1. Bölüm Madde ve Ölçülebilen Özellikler
Bilimin buluşları ve onların teknolojik uygulamaları, her toplumu, her bireyi derinden etkiliyor. Elektrik, TV, bilgisayarlar, plâstikler, ilâçlar, boyalar, giyecekler, uçaklar, hızlı trenler ve gemiler bilimin bize sağladığı olanaklardan yalnızca birkaçıdır. Bilim adını verdiğimiz, insanoğlunun bu büyük etkinliğinde kimyanın ve kimyacıların önemli bir payı vardır. Kimyanın işe karışmadığı bir endüstri ya da çağdaş yaşam düşünülemez. Petrolden plâstiklere, ilâçlardan tekstile, metalurjiden elektroniğe uzanan düşünceyle deneyin buluştuğu her alanda kimya vardır. Hava kirliliği, su kirliliği ve çevre kirliliği hepimizin sorunu. Bu sorunları ancak kimya bilgisiyle çözebiliriz. Onun için kimya öğrenmenin tam zamanı diyoruz!
Kimya, maddeleri atomlar ve moleküller düzeyine inerek inceleyen bir doğa bilimidir. Bizi, bir yandan atom ve moleküller dünyasına (mikroskopik dünya), öte yandan onların oluşturduğu yığın hâlindeki maddelerin ilişkilerine (makroskopik dünya) götürür. Kimya, bize aynı zamanda bilimsel bilginin önemini kavratır; bilim ve teknolojinin gücünü kazandırır.
Bilimsel Çalışma
Bilimsel çalışma, bilinenlerden yola çıkarak yeni bilgileri keşfetmek için yapılan sistemli bir iştir; bir araştırmadır. Bilimsel çalışma, kendini bilime vermiş, belli bir birikimi olan insanların çeşitli kurumlarda (üniversiteler, belli araştırma kurumları…) yaptığı çalışmalardır. Bilimsel çalışma yapacak insan, bilim adamı olma yolunu seçmiştir.
Bilim adamları keşifler yapmak, yeni yasalar (kanunlar) ya da kuramlar (teoriler) ileri sürmek için nasıl çalışır? Bilimsel çalışma yapmak için “bilimsel yöntem” adı altında bir reçete var mıdır? Bilimsel çalışma için ‘çok zeki‘ mi olmak gerekir? Bilim ile teknoloji aynı şey midir? Bütün bunlar bilim hakkında yanıtlanması gereken önemli sorular. Bunların bazılarını kısaca değineceğiz.
Bilimsel çalışma için hiçbir reçete yoktur. Doğa hakkında bir sorusu olan insan bir tahminde bulunur. Bir görüş dile getirir veya bir denklem türetir. Sonra bunun deneysel kanıtlarını araştırır. Deneysel veriler tahmini doğruluyorsa bilimcinin araştırması ilke ya da yasa niteliğine bürünür. Kütle ve enerjinin korunumu yasası, yükün korunumu yasası, eşit hacim-eşit molekül ilkesi gibi.
Nobel Ödüllü bilim adamı Richard Feynman (1918-1988), bilimsel çalışmanın nasıl yapıldığını şöyle açıklar:
“Yeni bir doğa yasası bulmak için genellikle şu yöntemi kullanırız: Önce bir tahminde bulunuruz. Sonra, eğer tahmin ettiğimiz yasa doğru ise ondan çıkarılacak sonuçların neler olabileceğini hesaplarız. Daha sonra da deney veya deneyimlerimiz yardımıyla, bu sonuçların doğada doğru olup olmadığını, doğrudan gözlem yoluyla araştırırız. Eğer deneylere ters düşüyorlarsa yanlıştırlar. Bu basit ifade, bilimin anahtarıdır.”Bilimsel bilgiyi öteki bilgilerden ve inançlardan ayıran şey, bilimin her savına kanıt göstermesidir. Bilimsel bilginin yargıcı, işte bu kanıtlar, yani gözlem ve deneylerdir. Bilimsel bilgi, özeleştiriye açık bilgidir; bilimsel bilgi, herkese açık bilgidir; bir yanlışı varsa onu yolda düzeltir ve ilerler. Bilimsel bilgi, insan kültürünün yarattığı en kapsamlı, en canlı kültür olgusudur. Bilimcilerin genellikle zeki insanlar olduğu söylenir; bunda gerçeklik payı vardır; ama bunu “doğuştan deha doğmak” şeklinde de anlamamak gerekir.
Fizikçi Erdal İnönü (1926-2007) buluş yapma yolunda zekanın iradeyle harekete geçirilebileceğini, doğaya bakarken meraklı olunması gerektiğini belirtir: “Genellikle, buluşyapmak için çok yüksek bir zekâya sahip olmak gerekli diye bir kanı vardır insanlar arasında, hatta ben de küçükken öyle düşünürdüm. Ama daha sonradan gördüm ki kuşkusuz normal, analiz yapabilen bir zekânın yan›nda irade kullanmak, yeni bir şey bulmayı istemek ve merak çok önemli. Zaten zekâyı harekete geçiren de iradedir. İnsan eğer bir soruyu çözmeyi kafasına koyarsa, “bunu çözmek kolay değil ama bu soruyu çözmek için elimden geleni yapacağım” deyip işe koyulursa o zaman zekâsını çalıştırıp imgelemeni harekete geçirir. Hatta inceleyip araştırır ve sonunda da büyük bir olasılıkla sonuca ulaşır. Bu anlamda; irade, anlama merakı ve bunlarn tetiklediği zekâ hepsi bir arada insanı yeni bir buluşa götüren etmenlerdir. Yaratıcı imgelem diye bir şey var; yeni bir olayı açıklamak için daha önceden kimsenin düşünemediği bir şeyi hatırına getirmek.”
Zekânın bilimsel çalışmaya elbette zararı yoktur; ama çalışkanlık ve tutku olmadan salt zekâ ile bilimsel çalışma yapılamaz. Matematik bilginimiz Cahit Arf ‘ın (1910-1992) deyişiyle “bilim adamı, tutku sahibi insandır; ne olursa olsun kazanç ve ünvan peşinde koşmaz, bunları icap ederse alır. Bilim adamı, anlama ve çalışma tutkusunu kaybetmeyen insandır.” Cahit Arf, bu sözlerini kendi yaşamında da göstermiş, ölünceye kadar çalışmıştır. Bilimsel çalışmayı yapan insan, çalıştığı alandaki buluşları anlamış olmalıdır. Bu anlamda bilim, belirli birikime dayanır. O konulardaki teori ve literatürü incelemiş olması gerekir. Onlar ışığında çözülmemiş ya da sorun yaratan problemleri önüne koyar ve
bir problem (olgu) seçer; bu konuda bir hipotez açıklar, hipotezini gözlem ve deneylerle test eder.
Teori (kuram) yasa ya da hipotezler kümesini içeren daha genel bir kavramdır. Genel ve özel özel görelilik kuramları, kuantum kuramı, kara delik kuramı, evrim kuramı böylesi büyük genellemelerdir.
Kimya ve Öteki Bilimler
Kimyanın odak noktası, maddelerin kimyasal değişmeleridir. Bu değişmenin odak noktası atomlar ve moleküllerdir. Kimya bize tüm maddelerin atomlardan yapılı olduğunu öğretir ve kanıtlar. Evrenin maddesi atomlardır. Atomlar, değişik biçimlerde birbirine bağlanarak çevremizde gördüğümüz canlı ve cansız maddeler dünyasını oluşturur. Buna bağlı olarak günümüzde kimyanın çok değişik branşları vardır. Anorganik kimya ve organik kimya iki ana dal olarak belirtilebilir; am bunları artık birleştiren biyokimya, tıbbi kimya, nükleer kimya, kuantum kimyası, kozmokimya gibi alanlar vardır. Ayrıca analitik kimya, elektrokimya, fizikokimya, yemek kimyası, nanokimya, katı hal kimyası gibi birçok alt dal oluşmuştur.
Bütün bu branşların da gösterdiği gibi kimya, fizik, biyoloji, geoloji, kozmoloji gibi görünürde birbirinden oldukça farklı görünen disiplinlerin kopmaz bir bileşeni olmuştur (1.1 Şekili inceleyiniz). Bütün bunlar, neden kimya öğrenmeliyiz sorusuna da yanıt veriyor. Doğal bilimler alanında okumayı tercih eden insanlar, kimya öğrenmek zorundadır.
Yukarıda da kısaca değindiğimiz gibi bugün teknolojinin kötü ve bilinçsiz kullanımından doğan bir dizi çevre sorunuyla yüzyüzeyiz. Bu sorunlar, tek başına bir devletin ya da bir toplumun çözebileceği sorunlar olmaktan çıkmış küresel sorunlar halini almıştır. Bir ülkenin kötü yakıtla kirlettiği hava, artık o ülkenin komuşlarından
başka neredeyse herkesi ilgilendirmektedir. Çünkü insanlar, yalnız kendi ülke havuzunda yaşamanın ötesinde bir küreselleşme içinde yaşamaktadır. Ülkeler ve devletler, ayrı ayrı var olsa da insanlar, okumak için, gezmek için, tatil için başka ülkelere gidip gelmektedir. Küreselleşmiş olan çevre sorunları, ancak küresel ölçekteki çabalarla ve teknoloji yoluyla çözülebilir. Sağlıklı beslenmek için, ilâçların yan etkilerini minimuma indirmek için, yeşili korumak ve küresel ısınmayı önelmek için de kimya öğrenmek gerekiyor.
1.1 Kimya ve Madde
Kimya, maddelerin bileşimini ve bu bileşimin değişmesi sırasındaki enerji alış verişini inceler. Kimya bu değişmelerin birçok yönüyle ilgilenir. Bunlar arasında tepkimelerin nasıl oluştuğu ve hangi hızla ilerlediğini araştırmak, tepkimelerin hızlarını artırmak ya da azaltmak istenmeyen koşulları engellemek, kimyasal değişmeye eşlik eden enerjileri belirlemek, doğada olan ve olmayan maddelerin sentezini yapmak ve kimyasal değişime giren maddeler arasındaki nicel ilişkileri belirlemek sayılabilir.
Peki ama madde nedir?
Madde, belli bir kütlesi olan ve boşlukta yer kaplayan her şeydir. Toprak, bir maddedir; onun üzerinde gördüğümüz her şey (karalar, denizler, ağaçlar, diğer cansız ve canlı varlıklar; okul binamız, sıralarımız, defterlerimiz, kalemlerimiz…), madde kavramı içine girer. Gözle görülmeyen maddeler de var mıdır? Evet, örneğin atmosferdeki gazları gözle görmüyoruz; ama gazlar da maddedir. Çünkü gazlar da boşlukta yer kaplar ve belirli bir kütleleri vardır. Peki ısı, ışık ve ses için ne söyleyebiliriz? Bunlar madde midir? Hayır, bunlar enerji biçimleridir. Çünkü maddelere özgü olan belirli bir kütleleri ve belirli bir hacimleri yoktur; ama bunlar, maddeleri hareket ettirir ya da değişime uğratır. Yani enerji ile madde arasında kopmaz bir ilişki vardır. Ayrıca enerji maddeye madde de enerjiye dönüşebilir. Bu dönüşüm, Albert Einstein’ın (1879-1955, Fizik Nobel 1921) 1905’te ortaya koyduğu E =mc2 bağıntısıyla hesaplanır. Enerji kavramını daha sonraki bölümlerde inceleyeceğiz. Bir de her zaman akılda tutmamız gereken şey, maddelerin bize sürekli görünmesine karşın atomlu yapıda olmasıdır. Bunun için 1.2 Şekilde verilen kumdan heykeli örnek olarak alabiliriz. Heykele baktığımız zaman kum tanecikleri pek ayırt edilmez. Atomlar ise kum taniceklerinden bile çok çok küçük olduğu için onları çıplak gözle göremeyiz; ama maddenin davranışları, 1800’lerin başından beri atomun varlığını bilimsel bir düşünceye yükseltmiştir. Şimdi ayrıca 1980’lerin başında keşfedilen taramalı tünelleme mikroskopları (STM) ve atomik kuvvet mikroskopları (AFM) atomları bireysel olarak “görme” olanağı sağlamıştır. Konunun başında verilen harika resim, işte bu mikroskopların bize gösterdiği bir atom dizilimidir.
Kütle, madde miktarı ile ilgili bir özelliktir ve uluslar arası birimi kilogramdır. Kilogram birimi “kg”; gram birimi de “g” kısaltmasıyla gösterilir. Kimyadaki pratik uygulamalarda daha çok gram (g) birimini kullanırız.
1 ton = 1000 kg
1 kg = 1000 g
1 g = 1000 mg
Atomik kütle birimi (akb veyau)
Atomik ölçekte kütleler, genellikle atomik kütle birimi (akb) ile belirtilir.Bir atomik kütle birimi, altı proton ve altı nötron içeren bir karbon atomu kütlesinin on ikide biridir. Böylece bu karbon atomunun (C-12) kütlesi 12 .000 akb olarak tanımlanmıştır.
1 karbon-12 atomunun kütlesi = 12 akb;
Karbon-12 atomlarından oluşmuş 12 gramlık kütledeki atom sayısına bir 1 mol atom denir.
1 mol atom = 6.0221415´1023atom
1 akb ´(6.0221415´1023) = 1 gram ve 1 akb(u) = 1.661´10-24 g
Hacim, maddenin uzayda kapladığı bölgedir. Her katı, sıvı ve gazın belirli bir hacmi vardır. Hacmin uluslar arası birimi metre küp (m3) olmakla birlikte yaygın olarak litre birimi de kullanılır ve “L” kısaltmasıyla gösterilir; bir litrenin binde biri olan mili-litre de “mL” şeklinde gösterilir.
1 L = 1000 mL= 1000 cm3
1 cm3= 0.001 L= 1 mL
Bir nesneye madde demek için gereken iki temel özelliği tanıdık; kütle ve hacim. Bunlar, madde miktarı arttıkça artan niceliklerdir. Madde miktarı arttıkça artan niceliklere kapasite özellikleri denir. Kütle, hacim, ağırlık, basınç, ısı, elektrik miktarı da kapasite özelliğidir.
Maddelerin bir de madde miktarına bağlı olmayan şiddet özellikleri vardır. Bunlar, kapasite özelliklerinin türevi olan özelliklerdir; çoğu aynı zamanda maddeler için ayırt edici özelliktir. Yoğunluk, bir katı için erime noktası, bir sıvı için kaynam noktası, çözünürlük şiddet özelliklerinden bazılarıdır.
Yoğunluk, birim hacmin kütlesidir.
Katı ve sıvılarda genel olarak gram/santimetre küp (g cm-3) , gazlarda gram/litre (g/L veya g L-1) birimiyle belirtilir.
Yoğunluk, madde miktarına bağlı değildir ve ayırt edici özelliktir. Madde miktarı arttıkça, örneğin bir katı veya sıvının kütlesi iki katına çıkarılırsa, hacmi de iki katına çıkacağından bunların oranı (yoğunluk) da sabit kalır. Yoğunluğun yanı sıra, erime noktası, kaynama noktası, çözünürlük, elektriksel iletkenlik ve sıcaklık, madde miktarına bağlı olmayan özelliklerdir. Sıcaklık dışındaki bu özellikler, aynı zamanda ayırt edici özelliklerdir. Sıcaklık da bir şiddet özelliğidir; ama ayırt edici bir özellik değildir.Bu özelliklerden en azından biri ya da birkaçı her madde için farklıdır. 1.1 Tabloda bazı maddelerin 20ºC ‘deki yoğunlukları gösterilmiştir.
1.1 Tablo Bazı Maddelerin 20ºC’deki Yoğunlukları
Uzunluk (m)
Dünyamız yuvarlaktır; ama küçük ölçekte onu düz gibi düşünebiliriz. Bu ölçek, Öklit geometrisinin ölçeğidir ve burada uzunluklar doğrusaldır. Dünya üzerindeki büyük ölçekteki çizgilerin (örneğin Ekvator’u düşünün) eğrisel olduğunu anımsayalım.
1 metre (1 m) = 100 cm = 1´102 cm=1´103 m =1´109 nm =1´1012 pm
1 nanometre (nm) = 1´10-9 m
1 pikometre (pm) = 1´10-12 m
Buna göre örneğin 2.5 cm = 0.025 m = 25 mm
Bazen angstrom birimi de kullanılır. 1A0 = 10-10 metre = 0.1 nm
Bunları birleştirirsek 1 nm = 1000 pm = 1´10-9 m (bir metrenin milyarda biri) sonucunu elde ederiz. Pikometre (pm), atomik boyutlarda kullanılan bir uzunluk bi-rimidir. Bir demir (Fe) atomunun yarıçapı 124 pm, bir sezyum atomununki de 265 pm’dir.
1Aº =10-8 cm= 10-10 m = 0.1 nm
Nesnelerin boyutu yaklaşık 2×10–7 metreden daha küçük olursa optik mikroskop altında gözlenemez.
1.1 ÖRNEK
4.5 nm kaç metre ve kaç angstromdur?
Çözüm
Bir nanometre, metrenin milyarda birine eşittir. 4.5 nm = 4.5´10-9 m. Bir angstrom, metrenin on milyarda biridir. Buna göre 4.5 nm = 4.5´10-10 m, 1 nm =10 A0 olduğundan 4.5 nm = 45A0 olacaktır.
1.2 Maddenin Fazları
Maddelerin iç yapılarına (bileşimlerine) göre sınıflandırılabildiği gibi fiziksel hâllerine göre de sınıflandırılabilir.Katı, sıvı ve gaz hâlleri, sıcaklık ve basınç koşullarına bağlıdır. Su, deniz düzeyinde 100ºC ‘de kaynar ve buhara dönüşür. 0ºC ‘de ise donar. Demir 1535ºC ‘de sıvılaşır. Bir dökümcü onu maşrapa ile karıştırabilir; su gibi akıtabilir. Mermer serttir ve kolay kırılır; ama birkaç yüz bin atmosferlik basınç altında bir sıvı gibi akmaya başlar. 1.3 Şekilde katı, sıvı ve gaz örneği veriliyor.
1.3 Şekil Katı, sıvı ve gaz: Gize piramidi, su ve bir gaz kabı
Bir katıda tanecikler (atom, molekül veya iyonlar) birbirine çok yakın olarak bulunur. Bir sıvıda tanecikler arası uzaklık katıya göre daha fazladır. Katılara ve sıvılara, maddenin yoğun fazları da denir. Bir gazda ise bu uzaklık, sıvıdakine göre çok daha fazladır. Sıvılarda ve gazlarda atomlar ya da tanecikler yer değiştirme hareketleri yapar; bu nedenle sıvılara ve gazlara akışkanlar denir.
Bir katı eriyince ya da bir gaz yoğunlaşınca sıvı hâl oluşur. Taneciklerin birbirine yakınlığı bakımından sıvılar, katılarla gazlar arasında yer alır. Sıvılar, gazlar gibi akışkandır; ancak sıvıların hacimleri belirli olmasına karşın gazların hacimleri bulunduğu kaba göre değişir.
1.2 Tablo Katı, Sıvı ve Gazların Genel Olarak Karşılaştırılması
Önce madde ister katı, ister sıvı ve ister gaz olsun “atomlu” (aslında atom, molekül ve iyon) yapıda olduğunu akıldan çıkarmayalım. Bu nokta 1.8 Şekilde gösteriliyor. Yukarıdaki kum heykelde (1.2 Şekil), kum taneciklerini görmüyor olmamıza benzer şekilde bu atomlu yapıyı çıplak gözle görmüyoruz; ama deneyler ve hatta günümüzde bazı özel mikroskoplar (taramalı tünelleme mikroskopu, atomik güç mikroskopu), atomlu yapıyı açıkça gösteriyor. 1.4 Şekilde görüdüğü gibi katı fazda, atomların hareketi oldukça sınırlı, atomlar, yalnızca titreşim hareketi yapıyor. Sıvıda ve gazda ise “atomlar” titreşim hareketlerine ek olarak dönme ve yer değiştirme hareketleri de yapıyor. Onun için sıvılara ve gazlara akışkanlar dememiz anlamlı oluyor. Sıvıda atomlar sürekli hareket halinde ancak birbirine hâlâ bağlıdır; ama gaz fazında atomlar, artık neredeyse birbirinden bağımsızmış gibi hareket etmektedir.
Katı, sıvı ve gaz fazları arasındaki geçişlerin adlandırılması, 1.3 Tabloda gösterilmiştir. Bir maddenin katıdan sıvıya oradan gaza geçişinde enerjisi artar. Yani bir maddenin sıvı fazının enerjisi, katı fazına göre, gaz fazının enerjisi de sıvı (ve katı fazına) göre daha yüksektir. 1.5 Şekilde bu durum gösterilmektedir.
Yorum Ekle