Genel Kimya: Madde Nedir? Maddelerin Sınıflandırılması

GENEL KİMYA

MADDE NEDİR?

MADDELERİN SINIFLANDIRILMASI

Kütlesi olan ve uzayda yer kaplayan her şey maddedir ve kimya madde ile maddelerin değişimini inceleyen pozitif bir bilim dalıdır. Tüm maddeler temel olarak en azından ilkece, üç hâlde bulunabilirler; bunlar katı, sıvı ve gaz hâlleridir. Katılar belirli ve kesin şekilleri olan yapılardır. Sıvılar katılardan daha az rijit yapılı olup akışkandır ve bulundukları kabın şeklini alabilirler. Sıvılar gibi gazlar da akışkandır ve bulunduğu ortamın hacmini doldurma eğilimindedirler, ama onlardan farklı olarak sınırsız genleştikleri kabul edilir. Ayrıca tüm gazlar için genleşme sabiti aynıdır.

Bir maddenin üç hâli, bileşimleri değişmeksizin bir fiziksel hâlden diğerine dönüşebilir. Bir katı ısıtılarak sıvı oluşturmak üzere erir. Bu dönüşümün olduğu sıcaklık erime noktası olarak adlandırılır. Daha fazla ısıtılması ile sıvı, gaz hâline dönüşür. Bu dönüşüm sıvının kaynama noktasında gerçekleşir. Diğer taraftan, gazın soğutulması ile yoğunlaşarak sıvı faza dönüşümü gerçekleşir. Soğutma sürdürülürse donma gerçekleşir ve sıvı katıya döner. Suyun sıvı hâlde, katı hâline göre daha sıkı bir molekül istiflenmesine sahip olması, sıvıların genel özelliklerine uymaz ve suya özgüdür.

Saf Maddeler ve Karışımlar

Saf madde, belirli ya da sabit bir bileşimi olan, kendi özgü nitelikleriyle ayırt edilebilen ve fiziksel yöntemlerle bileşenlerine ayrılamayan maddelerdir. Su, gümüş, etanol, sodyum klorür, karbondioksit birer saf maddedir. Saf maddeler bileşim olarak birbirlerinden farklıdır ve görünüşleri, kokuları, tatları ve diğer özellikleriyle birbirlerinden ayırt edilirler. Hâlihazırda 20 milyon civarında saf madde tanımlanmıştır ve bu liste giderek büyümektedir.

Karışımlar, iki ya da daha fazla sayıda saf maddeyi içeren, saf maddelerin kendine has özelliklerini koruduğu, fiziksel olarak bileşenlerine ayrılabilen maddelerdir. Hava, çeşitli meşrubatlar, süt ve çimento bazı karışım örnekleridir. Karışımların sabit bir bileşimi olmayıp keyfî oranlarda hazırlanabilir. Örneğin, farklı kentlerden alınacak hava örneklerinde dahi örneğin alınan yerin yüksekliği, kirliği gibi etmenler bileşimi etkileyebilir.

Karışımlar homojen ya da heterojen olabilir. Bir kaşık şeker suda çözündüğünde yeterince karıştırılsa “karışımın bileşimi çözeltinin her noktasına aynıdır” şeklinde teorik bir yorum yapılabilir. Bu şekilde bir homojen karışım elde edilir. Diğer taraftan kum ile demir tozlarının oluşturduğu karışımda, kum taneleri ile demir tozlarının oluşturduğu karışımda, kum taneleri ile demir tozları görünebilir hâlde ayrı kalırlar. Bu tür karışımlarda bileşim her noktada aynı değildir ve heterojen karışım meydana gelmiş olur. Yağın su içine eklenmesi hâlinde de, sıvının her tarafı sabit bileşimde olmadığından heterojen bir karışım elde edilir.

Homojen ya da heterojen bir karışım kolayca oluşturulabilir ve bileşenlerin özelliklerinde bir değişiklik olmaksızın, fiziksel yöntemlerle saf bileşenlerine tekrar ayrılabilir. Örneğin, şekerin sulu çözeltisi ısıtılıp suyu buharlaştırılarak şeker geri kazanılır. Demir-kum karışımında, kum mıknatıstan etkilenmediğinden, demiri kumdan ayırmak üzere mıknatıs kullanılabilir. Ayırma işleminden sonra, karışımın bileşenleri başlangıçtaki ile aynı bileşim ve özelliklere sahip olacaklardır.

Elementler ve Bileşikler

Saf bir madde element ya da bileşik olabilir. Saf madde kimyasal yöntemlerle daha basit bileşenlerine ayrılamıyorsa bu madde bir elementtir. Halen 115 elementin tanımlanması mümkün olmuştur.

Kimyacılar elementleri simgelerle göstermek için alfabedeki harfleri kullanırlar. Elementi gösteren simgenin ilk harfi daima büyük yazılır, ikincisi ise büyük yazılmaz. Örneğin Co kobaltın simgesini gösterirken CO karbonmonoksidi göstermektedir ve bu bileşik karbon ile oksijen elementlerinden oluşur. Bazı elementlerin simgesi Latince isimlerinden türetilmiştir. Örneğin Au, aurum’dan, Fe, ferrum’dan ve Na, natrium’dan türetilmiştir. Bazıları da İngilizce isimlerinden oluşturulmuştur.

Yer kabuğunun %90’dan fazlasını sadece beş element (oksijen, silisyum, alüminyum, demir ve kalsiyum) oluşturur. Bu beş elementten sadece oksijen canlı sistemlerde en çok bulunan elementtir.

Elementlerin çoğu başka elementlerle etkileşerek bileşikleri oluştururlar. Bir bileşik, iki ya da daha çok elementin kimyasal olarak etkileşmesiyle sabit oranlarda birleşip tamamen farklı özelliklerde ürün oluşturmasıyla meydana gelir. Örneğin, hidrojen gazı oksijen gazıyla yanarak suyu oluşturur ve suyun özellikleri oksijen ve hidrojenden tamamen farklıdır. Su iki kısım hidrojen ile bir kısım oksijenin birleşmesiyle oluşur. Suyun bileşimi Türkiye’deki bir musluktan, Çin’deki Yangtze Irmağı’ndan ya da Mars’taki bir buz kapsülünden alınmasına bağlı değildir. Bileşikler, karışımlardan farklı olarak sadece kimyasal yolla kendisini oluşturan saf bileşenlerine ayrılabilirler.

Maddenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Saf maddeler bileşimleri ile olduğu kadar kendilerine özgü özellikleri ile de ayırt edilebilirler Bir fiziksel özellik, maddenin özelliği ya da kimyasal yapısı değiştirilmeden incelenebilir ya da ölçülebilir. Örneğin, bir buz kütlesini ısıtıp suya dönüşmesini sağlarken sıcaklık değişimini kaydetmek suretiyle buzun erime noktasını ölçebiliriz. Su sadece görünüş olarak buzdan farklıdır ama bileşim olarak bir farklılık yoktur. Bu bir fiziksel değişimdir ve su dondurularak tekrar buz hâline dönüştürülebilir. Buna göre bir maddenin erime noktası fiziksel bir özelliktir. Benzer şekilde, helyum gazının havadan hafif olduğunu söylerken de maddelerin fiziksel özelliklerini karşılaştırıyoruz demektir.

Diğer taraftan, “hidrojen gazı oksijen gazı içinde su oluşturarak yanar” ifadesi hidrojenin kimyasal özelliğini belirtir. Çünkü bu özelliğin gözlenebilmesi için kimyasal bir değişim olması gerekir ve bu değişim yanmadır. Değişimden sonra çıkış maddeleri olan hidrojen ve oksijenin tüm özellikleri değişmiş, bunların yerini, kimyasal özelliği tamamen farklı olan su almıştır. Hidrojen ve oksijeni, kaynama ya da donmaya benzer bir fiziksel değişim yardımıyla geri kazanmak mümkün değildir.

Yumurtanın suda kaynatılmasıyla yumurtada kimyasal bir değişim gerçekleştirilir. Sıcaklık 100 C derece dolayına geldiğinde, yumurtanın hem sarısı hem de akı sadece fiziksel görünüşlerini değil, aynı zamanda kimyasal yapılarını da değiştirirler. Yumurta yenildiğinde, vücutta bulunan ve enzim olarak adlandırılan maddelerle etkileşerek tekrar değişime uğrar. Midede gerçekleşen bu olay da kimyasal değişime bir başka örnektir. Böyle bir olay sırasında nelerin olduğu, enzim ve gıda içeriğinin kimyasal özelliklerine bağlıdır.

Maddenin ölçülebilir özellikleri iki grupta toplanır: bunlar kapasite özellikleri ve şiddet özellikleridir. Kapasite özelliğinin ölçülen değeri, söz konusu maddenin ne kadarının dikkate alındığına, yani miktarına bağlıdır. Kütle, uzunluk ve hacim birer kapasite özelliğidir. Daha fazla madde daha fazla kütle demektir. Bazı kapasite özelliği değerleri birbiri üzerine eklenebilir. Örneğin, iki tane bakır paranın kütlesi, iki ayrı bakır paranın kütleleri toplamı kadardır. İki beher suyun işgal ettiği hacim, her iki beherde bulunan su hacimleri toplamına eşittir.

Şiddet özelliğinin ölçülen değeri, göz önüne alınan maddenin miktarına bağlı değildir. Sıcaklık bir şiddet özelliğidir. Aynı sıcaklıkta ancak farklı miktarlarda iki tane su dolu beher alalım. Bu iki beherdeki suyu daha büyük bir beher içinde bir araya getirecek olursak su miktarlarına bakılmaksızın sıcaklık başlangıç durumundaki ile aynı olur. Kütle ve hacimden farklı olarak erime noktası, kaynama noktası ve yoğunluk gibi diğer şiddet özellikleri de toplanamayan özelliklerdir.

Ölçme

Kimyada çalışmalar ağırlıklı olarak ölçmeler üzerinedir. Örneğin kimyacı, farklı maddelerin özelliklerini anlamak ya da bir deney sonucundaki miktar değişimlerini kıyaslamak için ölçüm sonuçlarını kullanır. Maddelerin özellikleri ile ilgili basit ölçümler yapmak için genel amaçlı birkaç tane düzenek yeterlidir. Metre ile uzunluk ölçülür. Büret, pipet, dereceli silindir ve ölçme balonu ile hacim ölçülür; terazi ile kütle, termometre ile sıcaklık ölçülür. Bu aletlerle makroskobik özellikler, yani doğrudan belirlenebilir özelliklerin ölçümü gerçekleştirilir. Atom ya da molekül düzeydeki özellikler olan mikroskobik özellikler dolaylı yöntemlerle belirlenir.

Ölçülen bir miktar genel olarak sayılarla ve uygun birimlerle ifade edilir. Örneğin, New York ile San Francisco arasındaki uzaklığın araba ile 5166 olduğunu söylemenin hiçbir anlamı yoktur. İki kent arası uzaklığın 5166 kilometre olduğunun belirtilmesi gerekir. Bilimde ölçme sonuçlarını doğru ifade edebilmek için birimlerini belirtmek zorunludur.

SI Birimleri

Bilim insanları uzun yıllar ölçme sonuçlarını metrik birimlerle, ondalıklarla yani 10’un kuvvetleri olarak kaydetmişlerdir. Bununla beraber, 1960 yılında Ağırlık ve Ölçü Genel Konferansında bir araya gelen uzmanlar, Uluslararası Birim Sistemi (SI, System Inteational d’Unites) olarak adlandırılan, yeniden düzenlenmiş metrik sistemi önermişlerdir. Ölçüm sonuçlarının verildiği diğer tüm SI Birimleri de 10’un kuvvetleri biçiminde ifade edilebilir. Kimya alanındaki çalışmalarda zaman, kütle, hacim, yoğunluk ve sıcaklık gibi ölçümler oldukça sık kullanılmaktadır.

SI Temel Birimleri

Temel Çokluk	Birimin Adı	Simge
Uzunluk	Metre	m
Kütle	Kilogram	kg
Zaman	Saniye	s
Elektrik Akımı	Amper	A
Sıcaklık	Kelvin	K
Madde Miktarı	Mol	mol
Işık Şiddeti	Kandil	cd

Kütle ve Ağırlık

Kütle, bir cismin madde miktarının ölçüsüdür. Kütle ve ağırlık terimleri çoğu kez birbiriyle karıştırılır ve birinin yerine diğeri kullanılır. Ancak bu iki terim kesin olarak birbirinden farklıdır. Bilimsel olarak ağırlık bir cisim üzerine etkiyen yer çekimi kuvvetidir. Elmanın kütlesi sabittir ve bu kütle elmanın nerede olduğuna bağlı değildir, ancak ağırlık nerede olduğuna bağlıdır. Örneğin ay yüzeyinde bulunan bir elmanın ağırlığı, ay kütlesinin daha küçük olması sebebiyle yeryüzündekinin altıda biri kadardır. Bu nedenle astronotlar ay yüzeyinde üzerlerinde ağır giysi ve cihazlar olduğu hâlde sıçrayarak rahat bir şekilde hareket edebilmektedirler. Bir cismin kütlesi terazi ile kolayca belirlenebilir ve bu işlem tartma olarak adlandırılır.

SI Biriminde Kullanılan Önekler

Önek	Simge	Anlamı	Önek
Tera-	T	1012	Terametre
Ciga-	G	109	Cigametre
Mega-	M	106	Megametre
Kilo-	k	103	Kilometre
Desi-	d	10-1	Desimetre
Santi-	c	10-2	Santimetre
Mili-	m	10-3	Milimetre
Mikro-	µ	10-6	Mikron
Nano-	n	10-9	Nanometre
Piko-	p	10-12	Pikometre

Hacim

Hacim uzunluğun küpü olduğundan SI birim sisteminden türetilmiştir ve birimi metreküptür (m³). Ancak kimyacılar daha çok santimetreküp (cm³) ve litre gibi hacimlerle çalışır.

SI birim sisteminde olmayan ancak yaygın olarak kullanılan hacim birimi litredir. Bir litre, bir desimetreküp hacme eşittir. Kimyacılar genellikle sıvıların hacmini belirtmek için L veya mL kullanırlar. Bir litre, 1000 mililitre (mL) veya 1000 santimetreküpe eşittir. Dolayısıyla 1 mililitre, 1 santimetreküpe eşittir.

Yoğunluk

Yoğunluk, bir maddenin birim hacminin kütlesidir ve madde kütlesi, maddenin hacmine bölünerek bulunur. d=m/v formülünde d yoğunluk (özkütle), m kütle, v hacimdir. Görüldüğü gibi yoğunluk bir şiddet özelliği olup mevcut maddenin kütle miktarına bağlı değildir. V arttığı zaman m de arttığından söz konusu madde için bu iki büyüklüğün oranı sabit kalır.

Yoğunluğun SI den türetilen birimi, metreküp hacim başına düşen kütledir (kg/m³). Bu birim kimyasal uygulamalar için son derece büyüktür. Bu nedenle, santimetreküp başına gram ve bunun eş değeri olan mililitre başına gram birimleri, sıvı ve katı yoğunluklarını belirtmek üzere yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bazı maddelerin 25 C derecedeki yoğunlukları verilmiştir:

Madde	Yoğunluk (g/cm3)
Hava	0,001
Etanol	0,79
Su	1,00
Cıva	13,6
Sofra Tuzu	2,2
Demir	7,9
Altın	19,3
Osmiyum*	22,6

*Osmiyum (Os), yoğunluğu en büyük elementtir.

Kaynaklar

Chang, Raymond, Genel Kimya Temel Kavramlar, Dördüncü Baskıdan Çeviri, Palme Yayıncılık, 2011