Kimyanın Temel Kanunları

Terazi kimyaya girince

Kimyanın bir bilim olarak hızla gelişmesi, terazinin laboratuvarın en önemli aracı hâline gelmesiyle başladı. 18. yüzyılın sonu ile 19. yüzyılın başında kimyacılar tepkimeye giren ve oluşan maddeleri dikkatle tarttılar, gazların hacimlerini ölçtüler ve sonuçlarda düzenlilikler aradılar. Bu ölçümlerden dört genelleme çıktı: kütlenin korunumu, sabit oranlar, katlı oranlar ve birleşen hacim oranları. Bunlara kimyanın temel kanunları denir.

Bu kanunların ortak özelliği, hepsinin deneyden doğmuş olmasıdır. Önce ölçüm yapıldı, sonra düzenlilik fark edildi, en sonunda bu düzenliliği açıklayan bir kuram arandı. O kuram Dalton'un atom kuramıdır: maddenin bölünemeyen, belirli kütlesi olan atomlardan oluştuğu düşüncesi, dört kanunun neden doğru olduğunu tek bir çerçevede açıklar. Bu konuda önce kanunları tek tek göreceğiz, sonra hepsini atom düşüncesine bağlayacağız. Hesaplarda yalnızca kütle ve hacim kullanılacak; mol ile yapılan hesaplar bir sonraki konunun işidir.

Kütlenin korunumu kanunu

Antoine Lavoisier, 18. yüzyılın sonlarında tepkimeleri kapalı kaplarda yaptı ve tepkimeden önceki ve sonraki toplam kütleleri tarttı. Kütlenin değişmediğini gördü. Bugün bu sonuç şöyle ifade edilir: Kimyasal bir tepkimede tepkimeye giren maddelerin toplam kütlesi, oluşan maddelerin toplam kütlesine eşittir.

Bunun nedeni tanecik düzeyinde açıktır. Kimyasal tepkimede atomlar yok olmaz, yoktan var olmaz, başka bir elementin atomuna da dönüşmez; yalnızca aralarındaki bağlar kopar ve yeni bağlar kurulur. Atomların türü ve sayısı değişmediğine göre toplam kütle de değişmez. Hidrojen ile oksijenden su oluşurken iki tarafta da aynı hidrojen ve oksijen atomları vardır; yalnızca bir araya geliş biçimleri değişmiştir.

Korunan ve korunmayan nicelikleri ayırmak önemlidir. Kimyasal tepkimede toplam kütle, atomların türü ve sayısı, toplam elektrik yükü korunur. Molekül sayısı, toplam hacim ve maddelerin fiziksel hâli ise korunmak zorunda değildir. Örneğin hidrojen ve klor gazlarından hidrojen klorür oluşurken molekül sayısı değişmez, ama hidrojen ve oksijenden su buharı oluşurken her 3 molekül gazdan 2 molekül su oluşur; molekül sayısı ve aynı koşuldaki gaz hacmi azalır.

Kütlenin korunumu, artan madde olduğunda da geçerlidir. Bu durumda tepkimeye konulan maddelerin toplam kütlesi, oluşan ürünlerle artan maddenin kütleleri toplamına eşittir:

Açık ve kapalı kapta deneylerin yorumu

Günlük deneyimimiz kütlenin korunumuna ters düşer gibi görünür: odun yanınca geride ondan çok daha hafif bir kül kalır, demir paslanınca ağırlaşır. Bu çelişki, tartıma girmeyen gazlardan kaynaklanır. Odun yanarken oluşan karbon dioksit ve su buharı havaya karışır; tartılan kül yalnızca katı üründür. Demir paslanırken havadaki oksijen demire bağlanır; tepkimeden önce tartılmamış bir madde sonradan kütleye eklenir.

Bu yüzden bir deneyde terazinin gösterdiği değeri yorumlarken iki soru sorulur: Tepkimeye giren ya da oluşan bir gaz var mı? Kap açık mı, kapalı mı?

• Kapalı kapta hiçbir madde girip çıkamaz. Tepkimede gaz oluşsa ya da tüketilse bile terazi aynı değeri gösterir. Lavoisier'nin yöntemi budur.
• Açık kapta gaz oluşuyorsa (mermer ile asit, çinko ile hidroklorik asit, odun ya da mum yanması) gaz kaçar ve terazinin gösterdiği değer azalır. Azalma, kaçan gazın kütlesine eşittir.
• Açık kapta havadan bir gaz tüketiliyorsa (magnezyum şeridin, demir yününün ya da bakır tozunun havada ısıtılması) bu gaz tartılmadan ürüne katılır ve terazinin gösterdiği değer artar. Artış, bağlanan oksijenin kütlesine eşittir.
• Açık kapta gaz yer almıyorsa (iki çözeltinin karışmasıyla çökelek oluşması gibi) terazi aynı değeri gösterir.

Her durumda kanun geçerlidir; değişen, tartıma giren madde miktarıdır. Şekildeki deneyde 5 g mermerden oluşan 2,2 g karbon dioksit açık kaptan kaçtığı için terazi 150,0 g yerine 147,8 g gösterir. Kapalı kapta aynı gaz kapta kaldığı için değer 150,0 g olarak kalır.

Sabit oranlar kanunu

1. yüzyılın son yıllarında Joseph Proust, doğadan alınan ve laboratuvarda hazırlanan bileşik örneklerini analiz etti. Bir bileşik nereden gelirse gelsin, nasıl hazırlanırsa hazırlansın, içindeki elementlerin kütleleri arasındaki oranın aynı olduğunu gördü. Bir bileşiği oluşturan elementlerin kütleleri arasında sabit bir oran vardır. Bu orana kütlece birleşme oranı denir.

Su bunun en bilinen örneğidir. Bir damla yağmur suyunda da, laboratuvarda hidrojen yakılarak elde edilen suda da hidrojenin oksijene kütlece oranı \(\frac{m_{\text{H}}}{m_{\text{O}}} = \frac{1}{8}\)'dir. 9 g suda 1 g hidrojen ve 8 g oksijen, 90 g suda 10 g hidrojen ve 80 g oksijen vardır. Oran bileşiğin miktarına bağlı değildir.

Birleşme oranı formülden de hesaplanabilir. \(\text{X}_a\text{Y}_b\) bileşiğinde \(a\) tane X atomuna \(b\) tane Y atomu düşer. Her atomun kütlesi atom kütlesiyle orantılı olduğu için

yazılır; burada \(A_X\) ve \(A_Y\) atom kütleleridir. Demir sülfür (FeS) için (Fe: 56, S: 32) oran \(\frac{56}{32} = \frac{7}{4}\), su için (H: 1, O: 16) \(\frac{2 \cdot 1}{16} = \frac{1}{8}\) bulunur.

Sabit oranlar kanunu yalnızca bileşikler için geçerlidir. Karışımlarda bileşenler istenen oranda bir araya getirilebilir: tuzlu suya istediğin kadar tuz katabilirsin, ama suyun içindeki hidrojenin oksijene oranını değiştiremezsin. Bu fark, bileşik ile karışımı ayırmanın en kesin yollarından biridir.

Bir bileşikte iki elementin birleşme oranı biliniyorsa, kanunun bir sonucu daha vardır: bileşiğin kütlesi ile elementlerin kütleleri de sabit oranlıdır. FeS'de \(\frac{m_{\text{Fe}}}{m_{\text{S}}} = \frac{7}{4}\) ise her 11 g bileşiğin 7 g'ı demir, 4 g'ı kükürttür. 33 g FeS'de \(33 \cdot \frac{7}{11} = 21\) g demir vardır.

Kütle-kütle grafiği

Bir bileşikte birleşen Y kütlesi, X kütlesine karşı grafiğe geçirilirse orijinden geçen bir doğru elde edilir. Doğrunun eğimi \(\frac{m_Y}{m_X}\) oranıdır ve sabittir. Grafiğin orijinden geçmesi, X yoksa Y'nin de birleşemeyeceğini; doğru olması, X iki katına çıkınca birleşen Y'nin de iki katına çıktığını söyler. Bu, sabit oranlar kanununun grafikteki görünüşüdür.

Grafikten oran okurken en kolay yol, iki eksende de tam sayıya denk gelen bir nokta seçmektir. Şekilde 14 g demirin 8 g kükürtle birleştiği okunur; oran \(\frac{14}{8} = \frac{7}{4}\)'tür. Aynı iki elementten oluşan iki farklı bileşik aynı grafikte çizilirse eğimi farklı iki doğru elde edilir. Eğimi büyük olan doğru, aynı X kütlesiyle daha fazla Y birleştiren bileşiktir. Bu tür grafikler katlı oran sorularında sık kullanılır.

Artan madde hesabı

İki element rastgele kütlelerde bir araya getirildiğinde ikisi birden tükenmeyebilir. Birleşme oranı sabit olduğu için elementlerden biri biter, diğerinden bir miktar artar. Biten elemente sınırlayıcı madde denir; oluşan bileşiğin miktarını o belirler.

Artan madde hesabının adımları her zaman aynıdır:

1. Birleşme oranını yaz: \(\frac{m_X}{m_Y}\).
2. Elementlerden birini seç ve tamamının tepkimeye girdiğini varsay. Bu kadar X ile birleşmesi gereken Y kütlesini orandan hesapla.
3. Gereken Y eldeki Y'den azsa X tükenir, Y artar. Gereken Y eldekinden fazlaysa varsayım yanlıştır; Y tükenir, X artar. Bu durumda hesabı Y üzerinden yeniden yap.
4. Oluşan bileşiğin kütlesi, tepkimeye giren X ile tepkimeye giren Y kütlelerinin toplamıdır. Artan madde bileşiğe katılmaz.

Şekildeki örnekte 14 g demir için \(14 \cdot \frac{4}{7} = 8\) g kükürt gerekir. Elde 10 g kükürt olduğu için demir tükenir, \(10 - 8 = 2\) g kükürt artar ve \(14 + 8 = 22\) g FeS oluşur. Denetim kütlenin korunumuyla yapılır: \(14 + 10 = 22 + 2\).

Grafiklerle artan madde

ÖSYM artan madde bilgisini çoğu zaman bir grafikle verir. İki kalıp öne çıkar.

Birincisinde bir elementin kütlesi sabit tutulur, kaba diğer element azar azar eklenir ve oluşan bileşiğin kütlesi eklenen kütleye göre çizilir. Grafik önce orijinden yükselen bir doğrudur; sabit tutulan element tükendiği anda yatay olur. Kırılma noktası, iki elementin tam olarak birleştiği durumu gösterir: o noktadaki eklenen kütle ile bileşik kütlesinin farkı, sabit tutulan elementin kütlesidir. Kırılma noktasından sonra eklenen her gram artan madde olarak kapta kalır.

İkincisinde kapalı bir kapta tepkimeye giren ve oluşan maddelerin kütleleri zamana karşı çizilir. Tepkimeye girenlerin eğrileri azalır, ürününki artar. Eğrisi sıfıra inen madde sınırlayıcıdır; sıfıra inmeyen maddenin son değeri artan miktarı verir. Kütlenin korunumu gereği her an toplam kütle aynıdır: ürünün kazandığı kütle, girenlerin kaybettiği kütlelerin toplamına eşittir.

Katlı oranlar kanunu

Aynı iki element bazen birden fazla bileşik oluşturur: karbon ile oksijen CO ve \(\text{CO}_2\), azot ile oksijen NO ve \(\text{NO}_2\), demir ile oksijen FeO ve \(\text{Fe}_2\text{O}_3\) bileşiklerini verir. John Dalton, 1803 civarında bu tür bileşiklerin kütle verilerinde bir düzenlilik fark etti: İki element birden fazla bileşik oluşturuyorsa, elementlerden birinin sabit kütlesiyle birleşen diğer elementin kütleleri arasında küçük tam sayılarla ifade edilen bir oran vardır. Bu orana katlı oran denir.

Katlı oranın nereden geldiğini atomlar açıklar. NO molekülünde bir azota bir oksijen, \(\text{NO}_2\)'de bir azota iki oksijen düşer. Atomlar bölünemediği için bir azot atomu ya bir, ya iki oksijen atomu bağlayabilir; bir buçuk oksijen atomu bağlayamaz. Bu yüzden aynı azot kütlesiyle birleşen oksijen kütleleri tam sayı oranındadır.

Katlı oran formülden bulunurken ortak elementin atom sayısı iki bileşikte eşitlenir. FeO ile \(\text{Fe}_2\text{O}_3\) için FeO'yu \(\text{Fe}_2\text{O}_2\) gibi düşünürüz: 2 demir atomu birincide 2, ikincide 3 oksijen atomuyla birleşir; katlı oran \(\frac{2}{3}\)'tür. \(\text{N}_2\text{O}\) ile \(\text{NO}_2\) için 2 azota birincide 1, ikincide 4 oksijen düşer; oran \(\frac{1}{4}\)'tür.

Katlı oran kütle verilerinden bulunurken formül gerekmez. İki bileşikte ortak elementin kütlesi eşitlenir, diğer elementin kütleleri oranlanır. Birinci bileşikte 7 g X'in 4 g Y ile, ikincisinde 14 g X'in 16 g Y ile birleştiğini düşünelim. Birinci bileşiğin verilerini 2 ile çarparsak 14 g X 8 g Y ile birleşir. Aynı 14 g X ikinci bileşikte 16 g Y ile birleştiğine göre katlı oran \(\frac{8}{16} = \frac{1}{2}\)'dir. Birinci bileşiğin formülü biliniyorsa ikincisinin formülü de buradan çıkar: birincisi XY ise ikincisi \(\text{XY}_2\)'dir.

Katlı oranın aranmadığı durumlar

Katlı oranlar kanununun üç şartı vardır ve bunlardan biri sağlanmazsa katlı oran aranmaz.

• Aynı iki elementten oluşmalı. \(\text{H}_2\text{O}\) ile \(\text{H}_2\text{S}\) arasında katlı oran yoktur, çünkü elementler aynı değildir. NaCl ile KCl için de durum aynıdır.
• Basit formülleri farklı olmalı. \(\text{C}_2\text{H}_2\) ile \(\text{C}_6\text{H}_6\) aynı iki elementten oluşur, ama ikisinde de her C atomuna bir H atomu düşer; basit formülleri aynıdır (CH). Sabit karbon kütlesiyle birleşen hidrojen kütleleri eşittir, oran 1'dir ve buna katlı oran denmez. Aynı şekilde \(\text{C}_2\text{H}_4\) ile \(\text{C}_3\text{H}_6\) arasında da katlı oran yoktur.
• Bileşikler iki elementten oluşmalı. Lise programında katlı oran, iki elementli bileşik çiftleri için aranır.

Basit formülleri farklı olan iki bileşiğin katlı oranı her zaman 2 ya da 3 gibi küçük bir sayı çıkmayabilir. \(\text{C}_2\text{H}_6\) ile \(\text{C}_3\text{H}_8\) için 6 karbon atomuna birincide 18, ikincide 16 hidrojen düşer; katlı oran \(\frac{9}{8}\)'dir. Bu da geçerli bir katlı orandır, çünkü iki tam sayının oranıdır.

Birleşen hacim oranları ve Avogadro hipotezi

Gazlarla çalışan Joseph Gay-Lussac 1808'de hacimlerde de basit bir düzen buldu: Aynı sıcaklık ve basınçta ölçüldüğünde, tepkimeye giren ve oluşan gazların hacimleri arasında küçük tam sayılarla ifade edilen bir oran vardır. 1 hacim hidrojen 1 hacim klorla birleşip 2 hacim hidrojen klorür verir; 2 hacim hidrojen 1 hacim oksijenle birleşip 2 hacim su buharı verir; 1 hacim azot 3 hacim hidrojenle birleşip 2 hacim amonyak verir.

Bu sonuç Dalton'un kuramıyla açıklanmakta zorlandı. Hidrojen ve klor tek atomlu tanecikler olsaydı, her hidrojen atomu bir klor atomuyla birleşip tek bir HCl taneciği verirdi ve 1 hacim + 1 hacimden 1 hacim ürün oluşurdu. Oysa ölçülen 2 hacimdi. 2 hacim ürün, ancak atomları bölmekle açıklanabilirdi; bu da atomun bölünmezliğine aykırıydı.

Amedeo Avogadro 1811'de iki düşünceyle bu çelişkiyi çözdü. Birincisi: aynı sıcaklık ve basınçta eşit hacimdeki gazlarda eşit sayıda tanecik (molekül) bulunur. İkincisi: hidrojen, oksijen, azot ve klor gibi gaz elementler tek atomlu değil, iki atomlu moleküller hâlinde bulunur. Böylece \(\text{H}_2\) ve \(\text{Cl}_2\) molekülleri bölünür, atomlar bölünmez: her \(\text{H}_2\) molekülü ile her \(\text{Cl}_2\) molekülünden iki HCl molekülü oluşur.

Avogadro hipotezinin hesaptaki karşılığı şudur: aynı koşullarda gazların hacim oranı, molekül sayısı oranına ve dolayısıyla denkleştirilmiş tepkime denklemindeki katsayıların oranına eşittir. \(\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightarrow 2\text{NH}_3(g)\) tepkimesinde aynı koşullarda 10 mL azot 30 mL hidrojenle birleşip 20 mL amonyak verir. Artan madde hesabı da kütlede olduğu gibi yapılır: 10 mL azot ile 40 mL hidrojen konulursa 10 mL hidrojen artar.

Birleşen hacimler yalnızca gazlar için ve aynı sıcaklık ve basınçta ölçülen hacimler için geçerlidir. Su 25 °C'ta sıvı olduğu için su buharının hacmi ancak suyun gaz olduğu bir sıcaklıkta (örneğin 120 °C'ta) ölçülür. Ayrıca hacim korunmak zorunda değildir: \(2\text{H}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}(g)\) tepkimesinde 3 hacim gazdan 2 hacim gaz oluşur. Kütle ise her zaman korunur.

Dalton atom kuramı ve kanunlar

Dalton'un atom kuramı, önceki kanunları açıklamak için ortaya konmuştu. Kuramın kanunlarla ilişkili varsayımları şunlardır:

• Elementler atom denen bölünemeyen taneciklerden oluşur; bir elementin atomları birbirinin aynıdır ve kendine özgü bir kütlesi vardır.
• Bileşikler, farklı elementlerin atomlarının belirli ve basit tam sayı oranlarında birleşmesiyle oluşur.
• Kimyasal tepkimede atomlar yok olmaz, yoktan var olmaz; yalnızca yeniden düzenlenir.

Üçüncü varsayım kütlenin korunumunu açıklar: atomlar ve kütleleri olduğu gibi kalıyorsa toplam kütle de aynı kalır. Birinci ve ikinci varsayım birlikte sabit oranları açıklar: bir bileşikte atom sayıları oranı sabit, her atomun kütlesi de sabit olduğuna göre kütle oranı da sabittir. İkinci varsayım, iki elementin birden fazla tam sayı oranında birleşebileceğini söyleyerek katlı oranları açıklar. Dalton katlı oranlar kanununu atom kuramıyla birlikte ortaya koymuştur. Birleşen hacim oranları ise Dalton kuramına Avogadro'nun molekül düşüncesi eklenince açıklanabilir hâle gelmiştir.

Dalton kuramının bazı varsayımları sonradan değişti. Atomun proton, nötron ve elektrondan oluştuğu, yani bölünebildiği anlaşıldı; aynı elementin kütlesi farklı atomları (izotoplar) bulundu. Ama kimyasal tepkimeler açısından kuramın özü bugün de geçerlidir: kimyasal tepkimede atomlar bölünmez, yalnızca yeniden düzenlenir. Bu yüzden dört kanun da kimyasal tepkimeler için doğru olmaya devam eder.