TEMEL KİMYA
Dalton Atom Teorisi
Daltonun atom kuramına göre elementler kimyasal bakımdan birbirinin aynı olan atomlar içerirler. Farklı elementlerin atomları birbirinden farklıdır. Bu atom teorisine göre kimyasal bir bileşik iki veya daha çok sayıda elementin basit bir oranda birleşmesi sonucunda meydana gelir. Kimyasal tepkimelere giren maddeler arasındaki Kütle ilişkilerine istinaden, Dalton atomların bağıl kütlelerini de bulmuştur. Modern atom kuramı Dalton'un kuramına dayanır ancak bazı kısımları değiştirilmiştir. Atomun parçalandığını, elementlerin birbirinin aynı atomlardan değil, izotoplarının karışımından meydana geldiğini biliyoruz. Daltonun atom teorisi kimyasal reaksiyonların açıklanmasına, maddenin anlaşılmasına, ve atomun temel özelliklerinin ortaya atılmasına oldukça büyük yararlar sağlamıştır. Bu sebeple ilk bilimsel atom teorisi olarak kabul edilir.
Dalton Atom kuramı üç varsayıma dayanır;
1. Elementler Atom adı verilen küçük bölünemeyen taneciklerden oluşmuştur. Atomlar kimyasal tepkimelerde oluşmazlar ve bölünmezler.
2. Bir elementin tüm atomlarının kütlesi ve diğer özellikleri aynı, diğer elementlerin atomlarından farklıdır.
3. Kimyasal bir bileşik iki yada daha fazla elementin basit bir oranda birleşmesi ile oluşur.
Dalton atom teorisi kimyasal değişme konularının da daha iyi tanımlanmasına olanak sağlar:
1. Kütlenin korunumu: Bir kimyasal reaksiyonda reaksiyona giren maddelerin kütleleri toplamı, çıkan maddelerin (ürünlerin) kütleleri toplamına eşittir.
2. Sabit oranlar Yasası: İki element birden fazla bileşik meydana oluşturuyorsa, birleşen iki elementin farklı miktarları arasında ağırlıkça tam sayılarla ifade edilen basit bir oran bulunur. Örneğin: H2O da 2 g hidrojenle 16 g oksijen birleşirken, OH de 1 g hidrojenle 16 g oksijen birleşmiştir. Buradan her iki bileşikte de aynı miktar oksijenle birleşen 2 g hidrojen ve 1 g hidrojeni birbirine oranlarsak 2 sayısını elde ederiz.
Kuantum Sayıları
Dalga mekaniğinde, bir atom birden fazla elektron içerirse elektron kabuklara dağıtılır. Bir yada daha fazla orbitallerin altkabukları, bir yada daha fazla alt kabuklarında kabukları oluşturduğu düşünülür. Schrödiner denklemi polar koordinatlara göre çözülürse, eşitliğin sağ tarafı açısal fonksiyona, sol tarafı radyal (çapla ilgili) fonksiyona eşit olur. Radyal fonksiyondan yararlanarak baş kuantum sayısı (n) ve açısal fonksiyondan alt kabuk (azümütal) (l) ve orbital magnetik, ml kuantum sayıları elde edilir. Uhlenbeck ve Goudsmit elektronun çekirdek etrafında dolanırken aynı zamanda kendi etrafında da döndüğünü ortaya çıkardılar. ms ile yazılan elektronun spin kuantum sayısı kuantum mekaniğinden elde edilmemiştir. Elektronların saat yönünde + 1/2 (yukarıya doğru bir ok şeklinde gösterilir: ^) aksi yönde dönmesi - 1/2 (aşağı doğru bir ok şeklinde gösterilir:v). Bunlardan yararlanarak bir atomun çekirdeği etrafında dolanan elektronların birer kimlik numaraları olarak düşünülen dört ayrı kuantum sayısı şöyledir. Bir elektron yalnızca bu dört kuantum sayısı ile tarif edilir. Bunlardan bir tanesi eksikse o elektron tam olarak belirtilmiş olmaz.
Orbital Kuantum Sayısı (ml)
ml, orbitalin yöneltisini belirtir.Magnetik kuantum sayısı diye de adlandırılan bu kuantum sayısı her bir alt kabukta bulunan orbitalleri belirler. Herbir alt kabuktaki orbital adeti o alt kabuğun kuantum numarasının iki katının bir fazlası yöntemi ile bulunur. (21+1).
ml = -1,..., 0,.. .,+1
Örnek verecek olursak; alt kabuk kuantum numarası 1=0 için önce orbital sayısını elde edelim: Orbital sayısı 21+1 kadar olacaktır yani 2x0+1 = 1 tanedir. Orbital kuantum numarası: mı = -1,...,0,...,+1 olduğundan ml= -0,...,0,...,+0=0 sayısı bulunacaktır. p orbitali için ( 1=1) yörünge sayısı mı=2xl+l=3 elde edilir.. mı=-l,0,+l olmak üzere mı=-l, mı=0, mı=+l olan üç orbital kuantun sayısı belirlenir. d orbitali için (1=2), ml=-2,-l,0,+l,+2 olacak şekilde mı=-2, mı=-1, mı=0, mı=+l, mı=+2 olan beş orbital kuantum numarası elde edilir.
1=0, s, bir tane s orbitaline (mı=0)
1=1, p, üç tane p orbitaline (mı=-l,0,+l)
1=2, d, beş tane d orbitaline (mı=-2,-l,0,+l,+2)
1=3, f, yedi tane f orbitaline (mı=-3,-2,-l,0,+l,+2,+3)
s alt kabuğu bir tane s orbitaline, p alt kabuğu px(p+1),py(p-1), pz(po) olarak üç tane p orbitaline, d alt kabuğu d-2, d-ı, d0, d+ı, d+2 (veya dz2, dz2-y2 ,dxy, dyz, dxz) olarak beş tane d orbitaline sahiptir. Her orbital en fazla iki elektron bulundurabilir. Bundan faydalanarak s alt kabuğu en çok 2, p alt kabuğu en çok 3x2=6, alt kabuğu en çok 5x2=10, f alt kabuğu da en çok 7x2=14 elektron üzerinde bulundurabilir. Her alt kabuk ve orbital herzaman ait olduğu baş kuantum sayısı ile belirlenir. 1s, 3s, 4px, 3p, 3dz2 gibi.
Orbitallerin Şekilleri ve Büyüklüğü
Elektronların Bohr yörüngeleri gibi bilinen daireler üzerinde değil, bulunma ihtimallerinin en fazla olabildiği bölgelerde orbital olabileceğini ortayı koyduk. Orbitalin şekli, elektronun bulunma olasılığı ile ilgili grafiğin kesit alanını almak suretiyle elde edilir. Bu şekilde elde edilen tüm s orbitalleri küresel bir yapıda bulunur. Olasılığın kesin bir sınırı olmaması nedeniyle şekli kolay gösterebilmek için dairesel bir çizgiyle gösterilir.. Baş kuantum sayısı üstte yazıldığı gibi orbitalin büyüklüğünü belirler. Baş kuantum sayısı arttıkça orbital aynı şeklini koruyarak şekli büyür. (2s küresel orbitalinin 1s küresel orbitaline nazaran büyük olması gibi).
Elektronların Yerleşim Düzeni:
Elektronik dizilişte atomun elektonik yapısı 1s, 2s, 2p gibi semboller alt kabukları, sağ üst köşedeki sayılarda her alt kabukta bulunan elektronların sayısını verir. Orbital kuantum sayısı ile spin kuantum sayılarının standart gösterimde yeri yoktur. Ancak tek tek elektronlar ele alındığında dört kuantum sayısı da gösterilebilir. Diyelim ki n=2 kabuğunun 1=0 (s) alt kabuğunun orbitallerinde 1 tane elektron bulunuyor. Bu durumda, 2s1 şeklinde gösterilebilir.
Elektronların bulunduğu yerler kabukların alt kabuklarına ait orbitallerdir.
s, p. d, f diye harflendirilen bu orbitallerde elektronların dizilişi gelişigüzel değildir. En düşük enerjili orbitalden başlayarak elektronlar dizilmeye başlarlar, aynı enerjiye sahip orbitaller birer tane elektron almadan herhangi biri çift elektron bulundurmaz.
(n+l) Kuralı:
Orbitallerin birbirlerine göre enerji seviyelerini karşılaştırmaya yarar. Elektron iki orbital seçeneğinden herzaman en düşük enerjili olanını tercih edeceği için orbitallerin göreceli enerjileri (n+1) kuantum sayılarına bakarak bulunur. (n+l) si düşük olan orbital düşük enerjili kabul edilir.Elektron bu düşük enerjili orbitali doldurur. 4s ve 4porbitallerini karşılaştıralım. 4s için n=4 ve l=0'dir. n+l si 4'tür. 4p'nin ise n=4 ve 1=1'dır. n+l'si 5'tir. 4s daha düşük enerjili olduğundan, elektron 4p yerine 4s'ye yerleşmiş olacaktır. Ayrıca iki orbitalin de n+l'si eşit olursa düşük enerjili orbital "n"si küçük olan orbitaldir. 2p ve 3s'yi karşılaştırdığımızda her ikisinin de n+l değeri 3 bulunur. Elektron 3s yerine 2p orbitalini tercih eder.
Hund Kuralı:
Hund kralına göre elektronlar bir alt kabuğun orbitallerine en fazla sayıda paralel spinli ve eşleşmemiş olacak şekilde dağılırlar. p alt tabakasının 3 tane p orbitali, d alt tabakasının 5 tane d orbitali, f alt tabakasının 7 tane f orbitali aynı enerji seviyesinde bulunurlar.Bu aynı enerji seviyeli orbitallerin her biri birer elektrona sahip olmadan önce orbitallerden herhangi biri iki elektrona sahip olamaz. Örneğin n=3, 1=1 (3p) alt tabakasında üç elektron bulunuyor. Bu kurala göre 3px orbitali iki elektron, 3py bir elektron taşıyıp da 3pz de hiç elektron olmaması bu kurala göre imkânsızdır. Bundan dolayı bu üç elektronun orbitalleri ve yerleşimi ancak ve ancak sadece 3px de l elektron, 3py de l elektron ve 3pz de l elektron şeklinde olabilir.
Pauli Dışarlama (exclusion) Kuralı:
Bir atomun içerdiği elektronların herbirinin dört ayrı kuantum sayısı (n, l, ml. ms) ile belirlenir.Bu kural bir atomda bulunan herhangi iki elektronun 4 kuantum sayısının da aynı değerler alamayacağını, en azından birer kuantum sayılarının farklı olduğunu söyler. Örneğin 2s orbitalinde bulunan iki elektron bu kuantum sayıları n=2, 1=0, ml=0 olmak üzere üçü de aynıdır. Fakat dördüncü kuantum sayıları farklıdır, bir elektronun ms = + 1/2 ve diğerinin ms = - 1/2 dir.
Elektronların orbitalterdeki düzenlenmesi a) elektron sayılarının orbitaller üzerine yazılması 1s22s22p63s2 şeklinde ve b) oklarla olmak üzere iki türlü olabilir. Oklarla gösterimde yatay çizgi (-) şeklinde gösterilen orbital üzerine elektron sayısı kadar ok çizilir. l s ^ veya l s ^v gibi.
Örneğin bor aomunun elektronik yapısını gösterirsek
B'un atom numarası 5 olduğundan 5 elektrona sahiptir. Bu 5 elektronun orbitallerde dizilişi aşağıdaki şekillerde gösterilebilir:
a) Sayılarla gösterim: En düşük enerjili orbital 1s'den itibaren başlayarak elektronların dizilişi yapılır. Burada her kabuk ancak bir s orbitaline sahip olabilir ve maksimum 2 elektron alır, p orbitalleri üç tanedir toplam 6 elektron alabilir, d orbitalleri beş tanedir 10 elektron alabilir ve f orbitalleri yedi tanedir ve 14 elektron alabilir şekilde toplu elektron sayısı gösterilir.
5B: 1s2 2s2 2p1
veya kendinden önce gelen soy gaz köşeli paranteze alarak ve geri kalan elektronları göstermek de mümkündür:
5B: [He] 2s2 2p1
b) Oklarla gösterim veya Hund kuralını uygulayarak gösterimde her bir elektron bir ok ile gösterildiğinden hangi orbitalde kaç elektron olduğu kolayca anlaşılır.
2p ^ __
2s ^v_
(5B) 1s ^v_
Yukarı yönlü oklar ms = +1/2, aşağı yönlü oklar da ms =- 1/2 şeklinde düşünülerek elektronların dört kuantum sayısı da bu gösterimde açık bir şekilde ortaya çıkar.
Magnetik Özellikler:
Bir atomun orbitallerinde tek elektron varsa buna çiftleşmemiş elektron denir. Çiftleşmemiş elektron sayısı, ancak Hund Kuralına gösterimde görülebilir. Çiftleşmemiş elektrona sahip atom veya iyonların bir magnetik alan tarafından çekildiği, zayıfça mıknatıslık gösterdiği, deneysel olarak elde edilmiştir. Çiftleşmemiş elektronlara sahip maddelerin gösterdiği magnetik alana doğru çekilme özelliğine paramagnetizma denir. Bunun zıddı özellik (bütün elektronları çiftleşmiş maddelerin gösterdiği magnetik alan tarafından itilmesi) diamagnetizma adı verilir. Paramagnetizma sadece dışarıdan bir magnetik alan uygulandığı zaman gözlenenebilir. Birde kobalt, nikel, demir gibi metallerin dışarıdan bir magnetik alan uygulanmadığı halde kendiliğinden magnetik özellik göstermesi özelliği vardır ki buna da ferromagnetizma denir. Ferromagnetik malzemelerde büyük sayıda paramagnetik iyonla malzeme içinde küçük bölgelerde magnetik momentleri aynı bir yönde yönlenmiş olarak toplanmışlardır. Bu bölgeler bir defa güçlü bir dış magnetik alana maruz bırakıldıktan sonra, magnetik momentleri devamlı olarak hep aynı yönde yönelirler. Halbuki paramagnetik cisimlerde dış alan etkisi kalktıktan sonra magnetik özellik de kaybolduğu gözükür.
Periyodik Tablo
Periyodik tablo özellikleri bakımından elementler iki büyük gruba (metaller, ametaller) ayrılır.Elementlerin %85 i metal %15 i ametaldir. Metaller ile ametalleri ayıran sınır bölgesinde her iki grubun özelliklerini taşıyan bazı elementler bulunur.Bu elementlere yarımetal ismi verilir. Elementler tabloda A ve B grubu elementler olmak üzere ikiye ayrılırlar. A grubu elementleri baş grup elementler (s ve p), B grubu elementlerine de geçiş elementleri (d) ismi verilir. Geçiş elementleri, periyodik çizelgede IIA ile IIIA grubu elementleri arasında bulunurlar.Çizelgedeki yatay sıralara periyod, düşey sıralara grup ismi verilir. Doğadaki element sayısı 89 tane olup, laboratuvarda sentetik yolla çekirdek reaksiyonları ile elde edilen ve radyoaktif olan 20 elementle birlikte yaklaşık 109'u bulmaktadırlar. Doğadaki 89 elementin oda sıcaklığında 15'i gaz, 2'si sıvı ve 72'si de katıdır. Elementlerin isimlendirilmesi; i. o elementi keşfeden kişinin isminden yararlanarak (Küriyum, Einsteiniutn, Fermium gibi), ii. elementlerin keşfedildiği ülke veya şehrin ismine göre (Fransium, Germanyum, Polonyum,... gibi), iii. Elementin özelliğine göre (hidrojen: nydro=su, genes=üreten) ve çoğunlukla latince kelimelerle yapılmıştır, helyum: helios=güneş, lithium: lithos=kaya, selen=ay gibi latince kelimelerden türetilmiştir.
Atomik ve İyonik Çap:
Çekirdek etrafında elektron bulutları ile sarılmış küresel bir hacim işgal eden nötral bir atomun çapını kesin olarak bulmak oldukça güçtür. Ancak elektron bulutunun belirli bir hacimde sınırını çizerek oluşturulan küre atomun şeklini belirler. Buna göre belirlenmiş atomun çapı periyodik tabloda periyodlarda yatay olarak ilerledikçe -atom numarası arttıkça- küçülür. Nedeni yatay olarak ilerledikçe atomun dış kabuğuna bir elektron ve çekirdeğe de bir proton eklenir. Ancak kabuğa eklenen bir elektronun atomun hacmini genişletme gücü, çekirdeğe katılan bir protonun atomun hacmini küçültme gücüne eşit değildir. Daha küçüktür. Protonun atomun hacmini küçültme gücü galip geldiğinden atom çapı yatay olarak gittikçe küçülür.
Atomik çaplar gruplarda aşağı doğru indikçe büyür. Çünkü her grupta elektron bir üst kabuğa girer (n=2, n=3,... gibi) ve ilave protonların atom çapını küçültme etkisi, üst kabuğa girmiş bulunan elektronların çapı büyültme etkisinin yanında küçük kalır. 5B'da n=2 kabuğu varken 13Al'de n=3 kabuğu vardır. 5B'un atomik çapı 0.080 nm, 13Al'mun ki ise 0.143 nm'dir. Bütün bunların yanında elektron kaybettiği zaman oluşan iyonun çapının daha küçük, elektron kazandığı zaman oluşan iyonun çapının da daha büyük olacağı bilinmektedir.
İyonlaşma Enerjisi:
Herzaman dışarıdan ısı alan (endotermik) bir kimyasal olaydır. Gaz halindeki bir atomdan bir elektronu çıkarabilmek için gerekli minimum enerjiye iyonlaşma enerjisi ismi verilir. Bir elektronu çıkarmak için gerekli enerji birinci iyonlaşma enerjisi, ikinciyi çıkarmak için gerekli enerji ikinci iyonlaşma enerjisi üçüncüyü çıkarmak için gerekli enerjide üçüncü iyonlaşma enerjisi ismini alır. Tabii ki birinci iyonlaşmadan sonra + yüklü bir iyon oluşur. Artık bu + yüklü iyondan ikinci bir elektronu çıkarmak veya üçüncü bir elektronu çıkarmak daha büyük bir enerji gerektirir.
He(g) -------------> He+(g) + e- + 2372 kj/mol (birinci iyonlaşma enerjisi)
He+(g) -----------> He+²(g) + e- +5247 kj/mol (ikinci iyonlaşma enerjisi)
Atom büyüklüğü arttıkça iyonlaşma enerjisi azalır. Buna göre periyotlarda soldan sağa doğru gittikçe atom çapı küçülür ve iyonlaşma enerjisi artarken, gruplarda yukarıdan aşağı indikçe atom çapı büyüdüğünden iyonlaşma enerjisi azalır.
Bazı elementlerin I. iyonlaşma enerjileri (kJ/mol).
Elektron İlgisi:
İyonlaşma olayının tersine, gaz halindeki bir atomun bir elektron yakalaması ile açığa çıkan enerjiye elektron ilgisi denir. Bu durumda eksi yüklü bir iyon oluşur.
O(g) + e- -------> O- (g) -141 kj
O-(g) + e- -------->O-2(g) -879 kj
Atoma yaklaşan elektron atoma ait elektron bulutu tarafından itilirken çekirdek tarafından da çekilir. Bu çekme itmeden büyük olursa enerji yayınlanır. Birinci elektron alma çoğunlukla enerji yayınlar (ekzotermik) fakat ikinci ve üçüncü elektron almalar daima dışarıdan enerji isteye (endotermik) olaylardır.
Bazı elementlerin elektron ilgileri.
Elektronegatiftik:
Elektronegatiflik iyonlaşma enerjisi ve elektron ilgisini birleştiren bir tanımdır. Bir atomun molekül içinde bir kimyasal bağda elektronları kendine doğru çekme yeteneğidir. Elektronegatiflik periyodik tabloda soldan sağa gittikçe artar, yukarıdan aşağı indikçe azalır. Elektronegatifliği en yüksek olan flor için 4.0 standart kabul edilerek buna göre diğer bazı elementlerin elektronegatiflik değerleri ve elementlerin atom numaraları ile elektronegatiflik değerlerinin değişimi grafiği aşağıda verilmiştir.
İzoelektronik:
Bazı elementler elektron alıp vererek diğer bazı kementlerin elektron sayısına eşit elektrona sahip olabilirler. Elektron sayıları eşit olan element veya iyonlara izoelektronik ismi verilir. Örneğin 10Ne 10 elektron, 9F 9 elektrona sahiptir. Flor bir elektron daha alarak 10 elektrona sahip (F iyonu) olur. Böylece 10Ne ile 9F - izoelektroniktir denir. Buna benzer şekilde 7N¯³, 8O¯², 9F¯, 10Ne , 11Na+ , 12Mg², 13Al³ birbiriyle izoelektroniktir. Hepsinin on elektronu bulumaktadır.
Analitik Kavramı
Analitik kimya, bir maddenin bileşenlerinin ayrılması, tanınması ve miktarlarının bulunması işlemlerini içerir. Analitik kimyada yapılan analizleri nitel analiz ve nicel analiz olarak iki gruba ayırabiliriz. Nitel analiz (kalitatif), örneğin hangi bileşik, iyon veya element içerdiğini belirlemeyi sağlar. Nicel analiz (kantitatif) ise örnekteki bileşenlerin bağlanma miktarlarının bulunmasını sağlar.
Analitik İşlemler
Analizde kullanılan kantitatif yöntemler içinde ilk kullanılanlar (klasik yöntemler), gravimetri ve volumetri olarak bilinir. Gravimetrik yöntemde analiz edilen madde (analit) veya onun bir bileşiğinin kütlesi belirlenir, volumetrik yöntemde ise analitle tam tepkime veren bir maddenin çözeltisinin hacmi bulunur.
Diğer bir yöntem ise enstrümental yöntemler (aletli analiz yöntemleri) adını alır. Önemli enstrümental yöntemler, spektroskopik yöntemler, elektroanalitik yöntemler ve ekstraksiyon yöntemleridir.
Analiz İçin Numunenin Hazırlanması
Katı örnekler değişen miktarda nem içerirler. Bazı analizlerde bu yanlış sonuca götüreceği için nemin uzaklaştırılması gerekmektedir. Bunun için örnek 100-105oC' da sabit tartım elde edilinceye kadar ısıtılır, örnek bu sıcaklıkta bozunuyorsa daha düşük basınç altında ısıtılarak adsorplanan maddeler uzaklaştırılır.
Eğer katı örneği kristal suyunu uzaklaştırarak analiz etmemiz gerekiyorsa örneği, daha yüksek sıcaklıklarda ısıtmakta yarar vardır.
Katı örnekleri çözelti haline getirmek için ilk yapılması gereken, o örnek için doğru çözücüsünün bulunması olmalıdır. Eğer örneğin çözülmesi yavaş olur ise bunun için örnek çözücüsü ile karıştırıldıktan sonra su banyosunda ya da düşük sıcaklıktaki ısıtıcı plaka üzerinde yavaş yavaş ısıtılabilir.
Bazı katılar çözünmesi çok zordur. Bu tür maddeler, sodyum karbonat, sodyum peroksit, potasyum bisülfat, potasyum pirosülfat, borik asit, boraks gibi eritiş maddeleri ile ısıtılır yani eritiş yapılır.
Analiz yaparken sonucun doğruluğundan emin olmak için paralel çalışılması şarttır. Tartımlar ve seyreltmeler hassas yapılmalıdır.
Çözeltiler
İki veya daha fazla maddenin homojen karışımına çözelti denir. Genelde fazla miktarda bulunan maddeye çözücü, diğerlerine ise çözünen denir. Analitik kimyada genellikle sıvı çözeltiler önemli bir rol oynar. Sıvı çözeltiler, katının sıvıda, sıvının sıvıda veya gazın sıvıda çözünmesiyle oluşur.
Gazların sudaki çözünürlüğü sıcaklık arttıkça azalır, basınç arttıkça artar. Birbirine benzer yapıdaki maddeler (polar) birbiri içinde çözünürler, örneğin alkol suda çözünür, benzen (apolar) çözünmez. Suyun, polar bileşikler için iyi bir çözücü olduğu unutulmamalıdır.
Katıların çözücücüleri içerisindeki çözünebilirlikleri değişkendir. Bu çözünme miktarları sıcaklıkla değişir. Herhangi bir sıcaklıkta maksimum çözünme miktarından söz edilir. Bu maksimum, çözünme miktarı tanım olarak maddenin çözünürlüğünü de gösterir. Maddenin maksimum miktarda çözündüğü çözelti haline doygun çözelti denir.
Doymamış çözelti bir katının çözücüsü içerisinde çözünebileceği maksimum değerden daha az miktarda çözünmesi ile oluşur.
Doygun çözeltidekinden daha çok madde içeren çözeltiye aşırı doymuş çözelti denir. Bu durumda bir miktar katı çözünmeyerek dipte kalır.
Analitikte bir diğer kavram seyreltik ve derişik çözeltilerdir. Seyreltik çözeltiler birim hacimde daha az mol içermektedir. Genel olarak çözeltiler önce derişik hazırlanır, daha sonra istenen derişim elde edilmek üzere çözücü eklenmek suretiyle seyreltilir.
Derişim
Bir çözeltinin bilinen bir hacmindeki çözünen madde miktarı derişim (konsantrasyon) olarak tanımlanır. Derişim, yüzde derişim, molarite, normalite, ppt, ppm ve ppb cinsinden ifade edilebilir. Bunlardan başka mol kesri, mol yüzdesi ve molalite gibi derişim tanımları da kullanılabilir.
Yüzde derişim
Bir çözeltinin konsantrasyonu yüzde olarak birkaç şekilde ifade edilir. Karışıklıkları önlemek için kullanılan çözeltinin yüzde konsantrasyonu mutlaka açık olarak belirtilmelidir. Eğer bu bilgi olarak belirtilmemiş ise çözeltinin türünden çıkartılmaya çalışılır. Bu ifadelerin belirtilmesinin ne denli önemli olduğunu en iyi anlatacak örnek; ağırlıkça (w/w) % 50'lik NaOH çözeltisi, 1 litresinde 763 g NaOH içeriyor demektir. Bu da hacimde ağırlıkça yüzde (w/v) olarak % 76.3 demektir.
Ağırlıkça Yüzde (w/w)
Ağırlıkça yüz birim çözeltide bulunan çözünenin ağırlıkça kesridir. Genellikle ticari sulu reaktifler için kullanılır. Örneğin hidroklorik asit % 37'lik (w/w) çözelti halinde satılır.
% (w/w) = çözünen maddenin ağırlığı (g) / [çözünen madde (g) + çözücünün ağırlığı (g)] x100
Örnek:
500 mL % 50'lik (w/w) NaOH çözeltisi nasıl hazırlanır?
% 50 = [X / (X +(500 -X)] x 100 X = 250 g çözünen
O halde bu çözeltinin hazırlanmasında 250 g NaOH alınır ve üzerine 250 mL saf su eklenir.
Hacimce Yüzde (v/v)
Hacimce 100 birim çözeltide bulunan çözünenin hacimce kesridir. Saf bir sıvının başka bir sıvı ile seyreltilmesi ile hazırlanan çözeltiler için kullanılır.
% (v/v) = [(çözünen sıvının hacmi (mL) / çözeltinin hacmi (mL)] x 100
Örnek:
150 mL % 28'lik (v/v) sulu etil alkol çözeltisi nasıl hazırlanır?
% 28 = (X / 150 mL) x 100 X = 42 mL
42 mL etil alkol alınır ve son hacim saf su ile 150 mL'ye tamamlanır
Hacimde Ağırlıkça Yüzde (w/v)
Hacimce 100 birim çözeltide bulunan çözünenin ağırlıkça kesridir. Katı maddelerin seyreltik sulu çözeltilerinin hazırlanması için kullanılır.
% (w/v) = [çözünen maddenin ağırlığı (g) / çözeltinin hacmi (mL)] x 100
Örnek:
250 mL % 20'lik (w/v) NaCl çözeltisi hazırlamak için kaç gram NaCl gerekir?
% (w/v) = ( w1 / v) x 100 % 20 = (w1 / 250) x 100 w1 = 50 g
Bu durumda 50 g NaCl tartılır, suda çözülerek son hacim saf su ile 250 mL'ye tamamlanır.
Molarite
litre çözeltide çözünen maddenin mol sayısını gösterir. M harfi ile gösterilir.
M= n (mol) / V (L)
Örnek:
500 mL 0.1 M NaOH çözeltisi hazırlamak için kaç gram NaOH tartılmalıdır?
MA (Molekül ağırlığı NaOH)= 23 + 16 + 1 = 40 g/mol
M= n / V 0.1 mol/L= n / 0.5 (L) n= 0.05 mol
n= m/MA 0.05 mol= m /40 (g/mol) m= 2 g
2 g NaOH tartılarak son hacim dikkatlice 500 mL'ye tamamlanır.
Normalite
Çözeltinin 1 mL'sinde bulunan çözünen maddenin milieşdeğer gram sayısıdır. Aynı ifade litresindeki eşdeğer gram sayısı olarak da belirtilebilir.
N= (m /eşdeğer gram sayısı) /V
Eşdeğer gram sayısı: Molekül ağırlığı / Tesir değerliği
Tesir Değerliği (TD): Asitlerin ortama verdiği H+ iyonu sayısı, bazların ortama verdiği OH-iyonu sayısı, tuzların ise ortama verdiği veya aldığı elektron sayısına tesir değerliği denir.
Örneğin H2SO4 için bu değer 2'dir. Çünkü sülfürik asit 2 tane H+ iyonunu sulu çözeltisine verebilir. NaOH, HNO3, HCl için bu değer 1'dir. Aşağıda bazı bileşiklerin tesir değerliği verilmiştir. Fakat tesir değerliği hesaplanırken, tesir değerliği bulunacak maddenin reaksiyona girdiği madde ile verdiği tepkimeye göre tesir değerliğinin değişebileceği unutulmamalıdır. Bu nedenle son dönemlerde normalite kavramı yerine maddenin reaksiyonu yazılarak stokiyometrik oran üzerinden hesaplama yapılmaktadır.
Molarite ve normalite arasında N = M x TD bağlantısı vardır.
ppt (binde bir), ppm (milyonda bir) ve ppb (milyarda bir) Hesaplamaları
Eser miktardaki çözeltilerin derişimini belirtmek amacıyla kullanılır.
ppt = (g çözünen / kg veya litre çözelti)
ppm = (mg çözünen / kg veya litre çözelti)
ppb = (µg çözünen / kg veya litre çözelti) şeklinde ifade edilir.
Not: Bazen ppt ifadesi part per thousand (binde bir) olarak kullanıldığı gibi bazende part per trillion (trilyonda bir) olarak da ifade edilebilir. Bu nedenle hangi ifade için kullanıldığına dikkat edilmelidir.
Örnek:
Bir su örneğinin analizi sonucunda bulunan Na+ derişimi 200 ppm olarak bulunmuştur. Sudaki sodyum kaynağının NaCl olduğu düşünülmektedir. NaCl' ün derişimi hesaplayız.
Çözelti seyreltik olduğundan yoğunluk l g/mL alınabilir. Bu durumda çözeltinin litresinde 200 mg Na+ var demektir.
n (mol) = m (g) / Ma (g/mol) formülünden
önce mol sayısı bulunur.
nNa+ = ( 200 x10-3 g) / (23 g/mol) = 8,70 x 10-3 mol
V = 1 lt olduğu için n = M
[Na+] = 8,70 x 10-3 M
Bu aynı zamanda NaCl nin molaritesidir.
Mol Kesri ve Mol Yüzdesi
Mol kesri, çözeltideki bileşenlerden birinin mol sayısının toplam mol sayısına oranıdır. Genel olarak X ile gösterilir. Bazen X, 100 ile çarpımı olarak da ifade edilir, bu durumda mol yüzdesinden söz edilir.
X çözünen = n çözünen / n toplam X çözücü = n çözücü / n toplam
X çözünen + X çözücü = 1 dir.
Örnek:
1,5 mol metanol 50 g suda çözülüyor. Elde edilen çözeltinin metanol ve su yönünden mol kesri ve mol yüzdeleri nedir?
CH3OH (32 g/mol); H2O (18g/mol) .
n (mol) = m (g) / Ma (g/mol) formülünden suyun mol sayısını bulalım.
n (mol) = 50 / 18 = 2,78 mol
X etil alkol= (1,5 / (1,5+2,78)) = 0.350
% X etil alkol = 100 x 0.350 = 35,0
X çözünen + X çözücü = 1
X çözücü = 1 - X çözünen
X çözücü = 1 - 0.350 = 0,650
% X su = 100 x 0.650 = 65,0
Molalite
1000 g çözücüde çözünen maddenin mol sayısını gösterir. m ile gösterilir.
m = (n / w) x 1000
Kimyasal Tepkimeler
Kimyasal tepkimeleri yer değiştirme tepkimeleri ve indirgenme yükseltgenme tepkimeleri olarak sınıflandırabiliriz.
Nötürleşme tepkimeleri
HCl + NaOH === NaCl + H2O
Çökme tepkimeleri
AgCl + KNO3 ==== AgCl(k) + KNO3
Uçucu bileşik oluşumu
Na2CO3 + 2HCl ===== 2NaCl + H2O + CO2(g)
Yükseltgenme- İndirgenme tepkimeleri
6Fe² + Cr2O7¯² + 14H =====6Fe³ + 2Cr³ + 7H2O
Kimyasal Tepkimelerin Denkleştirilmesi
C6H14O4 + O2 ======= CO2 + H2O
Yukarıdaki tepkimede reaksiyona giren H, C ve O atomları sayısı ile reaksiyondan çıkan H, C ve O atomları sayısı birbirine eşit değil. Öncelikle denkleştirme yapılmalıdır. Bu işlem aşağıdaki sıra takip edilerek yapılabilir.
1. Denklemin sol tarafında 6 C atomu olduğu için sağ taraftaki CO2 nin basına 6 eklenir.
C6H14O4 + O2 ======= 6CO2 + H2O
2. Denklemin sol tarafında 14 H atomu olduğu için sağ taraftaki H2O nun başına 7 eklenir (7x2=14)
C6H14O4 + O2 ======= 6CO2 + 7H2O
3. En son olarak O denkleştirilmesi yapılır. Reaksiyonun sağ tarafında 12 + 7 =19 tane O atomu bulunmaktadır. Bu nedenle sol taraftaki O2 başına 15/2 yazılır. ( 19-4 =15)
C6H14O4 +15/2 O2 ======= 6CO2 + 7H2O
4. Kesirli sayıdan kurtulmak için her iki taraftaki katsayılar 2 ile çarpılır.
2C6H14O4 + 15O2 ======= 12CO2 + 14H2O
Yükseltgenme - İndirgenme Reaksiyonları
Asidik Ortamdaki Yükseltgenme -İndirgenme Reaksiyonları
Fe² + Cr2O7¯² ======== Fe³ + Cr³ (asidik ortam)
1. Oksijen ve hidrojen dışında elementlerin sayısı, yarı tepkimelerin her iki tarafında eşit hale getirilir.
Fe² ===== Fe³ Cr2O7¯² ======== 2 Cr³
2. Reaksiyonun sağ ve sol tarafındaki O sayıları hesaplanarak eksik olan tarafa eksik sayı kadar H2O eklenir.
Fe² + Cr2O7¯² ======== Fe³ + 2Cr³ + 7H2O
3. Hidrojen eksikliği kadar H+, gereken tarafa yazılır.
Fe²+ Cr2O7¯² +14 H ======== Fe³ + 2Cr³ + 7H2O
4. Yük denkliğini sağlamak için uygun tarafa uygun sayıda elektron eklenir.
Fe² ===== Fe³ + e¯ 6 e` + Cr2O7¯² + 14 H ======== 2 Cr³ +7H2O
+2 +3 -1 -6 -2 +14 +6
5. Reaksiyonun sağ ve sol taraflarındaki elektron sayılarını eşitlemek için her bir tepkime gerekli sayı ile çarpılır.
6Fe² ===== 6Fe³ + 6 e` 6 e` + Cr2O7¯² + 14 H ====== 2 Cr³ + 7H2O
6. Yukarıdaki iki yarı tepkime taraf tarafa toplanır, Birbirine zıt tarafta olan 6e` birbirini götürür. Sonuç tepkimede elektron görülmemelidir.
6Fe² + Cr2O7¯² + 14 H ====== 6Fe³ + 2 Cr³ + 7H2O
Bazik Ortamdaki Yükseltgenme -İndirgenme Reaksiyonları
MnO4 + N2H4 ====== MnO2 + N2
iyonik tepkimesini ele alalım.
1. Tepkime iki eşitliğe bölünür
MnO4- ===== MnO2 N2H4 ====== N2
2. Yarı tepkimelerdeki oksijen atomu eksikliği olan tarafa, her bir O atomu için bir H2O molekülü eklenir.
MnO4` ===== MnO2 + 2H2O
3. H denkliği yapılırken her bir H atomu için karşı tarafa H2O molekülü eklenir
4H2O + MnO4` ===== MnO2 + 2H2O
4. Eklenen her bir H2O molekülü için tepkimenin ters tarafına OH` eklenir.
4H2O + MnO4`===== MnO2 + 2H2O + 4OH`
5. Tepkimenin her iki tarafında birbirinin aynısı moleküller varsa öncelikle onlar elimine edilir.
2H2O + MnO4` ===== MnO2 + 4OH`
6. Birinci yarı tepkimeyle işimiz bittikten sonra ikinci yarı tepkime denkliklerine başlanır. Tepkimenin bir tarafındaki her bir H atomu için diğer tarafa 1 H2O eklenir.Eklenen her bir H2O molekülü için diğer tarafa OH` eklenir
4OH` + N2H4 ===== N2 + 4H2O
7. Her bir yarı tepkimedeki elektron eksiklikleri tamamlanır.
3e` + 2H2O + MnO4` ====== MnO2 + 4OH`
4OH` + N2H4 ===== N2 + 4H2O + 4e`
8. Ortak bir çarpan bulunarak 2 reaksiyondaki elektronların alt alta toplama yapıldığı zaman birbirini götürmesi sağlanır.
12e` + 8H2O + 4MnO4` ====== 4MnO2 + 16OH`
12OH` + 3N2H4 ===== 3N2 + 12H2O + 12e`
9. Sadeleştirilmeler yapıldıktan sonra denkleşmiş reaksiyon elde edilir.
4 MnO4` + 3N2H4 ====== 4MnO2 + 3N2 + 4OH`
Kimyasal Hesaplamalar
Bir tepkimeye giren atom, molekül veya iyonlar arasındaki kütle ve sayı ilişkisini veren hesaplara kimyasal hesaplamalar (stokiyometri) denir. Kimyada bu hesaplamaların yapılabilmesi için tepkimenin denkleştirilmiş olması gerekir. Denkleştirme hem kütle hem de yük bakımından yapılmalıdır.
Örnek
NaOH üretiminde Na2CO3 ve Ca(OH)2 kullanılmaktadır. 500 g Na2CO3 kullanıldığında ne kadar NaOH üretilir.
Bu tür problemlerde ilk yapılması gereken reaksiyonun yazılarak, reaksiyondaki denkleştirilmelerin yapılmasıdır. Bu bir yer değiştirme reaksiyonudur.
Na2CO3 + Ca(OH)2 ===== 2NaOH + CaCO3
Yukarıdaki reaksiyona bakacak olursak 1 mol Na2CO3'dan 2 mol NaOH oluşmaktadır.
1 mol Na2CO3= 105,9 gr/mol
1 mol NaOH = 40 gr/mol
105,9 g Na2CO3 80 g NaOH
500 g x g NaOH
x = 500 x 80/105,9
x = 377 g NaOH oluşur
Örnek:
4,00 mol Fe ile 5,00 mol H2O nun tepkimesi sonucunda kaç mol H2 oluşur?
3Fe + 4H2O ====== Fe3O4 + 4H2
İki reaktantın (giren ürün) miktarı verildiği için öncelikle hangi reaktantın sınır belirleyici olduğunu bulmak gerekiyor. Yani reaktantlardan biri tamamen reaksiyona girerken diğerinin bir kısmı reaksiyona girip bir kısmı artacak.
3 mol Fe 4 mol H2O (tepkimeye göre)
4,00 mol Fe x mol H2O
x = (4 x 4) / 3
x = 5,33 mol H2O
Bu demektir ki bu reaksiyonun olabilmesi için 5,33 mol H2O' ya ihtiyacımız var. Fakat elimizde 5,00 mol H2O bulunmaktadır.
O zaman bu reaksiyonun sınır reaktantı H2O. 5 mol H2O için kaç mol Fe gerektiği bulunmalıdır.
3 mol Fe 4 mol H2O (tepkimeye göre)
x mol Fe 5 mol H2O
x = (5 x 3) / 4
x = 3,75 mol Fe gerekmektedir.
Elimizde 4,00 mol Fe zaten var . Öyleyse eldeki Fe'in 3,75 molü 5,00 mol H2O reaksiyona girecek ve 0,25 mol Fe reaksiyona girmeden kalacak.
Diğer bir deyişle hesaplamalar yapılırken H2O temel alınacak
4 mol H2O reaksiyona girdiğinde 4 mol H2 oluşuyorsa (reaksiyondan)
5 mol H2O x mol H2
x = (5 x 4) / 4
x = 5 mol H2 oluşur.
