1.3 Tablo: Maddelerin Fiziksel Değişimleri

Erime ve Erime Noktası

Saf bir katıyı, örneğin buzu yavaş yavaş ısıtalım. Sıcaklık arttıkça katıdaki taneciklerin (buzda su moleküllerinin) titreşim hareketleri artar. Belli bir sıcaklığa gelindiğinde madde katı fazdan sıvı faza geçmeye başlar. Bir katının sıvıya dönüşmesine erime denir. Erime boyunca maddenin sıcaklığı sabit kalır. Bir maddenin erimeye başladığı sıcaklığa erime noktası denir. Bu sıcaklık, maddenin katı ve sıvısının birlikte bulunabildiği sıcaklıktır. Çünkü saf (arı) bir maddenin (bir element ya da bileşiğin) erime noktası, aynı zamanda donma noktasıdır. Katı tümüyle sıvı faza geçene kadar sistemin sıcaklığı sabit kalır. Peki bu sırada verilen enerji nerede kullanılmıştır? Sıcaklık artışı olduğunda taneciklerin (atom, molekül, iyon) kinetik enerjileri daima artar. Erime süresince sıcaklık sabit kaldığına göre verilen enerji potansiyel enerji karakterindedir. Bazı maddelerin erime ve kaynama noktaları 1.4 Tabloda verilmektedir.

Kaynama Noktası

Sıvı yüzeyindeki taneciklerin gaz fazına geçmesine buharlaşma denir. Buharlaşma, sıvının bulunduğu her sıcaklıkta gözlenir. Sıcaklık arttıkça buhar fazına geçen tanecik sayısı ve buharlaşma hızı artar. Belli bir sıcaklıkta, yalnız yüzeyde değil tüm sıvı kütlesinde buharlaşma görülür. İşte bu olaya kaynama, kaynamanın olduğu sıcaklığa da kaynama noktası denir.

Kaynama noktası, sıvının buhar basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklıktır.

Her sıvının, üzerine etkiyen hava basıncına bağlı bir kaynama noktası vardır.  Bunun için deniz düzeyindeki, yani hava basıncının 1 atm (= 760 mmHg) altındaki kaynama sıcaklığına normal kaynama noktası adı verilir. Örneğin suyun, etil alkolün ve dietil eterin 1 atm basınçtaki normal kaynama noktaları, sırayla 100ºC, 78.5ºC ve 34.6ºC’dir. Bir maddenin erime ve kaynama noktası yüksekse o maddenin temel tanecikleri arasındaki çekim kuvveki büyük demektir. Verilen üç sıvıyı dikkate aldığımızda su molekülleri arasındaki çekim kuvvetinin, alkol ve dietil etere göre büyük olduğu anlaşılıyor.

1.4 Tablo Bazı Maddelerin Erime ve Kaynama Sıcaklıkları (1 atm basınçta)

1.3 Fiziksel ve Kimyasal Değişmeler

Maddenin özellikleri genellikle, fiziksel ve kimyasal özellikler olarak gruplandırılır.

*  Fiziksel Özellikler ve Fiziksel Değişmeler

Fiziksel özellik, maddenin kimyasal yapısı değişmeden ölçülebilen ve gözlenebilen özellikleridir. Bakırın dövülerek tel ve levha haline gelmesi, elektriği ve ısıyı iyi iletmesi, onun fiziksel özelliklerindendir. Fiziksel değişme ise, maddenin bileşimi değişmezken fiziksel özelliklerindeki değişmelerdir. Bakırın erimesi, sıvı suyun donması, fiziksel değişme örnekleridir. Su, donduğunda ya da buharlaştığında, onun bileşimi (molekül yapısı) aynı kalır; ama yoğunluk, görünüş gibi fiziksel özellikler değişir. Fiziksel özellikler sıcaklık ve basınçla değişir.

* Kimyasal Özellikler ve Kimyasal Değişmeler

Kimyasal özellik denince maddenin bileşiminin değişmesini sağlayan özellik anlaşılır. Mumun, kâğıdın, kömürün yanabilirliği, onların kimyasal özelliklerindendir. Asitle tepkimeye girme ve paslanma gibi kimyasal özellikler, metallerin çoğu için geçerlidir. Kimyasal değişme, maddenin bileşiminin değişmesi demektir. Odunun, kömürün, kükürdün, hidrojen gazının yanması, demirin paslanması, suyun elektrolizle hidrojen ve oksijen elementlerine ayrışması ise kimyasal yapının değişmesiyle gerçekleşir. Sonuçta oluşan maddelerin yapısı ve özellikleri, başlangıçtakilerden farklıdır. Hidrojen gazı, H₂ moleküllerinden, oksijen gazı O₂ moleküllerinden oluşur. H₂ ve O₂ moleküllerinin birleşmesinden de su (H₂O) molekülleri oluşur.

1.2 ÖRNEK

Sıcaklık, yoğunluk, erime noktası, kaynama noktası ve kütle niceliklerinden hangileri madde miktarı arttıkça artar?

Çözüm

Madde miktarı arttıkça artan özelliklere kapasite özellikleri denir. Kütle, hacim, ısı içeriği başlıca miktara bağlı özelliklerdir. Bunun dışındakiler madde miktarı artsa da aynı kalır.

1.3 ÖRNEK

Aşağıdaki hâl değişmelerinden hangisi oluşurken ısı açığa çıkar (ekzotermiktir)?

(a)Erime                    (b) Süblimleşme         (c) Kaynama            

(d)Yoğunlaşma                 (e) Buharlaşma

Çözüm

Bir katı ısıtıldığında erir veya süblimleşir yani dışardan enerji alır; bir sıvı ısıtıldığında ise buharlaşır ve kaynar. Yoğunlaşma, bir gazın sıvı hâle geçmesidir. Gaz, sıvı hâle geçerken aldığı enerjiyi geri verir. Yani yoğunlaşma, ısı veren (ekzotermik) bir olaydır.

1.4 ÖRNEK

Aşağıdakilerden hangisi fiziksel değişmedir?

(a) Alüminyumun paslanması

(b) Cıva oksidin cıva ve oksijene ayrışması

(c) Su buharının yoğunlaşması

(d) Potasyum katısının suda gaz açığa çıkarması

(e) Kömürün yanması

Çözüm

Su buharı yoğunlaşırken kimyasal yapısı aynı kalır. Bu nedenle su buharının yoğunlaşması fiziksel değişmedir. Diğerlerinde maddenin bileşimi değişir. Onun için diğerleri kimyasal değişmedir. Öyleyse yanıt (c)’dir.

1.5 ÖRNEK

Aşağıdakilerden hangisi, kimyasal değişmedir?

(a) Katı karbon dioksitin doğrudan gaz hâline geçmesi

(b) Havanın yüksek basınç altında sıvılaştırılması

(c) Şekerin suda çözünmesi

(d) Kâğıdın yanması

(e) Demirin toz hâline getirilmesi

Çözüm

Tüm yanma olayları, kimyasal değişmedir. Çünkü yanma olayında yanıcı madde, havadaki oksijenle birleşir. Öyleyse yanıt (d)’dir.

1.4 Maddelerin Genel Sınıflaması

Bir saf madde, element veya bileşik olabilir. Bir madde örneği ya arı (saf) maddedir ya da bir karışımdır. Bir saf madde ya element, ya bileşiktir. Demir, bakır, oksijen, hidrojen, altın… element; su, hidrojen peroksit, kalsiyum karbonat… bileşiktir.

Karışımlar, elementler ya da bileşikler arasında oluşabilir veya oluşturulabilir. Demir tozu ve kükürt tozu karışımı, iki elementin karışımıdır. Su ve sodyum klorür maddeleri birer bileşiktir. Deniz suyu ise su ve sodyum klorür ile başka tuzlardan oluşan bir karışımdır.

En temel maddeler, elementlerdir. Her element, bir ya da iki harfli simgelerle gösterilir. Elementlerin 92’si doğada (karada, denizde ve havada) bulunur. Gerisi, laboratuvarlarda keşfedilmiştir. 2002 yılında 118 nolu element de gözlendi. Kütle numarası 294. 117 nolu element ise daha bilinmiyor. Belirli bir element, aynı kimyasal özellikteki atomlardan (atom numarası aynı atomlar) oluşur. Örneğin demir (Fe),  bir elementtir ve bir demir parçasındaki atomların tümü aynı kimyasal özelliği gösterir. Bazı elementler oda koşullarında iki ya da daha çok atomlu moleküllerden oluşur. Bu durumda atom simgesinin altına atom sayısı getirilir. Örneğin oksijen gazı O₂ moleküllerinden, ozon gazı O₃ moleküllerinden, bazı fosfor tipleri P₄ moleküllerinden, bazı kükürt tipleri de S₈ mleküllerinden oluşur. Bileşikler, iki ya da daha çok elementin kimyasal tepkimesi sonucu oluşmuş saf maddelerdir.

1.7 Şekilde  gösterildiği gibi karışımlar çok kabaca homojen ve heterojen karışım olarak ikiye ayrılır. Homojen karışımlar, her kısmı aynı görünen karışımlardır. Bunlara aynı zamanda çözelti deriz. Tuzlu su, şekerli su, temiz hava, birer homojen karışım (çözelti) örneğidir. Karışanları gözle veya normal mikroskopla ayırt edilebilen karışımlara heterojen karışımlar deriz. Demir tozu ve kükürt tozu karışımı, toprak, su ve zeytin yağı karışımı birer heterojen karışımdır.

Maddenin Atomlu, Moleküllü ve İyonlu Yapısı

Maddeler, genel olarak atomlu, moleküllü ve iyonlu yapıda olur. Her element, saf halde iken atomlu yapıdadır. Örneğin neon gazı içeren bir kapta neon atomları vardır, bir demir parçasında demir atomları vardır. 1.8 Şekilde atomlu, moleküllü ve iyonik yapı gösteriliyor.

Moleküllü yapı, hem elementlerin bazılarında (O₂, O₃, P₄, S₈ gibi), hem de bileşiklerin bazılarında (özellikle ametal-ametal bileşiklerinde: HCl, H₂O, NH₃, H₂SO₄ gibi) görülür. Bazı bileşikler, iyonik yapılıdır. Özellikle metaller (Na, K, Fe, Cu vb.) ile ametaller (O,F, Cl, S, P vb.) arasındaki bileşiklerin büyük çoğunluğu iyonik bileşiktir. Bu bileşiklerde metaller pozitif yüklü iyon (katyon), ametaller ve bazı kökler negatif yüklü iyonlar (anyonlar) halinde bulunur. Örneğin sofra tuzunun asıl maddesi olan sodyum klorür (NaCl), sodyum iyonu (Na⁺ ) ve klor iyonu ( Cl^–) iyonlarının düzenli bir örgüsü durumundadır.

1.6 ÖRNEK

Sodyum metali (Na), klor gazı (Cl₂) ile birleşince sodyum klorür, NaCl (k) oluşturur. Tepkimeyi yazıp denkleştiriniz. Element, bileşik ve maddesel değişim bakımından yorumlayınız.

Çözüm

Tepkimeyi yazarken maddelerin simgelerini,verilen  fiziksel halleri ve sonunda atomların sayısının ve cinsinin korunmasına dikkat etmeliyiz.

2Na (k) + Cl₂(g) ®2NaCl(k)

Burada sodyum ve klor element, sodyum klorür bileşiktir. İki elementten bir bileşik oluştuğu için elementler kimyasal değişime uğramıştır.

1.5 Maddelerin Ayrılması

Doğadaki maddeler, genellikle karışım ve bileşik halinde bulunur. Bu maddeleri bazen ayırmadan, bazen de ayırarak kullanırız. Örneğin soluduğumuz hava, oksijen, azot ve başka gazlar içerir. Solunum sırasında bunları ayırmadan kullanırız, oksijen dışındaki gazlar solunumda kullanılmaz. Buna karşın hastanelerde kullanılan oksijen gazı, sıvı havanın damıtılmasıyla elde edilir.

Karışımların birbirinden ayrılması için elektriklenme, mıknatıs ile ayırma, süzme, özkütle farkı, çözünürlük farkı ve hal değiştirme sıcaklıkları farkı gibi özelliklerden yararlanılır. Bakır, kalay, kurşun, altın, çinko, krom, nikel ve daha bir çok metal elektrolizle saflaştırılır. Nükleer santrallerde soğutucu olarak kullanılan sodyum metali, sodyum klorürün elektrolizinden elde edilir. Gümüş ve altın, içinde bulundukları karışımlardan cıva ile ayrılır. Bu iki kıymetli metal cıvada çözünür. Cıva çözeltilerine amalgam denir. Amalgam denen bu çözelti damıtılırsa cıva ayrılır ve geride serbest gümüş ve altın kalır.

Bir maddeyi diğerinden ayırmak için onun ayırt edici özelliklerinden yararlanırız. Bunlardan bazıları maddenin fiziksel özellikleri diye belirtilir. Örneğin bir madde için oda sıcaklığındaki fiziksel hâl, erime ve kaynama noktası, renk, sudaki çözünürlük, sertlik, koku ve elektriksel iletkenlik ayırt edici fiziksel özelliklerdir.

“Madde” kavramı, bileşim bakımından çok değişik nesneleri kapsar. Hava, bir maddedir; ama başlıca azot, oksijen ve karbon dioksit gazlarını içeren bir karışımdır. Azot ve oksijen element, karbon dioksit bir bileşiktir. Su, hidrojen ve oksijen elementlerini; hidrojen klorür, hidrojen ve klor elementlerini içeren birer bileşiktir…

Çevremizdeki maddeler, bileşim bakımından üç tip olabilir: element, bileşik vekarışım.

Her maddenin kendine özgü kimyasal özellikleri de vardır. Bunlar da maddelerin ayırt edici özellikleridir. Kimyasal özellikler denince, bir maddenin enerjiyle değişen niteliklerini ya da başka bir madde ile tepkimeye girebilme istemlerini anlarız. Demir, nemli havada, patlama olmadan paslanır (oksitlenir). Magnezyum patlayarak (fotoğraf flaşlarındaki ani ışık parlaması, magnezyumun yanmasıdır) yanar, karbon dioksit ve su ise yanmaz.

Tek tipte bileşen içeren maddelere saf madde denir. Salt hidrojen moleküllerinden oluşan hidrojen gazı ya da salt  su moleküllerinden oluşan su, saf maddedir. Ancak saf madde terimi teknik anlamda bir soyutlamadır. Çünkü % 99.99 saf olan bir madde, % 0.01 başka madde içerir. Örneğin; bilgisayar çipi olarak kullanılan silisyum % 99.99999 oranında saftır. Bunun için “saf madde” terimi yerine “arı madde” terimi kullanılır. Belirli bir elementel maddenin ya da belirli bir bileşiğin her biri arı madde kategorisine girer.