek, kütlesi­ ni kilogram ve ton cinsinden hesaplayınız ve yarıçapını da metre cinsinden hesaplayınız. (Dünya'nııı alanı 5,1 X 1014 m2 ve 1 lb = 453,6 g’dır). (Kaynak'. Consider a Spherical Cow - A course in Environmental problem Solving by J. Harte, Univercity Science Books, Mill Valley, CA 1988. İzin alınarak kullanılmıştır.)

37

Bölüm

Atomlar, Moleküller ve iyonlar

Marie ve Pieıre Curie’yi laboıatuvarda çalışırken gösteren resim. Curie'ler birçok radyoaktif element üzerinde çalıştı ve bunları tanımladı.

Böliim Başlıkları

Toplu Bakış

2.1

Atom Kuramı

•

2.2

Atomun Yapısı Atom Numarası, Kütle Numarası ve İzotoplar

Maddenin temel birimlerinin incelenmesine tarihi bir bakış ile başlayalım. Modem atom kuramı Johıı Dalton tarafından oııdokuzuııcu yılda ortaya konul­ muştur. Daltoıı. elementlerin atom adı verilen çok küçük taneciklerden oluştu­ ğunu. belli bir elementin bütün atomlarının birbirinin aynı olduğunu, ancak bun­ ların tüm diğer elementlerin atomlarından farklı olduğunu ileri sürmüştür. (2.1)

•

Bilim insanları, yapılan deneylerden atomun proton, elektron ve nötron adı veri­ len üç temel parçacıktan oluştuğunu öğrenmişlerdir. Proton artı bir yüklüdür, elektron eksi bir yüklüdür, nötron ise yüksüzdür. Protonlar ve nötronlar, atomun merkezinde çekirdek adı verilen çok küçük bir bölgede bulunurlar: elektronlar ise çekirdekten belli bir mesafede, çekirdek etrafına dağılmışlardır. (2.2) Atomları tanımlamanın yollarını öğreneceğiz. Atom numarası çekirdekteki proton sayısıdır; farklı elementlerin atomları farklı atom numaralarına sahip­ tir. İzotoplar aynı elementin atomlarıdır, ancak izotopların içeriğindeki nöt­ ron sayıları farklıdır. Kütle numarası bir atomdaki proton ve nötron sayıla­ rının toplamıdır. Atom elektriksel açıdan yüksüz olduğundan, atomdaki pro­ ton sayısı elektron sayısına eşittir. (2.3) Bundan sonra, elementlerin kimyasal ve fiziksel özelliklerine göre periyodik çizelge adı verilen bir cetvelde nasıl gruplar halinde dizildiklerini göreceğiz. Periyodik çizelge sayesinde elementleri metal, yarı metal ve ametal olarak sınıflandırabilir ve özellikleri arasında sistematik bir bağıntı kurabiliriz. (2.4) Çoğu elementlerin atomlarının etkileşerek bileşikleri oluşturduğunu görece­ ğiz. Bileşikler, moleküllerden oluşan ıııoleküler bileşikler ve pozitif ile nega­ tif yüklü iyonlardan oluşan (katyonlar ve anyonlardan) iyonik bileşikler ola­ rak sınıflandırılırlar. (2.5) Molekülleri ve iyonik bileşikleri göstermek için kimyasal formülleri (mole­ kül formülleri ve kaba formüller) ve modelleri kullanmayı öğreneceğiz. (2.6) İnorganik bileşiklerin adlandırılmasında kullanılacak olan bir dizi kuralları öğreneceğiz. (2.7) Son olarak daha ilerideki bir bölümde ayrıntılı olarak göreceğimiz organik dünyayı burada kısaca inceleyeceğiz. (2.8)

2.3

2.5

Periyodik Çizelge Moleküller ve İyonlar

2.6

Kimyasal Formüller

2.7

Bileşiklerin Adlandırılması

2.8

Organik Bileşiklere Giriş

2.4

•

•

•

• • •

-----------------------------------------------

2.1 Atom Kuramı

39

1^

ski çağlardan beri insanlar maddenin doğası üzerinde kafa yormuşlardır. Maddenin yapı­ sıyla ilgili modern fikirler oııdokuzuııcu yüzyılın başlarında Dalton’un atom kuramı ile oluşmaya başlamıştır. Şimdi artık biliyoruz ki tüm maddeler atomlar, moleküller ve iyonlardan oluşmuştur. Kimyanın tümü de bir şekilde bu türlerle ilgilidir.

2.1 Atom Kuramı Milattan önce beşinci yüzyılda, Ynııan filozofh Democritus, biitüıı maddeleri, bölünemez veya kesilemez anlamında atoıııos olarak adlandırılan çok küçük, bölünmez tanecikler­ den oluştuğunu öne sürdü. Democritus’ıııı bu fikri, özellikle Plato ve Aristo gibi çoğu çağdaşları tarafından kabul edilmemekle biılikte, bir biçimde uzun süre varlığını sürdür­ müştür. İlk bilimsel araştırmalardan elde edilen deneysel kanıtlar “atom” kavramına des­ tek sağlamış ve zamanla element ve bileşiklerin modem tanımlarının yapılmasına yol açmıştır. Atom adını verdiğimiz, maddenin bölünmez yapı taşlarının açık tanımı, 1808 yılında, bii‘ İngiliz bılıııı insanı ve öğretmen olan Jolm Daltoıı tarafından yapılmıştır. Dalton’un çalışmaları kimyada modem çağm başlangıcıdır. Daltoıı atom kuramı aşağıdaki gibi özetlenebilir: 1.

Elementler atom adı verilen son derece küçük taneciklerden oluşurlar.

2.

Belli bıı elementin bütün atomları birbirinin aynıdır; yani bu atomların boyutları eşittir, hepsi aynı kütleye sahiptir ve kimyasal özellikleri aynıdır. Ancak, bıı ele­ mentin atomları diğer bütün elementlerin atomlarından farklıdır.

3.

Bileşikler birden çok elementin atomlarından oluşmuştur. Herhangi bir bileşikteki iki elementin atom sayılarının oranı ya bir tam sayı, ya da basit bir kesfidir.

4.

Kimyasal tepkimeler, yalnızca atonılarm birbirlerinden ayrılması, birbirleri ile bir­ leşmesi ya da yeniden düzenlenmesinden ibarettir; atonılarm yok olmasına ya da oluşmasına yol açmaz.

Şekil 2.1 ’de yukarıdaki son üç varsayım şematik olarak gösterilmiştir. Dalton’un atom kavramı Democritus’linkinden çok daha ayrıntılı ve spesifik (atoma özgü) idi. Örneğin, 2. varsayımda bir elementin atomlarının diğer bütün ele­ mentlerin atomlarından farklı olduğu belirtilmiştir. Daltoıı, atomun yapısını veya içe­ riğini açıklamaya hiç yeltenmediği ve atomun gerçekte nasıl bir şey olduğu lıakkmda fikri olmadığı halde hidrojen ve oksijen gibi elementlerin farklı özellikler göstenne-

Llolııı Daltoıı (1766-1844) . İngiliz kimyacı, matematikçi vc filozof. Atom kuramının yanısıra Daltoıı bir­ çok gaz yasasını bulmuş, vc kendi hastalığı ile ilgili olan ıcnk körlüğünün ilk ayrıntılı tanımlamasını yap­ mıştır. Daltoıı sıradan bir deneyci, dil vc hayal gücü zayii olan birisi olarak tanımlanır. Boş vakitlerinde lek yaptığı, perşembe öğleden sonraları açık havada bovling oynamaktı. Belki de ona atom kuramı fikrini veren tahta bovling loplarının görüııtüsüydü.

Şekil 2.1 (a) Dalton atom

X elementinin atomları

Y elementinin atomları (a)

kuramına göre, bir elementin atomları birbirinin aynıdır, fakat diğer elementlerin atomlarından farklıdır, (b) X ve Y elementlerinin atomlarından oluşan bileşik. Burada X elementinin atomlarının, Y elementinin atomlarına oranı 2:1 dir. Kimyasal bir tepkime sonucunda atomların yok olmadığına ya da oluşmadığına, ancak sadece yeniden düzenlendiğine dikkat ediniz.

40

Atomlar. Moleküller ve İyonlar

Karbon monoksit

Karbondioksit

Karbon monoksitteki oksijenin karbon dioksitteki oksijene oranı

Şekil 2.2 Katlı oranlar yasasına bir örnek.

sinin. sadece hidrojen atomlarının oksijen atomları ile aynı olmamasıyla açıklanabi­ leceğini biliyordu. 3. varsayımda, bıı bileşik oluşturabilmek için belli elementlerin belirli sayıda atomlarına gereksinim olacağına işaret edilmektedir. Bu fikir, Fransız kimyacı Joseph Proust’un 1799 yılında yayınladığı bıı yasanın uzantısıdır. Pıoust’un sabit oranlar yasası, bir bileşiğin farklı örneklerinde, bileşiği oluşturan elementlerin kütlece daima aynı oranda bulunduklarını belirtir. Örneğin, farklı kaynaklardan alınmış karbon dıoksit gazı örneklerini analiz edersek, örneklerin hepsinde karbon oksijen oranının küt­ lece aynı olduğunu buluruz. Böylece, bir bileşikteki elementlerin kütlelerinin oranı sabit olduğuna göre, bileşikteki elementlerin atomlarının oranı da sabit olmalıdır. Dalton’un üçüncü varsayımı, diğer bir önemli yasa olan katlı oranlar yasasını da destekler niteliktedir. Bu yasaya göre, iki element birden fazla bileşik oluşturmak üze­ re birleşebilirse, bir elementin belli bir kütlesi ile birleşen diğer elementin farklı kütle­ leri arasında küçük tam sayılı bir oran vardır. Daltoıı kuramı katlı oranlar yasasını ba­ sit bir biçimde açıklar: Aynı elementleri içeren farklı bileşiklerde, birleşen elementlerin atomlarının sayısı farklıdır. Örneğin, karbon oksijen ile iki tane kararlı bileşik oluştu­ rur. Bunlar karbon monoksit ve karbon dıoksittıı. Modem ölçüm teknikleri, karbon ıııoııoksitte bıı karbon atomu ile bir oksijen atomunun, karbon dıoksitte ise bir karbon ato­ mu ile iki oksijen atomunun birleşmiş olduğunu gösterir. Buna göre karbon monoksit­ teki oksijenin karbon dıoksitteki oksijene oranı 1:2’dir. Bu sonuç katlı oranlar yasası ile uyum içindedir (Şekil 2.2). Dalton’un dördüncü varsayımı, madde yoktan var edilemez ve varken yok edilemez diye bıluıen kütlenin korıııııınıııyasasının* başka bıı ifadesidir. Kimyasal tepkimeler­ de maddeyi oluşturan atomlar değişmediğine göre, kütlenin de yok olmayacağı açıktır. Dalton’un, maddenin doğasma ilişkin bu zekice önsezisi, ondokuzııncıı yüzyılda kim­ yanın hızla gelişmesinde en önemli itici güç olmuştur.

Kavramların Değerlendirilmesi A (mavi) ve B (kavuniçi) elementlerinin atomları aşağıda gösterilen ıkı bileşiği oluşur. Bu bileşikler katlı oranlar yasası ile uyumlu mudur?

2.2 Atomun Yapısı Daltoıı atom kuramına göre atomu, kimyasal bir bileşime girebilen, elementin temel birimi olarak tanımlayabiliriz. Daltoıı, atomu lıeııı çok çok küçük lıeııı de bölünemez olarak düşünmüştür. Oysa, 18504i yıllarda başlayıp yirminci yüzyıla kadar uzanan araştırmalar, atomların bıı içsel yapısının olduğunu, yanı atomların atom altı tanecik­ ler adı verilen daha da küçük taneciklerden oluştuğunu açıkça göstermiştir. Bu araş­ tırmalar elektron, proton ve nötronların keşfine yol açmıştır. lloscph Loııis Proust ( 1754- 1826). Fransız kimyacı. Prust üzümden şekeri ayırıp elde eden ilk kişidir. *Albert Einstcin'a göre külle ve enerji, kütle-enerfi adı verilen lek bir olgunun laikli biçimleridir. Kimyasal tepkimelerde çoğu zaman ısı, veya enerjinin başka bir türü, kazanılır ya da kaybedilir. Böylece bir tepkimede enerji kaybedildiğinde kütle kaybı da olur. Ancak, radyoaktif tepkimeler (bakınız Bölüm 19) dışında , kimya­ sal tepkimelerde meydana gelen külle değişimleri ölçülemeyecek kadar küçüktür. Bu nedenle pratikte küllenin korunumu lıeı zaman geçerlidir.

2.2 Atoıııuıı Yapısı

41

Şekil 2.3 Katot ışınlarının hareket ettiği yöne dik konumda bir elektrik alanı ve dışsal manyetik alan bulunan bir katot tüpü. N ve S mıknatısın kuzey ve güney kutuplarını göstermektedir. Katot ışınları manyetik alanın etkisinde olduğunda tüpün sonundaki A noktasına, elektrik alanın etkisinde olduğunda C noktasına, bu alanlar bulunmadığı zaman, ya da birbirini yok ettiği zaman ise B noktasına çarpar.

Elektron 1890’laıda birçok bilini adamı radyasyon, yaııı enerjinin uzayda dalgalar halinde yayımlanması ve iletilmesi konusunda çalışmalar yapmıştır. Bu araştırmalardan elde edilen bilgiler atomun yapısını algılamamıza önemli katkı sağlamıştır. Radyasyon olgusunu incelemek için kullanılan araçlardan biri, bu günkü televizyon tüpünün öncüsü olan katot ışınları tüpüdür (Şekil 2.3). Katot ışınları tüpü havası neredeyse tamamen boşaltılmış cam bir tüptür. Tüpte bulunan metal levhalar bıı yüksek voltaj kaynağına bağlandığında, katot adı verilen eksi yüklü levha, görünmeyen bir ışın yayımlar; bu katot ışını, anot adı verilen artı yüklü levhaya doğru çekilir ve orada bulunan delikten geçip tüpün diğer ucuna doğru hareket eder. Tüpün diğer ucunun yüzeyi özel bir maddeyle kaplanmıştır; katot ışını bu yüzeye çarptığında kuvvetli fliioresaııs, yaııı parlak bir ışık oluşur. Bazı deneylerde katot ışını tüpünün dışma elektrik yüklü ıkı levha ve bıı mıknatıs yerleştirilmiştir (Şekil 2.3). Manyetik alan etkisinde katot ışmı A noktasına, elektrik ala­ nı etkisinde C noktasına çarpar; manyetik ve elektrik alanları birbirlerinin etkisini gide­ recek şekilde dengelendiğinde veya bu alanlar uzaklaştırıldığında ise katot ışını B nok­ tasına çarpar. Elektromanyetik kurama göre, hareket halinde olan yüklü bir tanecik bıı mıknatıs gibi davranır ve içinden geçtiği elektrik veya manyetik alanla etkileşir. Katot ışını artı yüklü levhaya doğru çekilip eksi yüklü levha tarafından itildiği için, bu ışının eksi yüklü taneciklerden oluşması gerekil. Bu eAsz yıikh'i tanecikleri elektron olarak taımnlarız. Şekil 2.4, bir mıknatısın katot ışmına etkisini göstermektedir. Bir İngiliz fizikçisi olan J. J. Thomson*, katot ışını tüpü ve elektromanyetik ku­ ram hakkmdaki bilgilerim kullanarak, tek bir elektronun elektriksel yükünün elektronun kütlesine oranını saptamışta. Thomson’un bulduğu rakam —1,76 X 10s C/g’dır. Bura­ da C elektrik yükü bilimi olan coulomb\\ux. Daha soıua. R. A. Millikan, 1908 ile 1917 yılları arasında yaptığı deneylerde, elektronun yükünü çok yüksek duyarlılıkla ölçmeyi başarmıştır. Mıllikaıf m çalışmaları tüm elektronların yükünün birbirinin aynı olduğu­ nu ispat etmiştir. Millikan deneyinde, havadaki iyonlardan statik yük kapan minik yağ damlacıklarının hareketim inceledi. Yüklü yağ damlacıklaıma elektrik alanı uygulaya­ rak. damlacıkların havada askıda kalınasım sağlamış ve bu damlacıkların hareketim bıı 'Joseph John Thomson (1856- 1940). Elektronu keşfettiği için, 1906’da Fizik’dc Nobcl Ödiilii alan İngiliz fizikçi.

'Robert Andrews Millikan (1868- 1953) Elektronun yükünü saptadığı için 1923’te Fizik’dc Nobcl Ödülü alan Amerikalı fizikçi.

Animasyon Katot ışını tüpü

Elektronlar normal olarak atomlarla ilişkilendirildiği halde, tek tek de araştırılabilir­ ler.

Animasyon Millikan yağ damlası deneyi

42

Atomlar, Moleküller ve İyonlar

Şekil 2 .4 (a) Bir boşalma tüpünde oluşturulan katot ışını katottan (soldan) anoda (sağa) doğru hareket halindedir. Katot ışını gözle görülemediği halde, cam üzerine kaplanmış çinko sülfür tabakasının fluoresansı sayesinde yeşil renkli görünür, (b) Bir mıknatısın kutbu yaklaştırıldığında, katot ışını aşağıya sapar, (c) diğer kutup yaklaştırılırsa ters yöne sapar.

mikroskopla izlemiştir (Şekil 2.5). Elektrostatik bilgilerini de kullanarak bir elektronun yükünün -1.6022 X 10-19 C olduğunu buldu ve bu verilerden bir elektronun kütlesini aşağıdaki gibi hesapladı: yük Bir elektronun kütlesi = ———— yük/kütle _ -1.6022 X 10~19C

-l,76 X 108C/g = 9,10 X 10_28g Görüldüğü gibi, elektronun kütlesi aşuı derecede küçük bıı kütledir.

Radyoaktiflik 1895’te. Alman fizikçi Wilhelm Röntgen1 katot ışınlarının, cam ve metallerin olağan dışı ışın yaymasına neden olduğunu gördü. Yayımlanan bu yüksek enerjili radyasyon maddenin içinden geçebiliyor, fotoğraf filmi levhalarını karartıyor ve çeşitli maddele­ rin flüoresan ışık yayımlamasına sebep oluyordu. Bu ışınlar bir mıknatıs etkisi ile saptırılamadığından, katot ışınları gibi yüklü tanecikler değildi. Röntgen bu ışınlara X- ışınları adını verdi, çünkü nitelikleri bilinmiyordu. 'Wilhelm Konrad Röntgen ( 1845- 1923). X- ışınlarını keşfettiği için 1901'de Fizik Nobel Ödiilii alan Alınan fizikçi.

Şekil 2.5 Millikan’ın yağ

Yüklü plaka

damlacıkları deneyinin şematik olarak gösterimi. Küçük delik (+)

Yağ damlasında yük oluşturmak için X ışını (")

Yüklü plaka

Miksokopla bakış

2.2 Atomun Yapısı

43

Şekil 2.6 Radyoaktif elementler tarafından yayımlanan üç tür ışın. (3 ışınlan eksi yüklü taneciklerden (elektronlar) oluşmuştur ve bu nedenle artı yüklü levha tarafından çekilir a-ışınlan için bunun tersi geçerlidir. a-ışınlan artı yüklü olup eksi yüklü levhaya doğıu çekilirler, y ışınlarının yükü olmadığından, dışsal elektrik alanı bu ışınların doğrultusunu etkilemez.

Röntgen’in bu buluşundan hemen sonra, Paris’te bir fizik profesörü olan Antoine Becquerel1, maddelerin flüoresan özelliklerim incelemeye başladı. Tamamen bu tesa­ düf sonucunda Becquerel, kalın kâğıtla sarılmış fotoğraf filmi levhalarının bıı uran­ yum bileşiğinin etkisinde katot ışınları olmadan da karardığını fark etti. Uranyum bile­ şiğinden kaynaklanan bu ışınlar aynı X- ışınları gibi yüksek enerjili idi ve bıı mıkna­ tıs ile saptııılanuyorlaıdı. Ancak X- ışınlarından farklı olarak bu ışınlar kendiliğinden oluşuyordu. Becquerel’in öğrencilerinden bili olan Marie Curie*, bu kendiliğinden tanecik ve (veya) ışın yayımlanması olgusunu betimlemek üzere radyoaktiflik terimini önerdi. Bu nedenle, kendiliğinden radyasyon yayımlayan herhangi bir elemente rad­ yoaktif element denir. Uranyum gibi radyoaktif maddelerin bozıııııııası ya da parçalanması ile üç tür ışın oluşur. Bu ışınlardan ikisi, artı ve eksi yüklü metal levhalar tarafından saptırılır (Şekil 2.6). Alfa (a) ışınları, a tanecikleri adı verilen artı yıiklii taneciklerden oluşur ve bu nedenle de artı yüklü levha tarafından saptırılırlar. Beta (fi) ışınları, ya da p tanecikleri, elektronlar olup eksi yüklü levha tarafından saptııılulaı'. Üçüncü çeşit radyoaktif ışıma, gama (y) ışınları adı verilen yüksek enerjili ışınlardan oluşur. Tıpkı X- ışınları gibi y ışınları da yüksüz olup, dışsal bir elektrik veya manyetik alan tarafından etkilenmezler.

Animasyon Alfa, Beta ve Gama Işınları

Artı yük tüm küre üzerinde dağılmıştır

Proton ve Çekirdek 1900Tü yılların başlarında, atomların iki özelliği açıkça belli olmuştu. Atomlar elekt­ ronları içeriyordu ve elektriksel olarak ııötiir, yani yüksüzdü. Elektriksel açıdan yük­ süz olabilmesi için, bir atomda eşit sayıda artı ve eksi yük bulunmalıydı. Bu bilgilere dayanarak, Thomson atomu içinde gömülmüş halde elektronlar bulunan artı yüklü bıı küre olarak öneriyordu (Şekil 2.7). Thomson’un bu “kuru üzümlü kek” benzeri atom modeli, uzun yıllar atom kuramı olarak kabul gördü. 'Antoiııe Heııry Becqucrcl ( 1852- 1908) Uranyumun radyoaktif olduğunu keşfettiği için 1903’dc Fizik’de Nobcl Ödülü alan Fransız fizikçi. 'Maric (Marya Skolodowska) Cııric (1867- 1934). Polonyada doğmuş kimyacı ve fizikçi. Radyoaktiflik konusundaki çalışmaları için 1903’dc Fransız eşi Picrrc Cııric ile birlikle Fizik Nobcl Ödülünü aldılar. Maric Cııric, radyoaktif elementler olan radyum ve polonyum üzerindeki araştırmaları için, bu kez 1911 ’de Kimya Nobcl Ödülünü aldı. Kendisi bilim alanında iki kez Nobcl Ödülü alan üç kişiden biridir. Bilime yaptığı büyük katkıya rağmen, 1911 ’de Fransız Bilimler Akademisine üyelik adaylığı, kadın olması nedeniyle bir oy farkla reddedilmiştir! Kızı Ircııc ve damadı Frcdcric Jııliol- Cııric 1935’dc Kimya Nobcl ödülünü pay­ laşmışlardır.

Şekil 2.7 Thomson atom modeli. Bu model “üzümlü kek” e benzer. Elektronlar homojen olarak pozitif yüklü küre içerisinde gömülmüş gibidir.

Atomlar, Moleküller ve İyonlar

44

Şekil 2.8 (a) a- Taneciklerinin bir altın yaprak tarafından saçılmasını ölçmek için Rutherford’un tasarladığı deney düzeneği. a-Taneciklerinin çoğu sapma yapmadan ya da çok az sapma ile altın yaprağın içinden geçerlerken bir kaç tanesi geniş açılarla sapar ve zaman zaman bir a- taneciği geri teper, (b) Altın yaprağın içinden geçen ve çekirdek tarafından saptırılan ataneciklerinin büyütülmüş görünümü.

Animasyon a-taneciği saçıl ması

Animasyon Rutherford’s Deneyi

AngstromfÂ; 1 Â= 100 pm)SI birimi olma­

yan ancak yaygın olarak kullanılan bir atom uzunluk birimidir.

«-Taneciklerin kaynağı

Görüntü ekranı

Yarık

191O’da, önceleri Cambridge üniversitesinde Thomson ile çalışmış olan Yem Zelaııdalı fizikçi Ernest Rutherford, a - taneciklerini kullanarak atomun yapısını ince­ lemeye karar verdi. Meslektaşı Hans Geiger ve öğrencisi Ernest Marsden ile birlikte, Rutherford bir dizi deney yaptı. Bu deneylerde radyoaktif bıı kaynaktan çıkan a- tane­ ciklerinin çarpacağı hedef olarak, çok ince altın ve başka metal yapraklar kullandı (Şekil 2.8). Deneylerinde a-taneciklerinin çoğunun metal yaprakların içinden sapma­ dan ya da çok az sapma yaparak geçtiğini gördü. Ancak zaman zaman bazı a tane­ ciklerinin büyük bir açı ile sapma yaptığmı da fark etti. Hatta bazen a - taneciği gel­ diği yöne doğru geri tepiyordu! Bu çok şaşırtıcı bir buluştu, çünkü Thomson Tın atom modeline göre atomun artı yükü tüm atoma o kadar dağılmış ve yoğunluğu o kadar küçüktü kı, a taneciklerinin atomun içinden hemen hemen hiç sapmadan geçmesi bek­ lenmekteydi. Nitekim Rutherford’un bu buluş karşısında ilk tepkisi, “bu bıı kağıt men­ dile 15 inçlik bir kurşun sıktığınızda kurşunun geri tepip sizi vurması kadar inanıl­ maz bir olaydı” demek olmuştur. a - Tanecikleri saçılması deneyinin sonuçlarını açıklayabilmek amacıyla, Ruther­ ford atom yapısı için yeııı bıı model oluşturdu. Bu modelde atomun büyük bıı kısmının boşluktan oluştuğunu öneriyordu. Böyle bir yapıda a taneciklerinin çoğu altın yaprağı­ nın içinden sapmadan ya da çok az sapma yaparak geçebilirdi. Rutherford atomdaki artı yükleıiıı tümünün, atomun içinde yoğun ve merkezi bir çekirdekte odaklandığını önerdi. Buna göre saçılma deneylerinde, herhangi bir a taneciği, bir atomun çekirdeğine yak­ laştığında büyük bıı itici kuvvetle karşı karşıya kalıyor ve büyük bıı sapma yapıyordu. Ayrıca, doğrudan doğruya bir çekirdeğe doğru hareket eden bir a taneciği hareket yönü­ nü tam tersine çevirecek kadar büyük bıı itici güce maıuz kalacaktı. Çekirdekteki bu cırtı yüklü taneciklere proton adı verilir. Yapılan başka deneylerde ise, bir protonun yükünün büyüklük olarak bir elektronun yüküne eşit olduğu ve protonun kütle­ sinin de 1,67262 X 10-24 g, yani elektron kütlesinin 1840 katı kadar olduğu bulunmuştur. Araştırmaların bu safhasında, bılıııı adamları atomu şu şekilde algılıyorlardı: Çe­ kirdeğin kütlesi atomun kütlesinin çoğunu içeril', ancak çekirdeğin kapladığı hacını ato­ mun hacminin sadece 1/101 ’ ti kadardır. Günümüzde atom (ve molekül) büyüklükleri pikometre İpnı') adı verilen SI birimi cinsinden ifade edilir ve

1 pm = 1 X 10"12 ııı’dır. 'Ernest Rutherford (1871- 1937) Yeni Zellandalı fizikçi. Rutherford çalışmalarının çoğunu İngiltercdc yapmıştır ( Manchester ve Cambridge üniversiteleri). 1908’dc atom çekirdeğinin yapısına ilişkin araştırmaları için Kimya Nobcl Ödülünü alın ıştır. Öğrencileri ne söylediği “bilimin tamamı ya fiziktir ya da pul kolleksiyonculuğudur" sözüne sıkça atıf yapılır.

Llohaımcs Ilans Wilhelm Geiger (1882- 1945). Alman fizikçi. Gcigcr’in çalışmaları atom çekirdeğinin yapısı ve radyoaktiflik üzerine odaklanmışın. Günümüzde Geiger sayacı olarak anılan ve radyasyon ölçm­ eye yarayan aygıtı bulmuştur. sErnest Marsden (1889- 1970) İngiliz fizikçi. Bazen bir lisans öğrencisinin Nobcl Ödülü almaya yardım edebileceğini bilmek onur vericidir. Marsden Yeni Zelandada bilimin gelişmesine önemli katkıda bulunmuştur.

2.2 Atomun Yapısı

45

Tipik bir atomun yarıçapı 100 pııı kadardır. Oysa, bir atom çekirdeğinin yarıçapı sadece 5 X 10-3 pııı dolayındadır. Bil’ atomla o atoma ait çekirdeğin göreceli olarak boyutlarını anlamak içııı şöyle düşünebilirsiniz: Atom bir stadyum büyüklüğünde olsaydı atomun çekirdeği küçük bir taş parçası kadar olurdu. Protonlar atomun çekir­ değine doluşmuş durumda olmalarına karşın, elektronların çekirdekten belli bıı uzak­ lıkta, çekirdeğin etrafında yayılmış dununda oldukları düşünülür. Atom yarıçapı kavramı deneysel açıdan yararlı bir kavramdır, ancak atomların iyi tanımlanabilen sınırları veya yüzeyleri olduğunu düşünmemeliyiz. Daha ileride göre­ ceğimiz gibi atomların dış bölgeleri oldukça “bulanık” veya “belirsiz” dır.

Nötron

Atom bir stadyum kadar büyük olsaydı, çekirdek küçük bir taş kadar olurdu.

Rutherford’un atom yapısı modeli önemli bir problemi çözümsüz bırakıyordu. Rutherford’un zamanında, en basit atom olan hidrojenin bir tane protonu, helyum ato­ munun ise iki tane protonu olduğu biliniyordu. Bu nedenle, helyum atomunun kütle­ sinin hidrojen atomunun kütlesine oranı 2:1 olmalıydı (elektronlar protonlardan çok daha hafif olduklarından, elektronların atomun kütlesine olan katkısı ihmal edilebilir). Oysa gerçekte bu oran 4:1 idi. Buna göre, Rutherford ve diğer aıaştınnacılaı atom çekirdeğinde diğer bir atom altı tanecik bulunması gerektiğini düşündüler. Bunun ispatı da 1932’de İngiliz fizikçi James Chadwick* tarafından yapıldı. Chadwick ince bıı beıilyıım levhasını a - tanecikleri ile bombardıman ettiğinde, berilyum metali yışınlarma benzeyen çok yüksek enerjili ışınlar yayımladı. Daha somaki deneyler, bu ışınlanıl protonun kütlesinden biraz dalıa büyük bir kütleye salıip, elektrik yükü taşı­ mayan nötı'ir taneciklerden oluştuğunu gösterdi. Chadwick bu taneciklere nötron adını verdi. Kütle oranlarındaki gizem artık açıklanabiliyordu. Helyumun çekirdeğinde iki tane proton ve iki tane nötron vardı. Fakat, hidrojenin çekirdeğinde sadece bir proton vardı ve hiç nötron yoktu. Bu nedenle oran 4:1’dır. Şekil 2.9 atomdaki temel taneciklerin (protonlar, nötronlar ve elektronlar) konum­ lanın göstermektedir. Başka atom altı tanecikler de vardır. Ancak atomun kimyada

'.lames Chadwick (I 891 - 1972) İngiliz fizikçi. 1935’dc nötronların varlığını ispal ederek Nobcl Fizik Ödülü aldı.

Şekil 2.9 Atomun protonları ve nötronları çok küçük bir çekirdeğe doluşmuşlardır. Elektronlar çekirdeğin etrafında bulutlar şeklinde gösterilmiştir.

Atomlar. Moleküller ve İyonlar

46

Çizelge 2.11

Atomaltı Taneciklerinin Kütlesi ve Yükü Yük

Tanecik

Kütle (g)

Coulomb

Yük Birimi

Elektron*

9,10938 X 10’28

-1.6022 X 10"19

-1

Proton Nötron

1,67262 X 10’24

+ 1.6022 X 10"19

+1 0

1,67493 X 10’24

0

*Yapılan daha detaylı deneyler, elektronun kütlesini Millikan’dan daha doğru olarak vermekledir.

önemli olan üç temel bileşeni elektron, proton ve nötrondur. Çizelge 2.1 bu üç temel taneciğin yük ve kütlelerim göstermektedir.

2.3 Atom Numarası, Kütle Numarası ve izotoplar

Proton ve nötronlara topluca nükleonlar denir.

Atomlar içerdikleri proton ve nötron sayıları ile tanımlanabilirler. Bir elementin atom­ larının çekirdeklerinde bulunan protonların sayısına atom numarası (Z) denir. Nöttir bıı atomda protonların sayısı elektronların sayısına eşittir. Bu nedenle, atom numarası aynı zamanda atomda bulunan elektron sayısını da gösterir. Bir atomun kimyasal kim­ liği sadece atom numarası ile belirlenebilir. Örneğin, florun atom numarası 9’dur. bu da bir flor atomunun 9 tane proton ve 9 tane elektronu olduğu anlamına gelıı. Başka bir deyişle, evrende 9 tane proton içeren atomların hepsinin adı “flor”dur. Kütle numarası (A) bir elementin atomlarının çekirdeklerinde bulunan proton ve nötronların sayısının toplamıdır. Bıı proton içeren, nötronu bulunmayan ve en yaygın olarak rastlanan hidrojenin dışmda, tüm atomların çekirdeklerinde hem protonlar hem de nötronlar vardır. Genel olarak kütle numarası aşağıdaki gibi tanımlanabilir: kütle numarası = proton sayısı + nötron sayısı = atom numarası + nötron sayısı

1)

Bıı atomda bulunan nötronların sayısı, kütle numarası ile atom numarasının farkına eşittir (A- Z). Örneğin belli bıı bor atomunun kütle numarası 12 ve atom numarası 5 ise (çekirdekte 5 tane proton vardır), buna göre nötron sayısı 12 — 5 = 7’dır. Bu değerlerin (atom numarası, nötron sayısı ve kütle numarası) pozitif ve tam sayılı oldu­ ğuna dikkat ediniz. Çoğu zaman belli bir elementin atomlarının tümü aynı kütleye sahip değildir. Atom numaraları ayın, ancak kütle numaraları farklı olan atomlara izotop adı veri­ lir ve çoğu elementin ıkı veya daha çok sayıda izotopu vardır. Örneğin, hidrojenin üç izotopu vardır. Hidrojen olarak bilinen birinci izotopun bıı tane protonu vardır ve nöt­ ronu yokhır. Döteıyum izotopunun bu tane protonu ve bıı tane nötronu, trityumun ise bıı tane protonu ve ıkı tane nötronu vardır. Bir X elementinin atomunun atom numa­ rası ve kütle numarası aşağıdaki gibi gösterilir. kütle numarası atom numarası Böylece, hidrojenin izotopları şöyle gösterilir. |H hidrojen

;h

?h

Jh

ÎH döteıyum

jH trityum

2.3 Atom Numarası, Kütle Numarası ve İzotoplar

Kütle numaraları 235 ve 238 olan uranyumun yaygın olan ıkı izotopu diğer bir örnek­ tir.

Bilinci izotop atom bombaları ve nükleer reaktörlerde kullanılır. Halbuki ikinci izo­ top bu uygulamalar için gereken özellikleri içermez. Hidrojen dışında, elementlerin farklı izotopları kütle numaraları ile tanımlanır. Hidrojen izotoplarının ise farklı adlan vardır. Buna göre yukarıdaki uranyum izotopları, uranyum-235 (uranyum iki yüz otuz beş) ve uranyum-238 (uranyum iki yüz ohız sekiz) olarak adlandırılır. Bir elementin kimyasal özelliklerini atomlarındaki protonlar ve elektronlar belirler. Normal koşullarda nötronlar kimyasal değişimlerde rol oynamazlar. Bu nedenle, bıı ele­ mentin izotoplarının kimyasal özellikleri aynıdır, yanı kimyasal etkinlikleri ve oluştur­ dukları bileşik türleri aynıdır. Örnek 2.1’de atom numaraları ve kütle numaraları kullanılarak proton, nötron ve elektron sayılarınm hesaplanması gösterilmiştir.

Örnek 2.1 Aşağıdakilerin her biri için proton nötron ve elektron sayılarını bulunuz. (a) ?ÎNa (b) ??Na (c) ,7O (d) karbon - 14.

İzlenecek Yol Üst indisin kütle numarasını (A), alt indisin de atom numarasını (Z) gösterdiğini hatırlayınız. Kütle numarası daima atom numarasından büyüktür. (Buna tek istisna kütle numarasının atom numarasına eşit olduğu )H diı). (c) ve (d) şıklarında olduğu gibi alt indisin gösterilmediği durumlarda, atom numarası elementin adından ya da simgesinden bulunur. Atomlar ııötral olduğundan, elektron sayılarını bulmak için, elektron sayısının proton sayısına eşit olduğunu hatırlayınız.

Çözünı (a) Atom numarası irdir, bu nedenle 11 proton vardır. Kütle numarası 20’dir, buna göre nötron sayısı = 20 - 11 = 9’dur. Elektron sayısı proton sayısına eşittir ve ll’dir.

(b) Atom numarası (a) daki ile aynıdır ve İl dir. Kütle numarası 22’dir. Buna göre nötron sayısı = 22 - 11 = ll’dir. Elektron sayısı ll’dir. (a) ve (b) deki türlerin sodyumun kimyasal açıdan birbirine benzeyen izototoplaıı olduğuna dikkat ediniz. (c) Oksijen'in (O) atom numarası 8’dir, buna göre 8 proton vardır. Kütle numarası 17’dir, buna göre 17 - 8 = 9 nötron vardır.

(d) Karbon - 14, l4C olarak da gösterilebilir. Karbonun atom numarası 6’dır, buna göre 14 - 6 = 8 nötronu vardır. Elektron sayısı 6'dır.

Alıştırma Bakırın 63Cu, izotopunda kaç tane proton, elektron ve nötron vardır?

Kavramların Değerlendirilmesi (a) İzotoplarının bıı tanesinde 117 nötron bulunan ve kütle numarası 195 olan elementin atom numarası nedir? (b) Aşağıdaki simgelerden hangisi daha çok bilgi verir? 17O ya da 8O.

Benzer problemler: 2.15, 2.16.

47

48

Atomlar. Moleküller ve İyonlar

2.4 Periyodik Çizelge Günümüzde bilinen elementlerin yarısından çoğıı 1800 ile 1900 yıllan arasında bulun­ muşlardır. O yıllarda kimyacılar çok sayıda elementin bir çok benzer özellikleri oldu­ ğunu görmüşlerdi. Elementlerin fiziksel ve kimyasal davranışlarındaki peıiyodık ben­ zerliklerin anlaşılmasıyla yapı ve özellikleri ile ilgili çok miktarda bilginin sınıflandı­ rılması gerektiği ortaya konmuş ve buda periyodik çizelgenin oluşturulmasına yol açmıştır. Periyodik çizelge benzer kimyasal ve fiziksel özellikleri olan elementlerin bir­ likte gruplandırıldikiarı bir çizelgedir. Şekil 2.10’da modern periyodik çizelge görül­ mektedir. Bin ada elementler atom numaralarına göre yatay periyotlarda, kimyasal özel­ liklerindeki benzerliklere göre ise dikey gruplarda sıralanmışlardır (atom numaraları element simgesinin üzerinde gösterilmiştir). Atom numarası 113- 118 olan elementle­ rin son yıllarda sentezlenmiş olduklarına ve henüz adlandırılıııadıklarma dikkat ediniz. Elementler üç sınıfa ayrılabilir - metaller, ametaller ve yarı metaller (metalimsi­ ler). Metaller, ısı ve elektriği iyi ileten elementlerdir. Ametaller, genellikle ısı ve elekt­ riği iletmezler. Yarı metaller ise metallerle ametaller arası özelliklere sahiptirler. Şekil 2.10’da görüldüğü gibi, elementlerin çoğu metaldir. Sadece 17 element ametaldir ve 8 element ise yarı metal sınıfındaııdır. Bir periyotta soldan sağa gidildikçe elementle­ rin fiziksel ve kimyasal özellikleri metalden ametale doğru yavaş yavaş değişil’.

ı

18 8A

1A 1

2

H

2 2A

13 ЗА

14 4A

15 5A

16 6A

17 7A

He

3

4

6

7

8

9

10

Li

Be

5 В

C

N

O

F

Ne

11

12

18

Na

Mg

17 cı

Ar

3 3B

4 4B

5 5B

6 6B

7 7B

8

12 2B

13

14

15

Al

Si

P

16 s

1

11 İB

10

1

9 on ÖD

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

К

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Со

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

55

56

57

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

Cs

Ba

La

Hf

Ta

W

Rc

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

87

88

89

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

Fr

Ra

Ac

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

58

59

60

61

62

63

64

65

67

68

69

70

71

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

66 Dv •#

Но

Er

Tm

Yb

Lu

90

91

92

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

Th

Pa

u

93 Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Metaller

Yarı metaller

Ametaller

Şekil 2.10 Modem periyodik çizelge. Elementler, simgeleri üzerinde verilen atom numaralarına göre dizilmişlerdir. Hidrojen (H) dışında, ametaller çizelgenin en sağında bulunurlar. Çizelgenin aşırı geniş olmaması için, alt kısımda iki sıra halinde bazı metaller ana çizelgeden ayrı olarak dizilmişlerdir. Aslında seryum’un (Cej lantan'ı, toryum’un (Th) ise aktinyum’u (Ac) izlemesi gerekirdi. 1-18 grup gösterimi IÛPA3 tarafından önerilmiş olmasına rağmen yaygın olarak kullanılmamaktadır. Bu kitapta grup numaraları standart US gösterimi (1A-8A) ve (1B-8B) kullanılmıştır. Atom numarası 113-118 arasında olan elementler henüz isimlendirilmemiştir.

Elementlerin Dünyada ve Canlı Sistemlerde Dağılımı ve mangan (Mn)’dır. Elementlerin doğadaki bolluk oranlarını tartışırken, (1) elementlerin yer kabuğunda eşit olarak dağıl­ madıkları ve (2) çoğu elementin bileşikler halinde bulunduğu unutulmamalıdır. Daha ilerideki bölümlerde görüleceği gibi, saf elementlerin bileşiklerinden elde edilmelerinde kullanılan bir çok yöntem vardır. Aşağıdaki çizelgede insan vücudundaki gerekli element­ lerin listesi verilmiştir. Bunlar arasında özellikle ilginç olanları vücut kütlesinin yaklaşık yüzde 0,1'ini oluşturan demir (Fe), bakır (Cu), çinko (Zıı), iyot (I), ve kobalt (Co) gibi eser ele­ mentlerdir. Bu elementler büyüme gibi biyolojik işlevler, metabolizma için oksijen taşımım ve hastalıklara karşı savunma için gereklidir. Vücudumuzda bu elementlerin miktarına iliş­ kin hassas bir denge vardır. Bu elementlerin uzun bir süre devam eden fazlalığı ya da eksikliği ciddi hastalıklara, zeka geriliğine, hatta ölüme bile yol açabilir.

lementlerin çoğu doğal olarak bulunurlar. Bu elementler dünyada nasıl dağılmışlardır ve hangileri canlı sistemler için gereklidir? Yer kürenin kabuğu yüzeyden yaklaşık 40 km (24 ııııl kadar) derinliğe uzanır. Teknik zorluklar nedeniyle bilim adamları yer kürenin iç kısımlarını kabuğu kadar kolay aıaştıramaıııışlardır. Yine de dünyanın merkezinde büyük oranda demirden oluşan katı halde bir çekirdek olduğuna inanılmak­ tadır. Çekirdeğin etrafında demir, karbon, silisyum ve kükürt­ ten oluşan ve mcmto adı verilen sıcak bir akışkan tabaka bulun­ maktadır. Doğada bulunan 83 elementten 12 tanesi yer kabuğunun kütlece % 99,7’sini oluşturur. Bunlar doğadaki bolluk oranla­ rındaki azalma sırasına göre; oksijen (O), silisyum (Si), alü­ minyum (Al), demir (Fe), kalsiyum (Ca), magnezyum (Mg), sodyum (Na), potasyum (I1

2900 km 3480 km

Element

Kütle Yüzdesi*

Element

Oksijen

65

Sodyum

0.1

Karbon

18

Magnezyum

0,05

Hidrojen Azot

10

Demir

3

Kobalt

Kalsiyum

Bakır

Fosfor

1.6 1.2

Çinko

H atomları sayısı

6,022 X 10* H atomları X 1 mok^NH^ÜO--------------- 1 mo-l-H 4 meffl

= 1,03 X 1024 H atomları

Kontrol Cevap mantıklı görünüyor mu? Ürenin 60.06 gramı kaç tane H atomu içerir? Benzer problemler: 3.27, 328.

Alıştırma İzopıopanol’ün (C3HSO. ispirto alkolü). 72.5 gramında kaç tane H atomu vardır?

Soıı olarak, NaCl ve MgO gibi bağuıısız molekül birimi içermeyen iyonik bileşik­ lerde formül kütlesi terimi kullanıla. NaCl formül birimi bu Na1 iyonu ve bü C1 iyo­ nundan oluşmuştur. Böylelikle, NaCl bileşiğinin formül kütlesi: NaCl formül kütlesi = 22,99 akb -I- 35,45 akb = 58,44 akb

Buna göre, NaCl’ün mol kütlesi 58,44 g olur.

Bir Na+ iyonu ile bir CI" iyonunun birleştirilmiş kütlelerinin bir Na atomu ile bir CI atomunun birleştirimiş kütlerine eşit olduğunu dikkat edin.

84

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

3.4 Kütle Spektrometresi Atom ve molekül kütlelerinin en doğnı ve en kesin şekilde belirlenmesi kütle spekt­ rometresi ile yapılmaktadır. Şekil 3.3’de kütle spektrometresinin şematik gösterimi verilmiştir. Herhangi bir Kütle Spektrometresinde, bir gaz örneği yüksek enerjili elekt­ ronlarla bombardıman edilir. Gaz halindeki atomlar veya moleküller ile yüksek ener­ jili elektronların çarpışması. atom ya da molekülden elektron ayrılması sonucu, pozi­ tif yüklü iyonlar oluşturur. Bu pozitif iyonlar (kütle m ve yük e~) iki zıt yüklü plaka arasından geçerken hızlandırılırlar. Oluşan iyonlar manyetik alan tarafından dairesel bıı yol şeklinde saptırılır. İzlenen yolun yarıçapı (elııı gibi) yük ile kütle oranına bağ­ lıdır. Küçük elin oranına sahip iyonlar, büyük elin oranına sahip iyonlara göre daha geniş dairesel yol izlerler. Böylelikle aynı yüklü, ancak farklı kütleli iyonlar birbirin­ den ayrılırlar. Sapmanın büyüklüğüne bakılarak, her bıı iyonun (ana atom ya da mole­ kül) kütlesi belirlenir. En sonunda, iyonlar her bııi için akını kaydeden dedektöıe ula­ şır. Oluşan akınım miktarı doğrudan iyonların sayısı ile orantılıdır. Bu duıuııı izotop­ ların göreceli bolluğunu bulmamıza yardımcı olur. İlk kütle spektrometresi 1920 yılında İngiliz fizikçi E W. Astoıı1 tarafından bulun­

Bir bileşiğin mol kütlesinin, kimyasal for mülü bilinmeden de be lirle ne bileceğine dikkat ediniz.

muştur. Ancak bu cihaz bugünkü durumuna göre çok az duyaıiıydı. Buna rağmen neon izotoplarının varlığını göstermiştir. Örneğin, ııeon-20 için atom kütlesi 19,9924 akb ve doğal izotop bolluğu %90,92, neon-22 atom kütlesi 21.9914 akb ve doğal izotop bolluğu %8,82 olarak bulunmuştur. Daha kapsamlı ve duyarlı spektıometreleıin bulun­ ması ile neon’un üçüncü izotopunun da keşfedilmesi bilim insanlarını şaşırtmış ve bu iztopuıı atom kütlesinin 20,9940 akb ve doğal bolluğunun %0,257 olduğu ispatlan­ mıştır (Şekil 13.4). Bu örnek deneysel duyarlılığın kimya gibi nicel bilimlerde, ne kadar önemli olduğunu göstermektedir. Eski denemelerde, neon-21 izotopunun var­ lığı, doğal bolluğu %0,257 gibi az bir miktar olduğu için ölçülememiştıı. Bir başka ifade ile 10000 neon atomundan sadece 26 tanesi neon-21’dir. Molekül kütleleri de kütle spektrometresi ile benzer şekilde belirlenmektedir.

Kavramların Gözden Geçirilmesi İki kararlı izotopu (,5C1 ve ”C1) bulunan klorun, ortalama atom kütlesinin belirlenmesinde kütle spektrometresi kimyacılara nasıl katkı sağlar? Açıklaymız.

Trancis William Aston (1877-1945). İngiliz fizikçi ve kimyacıdır. Kiillc spektroskop! sini geliştirdiği için I922’dc Nobel kimya ödülünü alınıştır.

Şekil 3.3 Bir kütle spektrometresinin şematik gösterimi.

85

3.5 Bileşiklerin Yüzde Bileşimi

Şekil 3 .4 Neon’un üç izotopunun kütle spektrumu 1 ^Ne(%90,92)

J

^Ne(%0,26) V_______ '__ _______

ı ^Ne(%8,82)

A_______

|---------1--------------1--------------1--------------1-------------- 1---------1 19

21

20

22

23

Atom kütlesi (akb)

3.5 Bileşiklerin Yüzde Bileşimi Daha önce gördüğümüz gibi, bileşiklerin formüllerine bakarak, içerdikleri elementle­ rin atom sayılarım bulabiliriz. Şimdi, bıı deneyde kullanacağımız bir bileşiğin saflı­ ğını öğrenmek istediğimizi varsayalım. Bıınuıı için, laboratuar koşullarında bir bile­ şik incelenirken, toplam kütleyi oluşturan her bir elementin kütleye yüzde katkısın­ dan yararlanarak hesaplama yapmak gerekir. Böylece, elementlerin hesapla bulunan bileşim yüzdeleıiııı deneysel olarak bulunan bileşim yüzdeleıi ile karşılaştırarak eli­ mizdeki örneğin saflığını belirleyebiliriz. Kütlece yüzde bileşim bir bileşik içerisindeki her elementin kütlece yiizdesidir. Yüzde bileşim her bir elementin kütlesinin bileşiğin bıı molüııün kütlesine bölünmesi ve bu bölümün 100 ile çarpılmasıyla hesaplanır. Herhangi bir elementin yüzde bile­ şimi matematiksel olarak aşağıdaki gibi yazılabilir:

bir elementin yüzde bileşimi =

n X elementin ıııol kütlesi bileşiğin ıııol kütlesi x °/ol0°

“/?” 1 ıııol bileşik içersindeki elementin ıııol sayısıdır. Örneğin, 1 ıııol hidrojen perok­ sit (H2O2), 2 ıııol H atomu ve 2 ıııol O atomu içermektedir. H2O2, H ve O tüllerinin ıııol kütleleri sırasıyla 34,02g, 1,008 g ve 16,00 g’dır. Bu nedenle, H2O2’in yüzde bile­ şilin şöyle bulunur:

e *

2 X 1,008 e H %H =-------------- — X %100 = %5,926 34,02 g H2O2 2 X 16,00 eO X %100 = %94,06 %O = — 34,02 s H2O2

Yüzdeleıin toplamı %5,296 + %94,06 = %99,99 eder. Toplamın %100 olmamasının nedeni elementlerin ıııol kütle değerlerinin yuvarlanmış olmasıdır. Kaba formülü HO olan bir bileşiğin de %H ve %O değerleri yukarıdaki değerler ile aynıdır. Bunun böyle

ibOj

86

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

olmasının ııedenı, hem molekül formülünün hem de kaba formülün, bize bileşiğin küt­ lece yüzdesiııı göstermesidir.

Örnek 3.8 Fosforik asit (H3PO4), deterjanlarda, gübrelerde, diş macununda ve keskin bir koku ver­ mek için karbonatlı içeceklerde kullanılan renksiz şurup kıvamında bir sıvıdır. Bu bile­ şikte. H, P ve O'niıı kütlece yüzdeleriııi hesaplayınız.

İzlenecek Yol Kütlece yüzde hesaplama işlemini hatırlayınız. Bizim 1 mol H3PO4’e

II3PO4

sahip olduğumuzu kabul ediniz. H, P ve O'ııiıı kütlece yüzdeleıi, şu şekilde bulunur: 1 mol H3PO4’deki elementlerin birleşik mol kütleleri, H3PO4’ün ıııol kütlesine bölünür ve sonuç 100 ile çarpılır.

Çözüm H3PÛ4 ün molekül kütlesi 97.99 gramdır. H3PO4 de her bir elementin kütlece ytizdesi, şu şekilde hesaplanır. %II =

%P =

%o =

Kontrol Yüzdeleıi toplar mısınız? Yüzdeleriıı toplamı %3,086 + %31.61+ %65,31 = Benzer problem: 3.40.

%100.01 dir. Yüzde 100’den sapan küçük farklılık, sayıları yuvarlanmamızdan kaynakla­ nır.

Alıştırma Sülfürik asitteki (H2SO4), her bir elementin kütlece yüzdeleriııi hesaplayınız?

Gramlara dönüştür | ve mol kütlesine böl

Gerektiğinde yukarıdaki işlemin terside hesaplamada kullanılabilir. Yani, bıı bile­ şiğin kütlece yüzdeleıi verilirse, biz bileşiğin kaba formülünü belirleyebiliriz (Şekil 3.5). Yüzdelerle ilgilendiğimizden, tüm türlerin yüzdelerinııı toplamını 100’dtir ve örnek 3.9’da gösterildiği gibi, bıı bileşiğin başlangıç kütlesi 100 gram alınabilir.

Her elementi molü

En küçük mol , , sayısına böl. Elementlerin mol oranları

Tam sayılara çevir.

Örnek 3.9 Askoıbik asit (C vitamini) deri dökülmesini tedavi eder. C vitamini kütlece %40,92 C, %4.58 H ve %54.50 O’den oluşmuştur. Askoıbik asidin kaba formülünü bulunuz.

İzlenecek Yol Kimyasal formüllerdeki alt indis, bileşik içerisindeki elementlerin sayıca ıııollerini göstermektedir. % bileşenler ıııol yüzdeleriııe nasıl çevrilecektir? Tam 100 g örneğimiz olduğunu varsayarsak, bileşik içersindeki elementlerin kütlelerini bilmiş olur muyuz? Peki, bu kütle(g) değerlerini daha sonra nasıl ıııol değerlerine çevirebiliriz?

Çözüm Eğer 100 g askoıbik asit olduğunu varsayarsak, her elementin ytizdesi doğru­ dan gram değerlerine çevrilebilir. Yani lOOg örnekte. 40.92 g C, 4,58 g H ve 54,50 g O vardır. Bileşik formüllerindeki alt indis değeri ıııol oranını verdiğinden, her elementin Şekil 3.5 Bir bileşiğin yüzde bileşiminden kaba formülünün bulunması için akış şeması.

(Devamı)

3.5 Bileşiklerin Yüzde Bileşimi

gram değerinin ıııol değerine dönüştürülmesi gerekir. Bu dönüşüm için gerekli olan çevirme faktörü her elementin ıııol kütlesi değeridir, “w” elementin ıııol sayısı ise /?c = 40,92 gr€ X

/7ц = 4,58 g И X 11

= 54,50 s O X

А™* C = 3,407 ıııol C * m° H = 4 54 mo{ н 1,008 g-H 12,01 g
2H2O

Kimyasal eşitlikleri denkleştirmede rehber olarak, kütlenin korunumu kanu

nunu kullanırız

Katsayı 1 olduğu zaman, gösterilmez. (O2’de olduğu gibi)

Bu denkleştirilmiş kimyasal eşitlik “iki hidrojen molekülünün bir oksijen molekülüyle iki su molekülü oluşturmak üzere tepkimeye girdiğini” gösterir (Şekil 3.7). Molekül sayılarının oram ile ıııol sayılarının oram eşit olduğundan, denklem şu şekilde de oku­ nabilir: “iki ıııol hidrojen molekülü bir ıııol oksijen molekülü ile iki ıııol su molekülü oluşturmak üzere tepkimeye girer.” Her bıı maddenin bn molünün kütlesini bildiği­ nize göre eşitliği şu şekilde de yorumlayabiliriz: “4,04 g H2 ile 32 g O2, 36,04 g H2O vermek üzere tepkimeye girer.” Kimyasal eşitliği okumanın üç şekli Çizelge 3.1’de özetlenmektedir. Eşitlik (3.2)’de verilen tepkimede H2 ve O2 tepkenler olup, kimyasal tepkimede çıkış maddeleridir. H2O ise kimyasal tepkime sonucu oluşur ve iiriiıı adını alır. Kimyasal eşitlikler kimyacıların tepkimeleri açıklamak ıçııı kullandıkları kısaltmalar­ dır. Kimyasal eşitliklerde tepkenler ok işaretinin solunda, ürünler ise sağında yazılır­ lar. tepkenler----- » ürünler Kimyasal tepkimelerde çoğu kez ek bilgi olarak, tepken ve ürüııleıin fiziksel durumlarım gösteren gaz (g), sıvı (s) ve katı (Â') simgeleri kullanırlar. Örneğin,

2CO(g) + O2(g) ----- > 2CO2(g) 2HgO(A’) ----- > 2Hg(s) + O2(g)

Çizelge 3,1

Bir kimyasal tepkimenin yorumlanması

2H2

+ O2

----- > 2H2O

İki molekül

4- bir molekül

2 ıııol

4- 1 ıııol

----- > iki molekül ----- > 2 ıııol

2(2,02 g) = 4,04 g + 32,00 g 36,04 g tepken

----- > 2(18,02 g) = 36,04 g 36,04 g ürün

Kimyasal eş itliği denkleştirmek işlemi 92. Sayfada gösterilmiştir.

91

92

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

Bazen tepkimede ne olduğunu göstermek için ok işaretinin üzerine ek bilgiler yazıla­ bilir. Örneğin, NaCl(k) suya ilave edildiğinde aşağıdaki eşitliği yazabiliriz NaCl(jt)

NaCl(sMdkz)

“suda" su içinde anlamına gelir. Ok işaretinin üzerine H2O yazılması, “maddenin suda çözüldüğü” anlamında fiziksel bir işlemi gösterdiği halde, basit olması açısından tep­ kimede pek gösterilmez. Tepken ve ürünlerin fiziksel hallerinin bilinmesi, laboıatuvar çalışmalarında özel­ likle kullanışlıdır. Örneğin, potasyum broınür (KBı) ve gümüş nitrat (AgNO3) sııhı ortamda tepkimeye girdiğinde, katı gümüş bıomür (AgBı) oluşur. Tepkime aşağıdaki denklemle gösterilebilir.

KBr(swdh) + AgNO3(.sud KNO3(.$’mJ H2’11111 molü----- > N2’ 11111 molü----- > N2’ 11111 gramı 1 ıııol N2 — 3 mol H2 bağlantısını kullanarak aşağıdaki bağlantıyı yazarız. N2’nin gramı = 16,0g-HjX

1 rnoiH-, 2,016

I rnot-NT

28,02 g N2

3 moH-Ü

1 mokdü

----------- - X

= 74,1 g N2 Stokiyometri problemlerini çözmeniz için genel yaklaşmı aşağıdaki gibi özetle­ nebilir:

1.

Tepkime içııı denkleştirilmiş eşitliği yazınız.

2.

Verilen tepkenin miktarını (g veya diğer birimlerde) mol sayısına dönüştürünüz.

3.

Denkleştirilmiş eşitlikteki mol oranını kullanarak oluşan ürünün mol sayısını hesaplaymız.

4.

Oluşan ürünün molüııü gramma (veya diğer bilimlere) dönüştürünüz.

Şekil 3.8 bu adımları göstermektedir. Bazen bizden bıı ürünün belirli bıı miktarını elde etmek için gerekli olan tepkenin miktarım hesaplamamız istenir. Bu dununda. Şekil 3.8’de gösterilen adımların tersini uygulayarak çözüme ulaşırız. Örnek 3.13 ve 3.14’de bu yaklaşmı içııı uygulamalar verilmektedir.

Örnek 3.13 Yediğimiz besinler bozunarak ya da parçalanarak büyümeyi ve vücut fonksiyonları için gerekli enerjiyi sağlarlar. Glukoz (C6H)2O6) bir dizi karmaşık tepkime vererek karbon dioksit (CO2) ve su (H2O) oluşturur. Net tepkime:

C6H12O6 4- 6O2 ----- > 6CO2 4- 6H2O Eğer bir insan tarafından belirli bir zaıııaıı diliminde 856 g C6H|2O6 tüketilirse, oluşan CO2 kütlesi 11e olur?

İzlenecek Yol C6Hl2O6 ve oluşan CO2’in miktarlarını denkleştirilmiş eşitliğe bakarak nasıl karşılaştırabiliriz? Denkleştirilmiş eşitlikteki mol oranına göre karşılaştırabiliriz. C6H|2O6’un gramından başlayarak C6H|2O6’un molüııe nasıl geçeriz? Önce denkleştiril­ miş denklemden ıııol oranını kullanarak CO2’in ıııol sayısı belirlenir. Peki, CO2’in gra­ mına nasıl geçebiliriz?

Çözüm Önceki basamakları ve Şekil 3.8‘i izleriz. (Devamı)

QH|2O6

98

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

Adım /.Problemde denkleştirilmiş eşitlik verilmiştir. Adım 2:C6Hl2O6’un gramını C6Hj2O6’un ınolüııe dönüştürmek için, aşağıdaki işlemi yaparız: 1 mol C6H12O6 856 g_CRHî2O; X —= 4,750 mol C6H]2O6 180,2 gXr>H|-2O6 Adım 3:Tepkimenin mol oranından. 1 mol C6H|2O6 — 6 mol CO2 olduğunu görmekte­ yiz. Buna göre, oluşan CO2’in mol sayısı:

6 mol CO2 X - ----- = 28,50 mol CO2 1 mol-G^H pjö Ğ

4,750 mol

Adım 4: Son olarak, oluşan CO2'in gramı: 28,50 rnoLGOs x

44,01 g CO2

1 mol-CCL

= 1,25 X 103gCO2

Deneyim kazandıkça yukarıdaki dönüşüm adımlarını.

C6H|2O6’un gramı

C6Hl2O6’un ıııolü

> CO2' in ıııolü

> CO2’in gramı

şeklinde, tek bir eşitlikte birleştirebiliriz:

Kontrol Cevap mantıklı görünüyor ıııu? CO2 in ıııol kütlesi C6H|2O6’un ıııol kütlesin­ Benzer problem: 3.72.

den çok daha düşük olmasına rağmen, tepkimede oluşan CO2 kütlelisinin CöH^Oö’den daha fazla olması beklenebilir iniydi? CO2ile C6H12O6 arasındaki ıııol oranı nedir?

Alıştırma Metaııol (CH3OH) aşağıdaki eşitliğe göre havada yanar: 2CH3OH + 3O2----- > 2CO2 + 4H2O Bir yanına işleminde 209 g metaııol tüketilirse, oluşan H2OTıun kütlesi nedir?

Örnek 3.14 Alkali metallerin hepsi, hidrojen gazı ve metal hidroksitleri vermek üzere su ile tepki­ meye girerler. Böyle bir tepkime, lityum ile su arasında şöyle gerçekleşir:

2Li(Jt) + 2H2O(5) ----- > 2LiOH(swJa) 4- H2(g) Buna göre 9,89 g H2 elde etmek için kaç g Li gereklidir? Hidrojen gazi üretmek için suyla tepkimeye giren lityum.

İzlenecek Yol Ürünün (H2) belirli bir miktarını elde etmek için, tepkenin (Li) gram miktarı sorulmaktadır. Buna göre, şekil 3.8’de verilen adımlara tersinden bakmamız gerekir.Verilen kimyasal eşitlikten “2 mol Li — 1 mol H2” olduğunu görmekteyiz.

Çözüm Dönüşüm adımları aşağıdadır. H2’nin gramı----- > H2’nin ıııolü------> LiTııı ıııolü----- > LiTııı gramı (Devamı)

99

3.9 Sınırlayıcı Tepkenler

Bu adımları tek bir eşitlikte birleştirirsek, aşağıdaki işlemi yazarız:

9,89 g-H5 X

1 ınoHTJ

2 mol tı

6,941 g Li

2,016 g-TÇ

1 mel-H2

1 moTtî

68.1 g Li

Kontrol 9,89 g H2 kabaca 5 ıııol H2’dir. Buna göre 10 ıııol Li’a ihtiyacımız vardır. Lityumun ıııol kütlesi yaklaşık 7 g alınırsa, cevap makul olur ıııu?

Benzer problem: 3.66.

Alıştırma Azot moııoksit (NO) ve oksijen ile azot dioksit (NO2) oluşturan tepkime, fotokiıııyasal duman oluşumunu açıklayan kilit bir tepkimedir. 2NO(g) + O2(g) ----- > 2NO2(g)

2,21 g NO2 elde etmek için kaç g O2 gereklidir?

Kavramların Değerlendirilmesi

Animasyon Sınırlayıcı Tepken

Aşağıdaki eşitlik ıçiıı, verilen ifadelerden hangisi doğrudur? 4NH3(g) + 5O2(g) ----- > 4NO(g) + 6H2O(g)

(a) Tepkimeye gıreıı her 4 g NH3’dan 6 g H2O elde edilir. (b) 1 ıııol NH/daıı 1 ıııol NO elde edilir. (c) Tepkimeye gııeıı her 3 ıııol O2’deıı 2 ıııol NO elde edilir.

Tepkime başlamadan önce

> o

*

3.9 Sınırlayıcı Tepkenler Herhangi bıı kimyasal tepkimede, tepkenler her zaman stokiyometrik miktarlarda verilmeyebilir, ancak tepkenler belirli bir stokiyometrik oranda bııieşerek ürün oluş­ tururlar. Stokiyometrik miktar denkleştirilmiş tepkimede belirtilen oranlar kadardır. Tepkimenin amacı başlangıç maddelerinden en yüksek miktarda ve verimde bileşik­ ler elde etmektir. Sanayide genellikle daha pahalı olan tepkenin tamamen tepkimeye girmesini sağlamak için, ucuz tepken çok miktarda kullanılır. Bu olayın sonucunda, tepkimede fazla eklenen tepkenler tamamen tükenmezler ve tepkime ortamında allar­ lar. Tepkimede tamamen tükenen maddeye ise sınırlayıcı tepken denir. Sınırlayıcı tep­ ken tamamen tükendiğinden, oluşan ürünlerin miktarım belirler. Bu tepken tükendiği zaman artık tepkime olmaz ve ürün oluşması durur. Aşırı tepken sınırlayıcı tepken ile tepkime verebileceği nicel miktardan fazlasına salıip olan bileşendir. Sımılayıcı tepken olgusu dans yarışmasına katılan kadın ve erkeğe benzetilebilir. Eğer 14 erkek ve sadece 9 kadın varsa, sadece 9 bay/bayan çifti yarışabilir. 5 erkek yalnız kalmıştır. Bu olayda kadın sayısı dans edebilecek erkek sayısını belirlemekte­ dir'. yani sınırlayıcıdır. Erkek sayısı ise aşındır ve dans etmeden kalırlar. Yüksek sıcaklıklarda karbon moııoksit ve hidrojenden metanolüıı (CH3OH) endüstriyel sentezim düşününüz. CO(g) + 2H2(g) ----- > CH3OH(g)

Başlangıçta 4 ıııol CO ve 6 ıııol H2 (Şekil 3.9) olduğunu varsayalım. İki tepkenden hangisinin sınırlayıcı olduğunu belirlemenin bir yolu, CO ve H2’nin başlangıç mik­ tarlarından elde edilebilecek CH3OH’iin ıııol sayısını hesaplamakta'. Daha önce veıi-

Tepkime tamamlandıktan sonra

H2

CO

o CH3OH

Şekil 3.9 Tepkime başlangıcında, altı H2 molekülü ve dört CO molekülü vardır. Sonunda, tüm H2 molekülleri tepkimeye girer ve yalnızca bir CO molekülü kalır. Bundan dolayı, H2 molekülü sınırlayıcı tepken ve CO aşın tepkendir. Bu tepkimede her bir molekül bir mol olarak işlem görür.

100

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

len tanımdan, sadece sınırlayıcı tepkenden daha az ürünün oluşabileceğini bilmekte­ yiz. 4 ıııol CO ile yola çıkarsak, aşağıdaki CH3OH ıııol sayısını buluruz.

1 ıııol CH3OH 4 mobeo X —----- , * = 4 ıııol CH,OH

Eğer 6 ıııol H2 ile yola çıkarsak aşağıdaki CH3OH ıııol sayısını bulunur. 1 ıııol CH,OH 6 nıol H; X------------- ----- = 3 ıııo CH ,OH 2 2metH5 3 Verilen tepkenlerden H2 daha az miktarda CH3OH oluşturduğundan, H2 sınırlayıcı tepkeııdir. Buna göre, CO aşırı tepkeııdir. Sınırlayıcı tepkeııleıı içeren stokiyoıııetrik hesaplamalarda, ilk adını hangi tepke­ nin sınırlayıcı tepken olduğuna karar vermektir. Sınırlayıcı tepken belirlendikten soma problemin gen kalanı, bölüm 3.8’de gösterildiği gibi çözülebilir. Örnek 3.15 bu yak­ laşımın uygulamasını göstermektedir.

Örnek 3.15 Üre [(NH2)2CO] amonyağın karbondioksitle tepkimesinden hazırlanır.

2 NH3(g) + CO2 (g)---- > (NH2)2CO (sııdcı) + H2O(s) Bir işlemde, 637,2 g NH3 ile 1142 g CO2 tepkimeye girmektedir, (a) İki tepkenden han­ gisi sınırlayıcı tepkeııdir? (b) Oluşan (NH2)2COTıuıı kütlesini hesaplayınız, (c) Tepkime sonunda aşırı tepkenden ne kadar (g olarak) geride kalır?

(a) İzlenecek Yol Oluşabilecek ürünün miktarını sınırladığından, ürünün daha düşük

(NH2)2co

molüııü veren tepken sınırlayıcı tepkeııdir. Tepkenin miktarından ürünün miktarına nasıl geçeriz? Her bir tepken için bu hesaplamayı yapınınız. Sınırlayıcı tepkeni belirlemek için, NH3 ve CO2 için verilen miktarlardan oluşan ürünlerin[(NH2)2CO] molleriııi karşı­ laştırınız.

Çözüm İki farklı hesaplama yapılmalıdır. Birincisinde 637,2 g NH3 miktarından oluşan üre miktarı ıııol olarak hesaplanır. Bu hesaplamada aşağıdaki çevirme faktörleri kullanı­ lır:

NH/iin gramı----- > NH3’ün molü----- > (NH2)2COTıin ınolii

Bu adımları tek bir adımda birleştirirsek, şöyle yazarız. 1 motNH5 1 ıııol (NH2)2CO (NH2)2CO’nm kütlesi = 637,2 ıNH; X-------------- -- X 17,03 gNH3 = 18,71 ıııol (NH2)2CO İkincisi, 1142 g CO2 için, dönüşüm şöyledir:

CO2'iıı gramı----- > CO2'iıı molü----- > (NH2)2COTıiıı molü

Tüııı CO2 tepkimeye girerse oluşabilecek (NH2)2COTıin ıııol sayısı aşağıdaki gibidir: 1 ıııol COŞ 1 ıııol (NH2)2CO (NH2)2CO’ııiıı kütlesi = 1142 g-C-e^ X-------------- -- X 22 2 44.01 g-C-ÖJ = 25,95 ıııol (NH2)2CO

1 moi- 6'0 2

(Devamı)

3.9 Sınırlayıcı Tepkenler

Bulduğumuz sonuca göre, (NH2)2CO‘ııiıı daha küçük miktarını oluşturduğundan, NH3 sınırlayıcı tepkeııdir.

(b) İzlenecek Yol NH3’ı sınırlayıcı bileşen olarak belirledik ve buna göre (NH2)2CO’nin ıııol miktarını bulduk(a). (NH2)2CO' ııiıı bu ınolüııü grama nasıl dönüştürebiliriz?

Çözünı (NH2)2CO’nin ıııol kütlesi 60,06 gramdır. Mol kütlesini dönüşüm faktörü olarak alırız ve (NH2)2CO'nin ınolüııü gramına dönüştürürüz. 60,06 g (NH.)2CO (NH2)2CO’nin kütlesi =18,71 molANH^O X —---- f 1 mol-^NFF O = 1124 g (NH2)2CO

Kontrol Cevabınız mantıklı görüyor ıııu? 17,81 ıııol ürün oluştu. 1 ıııol (NH2)2CO’ ııiıı kütlesi nedir?

(c) İzlenecek Yol Geriye doğru giderek, 17,81 ıııol (NH2)2CO oluşturacak CO2’iıı miktarını belirleyebiliriz. Artan CO2 miktarı, başlangıç miktarı ile tepkimeye girenin far­ kıdır.

Çözüm 17,81 ıııol (NH2)2CO den başlayarak ve denkleştirilmiş eşitlikteki ıııol oranını ve CO2iıı ıııol kütlesiııide kullanarak, CO2’in tepkimeye giren kütlesini bulabiliriz. (NH2)2CO'ııiıı ıııolü----- > CO2’in ıııolü----- > CO2’in gramı

Buna göre tepkimeye giren CO/in kütlesi - 18,71 moMNHrteO X ,

1 mot-COV

X

44,01 gCO2 , 7^757

- 823,4 g CO, Geri kalan CO2 miktarı (aşırı tepken) başlangıç ıııiktar(l 142 g) ile tekiıııeye giren miktar (823,4 g) arasındaki farktır.

Aıtaıı CO2’in kütlesi = 1142 g - 823,4 g = 319 g Benzer problem: 3.86.

Alıştırma Alüminyum ve demir (III) oksit arasındaki tepkime yaklaşık 3000°C’de ger­ çekleşir ve metal kaynak işleminde kullanılır. 2 Al + Fe2O3----- > A12O3 + 2 Fe

Bir işlemde. 124 g Al ile 601 g Fe2O3 tepkimeye sokulmaktadır, (a) Oluşan Al2O3’in kütlesini (g olarak) hesaplayınız, (b) Tepkime sonunda geri kalan aşırı tepken hangisi­ dir?

Örnek 3.15 önemli bir noktayı belirtmektedir. Pratikte, kimyacılar genellikle daha pahalı kimyasal maddeyi sınırlayıcı tepken olarak seçerler ve onun hepsi veya çoğu tepkimede ürünlere dönüştürülecektir. Üre sentezinde, NH3 daima sınırlayıcı tepkeııdiı, çünkü CO2’e göre daha pahalıdır. Başka durumlarda, aşırı ıeaktif tepkimenin tamamlanması ya da yan tepkimeleri karşılamak ıçııı kullanılır. Örnek 3.16’da göste­ rildiği gibi sentezle uğraşan kimyacılar sık sık aşırı miktarlarda bulunan bir veya daha çok bileşenin miktarlarını buna göre hesaplamak zorundadır.

101

102

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

Örnek 3.16 Eterleri oluşturmak için alkollerle halojen bileşikleri arasındaki tepkime organik kimyada önemlidir. Aşağıda verilen tepkime, diıııetileteri (CH3OCH3) oluşturmak için ıııetanol (CH3OH) ve metil bromür (CH3B1) arasında gerçekleşmektedir. Diıııetil eter diğer orga­ nik bileşiklerin ve aeresol püskürtücülerin sentezi için önemli bir öncü ıeaktiftir. CH3OH + CH3Br + LİC4H9----- > CH3OCH3 + LıBr + C4H10

Bu tepkime su içermeyen bir organik çözücüde gerçekleşir ve butil lityum (LİC4H9) bileşiği CH3OH’den hidrojen iyonunu uzaklaştırma görevi görür. Butil lityum, çözücüde olabilecek olan su ile tepkimeye girer ve suyuda uzaklaştırır. Bu yüzden tepkime, Örneğin 2,5 ıııol aşırı LİC4H9 ıeaktifi ile gerçekleştirilir. Yukarıdaki tepkimeyi 10 g CH3OH ile gerçekleştirmek için LİC4H9 ve CH3Br’den kaçar gram gereklidir?

Çözüm Promlem çözümüne,CH3OH ve CH^Bı ’üıı stokiyoıııetrik miktarlarda mevcut olduğu ve LİC4H9T111 aşırı reaktif olduğu bilgisiyle başlarız. Gerekli LiC4H9ve CH3B1Tİ11 miktarlarını hesaplamak için. Örnek 3.14’de gösterildiği gibi işlem yaparız.

1 mol GH CH3Br’ün gramı= 10,0 g-TTKOH X ——— 3 6 e—3 32,04

X

1 mol-G-H^Br

94,93 g CH3Br

1 molGThOH

1 molGH.B r

= 29,6gCH3Br

LiC4Hl/ün gramı = 10,0 g_CH70H X

1 ınokGFhöH 32,04 g-GH^OH

X

2,5 ıııol-L-İG4HJ

1 mol GHŞCH

X

64,05 g LİC4H9 1 ıııol EİGtiH 9

= 50,0 g LİC4H9 Benzer problemler: 3.137,3.138.

Alıştırma Oktil beıızoat (CtJHsCOOCsHp) ve suyun oluşumuna neden olan benzoik asit (C6HsCOOH) ve oktaııol (CSH|7OH) arasındaki tepkimeye, tepkimenin tamlaıımasıııı ve en fazla ürün eldesini sağlamak için aşırı CSH|7OH ile başlanır. Bir organik kimyacının 1,5 ıııol C8H|7OH ile başladığı tepkimede, 15,7 g CJT5COOH için C8H17OHTıı kaç gra­ mını kullanması gerekir?

C6H5COOH + CSH|7OH----- > C6H5COOCSH|7 4- H2O

Kavramların Değerlendirilmesi Şekil (a)’daki gaz halinde gösteıileıı tepkenleıdeıı başlayarak, tepkmıe için bir eşitlik yazınız, (b) - (d) arasında verilen durumlardan hangisinin sınırlayıcı bileşenle birlikte tepkimeyi gösterdiğim belirleyiniz. •

•

••

•

•

t

•

•

•

•

*

•

•

•

••

(a)

(b)

r • (c)

*

* < (d)

3.10 Tepkime Verimi

103

3.10 Tepkime Verimi Bil tepkimenin kuramsal verimim sınuiayıcı tepken belirler. Kuramsal verim, sınır­ layıcı tepkenin tümüyle kullanılması halinde oluşabilecek ürün miktarıdır. Kuramsal verim, elde edilebilecek en yüksek vernıı olup, denkleştirilmiş tepkimeden sayısal ola­ rak hesaplanabilir. Uygulamada ise gerçek verim kullanılır ve gerçek verim tepkime sonunda gerçekten oluşan ürün miktarıdır. Gerçek verim daima kuramsal verimden küçüktür. Bunun farklı nedenleri vardır. Örneğin, birçok tepkime tersinirdir ve soldan sağa %100 verimle gidemez. Tepkime %100 olsa bile, ürünlerin tamamının tepkime ortamından alnmıası çok zordur (örneğin sulu çözeltiden). Bazı tepkimeler karmaşık­ tır ve oluşan ürünler kendi aralarında başka bıı tepkime verebilirler, bu da istenilen tepkime veııımni düşülür. Kimyacılar bu tepkimenin verimim, gerçek verimi kuramsal verime oranlayarak hesaplarlar ve buna yüzde verim denir. Yüzde verim şöyle hesaplamr:

0/,T • gerçek verim %Venm = r-r—-—i---- -— kuramsal verim

x %ıoo

Yüzde verim %1 ile %100 arasında değişebilir. Kimyacının amacı her zaman tepkime verimini artırmaya çalışmaktır. Basınç ve sıcaklık tepkime verimim önemli oranda etkiler. Bu etkiler daha soma anlatılacaktır. Örnek 3.17’de, endüstriyel işlemlerde verim hesabmı göreceğiz.

Örnek 3.17 Titanyum roket, hava araçları, jet motorları ve bisiklet gövdeleri gibi yerlerde kullanılan güçlü, hafif ve koıozyona dayanaklı bir metaldir. Titanyum. 950"C ile 1150°C arasında titatnyuııı (IV) klorürüıı eritilmiş magnezyumun ile tepkimesinden elde edilir: TiCl4(g) + 2 Mg (.s)----- > Ti(Â') + 2 MgCl2(.s) Bir endüstriyel işlemde 3,54 X 10’ g TİCI4 ile 1.13 X 10’ g Mg tepkimeye sokulur, (a) Ti'un kuramsal verimini gram olarak hesaplayınız, (b) Deneysel olarak gerçekte 7.91 X 10“ g Ti elde edilmiş ise, yüzde verimi hesaplayınız

(a) İzlenecek Yol İki tepken olduğundan dolayı, bu işlem muhtemelen bir sınırlayıcı ıeaktif problemi olmalıdır. Ürünün daha az ıııolünü oluşturan tepken sınırlayıcı tepkeııdir. Her bir tepken için bu hesabı yapınız, sonra oluşabilecek Ti ürünün molleriııi karşı­ laştırınız. 5

Çöz'ıını İki tepkenden hangisinin sınırlayıcı tepken olduğunu görmek için iki ayrı hesaplama yapınız. Birincisi, 3,54 X 10’ g TİCI4 ile başlayarak, TiCLı’ün hepsi tepki­ meye girdiğinde oluşabilecek Ti'un ıııol sayısını hesaplayınız. Dönüşüm şöyledir:

TiCLı’ün gramı----- > TiCLı’ün 1110lü----- > Ti'ııı 1110lü (Devamı)

Unutmayınızki kuramsal verim denkleştirilmiş eşitlikten hesapladığınız verimdir. Gerçek verim ise gerçekte tepkimenin oluşturduğu verimdir.

104

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

Buna göre.

, 1 mol-TiCt.ı 1 mol Ti T’nin molü= 3,54 X 10 gTKT, X ——------- —- X î möküei; 4 189,7 g-TieiJ = 1,87 X 105 molTi

Daha sonra. 1.13 X 10' g Mg’dan oluşabilecek TiTııı mol sayısını hesaplayınız. Dönüşüm şöyledir: Mg’un gramı----- > Mg’üıı ıııolü----- > TiTııı ıııolü Buna göre.

Ti’nin kütlesi = 1,13 X 10 g-Mg X

1 mol- -Mg 2431 g-Mg

1 mol Ti 2 mol-Mg

= 2,32 X 105 mol Ti

Daha küçük miktarda Ti oluşturduğundan, TiCl4 sınırlayıcı tepkeııdir. Buna göre oluşan TiTııı kütlesi aşağıdaki gibi hesaplanır: . 47,88 g Ti , 1,87 X 105 mol Tı X -------- = 8,95 X 106 g Ti 1 mol Tî 6

(b) İzlenecek Yol Yukarıda (a kısmında) belirtilen Ti’un kütlesi, kuramsal verimdir. Proıııleıııiıı (b) şıkkında verilen miktar ise, tepkimenin gerçek verimidir.

Çözüm Yüzde verim aşağıda verildiği gibi hesaplanır.

Titanyumdan yaplmış yapay bir kalça kemiği ve katı titanyumun yapsı

gerçek verim %verim= ---------- ------ :— X % 100 kurumsal verim 7,91 X 106g =------------- X %100 8,95 X 106g = %88,4

Benzer problemler: 3.89, 3.90.

Kontrol Yüzde verimin, yüzde 100’den daha küçük olması gerçekten beklenir miydi? Alıştırma Sanayide çelik alaşımında kullanılan vandiyum (V) metali, yüksek sıcaklıkta vanadiyıım (V) oksitle kalsiyumun tepkimesinden elde edilebilir.

5Ca + V2O5----- » 5CaO + 2V Bii' işlemde. 1,54 X 103 g V2O5 ile, 1,96 X 103 g Ca tepkimeye girmektedir, (a) V’un kuram­ sal verimini hesaplayınız, (b) Elde edilen V miktarı 803 g ise, yüzde verimi hesaplayınız.

Endüstride elde edilen ürünler binlerce yada milyonlarca ton gibi çok büyük ölçektedirler. Bnnuıı için, verimde elde edilecek çok küçük bir artış bile, üretim mali­ yetini önemli oranda düşüılir. Bu durum, s. 105’de “Kimya İşbaşında” adlı okuma par­ çasında, kimyasal gübre üretimi konusunda ele alınmıştır.

Kavramların Değerlendirilmesi Yüzde verim bıı tepkimenin kuramsal veriıuininden daha fazla olabilir nü?

Kimyasal gübreler ünyanın hızla artan nüfusunu beslemek için, üreticilerin daha büyük ölçekte ve daha sağlıklı mahsûlleri üretmeleri gerekmektedir. Bu amaçla her yıl yüzlerce milyon ton kimyasal gübre, mahsülüıı kalitesini ve verimini arttırmak için toprağa verilmektedir. Bitkiler daha iyi büyümeleri için, karbon dioksit ve suyun yanında en az altı elemente daha ihtiyaç duyarlar. Bunlar N, P. K, Ca, S ve Mg'dur. Bu bölümde azot ve fosfor içe­ ren bir kaç gübrenin hazırlanışı ve özellikleri ele alınacaktır. Azotlu gübreler, nitrat (N07) tuzları, amonyum (NH4) tuzları ve bazı diğer bileşikleri içermektedirler. Bitkiler azotu doğrudan nitrat şeklinde alabilirler. Buna karşın, amonyum tuz­ ları ve amonyak (NH3), toprak bakterileri vasıtasıyla önce nit­ ratlara dönüştürülmelidir. Azotlu gübrelerin ana hanı maddesi, azot ve hidrojenin tepkimesinden elde edilen amonyaktır.

D

3 H2(g) + N2(g)----- > 2 NH3(g)

(Bu tepkime ayrıntılı olarak Bölüm 13 ve 14’de tartışılacaktır). Sıvı amonyak, toprağa doğrudan enjekte edilebilir. Seçenek olarak amonyak, amonyum nitrat [NH4NO3] amonyum sülfat [(NH4)2SO4] veya amonyum hidrojen fosfat­ lara [(NH4)2HPO4] dönüştürülebilir. Bu dönüşümü gösteren asit-baz tepkimeleri aşağıda verilmektedir. NH3(5uda) + HNO3(5«da) ----- > NH4NO3(5w^) 2NH3(sttda) + H2SO4(swtta) ----- > (NH4)2SO4ÜMr/6z) 2NH3(sj/dtf) + H3PO4(sttdfl) ----- > (NH4)2HPO4(suda)

Amonyum sülfatı elde etıııeııın diğer bir yönteminde iki adını gerekir. 2NH3(swda) + CCh(suda) 4- H2O(s) ----- > (NH4)2CO3(sw6ta) (1) (NH4)2CO3(swAz) + CaSO4(s«Ja) ----- > (NH4)2SO4(5wda) + CaCO3(/c)

(2)

Başlangıç maddeleri olan karbondioksit ve kalsiyum sülfat, sül­ fürik asitten daha az maliyetli olduğundan, bu son yaklaşım ter­ cih edilir. Verimi arttırmak için, Tepkime l'de amonyak sınırla­ yıcı ıeaktif yapılır. Tepkime 2’de ise amonyum karbonat sınırla­ yıcı ıeaktif yapılır. Yandaki Çizelgede yaygın olarak kullanılan bazı gübre­ lerde, kütlece azot yüzdeleıi verilmiştir. Ürenin eldesi. Örnek 3.15’de tartışılmıştı.

Ekim yapı imadan önce smi amonyağın toprağa karışrırıfması.

Yaygın olarak kullanılan beş gübrede azotun kütlece yüzde bileşimi.

Giibıe

Kütlece % Azot

NH3

82,4

NH4NO3

35,0

(NH4)2SO4 (NH4)2HPO4

21,2 21,2

(NH2)2CO

46,7

Bir gübrenin diğerine tercih edilmesinde, birkaç faktörün ekisi vardır: (1) gübreyi elde etmek için hammadde maliyeti; (2) depolama, taşıma ve kullanım kolaylığı; (3)gübıede olması iste­ nen elementin kütlece yüzde bileşimi ve (4) bileşiğin uygun­ luğu, yani bileşiğin suda çözünüp-çözüıımediği ve bitkiler tara­ fından kolay alımp-alımayacağı. Tüııı bu faktörler birlikte dik­ kate alındığında, kütlece en yüksek yüzdeye amonyak sahip olmasına rağmen, NH4NO3 dünyadaki en önemli azot içeren gübredir. Fosfor gübreleri yZo/'opn///, Ca5(PO4)F, adı verilen fosfat kayasından elde edilir. Floıapatit suda çözünmez ve bundan

105

(Devamı)

dolayı öncelikle suçla çözünebildi kalsiyum dilıidrojeıı fosfata [Ca(EI2PO4)2] dönüştürülmelidir: 2 Ca5(PO4)3F(£) + H2SO4(.S7//z/)

-------- >

3 Ca(H2PO4)2(.s?////) + 7 CaSO4(.s7/7//) + HF(g)

Maksimum verim için, florapatit bu tepkimede sınırlayıcı ıeaktif yapılır.

Gübrelerin hazırlanması için yukarıda tartıştığımız tepki­ melerin tamamı çok basit gibi görünmektedir, ancak verimi art­ tırmak için örneğin sıcaklık, basınç ve benzeri şartları değiştire­ rek çok çaba harcanmaktadır. Endüstride çalışan kimyacılar, genellikle ilk öncü tepkimelerini laboratuvarlaıda gerçekleşti­ rirler, daha sonra büyük çapta ticari üretime geçmeden önce pilot uygulamayla test ederler.

Anahtar Eşitlikler Bir elementin yüzde bileşimi = ıı X elementin ıııol kütlesi % 100 bileşiğin ıııol kütlesi gerçek verim %veıım = r-— --- ;----- :— % 100 kuramsal verim

••

Olguların ve Kavramların Özeti 1.

Atom kütleleri, atomik kütle biıimi(akb) cinsinden ölçülür ve C-12 izotopu tam 12 kabnl edilerek, kıyas­ lama yapılır. Belirli bir elementin atomları için verilen atom kütleleri, doğal izotoplarının dağılımının ortala­ masıdır. Bir molekülün molekül kütlesi, moleküldeki atomların atomik kütlelerinin toplamıdır. Hem atomik kütle hem de molekül kütlesi, kütle spektrometresi ile tam olarak belirlenebilir. 2. Bir ıııol. Avogadıo sayısı (6.022 X 1023) kadar atom, molekül veya diğer taneciklerdir. Bir elementin ya da bileşiğin gram cinsinden ıııol kütlesi, atomik kütle biri­ mine (akb) sayısal olarak eşittir ve Avogadıo sayısı kadar atom (elementlerde), molekül (bileşiklerde) veya en basit formül birimi (iyonik bileşiklerde) içerir.

3. Bir bileşiğin kütlece yüzde bileşimi kendisini oluşturan elementlerin kütlece yüzdeleridiı. Bileşiğin kütlece yüzde bileşimini bilirsek, bileşiğin kaba formülü bula­ biliriz. Eğer yaklaşık molekül kütlesi de bilinirse, bile­ şiğin molekül formülünü de bulabiliriz.

106

4. Kimyasal tepkime olarak adlandırılan kimyasal deği­ şimler kimyasal eşitliklerle gösterilirler. Değişime uğra­ yan maddeler (tepkeııleı) çoğunlukla ok işaretinin sol tarafına ve oluşan maddeler (ürünler) sağ tarafına yazı­ lırlar. Kimyasal eşitlikler kütlenin korunumu yasasına göre deııkleştirilmelidir. Tepkenleıdeki her bir elemen­ tin atom sayısı, ürünlerdeki sayıya eşit olmalıdır. 5. Stokiyometri, kimyasal tepkimelerdeki ürün ve tepkenleıin nicel olarak incelenmesi işlemidir. Stokiyometrik hesaplamalar en iyi. bilinen ve bilinmeyen miktarlar ıııol cinsinden ifade edilerek yapılır, daha sonra gere­ kirse ıııoller diğer birimlere dönüştürülür. Sınırlayıcı ıeaktif. stokiyometrik olarak en küçük miktarda bulu­ nan tepkendir. Bir tepkimeden elde edilen ürün miktarı (gerçek verim), mümkün olan en yüksek miktardan (kuramsal verim) daha az olabilir. Bu ikisinin oranı 100 ile çarpılırsa, sonuç yüzde verim olarak ifade edilir.

Sorular ve Problemler

107

Anahtar Kelimeler Aşırı tepken, s. 99 Atomik kütle birimi (akb), s. 76 Atom kütlesi, s. 76 Avogadro sayısı (NA), s. 78 Gerçek verim, s. 103

Kimyasal eşitlik, s. 90 Kimyasal tepkime, s. 90 Kuramsal verim, s. 103 Kütlece yüzde bileşim, s. 85 Mol, s. 77

Mol kütlesi (}), s. 78 Mol yöntemi, s. 95 Molekül kütlesi, s. 62 Sınırlayıcı tepken, s. 99 Stokiyoıııetri, s. 95

Stokiyometrik miktar, s. 99 Sınırlayıcı tepken, s. 99 Tepken, s. 91 Ürün, s. 91 Yüzde verim, s. 103

Sorular ve Problemler Atomik kütle

6.0 X 102î taneciği saymak içııı kaç yıl gerekir? (1 yıl 365 gün kabul edilecektir)

Tarama Soruları 3.1

3.2

3.3

3.4

Bir atomik kütle birimi nedir? Böyle bir birim ıııçiıı tanımlanmıştır? Bir karbon-12 atomunun kütlesi (akb olarak) nedir? Kitabın ön kapağının içinde verilen periyodik çizel­ gede karbonun atomik kütlesi neden 12.01 akb ola­ rak listelenmektedir? “Altının atom kütlesi 197,0 akb'diı’’ ifadesiyle neyin anlatılmak istendiğini kısaca açıklayınız. Bir elementin ortalama atom kütlesini hesaplamak için hangi bilgilere gerek duyarsınız?

Problemler

3.5

3.6

3.7 3.8

17CI (yüzde 75.53) ve Î7CI (yüzde 24.27) izotopları­ nın atomik kütleleri sırasıyla 34.968 akb ve 36,956 akb' dir. Klorun ortalama atomik kütlesini hesapla­ yınız. Paıentez içindeki yüzdeler bağıl bollukları vermektedir. 3Lİ ve 3Lİ izotoplarının atomik kütleleri sırasıyla 6,0151 akb ve 7,0160 akb’diı. Li atomunun ortala­ ma atomik kütlesi 6,941 akb ise, bu iki doğal izoto­ pun doğal bolluklarını hesaplayınız. 13,2 akb’ye karşılık gelen kütle kaç gramdır? 8,4 g’a karşılık gelen kütle kaç akb eder?

3.12

Bir kağıdın kalınlığı 0.0036 inçtir. Bir kitabın Avogadro sayısı kadar sayfaya sahip olduğunu var­ sayarak. kitabın kalınlığını ışık-yılı olarak bulunuz. (İpucu: ışık-yılınııı tanımı için Problem 1.49’a bakı­ nız)

3.13

5,10 mol kükürt (S) içinde kaç tane atom vardır?

3.14

6.00 X 10 '(6 milyar) kobalt (Со) atomu kaç ıııoldüı?

3.15

77.4 g kalsiyum (Ca) kaç ıııoldür?

3.16

15.3 mol altın (An) kaç gramdır?

3.17

Şu elementlerin tek bir atomunun gram olarak küt­ lesi nedir? (a) Hg, (b) Ne

3.18

Şu elementlerin tek bir atomunun gram olarak kütle­ si nedir? (a) As. (b) N1 1.00 X 1012 tane kurşun (Pb) atomunun gram olarak kütlesi nedir?

3.19 3.20

3,14 g bakır (Cıı) kaç tane Cu atomu içerir?

3.21

Hangisi daha fazla atoma sahiptir: 1.10 g hidrojen atomu ya da 14.7 g krom (Cr) atomu?

3.22

Hangisinin kütlesi daha büyüktür: 2 atom kurşun ve 5,1 X 10”23 mol helyum?

Avogadro Sayısı ve Mol Kütlesi

Molekül Kütlesi

Tarama Soruları

Problemler

3.9

3.10

“Mol” terimini tanımlayınız. Hesaplamalarda morun birimi nedir? Bir çift, bir düzine ve bir gıoss ile mol arasındaki ilişki nedir? Avogadro sayısı neyi temsil etmektedir? Bir atomun mol kütlesi nedir? Mol kütlesi için kul­ lanılan genel birim nedir?

3.23

Aşağıdaki maddelerin molekül kütlelerini veya for­ mül kütlelerini (akb) hesaplayınız: (a) CH4. (b) NO2, (c) SO3, (d) СбНб, (e) Nal, (f) K2SO4. (g) Ca3(PO4)2.

3.24

Aşağıdaki maddelerin mol kütlelerini hesaplayınız: (а) Ы2СОз, (b) CS2. (c) CHCI3, (kloroform) (d) СбЩОб (askoıbik asit veya C vitamini), (e) KNO3, (f) Mg3N2.

3.25

Bir bileşiğin 0.372 1110lü 152 g’dır. Mol kütlesini hesaplayınız.

Problemler

3.11

Dünyanın nüfusu 6,5 milyardır. Dünyadaki her kişi­ nin saniyede iki tanecik saydığını düşünün.

108 3.26

3.27 3.28

3.29

3.30

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

Etanın (C2H6), 0,334 gramında kaç molekül etan molekülü vardır? Bir şeker olan glikozun (C(JH| 2O6): 1,50 gramındaki C, H ve O atomlarının sayılarını hesaplayınız? DMSO diye de adlandırılan dimetil stilfoksit [(CH3)2SOJ, yüzeysel ilaç dağıtıcı reaktif olarak kullanılan ve deriye ııüfıız eden önemli bir çözücü­ dür. Dimetil sülfoksitin 7,14 X 101 gramındaki C. S. H. ve O atomlarının sayılarını hesaplayınız. Feromon. bir çok dişi böcek türü tarafından salgıla­ nan ve erkek böceği çiftleşmeye çağıran bir hor­ mondur. Bir feromon molekülünün formülü C|()HıSO’duı. Dişi böcek tarafından salgılanan fero­ mon miktarı yaklaşık 1,0 X 10-12 g’dır. Bu miktar içinde kaç molekül vardır? Suyun yoğunluğu 4°C’de 1.00 g/mL’dir. Bu sıcak­ lıktaki 2.56 ıııL su içinde kaç su molekülü vardır?

3.40

Kloroform (CHC13) karaciğer, böbrek ve kalp üze­ rinde hasar yapan zehirli bir bileşik olmasına karşın, anestezide uzun yıllar kullanılmıştır. B11 bileşiğin kütlece yüzde bileşimini hesaplayınız.

3.41

Sinnamik alkol çoğunlukla parfüm yapımında, özel­ likle sabun ve kozmetikte kullanılır ve molekül for­ mülü CQH|0O’dur. (a) Sinnamik alkoldeki C. H ve O’ nıııı kütlece yiizdelerini hesaplayınız, (b) 0.469 g’ lık bir örnekte kaç tane sinnamik alkol molekülü vardır?

3.42

Aşağıda verilen bileşiklerin hepsi gübre olup, topra­ ğa azot sağlarlar. Bunlardan hangisi kütlece yıizdesiııe göre daha zengin azot kaynağıdır? (a) Üre. (NH2)2CO (b) Amonyum nitrat. NH4NO3

(c) Guanidiıı. HNC(NH2)2

Kütle Spektronıetresi

(d) Amonyak. NII,

Tarama Soruları 3.31 3.32

Bir kütle spektrometresiııiıı çalışmasını açıklayınız? Bir elementin izotopik bolluğunun, o elementin kütle spektrumuııdan nasıl bulunacağını açıklayınız?

3.43

Sarımsağın kendine özgü kokusunu veren bileşik alisindir. Bu bileşiğin analizi sonucu elde edilen küt­ lece ytizdeler şöyledir: C: %44: H: %6.21; S: %39.5; O: %9.86. Alisinin kaba formülünü bulunuz. Mol kütlesi yaklaşık 162 g ise molekül formülü nedir?

3.44

Peroksiaçilnitrat (PAN) dumanın (sis) bileşenlerden biridir. PAN. C. H. N ve O’den oluşur. Aşağıdaki yüzde bileşiminden yararlanarak, oksijenin yüzde bileşimini ve bileşiğin kaba formülünü belirleyiniz. C: %19,8; H:%2.50. N:%11.6. Bileşiğin mol kütlesi yaklaşık 120 g ise molekül formülü nedir?

3.45

Pasın formülü Fe2O3 şeklindedir. 24.6 g pastaki demir kaç moldür?

3.46

246 g civa (Hg) ile tepkimeye girerek HgS oluştur­ mak için gerekli kükürt kaç gramdır?

3.47

20.4 g Al ile tamamen tepkimeye girerek A1I3 oluş­ turacak olan iyodun (I2) kütlesini hesaplayınız?

3.48

Kalay (II) florür (SnF2) diş çürümesini önlemek amacıyla dış macununa ilave edilen katkılardan biri­ dir. 24.6 g SııF2 bileşiği içerisindeki florun kütlesi gram olarak nedir?

3.49

Aşağıdaki bileşimlere sahip bileşiklerin kaba for­ mülleri nedir? (a) %2.1 H. %65.3 O. %32.6 S (b) %20,2 Al, %79.8 Cl.

3.50

Aşağıdaki bileşimlere sahip bileşiklerin kaba for­ müllerini bulunuz? (a) %40.1 C. %6.6 H, %53.3 O (b) %18.2 C. %21.5 N. %60.1 K.

3.51

Morton tuzuna topaklanmasını önlemek için kalsi­ yum silikat (CaSiO,) eklenir. Bu bileşik, kütlesinin 2,5 katı kadar suyu emer ve yine de serbest akışlı toz

Problemler 3.33

3.34

Karbon iki kararlı izotopa.12C ve l3,C sahiptir ve flor (F) yalnızca tek kararlı izotopa 'gF sahiptir. Pozitif CF j iyonunun kütle spektroetresiııde kaç spektrıım piki (çizgisi) gözlenir? İyonların daha küçük parça­ cıklara bölünmediğiııı varsayınız. Hidrojen iki kararlı izotopa(|H ve 2H) ve kükürt dört kararlı izotopa(3216S, ,2S. ^S, ve “S sahiptir. Hidrojen sülfürün pozitif iyonu için(H2S') kütle spektrumunda kaç spektrıım çizgisi gözlenir? İyonların daha küçük parçacıklara bölüıımediğini varsayınız.

Yüzde Bileşen ve Kimyasal Formüller Tarama Soruları 3.35 3.36

3.37 3.38

Amonyak (NH3) örneğini ele alarak, bir bileşiğin kütlece yüzde bileşimininiıı anlamını açıklayınız? Bilinmeyen bir bileşiğin kütlece yüzde bileşiminin bilinmesi, bu bileşiğin yapısını bulmamıza nasıl yar­ dımcı olur, açıklayınız. Kaba formüldeki “kaba” kelimesinin anlamı nedir? Bir bileşiğin kaba formülünü bilirsek, onun molekül formülünün bulunabilmemiz için gereken ek bilgi nedir?

Problemler 3.39

Kalay (Sn) yer kabuğunda SııO2 şeklinde bulunur. SnO2’deki Sn ve O'niıı kütlece yüzde bileşimlerini hesaplayınız.

Sorular ve Problemler

olarak kalır. CaSiO3’ııı yüzde bileşimini hesaplayı­ nız? 3.52

Bir bileşiğin kaba formülü CH’dır. Bu bileşiğin yak­ laşık ıııol kütlesi 78 g ise, molekül formülü nedir?

3.53

Kafeinin ıııol kütlesi 194.19 g’dır. Hangisi kafeinin molekül formülüdür: C4H5N2O ya da CSH|(N4O2? Monosodyum glutamat (MSG) gıda lezzet artırıcı­ dır, baş ve göğüs ağrılarına neden olan “Çin lokanta­ sı sendromu” hastalığından sorumlu bileşik olarak gösterilmektedir. MSG’nin kütlece bileşimi: %35.51 C, %4.77 H. %37.85 O. %8.29 N ve %13.60 Na’dur. Bu bileşiğin molekül kütlesi yaklaşık 169 g ise mole­ kül formülünü bulunuz?

3.54

(d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) (l) (m) (n)

109

NH4NO2 ----- > N2 + H2O NaHCO3 ----- > Na2C03 + H2O + CO2 P4O10 + H2O ----- > H3PO4 HC1 + CaCO3 ----- > CaCl2 + H2O + CO2 Al + H2SO4 ----- > A12(SO4)3 + H2 CO2 + KOH ----- > K2CO3 + H2O CH, + O2 ----- > CO2 + H2O Be2C + H2O ----- > Be(OH)2 + CH4 Cu + HNO3 ----- > Cu(NO3)2 + NO + H2O S + HNO3 ----- > H2SO4 + NO2 + H2O NH3 + CuO ----- > Cu + N2 + H2O

Tepken ve Ürünlerin Miktarları Kimyasal Tepkimeler ve Kimyasal Eşitlikler Tarama Soruları 3.55

3.56 3.57 3.58

Hidrojen ve oksijenden su oluşumu tepkimesini kul­ lanarak, şu terimleri açıklayınız: kimyasal tepkime, tepken, tinin. Kimyasal tepkime ve kimyasal eşitlik arasındaki fark nedir? Kimyasal denklem niçin denkleştirilmelidir? Denkleştirilmiş bir eşitlik hangi yasaya uyar? Bir kimyasal tepkimede gaz. sıvı, katı ve sulu fazları gösteren simgeler nelerdir?

Tarama Soruları 3.61

3.62

Problemler 3.63

3.60

Aşağıdaki tepkimeleri bölüm 3.7’de verilen yön­ temi kullarak denkleştiriniz. (a) c + o2 —-> CO (b) co + o2 -—> co2 (c) H2 + Br2 —> HBr (d) K + H2O -—> KOH + H2 (e) Mg + O2 —> MgO (f) O3 —> 02 (g) H2O2 ----- > H2O 4- O2 (h) N2 + H2 —-> NH3 (i) Zn 4- AgCİ ----- > ZnCl2 4- Ag -> so2 (j) s» + o2 (k) NaOH + H2SO4 ----- > Na2SO4 (D Cl2 + Nal ----- > NaCl + I2 (m) KOH + H3PO4 ----- > K3PO4 + H2O (n) CH4 + Br2 ----- > CBr4 + HBr

Aşağıdaki tepkimeleri bölüm 3.7’de verilen yönte­ mi kullarak denkleştiriniz. (a) N2O5 ----- > N2O4 + O2 (b) KNO3 ----- > KNO2 + O2 (c) NH4NO3 ----- > N2O + H2O

Diyagramda verilen tepkimeyi aşağıdaki eşitlikler­ den hangisi en iyi şekilde gösterir? (a) (b) (c) (d) (e)

Problemler 3.59

Stokiyometıi hangi yasaya dayanır? Stokiyometıik problemlerin çözümünde niçin deııkleştirhııiş eşit­ liği kullanmak esastır? Mol yönteminde gerekli basamakları açıklayınız.

3.64

8A 4A 2A 4A 2A

44444-

4B -—> C + D 4C + 4D 8B B — C + D 2B -—> 4C + 4D 4B -—> C + D

Diyagramda verilen tepkimeyi aşağıdaki eşitlikler­ den hangisi en iyi şekilde gösterir? (a) A + B ----- > C + D (b) 6A + 4B ----- > C + D (c) A + 2B ----- > 2C + D (d) 3A + 2B ----- > 2C + D (e) 3A + 2B ----- > 4C + 2D

110 3.65

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

Aşağıdaki eşitliğe göre, karbon moııoksit (CO) gazı­ nın oksijen gazı ile yanma tepkimesini düşününüz. Yeterince oksijen içinde 3.60 ıııol CO’iıı yanması ile oluşan CO2 ıııol sayısını hesaplayınız.

3.73

2CO(g) + O2(g) ---- > 2CO2(g) 3.66

Aşağıdaki eşitliğe göre, silisyum tetıaklorür (SiCl4). silisyumun klor gazında ısıtılmasından elde edil­ mektedir. Bir tepkimede 0.507 ıııol SiCl4 oluşmak­ tadır. Tepkimede kullanılan klor molekülünün ıııol sayısı kaçtır?

CuSO4 • 5H2O ---- > CuSO4 + 5H2O 15.01 g mavi bileşik ısıtılmış ve geriye 9.60 g CııSO4 kalmıştır. Bu bileşikteki suyun ıııol sayısını bulunuz?

Si(/c) + 2Cl2(g) -----> SiCl4(s) 3.67

Amonyak temel bir azot gübresidir ve aşağıdaki eşitliğe göre, hidrojen ve azot arasındaki tepkime­ den elde edilir. Belirli bir tepkimede, 6,0 ıııol NH3 oluşmuştur. Bu amonyağın miktarı için kaç ıııol N2 ve kaç ıııol H2 tepkimeye girmiştir?

3.74

Bazı yarış arabaları yakıt olarak metaııol (CH3OH. odun alkolü olarak da adlandırılır) kullanır. Metanoltin yanması aşağıdaki denkleme göre olur. Belirli bir tepkimede, 9.8 ıııol CH3OH aşırı O2 ile tepkimeye sokulur. Oluşan suyun ıııol sayısını hesaplayınız.

Yukarıdaki tepkimeye göre. 29,0 g (yaklaşık 1 ons) altın elde etmek içııı en az kaç ıııol KCN kullanılır? 3.75

Kireç taşı (CaCO3) ısıtıldığı zaman sönmemiş kireç (CaO) ve karbon dioksite bozumu; 1,0 kg kireç taşından kaç gram sönmemiş kirecin elde edilece­ ğini hesaplayınız.

3.76

“Güldürücü gaz” olarak bilmen ııitıöz oksit (N2O) amonyum nitratın (NH4NO3) ısısal bozunmasıyla elde edilebilir. Oluşan diğer tinin ise H2O’dur. (a) Bu tepkime için, denkleştirilmiş bir eşitliği yazınız, (b) Eğer tepkimede 0.46 ıııol NH4NO3 kullanılırsa, oluşacak N2O miktarı kaç gramdır? Amonyum sülfat [(NH4)2SO4J gübresi, amonyak (NH3) ile sülfürik asidin (H2SO4) tepkimesinden elde edilir. Tepkimeye göre. 1.00 X 105 kg (NH4)2SO4 üretmek için kaç gram NH3 gerekir?

2 CH2OH(s) + O2(g) -----> 2 CO2(g) + H2O(s) 3.69

Fosil ve kömür yakıtlarının yanmasından, otomobil eksozlaıı ve diğer kaynaklardan kükürt dioksitiıı (SO2) yıllık üretimi yaklaşık 26 milyon tondur. Tepkime eşitliği aşağıdadır.

3.77

S(/ SO2(g)

3.70

3.71

Başlangıç maddelerindeki kaç ton kükürt bu kadar kükürt dioksitı oluşturur? Kabartma tozu (sodyum bikarbonat veya sodyum hidrojen karbonat. NaHCO3) ısıtılırsa, kurabiye, lokma tatlısı ve ekmeğin kabarmasına neden olan CO2 gazı açığa çıkar. Ekmek, kek v.b. ürünler bu nedenle kabarırlar, (a) Bozumua tepkimesini yaza­ rak denkleştiriniz (ürünlerden biri Na2CO3'dır), (b) 20.5 g CO2 oluşturan NaHCO3 kütlesi nedir? Eğer ağartıcı klor amonyak içeren diğer temizleyici­ lerle karıştırılırsa, aşağıdaki eşitliğe göre zehirli bir gaz olan NCl3(g) oluşabilir. 2.94 g NH3, aşırı NaClO ile aşağıdaki eşitliğe göre tepkimeye girdiğinde, kaç g NC13 oluşturulur?

3NaClO(s» 3 NaOH(.sı/^) + NCl3(g) 3.72

Şarap yapımındaki fermantasyon oldukça karmaşık bir kimyasal işlem olup glukoz. etil alkol ve karbon dioksite dönüştürülür: CfHı2O6-----> 2C2H5OH + 2CO2 glukoz

etanol

Uzun yıllardır, altının diğer maddelerden ayrılma­ sında KCN kullanılır.

4 Au + 8 KCN + O2 + 2 H2O ---- > 4 KAu(CN)2 + 4 KOH

3 H2(g) + N2(g) -----> 2 NH3(g) 3.68

500,4 g glukozdan elde edilebilecek maksimum etil alkol miktarını gram ve litre olarak bulunuz (alkolün yoğunluğu = 0.789 g/ıııL.) Her bakır(II) sülfat birimi beş molekül su ile birleşerek kristal yapılı, mavi bakır(II) sülfat pentahidrat (CuSO4 • 5H2O) oluşturur. Bu bileşik havada 100° C’nin üstünde ısıtıldığında, su moleküllerini ve mavi rengini kaybeder:

2 NH3(g) + H2SO4(s»rfa) -----> (NH4)2SO4(sı/A7) 3.78

Laboıatııvar koşullarında oksijen gazı elde etmenin en yaygın yöntemi, potasyum kloratııı (KC1O3) ısıy­ la bozumuasıdır. Bozıııımanm tanı olduğu varsayıl­ dığında, 46.0 g KClO3'daıı elde edilebilecek O2’iıı gram miktarını hesaplayınız. (Ürünler, KC1 ve O2’dir).

Sınırlayıcı reaktifler Tarama Soruları 3.79

3.80

Sınırlayıcı reaktif ve aşırı ıeaktif kavramlarını açık­ layınız. Bir tepkimede oluşacak ürünün miktarını tahmin etmede sınırlayıcı reaktifin önemi nedir? Tek bir tepken varsa sınırlayıcı reaktif olabilir mi? Sınırlayıcı reaktif kavramını gösteren günlük yaşan­ tıdan örnekler veriniz.

Sorular ve Problemler

yanmasını gösteren aşağıdaki eşitliği denkleştiriniz.

Problemler 3.81

111

2 A - B -----> C tepkimesini düşününüz.

(a) Aşağıdaki diyagrama göre. A veya B tepkenlerıııden hangisi sınırlayıcı tepkendiı? (b) Tepkimenin tamamlandığını varsayarak, tepkime sonunda artan tepken ve oluşan ürün miktarlarını gösteren bir molekül modeli çiziniz. C’niıı atom dizilişi AB A’dır.

C3H8 + O2 -----> CO2 + H2O

(b) 3.65 ıııol pıopaıı yandığında kaç gram CO2 olu­ şabilir? Oksijenin bu tepkimede aşırı ıeaktif olduğu kabul ediniz. 3.86

MııO2 + 4 HC1 -----> MııCl2 + Cl2 + 2 H2O

Yukarıdaki tepkimeyi dikkate alınız. Eğer 0.86 ıııol MnO2 ile 48.2 g HC1 tepkimeye girerse, hangi tep­ ken önce tükenir? Kaç gram Cl2 oluşur? Tepkime Verimi

Tarama Soruları

3.82

N2 + 3 H2 ----- > 2 NH3 tepkimesini düşününüz. Aşağıdaki diyagramda her bir modelin 1 ıııol mad­ deyi gösterdiğini kabul ederek, tamlanan tepkime sonunda oluşan ürünün ve geri kalan aşırı tepkenin ıııol sayılarını gösteriniz.

3.87

Bir tepkimenin kuramsal verimi neden sadece sınır­ layıcı reaktifin miktarıyla belirlenir?

3.88

Bir tepkimenin gerçek verimi neden, neredeyse daima kuramsal verimden daha küçüktür?

Problemler 3.89

Hidrojen flortir. Freonlaı (stratosferde ozonu tahrip ederler) ve alumiııyum metali üretiminde kullanılır. Hidrojen floriir aşağıdaki tepkime ile elde edilir. Bir işlemde 6.00 kg CaF2 aşırı miktarda H2SO4 ile etki­ leştiriliyor ve 2.86 kg HF elde ediliyor. HF' in yüzde verimini hesaplayınız? CaF2 + H2SO4 ---- > CaSO4 + 2 HF

3.90

Nitrogliserin (C3HsN3Oq) güçlü bir patlayıcı olup, bozunma tepkimesi aşağıdaki gibidir.

4C3H5N3O9 ---- > 6 N2 + 12 CO2 + 10 H2O + O2

3.83

Bu tepkime gaz halinde bir çok ürün ve ısı oluşturur. Patlamanın nedeni ani gaz oluşumu ve bu gazların çok hızlı genleşmesidir, (a) 2,00 X 102 g nitroglise­ rinden oluşabilecek en yüksek O2 miktarı gram ola­ rak nedir? (b) 6,55 g O2 elde edildiğini varsayarak, tepkimenin yüzde verimini hesaplayınız.

Azot monoksit (NO) oksijen ile koyu kahverengi azot dioksit (NO2) gazını oluşturmak üzere tepki­ meye girmektedir: 2 NO(g) + O2(g) ----->2 NO2(g)

Yukarıdaki tepkimeye göre, bir deneyde 0.886 ıııol NO ile 0.503 ıııol O2 karıştırılmaktadır. Hangi tep­ kenin sınırlayıcı tepken olduğunu hesaplayınız. Oluşan NO2’iıı kaç ıııol olduğunu hesaplayınız. 3.84

3.85

Amonyak ve sülfürik asit amonyum sülfat oluştur­ mak üzere tepkimeye girer, (a) Tepkime için bir eşit­ lik yazınız, (b) 20.3 g amonyum sülfat oluşur ve 5,89 g sülfürik asit tepkimeye girmeden geri kalırsa, her bir tepkenin başlangıç kütlesini gram olarak bulunuz. Pıopaıı (C3H8) doğal gazın bir bileşenidir ve evlerde ısınma ve pişirmede kullanılır, (a) Pıopanın havada

3.91

Titaıı(IV) oksit yani TiO2 beyaz bir bileşik olup, sül­ fürik asit ile ilmenit (FeTiO3) minerali arasındaki tepkimesinden oluşur.

FeTıO3 + H2SO4 ---- > TiO2 + FeSO4 + H2O

TiO2 ışık geçilmeyen ve zehirsiz özelliği nedeniyle plastik ve boyalarda pigment olarak kullanılmakta­ dır. Yukarıdaki tepkimeye göre, bir işlemde 8.00 X 103 kg FeTiO3’deıı 3,67 X 103 kg TiO2 elde edilmiş­ tir. Tepkimenin verimini hesaplayınız.

112 3.92

Kimyasal Tepkimelerde Kütle İlişkileri

Önemli bir organik kimyasal madde olan etilen (C2H4). 800°C’de hekzanı (C(JH,2) ısıtmakla elde edilebilir. C(H12 -----> C2H4 + Diğer ürünler

3.93

Etilenin üretiminin verimi yüzde 42.5 ise. 481 g eti­ len elde etmek için kaç gram hekzan tepkimeye gir­ melidir ? Lityum ısıtıldığı zaman azot ile tepkiyerek lityum ııitriirii oluşturmaktadır:

6 Li(/c) + N2(g) ---- >2Li3N(A’)

3.94

Bu tepkimenin tamlandığını düşünerek, tepkimeden sonra geriye kalan tepken ve ürünleri gösteren kap aşağıdakileıden hangisidir?

12.3 g Li metali 33.6 g N2 ile ısıtıldığında oluşan Li3N’tin kuramsal verimi gram cinsinden nedir? Eğer Li3N için gerçek verim 5.89 g ise tepkime verimi yüzde kaçtır? Disiilftir dikloriir (S2CT2), araba lastiği üretiminin vulkanizasyomıııda kullanılır. Bu işlem, lastik geril­ diğinde moleküllerin birbiri üzerenden kaymasını önler. S8(fc) - 4 Cl2(g) -----> S2Cl2(s) Disiilfür dikloriir, kükürtün(S8) klor atmosferinde ısıtılmasıyla elde edilir. 4,06 g S8,6,24 g Cl2 ile ıstıldığıııda. S2Cl2’in gram cinsinden kuramsal verimi nedir? S2Cl2’iıı gerçek verimi 6.55 g ise. yüzde verimi nedir?

3.99

Ek Problemler 3.95

3.96

3.97

(a)

f?Ga (68,9256 akb) ve J|Ga (70.9247 akb) izotopla­ rının ortalama atomik kütlesi 69.72 akb diı. Galyum (Ga) izotoplarının doğal bolluğunu hesaplayınız. 32Rb (84.912 akb) ve ^Rb (86.909 akb) izotopları­ nın ortalama atomik kütlesi 85,47 akb’dir. Rubidyumun (Rb) izotoplarının doğal bolluğunu hesaplayınız. Aşağıdaki diyagram bir hidrokarbonun (yanlızca C ve H içeren bir bileşik) yanmasından sonra oluşan ürünleri (CO2 ve H2O) gösterir. Tepkime için bir eşitlik yazınız. {İpucu'. hidrokarbonun ıııol kütlesi yaklaşık 30 gramdır.)

Hidrojenle gazı ile oksijen gazı arasındaki tepkime­ yi düşününüz: 2 H2(g) + O2(g) -----> 2 H2O(g)

(c)

(d)

Etilen (C2H4), etil kloıiir oluşturmak üzere hidrojen kloriirle tepkimeye girer. C2H4(g) + HCl(g) -----> C2H5CT(g)

3.100

3.101

3.98

(b)

4,66 g etilenin yüzde 89.4’lük verimle oluşturacağı etil klortirün kütlesini hesaplayınız. Aşağıda cümle olarak verilen tepkimeler için, denk­ leştirilmiş eşitlikleri yazınız. (a) Pentaıı su ve karbon dioksit oluşturmak üzere oksijende yanar. (b) Sodyum bikarbonat hidroklorik asitle sodyum kloı iir. su ve karbon dioksit oluşturmak üzere tepkimeye girer. (c) Lityum azot atmosferinde ısıtıldığında, lityum nitriir oluşur. (d) Fosfor triklortir. fosforik asit ve hidrojen kloıiir oluşturmak üzere suyla tepkimeye girer. (e) Bakır (II) oksit amonyakla ısıtıldığında bakır, azot gazı ve su oluşturacaktır. Sanayide nitrik asit, Ostwald işlemi ile aşağıdaki eşitliklerde verildiği gibi üretilmektedir:

4 NH3(g) + 5O2(g) -----> 4 NO(g) - 6 H2O(.s) 2 NO(g) + O2(g) -----> 2 NO2(g) NO2(g) + H2O(s) -----> HNO3(Wa) + HNO2(s« PbI2(Â’) + 2KNO3(swdri)

Potasyum nitrat çözeltide kalır. Şekil 4.3 bu tepkimenin oluşumunu gösteril’. Bu tepkime iki bileşiğin bazı kısmılarııım yer değiştirmeleriyle yürüyen metatez tepkimesine (çiftli yer değiştirme tepkimesi) bıı örnektir. Bu dununda iki bileşikteki katyonlar anyonlarını değiştirmiş, yani Pb21 ile I iyonları Pbl2 olarak, K1 ise NO3 ile KNO3 olarak sonlanmıştır. Bu bölümde göreceğimiz çökelme tepkimeleri metatez tep­ kimesi ömekleıidiı.

Animasyon Çökelme Tepkimeleri

122

Sulu Çözelti Tepkimeleri

Şekil 4.3 Kİ çözeltisine Pb(NO3)2 çözeltisi ilave edildiğinde san renkli Pbl2 çökeleğinin oluşması.

Çözünürlük Bir çözeltiye bir bileşik eklendiğinde ya da ıkı çözelti karıştırıldığında bir çökeleğin oluşup oluşmayacağını nasıl anlayabiliriz? Bu duıunı çözünen türün çözünürlüğüne bağlıdır. Çözünürlük, belirli bir sıcaklıkta belirli miktardaki çözücüde çözünebilen maksimum çözünen madde miktarı olarak tanımlanır. Kimyacılar maddeleri nitel anlamda “çözünen, az çözünen ve hiç çözünmeyen” diye sınıflandırırlar. Bir madde suya ilave edildiğinde önemli oranda çözünürse, çözünür olarak kabul edılıı. Bunun tersi dununda ise, az çözünür veya çözüıuııez olarak adlandırılır. Bütün iyonik bile­ şikler kuvvetli elektrolittirler, ancak eşit miktarlarda çözünmezler. Çizelge 4.2’de çok bilinen bazı iyonik bileşiklerin çözünür ve çöztiımıez olarak sınıflandırılması yer almaktadır. Ancak çözünmeyen bileşiklerin de belnlı bir oranda çözündüğünü unutmaymız. Şekil 4.4 bazı çökelekleri göstermektedir.

Çizelge 4.2

25°C’de Bazı Yaygın İyonik Bileşiklerin Suda Çözünebilme Kuralları

Çözünebilen Bileşikler

Çözünmeyen İstisnalar

Aşağıdakileri içeren bileşikler: Alkali metal iyonları (Li-, Na ”, I Pbl2(£) + 2K+ (suda) + 2NO3 (.sut/«)

Benzer problemler: 4.19, 420.

123

124

Sulu Çözelti Tepkimeleri

Yukarıdaki eşitlik, çözünen türleri serbest iyonlar olarak gösteren iyonik eşitliğe iyi bir örnektir. îyoııık eşitlik, tepkimede işlevi olmayan iyonları da içerir. Bu çözel­ tide çökelek oluşup oluşmayacağını anlamak için öncelikle farklı bileşiklerin anyon ve katyonlarını birleştiririz. Bunlar Pbl2 ve KNO3’dır. Çizelge 4.2’ye bakıldığmda Pbl2’tin az çözünür, KNO3’ın ise çözünür olduğunu görürüz. Dolayısı ile çözünen KNO3 çözelti içinde K' ve NO3 iyonları olarak bulunur. Bunlara gözlemci iyonlar veya toplanı tepkime de yer almayan iyonlar denir. Gözlemci iyonlar eşitliğin her ıkı yanında da yer aldıklarından iyonik eşitlikten çıkarılabilirler.

Pb2+(sada) + 2NOTGnzfey + 2K2-Gwr/nj + 2V {suda)----- > Pbl2(fc) + 2K--fW Pbl2(fc)

oluşumu.

Diğer bir örnekte ise baryum kloriir (BaCl2) sulu çözeltisini, sodyum sülfat (Na2SO4) sulu çözeltisine ilave edildiğimizde beyaz renkte baryum sülfat (BaSO4) çökeleğinin oluştuğunu gözleriz (Şekil 4.5). Bunu bir metatez tepkimesi olarak değeılendiıdiğimizde, ürünler BaSO4 ve NaCl’dir. Bu tepkime için moleküler eşitlik, BaCl2(suda) + Na2SO4(swda) ----- > BaSO4(k) + 2NaCl(soda)

olarak yazılır. İyonik eşitlik aşağıdaki gibidir. Ba2+(sada) + 2Cr {suda) + 2Na+(suda) + SO4_(sodd)----- > BaSO4(Ç) + 2Na+{suda) + 2Cl_(suda)

Gözlemci iyonların (Na1 ve Cl ) eşitliğin her iki yanından çıkartılması ile geride net iyonik eşitlik kalır. Ba2~ {suda) + SO2" {suda) ----- > BaSO4(Ç) İyonik ve net eşitlikleri yazmak için izlenmesi gereken dört basamak aşağıda özetlemiştir:

1.

İyonik tepken ve ürünlerin doğru formüllerini kullanarak tepkimenin denkleşmiş moleküler eşitliğini yazınız. Çizelge 4.2’deıı yararlanarak hangi ürünlerin çözün­ mez olduğuna, dolayısı ile çökelek oluşturacağını karar veriniz.

2.

Tepkime için iyonik eşitliği yazınız. Çökelek oluşturmayan iyonları serbest iyon olarak gösteriniz.

3.

Gözlemci iyonları belirleyip eşitliğin her iki tarafından çıkartınız. Net iyonik eşit­ liği yazınız.

4.

Net iyonik eşitlikteki yükleri ve atom sayılarını kontrol ediniz.

Bu basamaklar Örnek 4.2’de uygulanmıştır.

Örnek 4.2 KyPOj (suda) ile Ca(NO3)2 (suda) arasındaki tepkime ile oluşan çöke­ lek.

Potasyum fosfat (K3PO4) çözeltisi ile kalsiyum nitrat [Ca(NO3)2] çözeltisi karıştırıldı­ ğında 11e olacağını tahmin ediniz. Bu tepkime için net iyonik eşitliği yazınız. (Devamı)

4.2 Çökme Tepkimeleri

İzlenecek Yol Verilen bilgiden, önce denkleştirilmemiş eşitliğin yazılması yararlı olacaktır.

K3PO4(suda) 4- Ca(NO3)2(suda) ----- > ?

iyonik bileşikler suda çözündüğü zaman 11e olur? K3PO4 ve Ca(NO3)2’ın ayrışmasından hangi iyonlar oluşur? Çözeltide katyonlarla anyonlar karşılaşınca 11e olur?

Çözünı Çözeltide K3PO4; K* ve PO4‘ iyonlarına, Ca(NO3)2 ise Ca2' ve N07 iyonlarına ayrışır. Çizelge 4.2’ye göre Ca21 ve PO4 iyonları suda az çözünen Ca3(PO4)2 bileşiğini oluşturacaktır. Diğer ürün olan KNO3 ise çözeltide çözünmüş olarak kalacaktır. Buna göre, bu tepkime bir çökelme tepkimesidir. Daha önce belirtilen basamakları takip ederiz.

Adını 7:Bu tepkimenin denkleştirilmiş moleküler eşitliğini yazarız. 2K3PO4(sudd) 4- 3Ca(NO3)2(suda) ----- > Ca3(PO4)2(&) 4- 6KNO3(swda)

Adını 2: Çözünen bileşiklerin ayrışmış iyonlar olarak gösterildiği iyonik eşitliği yazarız.

6K'(suda) 4- 2PO4“(suda) 4- 3Ca2“(suda) 4- 6NO3(suda) ----- > 6K“(suda) 4- 6NO3 (suda) 4- Ca3(PO4)2(Zc) Adını 3: Gözlemci iyonların (K1 ve NO3) eşitliğin her iki yanından çıkartılması ile net iyonik eşitliği elde ederiz.

3Ca2+(.sWa) + 2 PO^Oda) ---- > Ca3(PO4)2(fc) Adım 4: Moleküler eşitliği daha önceden denkleştirdiğimizden, eşitliğin her iki tarafın­ daki atom sayıları ve eşitliğin sol tarafındaki pozitif (+6) ve negatif (- 6) yükler eşit olup, net İyonik eşitlik denktir.

Alıştırma A1(NO3)3 çözeltisi ile NaOH çözeltisi karıştırıldığında hangi çökeleğin oluştuğunu tahmin ederek, tepkimenin net iyonik eşitliğini yazınız?

Kavramların Değerlendirilmesi Aşağıdaki gösterimlerden hangisi Ca(N()02(sııda) ve Na2CO3(suda) arasında gerçekleşen tepkimeyi tam olarak açıklar? Kolaylık olması açısından sadece Ca2' (sarı) ve CO2_ (mavi) iyonları gösterilmiştir.

Sayfa 126’daki “Kimya İşbaşında” adlı oknıııa parçasında çökme tepkimeleriyle ilgili bazı güncel örnekler tartışılmaktadır.

Benzer problemler: 4.21, 422.

125

. 7

İş Başında -■ r

— >1—

m

İstenmeyen Çökme Tepkimeleri üııya yüzeyinde yaygın olarak bulunan kireç taşı (CaCO3) ve dolomit (CaCO3MgCO3) çoğunlukla su kaynaklarına karışır. Çizelge 4.2’ye göre kalsiyum karbonat suda az çözünür. Buna karşın, çözünmüş karbon dioksit (atmosferden) varlığında suda çözünebileıı kalsiyum bikarbonata [Ca(HCO3)2] dönüşür. Burada HCCÇ, bikarbonat iyonudur.

D

CaCO3(/ Ca2~(57/ H3O+(sutta) + Cl(suda)

iyonlarının elektrostatik potansiyel haritası. Bu gökkuşağı spektrumunda, elektronca zengin bölgeler kırmızı, fakir bölgeler mavi­ dir.

Çoğu kez, asitlerin formülleri H ile başlar ya

da COOH grubu içerir.

Bazı Yaygın Kuvvetli ve Zayıf Asitler

Kuvvetli Asitler Hidrokloıik asit

HCI

Hidıobroınik asit

HBr

Hidıoiyodik asit Nitrik asit

HI HNO3

Sülfürik asit Peıkloıik asit

H2SO4 HC1O4

Zayıf Asitler

Hidroflorik asit

HF

Nitröz asit Fosforik asit

HNO2 H3PO4

Asetik asit

CH3COOH

Hidratlaşmış proton, H3O+, hidronyum iyonu olarak adlandırılır. Yukarıdaki eşitlik bir Bronsted asitiniıı (HCI) Bronsted bazına (H2O) bıı proton verdiğini gösterir. Deneysel çalışmalar hidronyum iyonunun daha fazla hıdıatlaşaıak protonun bıı kaç su molekülüyle sarıldığını göstermiştir. Protonun asidik özelliği hıdratlaşma dere­ cesinden etkilenmediğinden, bu kitapta proton genellikle II1 ile gösterilecektir. Bu kabul sadece kolaylık için olup, H3O1 gerçeğe daha yakuıdır. İki simgenin de sulu çözeltilerde aynı türü ifade ettiği unutulmamalıdır. Laboratuvarlarda en çok kullanılan asitler hıdrokloıik asit (HCI), nıtıık asit (HNO3), asetik asit (CH3COOH), sülfürik asit (H2SO4) ve fosforik asit (H3PO4) dıı. Bunlardan ilk üçü tek protonlu asitlerdir. Başka bıı ifadeyle bu tiir asitlerin her bir molekülü iyoıılaştığında sadece bir hidrojen iyonu verir.

HCI (sutta) ----- > Hfsuda) + CC(suda) HNO3(S’Utta) ----- > H+(SUtta) + NO3 (sutta) CH3COOH(suda) * CH3COO~(suda) + H’(sutta) Daha önce belirttiğimiz üzere, asetik asit tam olarak iyoıılaşmaz (ıkı yönlü oka dik­ kat ediniz) ve zayıf bir elektrolittir. Bu yüzden zayıf asit olarak adlandırılır (bak. Çizelge 4.1). Buna karşın, HCI ve HNO3 kuvvetli elektrolit olduklarından kuvvetli asitlerdir ve suda tam olarak iyoıılaşırlar (tek yönlü oka dikkat ediniz). Sülfüıik asit (H2SO4) iki protonlu bir asittir. Çünkü her bir asit molekülü ıkı ayrışz// H'(sutta) + HSO4 (suda) HSOJ (sutta) v H’(sutta) + SO4" (sutta)

H2SO4 kuvvetli bir elektrolit ya da kuvvetli bir asittir (iyonlaşmanın ilk basamağı tam­ dır). Ancak HSO4 zayıf elektrolit ya da zayıf asit olup, iyonlaşması tam olmaz ve bu basamak ıçııı çift yönlü ok kullanmak gerekir. Üç protonlu asitler, iiç H' iyonu veren asitlerdir ve sayıları nispeten azdır. E11 iyi bilinen iiç protonlu asit fosforik asittir Bu asitiıı iyonlaşması şövledir:

HPO4(sutta) * HPO4 (suda) * HPO4_ (sutta) *

H+(sutta) + H2PO; (sutta) H+(sutta) + HPO4" (sutta) H+(sutta) + (suda)

Üç tür de (H3PO4, H2PO4 ve HPO4_) zayıf asit olduğundan, her iyonlaşma basama­ ğını göstermek için çift yönlü ok kullanırız. H2PO4 ve HPO4_ gibi anyonlar NaH2PO4 ve Na2HPO4 gibi fosfatların sulu çözeltilerinde bulunurlar. Çizelge 4.3’de sık kulla­ nılan çeşitli asit ve bazlar listelenmiştir.

4.3 Asit-Baz Tepkimeleri

129

ec* c*c NH3

+

H20

NH4

+

OH“

Şekil 4.8 Amonyağın suda amonyum ve hidroksit iyonu oluşturmak üzere iyonlaşması.

Kavramların Değerlendirilmesi Aşağıdaki gösterimlerden hangisi bir zayıf asidi en iyi temsil eder? Hangisi oldukça zayıf bir asidi temsil eder? Hangisi kuvvetli bir asidi temsil eder? Proton suda hidronyum ıyomı olarak bulunur. Bütün asitler tek protoııludur. (Kolaylık olması açısından su molekülleri gösterilmemiştir.)

(c)

(b)

(a)

Çizelge 4.1 sodyum hidroksit (NaOH) ve baryum hidroksitin [Ba(OH)2] kuvvetli elektrolit olduğunu gösterir. Bu, çözeltide tamamen ıyonlaştıklaıı anlamına gelir.

NaOH(Âr) Ba(OH)2(fc)

Na+(swdkz) + OH-(şada) Ba2+(swda) + 2OH“(sM H2O(s) Bu yüzden OH bıı Bıoıısted bazıdır. Amonyak (NH3), H+ iyonu alabildiği için Bıoıısted bazı olarak sııııflanduılır: NH3(5«dri) + H2O(s)

NHj(jMdri) + OH“(sudd)

Çözünmüş amonyak moleküllerinin çok az bir kısmı su ile tepkimeye girerek NH4 ve OH“ iyonlarını oluşturduğundan, amonyak zayıf bir elektrolittir dolayısı ile zayıf bir bazdır. Laboratııvarda en çok kullanılan baz, sodyum hidroksittir. Ucuzdur ve suda çö­ zünür. Aslında bütün alkali metal hidroksitleri suda çözünürler. En çok kullanılan za­ yıf baz ise sulu amonyak çözeltisidir. Bu çözelti bazen yanlışlıkla amonyum hidrok­ sit olarak da adlandırılır. Oysa çözeltide NH4 ve OH iyonların bulunmasından başka NHz|OH’ın varlığını gösteren herhangi bıı kanıt bulunmamaktadır. Bütün 2A Grubu ele­ mentleri M(OH)2 şeklinde hidroksitler oluştururlar. Burada M bir toprak alkali metali

Bu sulu amonyak çözeltisi şişesinin hatalı olarak amonyum hidroksit diye etiketlendiğine dikkat ediniz.

130

Sulu Çözelti Tepkimeleri

ifade eder. Bıı hidıoksitlerdeıı yalnızca Ba(OH)2 suda çok çözünür. Magnezyum ve kal­ siyum hidroksit ilaç sanayinde ve endüstride kullanılır. A1(OH)3 ve Zıı(OH)2 gibi diğer metal hidroksitleri suda çözünmez ve baz olarak kullanılmazlar. Örnek 4.3’de bileşikler, Broıısted asit ve bazları olarak sınıflandırılmaktadır.

Örnek 4.3 Aşağıda verilen her bir türü, sulu çözeltide Broıısted asiti ve bazı olmalarına göre sınıf­ landırınız: (a) HBr, (b) no;, (c) hco;

İzlenecek Yol Broıısted asitlerinin karakteristik özellikleri nelerdir? En az bir H atomu içerirler ini? Amonyak hariç, karşılaşacağınız Broıısted bazlarının çoğu anyondur.

Çözüm (a) HClTıin asit olduğunu biliyoruz. Br ve Cl’un her ikisi de halojen olduğundan (7A Grubu), HBr’ün de suda HC1 gibi iyonlarına ayrışması beklenir: HBr(sttda) ----- > YV(suda) + Br(suda)

O halde HBr bir Broıısted asitidir.

(b) Çözeltide ııitıit iyonları sudan bir proton alarak ııitröz asit oluştururlar:

NO 2 (suda) 4- H~(suda) ----- > HNO2(5wda) Bu özellik NO; iyonunu Broıısted bazı yapar.

(c) Bikarbonat iyonu suda aşağıdaki gibi iyonlaştığındaıı bir Broıısted asitidir. HCO;(suda)

v

H+(s«da) 4- COÇ(suda)

Ayrıca, bir proton alarak karbonik asit oluşturabildiği için aynı zamanda bir Broıısted bazıdır.

HCOî (suda) 4- YÇ(suda)

H2CO3(suda)

Yorum HCO; iyonu lıeııı asit lıeııı de baz özelliği gösterdiğine göre amfoterAiı. Çift yönlü ok tepkimenin her iki yönde (tersinir) olduğunu gösterir. Benzer problemler: 4.31, 4.32.

Alıştırma Aşağıda verilen her bir türü sulu çözeltide Broıısted asiti ve Broıısted bazı olmalarına göre sınıflandırınız: (a) SO^-, (b) HI.

Asit-Baz Nötralleşmesi Animasyon Nötralleşme tepkimeleri

Nötralleşme tepkimesi, bir asit ile bir baz arasında meydana gelen bir tepkimedir. Sulu çözeltideki asit ve baz tepkimeleri genellikle tuz ve su oluşturur. Tuz, katyon (fÇ hariç ) ve anyonlardan (OH~ ve O2 hariç) oluşan iyonik bir bileşiktir

asit 4- baz ----- > tuz 4- su Örneğin, sofra tuzu olarak bilinen NaCl bıı asit baz tepkimesi ürünüdür. HCl(5wda) 4- NaOH(swdfl) ----- > NaC\(suda) 4- H2O(a) Asit-baz tepkimeleri genelde tek yönlü tep

kimelerdir

Ancak, bu asit ve bazın her ikisi de kuvvetli elektrolit olduklarından, çözeltide tama­ men iyonlaşırlar. Bu iyonik eşitlik aşağıdaki gibidir. W (suda) 4- CY~(suda) 4- Na+(5W6fcz) 4- OYT(suda) ----- > Na+(suda) 4- C\ + (suda) 4- H2O(s)

4.3 Asit-Baz Tepkimeleri

Buna göre, tepkimeyi net iyonik eşitlik şeklinde şöyle yazabiliriz,

H+(swda) + OH“(5wdh) ----- > H2O(s) Burada hem Na+ hem de Cl” iyonları gözlemci iyonlardır. Yukarıdaki tepkimeye eşit ıııol miktarları ile başlamış olsaydık, tepkime sonunda sadece tuz elde edecektik ve kalan asit ya da baz olmayacaktı. Bu asit-baz nötıalleşme tepkimelerinin tipik bıı özelliğidir. Kuvvetli bıı baz ile zayıf bir asit olan hidrojen siyanür (HCN) arasındaki tepkime aşağıdaki gibidir.

HCN(sMda) + NaOH(snda) ----- > NaCN(suda) + H2O(s)

HCN zayıf bir asit olduğundan çözeltide çok fazla iyoıılaşmaz. Dolayısı ile iyonik eşitlik, HCN(.sm£/ H2O(s)

veya

Yukarıda, heııı Ba2' hem ele Br gözlemci iyonlardır. (b) Moleküler eşitlik:

H2SO4(sM6/tf) 4- 2KOH(5«da) ----- > K2SO4(5uda) 4- 2H2O(y) İyonik eşitlik: H^(suda) 4- HSO4 (suda) + 2K+(suda) + 20H"(Wa) ----- > 2K.+ (suda) + SO42-(suda) + 2H2O(s)

Net iyonik eşitlik: H*(suda) 4-

Benzer problem: 4.33(b).

HSO;(aw^)

4- 20H’(Wa) ----- > SO$~ (suda) 4- 2H2O(5)

HSO4 111 zayıf asit olduğuna ve suda fazlaca iyonla şmadığıııa , K1 11111 sadece gözlemci iyon olduğuna dikkat ediniz.

Alıştırma Fosforik asit ve sodyum hidroksitin sulu çözeltileri arasında gerçekleşen tepkime için moleküler, iyonik ve net iyonik eşitlik yazınız.

Gaz Oluşturan Asit-Baz Tepkimeleri Karbonatlar (CO32_), bikarbonatlar (HCOj"), sülfitler (SO3_) ve sülfürler (S2-) gibi iyonları içeren bazı tuzlar asitlerle tepkimeye girdiğinde gaz ürünler oluştururlar. Örneğin, sodyum karbonat (Na2CO3) ile HC1 (suda) arasındaki tepkime için molekü­ ler eşitlik aşağıdaki gibidir. Na2CO3(sw6fcı) + 2HC1(smJ 2NaCl(.$’Mt/a) + H2CO3(5i«ia)

Oluşan karbonik asit karar sızdır ve çözeltide yeterli derişime eriştiğinde aşağıdaki tepkımeyle bozumu : H2CO3(W H2O(5) + CO2(g) Daha önce bahsettiğimiz tuzlarla ilgili benzer tepkimeler ise aşağıdadır:

NaHCO3(5«da) + HCl(sudh) ----- > NaCl(swdd) + H2O(5) + CO2(g) Na2SO3(snda) + 2HCl(sudh) ----- > 2NaCl(sMda) 4- H2O(5) + SO2(g) ¥eS(suda) + 2HCl(sudh) ----- » 2KCl(mia) + H2S(g)

4.4 İndirgenme-Yükseltgenme Tepkimeleri Animasyon Yîı kseltg e nme-indirgenme tepkimeleri

Asit-baz tepkimeleri proton aktarımına dayanırken, indirgenme-yûkseltgenme ya da redoks tepkimelerinin esasını elektron aktarımı oluşturur. Çevremizdeki tepkimelerin pek çoğu indirgenme-yûkseltgenme tepkimeleridir. Bunlar fosil yakıtlarının yanma­ sından, evlerde kullanılan ağartıcı maddelere kadar çeşitlilik gösterir. Ayrıca, pek çok

4.4 Indirgenme-Yükseltgenme Tepkimeleri

133

Şekil 4.9 Magnezyum, oksijen ile yanarak magnezyum oksit oluşturur.

metal ya da ametaller, filizlerinden yükseltgenme-indirgenme tepkimeleriyle elde edi­ lirler. Çoğu ıedoks tepkimeleri suda gerçekleşirken, hepsi suda gerçekleşmez. Konumuza iki elementin birleşmesi ile oluşan bir tepkime ile başlayacağız. Magnezyum ve oksi­ jenden magnezyum oksidin (MgO) oluşumunu göz önüne alalını (Şekil 4.9):

Animasyon Magnezyum ve oksijen tepkimesi

2M°(k) + O2(g) ----- > 2MgO(fc) Magnezyum oksit (MgO), Mg2' ve O2 den oluşan iyonik bir bileşiktir. Bu tepkimede, iki Mg atomu 4 elektronunu, O2’dekı ıkı O atomuna verir. Aşağıda gösterildiği gibi, önce iki magnezyum atomunun dört elektron kaybettiğini, sonra bir O2 molekülünün dört elektron kazandığını ve toplam işlemin bu şekilde ıkı basamaktan oluştuğunu düşünelim. 2Mg O2 + 4e~

Animasyon yükseltgenme-indirgenme ile

oluşumu.

> 2Mg2+ + 4e~ > 2O2’

Yukarıdaki tepkimenin her bir basamağı jr/rz tepkime olarak adlandırılır ve bir redoks tepkimesinde yer alan elektronları açıkça gösterir. Yarı-tepkımelerin toplamı ise net tepkimeyi verir: 2Mg + O2 + 4e~ ----- > 2Mg2+ + 2O2’ + 4e~

Yükseltgenme yarı- tepkimesinde elektron­ ların ürün olarak, indirgenme tepkimesinde ise tepken olarak yer aldığına dikkat ediniz.

Eğer tepkimenin her ıkı tarafında yer alan elektronları yok edersek. 2Mg + O2 ----- > 2Mg2+ + 2O2’

Son olarak Mg

ve O

iyonları MgO oluşturmak üzere birleşirler: 2Mg2+ + 2O2“ ----- > 2MgO

Redoks ile ilgili hafızada kalacak bir kısaltma. YKİK: Yükseltgenme kaybetmek­

tir (elektronları) ve indirgenme kazanmaktır (elektronları).

Yükseltgenme tepkimesi, elektron kaybının olduğu yarı-tepkimedir. Kimyacılar eskiden yükseltgenme devimim elementlerin oksijenle birleşmesi anlamında kullanır­ lardı. Ancak şimdi oksijen içermeyen tepkimeleri de kapsayan daha geniş bıı anlamı vardır. İndirgenme tepkimesi, elektron kazanıımnm gerçekleştiği yarı-tepkimedir.

134

Sulu Çözelti Tepkimeleri

Magnezyıuıı oksit oluşumunda magnezyum yükseltgenir. Magnezyum iki elektronunu oksijene vererek oksijeni indirgediğinden, magnezyum bu tepkimede indirgenen. Bu tepkimede oksijen indirgenirken magnezyumdan iki elektron alarak onu yiikseltgediğinden, oksijen yiıkseltgen olarak davranır. Bir ıedoks tepkimesindeki yükseltgeımıe derecesi indirgenme deıcesiııe eşit olmalıdır. Yani indirgenin kaybettiği elektron sayısı yükseltgenm aldığı elektron sayısına eşit olmalıdır. Bazı ıedoks tepkimelerinde elektron aktarımı diğerlerinden dalıa belirgindir. Bakır (II) sülfat (CııSO4) içeren çözeltiye metalik çinko eklendiğinde çinko, Cu2' yi ıkı elektron vererek indirger.

Yükseltgenler her zaman indirgenir, indir genler her za man yükse Itgenir. Bu açık­ la ma biraz karışık olsa da iki sürecin tanı mından kaynaklanmaktadır.

Zn(Âr) + CuSO4(swdh) ----- > ZnSO4(sM Zn2 + + 2e~ Cu2+ + 2e~ ----- > Cu Benzer bir biçimde metalik bakır, gümüş nitrat (AgNO3) çözeltisindeki gümüş iyonlaıuıı indirger: Cu(k) + 2AgNO3(5i SO2(g) HC1 ve SO2 iyonik bileşikler değil, moleküler bileşiklerdir. Bu bileşiklerin oluşu­ munda MgO’de olduğu gibi doğrudan elektron aktarımı olmaz. Yine de kimyacılar deneysel ölçümlerden, kısmi elektron aktarımı göstermesinden dolayı (elektron akta­ rımları HCl’de H’den Cl’a ve SO2’de S’deıı O’ya) bu tür tepkimeleri ıedoks tepki­ mesi olarak ele alırlar. Bıı ıedoks tepkimesinde elektron aktarımını izlemek için ürün ve tepkeıılerin yük­ seltgenme basamağının belirlenmesi gerekil. Bir atomun yükseltgenme basamağı, eğer elektron aktarımı tamamıyla gerçekleşmişse, moleküldeki veya iyonik bileşikteki atomun yük sayısıdır. Örneğin yukarıda verilen HC1 ve SO2 oluşumunu tekrar şöyle yazabiliriz:

o o +ı-ı H2(g) + Cl2(g) ----- > 2HCl(g) 0

0

+4—2

S(s) + O2(g)----- > SO2(g)

Yukarıda verilen tepkimelerde, elementlerin üzerindeki sayılar ytikseltgeıuue basama­ ğıdır. Her iki eşitlikte de tepkenleıdekı atomlar üzerinde yük yoktur ve bu nedenle ytikseltgeıuue basamakları sıfırdır. Ürün molekülleri için elektron aktarımının tam ola­ rak gerçekleştiği ve atomların elektron aldıkları veya verdikleri kabul edilir. Sonuç olarak ytikseltgeıuue basamağı “aktarılan” elektron sayısını verir. Ytikseltgeıuue basamakları elementlerin yükseltgeııdığiuı ya da indirgendiğim bıı bakışta anlamamızı sağlar. Yukarıdaki örnek, hidrojen ve kükürtün ytikseltgeıuue basa­ mağında bir artış olduğunu, dolayısıyla yükseltgendıklerim gösteril'. Klor ve oksijen ise indirgenmekte yani ytikseltgeıuue basamağı başlangıca göre azalmaktadır. HCl’dekı H ve Cl’ıuı ytikseltgeıuue basamakları (+1 ve -1) toplamının sıfu olduğuna dikkat edelim. Benzer şekilde, S’tiıı yükseltgenme basamağı (+4) ile ve iki oksijen atomıı-

Animasyon Cu’ırı /kjNO3 ile indirgenmesi

135

136

Sulu Çözelti Tepkimeleri

inin [2 X (-2)] yükseltgenme basamakları toplandığında, toplanı yük sıfırdır. HC1 ve SO2 ııöttir olduklarından yükler birbirine eşit olmalıdır. Yükseltgenme basamaklarını bulmak içııı aşağıdaki kuralları izlemek yararlı olur: 1.

Serbest elementlerin (bağ yapmadıkları dununda) yükseltgenme basamağı şifa­ dır. Bu yüzden H2, Br2, Na, Be. K, O2 ve P4’dekı her bir atomun ytikseltgeıune basamağı aynıdır ve sıfudır.

2.

Tek atomlu iyonlarda (monoatomık iyonlar) yükseltgenme basamağı iyonun yüküne eşittir. Bundan dolayı Li+iyonu +1. Ba21 iyonu +2, Fe’1 iyonu +3,1 iyomı 1, O2 iyonu -2 ytikseltgeıune basamağuıa sahiptir. Alkali metallerin bileşikle­ rinde ytikseltgeıune basamakları +1, toprak alkali metallerin ytikseltgeıune basa­ makları +2’dir. Alüminyumun bütün bileşiklerinde ytikseltgeıune basamakları +3 ’tür.

3.

Oksijenin pek çok bileşiğinde ytikseltgeıune basmağı -2’dır (örneğin Mgö ve H2O), ancak hidrojen peroksitte (H2O2) ve peroksit iyonunda (O2_), -l’dıı.

4.

Hidrojenin ytikseltgeıune basamağı metallerle tek başuıa oluşturduğu ikili bile­ şikler dışında +l’dıı. Metallerle oluşturduğu bileşiklerde ise -l’dır (örneğin, LiH, NaH. CaH2).

5.

Flor bütün bileşiklerinde -1 ytikseltgeıune basamağına sahiptir. Diğer halojenler (Cl, Br, ve I) bileşiklerinde lıalojentiı iyonları halinde bulunduklarında negatif ytikseltgeıune basamağına sahiptirler. Ancak, oksiasit ve oksianyonlarda olduğu gibi oksijenle oluşturdukları bileşiklerde (bak.Kesım 2.7) pozitif yükseltgenme basamağına sahiptirler.

6.

Nötür bıı molekülde atomların ytikseltgeıune basamakları toplamı sıfir olmalıdır. Birden fazla atom içeren iyonlarda (polıatomık iyonlar) elementlerin yükseltgeıuııe basamakları toplamı iyon yüküne eşit olmalıdır. Örneğin bıı amonyum iyonunda (NH4) azotun ytikseltgeıune basamağı -3, hidrojeninki + l’dıı. Bu yüz­ den ytikseltgeıune basamakları toplamı -3 + 4(+l) = + l’dır. Bu da net ıyoıı yüküne eşittir.

7.

Ytikseltgeıune basamağı tam sayı olmak zorunda değildir. Örneğin stipeı oksit (O2~) iyonundaki oksijenin ytikseltgeıune basamağı —5’dır.

Yukarıda verilen kuralları Örnek 4.5’de uygulayalım.

••

Örnek 4.5 Aşağıda verilen iyon ve bileşiklerdeki elementlerin ytikseltgeıune basamaklarmı belirle­ yiniz. (a) Li2O, (b) HNO3, (c) Cr2O^".

İzlenecek Yol Ytikseltgeıune basamaklarını belirlemek için yukarıda verilen kuralları izleriz. Alkali metallerin hepsinin yükseltgenme basamaklarının +1, çoğu bileşiklerinde hidıojenin+l ve oksijenin -2 yükseltgenme basamaklarına sahip olduğunu hatırlayınız.

Çözüm (a) Kural 2’ye göre lityumun ytikseltgeıune basamağının +1 (Li+) ve oksijenin ytikseltgeıune basamağının -2 (O3 ) olduğunu görürüz.

(b) Burada verilen formül nitrik asidin formülüdür. Nitrik asit suda iyonlaşaıak H+ ve NO) iyonlarını verir. 4. kuraldan H’nin +1 ytikseltgeıune basamağına sahip olduğunu görürüz. Buna göre diğer grup (nitrat iyonu) net olarak -1 yükseltgenme (Devamı)

4.4 İndirgenme-Yükseltgeııme Tepkimeleri

137

basamağına sahip olmalıdır. Oksijenin yükseltgeııme basamağı -2 olduğuna göre azotun yükseltgeııme basamağını x ile gösterirsek nitrat iyoııu şöyle yazılabilir:

[N^O^]’ x + 3(-2) = -1

veya

x = +5

(c) 6. kuraldan dikıomat iyonunda, Cı^O?’, yükseltgeııme basamaklarının toplamının -2 olması gerektiğini anlıyoruz. Oksijenin yükseltgeııme basamağının -2 olduğunu bildiğimize göre yapacağımız tek şey Cı’un y ile gösterdiğimiz yükseltgeııme basamağını bulmaktır. Dikıomat iyonunu şöyle yazabiliriz.

[Crp'Ö)2_)]2“ 2(y) + 7(—2) = -2

veya

y = +6

Kontrol Her örnekte, atomların yükseltgeııme basamakları toplamı türlerin üzerindeki net yüke eşit midir?

Alıştırma Verilen şu bileşik ve iyondaki elementlerin yükseltgeııme basamaklarını

Benzer problemler: 4.47, 4.49.

belirleyiniz: (a) PF3. (b) MııOf.

Şekil 4.11’de birçok elementin periyodik çizelgedeki yerleri ve elementin bilinen yükseltgeııme basamakları görülmektedir. Bıı çizelgeyi şöyle özetleyebiliriz.

•

Metal elementlerin yalnızca pozitif yükseltgeııme basamakları varken, ametal ele­ mentler heııı pozitif lıenı de negatif yükseltgeııme basamaklarına sahip olabilir­ ler.

•

İA - 7A Grubu elementlerinin en yüksek yükseltgeıuııe basamakları grup numa­ rasına eşittir. Örneğin; halojenler 7A grubundadır ve olabilecek en yüksek yükseltgenme basamağı +7’dıı.

•

Geçiş metalleri (İB, 3B-8B Grupları) genelde birden çok yükseltgeıuııe basamak­ larına sahiptirler.

Redoks Tepkimelerinin Türleri Çok bilinen yükseltgeııme ve indirgenme tepkimelerinden bazıları birleşme, bozunma, yanma ve yer değiştirme tepkimeleridir. Daha kapsamlı bir tülü ise yıııe bu bölümde anlatılacak olan yarılma(dısproporsiyon) tepkimeleridir. Birleşme Tepkimeleri

Birleşme tepkimesi, iki ya da dalıa fazla maddenin tek bir iirün oluşturmak üzere bir araya geldiği tepkimedir. Şekil 4.12 bazı bileşme tepkimelerini göstermektedir. Örneğin; o

o

+4-2

S(5) + O2(g)----- > SO2(g) o

o

+3-1

2Al(.s) + 3Br2(Z)----- > 2AlBr3(5)

Doğadaki her birleşme tepkimesi redoks tepkimesi değildir. Aynı şey ayrışma tepki meleri için de geçerlidir.

138

Sulu Çözelti Tepkimeleri 1

İA

18 8A

1

2

H

He

+1 -1

2 2A

13 3A

14 4A

15 5A

16 6A

17 7A

3

4

6

7

8

9

10

Li

Be

5 B 4-3

I

Ne

4-1

4-2

11

12

13

Na

Mg

Al

4-1

4-2

3 3B

4 4B

5 5B

6 6B

7 7B

8

23

24

25

26

27

9 10 1—-8B-—1

N

4-4 4-2 -4

4-5 +4 4-3 4-2 4-1 -3

4-2

O _1 T

-1

14

15

16

17

e

-1 -2

18

4-3

4-4 -4

4-5 4-3 -3

4-6 +4 4-2 —Z

4-7 4-6 4-5 4-4 4-3 +ı -1

cı

Ar

Si

P

s

11 İB

12 2B

28

29

30

31

32

33

34

35

36

19

20

21

22

K

Ca

Sc

Ti

+4 +3 +2

4-5 4-4 4-3 4-2

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kı

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

Rb

Sr

Y

Zr

N1)

Mo

Tc

Rıı

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sh

Te

I

Xe

4-1

4-2

+3

4-4

4-5 4-4

4-6 4-4 +3

4-7 +6 4-4

4-8 4-6 4-4 4-3

4-4 4-3 4-2

4-4 4-2

4-1

4-2

4-3

4-4 4-2

+5 4-3 -3

4-6 4-4 -2

4-7 4-5 4-1 -1

4-6 4-4 4-2

55

56

57

72

73

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

Cs

Ba

La

Hf

Ta

Re

Os

Ir

Pt

Au

Pb

Bi

Po

At

Rn

4-2

+3

4-4

4-5

4-7 +6 4-4

4-8 44

4-4 4-3

4-4 4-2

4-3 4-1

Hg

Tl

4-1

74 W +6 +4

4-3 4-1

4-4 4-2

+5 4-3

4-2

-1

4-1

4-2

4-3

4-6 4-5 +4 +3 4-2

4-7 +6 4-4 4-3 4-2

4-3 4-2

4-3 4-2

4-2

4-2 4-1

4-2

4-2 4-1

4-3

4-4 -4

4-5 4-3 -3

4-6 4-4 -2

4-5 +3 4-1 -1

4-4 +2

Şekil 4.11 Elementlerin bileşiklerindeki yükseltgenme basamakları. Yaygın olan yükseltgenme basamakları renkli gösterilmiştir.

(a)

(b)

(e)

Şekil 4.12 Bazı basit birleşme redoks tepkimeleri, (a) Kükürdün, kükürt dioksit oluşturmak üzere havada yanması, (b) Sodyumun, sodyum klorür oluşturmak üzere klorla yanması, (c) Alüminyumun, alüminyum bromür oluşturmak üzere bromla tepkimesi.

139

4.4 Indirgenme-Yükseltgenme Tepkimeleri

Şekil 4.13 (a) Crva(ll) oksitin ısıtılarak cıva ve oksijene bozunması. (b) potasyum kloratın (KCKD3) ısıtılması sonucu açığa çıkan oksijen tahta kıymıklarının yanmasını şiddetlendirir.

(b)

(a)

Bozunma Tepkimeleri Bozunma tepkimeleri birleşme tepkimelerinin tersidir. Bozunma tepkimesi, bir bile­ şiğin iki ycı da daha fazla bileşene ayrıldığı tepkimedir (Şekil 4.13). Örneğin: +2-2

0

0

Sadece yükseltgenmiş ya da indirgenmiş elementler içinyükseltgenme basamağını gösteririz.

Bütün yanma tepkimeleri redoks işlemidir.

2HgO(£)----- > 2Hg(s) + O2(g) + 5-2

-1

0

2KC1O3(T) ----- > 2KC1(A) + 3O2(g) +1-1

o

o

2NaH(&)----- > 2Na(£) + H2(g)

Yanma Tepkimeleri Yanma tepkimesi, bir maddenin oksijenle tepkimeye girerek genellikle ısı ve ışığın af/ğ 3CO2(g) + 4H2O(5)

(a)

Organik bileşiklerde C atomunun yükseltgenme basamağının bellilenmesi daha kap­ samlıdır. Burada biz sadece O atomların 0 ile -2 arasında değişen yükseltgenme basa­ maklarına odaklanacağız.

Yer değiştirme Tepkimeleri Yer değiştirme tepkimesinde, bir bileşikteki iyon ya da atom başka bir elementin iyonu ya da atomuyla yer değiştirir. Yer değiştirme tepkimelerinin çoğu şu üç alt sınıflandunıadaıı bnıııe uyar. Bunlar; hidrojen yer değiştirmesi, metal yer değiştirmesi ve halojen yer değiştirmesidir. 1. Hidrojen Yer değiştirmesi. Metal elementleri arasında tepkime yatkınlıkları en

fazla olan alkali metallerin tamamı ve bazı toprak alkali metaller (Ca, Sr ve Ba) soğuk suda hidrojenle yer değiştirme tepkimesi verirler (Şekil 4.14).

o +ı +ı +ı o 2Na(fc) + 2H2O(.s) ----- > 2NaOH(Wa) + H2(g) 0

+1

+2

+1

0

Ca(£) + 2H2O(s)----- > Ca(OH)2(A) + H2(g)

(b)

Şekil 4.14 (a) Sodyum (Na) ve (b) kalsiyumun (Ca) soğuk su ile tepkimesi. Sodyumun su ile tepkimesi kalsiyumun su ile tepkimesinden çok daha hızlıdır.

140

Sulu Çözelti Tepkimeleri

(e)

(b)

(a)

Şekil 4.15 (a) Demir (Fe), (b) çinko (Zn) ve (c) magnezyumun (Mg) ile hidroklorik asit (HCI) tepkimesinden hidrojen gazı ve metal klorürlerin (FeCI2, ZnCI2, MgCI2) oluşumu. Bu metallerin tepkimeye yatkınlıkları hidrojen gazının açığa çıkma hızı ile belirlenir. Hidrojen gazı çıkışı, tepkime yatkınlığı daha az olan Fe ile yavaş, tepkime yatkınlığı daha çok olan Mg ile hızlıdır.

Su ile tepkime vermeyen metaller de dahil olmak üzere, çok sayıda metal, asit hidrojeni ile yer değiştirir. Örneğin, çinko (Zn) ve magnezyum (Mg) soğuk su ile tep­ kime vermezken, hidroklorik asitle aşağıdaki tepkimeleri verirler. 0

+1

+2

0

Zn(fc) + 2HCl(sudd)----- > ZnCl2(swdh) + H2(g) o+ı

+2

o

Mg(it) + 2HC1(5M6/ö) ----- > MgCl2(Wa) + H2(g)

Demir (Fe), çinko (Zn) ve magnezyumun (Mg) hidroklorik asit (HCI) ile tepkimesi Şekil 4.15’de görülmektedir. Bu tepkimeler laboıatuvaıda hidrojen gazı elde etmek için kullanıla. 2. Metal Yer değiştirmesi. Bir bileşikteki metal temel haldeki diğer bir metal ile yer

değiştirebilir. Daha önce çinkonun bakır iyonları ile, bakımı ise gümüş iyonları ile yer değiştirdiğini görmüştük (bak. s. 134). Bu metallerin rolleri değiştirilirse tepkime olmaz. Yani, çıııko sülfat çözeltisi içinde bakır metali çinko iyonuyla veya bakır nit­ rat çözeltisindeki gümüş metali bakır iyonu ile yer değiştirmez. Bir metal ya da hidrojenin yer değiştirme tepkimesi verip vermeyeceğini öngör­ menin en kolay yolu Şekil 4.16’da verilen etkinlik serisini (bazen elektrokimyasal seri olarak adlandırılır) dikkate almaktır. Aslında etkinlik serisi, tartıştığımız yer değiştirme tepkimelerine benzer pek çok tepkimenin özetidir. Bu seriye göre hidrojenin üzerindeki herhangi bıı metal, su veya asidin hidrojeni ile yer değiştirecektir. Bunun tersine, hid­ rojenin altmdakı metaller ne asit ile ne de suyla tepkime vermeyeceklerdir. Aslında bu seride yer alan herhangi bu metal, kendi altındaki herhangi bir metalle (bu bileşikte bulunan) tepkimeye girecektir. Örneğin, Zn bakımı üzeıinde yer almakta ve bunun için çinko metali bakır sülfat çözeltisindeki baku iyonu ile yer değiştirebilir.

4.4 İndirgenme-Yükseltgeııme Tepkimeleri

u.

u w > >

5 -i O

S ■o s

Li —> Li+ 4- e~ K->K+ + eBa —> Ba2+ + 2e~ Ca—»Ca2+ + 2e~ Na-»Na+ + e~ Mg —> Mg2+ + 2e~ A1-»AP+ + 3eZn —> Zn2+ + 2eCr > cr3+ -ı- 3eFe —> Fe2+ + 2e~ Cd—>Cd2+ + 2e~ Co^Co2+ + 2e~ Ni—»Ni2+ 4- 2e~ Sn—>Sn2+ + 2e~ Pb->Pb2+ + 2e~ H2^2H+ 4- 2e~ Cu —> Cu2+ 4- 2e~ Ag—> Ag+ 4- eHg->Hg2+ 4- 2ePt-> Pt2+ 4- 2e~ Au —> Au3+ 4- 3e~

141

Şekil 4.16 Metallerin etkinlik Soğuk su ile H2 oluşturmak üzere tepkimeye girerler.

sırası. Metaller asit ya da sudaki hidrojen ile yer değiştirebilme etkinliklerine göre sıralanmıştır. Burada Li (lityum) en etkin, altın (Au) ise en az etkin olan metaldir.

Su buharı ile H2 oluşturmak üzere tepkimeye girerler.

Asitler ile H2 oluşturmak üzere tepkimeye girerler.

Su veya asitler ile H2 oluşturmak üzere tepkimeye giremezler.

Metal yer değiştirme tepkimeleri metalürjide cevherden saf metali aynına amacı ile kullanılır. Örneğin vanadyum. vaııadyıun(V)oksitin kalsiyum ile muamele edilmesi ile elde edilir: V2O5(Ö + 5Ca(s) ----- > 2V(s) + 5CaO(ö Benzer bıı biçimde titanyum da titanyum (IV) klorürden elde edılıı.

TİC14U) + 2Mg(s) ----- > W) + 2MgCl2(s) Her dununda indirgen olarak davranan metal, etkinlik serisinde indirgenen metalin (Ca, V’nin üzeıinde ve Mg, Ti’ 11111 üzerindendıı) üzerindedir. Bölüm 18’de bu tıp tep­ kimeler ile ilgili daha fazla örnek göreceğiz. 3. Halojen Yer değiştirmesi. Yerdeğiştimıe tepkimelerinde, halojenlerin davramşla-

rmı özetleyen bıı diğer etkinlik serisi aşağıdaki gibidir:

1A

F2 > Cl2 > Br2 > I2

Bu elementlerin yükseltgeıııe güçleri 7A Grubunda yukarıdan aşağıya gidildikçe, yani flordan iyoda doğru, azalır. Buna göre flor molekülü çözeltideki kloıiir. bıonıür ya da iyodür iyonlarıyla yer değiştirebilir. Gerçekte flor molekülünün tepkimeye girme yatkınlığı öylesine büyüktür ki, çözeltideki su ile kuvvetli bıı tepkime verdiğinden bu tepkimeler sulu çözeltilerde gerçekleştirilemez. Buna karşın, klor molekülü sulu çözel­ tide broıııür ve iyodür iyonları ile yer değiştirebilir. Halojenlerin yer değiştirme tep­ kimeleri:

Cl2(g) + 2KBr(swdh)----- > 2KCl(.sı/ 2NaCl(swda) + I2(kv)

Halojenler

8A

142

Sulu Çözelti Tepkimeleri

Iyoııik eşitlikler: o-ı

-10

Cl2(g) + 2Br(.sW 2Cl_(5i/dh) + Br2(s) o-ı

-ıo

Cl2(g) + 2I_(s«rfa)----- > 2Cl_(.sı/Ja) + I2(Ç) Brom molekülü, çözeltideki iyodür iyonu ile yer değiştirebilir: 0-1

-10

Br2(s) + 2l~(suda)----- > 2Br_(swda) + I2(&)

Yukarıdaki halojenlerin rolleri ters çevrildiğinde tepkime olmaz. Buna göre, brom molekülü kloılir iyonlarıyla, iyot molekülü de bıonıür ve kloriir iyonlarıyla yer değiş­ tiremez. Halojen yer değiştirme tepkimelerinin doğrudan endüstriyel uygulamaları vardır. Metal olmayan elementler arasında halojenler grup olarak tepkime yatkmlığı en yüksek olanlardır. Hepsi kuvvetli yükseltgendirler. Bunun sonucu olarak doğada serbest element olarak değil, metaller ile bileşmiş halde bulunurlar. Bu dört element arasında klor en önemli endüstriyel kunyasaldır. 2010 yıluıda Birleşik Devletleı ’de 11,3 milyar ton klor üretilmiş olup, en çok üretilen kimyasallar arasında onuncu şuadadır. Bromun yıllık üre­ timi klorun yüzde biri kadaıdu, flor ve iyot daha da az üretilmektedir. Halojenlerin haloj emirlerden geri kazanımı yükseltgeme ile olup aşağıdaki gibi­ dir: 2X~ ----- > X2 + 2e~ Brom dumanlı bir kırmızı sıvıdır.

Burada X halojen elementim temsil etmektedir. Deniz suyu ve tuz yatakları ile temas halinde olan yer altı suları СГ, Br ve I iyonları açısında zengindir. Floıit (CaF2), kıiyolit (Na^AlFf,) gibi mineraller flor elde edilmesinde kullanılırlar. Flor bilinen en kuvvetli ytikseltgendır ve dolayısıyla F ti kimyasal olarak F2’ye dönüştürme yolu yoktur. Detayları Bölüm 18’de tartışılacak olan bu yükseltgeme, sadece elektrolitik anlamda yapılabilir. Endüstride, klor da flor gibi bu yolla üretilir. Klor, suyu değil ancak Br ti ytikseltgeyebilecek kuvvette olduğundan, endüstri­ yel olarak brom. Br ün klor ile yükseltgenmesi ile hazırlanır: 2Br~ (suda) ----- > Br2(s) + 2e~

Şekil 4.17 Sanayide sıvı brom, Br~ iyonları içeren sulu çözeltinin klor ile yükseltgenmesiyle elde edilir.

Br iyonlarının en zengin kaynaklarından biri Ölti Deııiz’de olup. Ölü Deniz’de çözün­ müş tüm maddelerin kütlece milyonda yaklaşık 4000 birimi (400 ppııı) Bı ’dur. Br iyonlarının ytikseltgeımıesınden soıua oluşan brom, çözeltinin üzerine uygulanan hava üflenmesi ile uzaklaştııılu. Daha soıua hava -brom karışımı bromu yoğunlaştumak için, soğutulur (Şekil 4.17). iyot da deniz suyundan ve tuzlu yeraltı sularından I iyonlarının klor ile ytikseltgeıuııesiyle elde edilir. Aynı kaynakta Br ve Г iyonları her zaman bulunduğundan, her ikisi de klorla yükseltgenir. Buna karşın, Br2’un I2’den ayrılması iyodun suda az çözünmesi sebebi ile nispeten kolaydır. Hava üfleme işlemi bromun büyük bu kısmını uzaklaştıracağından iyoda etki etmeyecektir.

Yarılma (Dispropoısiyonlanma) Tepkimesi Yarılma tepkimesi verme olasılığı yüksek elementler.

Özel bıı tür ıedoks tepkimesi yarılma tepkimesidir. Yarılma tepkimesinde, bir yükseltgenme basamağında bulunan element aynı anda hem yükseltgenir hem de indir­ genir. Yarılma tepkimesinde, bu tepken her zaman en az üç yükseltgeıuııe basamağı bulunan bir element içeıebı lmelıdir. Elementin kendisi ara bıı yükseltgeımıe halinde

4.4 Indirgenme-Yükseltgenme Tepkimeleri

143

olur; böylelikle o elementin hem yiikseltgemniş hem de indirgenmiş ürünleri bulunur. Hidrojen peroksitııı bozunması yarılma tepkimesine bir örnektir: -1

-2

0

2H2O2(suda) ----- > 2H2O(s) + O2(g) Burada oksijenin (-1) yükseltgenme basamağı hem O2’de sıfıra artar, hem de H2O’da -2’ ye iner. Bir başka örnek de moleküler klor ile NaOH çözeltisi arasındaki tepki­ medir: o

H’de 4-1 yükseltgenme basamağı sayısının değişmediğine dikkat ediniz.

+ı-ı

Cl2(g) + 20H"(Wa) ----- > C10_(swtfa) + Cl“(Wa) + H2O(s) Bu tepkime, ev tıpı ağartıcıların oluşumunu anlatır. Burada lııpoklorit iyonu (C1O ) ıeııkli lekeleri ytikseltger ve onları renksiz hale getiril’. Son olarak, ıedoks tepkimeleri ile asit-baz tepkimelerinin karşılaştırılması ilginç­ tir. Asit-baz tepkimeleri proton aktarımı. ıedoks tepkimeleri ise elektron aktarımını içerdiğinden benzerdir. Buna karşın, asit baz tepkimelerinin belirlenmesi her zaman bir asit ve bıı baz içerdiğinden kolayken, ıedoks tepkimelerinin belirlenmesi için böyle kolay bir yöntem yoktur. Tek emin yol, tepken ve ürünlerdeki bütün elementlerin yük­ seltgenme basamağını kontrol etmektir. Yükseltgeıune basamaklarındaki herhangi bıı değişiklik, tepkimenin yükseltgenme-indirgenme tepkimesi olduğunu garantiler. Örnek 4.6’da, faiklı türdeki redoks tepkimelerinin smıflandnıhnası gösterilmiştir.

•• Örnek 4.6 Aşağıdaki redoks tepkimelerini sınıflandırıp, elementlerin yükseltgenme basamakların­ daki değişimleri belirtiniz.

(a) 2N2O(g) ----- > 2N2(g) 4- O2(g)

(b) 6Lİ(£) + N2(g) ----- > 2Lİ3N(£) (c) Ni(/ Pb(£) 4- Ni(NO3)2(s?/rfr/) (d) 2NO2(g) + H2O(s) ----- > HNO2(S7/^/) 4- HNO3(.s//^/)

İzlenecek Yol Birleşine tepkimesi, bozuııma tepkimesi, yer değiştirme tepkimesi ve yarılma tepkime tanımlarını yeniden gözden geçiriniz.

Çözüm (a) Bir tepken iki farlı ürüne dönüştüğünden bu bir bozuııma tepkimesidir. N’un yükseltgenme basamağı 4-1’den 0'a değişirken, O'ııiıı ki -2'den O’a değişir.

(b) İki tepken bir ürün oluştuğundan bu bir birleşme tepkimesidir. Lityumun yükseltgenme basamağı O’dan + l'e değişirken, N atoııunun O’dan ~3’e değişir. (c) Bu bir metal yer değiştirme tepkimesidir. Nikel metali Pb21 iyonu ile yer değiştirir yani onu indirger. Ni’in yükseltgenme basamağı O’dan 4- 2'ye allarken Pb’niıı 4-2’den 0'a azalır. (d) N’niıı yükseltgenme basamağı NO2’de 4-4, HNO2’de 4-3, HNO3’de ise 4-5’dir. Aynı elementin yükseltgenme basamağı lıeııı arttığı heııı de azaldığından bu bir yarılma tepkimesidir.

Alıştırma Aşağıdaki redoks tepkimelerini türlerine göre sınıflandırınız: (a) Fe 4- H2SO4 ----- > FeSO4 4- H2

(b) S + 3F2 ----- > SF6 (c) 2CuCl ----- > Cu + CuCl2 (d) 2Ag 4- PtCl2 ----- > 2AgCl 4- Pt

Benzer problemler: 4.55, 456.

Nefes Analiz Cihazı (Alkolmetre) irleşik Devletlerde her yıl içkili araç kullanımı sonucu 25000 kişi ölmekte ve 500000 kişi ele yaralanmaktadır. Her 11e kadar toplum alkollü araç kullanımının tehlikeleri ile ilgili olarak eğitilmeye çalışılsa da, alkollü araç kullanımı için ağır­ laştırılmış sert cezalar olsa da, alkollü sürücülerin Amerika karayollarından uzaklaştırılması için yasa uygulayıcıların daha ciddi önlemler almaları gerekmektedir. Polisler, sarhoş olduğundan şüphelenilen sürücüleri kont­ rol etmek için çoğunlukla nefes analiz cihazı yani alkolmetre adı verilen bir cihaz kullanırlar. Bu cihazın kimyasal temeli bir redoks tepkimesidir. Bu işlemde, sürücünün nefesi üfleme ile bir alkolmetreye alınır ve burada asidik potasyum dikroıııat çözeltisi ile etkileşime girer. Aşağıda gösterilen eşitlikte olduğu gibi, nefesteki alkol (etanol) asetik aside dönüşür:

B

3CH3CH2OH etanol

+

2K2Cr2O7

+

8H2SO4 ----- >

potasyu m di к rom at (portakal sarısı renginde)

■ sülfürik

Bir sürücünün kanındaki afkol içeriği, taşınabilir bir alkolmetre cihazı ile test

edilmektedir.

asil

ЗСН3СООН + 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 11H2O asetik asit

krom(III) sülfat (yeşil)

Şekil 4.22). Bu renk değişiminin seviyesi daha önceden kalibre edilmiş cihazdan okunarak, sürücünün kanındaki alkol oranı hızlı bir biçimde belirlenir. Kandaki yasal alkol sınırı kütlece yüzde 0,08’dir. Bundan daha fazlası sarhoşluğa neden olur.

potasyum sülfat

Bu tepkimede etanol asetik aside yükseltgeııir ve dikıomattaki turuııcu-sarı krom (VI), yeşil krom (III) iyonuna dönüşür (bak. 2MgO(A’) (b) H2(g) + F2(g) ----- > 2HF(g) (c) NH3(g) 4- HCl(g) ----- > NH4C1(Â') (d) 2Na(Â’) + S(Â') ----- > Na2S(£)

144

Yukarıdaki “Kimya İşbaşında” okuma parçasında, alkollü sürücüleri yakalamakta kolluk kuvvetlerinin redoks tepkimelerini nasıl kullandıkları aıılatıhnaktadu.

4.5 Çözelti Derişimleri

145

4.5 Çözelti Derişimleri Çözelti stokiyometrisini kullanırken, çözeltide ne kadar tepken olduğunu ve tepkimeyi sağlamak için gereken tepken miktarını nasıl sağlayacağımızı bilmemiz gerekir. Bir çözeltinin derişimi, belli miktardaki çözelti ya da çözücü içerisinde çözünen madde miktarıdır (Biz burada, çözünen maddeyi sıvı ya da katı, çözücüyü ise sıvı olarak ele alacağız). Bölüm 12’de ayrıntılı olarak göreceğimiz gibi çözelti derişimi pek çok birim ile belirtilebilir. Ancak burada, kimyada en yaygm derişim birimi olan molarite (M) ya da molar derişini dikkate alınacaktır. Molarite, I litre çözeltide çözü­ nen maddenin mol sayısıdır ve aşağıdaki eşitlik ile ifade edilir.

çözünenin nıolti çözeltinin litresi

molarite =

Eşitlik 4.1 aynı zamanda matematiksel olarak da ifade edilebilir. V’nin, litre cinsinden çözeltinin hacmi oldu­ ğunu, çözücünün litresi olmadığını unutma yınız. Ayrıca, bir çözeltinin molaritesi sıcak lığa bağlıdır.

Burada, n çözünen maddenin ıııol sayısını, V ise çözeltinin litre cinsinden hacmini belirtir. 1.46 molar glukoz (C6H|2O6) çözeltisi (1,46 M C6H|2O6 şeklinde yazılır), 1 L çözeltide 1,46 ıııol (C6H|2O6) çözünen madde içeril’. Elbette her zaman çözelti hacmi 1 L olan çözeltiler ile çalışmıyoruz. Örneğin. 0,730 ıııol C6H12O6 içeren 500 ıııL çözel­ tinin derişimi de 1,46 M’dır.

molarite

0,730 mol C6H12O6 500 mt-çözT.

X

1000 m-L-çözî.

1 Lçözl.

1,46MC6H12O6

Derişimin, tıpkı yoğunluk gibi, şiddet özelliğine sahip olduğuna ve çözeltinin mikta­ rına bağlı olmadığına dikkat edelim. Molaritenin başlangıçta çözünen madde miktarını ifade ettiğini, tuzun ayrışması veya asidin iyonlaşması gibi başlangıçtaki maddenin somadan gerçekleşen olaylarını dikkate almadığını unutmayalım. Örneğin bir KC1 örneğinin lAf çözeltisini hazırla­ mak için yeterli miktarda KC1 suda çözündüğünde neler olduğunu düşünelim: KCl(it)

K+(Wa) + C\~(suda)

KC1 kuvvetli bir elektrolit olduğundan çözelti tamamen iyonlaşır. Dolayısıyla, İA/KCI çözeltisi 1 mol K1 iyonu ve 1 mol CT iyonu içerirken, KC1 birimleri bulunmaz. İyonların derişimleri [K+] = lA/ve [C1 ] = İM olarak ifade edilir. Burada köşeli paran­ tezler [ ] molarite cinsinden ifade edilen derişimi belirtir. Benzer bir biçimde 1 A/ baryum nitrat [ Ba(NO3)2] çözeltisi, [Ba2+] = İM ve [NO3] = 2M içerirken. Ba(NO3)2 bırııııleıi bulunmaz. Ba(NO3)2(s)

Ba2+(W NaNO3(.vu AgCl(Ç)

Burada elde edilen çökelek AgCİ’dür (bak.Çizelge 4.2). Bir örnek olarak, diyelim ki NaCl’deki Cl’un kütlece ytizdesini deneysel olarak bulmak istiyoruz. Önce NaCl örne­ ğini hassas bir şekilde tartıp suda çözmeliyiz. Daha soma NaCl çözeltisine yeten kadar AgNO3 çözeltisi ekleyerek çözeltideki tüm C1 iyonlarının AgCİ olarak çökmesini sağ­ lamalıyız. Bu yöntemde NaCl sınırlayıcı bileşen, AgNO3 ise aşırı bileşendir. AgCİ

Bu yöntem, NaCl örneğinin saflığını belirle memizi sağlar.

150

Sulu Çözelti Tepkimeleri

(b)

(a)

(e)

Şekil 4.20 Gra/imetrik analizde temel basamaklar, (a) Beherde, miktarı bilinen NaCI çözeltisi.(bjölçülü silindirden AgNO3 çözeltisinin eklenmesi ile AgCİ’ün çöktürülmesi. Bu tepkimede AgNO3 aşırı, NaCI ise sınırlayıcı bileşendir, (c) önceden tartılmış, sıvı geçişine izin veren fakat çökeleğe izin vermeyen, sinterli-disk kroze ile AgCI çökeleğini içeren çözelti süzülür. Daha sonra kroze düzenekten çıkarılır ve fırında kurutulup tekrar tartılır. Bu kütle ile boş krozenin kütlesi arasındaki fark AgCI çökeleğinin kütlesini verir.

çökeleği süzme yoluyla çözeltiden ayrılır, kurutulur ve tartılır. Ölçülen AgCI kütlesin­ den, AgCI içerisindeki Cl” ün kütlece yüzdesiııı kullanarak, örnekteki C1 kütlesini hesaplayabiliriz. Başlangıçtaki NaCI örneğindeki Cl miktarı aynı olduğundan. NaCI içerisindeki Cktiıı kütlece yüzde miktarım hesaplayabilir, saflık oranını belirleyebili­ riz. Şekil 4.20 bu yöntemin nasıl uygulandığını göstennektedir. Örneğin kütlesi tam olarak ölçülebildiğinden, gıavimetrik analiz doğruluk dere­ cesi oldukça yüksek bir yöntemdir. Ancak, bu yöntem tamamlanan ya da hemen hemen %100 velimle oluşan tepkimelere uygulanabilir. Örneğin, AgCI suda bıı mik­ tar çözünür olsaydı. NaCI çözeltisinden Cl iyonlarının tamamı uzaklaştııılamaz ve sonuçta yapılan hesaplamalar hatalı sonuç verirdi. Örnek 4.10 gıavimetrik analiz ile ilgili hesaplamaları göstennektedir.

Örnek 4.10 Klorür iyonları ve bir metal iyonu içeren 0,5662 gTık bir iyonik bileşik suda çözül­ mekte ve aşırı AgNO3 ile tepkimeye sokulmaktadır. Tepkime sonucunda, 1.0882 gram AgCI çökeleği oluştuğuna göre, başlangıçtaki örnekte klorun kütlece yüzdesi nedir?

İzlenecek Yol Örnekteki CTun kütlece yüzdesini hesaplamamız isteniyor. %C1 =

Cl miktarı 0,5662 g örnek

X %100

Cl iyonlarının tek kaynağı başlangıç bileşiğidir. Bu iyonların tamamı sonuçta AgCI çökeleğine dönüşecektir. Eğer AgCTdeki CT ün kütlece yüzdesini bulursak, Cl iyonları­ nın kütlesini hesaplayabilir miyiz?

(Devamı)

4.7 Asit-Baz Titrasyonları

Çözüm C1 ve AgCl’ ün ıııol kütleleri sırası ile 35,45 g/mol ve 143,4 g/mol’dür. Buna göre AgCl’deki Cl’un kütlece yüzdesi:

35,45 e Cl %C1 =---------- ------ - X %100 143,4 g AgCl = %24,72 Daha sonra 1,0882 g AgCl’deki C1 miktarı hesaplanır. Bunun için önce % 24,72’yi 0,2472 şekline dönüştürerek yazarız ve buna göre Cl' un kütlesi = 0,2472 X 1,0882 g bulunur. = 0,2690 g Başlangıç bileşik de aynı miktarda Cl içerdiğinden, bileşikteki Cl’un kütlece yüzdesi: %C1 =

0,2690 g

0,5662 g = %47,51

X %100

Kontrol AgCl kütlesinin yaklaşık yüzde 25’ini Cl oluşturur ve kabaca lg AgCl çökeleğinin 0,25 g’ı klora karşılık gelir ki bu da orijinal örneğin kütlesinin yarısından çok az küçüktür. Dolayısı ile hesaplanan % 47,51 kloıür miktarı mantıklıdır.

Alıştırma Broınür iyonu (Br~) içeren 0.3220 gramlık bir iyonik bileşik örneği suda çözülmekte ve üzerine aşırı AgNO3 ilave edilmektedir. Oluşan AgBr çökeleğinin kütlesi 0,6964 g olduğuna göre, başlangıç bileşiğindeki Bı ’un kütlece yüzdesi nedir?

Gravimetrik analizin, bilinmeyen bileşenin kimliğini tamamen ortaya çıkarmadı­ ğına dikkat edelim. Dolayısıyla, Örnek 4.10’daki katyonun hangisi olduğunu halen bilmiyoruz. Ancak yinede CFııin kütlece yüzdesıııı bilmek bazı olasılıkların daraltıl­ masına yardımcı olur. Aynı anyonu (ya da katyonu) içeren lııçbıı bileşiğin kütlece yüzde bileşimi avın olmadığından, gravimetrik analiz sonucunda hesaplanan kütlece yüzde ile bıı seri bilinen bileşikteki kütlece yüzdeler karşılaştırıldığında, bilinmeyen oıtaya çıkartılabiliı.

Kavramların Değerlendirilmesi 6.00 g KBr içeren çözelti aşırı miktarda AgNO3 ile etkıleştııildiğinde ohışaıı AgBı’ün kütlesi nedir?

4.7 Asit-Baz Titrasyonları Asit-baz nötralleşme tepkimelerine dayanan nicel tayinler, titrasyon olarak bilmen yöntemle yapılır. Titrasyon ’da derişimi kesin olarak bilinen çözelti yani standart çözelti, derişimi bilinmeyen çözelti üzerine, tepkime tamamlanıncaya kadar yavaş yavaş ilave edilir. Eğer kullanılan standart çözelti ve bilinmeyen çözeltinin hacimleri bilmiyorsa, titıasyonda kullanılan standart çözeltinin derişimınden, bilinmeyen çözel­ timi! derişimi hesaplanabilir.

Benzer problem: 4.82.

151

152

Sulu Çözelti Tepkimeleri

Sodyıım hidroksit laboratuvaıda en çok kullanılan bazlardan birisidir. Ancak saf halde katı sodyum hidroksit temin etmek, sodyum hidroksitin havadaki suyu tutması ve çözeltisinin karbondioksit ile tepkimeye girmesi sebebi ile oldukça zordur. Bu sebeple, sodyum hidroksit çözeltisi bıı analitik çalışmada kullanılmadan önce stan­ dardize edilmelidir yanı ayarlanmalıdır. Sodyum hidroksit çözeltisini, derişimi tam olarak bilinen bıı asit çözeltisine karşı tıtıe ederek ayarlayabiliriz. Bu iş için sıklıkla seçilen asit, molekül formülü КНСхНЦО^ (ıııol kütlesi = 204,2 g) olan tek protonhı potasyum hidrojen fitalatdıı (КНР). КНР yüksek saflıkta ticari olarak bulunabilen, beyaz renkli çözünebilir bıı katıdır. КНР ile sodyum hidroksit aıasmdakı tepkime aşa­ ğıdaki gibidir.

KH CSH|O4 (suda) + NaOH(s?/rfc)----- > KNaCsH4O4 (suda) + H2O(s) Net iyonik eşitlik: КНР zayıf bir asittir.

HCsH4O;(57/ С\Н4оЛС$»с/А)+ H2O(s)

Titıasyon işlemi Şekil 4.21’de görülmektedir. Bu titrasyonda ilk olarak miktarı tam ola­ rak bilinen KHP tartılarak erleııe konur ve üzerine biraz saf su ilave edilerek çözülür. Daha soıua, bürettekı NaOH çözeltisi KHP çözeltisi üzerine eşdeğerlik noktasına ula­ şıncaya kadaı kontrollü olarak eklenir. Eşdeğerlik noktası asitiıı baz ile tamamen tep­ kimeye girdiği ya da ııötürleştiği noktadır. Eşdeğerlik noktası genellikle çözeltiye önce­ den ilave edilen bn kimyasal iııdikatörün keskin renk değişilin ile anlaşılır. Asit-baz titrasyoıılarmda kullanılan indikatörler. asidik ve bazik ortamlarda değişik renklere salıip maddelerdir. En çok kullanılan indikatörlerden biri fenolftaleindir. Bu ıııdıkatör asidik ve nötr çözeltilerde renksiz, bazik çözeltilerde ise kırmızımsı pembedir. Eşdeğerlik noktasında. Oltamdaki KHP’ın tamamı ilave edilen NaOH ile ııötralleşmiştir ve çözelti hala renksizdir. Ancak, biiretten fazladan bir damla daha NaOH çözeltisi ilave edilirse, çözelti bııdeıı pembeye dönüşür. Bunun nedeni, indikatöriin baz ortamındaki renginin pembe olmasıdır. Örnek 4.11 böyle bir titıasyonu göstermektedir. Şekil 4.21 (a) Asit-baz titrasyonu için düzenek. Büretteki NaOH çözeltisi, erten içindeki KHP çözeltisine ilave edilir, (b) Eşdeğerlik noktasına ulaşıldığında kırmızımsı-pembe renk açığa çıkar. Burada renk, görsellik için kuvvetlendirilmiştir.

(a)

(b)

4.7 Asit-Baz Titrasyoııları

153

Örnek 4.11 Bir titrasyon deneyinde, bir öğrenci 0.5468 g KHP’yi ııötralleştinnek için 23,48 ıııL NaOH çözeltisi gerektiğini bulmuştur. Buna göre NaOH çözeltisinin molaıite cinsinden derişimi nedir?

İzlenecek Yol NaOH çözeltisinin molaritesiııi bulmak istiyoruz. Molaritenin tanımı nedir? bulunmak istenen

/ NaOH molaritesi = z

mol NaOH L çözl. N verilen

hesaplamak istenen

NaOH çözeltisinin hacmi problemde veriliyor. Ancak, molaıiteyi bulmak için NaOH'iıı ınol sayısını bulmamız gerekir. Daha önce verilen KHP ve NaOH arasındaki tepkimeye göre 1 mol KHP. 1 mol NaOH’i ııötralleştirir. O halde 0,5468 g KHP kaç mol KHP etmektedir?

Çözüm Önce, titrasyonda harcanan KHP mol sayısını buluruz. KHP ıııolü = 0,5468 g-KHP X

KHP’nin KHC8H4O4 olduğunu hatırlayalım.

KHP

204,2 g-KHP = 2,678 X 10"3 mol KHP

1 ınol KHP — 1 mol NaOH ilişkisinden 23,48 nıL NaOH çözeltisinde 2,678 X 10 3mol NaOH olmalıdır. Son olarak, aşağıdaki gibi İL çözeltideki NaOH mol sayısını hesapla­ rız, Bu da bize NaOH’iıı molar derişimini verir. NaOH çözl. molaritesi

_ 2.678 X 10~3 mol NaOH * 1000 mk-çöZt. 23.48 mL çözl.

1 L çözl.

= 0,1141 ınol NaOH/1 L çözl. = 0,1141 M

Benzer problemler: 4.89, 430.

Alıştırma 0,1004 M NaOH çözeltisinin 18,64 nıL’siııi nötralleştiımek için kaç gram KHP geıekiı?

NaOH ve KHP arasındaki nötralleşme tepkimesi, asit-baz nötralleşme tepkimele­ rinin en basitlerindendir. Bıı titrasyonda KHP yerine H2SO4 gibi ıkı protonlu bıı asit kullandığımızı düşünelim. Bıı dnnımda tepkime aşağıdaki gibi ohıı. 2NaOH(Wı?) + H2SO4(s?/riri) ----- > Na2SO4(s?/riri) + 2H2O(s)

Tepkime stokıyometrisıne göre 2 mol NaOH = 1 mol H2SO4 olup, H2SO4’iıı ıkı katı NaOH gereklidir. Halbuki NaOH ile tek protonlu bıı asit olan HC1 tepkimeye gir­ seydi. tepkime eşit mol sayısında asit ve baz harcanmasıyla gerçekleşecekti. Diğer yandan, HCl’nin Ba(OH)2 çözeltisini nötralleştirmesi için, NaOH ile kıyaslandığmda aynı derişimdeki HCl’den ıkı kat gerekecektir. Bunun nedeni 1 mol Ba(OH)2 in 2 mol OH- iyonu vermesidir. 2HCl(swrfa) + Ba(OH)2(Wfl) ----- > BaCl2(W^ + 2H2O(s)

Asit-baz titrasyoııları hesaplamalarında, tepkimede yer alan asit ya da bazın ne oldu­ ğuna bakmaksızın, eşdeğerlik noktasına kadar tepkimeye giren H+ iyonu mol sayısmm, tepkimeye giren OII iyonu mol sayısına eşit olması gerektiğini unutmayınız.

H2SO4 iki tane iyo ulaşabilir protona sahiptir.

154

Sulu Çözelti Tepkimeleri

Dipıotik (iki protoıılu) bir asitiıı. NaOH ile titrasyoııuııa ait bıı uygulama Örnek 4.12’de gösterilmektedir.

Örnek 4.12 0,245 AfH2SO4 çözeltisinin 20,0 mL’sini nötralleştinııek için 0,610 Af NaOH çözeltisin­ den kaç ıııL gerekir?

İzlenecek Yol NaOH çözeltisinin hacmini hesaplamak istiyoruz. Molarite tanımından [bak. Eşitlik (4.1)], bulunmak istenen

f

. .. . mol NaOH L çozl. =---- :—:--- — molarıtesı

hesaplanmak istenen

X verilen

Yukarıda verilen ııötralleşme tepkimesinden, 1 mol H2SO4’ün 2 mol NaOH'i nötralleştirdiğini anlıyoruz. 20,0 ıııL 0,245 M H2SO4 çözeltisindeki H2SO4’ ün ıııol sayısı nedir? Kaç ıııol NaOH, bu miktardaki H2SO4' ü nötra Deştirir?

Çözüm İlk önce 20,0 ıııL çözelti içindeki H2SO4’iıı ıııol miktarını hesaplamalıyız. 0,245 mol H.SO4 H2SO4 molü = ———— --------- X 20.0 mL-eözt. 1000 mL-çözî. v = 4,90 X 10-3 mol H2SO4 Tepkime stokiyometrisinden 1 ıııol H2SO4 — 2 ıııol NaOH olduğu anlaşılmaktadır. Buna göre, tepkimeye giren NaOH’in ıııol sayısı 2 X 4.9 X 10“ ' ıııol, yani 9,80 X 10“ ' ıııol olmalıdır. Molariteııiıı tanımından [bak. Eşitlik (4.1)] aşağıdaki eşiklikleri yazabiliriz. , . . . çözünenin molü çözeltinin litresi = molarite

veya 9,80 X 10~3 mol NaOH

NaOH hacmi

0,610 mol/L çözl.

= 0,0161 Lveya 16,1 mL Benzer problem: 4.91(b), (c).

Alıştırma 0,427 AfKOH çözeltisinin 60,2 mL’siııi nötralleştinııek için 1.28 MH2SO4 çözeltisinden kaç mililitre gereklidir?

Kavramların Değerlendirilmesi Bir NaOH çözeltisi ile bıı asit çözeltisinin ilk aııdaki(başlangıçtaki) karışımı (a)’da verilmektedir, (b), (c) ve (d)’de gösterilenlerden hangisi şu asitlerden bıııııe karşılık gelir; HC1, H2SO4, H3PO4? Renk kodlaması: Mavi küreler (OH iyonları); kınııızı küreler (asit molekülleri); yeşil küreler (asitleıiıı anyonları). Bütün asit-baz nötralleşmelerinin tamamlandığını kabııl ediniz.

t

9 •

•

4* •

•

€ (a)

(b)

(e)

V

4.8 Redoks Titrasyoııları

155

Şekil 4.22 Soldan sağa: MnO4, Mn2+f Cr£)2~ ve Cr3* iyonlarını içeren çözeltiler.

4.8 Redoks Titrasyoııları Daha önce belirtildiği gibi, redoks tepkimeleri elektron aktaınnı. asit-baz tepkimeleri ise proton aktaınnı içerir. Tıpkı bir asitin bir baza karşı titre edilebilmesi gibi, beıızeı şekilde bıı yükseltgen ıeaktıf de bir indirgen ıeaktıfe karşı titre edilebıln. Örneğin yükseltgen bir reaktıfi içeren bir çözeltiyi, indirgen bıı reaktıfi içeren diğer bir çözel­ tiye ilave ederek titrasyon geıçekleştirebiliıiz. İndirgen tür. yükseltgen tür ile tama­ men yükseltgendiğinde eşdeğerlik noktasına ulaşılır. Asit-baz titrasyonlaruıda oldnğıı gibi, redoks titrasyonlaıı da genelde renk değiş­ tiren ıııdıkatörlere ihtiyaç duyarlar. Ortamda indirgen türtiıı aşırısı bulunduğunda, indikatörtiıı indirgenmiş halının karakteristik rengi gözlenil. Eğer ortamda yükseltgen türtiıı aşırısı varsa, bu kez mdıkatörtiıı yükseltgenmiş halinin rengi gözlenir. Eşdeğerlik nok­ tasında ya da yakınında ındıkatör bir halden diğerine geçerken, rengi keskin bir şekilde değişir. Böylece, ındıkatör yardımı ile eşdeğerlik noktası kolaylıkla belirlenebilir. Potasyum permanganat(KMnö4) ve potasyum dikıomat(K2Cr2Ö7). en yaygın kul­ lanılan yükseltgen maddelerdir. Şekil 4.22’de görüldüğü gibi, permanganat ve dikıoıııat anyonlarının ıeııkleıi indirgenmiş hallerinden belirgin bıı biçimde farklıdır.

Redoks indi katörlerinin sayısı asit-baz indi katörleri kadar fazla değildir.

Mno; —> Mn2+ mor

açık pembe

Cr2or ----- > Cr3+ portakal

yeşil

Dolayısıyla, yükseltgenmiş ve indirgenmiş halleri farklı renklerde olan bu tür yükseltgenler, redoks titrasyonlaruıda kendileri de indikatör olarak davranırlar, yani iç indi­ kator olarak kullanılabilirler. Redoks titrasyonlaruıda da, asit-baz ııötralizasyoıılarına benzer biçimde ıııol yön­ temine dayalı olarak hesaplama yapılır. Aralarındaki fark, redoks tepkimelerinin eşit­ liklerinin ve strokiyometıılermm daha karmaşık olmasıdır. Aşağıdaki Örnek, redoks tıtrasyonlarıııa ait bıı hesaplamayı göstermektedir.

Örnek 4.13 Asidik ortamda 25,00 ıııl FeSO4 çözeltisinin yükseltgenmesi için 16,42 nıL 0,1327 M KM11O4 çözeltisi gerekmektedir. FeSO4 çözeltisinin derişimi kaç ıııolardır? Net iyonik eşitlik: 5Fe2 + + M11OT + 8H+ ----- > Mıı2 + 4- 5Fe3+ + 4H2O

(Devamı)

KMnOj çözeltisinin bir büretten FeSCb çözeltisine eklenmesi.

Denizden Metal Eldesi agnezyum çok değerli biı hafif metaldir. Yapı malzeme­ si olarak kullanılanımın yanı sıra alaşımlar, pılleı; ve kimyasal sentezlerde kullanılır. Magnezyum yerkabuğunda bol olmasına rağmen, deniz suyundan eldesi daha ucuzdur. Magnezyum denizde en çok bulunan ikinci (sodyumdan sonra) iyondur. Bir kilogram deniz suyunda yaklaşık 1,3 g magnezyum bulunur. Deniz suyundan magnezyum elde etmek için, bu bölümde tartıştığımız üç tip tepkime kullanılır: çöktürme, asitbaz ve ıedoks tepkimeleri. Magnezyum eldesiniıı ilk aşamasında, sönmemiş kireç (kalsiyum oksit, CaO) elde etmek üzere kireç taşı (CaCO3) yük­ sek sıcaklıklarda ısıtılır:

M

CaCO3(&) ----- > CaO(£) + CO2(g) Kalsiyum oksit deniz suyu ile etkileştirildiğiııde, az çözünen kalsiyum hidroksit [Ca(OH)2] oluşur ve buda Ca2' ve OH iyon­ larına ayrışır:

CaO(A) + H2O(5) ----- > Ca2+(s«(ta) + 20FT(Wa) Fazla hidroksit iyonları, çözünürlüğü çok daha az olan magnez­ yum hidroksitin çökmesine neden olur:

Teksas, Freeport’ta faaliyet gösteren Dow Kimyasal Şirketinin çöktürme havuzlarında, deniz suyundan magnezyum hidroksitin çöktürülmesi.

iyonlarım içerir. Elektroliz adı verilen bir işlem ile hücreden elekt­ rik akımı geçirilerek, Mg2' iyonları indirgenirken C1 iyonları yükseltgeııir. Yarı tepkimeler ve toplanı tepkime aşağıdaki gibidir:

Mg2+ + 2e~ ---- > Mg 2C1" ---- > Cl2 + 2e~

Mg2+Octa) + 2OH~(suda) ----- > Mg(OH)2(fc) Katı magnezyum hidroksit süzülür ve magnezyum kloıür (MgCl2) oluşturmak üzere lıidıoklorik asit ile tepkimeye sokulur:

Toplanı tepkime: MgCl2(s) ----- > Mg(s) + Cl2(g)

Mg(OH)2(&) + 2HC\(suda) ----- > MgCl2(swtta) + 2H2O(s) Su buharlaştırıldıktan sonra, katı magnezyum kloriir çelik hücre­ lerde eritilir. Erimiş magnezyum kloriir, lıeııı Mg2’ heııı de C1

Böylece magnezyum metali üretilmiş olur. Üretilen klor gazı lıidıoklorik aside dönüştürülür ve bu işlem ile geri kazanılır.

İzlenecek Yol FeSO4 çözeltisinin d erişimini hesaplamak istiyoruz. Molariteııiıı tanımından, bulunmak istenen

FeSO4 molaritesi = / hesaplanmak istenen

mol FeSO4 L çözl.

\\ verilen (Devamı)

156

Olguların ve Kavramların Özeti

157

Soruda FeSO4 çözeltisinin hacmi verilmiştir. Molaıiteyi bulabilmek için FeSO4’m mol sayısını bulmalıyız. Fe12' ile MnO4 arasındaki stokiyoıııetrik bağıntı (net iyonik eşitlikten yararlanınız) nedir? 16,42 ıııL 0,1327 M KMııO4 çözeltisi kaç ınol KMnO4 içerir?

Çözüm 16,42 111L çözeltideki KMııO4’nı ıııol sayısı: 0,1327 ıııol KMııO4 ıııol KMnO4 =------------------- —1 X 16,42 utit 1000 mL-çöZÎ. = 2,179 X 10_3molKMııO4 Net iyonik eşitlikten 5 ıııol Fe2 seltgenen FeSO4 ıııol sayısı:

— 1 ıııol MnO4 olduğunu anlıyoruz. Dolayısı ile yük-

5molFeSO4 mol-KMnC)4 X -----1 mal-KMnO7 = 1.090 X 10-2 ıııol FeSO4

FeSOzi ıııolaritesi = 2,179 X 10

o

FeSOzi çözeltisinin litredeki ıııol sayısı olarak derişimi: ıııol FeSO4 FeSO4 ıııolaritesi = — ----- :— L çözl. 1,090 X 10“2 mol FeSO4

25,00 ıııL-eözl. = 0,4360 M

1000 mL-çözt.

1 L çözl.

Alıştırma 22,5 ıııL 0,374 M KMııO4 çözeltisini indirgemek için 0,206 Af HI Benzer problemler: 4.95, 436.

çözeltisinden kaç ıııL gerekir? 10HI 4- 2KMııO4 + 3H2SO4 ----- > 5I2 + 2MııSO4 + K2SO4 + 8H2O

Sayfa 156’daki “Kimya İşbaşında” konusunda, bu bölümde tartışılan tepkime tür­ lerim içeren endüstriyel bir süreç açıklaımıaktadıı.

Anahtar Eşitlikler Molaıite hesaplaması

, . çözünen mol sayısı molarıte =------- ——----- ;----- (4.1) çözelti litresi

Molaıite hesaplaması M = - (4.2)

jz

Çözelti seyreltilmesi

Myt = MSVS (4.3) ••

Olguların ve Kavramların Özeti 1. Eğer çözünen türler elektrolit ise. sulu çözeltiler elekt­ riği iletir. Çözünen türler elektrolit değilse, çözeltileri elektriği iletmezler. 2. Sulu ortamda gerçekleşen tepkimeler: çökme tepkime­ leri. asit-baz tepkimeleri ve yükseltgenıııe-indirgenme tepkimeleri olmak üzere üç ana gruba ayrılır.

3. İyonik bileşiklerin genel çözünürlük kurallarından, bir tepkimede çökeleğin oluşup oluşmayacağını tahmin edebiliriz. 4. Arrhenius asitleri suda H1 iyonları. Arrhenius bazları ise suda OH iyonları vererek iyonlaşır. Bronsted asit­ leri proton verirken. Bronsted bazları proton alırlar.

158

Sulu Çözelti Tepkimeleri

5. Bir asit ile bazın tepkimesi nötralleşme olarak adlandı­ rılır. 6. Redoks tepkimelerinde, yiikseltgeııme ve indirgenme da­ ima eş zamanlı olarak gerçekleşir. Yiikseltgeııme elekt­ ron kaybetme, indirgenme ise elektron kazanma işlemi­ dir. 7. Yiikseltgeııme basamağı yük dağılımını takip etmemizi sağlar. Yiikseltgeııme basamağı, bileşik ya da iyondaki tiiııı atomlar için özel kurallar uygulanarak belirlenir. Yükseltgemııe işlemi, yükseltgemııe basamağındaki ar­ tış. indirgenme ise yükseltgemııe basamağındaki azalma olarak tanımlanır. 8. Redoks tepkimelerinin çoğu, birleşme, bozuııma. yanına, yer değiştirme veya yarılma tepkimeleri olarak alt sınıflara ayrılabilir. 9. Çözelti derişimi, belirli miktardaki çözelti içerisinde çözünen madde miktarıdır. Molaıite. 1 L çözeltide çö­ zünen maddenin ıııol sayısıdır.

10. Seyrelme, çözeltiye çözücü ilavesiyle sağlanır ve çözel­ tideki çözünen maddenin toplanı ıııol sayısını değiştir­ meden çözelti derişiminiıı (molaritesiniıı) azalmasına neden olur. 11. Gravimetrik analiz, kütle ölçümü yoluyla bir bileşiğin ne oluğunu ve/veya bir çözeltinin derişimini belirleme tekniğidir. Gravimetrik tayinler genellikle çökme tepki­ melerini içerirler. 12. Asit-baz titıasyonlarında. derişimi bilinmeyen ve belir­ lenecek olan bir çözelti(asit olsun) üzerine derişimi ke­ sin olarak bilinen bir çözelti (baz olsun) kontrollü ola­ rak ilave edilir ve bilinmeyen derişim bulunur. Titıasyonda indikatör renginin değişmesi ile gözlenen tepkimenin tamamlandığı nokta, eşdeğerlik noktası ola­ rak adlandırılır. 13. Redoks titrasyoııları asit-baz titrasyoıılarına benzer. İndirgenme-yükseltgeııme tepkimelerinin tamamlan­ dığı noktaya eş değerlik noktası denir.

Anahtar Kelimeler Birleşme tepkimesi 137 Bozuııma tepkimesi 139 Broıısted asiti s. 127 Bıonsted bazı s. 127 Çökelek s. 1221 Çökme tepkimesi s. 121 Çözelti derişimi s. 145 Çözücü s. 119 Çözünen s. 119 Çözünürlük s. 122 Elektrolit olmayan s. 119 Elektrolit s. 119 Eşdeğerlik noktası, s. 152 Etkinlik serisi, s. 140

Gözlemci iyon s. 124 Gravimetrik analiz, s. 149 Hidıatlaşma s. 120 Hidronyuııı iyonu s. 128 İki protoıılu asit s. 128 İndikatör s. 152 İndirgen s. 134 İndirgenme tepkimesi s. 133 İyonik eşitlik s. 124 İyonik eşitlik, s. 124 Metatez tepkimesi s. 121 Molar derişim s. 145 Molaıite (M) s. 145 Moleküler eşitlik s. 123

Net iyonik eşitlik s. Nicel analiz s. 149 Nötralleşme tepkimesi s. 130 Redoks tepkimesi s 132 Seyrelme s. 147 Standart çözelti s. 151 Sulu çözelti s. 119 Tek protoıılu asit s. 128 Tersinir tepkime s. 121 Titıasyoıı s. 151 Tuz s. 130 Üç protoıılu asit s. 128 Yanına tepkimesi s. 139 Yarı-tepkiuıe. s. 133

F

Sorular ve Problemler Sulu Çözeltilerin Özellikleri

4.3

Hidıatlaşmayı tanımlayınız. Sili'mi hangi özelliği, moleküllerinin iyonlar ile etkileşime girebilmesine neden olur?

4.4

Kimyasal eşitlikte kullanılan----- > ve v simge­ leri arasındaki fark nedir? Su son derece zayıf bir elektrolittir ve bundan dolayı elektriği iletemez. Neden ellerimiz ıslak iken elekt­ rikli cihazları çalıştırmamamız önerilir?

Tarama Soruları 4.1

4.2

Bir katının sıvı içerisinde çözünmesi işlemini göz önüne alarak, çözünen, çözücü ve çözelti kavramla­ rını tanımlayınız. Elektrolit ve elektrolit olmayan arasındaki fark nedir? Kuvvetli ve zayıf elektrolit arasındaki fark nedir?

Yarılma tepkimesi 142 Yer değiştirme tepkimesi s. 139 Yükseltgen s. 134 Yükseltgemııe -indirgenme tepkimesi s. 132 Yükseltgemııe basaıııa€ı s. 135 Yükseltgemııe sayısı s. 135 Yükseltgemııe tepkimesi s. 133

4.5

159

Sorular ve Problemler

4.6

Sodyum sülfat (Na2SO4) kuvvetli bir elektrolittir. Na2SO4($M 2Cr3+ + 6Fe3+ + 7H2O 25.0 ıııL Fe2' içeren çözeltinin titrasyonu için 26.0 ıııL 0,0250 M K2Cr2O7 gerekiyorsa Fe21 niıı ıııolar derişimi nedir? 4.96

4.102

Havada bulunan SO2 asit yağmuru olgusunun ana sorumlusudur. SO2’iıı derişimi aşağıdaki gibi stan­ dart permanganat çözeltisine karşı titrasyon ile bu­ lunabilir: 5SO2 4- 2MnO4 4- 2H2O -----> 5SO4" 4- 2Mn2+ 4- 4H +

4.97

4.98

Titrasyon için 7.57 ıııL 0.00800 AfKMııO4 çözeltisi gerektiğine göre örnekteki SO2 miktarını gram cin­ sinden bulunuz. 0,2792 g demir cevheri (sadece Fe21 iyonları içeren) seyıeltik asit çözeltisinde çözülmüş ve bütün Fe(II) iyonları titıasyoııda yiikseltgenerek Fe(III) iyonla­ rına dönüştürülmüştür. Bu çözeltinin titrasyonunda 23,30 ıııL 0.0194 M K2Cr2O7 kullanmıştır. Cevherdeki kütlece demir yüzdesini hesaplayınız. (İpucu: Denkleştirilmiş eşitlik için bak.Problem 4.95.) Aşağıda belirtilen eşitliğe göre hidrojen peroksit çö­ zeltisinin derişimi standart potasyum permanganat çözeltisine karşı titrasyon ile kolaylıkla bulunabilir:

4.99

15 ıııL okzalik asit çözeltisinin nötralleşmesi için 25,2 ıııL 0.149 M NaOH gerekmektedir. Ayııı okza­ lik asit çözeltisinin 15 nıLTik ikinci bir örneği ile tepkimeye girecek olan 0,122 M KMııO4 çözeltisi­

1.390 g KIO3 içeren 100,0 ıııL çözelti örneği 32.5 ıııL 0.500M Na2SO3 ile tepkimeye giriyor. Tepkime gerçekleştikten sonra, iyotuıı türlerinin yükseltgeıııııe basamağı nedir? Suda az çözünen kalsiyum okzalat (CaC2O4) böbrek taşlarının ana bileşenidir. Bu sebeple kan gibi sıvı­ lardaki Ca21 iyonlarının miktarlarının belirlenme­ sinde kullanılabilir. Problem 4.99'da tepkimesi gös­ terildiği gibi, kandan izole edilen kalsiyum okzalat asitte çözülür ve KMııO4’a karşı titre edilir. Bir de­ neyde 10.0 ıııL kan örneğinden izole edilen kalsi­ yum oksalatın titrasyonu için 24.2 ıııL 9.56 X 10 4 M KMnO4 harcanmıştır. Mililitre kandaki miligram kalsiyum miktarını hesaplayınız.

4.103

Aşağıdaki tepkimeleri, bu bölümde incelenen tep­ kime türlerine göre sınıflandırınız. (a) Cl2 4- 2OH" —> C1’ 4- C1O" 4- H2O (b) Ca2+ 4- COr ----- > CaCO3 (c) NH3 4- H+ —-> nh4 (d) 2CC14 4- ClOr ----- > 2COC12 4- C1O2C12 4- 2C1" (e) Ca + F2----- > CaF2 (f) 2Lı 4- H2----- > 2L1H (g) Ba(NO3)2 4- Na2SO4----- > 2NaNO3 4- BaSO4 (h) CuO 4- H2 —■> Cu 4- H2O (i) Zn 4- 2HC1 —-> ZnCl2 4- H2 (j) 2FeCl2 4- Cl2 -—> 2FeCl3 (k) LiOH 4- HNO3 ----- > LıNO3 4- H2O

4.104

Oksijen (O2) ve karbondioksit (CO2) renksiz ve ko­ kusuz gazlardır. Bu iki gazı birbirinden ayırt etme­ mizi sağlayacak iki kimyasal test öneriniz. Aşağıdaki çözeltilerden hangisinin 25°C’de elekt­ riği en iyi ileten olmasını beklersiniz. Cevabınızı açıklayınız. (a) 0.20 MNaCl (b) O.6OMCH3COOH (c) 0.25MHC1

4.105

2MııO; 4- 16H+ 4- 5C2O2" ---- > 2Mıı2+ 4- 10CO2 4- 8H2O 4.100

nin hacmi nedir? (İpucu: Okzalik asit iki protoıılu bir asittir. Redoks eşitliği için bak. Problem 4.99.) îyodat iyonu[I03] asidik çözeltideki SO2" iyonunu yiikseltger. Yükseltgenıııe yarı tepkimesi şöyledir: SO2" 4- H2O -----> SO2" 4- 2H+ 4- 2e"

Ek Problemler

2MnO7 4- 5H2O2 4- 6H+ -----> 5O2 4- 2Mıı2+ 4- 8H2O 25.0 ıııL H2O2 çözeltinin yükseltgeıımesi için 36.44 ıııL 0,01652 M KMnO4 çözeltisi gerekiyor ise. H2O2 çözeltisinin molaritesi nedir? Okzalik asit (H2C2O4) pek çok bitki ve sebzelerde bulunur. 1.00 g H2C2O4 örneğinin eşdeğerlik nokta­ sına kadar titrasyonu için 24,00 ıııL 0,0100 M KMııO4 gerekiyorsa, bu örnekteki kütlece yüzde H2C2O4 miktarı nedir? Net iyonik eşitlik:

163

4.106

(d) 0.20 MMg(NO3)2 4.47 g magnezyum 5,00 X 10 2 ıııL 2.00 M HC1 çö­ zeltisi ile muamele ediliyor. Bütün metal tepkimeye girdikten soma asit çözeltisinin derişimiııı hesapla­ yınız. Hacmin değişmediğini kabul ediniz.

164

4.107

Sulu Çözelti Tepkimeleri

Aşağıda çeşitli iyonları içeren iki çözelti gösteril­ miştir. Çözeltilerin her birinin hacmi 200mL’dir. (a) Çözeltiler karıştırıldıktan sonra oluşacak çökeleğin kütlesi (g olarak) nedir? (b) Son çözeltideki iyonla­ rın derişiıııleri nelerdir? Her küreyi 0,100 ıııol ola­ rak değerlendiriniz. Hacimlerin toplanabilir oldu-

4.114

2,50 g çinko çubuk, AgNO3 çözeltisine yerleştirildi­ ğinde çubuğun üzerinde gümüş metali oluşmuştur. Bir süre sonra çubuk çözeltiden çıkartılıp, kurutu­ lup, tartılmıştır. Çubuğun kütlesi 3.37 g oluğuna göre, buradaki Ag ve Zn metallerinin kütlelerini he­ saplayınız.

4.115

2.27 L 0.0820 M Ba(OH)2 ile 3.06 L 0.0664 M Na2SO4 karıştırıldığında oluşan çökeleğin kütlesini hesaplayınız. 10.7 ıııL 0.211 M HNO3 çözeltisi 16.3 ıııL 0258 M NaOH çözeltisine eklendiğinde, son çözeltide kalan asidin (veya bazın) derişimini hesaplayınız. (a) Magnezyum lıidroksitiıı[Mg(OH)2], bir elde edilme yöntemini anlatınız, çözünürlüğünü bulu­ nuz. (b) Mide asidi salgısına karşı (çoğunlukla hidıoklorik asit) kullanılan magııezya sütü, çoğunlukla magnezyum hidroksitten [Mg(OH)2] oluşur. İki ka­ şık magııezya sütü (yaklaşık 10,0 ıııL) ile tepkimeye girecek olan 0.035 M HC1 (mide rahatsızlığındaki derişim) çözeltisinin hacmim hesaplayınız. [ıııagııezya sütü: 0,080 g Mg(OH)2/mL] X2' iyonu oluşturduğu bilmen 1,00 gram X metal ör­ neği 0.100 L 0.500 M H2SO4 çözeltisine atılmıştır. Bütün metal tepkimeye girdikten sonra geriye kalan asidi nötralleştimıek için 0,0334 L 0.500 Af NaOH gerektiğine göre, metalin ıııol kütlesini hesaplayınız ve hangi metal olduğunu belirleyiniz.

Ba2+

4.116 £ cr

® Xa+ SO4-

4.108

Aşağıda çeşitli iyonları içeren iki çözelti gösteril­ miştir. Çözeltilerin her birinin hacını 200 nıL’dir. (a) Çözeltiler karıştırıldıktan sonra oluşacak çökeleğin kütlesi (g olarak) nedir? (b) Son çözeltideki iyonla­ rın derişiıııleri nelerdir? Her küreyi 0,100 ıııol ola­ rak değerlendiriniz. Hacimlerin toplanabilir oldu­ ğunu kabul ediniz.

4.117

4.118

Al3+

• NOj

c*

• « ••

® K+

OH"

4.109

7,89 g çinko ile tepkimeye girecek olan 0,156 M CııSO4 çözeltisinin hacmi nedir?

4.110

Sodyum karbonat (Na2CO3) oldukça saf halde bulu­ nur ve asit çözeltilerinin standardizasyonunda kulla­ nılabilir. 28.8 ıııL HC1 çözeltisi 0,256 g NaCO3 ile tepkimeye giriyorsa, HC1 çözeltisinin derişimi ne­ dir? 3.664 g tek protoıılu asit suda çözünmüştür. B11 asi­ din nötralleşmesi için 20.27 ıııL 0,1578 M NaOH çözeltisi gerekmektedir. Asidin ıııol kütlesini hesap­ layınız. Asetik asit (CH3COOH) sirkenin önemli bir bileşe­ nidir. 50,0ıııL ticari sirke 1.00 MNaOH’ e karşı titre ediliyor. Bu titıasyon için 5.75 111L baz gerektiğine göre sirkedeki asetik asidin derişimi (Af olarak) ne­ dir? 15,00 ıııL potasyum nitrat (KNO3) çözeltisi 125.0 ıııL’ye seyreltiliyor. Daha soma bu çözeltinin 25.00 nıL’si 1.000 X 103 ıııL’ye seyreltiliyor. Son çözelti­ nin derişimi 0.003 83M olduğuna göre ilk çözeltinin derişimi nedir?

4.111

4.112

4.113

4.119

4.120

4.121

4.122

4.123

Havadaki karbon dioksit, LiOH ve Ba(OH)2 gibi metal hidroksitler kullanılarak uzaklaştırılabilir, (a) Bu tepkimelerin eşitlerini yazınız. (Karbon dioksit su ile tepkime vererek karbonik asidi oluşturur.) (b) 5.00 X 102 ıııL 0.800M LıOH ve 5.00 X 102 ıııL 0.800M Ba(OH)2 çözeltisi ile ıızaklaştırılabilecek CO2 kütlesini hesaplayınız, (c) Uzay kapsülünde ve deniz altıda kullanmak için, bu çözeltilerden hangi­ sini tercih edersiniz? Malonik asidin molekül formülü C3H4O4’diir. 0.762 g malonik asit içeren çözeltinin ııötralizasyonu için 12,44 ıııL 1.174 M NaOH gerekiyorsa, molekülde iyoıılaşabileıı kaç tane H atoııııı vardır? Çözünürlüğün nicel tamını, belirli bir sıcaklıkta bili­ nen bir hacimdeki suda çözünebildi (g olarak) mak­ simum madde miktarıdır. Bir bileşiğin çözünürlü­ ğünü bulmanızı sağlayacak olan, bir deney tarif edi­ niz. 60.0 ıııL 0.513 Af glukoz (Cf3ı2O6) ile 120,0 ıııL 2.33 Mglukoz çözeltileri karıştırılıyor. Toplanı hac­ min değişmediğini kabul ederek, son çözeltinin de­ rişimini hesaplayınız. Bir X iyonik bileşiği suda çok az çözümııektedir. Bileşiğin suda bir miktarda olsa çözündüğünü gös­ termek için hangi test uygulanmalıdır.

Sorular ve Problemler

4.124

4.125

4.126

4.127

Bir öğrenciye demir(II) sülfat mı, yoksa demir (III) sülfat mı olduğu bilinmeyen bir örnek veriliyor. Bu bileşiğin hangisi olduğunu belirlemek için kimyasal bir yöntem öneriniz. (Her iki demir bileşiği de suda çözünebilmektedir.) Size renksiz bir sıvı veriliyor. Bu sıvının su oldu­ ğunu kanıtlamak için yapabileceğiniz üç kimyasal testi tarif ediniz.

Bir öğrenci Şekil 4.1'de gösterilen düzeneği kulla­ narak. sülfürik asit çözeltisinin ampulün daha parlak yanmasına neden olduğunu bulmuştur. Buna karşın belirgin bir miktar baryum hidroksit [Ba(OH)2] ek­ lendiğinde ışığın kısıldığını gözlemlemiştir. Baryum hidroksit kuvvetli bir elektrolit olmasına karşın göz­ lemlenen bu dununu açıklayınız.

Bir metal karbonatın (MCO3) mol kütlesi, karbona­ tın tamamı ile tepkimeye girecek olan HC1 asidi ek­ lenmesinden sonra, kalan asidin NaOH çözeltisi ile “geri titrasyonu” ndaıı bulunabilir, (a) Bu tepkimeler için bir eşitlik yazınız, (b) Belirli bir deneyde. 20.00 mL 0.00800 M HC1. 0.1022 g MCO3 örneğine ek­ lenmiştir. Fazla HCl’iıı nötıalleşmesi için 5.64 ıııL 0.1000M NaOH gerekmiştir. Karbonatın mol kütle­ sini hesaplayınız ve M’yi belirleyiniz.

4.128

5,012 g demir kloriir hidrat örneği fırında kurutuluyor. Susuz bileşiğin kütlesi 3.195 g’dır. Daha soma bileşik suda çözünüyor ve fazla miktarda AgNO3 ile tepkimeye sokuluyor. Oluşan AgCİ çökeleği 7.225 g olduğuna göre başlangıçtaki bileşiğin formülü ne­ dir?

4.129

Molekül formülü bilinmeyen, çözünebilir bir madde veriliyor, (a) Bu maddenin asit olduğunu gösteren üç test öneriniz, (b) Asit olduğunu belirledikten sonra, derişimi bilinen NaOH çözeltisi kullanarak mol kütlesinin nasıl bulabileceğini açıklayınız (asit tek protoııludur). (c) Asitiıı kuvvetli ya da zayıf asit olup olmadığını nasıl anlarsınız? Karşılaştırma için Şekil 4.1’deki NaCl örneği ve düzenek verilmiştir.

4.130

Size NaCl ve sukroz(C|2H220|,) içeren iki ayrı renk­ siz çözelti veriliyor. Bu iki çözeltiyi birbirinden ayırt etmenizi sağlayacak kimyasal ve fiziksel test­ ler öneriniz.

4.131

Nitrat (N07) iyonlarını da içeren atık sudaki Pb21 derişimi. 500 ıııL atık suya sodyum sülfat (Na2SO4) eklenmesi ile belirleniyor, (a) Tepkime için nıoleküler ve net iyonik eşitlikleri yazınız.(b) Pb21 iyonları­ nın PbSO4 olarak tam çökmesi için 0.00450 g Na2SO4 gerektiğine göre Pb21 derişimi nedir?

165

4.132

Hidıoklorik asit, sülfürik asit ve nitrik asit gibi yiikseltgen bir asit değildir. Neden, kloriir iyonunun SO4_ ve N07 gibi kuvvetli bir yiikseltgen olmadı­ ğını açıklayınız.

4.133

Potasyum iyodürü (KI). (a)bir asit-baz tepkimesi ile (b) bir asit ile bir karbonat bileşiği tepkimesi ile na­ sıl elde edersiniz.

4.134

Sodyum, su ile hidrojen gazı vermek üzere tepki­ meye girer. Bu tepkime neden hidrojenin laboratııvaıda eldesi için kullanılmaz?

4.135

Aşağıdaki bileşikleri nasıl elde edebileceğinizi anla­ tınız: (a) Mg(OH)2. (b) Agl. (c) Ba3(PO4)2.

4.136

Laboıatuvar zeminine derişik H2SO4 döküldüğünde, asidi nötürleştirmek için üzerine derişik NaOH çözel­ tisi dökmek mi yoksa katı NaHCO3 püskürtmek mi uygundur? Tercihinizi kimya ilkeleriyle açıklayınız.

4.137

(a) NaNO3 ve Ba(NO3)2. (b) Mg(NO3)2 ve KNO3. (c) KBr ve KNO3, (d) K3PO4 ve KNO3. (e) Na2CO3 ve NaNO3. sulu çözeltilerindeki anyon ve katyonları nasıl ayırabileceğinizi açıklayınız: Verilen şıı maddeler evlerde yaygın olarak kullanıl­ maktadır: Sofra tuzu (NaCl), çay şekeri(sukroz), sirke (asetik asit içerir), yemek sodası (NaHCO3), çamaşır sodası (Na2CO310H2O), borik asit (H3BO3. göz yıkamada kullanılır), İngiliz tuzu (MgSO4-7H2O). sodyum hidroksit (lavabo açmada kullanılır), amonyak. ıııagnezya sütü [Mg(OH)2] ve kalsiyum karbonat. Bu bölümde öğrendiklerinizi kullanarak, yukarıda verilen bileşiklerin tanınmasını sağlayacak testler öneriniz. Siilfitler (SO2_ içeren bileşikler) kuru meyve-sebze ve şarap üretiminde koruyucu olarak kullanılır. Meyvede siilfit varlığını tespit etmek için yapılan bir deneyde, öğrenci birkaç kuru kayısıyı suya koymuş ve bir gece bekletmiştir. Ardından bütün katı tane­ cikleri uzaklaştırmak için çözeltiliyi süzmüştür. Daha sonra siilfit iyonlarını sülfata çevirmek için çö­ zeltiyi hidrojen peroksit (H2O2) ile muamele etmiş­ tir. Son olarak sülfat iyonlarını birkaç damla baryum kloriir çözeltisi (BaCl2) ile çöktümıüştiir. Her bir ba­ samak için denkleştirilmiş eşitlikleri yazınız. 0.8870 gram NaCl ve KC1 karışımı suda çözülüyor ve üzerine aşırı miktarda AgNO3 ilavesiyle 1,913 g AgCİ çökeleği elde ediliyor. Karışımdaki her bir bi­ leşiğin kütlece yüzdesiııı bulunuz.

4.138

4.139

4.140

4.141

Yükseltgeııme basamaklarını düşünerek, neden kar­ bon monoksitin (CO) yanıcı olduğunu, buna karşın karbon dioksitiıı (CO2) yanıcı olmadığını açıklayınız.

4.142

Aşağıdaki diyagramlardan hangisi, AgOH(sııda) ile HNO3 (suda) arasındaki tepkimeye karşılık gelir?

166

Sulu Çözelti Tepkimeleri

Bu tepkime içiıı denkleştirilmiş eşitlik yazınız. Yeşil kiiıeler Ag1 iyonlarını, kırınızı küreler ise NO3~ iyonlarını göstermektedir.

4.149

•4

(e)

4.143

4.144

Klor, farklı yükseltgenme basamaklarında (+1. +3. +4. +6 ve +7) bir kaç oksit oluşturur. Bu bileşikle­ rin her biri için bir formül yazınız. Okzalik asitiıı faydalı bir uygulaması, örneğin banyo giderlerindeki pasın (Fe2O3) uzaklaştırılmasıdır. Tepkime şöyledir: Fe2O3(k) + 6H2C2O4(^wda) -----> 2Fe(C2Ö4)l~ (suda) + 3H2O + 6H + (suda)

4.150

4.151

5.00 X 102ıııL 0.100 M okzalik asit çözeltisi ile kaç gram pas uzaklaştırılabilir?

4.145

4.146

4.147

4.148

Asetilsalisilik asit (C9H8O4), “aspirin” olarak bili­ nen tek protonlu bir asittir. Ancak aspirin tableti bu asitiıı küçük bir miktarını içerir. Aspirinde asetilsali­ silik asit tayini için yapılan bir deneyde, bir aspirin tableti ezilip suda çözülüyor ve asiti ııötiirleştirmek için 0.1466 M NaOH’ ten 12,25 ıııL harcanıyor. Tabletteki aspirin miktarının kaç graııiil olduğunu bulunuz, (bir gıantil = 0,0648 gram)

0.9157 g CaBr2 ve NaBr karışımı suda çözülüyor ve AgBr çökeleği oluşturmak için üzerine AgNO3 çö­ zeltisi ekleniyor. Çökeleğin kütlesi 1.6939 g ise. başlangıç karışımında kütlece yüzde kaç NaBr var­ dır? Hidrojen halojendiler (HF, HC1, HBr, HI) sanayide ve laboıatuvarlarda birçok uygulama alanı olan bile­ şiklerdir. (a) Laboıatuvarlarda. HF ve HC1. hidrojen lıalojemirleri, CaF2 ve NaCl’üıı derişik H2SO4 ile tepkimesi sonucu elde edilirler. Bu tepkimeler için uygun eşitlikler yazınız (İpııcıı: Redoks tepkimesi değildirler), (b) Neden HBr ve HI benzer tepkime­ lerle. yani NaBr ve Nal’ ün derişik H2SO4 ile tepki­ mesi sonucu elde edilemezler? (İpııcıı: H2SO4 bile­ şiği Br2 ve I2’daıı daha güçlü yiikseltgen maddedir.) (c) HBr. fosfor tribromüriin (PBr3) su ile tepkimesi sonucu elde edilir. Bu tepkime için bir eşitlik yazı­ nız. 325 mL’lik bir çözelti 25.3 gram CaCl2 içermekte­ dir. (a) Bu çözeltideki Cl~ iyonlarının ıııolar derişi­ lirim hesaplayınız, (b) Bu çözeltinin 0.100 L'sinde kaç gram C1 iyonu vardır?

Fosforik asit (H3PO4) gübrelerde, deterjanlarda ve gıda sanayide kullanılan önemli bir sanayi kimya­ salı olup, iki değişik yolla üretilir. Bunlardan elekt­ rik fırını yönteminde, elementel fosfor (P4), P4O|0 oluşturmak üzere hava ile yakılır, sonra oluşan P4O,0 su ile tepkimeye sokularak H3PO4 elde edilir. Islak yöntemde ise, fosfat kayası minerali [Ca5(PO4)3F] sülfürik asit ile tepkimeye sokularak H3PO4 elde edilir (HF ve CaSO4'da oluşur). Her iki yöntem için de eşitlikleri yazınız. Her bir basamağın çöktürme, asit-baz ya da redoks tepkimesi şeklinde sınıflandırmasını yapınız. Amonyum nitrat (NH4NO3) en önemli azot içeren gübrelerden biridir. Amonyum nitratın saflık dere­ cesi. NH4NO3 çözeltisinin ayarlı NaOH çözeltisi ile titre edilmesiyle bulunur. Yapılan bir deneyde, sana­ yide üretilen 0,2041 gramlık NH4NO3 örneğini ııötürleştimıek için 0.1023 M NaOH’ ten 24.42 ıııL kullanılmıştır. (a) Tepkime için net iyonik eşitliği yazınız. (b) Örneğin saflık yüzdesi nedir? Aşağıdaki tepkime bir redoks tepkimesi midir? Açıklayınız

3O2(g) ---- > 2O3(g) 4.152

4.153

4.154

4.155

4.156

4.157

4.158

HFO’ daki O’ irin yükseltgenme basamağı kaçtır? Şekil 4.7 ve 4.8'deki gibi molekül modelleri kulla­ narak aşağıdaki asit-baz tepkimelerini gösteriniz. (a) OH- + H3O+ ----- > 2H2O (b) NH; + NH2~ ----- > 2NH3

Her ikisin de. Bıonsted asit ve bazını belirleyiniz. Bir sürücünün 10.0 g kan örneğindeki alkol miktarı titrasyoııu için 4.23 ıııL 0.07654 M K2CrO7 gerek­ mektedir. Alkollü araç kullanımından sürücü tutuk­ lanmalı mıdır? (İpucu: bak. s. 144 "Kimya İşbaşında”.) Derişik nitrik asit durdukça yavaş yavaş sarı renge döner. Açıklayınız. (İpucu: Nitrik asit yavaşça bozııııur. Azot dioksit renkli bir gazdır.) Aşağıdaki gazların laboratııvar koşullarında lıazırlaııışıııı açıklayınız: (a) hidrojen, (b) oksijen, (c) kar­ bondioksit ve (d) azot. Her durumda tepken ve ürün­ lerin fiziksel hallerini belirtiniz. [İpucu: Azot, amon­ yum nitratın (NH4NO2) ısıtılması ile elde edilebilir.] Şekil 4.18' den yararlanarak, çözelti hacmini ayarla­ madan önce neden katının tamamen çözülmesi ge­ rektiğini açıklayınız. Aşağıdaki tepkime asit- baz tepkimesi olarak tanım­ lanabilir ıııi? Açıklayınız NH4Cl(k) ---- > NH3(g) + HCl(g)

4.159

Aşağıdakilerdeıı her birine kimya açısından açık­ lama getiriniz: (a) Kalsiyum metali sülfürik asit çö­ zeltisine atıldığında hidrojen gazı oluşur. Birkaç da-

Sorular ve Problemler

4.160

4.161

4.162

kika sonra, tepkime yavaşlar ve tepkenleıin ikisi de bitmemesine ıagmen tepkime durur. Açıklayınız, (b) Etkinlik serisinde alüminyum hidrojenin üzerinde­ dir. Ancak buna rağmen su buharı ve hidrokloıik asit ile tepkimeye girmez. Neden? (c) Sodyum ve potas­ yum etkinlik serisinde bakırın üzerindedir. Bu me­ talleri CııSO4 çözeltisine koyduğumuzda Cu21 iyon­ larının metalik bakıra neden dönüşmediğini açıkla­ yınız. (d) Bir M metali su buharı ile yavaş tepki­ meye girer. Açık yeşil renkli demir (II) çözeltisine konulduğunda ise gözle görünür bir değişim olmaz. Bu metali etkinlik serisinde nereye koymalıyız? (e) Alüminyum metali önceleri elektroliz ile elde edile­ miyordu ve AlClj’ün aktif bir metal ile indirgenme­ siyle elde ediliyordu. Bu yöntem ile alüminyum elde etmek içııı hangi metaller kullanılabilir? Çok seyıeltik çözeltilerin çok küçük kütle tarturayla ya da çok küçük hacimde stok çözeltiyle hazırlanması yerine, büyük derişimlerden bir seri seyreltmeyle ha­ zırlanması önerilir. Buna göre, KMnO4 çözeltisi ha­ zırlamak için 0.8214 gram KMnO4 suda çözülüyor ve ölçülü balonda 500 mL’ye tamamlanıyor. Bu çözelti­ den 2.000 ıııL' lik bir kısım alınarak 1000 ıııL' lik öl­ çülü balona aktarıldıktan sonra ölçü çizgisine kadar su ilave edilerek seyreltiliyor. Daha sonra bu seyıeltik çözeltiden 10.00 mL alınıp 250 nıL’lik balonda trans­ fer edilip ve ölçü çizgisine kadar su ilave edilerek seyreltiliyor, (a) Son çözeltinin derişimini (M) hesap­ layınız. (b) Son çözeltiyi doğrudan hazırlamak için gerekli KMnO4 kütlesini hesaplayınız. Bazı genel kimya laboratuvarlarmda “bakır dön­ güsü" deneyi yapılmaktadır. Deneyde bakır ile başla­ yan bir dizi tepkime, metalik bakır ile sona erer. Deney basamakları şunlardır: (1) Kütlesi bilinen bir parça bakır tel derişik nitrik asit ile tepkimeye soku­ lur [ürünler bakır(II) nitrat, azot dioksit ve sudur], (2) Bakır (II) nitrat, sodyum hidroksit ile bakır(II) hid­ roksit çökeleği vermek üzere muamele edilir. (3) Isıtmayla bakır (II) hidroksit bozunarak bakır(II) oksite dönüştürülür. (4) Bakır(II) oksit ile derişik sülfü­ rik asit, bakır (II) sülfat oluşturur. (5) Bakır(II) sülfat aşırı miktarda çinko ile tepkimeye sokularak metalik bakıra dönüştürülür. (6) Fazla çinko metali hidıokloıik asit ile uzaklaştırılıp, metalik bakır süzülür, kuru­ tulur ve tartılır, (a) Her bir basamak için eşitlikleri denkleştirerek yazınız ve tepkimeleri sınıflandırınız, (b) Öğrencinin 65.6 gram bakır ile deneye başladı­ ğını varsayarak, her basamak için kuramsal verimi hesaplayınız, (c) Her bir basamaktaki tepkimelerin kimyasal özelliklerini düşünerek, neden başlangıç­ taki bakırın tamamının değil de çoğunun geri kaza­ nılmasının mümkün olduğunu yorumlayınız. Fe21 ve Fe31 iyonlarını içeren 25.0 nıL’lik çözelti, 23.0 mL 0.0200M KMııO4 (seyıeltik sülfürik asitte) ile titre ediliyor. Sonuç olarak bütün Fe21 iyonları Fe31 iyonlarına yiikseltgeniyor. Daha soma çözelti

167

bütün Fe31 iyonlarını Fe21 iyonlarına dönüştürmek için çinko metali ile etkileştiriliyor. Son olarak, sa­ dece Fe21 iyonlarını içeren çözeltinin Fe31 iyonla­ rına yükseltgeıımesi için aynı KMııO4 çözeltisinden 40 ıııL gerekiyor. İlk çözeltideki Fe21 ve Fe3+ ün nıolar deıişimlerini hesaplayınız. Net iyonik eşitlik: MnO4" + 5Fe2+ + 8H+ ----- > Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O

4.163

(a) Soğuk su ile hidrojen yer değiştirmesi yapabile­ cek. (b) su buharı ile hidrojen yer değiştirmesi yapa­ bilecek, (c) asit ile hidrojen yer değiştirmesi yapabi­ lecek iki metalin adlarını ve yerlerini aşağıda verilen periyodik çizelgede gösteriniz.

4.164

Sayfa 156’daki “Kimya İşbaşında” okuma parçasına dayanarak aşağıdaki soruları cevaplayınız, (a) Çökme, asit-baz. ıedoks işlemlerini tanımlayınız, (b) Kalsiyum oksit yerine, magnezyum hidroksiti çöktürmek için neden basitçe deniz suyuna sodyum hidroksit eklemiyoruz? (c) Bazen magnezyum hid­ roksitin çökelmesi için kireç taşı yerine, dolomit adı verilen bir mineral (CaCO3 ve MgCO3 karışımı) kullanılır. Dolomit kullanılmasının avantajı nedir? 1.615 g Mg(NO3)2 içeren 22.02 ıııL çözelti, 1,073 g NaOH içeren 28.64 ıııL çözelti ile karıştırılıyor. Tepkime tamamlandıktan soma çözeltide kalan iyonların deıişimlerini hesaplayınız. Hacimlerin toplanabilir olduğunu kabul ediniz. Dört metale (A,B.C ve D) uygulanan testlerin so­ nuçları aşağıdaki gibidir. (a) Sadece B ve C, 0,5 M HC1 ile H2 gazı açığa çıkarmak üzere tepkime veriyor. (b) Diğer metallerin iyonlarını içeren çözeltiye B eklendiğinde metalik A.C ve D oluşuyor. (c) A. 6M HNO3 ile tepkime verirken, D tepkime vermiyor. Bu metalleri artan indirgenliklerine göre sıralayınız. Bu özelliklere uyan dört metali tanımlayınız. Bilinen bazı hücrelerde, Gramisidin A antibiyotiği Na1 iyonlarını 5.0 X 107 Na1 / s hızla transfer eder. İç hücre hacmi 2,0 X 10 10 ıııL olan bir hücrenin de­ rişimini 8.0 X 10 3 M’a çıkarmak için gerekli za­ manı saniye cinsinden hesaplayınız.

4.165

4.166

4.167

168 4.168

Sulu Çözelti Tepkimeleri

Yanda değişik iyonlar içeren iki çözelti gösterilmiş­ tir. Her iki çözeltinin de hacmi 600 ıııL'dir. (a) Çözeltiler karıştırıldıktan sonra meydana gelen tep­ kime için net iyonik eşitliği yazınız. (b)Oluşan çö­ keleklerin kütlesini ve çözeltideki iyonların deıişimiııi hesaplayınız. Her küreyi 0,0500 ıııol olarak ka­ bul ediniz.

£ cu2+ SO2_
2Na(£) + 3N2(g) Çarpışma sırasında oluşan azot gazı, aniden sürücü ve kontrol panosu arasındaki yastığı şişirir. 60.0 g NaN3’iıı bozunması ile oluşan N2 hacmini 80°C ve 823 ıımıHg'de hesap­ layınız.

İzlenecek Yol Denkleştirilmiş eşitlikte, 2 ıııol NaN3 — 3 ıııol N2 olduğu görülmektedir. Buna göre, NaN3 ve N2 arasındaki çevirme faktörü: 3 ıııol N2

2 ıııol NaN3

Haı/a yastığı sürücüyü çarpmalar­ dan koruyabilir.

NaN3’niıı ıııol kütlesinden, ıııol sayısını ve dolayısıyla üretilen N/ııiıı ıııol sayısını hesaplayabiliriz. Son olarak. N/nin hacmini ideal gaz eşitliğini kullanarak hesaplayabili­ riz.

Çözüm Önce, 60.0 gram NaN3 tarafından üretilen N2 ıııol sayısını aşağıdaki dönüşüm serisini kullanarak hesaplayalım:

gram NaN3 ----- > ıııol NaN3 ----- > ıııol N2 Buna göre:

1 ıııol-NaN^ 3 ıııol N2 ıııol N2 = 60,0 g-XaN3’ X --------------- -- X --------------65,02 g-NaNî 2 mo!44aN5 = 1,38 ıııol N2

1,38 ıııol N/nin hacmini ideal gaz eşitliği kullanarak bulalım. nRT (1,38 ıııol) (0,0821 L • atııı/K • mol)(80 + 273 K) P ~ (823/760) atııı

= 36,9 L

Benzer problem: 5.62.

Alıştırma Glukozuıı (C6Hı2O6) ıııetabolik parçalanma denklemi, havada yanına denklemi ile aynıdır:

C6H12O6(Â) + 6O2(g) ----- > 6CO2(g) + 6H2O(s) Tepkimede 5,60 g glukoz kullanıldığında 37°C ve 1,00 atııı'de üretilen CO2’in hacmini hesaplayınız.

195

5.6 Daltoır un Kısmi Basınçlar Yasası

Ç

Örnek 5.13

-

Metabolizmanın son ürünü olan karbon dioksit, sulu lityum hidroksit çözeltisi tarafından emildiği için uzay araçlarında ve deııizaltılaıda havanın temizlenmesinde kullanılır (aşa­ ğıdaki eşitlik).

2LiOH(57/rfn) + CO2(g) ----- > Li2CO3(swrfa) + H2O(s) Bir denizaltı kabininin içindeki, hacmi 2,4 X 10s L olan karbon dioksitiıı basıncı 312 K’de 7.9 X10 3 atm’dir. Kabine hacmi ihmal edilebilecek lityum hidroksit (LiOH) çözeltisi aktarılmakta ve bunun sonucunda karbon dioksitiıı (CO2) basıncı 1.2 X 10 4 atm’e düşmektedir. Bu işlem sonucunda kaç gram lityum karbonat oluşmuştur?

Denizaltı ve uzay araçlarında hava­ nın sürekli arıtılması gerekir.

İzlenecek Yol Karbon dioksitiıı (CO2) basıncındaki düşmeden tepkimeye giren karbon dioksitiıı molüııü nasıl hesaplarız? ideal gaz eşitliğinden şöyle yazabiliriz:

Sabit T ve Yde. karbon dioksitiıı (CO2) basıncındaki değişim. JP, karbon dioksitiıı ıııol sayısındaki değişime yani Jz/’ye karşılık gelir. Buna göre yukarıdaki eşitliği şöyle yaza­ biliriz: A" -x

Peki, CO2ve Li2CO3 arasındaki dönüşüm faktörü nedir?

Çözünı Karbon dioksit basıncındaki düşüş (7,9 X 10 ' atııı) -(1.2 X 10 4 atın) yani 7.8 X 10 ' atııı' d ir. Buna göre, tepkimeye giren CO2’in ıııol sayısı aşağıdaki gibi hesaplanır.

At?

= 7,8 X 10 ' atııı X

_________ 2,4 X 10s L_________

(0,0821 L • atm/K • mol)(312 K)

= 73 ıııol Kimyasal denkleme göre 1 ıııol CO2 — 1 ıııol Li2CO3 olduğundan, oluşan Li2CO3 ıııol miktarı da 73 mol’dür. Daha sonra, Li2CO3’m ıııol kütlesinden (73,89 g/ıııol) miktarı hesaplanır. 73,89 g Li2CO3 oluşan Li2CO3 kütlesi = 73 mol-Li2€107 X------- -—;-------i mol-L-ı2CO7 = 5,4 X 103gLi2CO3 Benzer problem: 5.100.

Alıştırma 2,61 atııı basınç ve 28°C sıcaklıkta 2,14 L hidrojen kloriir gazı(HCl), 668 ıııL suda lıidroklorik asit çözeltisi oluşturmak üzere tamamen çözüıımektedir. Asit çözeltisinin molaritesiııi hesaplayınız. Hacmin değişmediğini kabul ediniz.

5.6 Dalton’un Kısmi Basınçlar Yasası Buraya kadar, gaz halindeki saf maddelerin davranışları üzerinde durduk. Ancak deneysel çalışmalar genellikle gazların karışımını içerir. Örneğin, hava kirliliği çalış­ malarında. birkaç farklı gazı içeren bıı hava örneğinin basmç-hacinı-sıcaklık ilişki­ siyle ilgilenebiliriz. Bu dununda gaz karışımlımı toplam basıncı, kısmi basınçlarla, yani, karışımdaki her bir gaz bileşeninin basınçları ile ilişkilidir. 1801’de Dalton, bir

196

Gazlar Hacim ve sıcaklık sabittir.

+

Şekil 5.14 Dalton'un kısmi basınçlar yasasının şematik gösterimi.

gaz karışımına ait toplam basıncın, karışımındaki her bir gazın kısmi basınçlarının toplamına eşit olduğunu belirten Daltoıı ’mı kısmi basınçlar yasasını ortaya koymuş­ tur. Şekil 5.14, Daltoıı yasasını göstermektedir. A ve B gibi iki gaz, V hacimli bıı kapta bulunsun. A gazı tarafından uygulanan basınç, ideal gaz eşitliğine göre:

">\RT V

Burada nA, A’nııı ıııol sayısıdır. Benzer şekilde, B gazı tarafından uygulanan basuıç şöylediı:

A ve B gazlarını karıştırdığımızda, A ve B moleküllerinin kabın çeperlerine çarpma­ sından kaynaklanan toplanı basınç PT’dir. Böylece. Daltoıı yasasına göre:

= PN + PB _ "*RT + ""RT V V RT = “77 («A + »b) _ 11RT ~ V

Burada 11 = nA + nB, yani karışmadaki gazların toplanı ıııol sayısı, PA ve sırasıyla A ve B gazlarının kısmı basınçlarıdır. Gaz karışımı için Pr, gaz ıııolekülleı111111 yapı­ sına değil karışımdaki gazlanıl toplanı ıııol sayısnıa bağlıdır.

5.6 Daltoıı’uıı Kısmi Basınçlar Yasası

Genel olarak, gaz karışımlarının toplanı basıncı şöyle verilir:

A' = P\ + P2 + P3 + '' Burada P}, P2, P3, ■ ■ ■ sembolleri; 1, 2, 3, . . .bileşenlerinin kısmi basınçlarıdır. Heıbiı kısmi basıncın, toplanı basınçla nasıl bir ilişkisi olduğunu görmek için, yine A ve B gazlarından oluşan bir karışımı gözöııüııe alalını. Eğer, .PA’yı PT’ye bölersek: PA _

nkRT/V (nK + zzBWK

Py =

«A + «B

elde ederiz ve burada XA, A’11111 ıııol kesridir. Mol kesri, gaz karışımındaki herhangi bir gazın mol sayısının, karışımdaki bütün gazların mol sayılarına oranıdır ve boyut­ suzdur. Genel olarak, gaz karışımdaki bir “z” bileşeninin ıııol kesri şöyle verilir: (5.13)

Burada, ny ve n? snasıyla, z bileşeninin ve bileşenlerin toplanı ıııol sayısmı gösterir. Mol kesri daima l’den küçüktür. Şimdi, A’11111 kısmi basıncını şöyle ifade edebiliriz:

P,\ = X^Py Benzer şekilde, B’11111 kısmi basıncmı da aşağıdaki gibi yazıta: P\>, = Vy

Gaz karışımında ıııol kesirlerinin toplamının bire eşit olması gerektiğine dikkat edi­ niz. Eğer sadece iki bileşen varsa bu dunıııı şöyle ifade edilir: Aa +

Z?A «B = -4+ — = 1

«A + «B

«A + «B

Eğer bir sistem ikiden fazla gaz içeriyorsa, i’inci bileşeninin kısmi basmcı, toplanı basınca ağağıdakı eşitliğine göre bağlıdır. Pİ=XİPT

(5.14)

Kısmi basınçlar nasıl belirlenir? Manometre, sadece gaz karışımının toplanı basın­ cını ölçebilir. Kısmi basınçları elde etmek için, dikkatli bıı kimyasal analiz ile bile­ şenlerin ıııol kesirlerinin tespiti gerekir. Kısmı basınçları ölçmenin en kestirme yolu, bıı kütle spektroıııetresi kullanmakta. Kütle spektrumuııda piklerin bağıl şiddetleri, karışandaki gazlanıl miktarları ile dolayısıyla ıııol kesirleriyle doğın orantılıdır. Örnek 5.14’de gösterildiği, gibi ıııol kesirleri ve toplanı basmçdan, her bıı bile­ şenin kısmı basmçlaıım hesaplayabiliriz. Dalton’nun kısmi basınçlar yasasının doğnıdaıı bir uygulaması olan tüplü dalış, sayfa 200’de “Kimya İşbaşında” adlı okuma par­ çasında tartışılmıştır.

Gaz karışımlarında, kismi basınçların toplamı toplam basınca, mol kesirleri topla mı da 1 ’e eşit olmalıdır.

197

5.6 Daltoıı’uıı Kısmi Basınçlar Yasası

Genel olarak, gaz karışımlarının toplanı basıncı şöyle verilir:

A' = P\ + P2 + P3 + '' Burada P}, P2, P3, ■ ■ ■ sembolleri; 1, 2, 3, . . .bileşenlerinin kısmi basınçlarıdır. Heıbiı kısmi basıncın, toplanı basınçla nasıl bir ilişkisi olduğunu görmek için, yine A ve B gazlarından oluşan bir karışımı gözöııüııe alalını. Eğer, .PA’yı PT’ye bölersek: PA _

nkRT/V (nK + zzBWK

Py =

«A + «B

elde ederiz ve burada XA, A’11111 ıııol kesridir. Mol kesri, gaz karışımındaki herhangi bir gazın mol sayısının, karışımdaki bütün gazların mol sayılarına oranıdır ve boyut­ suzdur. Genel olarak, gaz karışımdaki bir “z” bileşeninin ıııol kesri şöyle verilir: (5.13)

Burada, ny ve n? snasıyla, z bileşeninin ve bileşenlerin toplanı ıııol sayısmı gösterir. Mol kesri daima l’den küçüktür. Şimdi, A’11111 kısmi basıncını şöyle ifade edebiliriz:

P,\ = X^Py Benzer şekilde, B’11111 kısmi basıncmı da aşağıdaki gibi yazıta: P\>, = Vy

Gaz karışımında ıııol kesirlerinin toplamının bire eşit olması gerektiğine dikkat edi­ niz. Eğer sadece iki bileşen varsa bu dunıııı şöyle ifade edilir: Aa +

Z?A «B = -4+ — = 1

«A + «B

«A + «B

Eğer bir sistem ikiden fazla gaz içeriyorsa, i’inci bileşeninin kısmi basmcı, toplanı basınca ağağıdakı eşitliğine göre bağlıdır. Pİ=XİPT

(5.14)

Kısmi basınçlar nasıl belirlenir? Manometre, sadece gaz karışımının toplanı basın­ cını ölçebilir. Kısmi basınçları elde etmek için, dikkatli bıı kimyasal analiz ile bile­ şenlerin ıııol kesirlerinin tespiti gerekir. Kısmı basınçları ölçmenin en kestirme yolu, bıı kütle spektroıııetresi kullanmakta. Kütle spektrumuııda piklerin bağıl şiddetleri, karışandaki gazlanıl miktarları ile dolayısıyla ıııol kesirleriyle doğın orantılıdır. Örnek 5.14’de gösterildiği, gibi ıııol kesirleri ve toplanı basmçdan, her bıı bile­ şenin kısmı basmçlaıım hesaplayabiliriz. Dalton’nun kısmi basınçlar yasasının doğnıdaıı bir uygulaması olan tüplü dalış, sayfa 200’de “Kimya İşbaşında” adlı okuma par­ çasında tartışılmıştır.

Gaz karışımlarında, kismi basınçların toplamı toplam basınca, mol kesirleri topla mı da 1 ’e eşit olmalıdır.

197

198

Gazlar

Bir gaz karışımı 4,46 ıııol ııeoıı (Ne), 0,74 ıııol argon (Ar) ve 2,15 ıııol ksenon (Xe) içermektedir. Eğer toplanı basınç 2,00 atın ise gazların belirli bir sıcaklıktaki kısmi basınçlarını hesaplayınız.

İzlenecek Yol Bir gazın kısmi basıncı ve toplam basıncı arasındaki bağıntı nedir? Bir gazın ıııol kesrini nasıl hesaplarız?

Çözüm Eşitlik (5.14)’e göre, Ne’nun kısmi basıncı (PNe) ; ıııol kesri (A$ıe) ile toplanı basıncın (PT) çarpımına eşittir.

^Ne =

bulunması gereken z T

z hesaplanması istenen

\ .. verilen

Eşitlik (5.13)’ü kullanarak, Ne’un ıııol kesrini aşağıdaki gibi hesaplarız:

^Ne »Ne + T?Ar + иХе

4,46 ıııol 4,46 ıııol + 0,74 ıııol + 2,15 ıııol = 0,607

Buradan Ne’un kısmi basıncı: -^Ne ~’ ^-Nc^T

= 0,607 X 2,00 atııı = 1,21 atııı

Benzer şekilde Ar’un kısmi basıncı:

Л\г = -^Ar^T = 0,10 X 2,00 atııı

= 0,20 atııı Son olarak Xe’un kısmi basıncı:

— -^Хе^Т = 0,293 X 2,00 atııı

= 0,586 atııı

Kontrol Kısmi basınçların toplamının, toplanı basınca eşit olduğundan eıııiıı olmak için Benzer problem: 5.67.

şu işlemi yapalım: PT = (1,21 + 0,20 + 0,586) atııı = 2.00 atııı.

Alıştırma Bir doğal gaz örneği, 8,24 ıııol ınetaıı (CH4), 0,421 ıııol etaıı (C2H6) ve 0,116 ıııol pıopaıı (СзНх) içermektedir. Gazların toplanı basıncı 1,37 atııı ise, gazların kısmi basınçları nedir?

Animasyon Su üzerinde bir gazın toplanması

Dalton’un kısmi basınçlar yasası, su üzerinde toplanan gazlanıl hacimlerini hesap­ lamak için de kullanılabilir. Örneğin, potasyum kloıat (KCIO3) ısıtıldığı zaman. KC1 ve O2’e ayrışır:

2KC1O3(£) ----- > 2KC1(Â') + 3O2(g) Su üzerinde bir gaz toplandığına, toplam basınç (gaz basıncı + su buharı basıncı), atmosfer basıncına eşittir.

Oksijen, Şekil 5.15’te gösterildiği gibi, su üzerinde toplanabilir. B11 işlem için başlan­ gıçta su ile tamamen doldunıhmış olan şişe ters çevrilir. Oksijen gazı üretildikçe, gaz kabarcıkları en liste yükselir ve şişedeki suyun yerini alır. Bu gaz toplama yöntemi,

199

5.6 Dalton’uıı Kısmi Basınçlar Yasası

Şekil 5.15 Su üzerinde gaz toplamak için kullanılan bir düzenek. Tepkimeyi hızlandıran az miktarda mangan dioksit (MnO^ varlığında, potasyum kloratm (KCKJ3) ısıtılmasıyla üretilen oksijen, su içerisinden kabarcıklar halinde geçerek şekilde gösterildiği gibi şişe içerisinde toplanır. Başlangıçta şişede bulunan su, oksijen gazı tarafından aşağıya itilir.

Oksijen gazının biriktiği şişe

Plastik küvete yerleştirilmeye hazır, su dolu şişe

Oksijen gazı ve su buharı ile dolu şişe

Çizelge 5.3 Çeşitli Sıcaklıklarda Suyun Buhar Basıncı

gazın su ile tepkimeye girmediği ve suda önemli derecede kabullerine varsayımlarına dayanır. Bu kabuller oksijen gazı için zaten geçerlidır. Ancak suda kolayca çözülebi­ len N11; gibi gazlar için geçerli değildir. Bununla birlikte, bu yöntemle toplanan oksi­ jen gazı saf değildir, çünkü şişede sıı buharı da vardır. Yanı toplam gaz basıncı, oksi­ jen gazının kısmı basıncı ile su buharı basıncının toplamma eşitttıı. A1 = P’o2 + Ai2o

Sonuçta, üretilen oksijen miktarı hesaplanırken, su buharının neden olduğu basıncı da bilmeliyiz. Bunun için. Çizelge 5.3’de çeşitli sıcaklıklarda suyun buhar basınçları verilmiştir. Bu veriler Şekil 5.16’da grafiğe geçirilmiştir. Örnek 5.15, su üzerinde toplanan gaz miktarının hesaplanması ıçııı Daltoıı kanu­ nun nasıl kullanıldığını göstermektedir.

Örnek 5.15 Potasyum kloratm bozuıııııasıyla üretilen oksijen Şekil 5.15’te gösterildiği gibi su üze­ rinde toplanmaktadır. 24°C ve 762 nınıHg atmosfer basıncında toplanan oksijenin hacmi, 128 mL’dir. Elde edilen oksijen gazının kütlesini (gram olarak) hesaplayınız. 24°C’de suyun buhar basıncı 22.4 mmHg’dır.

İzlenecek Yol Üretilen O2'nin kütlesini bulmak için, önce karışımdaki O2’nin kısmi basıncını hesaplamalıyız. Hangi gaz yasasına ihtiyacımız vardır? O2’niıı basıncını O2'nin kütlesine gram olarak nasıl dönüştürebiliriz? (Devamı)

Sıcaklık (°C)

Su Buharı Basıncı (mmHg)

0

4,58

5

6,54

10

9.21

15

12,79

20

17,54

25

23,76

30 35

31,82 42,18

40

55,32

45 50

71,88 92,51

55

118.04

60

149,38

65

187,54

70

233,7

75

289,1

80

355,1

85

433,6

90

525,76

95

633,90

100

760.00

Dalgıçlık ve Gaz Yasaları cuba dalgıçlığı lıeyacaıı verici bir spor olup, bazı gaz yasala­ beyne normal kan akışını engelleyebilir. Sonuç olarak, dalgıç yü­ rının kullanımı sayesinde bireylerin sağlık ve eğitimleri için zeye ulaşmadan önce bilincini kaybedebilir. Bir hava embolisi gerçekleştirdikleri güvenli bir faaliyettir. (“Scuba” bir kısaltma­ için yapılabilecek tek çare yeniden basınca maruz bırakmaktır. dır: “self-contained uııdeıvvater breathing apparatus” yani “ken­ Bu acı veren süreç için, kazazede basınçlı hava ile dolu bir basınç dinden donanımlı su altı nefes alma düzeneği”). Bu popüler eğ­ odasına yerleştirilir. Burada kandaki hava kabarcıkları zararsız lence sporu için gaz yasalarının iki uygulaması söyledin bir daseviyeye, saatler ve hatta günlerce süren bir süreçle yavaş yavaş lışdaıı sonra yüzeye güvenli bir şekilde geri dönülmesi için ku­ indirilmeye çalışılır. Bu istenmeyen komplikasyonları önlemek ralların geliştirilmesi ve bir dalış boyunca olası ölümcül bir du­ için, dalgıçlar çıkış esnasında belli yüksekliklerde durarak ve ya­ nunu önlemek için uygun olan gaz karışımının belirlenmesi. vaş yavaş yükselerek vücutlarındaki basınç azalınasım ayarlarlar. Tipik bir dalış 40-60 ft arasında olmalıdır, ancak 90 ftTik ikinci örnek, Daltoıı yasasının doğrudan bir uygulamasıdır. dalışlarda vardır. Deniz suyu tatlı suya göre biraz daha yüksek Oksijen gazı hayatta kalmamız için hayati öııeııı taşımaktadır. yoğunluğa sahip olduğundan (deniz suyu 1.03 g/ıııL ve tatlı su Ancak inanılması güç ama oksijenin aşııısıda zararlı olabilir. 1.00 g/ıııL), 33 ftTik bir deniz suyu sütunu tarafından uygula­ Bununla birlikte, aşırı oksijen zelıirlenmeside bilinmektedir. nan basaıııç, 1 atıııTik basınca eşdeğerdir. Basınç derinlik ar­ Örneğin oksijen çadırlarına yerleştirilen yeni doğan bebeklerde, tıkça arttığından, 66 il derinlikteki su basıncı 2 atın olur ve bu retina dokusunun zarar görmesi sık gözlenen bir olay olup, kıs­ böyle devam eder. men veya tamamen körlükler de olabilmektedir. Bir dalgıç nefes almadan oldukça hızlı bir şekilde 20 il de­ Vücut fonksiyonlarımız, nefes aldığımız havadaki oksije­ rinlikten yüzeye çıkarsa ne olur? Bu derinlikteki değişim için banin kısmi basıncının 0,20 atın olduğu koşullarda en iyi çalışır. sınçdaki toplanı düşüş (20 ft / 33 ft) X 1 atın = 0.6 atın olacaktır. Oksijenin kısmi basıncı aşağıdaki gibi verilir: Dalgıç yüzeye ulaştığında, akciğerde sıkışan hava hacmi (1 + 0.6) "o2 atın / 1 atııı = 1.6 kat artacaktır. Bu ani hava artışı akciğer zarla­ rına ölümcül hasar verebilir. Bir diğer ciddi olasılık hava emboli"o2 + sİjiİji gelişmesine neden olmasıdır. Akciğerde hava genişleyince, bu hava kılcal damar adı verilen küçük kan damarlarının içini Burada, PT toplam basınçtır. Bununla birlikte, hacim mevcut ga­ zorlar. Bu damarlar içindeki hava kabarcıklarının mevcudiyeti, zın ıııol sayısı ile doğrudan orantılı olduğundan (sabit sıcaklık

S

Çözüm Dalton’un kısmi basınçlar yasasından: P-\' - Po2 + ^II2O

Buradan,

r(°C)

Şekil 5.16 Su buharı basıncının sıcaklığın bir fonksiyonu olarak değişimi. Suyun kaynama noktasıda (100 'C), basıncın 760 mmHg yani tam 1 atm olduğuna dikkat ediniz.

/>O2 = ~ P\\2O = 762 mmHg - 22,4 mmHg = 740 mmHg İdeal gaz eşitliğinden şöyle yazabiliriz: PV = nRT = ^-RT v* V v (Devamı)

200

ve basınçta) aşağıdaki eşitliği yazabiliriz:

Buna göre, havanın hacim olarak yüzde 20’siııiıı oksijen ve yüzde 80’ninin azot olduğunu söyleyebiliriz. Bir dalgıç dalış yaptığı zaman, dalgıç üzerindeki su basıncı atmosfer basıncın­ dan daha büyüktür. Vücut boşlukları (örneğin akciğerler, sinüs­ ler) içindeki hava basıncı, vucuduıı etrafını çevreleyen suyun basıncı ile aynı olmalıdır. Aksi taktirde bu organlar çöker veya sıkışır. Dalgıç donanımındaki özel bir vana, scuba tankından te­ neffüs edilen hava basıncı ile su basıncının aynı kalmasını otaınatik olarak sağlar. Örneğin, toplam basıncın 2,0 atııı olduğu bir derinlikte, teneffüs edilen havadaki oksijen miktarı yüzde 10 oranında azaltılmalıdaki 0,20 atnıTik kısmi basınç sabit tutulabilsiıı. Yani:

Scuba Dalgıçtan.

Bu sabit basıncı sağlamak için, azot gazı okijeıı gazı ile karıştııılabilecek en ideal gaz gibi görünmesine rağmen burada ciddi bir sorun vardır. Azot gazının kısmi basıncı 1 atııı'i geç­ mesi durumunda kanda çözünüp azot koması (nitrogen narco­ sis) olarak bilinen bir duruma neden olur. Bu dunıııı. dalgıç iize-

rinde alkol sarhoşluğuna benzer benzer bir hal oluşturur. Bu du­ nuna maruz kalan dalgıçların garip hareketler yaptığı, deniz di­ binde dans edip köpek balıkları ile şakalaştığı bilinmektedir. Bu nedenle, oksijen gazını seyreltmek için helyum gazı kullanılır. Bir soy gazı olan helyum, kanda çok daha az çözünür ve azotun oluşturduğu narkotik etki gözlenmez.

Burada m ve İt sırasıyla toplanan O2’nin kütlesi ve ınol kütlesidir. Eşitliği yeniden düzenlersek:

_ PKU _ (740/760)atm(0,128 L)(32,00 g/mol) ” PT ” (0,0821 L • atın/K • mol)(273 + 24) I

ıh. Şekil 5.17(b) ctym sıcaklıkta üç farklı gazın hız dağılımlarını gösterir. Eğrilerdeki faiklılık, daha hafif moleküllerin, daha ağır moleküllere göre ortalama olarak daha hızlı hareket etmeleriyle açıklanabilir. Molektiler hız dağılımı Şekil 5.18’de gösterilen düzenek ile gösterilebilir. Belirli bıı sıcaklıktaki bir fırından yayılan atom (ya da molekül) demeti iğne deliğinden (demeti paralelleştirmek içııı) geçer. Ayııı mil üzerine monte edilmiş iki dairesel plaka bıı motor tarafından döndürülmektedir. Bilinci plaka “kesici” ikinci plaka ise dedektöıdüı. Kesici kullanmalım amacı atom demetinin (veya moleküllerin) doğrultusu ayııı hizaya gelince ince yarıktan geçmesine izin vermektir. Her püskürmede, daha hızlı hareket eden moleküller daha yavaş hareket edenlerden daha çabuk dedektöre ulaşır. Sonunda, moleküller dedektörde tabaka halinde birikil. îkı plaka ayııı hızda döndü­ ğünden dolayı, somaki püskürmedeki moleküller, dedektör plakasındaki aynı yerde

Vakum pompasına

Şekil 5.18 (a) Moleküler hız dağılımının belli bir sıcaklıkta incelenmesi için bir düzenek. Vakum pompası gösterildiği gibi, moleküllerin soldan sağa doğıu hareket etmesine neden olur, (b) Dedektörün üzerine saçılarak biriken dağılım, moleküler hız aralığını verir. Birikim yoğunluğu, farklı hızlarda hareket eden moleküllerin kesrine karşılık gelir.

Yavaş moleküller

moleküller (a)

Detektör (b)

206

Gazlar

aynı hızla gelen bıı önceki püskürmede biııkeıı moleküllere çarpar. Zamanla, ıııoleküleı birikme gözle görülür hale gelil. Biııkeıı moleküllerin yoğunluğu belirli sıcak­ lıktaki moleküler hız dağılımım gösterir.

Hız-Kareleri-Ortalamasının Karekökü Herhangi bıı T sıcaklığında, bıı molekül ortalama olarak ne kadar hızla hareket eder? Molekül hızını tahmin etmenin bir yolu, ortalama molekül hızı olarak bilinen lıızkareleri-ortalamasının karekökıınıi(uım!) hesaplamaktır. Gazların kinetik kuramından elde edilen sonuca göre, herhangi bıı gazın bir molüııüıı toplam kinetik enerjisi |/?7’ye eşit olmalıdır. Daha önce, bir tek molekülün ortalama kinetik enerjisinin ^RT olduğunu görmüştük. Buna göre: KE = }RT

= \RT Burada NK Avogadıo sayısı ve m bir tek molekülün kütlesidir. (M ıııol kütlesi) yukarıdaki eşitlik yeniden şöyle düzenlenebilir:

= „11 olduğundan

-2 3RT U ~ Her ıkı tarafın karekökü alnınsa aşağıdaki eşitlik elde edilir:

(5.16)

Eşitlik (5.16), bir gazın hız-kareleri-ortalamasının kaıekökünün, sıcaklığın (kelvin ola­ rak) karekökü ile arttığını gösterir. Paydada yeraldığı için, kütlesi büyük olan gazla­ rın molekülleri daha yavaş hareket eder. Eğer yukarıdaki eşitlikte R değeri 8,314 J/Kınol (Ek 2’ye bakınız) ve ıııol kütlesi kg/ıııol olarak yerme konursa, »mıs değeri ııı/s olarak hesaplanır. Bu işlem Örnek 5.16’da gösterilmiştir.

Örnek 5.16 Helyum atomlarının ve azot moleküllerinin 25°C’de hız-kareleri-ortalamasınm kareköküııü ııı/s olarak hesaplayınız.

İzlenecek Yol Hız-kareleri-ortalamasınm karekökünü hesaplamak için Eşitlik (5.16)’yı kullanırız. ?/mıs‘ııüıı ııı/s biriıııide ifade edilebilmesi için R ve Jl’niıı bilimleri 11e olmalıdır?

Çözüm //rnıs değerini hesaplamak için Â'ııiıı birimi 8.314 J/K nıol olmalıdır ve 1 J = 1 kg m2/s2 olduğundan ıııol kütlesi kg/ıııol olmalıdır. He’un ıııol kütlesi 4.003 g/ıııol yani 4.003 X 10‘3 kg/mol’dür. Eşitlik (5.16)’dan:

3(8.314 J/K • ıııol)(298 K) 4.003 X 10 3 kg/ıııol = V1.86 X 106 J/kg

(Devamı)

5.7 Gazların Kinetik Molekül Kuramı

207

1 J = 1 kg m2/s2 çevirme faktörünü kullanarak:

wrms =

a/1,86

X 106 kg m2/kg • s2

= V 1,86 X 106 m2/s2 = 1,36 X 10? m/s

Mol kütlesi 28,02 g/mol veya 2,802 X 10“2 kg/mol olan N2 için de aynı işlem yapıldığında, aşağıdaki hesaplamalarla sonuç bulunur.

Şekil 5.19 Tek bir gaz molekülü tarafından katedilen yol Yöndeki her değişim, diğer bir molekül ile çarpışmayı gösterir.

/3(8,314 J/K • mole)(298 K)

” V

2,802 X 10'2 kg/mol

= V2?65V 1O5 ırr/s2 =515 m/s

Kontrol He gazı daha hafif bir gaz olduğundan, ortalama olarak N2’deıı daha hızlı hareket etmesini bekleriz. Cevapları hızlı bir şekilde kontrol etmenin şöyle bir yolu var­ dır. İki ?/mıs değerlerinin birbirine oranını (1,36 X 107515 « 2,6), N2’nin mol kütlesinin He’un mol kütlesine oranının karekökiine, yani, 2,6’ya eşittir. V^8/4 ~ 2,6,

Alıştırma Klor molekülünün 20°C’da lıız-kareleri-ortalamasınm kareköküııü m/s olarak hesaplayınız.

Örnek 5.16’daki hesaplamanın, Dünya atmosferinin bileşimi ile ilginç biı ilişkisi vardır. Jüpiter’den farklı olarak. Dünya atmosferinde büyük miktarda hidrojen ve hel­ yum bulunmaz. Neden? Çünkü, Jüpiter’den daha küçük bir gezegen olan Dünya, hafif moleküller üzerinde yeterince yerçekimi kuvvetine sahip değildir. Kaba bir hesap, bıı molekülün Dünya’nın yerçekiminden kurtulmak için 1,1 X 104 m/s’ye eşit veya daha fazla bir kaçış hızına sahip olması gerektiğini gösteril’. Helyumun ortalama hızı azot ve oksijen moleküllerinden oldukça fazla olduğundan. Dünya’dan uzaya kaçan He sayısı daha fazladır. Dolayısıyla, helyumun sadece çok az bıı miktarı bizim atmosfe­ rimizde kalır. Diğer taraftan, Dünya’nın kütlesinden 320 kat daha fazla bir kütleye sahip olan Jüpıteıde, helyum atomu daha çoktur. Bundan dolayı Jüpiter atmosferi hem ağır hem de hafif gazların her ikisini de barındırır. Sayfa 208’de “Kimya İşbaşında” adlı okuma parçasuıda, oldukça düşük sıcaklık­ lardaki gazların neden olduğu büyüleyici bıı olay anlatılmaktadır.

Gaz Difüzyonu ve Efüzyonu Şimdi gaz hareketini esas alan iki olayı inceleyeceğiz.

Jüpiter. Bu büyük kütleli gezegenin atmosferi neredeyse yalnızca hidro­ jendir.

Gaz Difüzyonu Gazların gelişigüzel hareketlerinin doğrudan gösterimi difiizyon tarafından sağlanır. Difiizyon (yayılma), gaz moleküllerinin başka gaz molekülleri ile kendi kinetik özel­ likleri sayesinde yavaş yavaş karışmasına deııır. Gerçekte moleküllerin hızları çok büyük olmasına rağmen, difiizyon işleminin tamamlaıunası oldukça uzun zaman alır. Örneğin, bir şişe derişik amonyak çözeltisini laboıatuvar tezgâhının bıı ucunda açtığuıız zaman, tezgâhın diğer ucundaki kişinin kokuyu alınası biraz zaman alır. Bunun nedeni, bir molekülün (Şekil 5.19’da gösterildiği gibi) tezgâhın bir ucundan diğeıiııe çeşitli çarpışmalar yaparak ulaşmasıdır. Böylece, gazların difüzyonu her zaman yavaş meydana gelir (oysaki molekül hızlarına göre hemen olacağı izlenimini verir). Ayrıca, hafif bir gazın hız kareleri ortalamasının kaıekökü, ağır bıı gazınkiııden daha büyük

Difüzyon daima yüksek derişimli bir

bölgeden daha düşük derişimli bir bölgeye doğrudur.

Animasyon Gazların difüzyonu

Süper Soğuk Atomlar ir gaz mutlak sıfıra oldukça yakın bir sıcaklığa kaçlar soğu­ ettiler. 1998'de ise bu kez Massachusetts Teknoloji tulursa ııe olur? Yaklaşık 85 yıl önce, Albert Einstein, Hintli Enstitüsünden bilim insanları, hidrojen atomları ile BEC elde fizikçi Satyendra Nath Bose’ııin geliştirdiği çalışmadan, bazı ettiler. O süreden bu yana, genel olarak BEC özelliklerini anla­ elementlerin gaz atomlarının son derece düşük sıcaklıklarda tek mak için birçok ilerlemeler oldu ve yapılan deneylerle bu işlem bir nicelik oluşturmak üzere "birleşeceklerini” veya “yoğunla­ moleküler sitemlere doğru genişletildi. BEC çalışmalarının hala şacaklarını” ve bunun maddenin yeni bir hali olabileceğini ön­ tanı olarak anlaşılamamış bazı atom özelliklerine (bak. Bölüm gördü. Bu süper soğutulmuş madde Bose-Einstein yoğunlaş7) ve süper ilekenlik mekanizmasının aydınlatılmasına (bak. ması (ВЕС) olarak adlandırılmakta olup normal gazların, sıvıla­ Bölüm 11 “Kimya İşbaşında") ışık tutacağı tahmin edilmekte­ rın ve katiların aksine, orijinal atomlar aralarında boşluk olma­ dir. BEC çalışmalarının ilave bir faydasıda, daha iyi lazerlerin dığından ve atomlar birbiri üzerine örtüştüğüııdeıı. tek tek ba­ geliştirilmesi olabilir. Diğer uygulamalardaki gelişmeler, ğımsız atomlar içermezler. BEC'iıı daha detaylı çalışılmasına bağlıdır. Bununla birlikte, ВЕС üretmek için uluslararası bir çabaya Einstein'ııı hipo­ maddenin yeni bir halinin keşfi yirminci yüzyılın en büyük bi­ tezi esin kaynağı oldu. Ancak bilimde çoğu kez olduğu gibi, ge­ limsel gelişmelerinden biridir. rekli teknoloji o zaman mevcut değildi. Bu yüzden erken araş­ tırmalar sonuç vermedi. Einstein Tn başka bir düşüncesine daya­ nan Lazerler ВЕС araştırmaları için özel olarak tasarlaıımamıştıı; ancak bu çalışına için önemli bir araç olmuşladır. Fizikçiler sonunda 1995 yılında, uzun süre aradıkları ka­ nıtları buldular. Colorado Üniversitesinden bir grup araştırmacı, elde ettikleri başarıyı ilk kez rapor ettiler. “Lazer soğutma" ola­ rak adlandırılan bir teknik kullanarak, gaz halindeki Rubidyum (Rb) atomlarını yaklaşık 1,7 x 10 ' K'e kadar soğutup ВЕС elde ettiler. Bu işlemde lazer ışını bir atom demetine tam oltadan yönlendiriliyor ve atomların hareketlerini önemli ölçüde yavaş­ latıyordu. Rb atomları altı lazerin kesişmesinden elde edilen “optik melas” içerisinde daha da fazla soğutuluyordu. Hızlı ha­ reket eden yani gazdan daha fazla enerji ile hareket eden “daha sıcak” atomlar kaçarken en yavaş ve en soğuk atomlar manyetik bir alan içerisinde hapsedilmişlerdi. Bu koşullar altında, hapse­ dilip tuzaklanan atomların kinetik enerjileri, gazın son derece düşük sıcaklığını açıklayacak şekilde, neredeyse sıfır olmakta­ dır. Bu noktada, Rb atomları Eiııstein’ın öngördüğü gibi yoğun­ laşırlar. ВЕС çıplak göz ile görünmemesine rağmen (çapraz uzunluk: 5 x 10 ' cm), bilim insanları onun üzerine başka bir la­ zer ışını göndererek bilgisayar ekranında görüntüleyebihnişier­ dir. Uygulanan lazer ışını BEC’niıı yaklaşık 15 saniye sonra parçalanmasına neden olmaktadır. Ancak, bu süre görüntüyü kaydetmek için yeterince uzun ve yeterli bir süredir. Yandaki Şekil bu sıcaklıkta Rb atomlarının Maxwell hız dağılımını1 göstermektedir. Renkler, iki yatay eksen tarafından belirlenen hızlara sahip atomların sayısını göstermektedir. Mavi ve beyaz kısımlar, ВЕС oluşturmak için birbirine girmiş atom­ ları temsil etmektedir. Colorado Üniversitesindeki bu araştırma grubunun bulu­ şundan sadece haftalar sonra, benzer teknikler kullanarak Rice Üniversitesinden bir grup bilim insanı lityum atomları ile ВЕС

B

'Vektörel hız dağılımı, skaler hız dağılımından farklıdır. İlkinde hızın büyüklüğü

ve yönü, İkincisinde ise büyüklüğü sözkonusudur. Buna göre, vektörel hız hem pozitif hem de negatif değerler alabilir fakat skaler hız sadece sıfır veya pozitif de­ ğerlere sahiptir.

208

Yaklaşık 1,7 x 10~7 K’de Rb atomfarm Maxwell hız dağılımı. Merkezden (sı­ fır noktası) dışarıya doğru her iki eksen boyunca hız artar. Kırmızı renk en dü­

şük Rb atomlarının sayısını, beyaz renk ise en yüksek sayısını gösterir. Beyaz bölgede ortalama hız yaklaşık 0,5 mm/sdir.

209

5.7 Gazların Kinetik Molekül Kuramı

Şekil 5.20 Gaz difüzyonunun gösterimi. Sulu amonyak çözeltisi içeren bir şişeden gelen NH3 gazı ile hidroklorik asit içeren bir şişeden gelen HCI gazı, katı NH4CI meydana getirmek üzere birleşirler. NH3 daha hafif olduğundan HCI'ye göre daha hızlı yayılır ve katı NH4CI oluşumu HCI şişesinin (sağda) yakınında ilk ortaya çıkar.

olduğundan (Örnek 5.16’a bakınız), hafif gaz ağu’ bir gaza göre daha hızlı yayılacak­ tır. Şekil 5.20 gaz difuzyonuııu göstermektedir. 1832 yılında İskoç kimyacı Tlıoınas Grahaın1, rzynz sıcaklık ve basınç koşulla­ rında, gazların difiizyoıı hızlarının ıııol kütlelerinin karekökii ile ters orantılı olduğunu bulmuştur. Bu ifade, Graham’ın difiizyoıı yasası olarak bilinir ve matematiksel ola­ rak şöyle ifade edilir:

(5.17) Burada, rj ve r2, sırasıyla 1 ve 2 gazlarının difiizyoıı hızları, Jt] ve 4l2 ise ıııol küt­ leleridir.

Gaz Efüzvonu V Difiizyoıı, bil’ gazın diğer bir gaz ile yavaş yavaş karıştığı bir işlem iken, efıizyoıı (dışa yayılma, sızına), basınç altındaki bir gazın, kabın bir bölmesinden diğer bölme­ sine kiiçiik bir delikten geçerek yayıldığı bir işlemdir. Şekil 5.21 bir gazın vakuma efiizyoııunu göstermektedir. Efiizyoııun doğası difiizyondan farklı olduğu halde, bıı gazın efıizyoıı hızı, Graham’ın difiizyoıı yasası ile yani aynı eşitlikle verilir [Eşitlik (5.17) ye bakınız]. Helyumla doldurulmuş bir balon, hava ile doldurulmuş balondan daha hızlı bir şekilde söner, çünkü daha hafif olan helyum atomlarının kauçuğun göze­ neklerinden efıizyoıı hızı, hava moleküllermınkıııden daha hızlıdır. Gaz efiizyonu endüstriyel olarak, gaz halindeki 2,5UF6 ve 238UF6 uranyum izotoplarını ayırmak için kullanılır. Bilim adamları, bu gazları çok sayıda efiizyon basamaklarına tabi tutarak, oldukça zenginleştirilmiş 235U izotopu elde etmişlerdir. Bu izotop İkinci Dünya Savaşı sırasında atom bombası yapımında kullanılmıştır. Örnek 5.17 Grahaın yasasının bir uygulamasını göstermektedir.

Gaz

Vakum

Örnek 5.17 Sadece karbon ve hidrojenden oluşan yanıcı bir gazın gözenekli bir engelden 1,50 daki­ kada yayıldığı bulunmuştur. Aynı sıcaklık ve basınç koşullarında, aynı hacimli brom buharı bu engelden 4,73 dakikada yayılmıştır. Bilinmeyen gazın ıııol kütlesini hesaplayı­ nız, bu gazın 11e olabileceğini talimin ediniz. (Devamı) ' tlıoınas Grahaın (1805-1869) İskoçya’lı kimyacıdır. Gıalıaın osınoz üzerine önemli çalışmalar yapmış ve bir kısım fosforik asitleri karakterize etmiştir.

Şekil 5.21 Gaz efüzyonu. Gaz molekülleri, yüksek-basınçlı bölgeden (sol) düşük-basınçlı bölgeye bir iğne deliğinden hareket ederler.

210

Gazlar

İzlenecek Yol Efüzyon hızı, verilen sürede gözenekli bir delikten geçen moleküllerin sayısıdır. Efüzyon için geçen süre 11e kadar uzun ise efüzyon hızı o kadar yavaştır. Eşitlik (5.17) şimdi şu şekide yazılabilir: = Z2/0 = A/vtt2/^l| olup burada, t\ ve r2 sırasıyla 1 ve 2 gazlarının efüzyon süreleridir.

Çözüm Brenin ıııol kütlesinden şöyle yazabiliriz: 1,50111in _

4,73nıin

/

di

\ 159,8 g/mol

Burada Jt, bilinmeyen gazın ıııol kütlesidir. Yukarıdaki eşitlik 1,50 ıııiıı 4,73 ıııiıı

için çözülürse:

X 159.8 g/ıııol

= 16,1 g/ıııol Karbonun ıııol kütlesi 12,01 g ve hidrojenin ıııol kütlesi 1,008 g olduğuna göre, ıııol kütlesi bilinmeyen gaz metandır (CH,4).

Alıştırma Bilinmeyen bir gazın gözenekli bir duvardan efüzyon süresi 192 saniyedir. Aynı sıcaklık ve basınçta, aynı hacimde N2 gazı için bu süre 84 saniyedir. Bilinmeyen gazın ıııol kütlesi nedir?

Kavramların Değerlendirilmesi Birer ıııol He ve Cl2 gazlarının STP’de; (a) Hız karelerinin ortalamasının kareköküııü, (b) efüzyon hızını, (c) ortalama kinetik enerjisini, (d) hacimlerini karşılaştırınız.

5.8 İdeal Davranıştan Sapma Gaz yasaları ve kinetik molekül kuramı, gaz halindeki moleküllerin birbirine çekme ve itme kuvveti uygulamadığını varsaymaktadır. Diğer varsayım ise, moleküllerin hacimlerinin kabın hacını ile karşılaştırıldığında ihmal edilebilecek kadar küçük olma­ sıdır. Bu ıkı koşulu sağlayan bir gazın ideal davrandığı söylenebilir. Gerçek gazlarında ideal bıı gaz gibi davrandığını varsayabilmemize karşın, her koşul altında böyle olmasmı bekleyemeyiz. Örneğin, ideal gazda yok farzedileıı ıııoleküllerarası kuvvetler gerçekten olmasaydı, gazlar sıkıştırılarak sıvılaştırılamazdı. O halde önemli olan soru şudur: Gazlar hangi koşullarda ıdeallıkteıı saparlar? Şekil 5.22’de, belirli bir sıcaklıkta ideal gaz ve üç gerçek gazm P’ye karşı PV! RT grafiği görülmektedir. Şekilde görülen grafik ideal gaz davranışının hangi koşul­ larda kabul edilebileceğim çok iyi açıklamaktadır. İdeal gaz eşitliğine göre (1 ıııol gaz için) PViRT değeri l’e eşittiı(n = 1 olduğunda, PV = ııRT, PV = RT veya PVIRT = l’diı). Gerçek gazlar için, bu sadece oldukça düşük basınçlarda 5 atın) doğrudur ve basınç arttıkça önemli sapmalar meydana gelu. Çekim kuvvetleri, moleküller ara­ sında oldukça kısa mesafelerde etkilidir. Atmosfer basıncında, bir gazda moleküller birbirinden uzaktır ve çekim kuvvetleri ihmal edilebilir. Hâlbuki yüksek basmçlaıda, gazm yoğunluğu artar ve moleküller bııibııiııe daha yakın olur. Bu dununda, nıolekülleıarası kuvvetler, moleküllerin hareketini etkileyecek kadar önemli hale gelir ve gaz ideal olarak davranamaz.

5.8 İdeal Davranıştan Sapına

211

Şekil 5.22 0 °C ’de bir mo! gazın PV/RT'ye karşı P grafiği. Gazın basıncı ne olursa olsun, ideal bir gazın 1 molünün FV/RT değeri 1 ’e eşittir. Gerçek gazlarda, yüksek basınçlarda ideallikten sapmalar gözlenir. Çok düşük basınçlarda ise bütün gazlar ideal davranış gösterir; Yani, P sıfıra yaklaştıkça PV/RT değerleri 1 ’e yaklaşır.

P (atm) Gazların ideal davranıştan sapmalarını incelemenin diğer bir yolu da sıcaklığı düşürmektir. Gaz soğutulursa moleküllerin ortalama kinetik enerjisi azalır ve buna bağlı olarak moleküllerin hareketi de azalacağı içııı molekülleraıası çekim kuvvetleri artar. Gerçek gazları, tam olarak inceleyebilmek için, molekülleraıası kuvvetleri ve moleküllerin gerçek hacimlerini dikkate alarak ideal gaz eşitliğini yeniden düzenle­ memiz gerekir. Böyle bir analiz ilk defa 1873 yılında HollandalI fizikçi J. D. van der Waals1 tarafından yapılmıştır, van der Waals’in yaklaşnnı matematiksel bakımdan basit olmasına rağmen, gerçek gaz davranışlarım ıııoleküler seviyede açıklayabilmek­ tedir. Bıı gaz molekülünün, içinde bulunduğu kabın çepeıine yaklaştığını düşünelim (Şekil 5.23). Komşu moleküller tarafından uygulanan molekülleraıası çekimler, bu molekülün çepere yaptığı etkiyi yumuşatır. Bu dununda, ideal bıı gaz içııı beklediği­ mizden daha düşük bir gaz basıncı oluşur, van der Waals, ideal bıı gaz tarafından uygulanan basıncın(Pideal) deneysel olarak ölçülen yani gözlenen basınç(.Pgâz) ile iliş­ kili olduğunu aşağıdaki eşitlikle belirtmiştir. n r ideal

I r gerçek '

= p

î

î

gözlenen basınç

düzctmc terimi

Burada a bir sabit, n ve V sırasıyla gazın molü ve hacmidir. Basmç için düzeltme terimi (gn2/V2>) şu şekilde anlaşılabilir: İdeal olmayan davranışa neden olan ıııolekülleraıası etkileşim, herhangi iki molekülün birbirlerine hangi sıklıkla yaklaştığına bağ­ lıdır. Moleküllerin bıı biriyle “Çarpışına” sayısı, birim hacimdeki moleküllerin sayısının karesi (n/V)2 ile artar, çünkü belirli bıı bölgede iki molekülden her birinin bulun­ ması v/V ile orantılıdır. Pideal değeri, molekülleraıası çekim olmadığında ölçülecek olan basınçtır, a ise sadece bir orantı sabitidir. Diğer bıı düzeltme terimi, gaz molekülleri tarafından kaplanan hacimle ilgilidir. İdeal gaz eşitliğinde. K kabın hacmini ifade eder. Ancak, her bir molekül oldukça küçük ve kendine özgü sınırlı bıı hacime sahiptir. Buna göre, gazın etkin hacını (K- vb) olur. Burada n gazın ıııol sayısı b ise bir sabittir, vb terimi ise gazın v molü tarafından kaplanan hacmi gösterir. 'Johannes Didcrck van der Waals (1837-1923) Alınan fizikçidir, van der Waals 1910 yılında, gazlar ve sıvıların özellikleri üzerine yaptığı çalışına ile Nobel Fizik ödülünü alınıştır.

Şekil 5.23 Bir gazın uyguladığı basınca moleküllerarası kuvvetlerin etkisi. Kabın çeperine yakın hareket eden bir molekülün (kırmızı küıe) hızı, komşuları (gri küreler) ile arasındaki çekim kuvvetlerinden dolayı azalır. Sonuçta, molekülün çeper ile yaptığı çarpşma, moleküllerarası kuvvet olmadığında yaptığı etki kadar büyük değildir. Bu yüzden, ölçülen gaz basıncı, ideal davranışla kıyaslandığında genellikle daha düşüktür.

212

Gazlar

Basınç ve hacim için düzeltme terimleri dikkate alınarak, ideal gaz denklemi yeni­ den yazılabilir:

2 P + ^-)(E- nb) = nRT

Eşitlik (5.18)’de P deneysel olarak ölçülen gaz basıncını, V ise kabın hacmini gösterir.

(5.18)

X____ v_____ J X_______ / v düzeltilmiş basınç

düzeltilmiş hacim

İdeal olmayan bir gazda P, V, T ve n arasındaki bağıntıyı veren eşetlik (5.18), van der Waals eşitliği olarak bilinir, van der Waals sabitleri a ve b, Eşitlik (5.18) ile sözkoıınsn gazın gözlenen davranışını ılışkıleııdıreıek en iyi yaklaşımı sağlayabilmek için seçilmişlerdir. Bazı gazlar için a ve b değerleri Çizelge 5.4’de listelenmiştir. SO2(g)

5.56

2,54 kg S oksijen ile tepkimeye girerse 1,12 atın ve 30.5 °C’da oluşan SO2’in hacmini (ıııL) hesaplayı­ nız. Maya, alkol fermantasyonu işleminde glikozu eta­ nol ve karbon dioksite dönüştürür:

C6Hl2O6(fr) -----> 2C2H5OH(s) + 2CO2(g)

5.57

5.58

5.59

5.97 g glikozun tepkimesinden 293 I< ve 0.984 atnı'de 1,44 L CO2 elde edilirse tepkimenin yüzde verimi nedir? P ve F’deıı oluşan bir bileşik aşağıdaki gibi analiz edilmiştir. Bu bileşiğin 0.2324 g’ı 378 cm3 hacimli bir kapta ısıtılarak tamamen gaza dönüştürülmüş ve 77°C sıcaklıkta basıncı 97.3 mnıHg’ dır. Sonra bu gaz kalsiyum kloriir çözeltisi ile karıştırılmış ve iş­ lem sonucunda bütün F. 0.2631 g CaF2’ye dönüştür­ müştür. Bileşiğin molekül formülünü bulunuz. 0.225 g M metali (ıııol kütlesi = 27.0 g/ıııol) aşırı lıidroklorik asit ile tepkimeye girdiğinde 0,303 L hidrojen gazı (17°C ve 741 mnıHg’da) açığa çık­ maktadır. Bu verilerden yola çıkarak tepkime denk­ lemi öngörünüz ve M metalinin oksit ve sülfat for­ müllerini yazınız. 73.0 g NH, eşit kütlede HC1 ile karıştırıldığında olu­ şan katı NH4Cl'ün kütlesi nedir? Tepkimeye girme­ den kalan gaz hangisidir ve 14.0 °C ve 752 mnıHg’da hacmi nedir?

Gazlar

218

5.60

5.61

5.62

Saf olmayan 3,00 g kalsiyum karbonat örneğinin hidroklorik asit ile çözünmesinden 0,656 L karbon dioksit (20.0 °C ve 792 ııımHg’da) elde ediliyor. Örnekteki kalsiyum karbonatın kütlece yüzdesini hesaplayınız. Varsayımları belirtiniz. STP’de 5.6 L moleküler hidrojenin, moleküler klor gazının aşırısı ile tepkimesinden oluşan hidrojen kloriinin gram cinsinden kütlesini hesaplayınız. Etanol (C2H5OH) havada yanar:

5.69

Deniz seviyesine yakın, kuru havada hacimce: %78.08 N2; %20.94 O2: %0.93 Ar; %0.05 CO2 var­ dır. Atmosfer basıncı 1.00 atm’diı; (a) Her bir gazın atın cinsinden kısmi basıncını ve (b) Her bir gazın 0°C'deki mol/litre cinsinden derişimleriııi hesapla­ yınız. (İpucu: Hacını ıııol sayısı ile orantılı olduğu için, gazların ıııol kesirleri aynı sıcaklık ve basınç­ taki hacimlerinin oranı şeklinde ifade edilebilir).

5.70

Helyum ve neon gaz karışımı. 28,0°C sıcaklık ve 745 ııınıHg basınçta, su üzerinde toplanmıştır. Eğer helyumun kısmi basıncı 368 ınmHg ise neonun kısmi basıncı nedir? (28°C'da suyun buhar basıncı = 28,3 ınmHg’dır).

5.71

Bir parça sodyum metali su ile aşağıdaki tepkimeyi verir:

C2H5OH(s) + O2(g) ---- > CO2(g) + H2O(.s)

5.63

Eşitliği denkleştiniz ve 35,0 °C ve 790 mmHg’da 227 g etanolü yakmak için gerekli havanın hacmini litre olarak hesaplayınız. Havanın hacimce yüzde 21,0 O2 olduğunu varsayınız. (a) Aynı sıcaklık ve basınçta, aşağıdaki eşitliğe göre 12.8 L azot oksit elde etmek içııı tepkimeye girmesi gereken amonyak ve oksijenin hacmi (L) nedir?

2Na(A) + 2H2O(5) ---- > 2NaOH($ı/tfa) + H2(g)

Elde edilen hidrojen gazı 25°C sıcaklıkta su üze­ rinde toplanmıştır. 1.00 atın basınçta toplanan gazın hacmi 246 ınL'diı; Tepkimede kullanılan sodyum kaç gramdır? (25°C’da suyun buhar basıncı = 0.0313 atın).

4NH3(g) + 5O2(g) -----> 4NO(g) + 6H2O(g)

(b) Aynı sıcaklık ve basınçta, aşağıdaki eşitliğe göre 8.96 L hidrojenin oluşması için tepkimeye girmesi gereken propan ve su buharının hacmi (L) nedir? C3H8(g) + 3H2O(g) -----> 3CO(g) + 7H2(g) 5.64

5.72

Saf olmayan ve sülfür harici safsızlık içeren 4.00 g FeS örneğinin HC1 ile tepkimesinden 14 °C ve 782 ınmHg basıncında 896 ıııL H2S elde edilmektedir. Örneğin kütlece yüzde olarak saflığını hesaplayınız.

Zıı(A) + 2HCl(sMtfa) -----> ZnCl2(suda) + H2(g) Üretilen hidrojen gazı 25°C'da Şekil 5.15’de göste­ rilen düzeneğe benzer bir düzenek kullanılarak su üzerinde toplanmıştır. Gazın hacmi 7,80 L ve ba­ sıncı 0.980 atm’diı; Tepkimede harcanan çinko me­ talinin miktarını gram cinsinden hesaplayınız. (25°C’da suyun buhar basıncı = 23.8 mm Hg)

Dalton’un Kısmi Basınçlar Yasau Tarama Soruları 5.65 5.66

Dalton’un kısmi basınçlar yasası ve ınol kesrini ta­ nımlayınız. Mol kesrinin birimi var mıdır? Bir hava örneği yalnızca azot ve oksijen gazlarını içermektedir ve bunların kısmi basınçları sırasıyla 0.80 atın ve 0,20 atın diı; Toplam basıncı ve gazların mol kesrini hesaplayınız.

Problemler 5.67

5.68

Bir gaz karışımı CH4. C2H6 ve C3H8 içermektedir. Toplam basınç 1.50 atın ve karışımda 0.31 mol CH4. 0.25 mol C2H(, ve 0,29 mol C3H8 bulunduğuna göre gazların kısmi basınçlarını hesaplayınız. 15°C sıcaklıkta 2,5 L hacimli bir cam kapta N2, He ve Ne gazlarının karışımı vardır. Bu gazların kısmi basınçları sırasıyla 0.32 atın. 0.15 atın ve 0.42 atın diı; (a) Karışımın toplam basıncını hesaplayınız, (b) Seçimli olarak N2 uzaklaştırılırsa. STP’de He ve Ne’niıı kapladığı hacmi litre cinsinden hesaplayınız.

Bir çinko metali örneği aşırı hidroklorik asitle tama­ men tepkimeye girmiştir:

5.73

Derin deniz dalgıçları için helyum oksijen gazı ile karıştırılır. Dalgıç toplam basıncın 4.2 atın olduğu derinliğe kadar inmek zorunda ise, karışımdaki ha­ cimce oksijen yüzdesini hesaplayınız. Bu derinlikte oksijenin kısmi basıncı 0,2 atın değerinde tutulur.

5.74

Bir amonyak (NH3) gazı örneği, ısıtılmış demir yünü üzerinde tamamen azot ve hidrojen gazlarına ayrıştırılmıştıı; Toplam basınç 866 ınmHg ise. azot ve hidrojen gazlarının kısmi basınçlarını hesaplayı­ nız.

5.75

Sayfa 219'da(aşağıda) gösterilen kapların üç farklı gaz içerdiğini düşününüz. Kapların hepsi aynı sıcak­ lık ve hacme sahiptir, (a) Hangi kapta A (mavi küre) nııı kısmı basıncı en küçüktür? (b) Hangi kapta B (yeşil küre) nin kısmi basıncı en yüksektir?

Sorular ve Problemler

5.85 5.76

Aşağıda verilen sağdaki kutunun hacmi soldaki ku­ tunun hacminin iki katıdır. Kutular aynı sıcaklıkta helyum (kırmızı) atomları ve hidrojen (yeşil) mole­ külleri içermektedir, (a) Hangi kutunun toplam ba­ sıncı daha yüksektir? (b) Hangi kutuda helyumun kısmi basıncı daha düşüktür?

5.86

5.87

Gazların Kinetik Molekül Kuramı Tarama Soruları 5.77

5.78

5.79

5.80

Gazların kinetik molekül kuramında, temel varsa­ yımlar nelerdir? Kinetik moleküler kuram Boyle. Charles. Avogadro ve Dalton’un kısmi basınçlar ya­ salarını nasıl açıklar? Maxwell hız dağılım eğrisi bize ne anlatır? 200 mo­ lekül içeren bir örnek için Maxwell kuramı geçerli midir? Açıklayınız. Aşağıdaki iki ifadelerden hangisi doğrudur? (a) Gaz moleküllerinin birimleriyle çarpışması ile ısı üreti­ lir. (b) Bir gaz ısıtıldığında, moleküller birbiri ile daha sık çarpışırlar. Gaz difüzyonu ve efuzyonu arasındaki fark nedir? Graham yasasını ve eşitlik (5.17)’deki terimleri açıklayınız.

5.88

5.81

O2 ve UF6 moleküllerinin 65°C’da hız-kareleıiortalamasının kareköküııü karşılaştırınız.

5.82

Stratosferdeki sıcaklık -23°C’dıı. Bu bölgede bulu­ nan N2, O2 ve O3 moleküllerinin hız-kaıeleriortalamasının kareköküııü hesaplayınız.

5.83

Bir molekülün aıdarda çarpışmaları sırasında aldığı ortalama uzaklığa ortalama serbest yol denir. Belirli bir miktar gaz için ortalama serbest yol aşağıdaki büyüklüklere nasıl bağlıdır (a) yoğunluk, (b) sabit hacimde sıcaklık, (c) sabit sıcaklıkta basınç, (d) sa­ bit sıcaklıkta hacim, (e) atomların boyutu? Belirli bir sıcaklıkta bir kaptaki altı adet gaz mole­ külünün hızları 2,0 m/s; 2,2 m/s; 2,6 m/s; 2,7 m/s;

5.84

3,3 m/s ve 3,5 ııı/s dir. Moleküllerin ortalama hızla­ rını ve hız kareleri ortalamasının kareköküııü hesap­ layınız. Bu iki değer birbirine çok yakın, fakat lıız-kareleri-ortalaıııasınm karekökti her zaman daha büyüktür. Neden? Gazların kinetik kuramını esas alarak Gralıam yasa­ sını [Eşitlik (5.17)] türetiniz. 235U izotopu nötron ile bombardıman edildiğinde fizyona uğrar. Ancak, 235U izotopunun bolluğu sadece yüzde 0,72’dir. Bunu daha bol bulunan 238U izoto­ pundan ayırmak için uranyum ilk olarak oda sıcaklı­ ğının üzerinde kolaylıkla buharlaşabilen UF6’ya dö­ nüştürülür. Daha sonra 235UF6 ve 238UF6 gazların ka­ rışımı birçok efüzyon basamağına tabi tutulur. Bir ba­ samak efüzyondan soma 238U’e göre 235U’iıı zengin­ leşmesini ifade eden ayınna faktörünü hesaplayınız. Glikozun fermantasyonundan elde edilen bir gazın, gözenekli bir bariyerden 15 dakikada geçtiği bulun­ muştur. Aynı sıcaklık ve basınç altında, aynı göze­ nekli engelden eşit hacimli N2 gazı 12 dakikada geç­ mektedir. Glikozun fermantasyonundan elde edilen bu gazın ıııol kütlesini hesaplayınız ve ne olabilece­ ğini öngörünüz. Nikel elementi formülü Ni(CO)v olan gaz halinde bir bileşik oluşturur. Aynı sıcaklık ve basınç altında, meta­ nın (CH,|) bu bileşikten 3,3 kat daha hızlı efiize olduğu gerçeği göz önüne alındığında x’in değeri ne olur?

İdeal Davranıştan Sapma Tarama Soruları 5.89 5.90

5.91 Problemler

219

Gazların her zaman ideal davranmadığını gösteren iki kanıt gösteriniz. Hangi koşullarda bir gazın en ideal davranması bek­ lenir? (a) Yüksek sıcaklık ve düşük basınç, (b) Yüksek sıcaklık ve yüksek basınç, (c) Düşük sıcak­ lık ve yüksek basınç, (d) Düşük sıcaklık ve düşük basınç. Aşağıda ideal olmayan bir ıııol gaz için iki farklı sı­ caklıkta gösterilen P’ye karşı PVİRT grafiği veril­ miştir. Hangi eğrinin sıcaklığı daha yüksektir?

PV RT

Gazlar

220

5.92

(a) Gerçek bir gaz, hacmi V olaıı bir balona doldu­ rulmuştur. Gazın düzeltilmiş hacmi V'den daha bü­ yük mü yoksa daha küçük müdür? (b) Amonyak, neon’dan daha büyük bir “a” değerine sahiptir(bak. Çizelge 5.4). Buna göre, amonyak molekülleri ara­ sında ve neon atomları arasındaki çekim kuvvetleri­ nin gücü hakkında ne söyleyebilirsiniz?

5.102

Nı(Â-) + 4CO(g) -----> Ni(CO)4(g)

Bu tepkime nikeli diğer katı safsızlıklaıdan ayırır, (a) 86.4 g Ni’den yola çıkarak 4.00 L hacimli bir kaptaki Ni(CO)4’iiıı basıncını hesaplayınız (Tepkimenin tamlandığını varsayınız), (b) Bu örnek 43°C sıcaklığın üzerinde ısıtıldığında, gazın basıncı­ nın ideal gaz eşitliğine göre beklenenden daha hızlı aıttığı gözlenmiştir. Neden? Açıklayınız.

Problemler 5.93

5.94

Çizelge 5.4’deki verileri kullanarak, 450 K sıcak­ lıkta 5,00 L hacım içerisinde hapsedilen 2.50 ıııol CO2 gazının uyguladığı gerçek basıncı hesaplayınız. Bunu ideal gaz eşitliğini kullanarak hesapladığınız basınç değeri ile karşılaştırınız. 27°C sıcaklıkta 1.50 L hacimli bir kaptaki 10,0 ıııol gaz. 130 atın basınç uygulamaktadır. Bu ideal bir gaz mıdır?

5.103

Karbon dioksitın kısmi basıncı mevsimlere göre de­ ğişir. Kısmi basıncın Kuzey Yarım kürede yazın mı yoksa kışın mı daha yüksek olmasını beklersiniz? Açıklayınız.

5.104

Sağlıklı bir yetişkin her nefes alış verişinde yaklaşık 5,0 X 102 ıııL gaz karışımını dışarıya verir. 37°C ve 1.1 atın de bu hacimdeki molekül sayısını hesaplayı­ nız. Bu gaz karışımının ana bileşenlerini sıralayınız. Sodyum bikarbonat (NaHCO3) kabartma tozu ola­ rak adlandırılır. Isıtıldığında kurabiye, çörek ve ek­ meğin şişmesini sağlayan karbon dioksit gazı açığa çıkar, (a) 180°C ve 1,3 atm’de, 5.0 gNaHCO3 ısıtıl­ dığında açığa çıkan CO2 gazının hacmim litre cin­ sinden hesaplayınız, (b) Amonyum bikarbonat da (NH4HCO3) aynı amaç için kullanılmaktadır. Sodyum bikarbonat yerine amonyum bikarbonat kullanılmasının üstünlük ve eksikliklerini belirtiniz. 1.00 cm2 kesit alanına sahip bir barometre deniz se­ viyesinde 76,0 cm civa basıncı ölçer. Bu basınç, dünya yüzeyindeki 1 cm2 alana bütün havanın yap­ tığı basınca eşittir. Civanın yoğunluğu 13.6 g/ıııL ve dünyanın ortalama yarıçapı 6371 kııı'dir. Dünya at­ mosferinin toplam ağırlığını kilogram cinsinden he­ saplayınız. (İpucu: Kürenin yüzey alanı 4ırr2 dır: r kürenin yarıçapıdır.) Bazı ticari kanal temizleyicileri iki bileşen içerir: sodyum hidroksit ve alüminyum tozu. Karışını tı­ kanmış kanala döküldüğünde aşağıdaki tepkime gerçekleşir:

Ek Problemler 5.95

5.96

5.97

5.98

5.99

5.100

5.101

Aşağıdaki olayları gaz yasalarını göz önünde bulun­ durarak açıklayınız: (a) sıcak bir günde otomobil las­ tiğindeki basıncın artması, (b) kâğıt bir torbanın patlatılması (c) hava balonunun yükseldikçe genleş­ mesi, (d) bir ampül patladığında duyulan yüksek ses. Aynı sıcaklık ve basınç altında. Ne. N2 ya da CH4 gazlarından hangisi en ideal olarak davranır? Açıklayınız. Patlayıcı olan nitrogliserin aşağıdaki denkleme göre ayrışır: 4C3HS(NO3)3(£) -----> 12CO2(g) + 10H2O(g) + 6N2(g) + O2(g)

2.6 X 102 g nitrogliserinden elde edilen gazların 1.2 atın ve 25’C'da toplam hacmini hesaplayınız. Bu şartlar altında gazların kısmi basınçları nedir? Bir bileşiğin kaba formülü CH’dir. 200:C sıcaklıkta bu bileşiğin 0,145 gramı 0.74 atın basınçta 97.2 ıııL hacim kaplamaktadır. Bileşiğin molekül formülü nedir? Amonyum nitrit (NH4NO2) ısıtıldığında azot gazı vermek üzere ayrışır. Bu özellik bazı tenis toplarını şişirmek için kullanılır, (a) Tepkimenin denkleştiril­ miş eşitliğini yazınız, (b) Bir tenis topunu 1.20 atın basınç ve 22°C sıcaklıkta 86.2 ıııL hacme kadar şi­ şirmek için gereken amonyum nitrit miktarını gram cinsinden hesaplayınız. Belli bir Alka-Seltzer ürünü içindeki bikarbonat (HCOj-) kütlece %32.5’dir. Bir insan 3.29 gramlık bir tablet yuttuğunda 37°C ve 1.00 atın'de üretilen CO2’niıı hacmini (ıııL) hesaplayınız. (İpucu: mide­ deki tepkime. HC1 ve HCO^ arasındadır) Sıvı azotun kaynama noktası -196°C’dır. Sadece bu bilgi ışığında, azotun ideal bir gaz olduğunu söyle­ yebilir misiniz?

Nikel metalinin saflaştırılmasında, önce nikelin kar­ bon moııoksitle birleştirilmesinden tetrakarboııil ni­ kel elde edilir. Tetrakarboııil nikel 43°C’da gazdır:

5.105

5.106

5.107

2NaOH(Wfl) + 2A1(£) + 6H2O(s) -----> 2NaAl(OH)4(sı/rf 2NO2(g)

Başlangıçta şekilde görüldüğü gibi NO ve O2 ayrı kaplardadır. Musluk açıldığında, tepkime hemen sonlanır. Tepkime sonunda hangi gazın arttığını ve ortamda bulunan gazların kısmi basınçlarını hesapla­ yınız. Sıcaklığın 25°C’de sabit kaldığını varsayınız.

5.112

Şekildeki düzeneği göz önünde bulundurunuz. Canım içine damlalığı sıkmak suretiyle bir miktar su verildiğinde, beherde bulunan su uzun cam boru bo­ yunca yukarıya doğru hareket eder. Bu gözlemi açıklayınız. (İpucu: Hidrojen kloriir gazı suda çözü­ nür.)

221

Kimyasal veya fiziksel yollarla, aşağıdaki gaz karışımınlarıııın kısmı basınçlarını nasıl ölçersiniz, (a) CO2 ve H2. (b) He ve N2. MgSO4xH2O belirli bir hidrat formülüne sahiptir. Bileşiğin 54.2 g’lık miktarı suyunu uzaklaştırmak içiıı bir fırın içerisinde ısıtılır. Uzaklaştırılan suyun oluşturduğu buhar, 2,00 L’lik kapta 120 °C’da 24.8 atın Tik bir basınç oluştursa suyun katsayısı x’i he­ saplayınız. Kütlesi 7.63 g olan Na2CO3 ve MgCO3 karışımı aşırı lıidroklorik asit ile tepkimeye sokulur. 1,24 atın ve 26 °C' da üretilen CO2gazının hacmi 1.67 L’dir. Bu verilerden karışımdaki Na2CO/m kütlece yüzde bi­ leşimini hesaplayınız.

Aşağıdaki şekilde gösterilen düzenek ile atom ve molekül hızları ölçülebilir. Metal atomları demeti­ nin vakum içerisindeki döner silindire gönderildi­ ğini düşününüz. Silindirdeki küçük yarık atomların hedef bölgeye çarpmasına izin verir. Silindir de­ vamlı döndüğü için farklı hızlarda hareket eden atomlar, hedefe farklı konumlarda çarparlar. Zamanla hedef alan üzerinde bir metal tabaka birikir ve tabakanın kalınlığındaki fark Maxwell hız dağılı­ mına uyar. Bir deneyde. 850’C’da bizmut (Bi) atom­ ları hedefi yarığın tam karşısından 2.8 cm uzaklıkta vurmuştur. Silindirin çapı 15.0 cm ve dönüş hızı 130 tur/saniye olarak verilmiştir, (a) Hedefin dönüş hı­ zını (m/s) hesaplayınız. (İpucır. Çemberin çevresi 2trr’dir ve r. çemberin yarıçapıdır.) (b) Hedefin 2.80 cm hareketi için gereken süreyi (saniye) hesaplayı­ nız. (c) Bizmut atomlarının hızını belirleyiniz, (c) de bulduğunuz sonucu bizmutun 850=C’daki Ums de­ ğeri ile karşılaştırınız. Farkı yorumlayınız

Hedef

5.117

5.118

65 °C’da 2,500 L’lik balona konulan 10,00 g suyun oluşturduğu buharın kütlesini hesaplayınız. (İpucu: Kalan sıvı suyun hacmi ihmal edilebilir olduğunu varsayınız; 65 °C’da suyun buhar basıncı: 187.5 mmHg’dır.) Ticari olarak, sıkıştırılmış oksijen çelik tüplerde sa­ tılır. 120 L’lik bir çelik tüp 22 °C'da 132 atmosferlik basınç altında oksijen ile doldurulursa, oksijenin kütlesi (g) nedir? 1 atın ve 22 °C’da oksijenin hacmi kaç litredir, (gazın ideal davrandığını varsayınız)

222

5.119

5.120

5.121

5.122

Gazlar

Haşlanmış yumurta kabukları yüksek sıcaklıklarda hızlı termal genleşme nedeniyle bazen çatlar. Kabukların çatlamasına neden olan bir başka sebep daha öneriniz. Etilen gazının (C2H4) meyveler tarafından yayıldığı ve meyvelerin olgunlaşmasından sorumlu olduğu bilinmektedir. Muzun kapalı bir kâsede, bir kâğıt torbada olduğundan daha hızlı olgunlaşmasının da­ yandığı temeli açıklayınız. Yıllık, yaklaşık 8.03 X 106 ton üre [(NH^COJ gübre olarak kullanılır. Üre, 200°C’da yüksek ba­ sınç altında karbon dıoksıt ve amonyaktan elde edilir(tire ve buhar olarak). 150 atm’de 1,0 ton üre hazırlamak için gerekli amonyağın hacmini (litre olarak) hesaplayınız. Bazı tükenmez kalemlerin ana gövdesinde küçük bir delik vardır. Bu delisin rolü nedir? Gaz yasaları dalgıçlar için hayati öneme sahiptir. Deniz suyunun 33 ft’de uyguladığı basınç 1 atın ba­ sınca eşdeğerdir, (a) Bir dalgıçııı 33 ft derinlikten suyun yüzeyine nefes vermeksizin hızlı bir şekilde yükseldiğinde çiğerleriııdeki gazı düşününüz. Yüzeye ulaştığı zaman çiğerlerinin hacını kaç kat artar? Sıcaklığın değişmediğini varsayınız. Havadaki oksijenin kısmı basıncı yaklaşık 0.20 atm’dir. (Havanın hacimce yüzde 20’si oksijendir.) Derin deniz dalgıçlarında, dalgıçııı kullandığı hava­ nın bileşimi bu kısmi basıncı korumak için değişti­ rilmelidir. Dalgıca uygulanan toplam basınç 4.0 atın olduğunda oksijen içeriği (hacimce yüzde olarak) ne olmalıdır? (Sabit sıcaklık ve basınçta bir gazın hacını gazların nıol sayıları ile doğru orantılıdır.) (İpucu: sayfa 200’deki “Kimya İşbaşında” makale­ sine bakınız.) Azot oksit (N2O) amonyum nitratın (NH4NO3) ter­ mal buzunmasından elde edilir, (a) Tepkime için denkleştirilmiş eşitiğiııı yazınız, (b) Bir deneyde öğ­ renci. 24 °C ve 718 mıııHg'da elde edilen gazın ga­ zın hacmini 0.340 L bulmuştur. Gaz 0.580 g ağırlı­ ğında ise gaz sabitinin değerini hesaplayınız. İki kap A ve B olarak etiketlenmiştir. A kabı 70 °C’da NII, gazı, B kabı ise aynı sıcaklıkta He gazı ihtiva ediyor. NH3’ m ortalama kinetik enerjisi 7.1 X 10“21 J/ıııolekül ise Ne atomlarının hız kareleri­ nin ortalamasını m2/s2 cinsinden hesaplayınız. W

5.123

5.124

5.125

5.126

Aşağıdaki moleküllerden hangisinin a değeri en bü­ yüktür: CH4, F2, CgHö, Ne?

5.127

Aşağıda uygulanan işlem, bir gazın ıııol kütlesini ölç­ mek için basit ancak yaklaşık bir yöntemdir. 0,0184 g kütleli bir sıvı, şırınga ile şekilde gösterildiği gibi şı­ rınga içerisine çekilir, şırınga iğnesinin ucu kauçukla kapatılır. Daha sonra şırınga 45°C’a ısıtılmış ısı- ban­

yosuna konur ve sıvı buharlaşır. Buharın son hacmi (pistonun dışarı doğru hareketi ile ölçülen) 5,58 ıııL ve atmosfer basıncı 760 ııııııHg’dir. Bileşiğin kaba formülü CH2 ise, ıııol kütlesi nedir?

Kauçuk uç

■ »№Maiîı 11 Tı ı ıl= 5.128

5.129

5.130

1995 yılında İngiltere'de bir adam terkedilmiş bir madende yürürken, o sırada havadaki bir değişiklik nedeniyle atmosfer basıncında ani bir düşüş mey­ dana geliyor ve adam boğuluyor. Adamın ölümüne sebep olan şey ne olabilir. Karbon dioksit gibi asit oksitler, kalsiyum oksit (CaO) ve baryum oksit (BaO) gibi basik oksitler ile tepkimeye girerek tuz (metal karbonat) oluştururlar, (a) Bu iki tepkimenin denklemim yazınız, (b) Bir öğrenci. 35°C’da ve 746 mmHg basıııçda karbon di­ oksit içeren 1,46 L hacimli bir cam kaba, toplam kütlesi 4.88 g olan BaO ve CaO karışımı eklemiştir. Tepkimeler gerçekleştikten sonra. CO2 basıncının 252 ııımHg’ya düştüğünü görmüştür. Karışımın yüzde bileşimini hesaplayınız. Katiların hacimleri­ nin ihmal edildiğini varsayınız. Aşağıda gösterilen Maxwell hız dağılım eğrilerinin Br2. CH4, N2 ve SO3 gazlarından hangilerine ait ol­ duğunu belirleyiniz.

Molekül hızı(rrv's)

5.131

5.132

Çalışan bir otomobil motoru saatte 188 g zehirli kar­ bon monoksit (CO) gazı oluşturur. Bu araba 20oC’da yeterince havalandırılmayan 6 ııı uzunluğunda, 4 m genişliğinde ve 2.2 m yüksekliğinde bir garajda rö­ lantide çalışır şekilde bırakılmıştır, (a) CO’nin oluşma hızını (mol/dak) hesaplayınız, (b) CO’iıı öl­ dürücü derişimi olan 1000 ppıııv (hacimce milyonda bir) değerine ne kadar sürede ulaşılır? Yıldızlar arası alan daha çok hidrojen atomu içerir ve bu alan yaklaşık 1 atom/cm3 derişiıııinde hidrojen

Sorular ve Problemler

5.133

5.134

5.135

5.136

5.137

5.138

atomu içerir, (a) H atomları basıncım hesaplayınız, (b) 3 K'de 1.0 g H atomu içeren örneğin hacmini (L) hesaplayınız. Mt Everest’in zirvesinde atmosfer basıncı 210 mıııHg ve havanın yoğunluğu 0.426 kg/m3 dür. (a) Havanın ıııol kütlesi 29.0 g/ıııol olduğu göz önüne alınarak havanın sıcaklığını hesaplayınız, (b) Havanın bileşiminde herhangi bir değişiklik olmadı­ ğını kabul ederek deniz seviyesinden Mt. Everest’in zirvesine çıkıldığında oksijen gaz oranındaki yüzde azalmayı hesaplayınız. Bağıl nem oranı, belirli bir sıcaklıkta, havadaki su buharı kısmi basıncının denge buhar basıncına(bak. Çizelge 5.3) oranı(yüzde olarak) olarak tanımlanır. Kuzey Carolıııa’da bir yaz gününde havadaki su bu­ harının 30 °C’da kısmi basıncı 3.9 X 103 Pa’dır. Bağıl nem oranını hesaplayınız. Aynı sıcaklık ve basınç altında, neden bir litre nemli havanın ağırlığı bir litre kuru havanmkiııden daha azdır? Hava tahminlerinde, yaklaşan bir alçak ba­ sınç genellikle yakın bir yağışın öncüsü anlamına gelıı. Bu dununu açıklayınız. Akciğere giren hava küçük kesecikler olan alveollere kadar ulaşır. Oksijen kana alveolleıden geçer. Bir alveoltin ortalama yarıçapı 0,0050 cııı’diı ve içindeki hava %14 oksijen içerir. Alveoldeki basıncı 1,0 atın ve sıcaklığı 37°C kabul ederek, bir alveolde bulunan oksijen moleküllerinin sayısını hesaplayı­ nız. (İpucu: Kürenin hacmi 4/37tr3’dür, r kürenin ya­ rıçapıdır.) Öğrenci bir termometreyi kırar ve 15.2 m uzunlu­ ğunda. 6.6 m genişliğinde ve 2.4 m yiikseklindeki bir labaıatuvar zeminine civanın (Hg) çoğu dökülür, (a) 20 °C sıcaklıkta, buharlaşan civanın kütlesini(g olarak) hesaplayınız (20 °C’da civanın buhar ba­ sıncı 1.7 X 10’6 atm’dir) (b) Bu değer, hava kalitesi­ nin korunması yönetmenliğine göre havada maksi­ mum izin verilen 0,050 ıııg Hg/m3 derişimıni aş­ makta mıdır? (c) Az miktarlarda dökülen civanın et­ kisini yok etmenin bir yolu üzerine kükürt tozu serp­ mektir. Bu olayı fiziksel ve kimyasal yönden açıkla­ yınız. Başlangıçta şekilde görüldüğü gibi Ar ve O2 ayrı kaplardadır. Musluk açıldıktan sonra, karışan gazla­ rın basıncı 1.08 atm’dıı. Sağdaki kabın hacmini he­ saplayınız. Sıcaklığın 20°C'da sabit kaldığını ve gazların ideal davrandığını varsayınız.

n = 0.227 mol V = 3.60 L

n = 0.144 mol V= ?

5.139

5.140

5.141

223

Gaz fazında azot dioksit (NO2), içerisinde NO2 ve N2O4 bulunduğundan, saf olarak elde edilemez. 25 °C ve 0,98 atm’de. bu gaz karışımının yoğunluğu 2.7 g/L’dir. Herbir gazın kısmi basıncı nedir? Sayfa 208’deki “Kimya İşbaşında" makalesi, rubid­ yum buharının 1.7 X 10’7 K’e kadar soğutulmasını anlatmaktadır. Bu sıcaklıkta bir Rb atomunun orta­ lama kinetik enerjisini ve hız karelerinin ortalaması­ nın kareköküııü hesaplayınız. Lityum lıidrür su ile aşağıdaki tepkimeyi verir: LiH(A) + H2O(.s)----- > Lİ0H(W