Genel Kimya: Atom, Element, Molekül, Bileşik Kavramları

GENEL KİMYA

ATOM, ELEMENT, MOLEKÜL, BİLEŞİK KAVRAMLARI

Necdet Ersöz

Gazi Üniversitesi Tıp Fakültesi

Atom ve Atom Kuramı

Atomlar, basitçe maddenin kimyasal olarak birleşebilen, en küçük yapı birimidir. “Atom” kavramının ortaya atılması, sanıldığının aksine son birkaç yüzyıla değil, çok daha eskiye, Antik Yunan filozoflarına dek gitmektedir. MÖ 5. Yüzyılda Yunan filozof Demokritos, tüm maddelerin, bölünemeyen veya ayrılamayan anlamındaki atomos olarak adlandırılan çok küçük taneciklerden oluştuğunu öne sürmüştür. Günümüzde kullanılan atom tanımı bu dönemden gelmektedir. Demokritos’un bu fikri, çağdaşları ve sonrasında gelen Platon ve Aristo gibi filozoflarca sıklıkla eleştirilmiş, fakat özellikle materyalist ve Atomist düşünürlerce günümüze dek getirilmiştir. Modern kimya çalışmaları, bu atom kavramının üzerine deneysel çalışmalar neticesinde farklı bilgiler eklemiştir. Bugün atom adını verdiğimiz, maddenin en temel yapı birimi olarak partiküllerin modern dönemdeki ilk tanımı J. Dalton tarafından 1808 yılında yapılmıştır. Bu Dalton atom tanımı, atoma yönelik modern kuramlar zincirini başlatmakla birlikte, modern kimyanın da başlangıcı sayılmaktadır.

Dalton Atom Kuramı:

1.      Elementler, atom adı verilen küçük ve bölünemeyen taneciklerden oluşur.

2.      Bir elementin tüm atomları kütle, boyut, hacim gibi özellikler açısından birbirinin aynısıdır. Farklı elementlerin atomları da farklıdır.

3.      Bileşikler birden çok elementin atomlarından oluşur. Herhangi iki elementin atomlarının sayılarının oranı bir tam sayı ya da basit kesirdir.

4.      Kimyasal tepkimeler atomların birbirinden ayrılması ya da birbiriyle birleşmesi sonucu meydana gelir. Atomlar yok olmaz.

Dalton Atom Kuramı, Antik dönemdeki tanımdan çok daha ayrıntılı ve doğru bir içeriğe sahiptir, ancak günümüz kimyasında eksik ya da hatalı olduğu bazı noktalar tespit edilmiştir. Dalton’un atom varsayımlarında, kendisinden önce, 1799 yılında Joseph Proust’un Sabit Oranlar Yasası’ndan yararlandığı söylenebilir. Bu yasaya göre, bir bileşiğin farklı örneklerinde bileşiği oluşturan elementler daima aynı, sabit bir oranda bulunurlar. Örneğin farklı kaynaklardan alınan karbondioksit gazı örneklerinin hepsinde karbon/oksijen oranının sabit olduğunu buluruz. Bu yasa günümüzde geçerliliğini korumaktadır. Dalton’un üçüncü varsayımı, yine kendi ismiyle anılan Katlı Oranlar Yasası’yla paraleldir. Bu yasaya göre iki element, birden fazla bileşik oluşturarak birleşebilirse, bir elementin belli bir kütlesi ile diğer elementin farklı kütleleri arasında tam sayılı bir oran vardır. Bu bileşiklerde birleşen elementlerin atomlarının sayısı farklıdır. Örneğin karbonmonoksit (CO) ve karbondioksit (CO₂) bileşiklerini incelediğimizde, iki bileşikteki sabit bir miktar karbon için, bileşiklerdeki karbon atom ya da kütleleri oranının ½ olduğu görülür. Bu sonuç Katlı Oranlar Yasası’nı açıklamaktadır. Dördüncü varsayımda da 1792 yılında Lavoisier tarafından bulunan Kütlenin Korunumu Kanunu’nun bir yansıması görülmektedir. Einstein’a göre kütle ve enerji kütle-enerji adı verilen tek bir maddenin farklı biçimleridir. Kimyasal tepkimeler ısı ya da diğer enerji türlerinin değişimi ile gerçekleşir, bu nedenle tepkimede enerji kaybı oluyorsa kütle kaybı da olur. Çekirdek tepkimeleri dışındaki kimyasal tepkimelerde kütle değişimi önemsenmeyecek derecede küçüktür. Bu nedenle kütlenin korunduğu teoride kabul edilir. Dalton’un atom üzerine varsayımları, sonraki yüzyılda modern kimyanın itici gücünü teşkil etmiştir.

Atomun Yapısı

Atom, bir elementin kimyasal olarak birleşebilen temel birimi olarak tanımlanabilir. Uzun bir süre bu atomun, asla bölünemeyecek olduğu düşünülmüştür. Ancak 1850li yıllardan günümüze dek uzanan deneysel çalışmalar eşliğinde, atomun bölünebileceği ve atom altı parçacıkların varlığı anlaşılmıştır.

Elektron

1890larda birçok bilim insanı radyasyon üzerine çalışma yapmıştır. Radyasyon temel olarak, enerjinin uzayda dalgalar halinde yayılması ve iletimidir. Bu araştırmalar, atom ve atom altı taneciklerin anlaşılmasında önemli rol oynamıştır. Bu radyasyon deneylerinde kullanılmış olan en basit araçlardan biri, günümüzde tüplü televizyonlarda da kullanılan katot ışınları tüpüdür. Crookes tüpü olarak da bilinmektedir. Tüpün havası neredeyse tamamen boşaltılmıştır. Tüpteki metal levhalar yüksek voltaj kaynağına bağlandığında katot levhasından anot levhasına doğru bir ışın yayımlanır. Anottaki bir delikten geçen ışın, tüpün floresan maddeyle kaplanmış diğer ucuna yönelir. Işın bu bölgeye düştüğünde ışıma yapar. Bazı deneylerde katot tüpünün iki ucu arasına çeşitli materyaller yerleştirilip bu materyallerin ışına etkisi gözlenmiştir.

Katot ışınlarının hareket ettiği yöne dik konumda elektrik alan ve dışsal manyetik alan bulunan cam bir katot ışın (Crookes) tüpü. N ve S mıknatıs kutuplarını gösterir. Katot ışınları manyetik alan etkisinde tüpün ucundaki A noktasına, elektrik alanın etkisinde C noktasına, bu alanlar bulunmadığında ya da bileşke vektörün sıfır olduğu durumda B noktasına çarpar.

Elektromanyetik kurama göre, hareket halindeki yüklü tanecik bir mıknatıs gibi davranır ve içinden geçtiği elektrik ya da manyetik alanla etkileşir. Katot ışını artı yüklü levhaya (anot) doğru çekilip eksi yüklü levha (katot) tarafından itildiğinden, bu ışının eksi yüklü olması beklenir. Bu eksi yüklü tanecikler, elektron olarak tanımlanır. “Elektron” ismi, Yunanca ήλεκτρον, elektra’dan gelmektedir. Çok eski dönemlerden beri, elektron ismi kullanılmasa bile sarı kehribarın fiziksel etkilerle statik olarak elektriklenebileceği bilinmektedir.

İngiliz fizikçi J. J. Thomson, katot ışınları tüpü ve elektromanyetik kuramı birleştirerek bir elektronun elektrik yükü/kütle (e/m) oranını hesaplamıştır. Thomson’un bulduğu değer, -1,76 x 10⁸ C/g’dır. (Elektronlar normalde atomlarla ilişkilendirildiği halde, tekil halde de bulunup deneysel çalışmalarla incelenebilirler.) Daha sonra Amerikan fizikçi Robert A. Millikan, 1908-1917 yılları arasında yaptığı deneylerde bir elektron yükünün -1,6022 x 10^-19 olarak bulmuş ve buradan, Thomson’un önceki verilerini de kullanarak elektronun kütlesini 9,1 x 10^-28 olarak hesaplamıştır. Millikan’ın deneyleri “yağ damlası deneyi” olarak bilinir. Bu kütle proton ve nötronun kütlesi yanında oldukça küçük olduğundan. Genellikle hesaplamalarda ihmal edilebilir.

Radyoaktiflik

Alman fizikçi Wilhelm Röntgen 1895’te katot ışınlarının cam ve metallerin olağan dışı ışın yaymasına neden olduğunu görmüştür. Bu yüksek enerjili radyasyon madde içinden geçebiliyor, fotoğraf filmi levhalarını karartabiliyor ve floresan ışık yayımlanmasına neden olur. Bu ışınlar bir mıknatıs ile saptırılamadığından katot ışınları gibi değildir. Röntgen, tanımlayamadığı bu ışınlara X-ışınları adını vermiştir. 

Röntgen’in bu buluşunun ardından Paris’te fizik profesörü olan A. Becquerel, maddenin floresan özelliklerini incelemeye başlamıştır. Becquerel, tesadüfen kalın kâğıtla sarılmış fotoğraf filmi levhalarının bir uranyum bileşiğinin etkisinde katot ışınları olmaksızın karardığını fark etmiştir. Uranyumdan kaynaklanan bu ışınlar tıpkı X-ışınları gibi yüksek enerjilidir ve mıknatıs etkisinde sapmazlar. X-ışınlarından farklı olarak bu ışınlar kendiliğinden oluşmaktadır. Becquerel’in öğrencilerinden Marie Curie, kendiliğinden tanecik veya ışın yayımlanması olgusunu tanımlamak üzere radyoaktivite terimini ortaya atmıştır. Bu terimden yola çıkılarak, kendiliğinden radyasyon yayan herhangi bir element için radyoaktif sözcüğü kullanılmaya başlanmıştır. Sonraki araştırmalar, uranyum gibi radyoaktif elementlerin bozunması ya da parçalanması yollarıyla üç tür radyoaktif ışın oluştuğunu ortaya koymuştur. Bu ışınlardan ikisi artı ve eksi yüklü levhalarla saptırılabilir, diğeri ise nötr olup elektrik ve manyetik alandan etkilenmez.

Radyoaktif elementler tarafından yayımlanan üç ışın. Radyoaktif ışınları geçirmeyen, kurşun gibi bir maddeden yapılmış kaynaktan yayılan radyoaktif ışınlardan β ışınları eksi yüklü taneciklerden (elektronlardan) oluşmuştur ve bu nedenle artı yüklü levha tarafından çekilir. a ışınları için bunun tersi geçerlidir; a ışınları artı yüklü olup eksi yüklü levhaya doğru çekilir, γ ışınlarının yükü olmadığından bu ışınlar elektrik alandan etkilenmez.

Proton ve Çekirdek

1900lü yılların başında artık atomların elektron içerdiği ve elektriksel olarak nötr olduğu bilinmektedir. Elektriksel nötrlük için elektron sayısınca onun zıddı olarak artı yüklü taneciklerin olması gerektiği düşüncesine varılmıştır. Buna göre Thomson, atomda eksi yüklere eşit ve zıt işaretli olmak suretiyle artı yüklü tanecikler bulunması gerektiğini ortaya koymuş, bu düşünce çerçevesinde “üzümlü kek modeli” olarak adlandırılan bir atom modeli geliştirmiştir. 1910 yılında Cambridge Üniversitesi’nden Thomson’un çalışma arkadaşı olan Yeni Zelandalı fizikçi Ernest Rutherford, a taneciklerini kullanarak atomun yapısını incelemiştir. Meslektaşı Hans Geiger ve öğrencisi Marsden ile birlikte bir dizi deney düzenlemiştir. Deneylerde radyoaktif kaynaktan çıkan a taneciklerinin çarpacağı hedef olarak çok ince altın yapraklar kullanmıştır. Deney sonunda bu radyoaktif taneciklerin metalin içerisinden çoğunlukla hiçbir yönelme yapmadan geçtiğini, çok nadiren sapmalar meydana geldiğini ve bazen taneciklerin geri döndüğünü gözlemlemiştir. Bu durum, Thomson’un atom modelini yanlışlar gözükmektedir. Rutherford bu gözlemi için, “Kâğıt mendile 15 inçlik bir kurşun sıktığınızda kurşunun mendilden sekip sizi vurması kadar ilginç bir olaydı.” demiştir.

Rutherford’un tasarladığı deney düzeneği. (a) taneciklerin yayılma düzlemini göstermektedir. (b) altın yaprağın içinden geçen taneciklerin büyütülmüş görünümüdür.

Bu deneyi açıklayabilmek için Rutherford yeni bir atom modeli geliştirmiştir. Bu modele göre atomun çok büyük bir boşluk olmakla beraber, merkezinde maddece yoğun bir bölge bulunmaktadır. (Taneciklerin sapma yaptığı bölge burasıdır.) Bu bölgeye çekirdek adı verilmiştir. Çekirdekteki, daha önce öngörülmüş olan artı yüklü taneciklere de proton denilmiştir. Yapılan başka deneylerde bir protonun yükünün büyüklük olarak bir elektrona eşit olduğu ve bir protonun kütlesinin yaklaşık 1,67262 x 10^-24 g olarak bulunmuştur. Bu kütle, bir elektron kütlesinin yaklaşık 1840 katıdır. Bu sonuçlar, çekirdeğin kütlesinin, atom kütlesinin çok büyük bir kısmını içerdiğini, ancak hacim olarak tüm atomun yalnızca 1/10¹³ kadarı olduğunu göstermiştir. Günümüzde atomlar ve moleküller pikometre (pm) adı verilen SI birimi cinsinden ifade edilir.

1 pm = 1 x 10^-12 m

Tipik bir atomun yarıçapı 100 pm kadardır. Ancak bir atom çekirdeğinin yarıçapı 5 x 10^-3 pm kadardır. Atomun büyüklüğü için yaygın olarak kullanılan ve SI birimi olmayan diğer bir birim de angströmdür (1 Angstrom = 100 pm)

Nötron

Rutherford atom modeli bir problemi çözümsüz bırakmıştır. Örneğin, bir hidrojen atomunda 1 proton ve bir helyum atomunda 2 proton olduğundan helyum kütlesinin hidrojen kütlesine oranı yaklaşık 2 olmalıydı, ancak bu oran ölçüldüğünde yaklaşık 4 çıkmıştır. Bu durum, çekirdek içerisinde henüz bilinmeyen ve kütlesi protona benzer başka taneciklerin olabileceği fikrini güçlendirmiştir. 1932 yılında İngiliz fizikçi James Chadwick bu tanecikleri tanımlayarak onlara nötron ismini vermiştir. Chadwick, ince bir berilyum levhasını a tanecikleri ile bombardıman ettiğinde, berilyum metali a ışınlarına benzer çok yüksek enerjili ışınlar yayımlamıştır. Sonraki deneyler, proton kütlesinden biraz daha büyük bir kütleye sahip, ancak nötr taneciklerin varlığını işaret etmektedir. Bunlara nötron denilmektedir. Bu keşifle beraber, atom kütleleri arasındaki oranlar çok daha doğru bir biçimde hesaplanabilir olmuştur.

Bu üç temel atomaltı tanecik içerisinde, bu taneciklerden çok daha küçük tanecikler de olmasına rağmen, kimyasal olarak bu üç temel tanecik önemlidir. Diğer atomaltı tanecikler özellikle Modern Fizik çalışmalarında önem kazanmaktadır.

Temel Atomaltı Taneciklerin Kütlesi ve Yükü

Tanecik	Kütle (g)	Coulomb (Yük)	Yük Birimi
Elektron	9,10939 x 10-28	- 1,6022 x 10-19	- 1
Proton	1,67262 x 10-24	+ 1,6022 x 10-19	+ 1
Nötron	1,67493 x 10-24	0	0

Yapılan yüksek kalitedeki deneyler, yukarıda elektron için Millikan tarafından önerilen kütleyi çok daha hassas şekilde ölçmekte ve daha doğru sonuçlar vermektedir.

Atom Numarası, Kütle Numarası ve İzotoplar

Bir elementin atomlarının çekirdeklerinde bulunan proton sayısına atom numarası (Z) denir. Nötr bir atomda proton sayısı, elektron sayısına eşittir. Bundan ötürü nötr bir atomun atom numarası, aynı zamanda çekirdek etrafındaki elektron sayısını da gösterir. Bir atomun kimyasal kimliği, yani periyodik çizelgedeki yeri yalnızca atom numarası ile belirlenir. Örneğin, atom numarası 7 olan evrendeki tüm atomlar, sadece azot elementine aittir.

Kütle numarası (A), bir elementin atomlarının çekirdeklerinde bulunan proton ve nötron sayısının toplamıdır. Hidrojen atomu haricinde tüm atomların çekirdeklerinde en az 1 adet nötron bulunur.

Kütle Numarası = Proton Sayısı + Nötron Sayısı

Genellikle belli bir elementin atomlarının tümü aynı kütleye sahip olmaz. (Ancak aynı atom numarasına sahip olduklarına dikkat ediniz.) Atom numaraları aynı, fakat kütle numaraları farklı olan atomlara izotop atomlar denir. Örneğin, hidrojenin doğada üç farklı izotopu bulunmaktadır. Laboratuvar ortamında sentezlenebilen izotoplar da mevcuttur. Ancak bunlar aşırı kararsızdır ve hemen bozunma eğilimindedir. Hidrojen ya da Protium olarak bilinen ilk izotopta 1 proton bulunur, ancak nötron bulunmaz. Döteryum adındaki ikinci izotopta 1 proton ve 1 nötron bulunur. Trityumda ise 1 proton ve 2 nötron bulunmaktadır. Trityum izotopu radyoaktif özellik taşır. (Doğada genellikle nötron/proton oranı 1’den büyük olan izotoplar radyoaktif özellik gösterir. Her atomun bu açıdan radyoaktif bir izotopunun bulunması olasıdır, ancak bu radyoaktif izotoplar doğada çok nadir bulunur.)

^{(Kütle Numarası) A}X

_{(Atom Numarası) Z}X

Hidrojen haricinde diğer element izotopları çoğunlukla kütle numaraları ile tanımlanır. Örneğin uranyum-235 ve uranyum-238 şeklinde adlandırılan uranyum izotopları, radyoaktif özellik taşıyıp atom bombaları ve nükleer reaktörlerde enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Nükleer enerjinin temel kaynağını bu tip izotoplar oluşturmakta ve birçok yenilenemez enerji kaynağına göre son derece yüksek düzeyde enerji sağlamaktadır.

Bir elementin kimyasal özelliklerini proton ve elektronlar belirler, normal koşullarda nötronlar kimyasal değişimlerde rol oynamazlar. Nötron değişimi, kimyasal değişim olarak değerlendirilmez. Bu nedenle izotop atomların kimyasal özellikleri aynı, fiziksel özellikleri farklı kabul edilmektedir. Bu izotopların kimyasal etkinlikleri benzer olup aynı elementlerle oluşturdukları bileşik türleri aynıdır.

Periyodik Çizelge

Günümüzde bilinen elementlerin yarısından çoğu 1800 ile 1900 yılları arasında keşfedilmiştir. Bu elementlerin benzer özellikleri olduğunun saptanması, bilim insanlarını bu elementleri tasnif etmeye yöneltmiş, bu şekilde periyodik tablonun oluşmasına zemin hazırlanmıştır. Periyodik tablo (çizelge, cetvel), benzer kimyasal ya da fiziksel özellikleri olan elementlerin atom sayısı göz önünde bulundurularak birlikte gruplandırılmasıdır. Elementler atom numaralarına göre yatay periyotlarda, kimyasal özelliklerine göre düşey gruplarda sıralanmıştır. Atom numarası 111-115 arası olan elementler son yıllarda laboratuvar ortamında sentezlenmiş ve adlandırılma süreçleri devam etmektedir.

Elementler üç temel sınıfa ayrılabilir: metaller, yarı metaller ve ametaller. Metaller, ısı ve elektriği iyi ileten elementlerdir. Ametaller genellikle ısı ve elektriği iletmez. Yarı metaller hem metal hem ametal özelliklerini birlikte barındıran element sınıfıdır.

Periyodik çizelge ve elementlerin periyodik çizelge üzerindeki özelliklerine ilerideki konularda detaylı olarak değinilecektir.

Periyodik Çizelge

TÜBİTAK’ın web sitesinden periyodik çizelge ve elementlerin özellikleri hakkında daha detaylı bilgi edinebilirsiniz.

Moleküller ve İyonlar

Tüm elementler arasında, doğada tek başına atomlar halinde bulunan elementler, periyodik çizelgede 8A grubundaki altı tane asal gazdır (He, Ne, Ar, Xe ve Rn). Bu nedenle bu elementlere tek atomlu gazlar adı verilir. Ancak maddeler çoğunlukla tek atomu halde bulunmayıp elementlerin belirli koşullarda birbirleriyle yaptıkları bağlar neticesinde meydana gelen molekül, iyon ve bileşikler biçiminde doğada bulunur.

Moleküller

En az iki atomun belli bir düzende kimyasal kuvvetlerle (bağlarla) bir arada bulunduğu atom topluluğuna molekül adı verilir. Bir molekülde yalnızca tek bir elemente ait atomlar bulunabileceği gibi, iki ya da daha çok sayıda, farklı elementlerden oluşmuş moleküller de mevcuttur. Sadece bir elementin atomlarından oluşan moleküllere element molekülü, farklı elementlerin atomların oluşan moleküllere de bileşik molekülü denir. Örneğin H₂ bir element molekülü iken H₂O bir bileşik molekülüdür. Her iki durumda da moleküller, herhangi bir elektron alışverişinin bulunmadığı şartlarda tıpkı atomlar gibi elektriksel olarak nötrdür.

H₂ olarak gösterilen hidrojen molekülüne diatomik molekül denir. Bu molekül sadece iki adet atom içerir. N_2, Cl₂ ve Br₂ gibi özellikle ametaller diatomik özellik gösterir. Bunlarla birlikte, farklı elementlerden oluşup diatomik özellik gösteren HCl, HBr, CO gibi bileşik molekülleri de vardır. Moleküllerin çoğu iki atomdan fazlasını içerir. Üç atomlu ozonda (O₃) olduğu gibi, aynı elementin atomları da olabilir, su (H₂O) ve amonyak (NH₃) gibi farklı elementlerden oluşmuş da olabilir. Böyle moleküllere poliatomik moleküller denir.

İyonlar

Pozitif ya da negatif yüklü atom veya atomlar grubuna iyon denir. Kimyasal tepkimelerde atomun proton içeriği değişmezken elektron sayısı değişir, böylece iyonlar oluşur. Nötr bir atom elektron kaybettiğinde (+) yüklü katyon, elektron kazandığında (–) yüklü anyon oluşur.

-          Na atomu 11 proton ve 11 elektron içerirken Na⁺ iyonu 11 proton ve 10 elektron içerir

-          Cl atomu 17 proton ve 17 elektron içerirken Cl^- iyonu 17 proton ve 18 elektron içerir

-          Na⁺ ve Cl^- iyonları sofra tuzu olarak bilinen NaCl iyonik bileşiğini meydana getirir.

Atomlar birden fazla elektron kazanabilir ya da kaybedebilir. Birden fazla elektron değişiminin yaşandığı iyonlara örnekler: Mg²⁺, Fe³⁺, S^2-, O^2-.

İki veya daha çok sayıda atom birleşerek pozitif veya negatif yüklü bir iyon oluşturabilir. OH^- (hidroksit) iyonu, CN^- (siyanür) iyonu ve NH₄⁺ (amonyum) iyonu gibi poliatomik iyonlar birden çok atom içeren iyonlardır. Demir (Fe), Kobalt (Co), Mangan (Mn), Bakır (Cu), Krom (Cr), Kalay (Sn), Cıva (Hg) ve Kurşun (Pb) gibi elementlerin iyonları birden fazla değer alabilir.

NaCl kristal yapısı

Kimyasal Formüller

Kimyasal formüller, moleküllerin ya da iyonik bileşiklerin bileşiminin kimyasal simglerle ifade edilmiş halidir. Bileşimden anlaşılması gereken, bileşikteki element ve atomların Sabit Oranlar Yasası uyarınca birleşme oranlarıdır. Molekül formülü ve kaba formül olmak üzere başlıca iki tür formül vardır.

Molekül Formülü

Bir maddenin en küçük biriminde bulunan elementlerin atom sayısını tam olarak gösteren formüldür. Hidrojenin molekül formülü H₂, oksijenin O₂, ozonun O₃ ve suyun H₂O’dur. Bu formüllerde alt indis herhangi bir elementin atom sayısını gösterir. Suda oksijenin alt indisi yoktur, su molekülünde yalnızca 1 tane oksijen atomu bulunur, bu durumda 1 rakamı kullanılmaz. Oksijen ve ozon, aynı elementin farklı miktarlarda birleşmiş molekülleridir. Bu durumda allotrop atomlar oluşur. Allotrop, bir elementin iki veya daha çok sayıdaki farklı biçimlerine verilen genel bir isimdir. Karbon elementlerinin allotropları olan elmas ve grafit gerek özellikleri gerekse maliyetleri bakımından birbirlerinden çok farklı olmasına rağmen allotrop özelliktedirler.

Molekül Modelleri

Moleküller çoğunlukla çıplak gözle görülemeyecek boyuttadırlar. Molekülleri gözle canlandırabilmenin en temel yolu, molekül modelleri kullanmaktır. Top ve çubuk modellerinde atomlar, üzerlerinde delikle bulunan tahta ya da plastik toplarla gösterilir. Bu modellerde kimyasal bağları göstermek için çubuk ve yaylar kullanılır. Çubukların atomlar arasında oluşturduğu açılar, yaklaşık olarak gerçek moleküldeki bağ açılarını gösterecek şekilde düzenlenir. H atomu dışında toplar aynı büyüklüktedir ve her elementin atomu farklı renklerle temsil edilir. (Her atomun renk kodu farklıdır.) Uzay-dolgu modellerinde ise atomlar kesilmiş toplar biçiminde olup birbirlerine geçecek şekilde bağlanmışlardır, bu nedenle bu modelde bağlar gösterilmez. Topların boyutları atom boyutlarıyla orantılıdır. Molekül modeli oluşturmak için öncelikle molekülde atomların birbirine nasıl bağlandığını gösteren yapı formülü çizilir. Örneğin su molekülünde H atomlarının her ikisinin de O atomuna bağlı olduğu bilinmektedir; bu nedenle H-O-H olarak gösterilir.

Kaba Formüller

Antiseptik özelliği olan, saç ve tekstil malzemeleri için ağartıcı olarak kullanılan hidrojen peroksit bileşiğinin molekül formülü H₂O₂’dir. Bu molekülde hidrojen atomlarının oksijen atomlarına oranı 2:2’dir. Bu molekülün kaba formülü HO’dur. Kaba formül, bir molekülde hangi elementlerin bulunduğunu ve bu elementlerin atomlarının en basit tam sayı oranını gösterir, ancak moleküldeki atomların gerçek sayısını göstermeyebilir. Örneğin roket yakıtı olarak kullanılan hidrazinin (N₂H₄) kaba formülü NH₂’dir. Kaba formüller en basit kimyasal formüllerdir. Molekül formülleri ise gerçek formüllerdir. Bir bileşiğin molekül formülü bilinirse kaba formülü de bilinir. Bunun tersi geçerli değildir. Kaba formüller deneysel sonuçlarla bulunur.

İyonik Bileşiklerin Formülleri

İyonik bileşikler bağımsız molekül birimlerinden oluşmaz. Örneğin katı sodyum klorür üç boyutlu ağ örgü yapıda dizilmiş eşit sayıda Na⁺ ve Cl^- iyonlarından oluşur. Bu bileşikte katyon/anyon oranı 1 olup bileşik elektriksel olarak nötrdür.

Potasyum bromür: Potasyum iyonu K⁺ ve brom iyonu Br^-‘dir. Burada indise gerek yoktur bileşiğin formülü KBr’dir.

Çinko İyodür: Çinko iyonu Zn²⁺ ve iyot iyonu I^-‘dir. Burada formül ZnI₂’dir.

Bileşiklerin Adlandırılması

İyonik Bileşikler

İyonik bileşiklerin çoğu, yalnızca iki elementten oluşan ikili bileşiklerdir. İkili iyonik bileşiklerde önce metal katyonunun adı söylenir, sonra da ametal ametal anyonun adı verilir. Buna göre NaCl’nin adı sodyum klorürdür. Anyonun adı, element adına –ür son eki getirilerek okunur. Potasyum bromür (KBr), çinko iyodür (ZnI₂) ve alüminyum oksit (Al₂O₃) de ikili bileşiklerdir

.

Çok Rastlanan Bazı Tek Atomlu İyonların Adlandırılması ve Periyodik Çizelgedeki Yerleri:

4A Grubu	5A Grubu	6A Grubu	7A Grubu
C Karbür C4-	N Nitrür N3-	O Oksit O2-	F Florür F-
Si Silisür Si4-	P Fosfür P3-	S Sülfür S2-	Cl Klorür Cl-
		Se Selenür Se2-	Br Bromür Br-
		Te Telürür Te2-	I İyodür I-

En reaktif metaller: lityum, sodyum, potasyum, rubidyum, sezyum, magnezyum, kalsiyum, stronsiyum, baryumdur ve alüminyumdur. En reaktif ametaller: azot, oksijen, sülfür, flor, klor, brom ve iyottur.

Çok Rastlanan Bazı İnorganik Katyon ve Anyonların Listesi

Alüminyum Al3+	Bakır(I) kupröz Cu+	Mangan(II) manganöz Mn2+	Klorat ClO3-
Amonyum NH4+	Bakır(II) kuprik Cu2+	Cıva(I) merküröz Hg+	Klorür Cl-
Baryum Ba2+	Hidrojen H+	Cıva(II) merkürik Hg2+	Kromat CrO42-
Kadmiyum Cd2+	Demir(II) ferröz Fe2+	Potasyum K+	Siyanür CN-
Kalsiyum Ca2+	Demir(III) ferrik Fe3+	Gümüş Ag+	Dikromat Cr2O72-
Sezyum Cs+	Kurşun(II) plumböz Pb2+	Sodyum Na+	Dihidrojen fosfat H2PO4-
Krom(III) Cr3+	Lityum Li+	Stronsiyum Sr2+	Florür F-
Kobalt(II) Co2+	Magnezyum Mg2+	Kalay(II) stanöz Sn2+	Hidrür H-
Nitrat NO3-	Nitrür N3-	Nitrit NO2-	Oksit O2-
Çinko Zn 2+	Bromür Br-	Karbonat CO32-	Bikarbonat HCO3-
Hidrojen fosfat HPO42-	Bisülfat (Hidrojen sülfat) HSO4-	Hidroksit OH-	İyodür I-
Permanganat MnO4-	Peroksit O22-	Fosfat PO43-	Sülfat SO42-
Sülfür S2-	Sülfit SO32-	Tiyosiyanat SCN-	Manganat MnO72-

“-ür” son eki farklı elementler içeren anyonlar için de kullanılabilir, siyanür gibi. KCN gibi üç elementten oluşan bileşiklere üçlü bileşikler denir. Bazı metaller, özellikle geçiş metalleri birden çok katyon oluşturabilir. Aynı elementin farklı katyonlarını belirtmek için Romen rakamları kullanılır. Buna Stock Sistemi adı verilir. Yukarıdaki tabloda bu katyonların örnekleri verilmiştir.

Moleküler Bileşikler

İyonik bileşiklerden farklı olarak moleküler bileşikler belirli ve bağımsız molekül birimleri içerirler. Moleküler bileşikler genellikle ametallerden oluşur. Moleküler bileşiklerin çoğu ikili bileşiklerdir. Adlandırılması iyonik bileşiklere benzerdir.

-          HCl: Hidrojen klorür

-          HBr: Hidrojen bromür

-          SiC: Silisyum Klorür

İki element birden çok sayıda bileşik oluşturabilir. Bu durumlarda bileşik adlandırılmasında ortaya çıkabilecek karmaşayı önlemek için bileşikteki elementlerin atom sayısı isimlendirmede Yunanca ön ekleriyle belirtilir. Bu tip bir adlandırmada dikkat edilmesi gereken kurallar şunlardır:

·         Birinci element için “mono” ön eki kullanılmaz. Örneğin, PCl₃ için monofosfor triklorür demek yerine, fosfor triklorür tercih edilir.

·         Oksitler adlandırılırken bazen ön ekteki “a” atlanır. Örneğin, N₂O₄ bileşiği diazot tetraoksit yerine diazot tetroksit olarak okunur.

·         Hidrojen içeren moleküler bileşikler adlandırılırken, Yunanca ön ekler kullanılmaz. Geleneksel olarak bu bileşikler yaygın olarak bilinen ve sistematik olmayan adları ile ya da hidrojen atomu sayısının belirtilmediği adlarla anılırlar. Örnekler: B₂H₆ diboran, CH₄ metan, SiH₄ silan, NH₃ amonyak, PH₃ fosfin, H₂O su, H₂S hidrojen sülfür.

Asit ve Bazlar

Asitlerin Adlandırılması

Asit suda çözündüğünde hidrojen iyonları veren madde olarak tanımlanabilir. Asitlerin formülleri bir anyon ile hidrojen atomları içerir. Adları “ür” ile biten anyonların asitleri “hidro” ön eki ve “ik” son eki içerirler. Bazen aynı kimyasal formüle iki farklı ad verilebilir. Örneğin, HCl hem hidrojen klorür hem hidroklorik asit olarak bilinir. Bu bileşik için kullanılan fiziksel hale bağlıdır. Gaz veya saf haldeki HCl moleküler bir bileşik olup hidrojen klorür olarak adlandırılmalıdır. Ancak suda çözündüğünde bu bileşik H⁺ ve Cl^- iyonlarını oluşturacağından hidroklorik asit olarak düşünülmelidir.

Hidrojen, oksijen ve bir diğer element (merkez element) içeren asitlere oksiasit denir.

HNO₃ Nitrik Asit, H₂CO₃ Karbonik Asit, H₂SO₄ Sülfürik Asit, HClO₃ Klorik Asit

Çoğu zaman iki veya daha çok sayıda oksiasitte aynı merkez atomu, ancak farklı sayıda O atomu bulunur. Adları “ik” ile biten oksiasitlerden başlayarak, bu tür bileşiklerin adlandırılması için aşağıdaki kurallar uygulanır:

1.      “ik” asidine 1 tane O atomunun eklenmesi: Bu durumda asit “per…ik” asit olarak adlandırılır. Örneğin, HClO₃ asidine 1 tane O eklenmesiyle klorik asit, perklorik aside dönüşür.

2.      “ik” asidinden 1 tane O atomunun çıkarılması: Bu durumda asit “öz” asidi olarak adlandırılır. Buna göre nitrik asit, HNO₃, nitröz aside dönüşür.

3.      “ik” asidinden 2 tane O atomunun çıkarılması: Bu durumda asit “hipo…öz asit” olarak adlandırılır. Buna göre, HBrO₃, HBrO’ya dönüştüğünde hipobromöz asit olarak adlandırılır.

Oksianyonlar adı verilen oksiasit anyonları aşağıdaki kurallara göre adlandırılır:

1.      “ik” asidinden H iyonlarının hepsi çıkarıldığında, geriye kalan anyon adı “at” ile sonlandırılarak okunur. Örneğin, H₂CO₃’ten kaynaklanan CO₃^2-, karbonat olarak adlandırılır.

2.      “öz” asidinden H iyonlarının hepsi çıkarıldığında, anyon adı “it” ile sonlanır. Bu nedenle HClO₂’nin anyonu ClO₂^-, klorit anyonudur.

3.      Asitten bir ya da daha çok sayıda H iyonu çıkarıldığında oluşan anyon adı, anyonda kaç hidrojen olduğunu belirtilerek adlandırılır. Örneğin, fosforik asitten kaynaklanan anyonlar şunlardır:

H₃PO₄: Fosforik Asit, HPO₄^2-: Hidrojen fosfat

H₂PO₄^-: Dihidrojen fosfat, PO₄^3-: Fosfat

Anyonda sadece 1 tane H bulunuyorsa, “mono” ön ekinin genellikle kullanılmaz.

Bazların Adlandırılması

Baz suda çözündüğünde hidroksit iyonları (OH^-) veren madde olarak tanımlanır.

Gaz veya sıvı halde, moleküler bir bileşik olan amonyak da (NH₃) yaygın olarak karşılaşılan bir bazdır. Bu ilk başta, yapısında hidroksit olmadığından baz tanımına uygun görünmemektedir; ancak bir madde suda çözündüğü zaman hidroksit iyonları oluşturuyorsa, yapısında hidroksit iyonları içermese de baz olarak tanımlanır. Nitekim amonyak suda çözündüğünde NH₃ su ile kısmen tepkimeye girip NH₄⁺ ve OH^- iyonları oluşturur. Bu nedenle amonyağın baz olarak sınıflandırılması doğrudur.

Hidratlar

Hidratlar, bileşimlerinde belli sayıda su molekülü bulunan bileşiklerdir. Örneğin, normal haldeki bakır(II) sülfatta, bakır(II) sülfat birimleri 5 tane su molekülü içerir. Bu bileşiğin sistematik adı bakır(II) sülfat pentahidrat olup formülü CuSO₄.5H₂O’dur. Bileşikteki su molekülleri bileşiğin ısıtılması ile uzaklaştırılabilir ve susuz CuSO₄ elde edilir. “Susuz” terimi, bir değişim sonunda bünyesinde su molekülü bulundurmayan bileşikler için kullanılır.

Sulu ve susuz bakır(II) sülfat formları

Konuyla ilgili problemler ve çözümleri hazırlanacak olan soru arşivinde verilecektir.

Hazırlayan: Necdet Ersöz (Gazi Üniversitesi Tıp Fakültesi)

Kaynaklar

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