Kimyasal Tepkimeler ve Denklemler

Fiziksel değişim ve kimyasal değişim

Maddenin geçirdiği değişimler iki gruba ayrılır. Buz eridiğinde su molekülleri yine \(\text{H}_2\text{O}\) molekülleridir; yalnızca birbirlerine göre dizilişleri ve aralarındaki etkileşimler değişmiştir. Şeker suda çözündüğünde şeker molekülleri su molekülleri arasına dağılır, ama her biri yine sakaroz molekülüdür; su buharlaştırılırsa şeker geri kazanılır. Bu tür değişimlerde maddenin kimliği, yani molekülün ya da iyonik yapının kendisi korunur. Bunlara fiziksel değişim denir. Hal değişimleri (erime, donma, buharlaşma, yoğuşma, süblimleşme), çözünme, kırılma, toz hâline getirme, bir metal telin bükülmesi fiziksel değişimdir.

Demir paslandığında, kâğıt yandığında, süt yoğurda dönüştüğünde ise başlangıçtaki maddelerden farklı özelliklere sahip yeni maddeler oluşur. Pas, demirden bambaşka bir maddedir: kırmızımsı kahverengi, kırılgan, büyük ölçüde sulu demir oksitten oluşan bir katıdır. Bu değişimlerde atomlar arasındaki kimyasal bağlar kopar ve atomlar yeni bağlarla yeniden düzenlenir. Bunlara kimyasal değişim, olayın kendisine de kimyasal tepkime denir.

Kimyasal değişimin bazı dış belirtileri vardır: gaz çıkışı (sirkeye karbonat eklenince köpürme), renk değişimi (ısıtılan bakır telin kararması), çökelek oluşumu (iki berrak çözelti karıştırılınca bulanıklık), ısı ve ışık yayılması (yanma), koku değişimi (yumurtanın bozulması). Ancak bu belirtilerin hiçbiri tek başına kesin kanıt değildir. Su kaynarken de gaz çıkar, ama bu bir hal değişimidir. Kesin ölçüt tanecik düzeyindedir: yeni bir madde oluşuyor mu?

Tepkime denklemi: girenler, ürünler ve hal belirteçleri

Bir kimyasal tepkime, kimyasal formüller ve bir okla kısaca yazılır. Hidrojen gazının oksijen gazıyla tepkimesinden su oluşumu şöyle gösterilir:

Okun solundaki maddelere girenler (reaktifler), sağındakilere ürünler denir. Ok "dönüşür" anlamına gelir. Formüllerin önündeki büyük sayılar katsayıdır ve kaç tane tanecik (ya da kaç mol) tepkimeye girdiğini gösterir; katsayı 1 ise yazılmaz. Formülün içindeki küçük sayılar alt simgedir ve bir taneciğin içindeki atom sayısını gösterir. Bu ayrım önemlidir: \(2\text{H}_2\text{O}\) iki tane su molekülüdür; \(\text{H}_2\text{O}_2\) ise bambaşka bir maddedir, hidrojen peroksittir. Denklem denkleştirilirken katsayılar değiştirilebilir, alt simgeler asla değiştirilmez; alt simgeyi değiştirmek maddeyi değiştirmek demektir.

Parantez içindeki harfler hal belirteçleridir. MEB kitaplarındaki gösterimle:

(suda) belirteci, maddenin suda çözünmüş hâlde, iyonlarına ya da moleküllerine ayrışarak su molekülleri arasına dağıldığını söyler. \(\text{NaCl}(k)\) sofra tuzu kristali, \(\text{NaCl}(suda)\) ise tuzlu sudur; ikisinin tepkimelerdeki davranışı farklıdır. Hal belirteçleri bir denklemin denk olup olmadığını etkilemez, ama tepkimenin nasıl yürüdüğü hakkında bilgi verir: bir üründe (k) görmek, çözeltiden bir katının ayrıldığını, yani çökelek oluştuğunu gösterir.

Bir tepkime denklemi tanecik modeliyle çizildiğinde, denklemin ne söylediği daha açık görülür. Aşağıdaki şekilde iki \(\text{H}_2\) molekülü ve bir \(\text{O}_2\) molekülü tepkimeye girip iki \(\text{H}_2\text{O}\) molekülü oluşturuyor.

Bir denklem katsayıları tanecik sayısı olarak okunabileceği gibi mol sayısı olarak da okunabilir: 2 mol \(\text{H}_2\) ile 1 mol \(\text{O}_2\) tepkimeye girerek 2 mol \(\text{H}_2\text{O}\) oluşturur. Katsayılar ise kütle oranı değildir; 2 g hidrojen 1 g oksijenle tepkimeye girmez. Kütlelerle hesap mol kavramı üzerinden yapılır ve kimyasal hesaplamalar konusunun işidir.

Tepkimede korunan ve korunmayan nicelikler

Kimyasal tepkimede atomlar yok olmaz, yoktan da var olmaz; yalnızca bağları değişir ve yeniden düzenlenir. Atomun çekirdeği tepkimeden etkilenmez, değişen yalnızca elektronların atomlar arasındaki dağılımıdır. Bu tek fikirden korunan niceliklerin listesi çıkar:

Kütlenin korunumu, Lavoisier'nin kapalı kaplarda yaptığı tartımlarla ortaya koyduğu kanundur: atomlar korunuyorsa ve her atomun kütlesi değişmiyorsa toplam kütle de değişmez. Molekül sayısı ise korunmak zorunda değildir. \(2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}\) tepkimesinde 3 molekülden 2 molekül oluşur; \(\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2\) tepkimesinde 1 birimden 2 birim oluşur; \(\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}\) tepkimesinde ise molekül sayısı tesadüfen aynı kalır. "Bazen korunuyor" olması, "korunur" demek için yeterli değildir.

Yük korunumu iyon içeren denklemlerde ortaya çıkar. \(\text{Ag}^{+} + \text{Cl}^{-} \rightarrow \text{AgCl}\) denkleminin solunda toplam yük \(+1 - 1 = 0\), sağında da 0'dır. İyonlu bir denklem denkleştirilirken hem her atom türü hem de toplam yük iki tarafta eşitlenmelidir.

Denklem denkleştirme: deneme yöntemi

Denkleştirmenin amacı her atom türünün iki tarafta eşit sayıda olmasını sağlamaktır. Deneme yöntemi (gözle denkleştirme) çoğu TYT denklemi için yeterlidir. İzlenecek sıra şöyledir:

1. Önce en çok atom içeren ya da en karmaşık formüldeki atomlarla başla.
2. Hem girenlerde hem ürünlerde yalnızca bir maddede bulunan atomları önce denkleştir.
3. Element hâlinde bulunan atomları (\(\text{O}_2\), \(\text{H}_2\), Fe gibi) en sona bırak; onların katsayısı diğer maddeleri bozmadan değiştirilebilir.
4. Kesirli katsayı çıkarsa bütün katsayıları paydayla çarp. Sonunda katsayıların en küçük tam sayılar olduğunu (ortak bölenleri olmadığını) denetle.

Propanın yanmasını adım adım denkleştirelim. İskelet denklem \(\text{C}_3\text{H}_8(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + \text{H}_2\text{O}(s)\)'dir. C atomu yalnızca \(\text{C}_3\text{H}_8\) ve \(\text{CO}_2\)'de bulunur: solda 3 C var, \(\text{CO}_2\)'nin katsayısı 3 olur. H atomu yalnızca \(\text{C}_3\text{H}_8\) ve \(\text{H}_2\text{O}\)'da bulunur: 8 H için \(\text{H}_2\text{O}\)'nun katsayısı 4 olur. Şimdi sağdaki O atomları sayılır: \(3 \cdot 2 + 4 \cdot 1 = 10\). Bu 10 O atomu \(\text{O}_2\)'den gelmelidir; katsayısı 5'tir.

Bazen O sayısı tek çıkar. Etanın (\(\text{C}_2\text{H}_6\)) yanmasında C ve H denkleştirilince sağda \(2\text{CO}_2\) ve \(3\text{H}_2\text{O}\), yani \(4 + 3 = 7\) O atomu olur. \(\text{O}_2\)'nin katsayısı \(\frac{7}{2}\) çıkar. Kesirli katsayı ara adımda kullanılabilir; sonunda bütün katsayılar 2 ile çarpılır:

Organik bileşiklerin yanma denklemleri

C ve H'den oluşan bileşikler (hidrokarbonlar) ile C, H ve O'dan oluşan bileşikler oksijenle tam yandığında yalnızca \(\text{CO}_2\) ve \(\text{H}_2\text{O}\) oluşur. Bu yüzden yanma denklemleri hep aynı düzenle denkleştirilir: C sayısı \(\text{CO}_2\)'nin katsayısını, H sayısının yarısı \(\text{H}_2\text{O}\)'nun katsayısını verir, O en son ayarlanır. 1 mol \(\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z\) için gereken \(\text{O}_2\) mol sayısı

bağıntısıyla bulunur. Mantığı basittir: her C atomu bir \(\text{O}_2\) molekülü ister, her 4 H atomu bir \(\text{O}_2\) ister, bileşiğin kendi içinde getirdiği her 2 O atomu bir \(\text{O}_2\) eksiltir. Etanol (\(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}\), yani \(x = 2\), \(y = 6\), \(z = 1\)) için \(2 + \frac{6}{4} - \frac{1}{2} = 3\) bulunur:

Bu bağıntı tersine de kullanılır. Bir bileşiğin yanma denklemindeki katsayılar verilip formülü sorulduğunda, ürünlerdeki atomlardan girenlerdeki \(\text{O}_2\)'nin getirdiği atomlar çıkarılır ve kalan atomlar bilinmeyen maddeye ait olur. Bilinmeyen maddenin katsayısı 1'den büyükse kalan atom sayıları o katsayıya bölünür.

Cebirsel yöntem

Deneme yönteminin zorlandığı, aynı atomun birçok maddede bulunduğu denklemlerde cebirsel yöntem güvenli bir yoldur. Her maddenin katsayısına bir harf verilir ve her atom türü için "soldaki sayı = sağdaki sayı" denklemi yazılır. Harflerden biri 1 (ya da uygun bir sayı) seçilir, diğerleri çözülür, sonunda katsayılar en küçük tam sayılara çevrilir.

Alüminyumun sülfürik asitle tepkimesini ele alalım: \(a\,\text{Al} + b\,\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow c\,\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 + d\,\text{H}_2\). Atom denklemleri şunlardır:

• Al: \(a = 2c\)
• S: \(b = 3c\)
• O: \(4b = 12c\) (S denklemiyle aynı bilgiyi verir)
• H: \(2b = 2d\), yani \(b = d\)

\(c = 1\) seçilirse \(a = 2\), \(b = 3\), \(d = 3\) bulunur:

Parantezli formüllerde parantezin dışındaki alt simge, parantezin içindeki her atomu çarpar; \(\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3\)'te 3 S ve 12 O vardır. Bir kökün (\(\text{SO}_4\), \(\text{NO}_3\), \(\text{OH}\) gibi) tepkimede bozulmadan bir maddeden diğerine geçtiği durumlarda kökü tek bir birim gibi saymak işi hızlandırır.

İyonlu denklemlerde cebirsel yönteme bir denklem daha eklenir: yük denklemi. \(a\,\text{Al} + b\,\text{Ag}^{+} \rightarrow c\,\text{Al}^{3+} + d\,\text{Ag}\) denkleminde atom denklemleri yalnızca \(a = c\) ve \(b = d\) verir; bu, 1, 1, 1, 1 katsayılarını da kabul eder. Oysa o durumda solda \(+1\), sağda \(+3\) yük vardır. Yük denklemi \(b = 3c\) eklenince doğru katsayılar 1, 3, 1, 3 olur.

Tepkime türleri: yanma, sentez ve analiz

Tepkimeler, neyin neye dönüştüğüne göre türlere ayrılır. Bir tepkime birden fazla türe aynı anda uyabilir; türler birbirini dışlayan kutular değildir.

Yanma tepkimeleri, bir maddenin oksijenle tepkimesidir. Organik bileşikler tam yandığında \(\text{CO}_2\) ve \(\text{H}_2\text{O}\) oluşur. Metaller de yanabilir: magnezyum şerit yakıldığında göz alıcı beyaz bir ışıkla magnezyum oksite dönüşür, \(2\text{Mg}(k) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\text{MgO}(k)\). Kükürt yanınca kükürt dioksit oluşur, \(\text{S}(k) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{SO}_2(g)\). Yanma tepkimelerinin çoğu ısı verir; ateşin ve motorların enerjisi buradan gelir. Azotun oksijenle tepkimesi ise ısı alan bir yanma örneği olarak bilinir. \(\text{CO}_2\) ve \(\text{H}_2\text{O}\) gibi zaten tam yanmış ürünler bir daha yanmaz; yangın söndürücülerde \(\text{CO}_2\) kullanılmasının nedenlerinden biri budur.

Sentez (oluşum) tepkimeleri, iki ya da daha fazla maddeden tek bir ürünün oluştuğu tepkimelerdir. Elementlerinden bileşik oluşumu en tipik örnektir: \(\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightarrow 2\text{NH}_3(g)\), \(2\text{Na}(k) + \text{Cl}_2(g) \rightarrow 2\text{NaCl}(k)\). İki bileşikten tek bileşik oluşumu da sentezdir: sönmemiş kireç havadaki karbondioksiti tutarak kalsiyum karbonata döner, \(\text{CaO}(k) + \text{CO}_2(g) \rightarrow \text{CaCO}_3(k)\).

Analiz (ayrışma) tepkimeleri, sentezin tersidir: tek bir maddeden iki ya da daha fazla ürün oluşur. Kireç taşı ısıtıldığında sönmemiş kireç ve karbondioksite ayrışır, \(\text{CaCO}_3(k) \rightarrow \text{CaO}(k) + \text{CO}_2(g)\); kireç ocaklarında yapılan budur. Su, elektrik akımıyla elementlerine ayrıştırılır, \(2\text{H}_2\text{O}(s) \rightarrow 2\text{H}_2(g) + \text{O}_2(g)\). Potasyum klorat ısıtıldığında oksijen verir, \(2\text{KClO}_3(k) \rightarrow 2\text{KCl}(k) + 3\text{O}_2(g)\). Analiz tepkimelerinin çoğu dışarıdan enerji (ısı, elektrik, ışık) ister.

Hidrojenin yanması (\(2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}\)) hem yanma hem sentez tepkimesidir: oksijenle tepkimedir ve iki elementten tek bileşik oluşur. Magnezyumun yanması da öyledir. Metanın yanması ise yanmadır ama sentez değildir, çünkü iki ürün oluşur.

Asit-baz (nötrleşme) tepkimeleri

Asitler suda çözündüklerinde \(\text{H}^{+}\) iyonu, bazlar \(\text{OH}^{-}\) iyonu verir. Bir asitle bir baz tepkimeye girdiğinde genellikle tuz ve su oluşur; bu tepkimelere asit-baz ya da nötrleşme tepkimeleri denir:

Tuz, asidin anyonu ile bazın katyonundan oluşan iyonik bileşiktir. Sülfürik asit iki \(\text{H}^{+}\) verebildiği için iki \(\text{OH}^{-}\) ile tepkimeye girer: \(\text{H}_2\text{SO}_4(suda) + 2\text{NaOH}(suda) \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4(suda) + 2\text{H}_2\text{O}(s)\). Tuzun formülünü yazarken iyonların yüklerini dengelemek gerekir: \(\text{Na}^{+}\) ve \(\text{SO}_4^{2-}\) iyonlarından nötr bileşik \(\text{Na}_2\text{SO}_4\) olur.

Bu tepkimelerin özü, asidin \(\text{H}^{+}\) iyonu ile bazın \(\text{OH}^{-}\) iyonunun birleşip su oluşturmasıdır. Kuvvetli bir asit ile kuvvetli bir bazın tepkimesinde oluşan tuz suda çözünüyorsa net iyon denklemi her zaman aynıdır:

Her asit-baz tepkimesinde su oluşmaz. Amonyak bir bazdır ama yapısında \(\text{OH}^{-}\) yoktur; hidrojen klorürle doğrudan tuz oluşturur: \(\text{NH}_3(g) + \text{HCl}(g) \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}(k)\). Asitler, bazlar ve tuzların ayrıntısı ileride ayrı bir konuda ele alınacak; burada tepkime türünü tanımak yeterlidir.

Çözünme-çökelme tepkimeleri ve net iyon denklemi

İyonik bir bileşik suda çözündüğünde iyonlarına ayrışır. Gümüş nitrat çözeltisinde \(\text{Ag}^{+}\) ve \(\text{NO}_3^{-}\), sodyum klorür çözeltisinde \(\text{Na}^{+}\) ve \(\text{Cl}^{-}\) iyonları su molekülleri arasında serbestçe dolaşır. İki çözelti karıştırıldığında \(\text{Ag}^{+}\) ve \(\text{Cl}^{-}\) iyonları karşılaşır. Gümüş klorür suda çok az çözündüğü için bu iyonlar birleşip beyaz bir katı hâlinde çözeltiden ayrılır. Suda çok az çözünen bu katıya çökelek, tepkimeye çözünme-çökelme (çökelme) tepkimesi denir:

Bu denklem maddeleri bütün hâlinde gösterir. Oysa çözeltide \(\text{AgNO}_3\) ve NaCl birimleri yoktur, iyonlar vardır. Çözünmüş iyonik maddeleri iyonlarıyla yazarsak:

\(\text{Na}^{+}\) ve \(\text{NO}_3^{-}\) iyonları tepkimeden önce de sonra da çözeltide aynı hâlde bulunur; tepkimeye katılmaz, yalnızca "izler". Bu iyonlara seyirci iyon denir. Seyirci iyonlar iki taraftan çıkarılınca tepkimenin özünü gösteren net iyon denklemi kalır:

Hangi maddelerin çökelek oluşturduğunu ezberlemen beklenmez; TYT sorularında gereken çözünürlük bilgisi soruda verilir. Yine de bazı genel kurallar bilinir: sodyum (\(\text{Na}^{+}\)), potasyum (\(\text{K}^{+}\)) ve amonyum (\(\text{NH}_4^{+}\)) tuzlarının tamamı ile nitrat (\(\text{NO}_3^{-}\)) tuzlarının tamamı suda iyi çözünür. Bu yüzden bu iyonlar çökelme tepkimelerinde çoğu zaman seyirci kalır. Çökelme tepkimesinde iki tuzun iyonları "eş değiştirir": birinin katyonu diğerinin anyonuyla eşleşir. Ürünlerden biri suda az çözünüyorsa çökelek oluşur; iki ürün de çözünüyorsa gözle görülen bir tepkime olmaz, iyonlar çözeltide karışık hâlde kalır.

Redoks tepkimelerine ilk bakış

Bazı tepkimelerde atomlar arasında elektron alışverişi olur. Çinko bir metal parçası bakır(II) sülfat çözeltisine daldırıldığında çinkonun yüzeyi kırmızımsı bakırla kaplanır, çözeltinin mavi rengi zamanla açılır:

\(\text{SO}_4^{2-}\) seyirci olduğundan net iyon denklemi \(\text{Zn}(k) + \text{Cu}^{2+}(suda) \rightarrow \text{Zn}^{2+}(suda) + \text{Cu}(k)\)'dir. Nötr çinko atomu iki elektron vererek \(\text{Zn}^{2+}\) iyonuna dönüşmüş, \(\text{Cu}^{2+}\) iyonu bu iki elektronu alarak nötr bakır atomu olmuştur. Elektron veren türün yükseltgendiği, elektron alan türün indirgendiği söylenir. Bir türün verdiği elektronları başka bir tür almak zorunda olduğundan yükseltgenme ve indirgenme her zaman birlikte olur; bu tepkimelere redoks (yükseltgenme-indirgenme) tepkimeleri denir. Verilen ve alınan elektron sayısının eşit olması, iyon denklemindeki yük korunumunun nedenidir.

Bir tepkimenin redoks olup olmadığını anlamanın kolay bir işareti, element hâlindeki bir maddenin bileşiğe girmesi ya da bileşikten element hâlinde ayrılmasıdır. Metallerin yanması, metallerin asitlerle hidrojen gazı vermesi (\(\text{Mg} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{MgCl}_2 + \text{H}_2\)), elementlerinden sentez ve bileşiklerin elementlerine ayrışması bu yüzden redokstur. Nötrleşme ve çökelme tepkimelerinde ise iyonların yükleri değişmez; bunlar redoks değildir. Yükseltgenme basamakları ve pillerle ilgili ayrıntılar AYT'deki kimya ve elektrik konusunda işlenir.