Kimya Bilimi ve Laboratuvar

Kimya neyi inceler?

Kimya, maddenin yapısını, özelliklerini, bir maddenin başka maddelere dönüşmesini ve bu dönüşümler sırasında alınıp verilen enerjiyi inceleyen bilimdir. Ekmeğin pişmesi, demirin paslanması, bir ilacın vücutta etki göstermesi, plastik bir şişenin üretilmesi ve suyun arıtılması kimyanın konusudur. Kimyacı, bir maddenin hangi taneciklerden oluştuğunu, bu taneciklerin nasıl bir arada durduğunu ve hangi koşullarda yeni maddelerin oluştuğunu sorar.

Bugün bildiğimiz kimya, deney yapan, ölçen, sonuçlarını kayda geçiren ve başkalarıyla paylaşan bir bilimdir. Ama insanlar maddeleri dönüştürmeye kimya bir bilim olmadan çok önce başlamıştı. Seramik pişirmek, metal işlemek, boya ve parfüm elde etmek, bitkilerden ilaç hazırlamak binlerce yıllık uğraşlardır. Bu birikimin en bilinen kolu simyadır.

Simyadan kimyaya

Eski Yunan'da Empedokles, bütün maddelerin toprak, su, hava ve ateşten oluştuğunu ileri sürdü. Aristoteles bu dört elemente sıcak, soğuk, kuru ve nemli niteliklerini ekledi ve niteliklerin değiştirilmesiyle bir maddenin başka bir maddeye dönüşebileceğini düşündü. Bu düşünce, simyanın temel inancına zemin hazırladı: değersiz metaller uygun işlemlerle altına dönüştürülebilir.

Simyacıların iki büyük hedefi vardı: demir, kurşun gibi metalleri altına çevirecek felsefe taşını bulmak ve insana sağlık ve uzun ömür verecek ölümsüzlük iksirini (abıhayat) elde etmek. Bu hedeflere hiçbir zaman ulaşılamadı; çünkü bir elementi başka bir elemente kimyasal yollarla dönüştürmek mümkün değildir. Buna karşın simyacılar yüzyıllar boyunca sayısız madde ile çalıştılar ve kimyaya kalıcı bir miras bıraktılar:

• Teknikler: damıtma, süzme, kristallendirme, süblimleştirme, buharlaştırma ve özütleme gibi işlemler simya atölyelerinde geliştirildi ya da sistemli olarak kullanıldı.
• Araçlar: imbik (damıtma düzeneği), havan, ocak, cam ve toprak kaplar bu atölyelerin araçlarıydı.
• Ürünler: boyalar, alaşımlar, ilaçlar ve bazı asitlerin elde edilmesi bu birikime dayanır.

İslam dünyasında simya 8. yüzyıldan itibaren güçlü bir gelenek oldu. Câbir bin Hayyân, deneyin önemini vurgulayan ve damıtma, kristallendirme, süblimleştirme gibi işlemleri ayrıntılı biçimde anlatan çalışmalarıyla anılır; bu yüzden İslam dünyasında kimyanın kurucularından sayılır. Hekim ve bilgin Ebubekir er-Razi (9.–10. yüzyıl) maddeleri madensel, bitkisel ve hayvansal olarak sınıflandırdı ve kullandığı laboratuvar araçlarını ayrıntılı biçimde tanımladı. Bu eserler Latinceye çevrilerek Avrupa'daki simyacıları da etkiledi.

Simyanın bir bilim sayılmamasının nedenleri şunlardır: çalışmalar bir kurama ve sistemli bir yönteme dayanmıyordu, deneme yanılma ile ilerliyordu; ölçüm ve tartım gibi nicel veriler kullanılmıyordu; elde edilen bilgiler çoğunlukla gizli tutuluyor, sembollerle ve kapalı bir dille aktarılıyordu. Bu yüzden bir simyacının sonucunu bir başkası sınayıp tekrarlayamıyordu. Simyacılar deney yapıyordu; eksik olan, deneyin bilimsel yöntemle kurgulanması ve sonuçlarının herkesin denetimine açılmasıydı.

Kimyanın bilim olma süreci

1. yüzyılda Robert Boyle, 1661'de yayımladığı Şüpheci Kimyager adlı kitabında dört element görüşünü eleştirdi ve elementi, daha basit maddelere ayrılamayan madde olarak tarif etti. Boyle, iddiaların deneyle sınanması ve deneylerin ayrıntılı olarak yayımlanması gerektiğini savundu; gazların basıncı ile hacmi arasındaki ilişkiyi deneylerle ortaya koydu. Bu nedenle kimyayı simyadan ayıran ilk bilim insanlarından sayılır.

1. yüzyılın sonunda Antoine Lavoisier terazinin kimyaya girişini sağladı. Tepkimeleri kapalı kaplarda yapıp tepkimeden önceki ve sonraki kütleleri dikkatle tarttı ve kimyasal tepkimelerde toplam kütlenin değişmediğini gösterdi (kütlenin korunumu). Yanmanın bir maddenin havadaki oksijenle birleşmesi olduğunu açıkladı; o dönemde yaygın olan ve yanan maddeden "flojiston" adlı bir şeyin çıktığını savunan görüşü çürüttü. Maddelerin sistemli adlandırılmasına katkı verdi ve 1789'da yayımladığı kitabında o güne kadar bilinen elementlerin bir listesini verdi. Lavoisier'nin nicel yöntemi kimyayı ölçen ve hesaplayan bir bilim hâline getirdi; bu yüzden modern kimyanın kurucusu olarak anılır.

Kimyanın alt disiplinleri ve meslekler

Kimya bugün o kadar geniş bir alandır ki çeşitli alt disiplinlere ayrılır. Bu ayrım kesin sınırlarla değil, incelenen konunun ağırlığına göre yapılır:

• Analitik kimya: Bir örnekte hangi maddelerin bulunduğunu (nitel analiz) ve ne kadar bulunduğunu (nicel analiz) belirler. Gıda denetimi, su analizi ve doping testleri bu alana girer.
• Biyokimya: Canlılarda gerçekleşen kimyasal olayları inceler: sindirim, solunum, enzimlerin ve proteinlerin işleyişi.
• Fizikokimya: Kimyasal olayları fiziğin yasaları ve enerji yönünden inceler: tepkime hızı, tepkime ısısı, denge.
• Organik kimya: Karbon bileşiklerini inceler: yakıtlar, ilaç etken maddelerinin çoğu, plastikler, yağlar.
• Anorganik kimya: Organik bileşikler dışında kalan maddeleri inceler: metaller, mineraller, tuzlar, birçok asit ve baz.
• Polimer kimyası: Küçük birimlerin çok sayıda tekrarlanmasıyla oluşan büyük molekülleri (plastik, kauçuk, sentetik lif) inceler.
• Endüstriyel kimya: Kimyasal ürünlerin büyük ölçekte ve ekonomik olarak üretilmesini inceler.

Kimyayla doğrudan ilgili meslekler arasında kimya mühendisliği (kimyasal ürünlerin fabrika ölçeğinde üretim süreçlerini tasarlar), metalurji ve malzeme mühendisliği (cevherden metal elde eder, alaşım ve yeni malzeme geliştirir), eczacılık (ilaçların hazırlanması, saklanması ve doğru kullanımı) ve kimya öğretmenliği sayılır. Laboratuvarda analiz ve araştırma yapan kimyacılar, gıda ve çevre mühendisleri de kimya bilgisini her gün kullanır.

Kimyanın uğraş alanları

Kimyanın sanayideki başlıca uğraş alanları şunlardır:

• İlaç: Etken maddenin sentezlenmesi ya da doğal kaynaktan ayrılması, saflaştırılması ve doğru dozda ilaç hâline getirilmesi.
• Gübre: Bitkilerin topraktan aldığı azot, fosfor ve potasyumun tarım ürünleri için yerine konması. Azotlu gübrelerin temeli olan amonyak, havadaki azot ile hidrojenden üretilir: \(\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightarrow 2\text{NH}_3(g)\).
• Petrokimya: Ham petrol ve doğal gazdan plastik, sentetik lif, sentetik kauçuk, çözücü ve deterjan hammaddelerinin üretilmesi.
• Arıtım: İçme suyunun çöktürme, süzme ve klorlama gibi işlemlerle temizlenmesi; atık suların ve baca gazlarının çevreye zarar vermeyecek hâle getirilmesi.
• Boya ve tekstil: Kumaşların boyanması, sentetik liflerin üretilmesi. 1856'da William Perkin'in mor renkli ilk sentetik boyayı elde etmesi, boyacılığı bitkisel kaynaklardan kimya sanayisine taşıyan önemli bir adımdır.

Kimyanın sembolik dili: element sembolleri

Tek tür atomdan oluşan saf maddeye element denir. Bugün 118 element bilinmektedir. Elementler sembollerle gösterilir. Bugünkü harf sembolleri 1800'lerin başında İsveçli kimyacı Berzelius'un önerisine dayanır. Sembol yazımının kuralları basittir:

• Sembol, elementin (çoğunlukla Latince) adının bir ya da iki harfidir.
• İlk harf her zaman büyük, varsa ikinci harf her zaman küçük yazılır: Co kobalt, Ca kalsiyum, Cl klor.
• Sembol aynı zamanda o elementin bir atomunu gösterir: Fe, bir demir atomu demektir.

Bazı sembollerin Türkçe adla ilgisi yoktur, çünkü Latince addan gelir: Na (natrium, sodyum), K (kalium, potasyum), Fe (ferrum, demir), Cu (cuprum, bakır), Ag (argentum, gümüş), Au (aurum, altın), Hg (hydrargyrum, cıva), Pb (plumbum, kurşun), Sn (stannum, kalay).

Elementlerin bir kısmı tek tek atomlar hâlinde (He, Ne, Ar), bir kısmı aynı tür atomların oluşturduğu moleküller hâlinde bulunur. Hidrojen \(\text{H}_2\), oksijen \(\text{O}_2\), azot \(\text{N}_2\), flor \(\text{F}_2\), klor \(\text{Cl}_2\), brom \(\text{Br}_2\) ve iyot \(\text{I}_2\) iki atomlu moleküllerden oluşur. Ozon \(\text{O}_3\), beyaz fosfor \(\text{P}_4\) ve kükürt \(\text{S}_8\) de molekül yapılı elementlerdir: formülde tek bir sembol varsa, alt indis ne olursa olsun madde bir elementtir.

Bileşikler ve formüller

İki ya da daha fazla farklı elementin belirli oranlarda kimyasal olarak birleşmesiyle oluşan saf maddeye bileşik denir. Bileşikler formüllerle gösterilir. Formülde her sembolün sağ altındaki küçük sayı (alt indis) o atomdan kaç tane bulunduğunu, formülün önündeki sayı (katsayı) ise kaç tane tanecik (molekül ya da formül birimi) olduğunu gösterir. İndis yazılmamışsa 1 anlamına gelir.

Parantezli formüllerde parantez dışındaki indis, parantezin içindeki her atomu çarpar. \(\text{Ca(OH)}_2\) formülünde 1 Ca, 2 O ve 2 H atomu vardır; \(3\,\text{Ca(OH)}_2\) ifadesinde ise 3 Ca, 6 O ve 6 H, toplam 15 atom bulunur. Bir formülü okurken önce bir taneciği say, sonra katsayıyla çarp.

Su (\(\text{H}_2\text{O}\)), amonyak (\(\text{NH}_3\)), karbon dioksit (\(\text{CO}_2\)) ve karbon monoksit (CO) gibi bileşikler günlük dilde de bu adlarla anılır. Laboratuvarda ve evde sık karşılaşılan bazı bileşiklerin ise kimyasal adının yanında bir de yaygın (geleneksel) adı vardır:

Güvenlik uyarı işaretleri

Kimyasal maddelerin şişelerinde ve depolarında, maddenin tehlikesini bir bakışta anlatan uyarı işaretleri (piktogramlar) bulunur. Bugün dünyanın birçok ülkesinde ve Türkiye'de kullanılan uluslararası uyumlu sistemde (GHS) işaretler, kırmızı çerçeveli beyaz bir karonun içine çizilmiş siyah bir simgeden oluşur.

Bir maddenin etiketinde birden fazla işaret bulunabilir. Örneğin metanolün etiketinde alev, kurukafa ve sağlığa ciddi zarar işaretleri birlikte yer alır. Etiketi yalnızca okumak yetmez: her işaret, hangi önlemin alınacağını da söyler.

Laboratuvar malzemeleri

Kimya laboratuvarındaki her malzemenin belli bir görevi vardır ve aynı iş için yanlış malzeme seçmek ölçümü ya da güvenliği bozar.

• Beherglas (beher): Sıvıları koymak, karıştırmak ve ısıtmak için kullanılır. Üzerindeki çizgiler yaklaşık hacim gösterir; hassas ölçüm için kullanılmaz.
• Erlenmayer: Konik gövdesi ve dar ağzı sayesinde çalkalanan çözeltinin sıçramasını ve buharlaşmasını azaltır. Titrasyonda ve çözelti ısıtmada kullanılır.
• Dereceli silindir (mezür): Sıvıların hacmini ölçmek için kullanılır.
• Balon joje (ölçü balonu): Boynundaki tek çizgiye kadar doldurulduğunda tam belirli bir hacmi gösterir; hacmi kesin olan çözelti hazırlamakta kullanılır. Isıtılmaz.
• Büret: Alt ucunda musluk bulunan, dereceli uzun bir cam borudur. Sıvının damla damla ve hassas biçimde akıtılmasını sağlar; titrasyonda kullanılır.
• Pipet: Belirli hacimdeki bir sıvıyı hassas biçimde çekip başka bir kaba aktarmak için kullanılır. Sıvı ağızla değil, puar (pipet pompası) ile çekilir.
• Cam balon: Sıvıları ısıtmak ve damıtma yapmak için kullanılır.
• Ayırma hunisi: Birbirine karışmayan sıvıları (su ve yağ gibi) ayırmakta kullanılır.
• Havan ve havan eli: Katı maddeleri ezerek toz hâline getirir.
• Isıtıcılar: Bunsen beki, ispirto ocağı ve elektrikli ısıtıcı tabla ısıtma için kullanılır.
• Bunların yanında deney tüpü, saat camı (az miktarda katıyı tartmak ya da buharlaştırmak), spatül (katı kimyasalı almak), baget (cam karıştırma çubuğu), piset (saf su ile yıkama), huni (süzme) ve porselen kapsül (çözeltiyi buharlaştırmak) sık kullanılır.

Dereceli silindirde suyun yüzeyi kenarlarda yukarı kıvrılır; bu çukur yüzeye menisküs denir. Okuma, göz menisküsün en alt noktası hizasındayken yapılır. Cıva gibi kenarlarda aşağı kıvrılan sıvılarda ise yüzeyin en üst noktası okunur.

Laboratuvarda güvenlik kuralları

Kimya laboratuvarında kazaların çoğu basit kurallara uyulmamasından çıkar:

• Koruyucu gözlük, laboratuvar önlüğü ve gerektiğinde eldiven kullanılır; uzun saçlar toplanır.
• Laboratuvarda yemek yenmez, içecek içilmez. Hiçbir kimyasalın tadına bakılmaz.
• Bir maddenin kokusu doğrudan şişeye burun yaklaştırılarak değil, elle yelpazeleme yapılarak koklanır.
• Isıtılan deney tüpünün ağzı kimseye doğru tutulmaz.
• Derişik asit seyreltilirken asit suya yavaş yavaş ve karıştırarak eklenir, asidin üzerine su dökülmez.
• Zehirli ya da uçucu maddelerle çeker ocakta çalışılır.
• Stok şişeden alınan fazla kimyasal şişeye geri konmaz; atıklar lavaboya değil, öğretmenin gösterdiği atık kaplarına dökülür.
• Bütün kimyasallar etiketli kaplarda saklanır; etiketi okunmayan maddeyle çalışılmaz.
• Göze ya da deriye kimyasal sıçrarsa bol suyla yıkanır ve öğretmene haber verilir.

Yaygın kimyasalların sağlık ve çevreye etkileri

Bazı elementler yaşam için vazgeçilmezdir. Sodyum ve potasyum iyonları sinir hücrelerinde uyarının iletilmesini ve vücuttaki su dengesini sağlar; potasyum kalp ve kasların çalışması için önemlidir. Ama sodyumu fazla almak, örneğin aşırı tuz tüketmek, yüksek tansiyon riskini artırır. Demir, kanda oksijen taşıyan hemoglobinin yapısındadır; eksikliği kansızlığa yol açar. Kalsiyum kemik ve dişlerin yapısında bulunur; kas kasılması ve kanın pıhtılaşması için de gereklidir. Magnezyum birçok enzimin çalışmasında görev alır ve bitkilerde klorofilin yapısında bulunur. Su, vücut kütlesinin yarıdan fazlasını oluşturur.

Aynı elementin saf hâli bambaşka davranabilir. Sodyum ve potasyum metalleri suyla şiddetli tepkimeye girer, açığa çıkan hidrojen gazı tutuşabilir; bu yüzden gaz yağı içinde saklanırlar ve çıplak elle tutulmazlar. Cıva, oda sıcaklığında sıvı olan bir metaldir; buharı solunduğunda sinir sistemine ve böbreklere zarar verir. Cıva bileşikleri suya karışınca balıklarda birikir ve besin zinciriyle insana ulaşır. Kurşun vücutta birikir ve özellikle çocuklarda sinir sisteminin gelişimini bozar; bu yüzden kurşunlu benzin ve kurşunlu boyalar terk edilmiştir.

Hidroklorik asit (tuz ruhu) ve sülfürik asit derişik hâllerinde deriyi yakar, göze kalıcı hasar verir; buharları solunum yollarını tahriş eder. Derişik sülfürik asit su çekme özelliği çok güçlü bir maddedir; suyla karışırken çok ısı açığa çıkardığı için seyreltme kuralına özellikle uyulmalıdır. Sodyum hidroksit (sud kostik) lavabo açıcıların etken maddesidir; deriye ve göze sıçradığında asitler kadar tehlikelidir. Çamaşır suyu, sodyum hipoklorit (\(\text{NaOCl}\)) içeren bir çözeltidir. Tuz ruhu gibi asidik bir temizleyiciyle karıştırıldığında zehirli klor gazı çıkar:

Klor gazı göz ve solunum yollarına ciddi zarar verir; bu yüzden temizlik ürünleri birbiriyle karıştırılmaz. Havaya karışan gazlar da çevreyi etkiler: soba ve şofbenlerde eksik yanmayla oluşan karbon monoksit renksiz ve kokusuzdur, kandaki hemoglobine bağlanarak oksijen taşınmasını engeller; kükürt ve azot oksitleri asit yağmurlarına yol açar; karbon dioksit sera etkisini artırır.