Kimyasal Denklemler ve Hesaplamalar
I) Kimyasal Tepkime ve Çeşitleri
Kimyasal tepkimeler, atomlar arasındaki bağların kırılması ve yeniden düzenlenmesi sonucu meydana gelir. Bu sürece kimyasal tepkime adı verilir. Kimyasal tepkimeler, çeşitli tiplerde gerçekleşebilir. Ancak bu bölümde, temel kimyasal tepkime türlerinden bahsedeceğiz.
A) Yanma Tepkimeleri
Kimyasal tepkimeler, atomlar arasındaki bağların kırılması ve yeniden düzenlenmesi sonucu meydana gelir. Bu sürece kimyasal tepkime adı verilir. Kimyasal tepkimeler, çeşitli tiplerde gerçekleşebilir. Ancak bu bölümde, temel kimyasal tepkime türlerinden bahsedeceğiz.
A) Oksidasyon Tepkimeleri
Bu tip tepkimelere aynı zamanda oksijenleme tepkimeleri de denir. O2 gazının katılımıyla gerçekleşen reaksiyonlara yanma tepkimeleri denir. Bu tür tepkimelerde, metallerin veya ametallerin oksitleri ürün olarak meydana gelir.
Yanma Tepkimelerine Örnekler:
- Mg + 1/2O2 → MgO (Magnezyum oksit)
- 4Na + O2 → 2Na2O (Sodyum oksit)
- Fe + 1/2O2 → FeO (Demir(II) oksit)
- 2Fe + 3/2O2 → Fe2O3 (Demir(III) oksit)
- C + 1/2O2 → CO (Karbonmonoksit)
- C + O2 → CO2 (Karbon dioksit)
Organik Bileşiklerin Yanması: Organik bileşikler, karbon ve hidrojen içeren bileşiklerdir. Organik bileşiklerin yanması sonucunda karbondioksit (CO2) ve su (H2O) oluşur.
Organik Bileşiklerin Yanma Tepkimelerine Örnekler:
- C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O
- CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
- C2H6 + 7/2O2 → 2CO2 + 3H2O
- C3H4 + 4O2 → 3CO2 + 2H2O
B) Asit – Baz Tepkimeleri
B) Asit – Baz Tepkimeleri
Temelde, sulu çözeltilerde H+1 iyonları salan maddelere asit, OH−1 iyonları salanlara ise baz denir. Bu tanım Arrhenius asit-baz tanımı olarak adlandırılır. H+1 iyonları veren maddeler sadece asit olmakla kalmaz, aynı şekilde OH−1 iyonları alabilen maddeler de asit niteliği taşır. OH−1 iyonları veren maddeler baz olarak kabul edilir ve aynı şekilde H+1 iyonları alabilen maddeler de baz olarak adlandırılır. Bu tanım, Bronsted-Lowry asit-baz tanımı olarak bilinir. Elektronları alabilen maddeler asit, elektronları verebilen maddeler ise baz olarak işlev görür. Bu anlayış da Lewis asit-baz tanımını oluşturur.
Bazı Asit Örnekleri:
- HF: Hidroflorik asit
- HCl: Hidroklorik asit
- HBr: Hidrobromik asit
- HI: Hidroiyodik asit
- HNO3: Nitrik asit
- H2SO4: Sülfürik asit
Bazı Baz Örnekleri:
- LiOH: Lityum hidroksit
- NaOH: Sodyum hidroksit
- Mg(OH)2: Magnezyum hidroksit
- Ca(OH)2: Kalsiyum hidroksit
- NH3: Amonyak
Asit ve bazlar arasındaki tepkimelere nötrleşme tepkimeleri denir. Nötrleşme reaksiyonları genellikle tuz ve su ürünleri oluşturur.
Örneğin, NH3 gibi bazı bileşiklerin içerisinde OH−1 iyonu bulunmasa da bazik özellik gösterebilir. Bu tür bazların asitlerle tepkimesi sonucunda sadece tuz oluşur. Bu duruma örnek olarak yukarıda 2 numaralı tepki verilebilir.
C) Sentez Tepkimeleri
Sentez tepkimeleri, iki veya daha fazla maddenin kendi özelliklerini kaybederek yeni bir madde oluşturduğu olaylardır. Bu tip reaksiyonlara sentez tepkimeleri veya birleşme tepkimeleri denir.
Sentez tepkimelerine örnekler:
- 2Na(s) + 1/2Cl2(g) → 2NaCl(s)
- Fe(s) + S(s) → FeS(s)
- N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
- H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(s)
- H2(g) + F2(g) → 2HF(g)
- SO3(g) + H2O(s) → H2SO4(s)
- K2O(s) + H2O(s) → 2KOH(s)
Metaller ve ametaller birleşerek tuzlar veya oksitler oluştururlar.
- Ca(s) + Cl2(g) → CaCl2(s)
- 2K(s) + 1/2O2(g) → K2O(s)
Ametaller kendi aralarında reaksiyona girerek moleküler bileşikler meydana getirirler.
- C(s) + 2Cl2(g) → CCl4(s)
- C(s) + 1/2O2(g) → CO(g)
- P2(s) + 3H2(g) → 2PH3(g)
D) İyon Tepkimeleri
Asitler, bazlar ve tuzlar iyonik bağlı bileşiklere örnektir. Bu maddeler suda çözündüğünde, çözeltilerinde iyonlar bulundururlar. Bu tür iyon içeren çözeltilere elektrolit çözeltileri denir. Örneğin, HCl ve NaOH gibi tamamen iyonlaşabilen çözeltiler iyi elektrolitlerdir. Ancak CH3COOH, HF, HCN gibi kısmen iyonlaşabilen maddelerin çözeltileri zayıf elektrolitler olarak kabul edilir.
E) Redoks Tepkimeleri
Elektron alışverişi ile gerçekleşen tepkimelere redoks (indirgeme-yükseltme) tepkimeleri denir. Bir atom veya iyon elektron kaybettikçe yükselir ve yükseltgenir.
Örnek denklem:
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e−
Bu denklemde, çinko atomu elektron kaybederek +2 yüklü çinko iyonuna dönüşür. Bu durumda çinko atomu yükseltgenmiştir ancak elektron verdiğinden dolayı indirgenmiş bir özellik gösterir.
F) Ayrışma Tepkimeleri
Bir bileşiğin daha basit maddelere ayrılması tepkimesine ayrışma (analiz) tepkimeleri denir. İyonik bileşiklerin sıvı haldeki veya sulu çözelti haldeki halleri elektroliz edilebilir. Elektroliz edilebilen sıvı maddelere elektrolit denir. Elektrolizde kullanılan iletken metal çubuklara elektrot adı verilir. Güç kaynağının pozitif (+) kutbuna bağlı olan ve pozitif yüklü elektroda anot, negatif (-) kutbuna bağlı olan ve negatif yüklü elektroda katot denir. Pozitif yüklü anot, negatif yüklü katot tarafından çekilir. Katyonlar elektron kaybederek yükseltgenir.
II) Kimyasal Tepkimeyi Denkleştirme
A) Kütlenin Korunumu Kanunu
Kütlenin korunumu kanunu, Antoine Lavoisier tarafından keşfedilmiştir. Madde ne yoktan yaratılabilir ne de yok edilebilir. Yalnızca maddenin dönüşümü mümkündür. Buna kütlenin korunumu kanunu denir. Bu nedenle tepkimeye giren maddelerin kütleleri toplamı, tepkimeden elde edilen ürünlerin kütleleri toplamına eşittir.
Giren Maddelerin Kütleleri Toplamı = Ürünlerin Kütleleri Toplamı
B) Kimyasal Reaksiyonlar ve Kimyasal Denklemler
Kimyasal reaksiyon, iki veya daha fazla maddenin birbirleriyle etkileşerek kendi özelliklerini kaybedip yeni özellikler kazandığı bir olaydır. Kimyasal reaksiyonlarda etkileşen elementler veya bileşikler reaktifler olarak adlandırılırken, meydana gelen yeni elementler veya bileşikler ürünler olarak adlandırılır. Kimyasal reaksiyonlarda değişmeyen bazı özellikler bulunur ve bunlar şunlardır:
- Atom cinsi
- Toplam proton sayısı
- Toplam nötron sayısı
- Toplam elektron sayısı
- Kütle numaraları
- Çekirdek kararlılıkları
Ancak kimyasal reaksiyonlarda değişebilen bazı özellikler de vardır ve bunlar şunlardır:
- Atomların hacmi, çapı
- Atomların elektron dizilimleri ve sayıları
- Toplam potansiyel enerji
- Toplam mol sayısı
- Toplam molekül sayısı
- Toplam hacim
- Renk, koku, tat gibi fiziksel özellikler
C) Kimyasal Eşitliklerin Yazılması
C) Kimyasal Eşitliklerin Yazılması
Kimyasal denklemlerde ok işareti sol tarafında reaksiyona giren maddeleri, sağ tarafında ise oluşan ürünleri temsil eder. Örnek olarak, hidroklorik asit ve sodyum hidroksitin tepkimesi sonucunda tuz ve su meydana gelir. Bu reaksiyon denklemi aşağıdaki gibi ifade edilir:
HCl + NaOH → NaCl + H2O
Kimyasal tepkimeleri bu şekilde ifade etmek, hem olayları özlü bir biçimde ifade etmeye yarar, hem de tepkimenin temel yapısını gösterir. Tepkime denklemleri yazılırken elementler sembollerle, bileşikler ise kimyasal formüllerle temsil edilir. Tepkimeye katılan maddeler yazıldıktan sonra ok işareti ile tepkime yönü belirtilir ve ardından ürünler yazılır. Yukarıdaki örnekte hidroklorik asit ve sodyum hidroksit reaktifleri, sodyum klorür tuzu ve su ise ürünleri temsil eder.
Kimyasal tepkime denklemlerinin düzgün yazılması, kimyasal hesaplamaların doğru yapılabilmesi için oldukça önemlidir. Bu nedenle kimya öğrenirken doğru tepkime denklemi yazmayı öğrenmek büyük bir önem taşır. Tepkime denklemlerini düzgün yazabilmek için tepkimede yer alan bileşiklerin formülleri doğru bir şekilde yazılmalıdır. Bu işlem için bazı önemli elementlerin bileşiklerindeki değerlikleri ve önemli kimyasal kökleri bilmek gereklidir.
+1 yüklü iyonlar: Li, Na, K, Ag, H
+2 yüklü iyonlar: Mg, Ca, Ba, Zn
+3 yüklü iyonlar: Al
-1 yüklü iyonlar: F, Cl, Br
-2 yüklü iyonlar: O
Hidrojen, metallerle oluşturduğu bileşiklerde -1 değerlik alır (hidrür).
Oksijen, peroksit bileşiklerinde -1 değerlik alır.
Cl, Br, I elementleri +1, +3, +5, +7 gibi pozitif değerlikler alabilirler.
Yukarıdaki tabloda pozitif değerliklerle gösterilen elementler (H hariç), metaldir. Diğerleri ise ametaldır.
Kimyasal Kökler:
OH−1: Hidroksit
NO3−1: Nitrat
CO3−2: Karbonat
SO4−2: Sülfat
PO4−3: Fosfat
NH4+1: Amonyum
Kimyasal reaksiyonlarda, reaktiflerin ve ürünlerin atomları arasında bağlar değişirken, bazı atomlar tamamen kaybolmaz. Bir denklemdeki reaktifler tarafındaki atom sayıları ile ürünler tarafındaki atom sayıları eşittir. Örneğin:
2KOH + H2SO4 → K2SO4 + 2H2O
Denkleminde sol tarafta 2 K, 1 S, 4 H ve 6 O atomu bulunur. Aynı şekilde sağ tarafta da bu atomların sayıları eşittir. Kimyasal reaksiyonlarda atomlar arası bağlar kırılır ve yeni bağlar oluşur. Ancak reaktiflerin atomları asla kaybolmaz. Bu bağlamda denklemin sağıyla solu arasında toplam atom sayısı ve kütle korunur. Denklemin katsayıları, reaktiflerin ve ürünlerin atom sayılarının eşitlendiğini gösterir. Maddelerin önündeki katsayılar genellikle küçük tam sayılardır. Ancak çift atomlu elementlerde, atom sayısını bir azaltacak şekilde kesirli sayılar da kullanılabilir.
D) Kimyasal Reaksiyonların Denkleştirilmesi
Reaksiyonların denkleştirilmesi, reaktiflerin ve ürünlerin atom sayılarının denk hale getirilmesi anlamına gelir. Denkleştirme işlemi sırasında en fazla atom içeren molekülün katsayısı genellikle 1 olarak kabul edilir. Denkleştirme sürecinde oksijen ve hidrojen atomlarının dışındaki atomların sayıları önce denkleştirilir, daha sonra hidrojen ve oksijen atomları denkleştirilir.
1.Basit Tepkimelerin Denkleştirilmesi
Denklemin en karmaşık bileşeni olan molekül tespit edilir ve onun katsayısı 1 olarak kabul edilir. Diğer elementlerin veya bileşiklerin katsayıları bu molekülün katsayısına göre ayarlanır. Ancak, tek atomlu elementler (Cu, Fe, Hg, Ag vb.) veya bazı bileşiklerin (H2O, AlCl3, KNO3 vb.) katsayıları kesirli olamaz. Bu tür maddelerin katsayıları genişletilerek kesirler tam sayılara dönüştürülür. Ancak Cl2, Br2, O2, N2 gibi moleküller kesirli katsayılarla (örneğin 1/2, 3/2, 5/2 gibi) yazılabilir.
Örnek olarak, C2H6 + O2 → CO2 + H2O denklemini denkleştirme işlemini ele alalım. Bu denklemde C2H6 bileşiğinin katsayısı 1 olarak kabul edilirse, CO2’nin katsayısı 2, H2O’nun katsayısı 3 ve O2’nin katsayısı 7/2 alınmalıdır.
C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O şeklinde denkleştirilebilir.
2.Redoks Tepkimelerinin Denkleştirilmesi
Redoks tepkimelerinde elektron alışverişi gerçekleşir. Elektron alışverişi sonucunda yükseltgenme (değerlik artışı) veya indirgenme (değerlik azalışı) meydana gelir. Bu tür tepkimelerde en sık görülen elementlerden bazıları şunlardır:
- Cu: +1, +2
- Cr: +3, +6
- Mn: +2, +4, +6, +7
- Pb: +2, +4
- S: +2, +4, +6
- N: -3, +2, +3, +4, +5
- Cl, Br, I: -1, +1, +3, +5, +7
- Sn: +2, +4
- C: -4, +4, +3, +4
- Fe: +2, +3
Redoks reaksiyonları denkleştirilirken aşağıdaki adımlar izlenir:
- Denkleme katılan elementlerin değerlikleri belirlenir.
- Yükseltgenen ve indirgenen elementler tespit edilir.
- Yükseltgenme ve indirgenme yarı reaksiyonları yazılarak yük denkliği sağlanır.
- Redoks yarı reaksiyonlarındaki elektron alışverişi eşitlenir ve reaksiyonlar taraf taraf toplanır.
- Net reaksiyonun ürün tarafındaki maddelerinin katsayıları asıl denkleme yerleştirilir ve atom sayısı denkliği sağlanarak denklem tamamlanır.
