1.Bölüm: Maddeler ve Maddesel Değişmeler
Kimya, atomların bağ
düzenini ve atom çekirdeğindeki dönüşümleri inceler. Evrende gördüğümüz,
dokunduğumuz her şey,atomlardan yapılmıştır. Toprak, su, hava; bilgisayar, masa,
tebeşir, kağıt... hepsi atomların değişik bağlanmasının ürünleridir. Kimyanın
asıl temeli atomdur. Atomun varlığının düşünülmesi ve yapısının aydınlatılması ,
madde adını verdiğimiz nesnelerin davranışlarının "gözlenmesi" sonucunda
gerçekleşmiştir.
Madde ne demektir?
Madde, kütlesi ve hacmi olan her varlığa verilen bir ad. Kütle ve hacim, maddenin gözlenip ölçülebilen iki temel niceliği. Kitap, defter, kalem, Dünya, Güneş... birer maddedir. Bunların belli bir hacmi ve kütlesi olduğunu biliyoruz. Acaba atomlar, moleküller, elektronlar için ne diyeceğiz? Onlar da madde midir? Hayır bunlar, alışıldık anlamıyla madde değil. Yani diyelim ki bir futbol topuyla bir atomun davranışı birbirine benzemez. Bir altın atomuyla altın külçesinin davranışı aynı değildir. Atomlar ve atomaltı parçacıklar (proton,nötron,elektron, nötrino, kuark vb) hem parçacık, hem dalga özellikleri gösterir. Bunların garip davranışlarını kuantum mekaniksel davranış olarak niteliyoruz. Bunlar size çok değişik düşünceler olarak gelebilir; doğrudur; düşüncelerimizi değiştirmeye hazır olmalıyız. Doğa, bizim istediğimiz gibi davranmıyor; onun nasıl davrandığını anlamak doğanın değil, bizim sorunumuzdur.
Bu konuyu 2. Bölümde ayrıntısıyla tartışacağız.
1.1 Madde ve Özellikleri
Maddelerin özellikleri, madde miktarına bağlı olan ve olmayan özellikler olarak iki ana grupta toplanabilir.
1. Madde miktarına bağlı özellikler (Kapasite özellikleri)
Genel olarak madde miktarı arttıkça artan özelliklerdir. Bunların başında kütle,hacim,ısı kapsamı,elektrik kapsamı gelir.
Kütle, madde miktarını bildirir. Evrende madde dediğimiz nesnelerin kütlesi,onun varlık belirtisidir. Kütle, iki kollu terazi ile ölçtüğümüz niceliktir. Ağırlık ve eylemsizlik ise kütlenin varlığından ileri gelen türevsel niceliklerdir. Dinamometre ya da el kantarı ile ölçülen şey, ağırlıktır. Eylemsizlik ise kütleyi harekete geçirmek için gerekli güç anlamına geliyor.
Hacim, maddenin uzayda kapladığı bölgedir. Kütlesi olan her nesnenin uzayda bir yer kapladığını düşünürüz. Katı ve sıvılarda madde miktarı arttıkça hacim de artar. Gazlar, bu konuda dikkatli olmayı gerektirir. Gazın hacmi, bulunduğu kabın hacmidir. Gaz, sabit basınç altında ise (pistonlu kaplardaki gibi) ancak o zaman gaz miktarı arttıkça gazın hacmi de artar.
Enerji kapsamı, bir maddenin kütlesinin varlığından dolayı sahip olduğu iç enerjidir. Bu enerji, kütle arttıkça ( ve sabit kütlede sıcaklık arttıkça) artar. Bir maddenin enerji içeriği, kütlenin enerjiye ve enerjinin de kütleye dönüşümünün bulunmasıyla açıklığa kavuştu. Bunu da Einstein, 1905'te, ünlü E =mc2 bağıntısıyla verdi. Burada kütle, enerjinin ışık hızının karesine bölümüdür.
2. Madde miktarına bağlı olmayan özellikler (Şiddet özellikleri)
Katıların erime noktası, sıvıların kaynama noktası, yoğunluk,elektriksel iletkenlik,çözünürlük gibi bazı fiziksel özellikler, madde miktarına bağlı değildir. Örneğin su, 1 atmosfer hava basıncı altında,100ºC' de kaynar. Hava basıncı 1 atmosfer olduğu sürece bu kaynama noktası, su miktarı ne olursa olsun aynıdır. Yine suyun +4 derecedeki yoğunluğu, santimetre küp başına 1 gramdır. Bunun gibi katılar için erime noktası, sıvılar için kaynama noktası, gazlar için aynı basınçta yoğunlaşma noktası ayırt edici özelliklerdendir. Sıcaklık da bir şiddet özelliğidir, çünkü madde miktarına bağlı değildir. Sıcaklık bir molekülün ortalama kinetik enerjisinin bir kesridir. Sonuçta bunun için sıcaklık madde miktarına bağlı değildir.
1.2 Maddelerin Genel Sınıflaması
Maddeler, öncelikle üç ana sınıfa ayrılabilir: Elementler, bileşikler ve karışımlar.
Elementler ve bileşikler, bileşimleri sabit olduğu için saf (arı) madde olarak nitelenir. Karışımlar ise karışanların oranları değişebilir olduğu için onlar arı madde değildir.
Element nedir? Günümüzde 92'si doğal 114 element bilinmektedir. Hidrojen, oksijen, azot, demir, bakır, uranyum... birer elementtir. Belirli bir elementi, diyelim ki demiri dikkate aldığımızda, tüm demir atomlarının aynı kimyasal davranışta bulunması ortak noktadır. Kimyasal özelliği belirleyen ise o elementin atom numarasıdır. Atom numarası, büyük Z harfi ile gösterilir ve elementin simgesinin sol alt kısmına yazılır.
Bir element, atom numarası aynı olan atomların oluşturduğu arı madde olarak tanımlanabilir. Periyodik cetvel, elementlerin zengin bilgilerini sunan çok önemli bir dokümandır.
Bileşikler, elementlerden oluştuğu için onların kimyasal ve fiziksel davranışları daha karmaşıktır. Suyun hidrojen ve oksijen elementlerinden oluştuğunu biliyoruz. Element düzeyinde baktığımızda hidrojenin yanıcı, oksijenin yakıcı olduğunu anımsarız. Oysa suyun bir yangın söndürücü olduğunu da herkes bilir. Su, elementlerinden çok farklı fiziksel ve kimyasal özellikler gösteren bir maddedir. Sofralarımızdaki yemek tuzunun asıl maddesi olan sodyum klorür, sodyum ve klor elementinin atomlarından oluşur. Bu arada bir noktanın altını çizmeliyiz. Elementler, temelde atomları aracılığıyla tepkimeye girer. Bu gerçek, ilk kez 19.yy başlarında John Dalton tarafından keşfedildi. Bugün de aynı görüşteyiz. Elementler, atomları aracılığıyla kimyasal etkileşime girer. Tümüyle özdeş olan atomların nasıl olup da hep birlikte değil de süreç içinde tepkimeye giriyor olması, 20.yy başlarına dek bir sırdı. Kuantum kuramı, hem atomların özdeşliğini hem de aynı koşullarda neden aynı davranışı göstermediğini açıkladı.
Karışımlara gelince, bir kere tüm karışımlar arı maddelerden oluşur. Toprak, bir karışımdır. Ağaç gövdesi de. Zeytin yağı su karışımı da. Tuzlu su sanırım önceki örneklerden biraz farklılık gösterir. Bir kere tuzlu su ya da deniz suyu, şöyle dışardan bakınca homojen görünür. Homojenlik, her doğrultuda aynı görünme demek. Gerçekten bir deniz suyu örneği aldığınızda her bölgesi aynı görünür, her bölgesinde yoğunluk aynıdır vb.(Kirlenmiş denizler, konu dışı!)Karışımlar, görünüşlerine göre homojen ve heterojen olarak nitelenebilir. Su ve kum karışımı, bir huniye yerleştirilmiş bir süzgeç kağıdı ile ayrılabilir. Bir katının içinde bulunduğu sıvıdan böylesine ayrılmasına süzme denir. Deniz suyu gibi bir başka karışım ise homojendir ve süzme ile karışanlarına ayrılamaz. Çünkü karışanlar, süzgeç kağıdından geçer. Bununla birlikte tuzlu suyu karışanlarına ayırmak için kısmi de olsa bir ayırma yöntemine başvurabiliriz. Çözeltiyi kaynatabiliriz. Kaynayan çözeltide su buharlaşır, geriye tuz ve deniz suyundaki öteki katılar kalır.