Kimya biliminin temelini oluşturan kanunlar; maddelerin yapısını, davranışlarını ve tepkimelerini anlamamıza yardımcı olan kurallar bütünü olarak kabul edilir. Yükseköğretim Kurumları Sınavı (YKS) kapsamında "Kimyanın Temel Kanunları" başlığı, kimyaya dair pek çok konunun başlangıç noktasıdır ve bu yüzden oldukça önemlidir. Bu konu, madde ve enerji ilişkilerini kavramak, kimyasal tepkimelerde kütlenin ve enerjinin korunumu gibi temel ilkeleri öğrenmek açısından kritik bir yere sahiptir.
Bu konu anlatımında Kütlenin Korunumu Kanunu, Sabit Oranlar Kanunu, Katlı Oranlar Kanunu ve Hacim Oranları Kanunu gibi kimyanın temel yasalarını inceleyecek ve bu yasaların kimyasal reaksiyonlardaki uygulamalarını öğreneceğiz. Ayrıca bu kanunların tarihteki gelişimini ve kimyanın modern anlayışını nasıl şekillendirdiğini de öğreneceksiniz.
İçindekiler
Kütlenin Korunumu Kanunu (Antoine Lavoisier 1774)
Kütlenin Korunumu Kanunu, 18. yüzyılın en önemli bilimsel keşiflerinden biri olup, modern kimyanın temellerini atan Antoine Lavoisier tarafından 1774 yılında ortaya konmuştur. Bu kanuna göre bir kimyasal reaksiyon sırasında toplam kütle sabit kalır, yani tepkimeye giren maddelerin toplam kütlesi ile tepkime sonucunda oluşan ürünlerin toplam kütlesi birbirine eşittir. Başka bir deyişle madde yoktan var edilemez, var olan bir madde de yok edilemez; yalnızca farklı maddelere dönüşür.
Lavoisier, bu yasayı keşfetmeden önce yapılan deneylerde kimyasal reaksiyonların kütlesinde bir azalma veya artış olabileceği düşünülüyordu. Ancak Lavoisier, çok dikkatli bir şekilde gerçekleştirdiği deneylerle kimyasal reaksiyonların kapalı bir sistemde gerçekleştirilmesi durumunda reaksiyon öncesi ve sonrası kütlenin aynı kaldığını gözlemledi. Özellikle yanma tepkimeleri üzerine yaptığı çalışmalar bu keşfi destekledi. Örneğin, bir metalin oksijen ile reaksiyona girmesi sonucunda oluşan metal oksidin kütlesi, başlangıçtaki metal ve oksijenin kütlesiyle aynıydı.
Lavoisier'in Deneyi
Lavoisier'in en bilinen deneylerinden biri, cıva(II) oksidin (HgO) ısıtılması deneyidir. Cıva oksidi ısıttığında cıva buharlaşarak birikmiş, aynı zamanda oksijen gazı açığa çıkmıştır. Deney sonucunda tepkime öncesi cıva oksidin kütlesi ile tepkime sonrası açığa çıkan cıva ve oksijenin kütlesi aynı kalmıştır. Bu deney, kütlenin korunumu ilkesini destekleyen en temel kanıtlardan biri olmuştur.
Matematiksel İfade
Kütlenin korunumu kanunu şu şekilde ifade edilebilir:
- Tepkimeye giren maddelerin kütlesi=Tepkime ürünlerinin kütlesi
Bu, her kimyasal tepkimede toplam kütlenin sabit olduğunu, kütlenin kaybolmadığını ya da yeni kütle oluşmadığını gösterir.
Örnek: Bir kimyasal reaksiyonun denklemi şu şekilde olsun:
- ₂H₂ + O₂ → ₂H₂O
Bu reaksiyonda 4 gram hidrojen ve 32 gram oksijen reaksiyona girerek 36 gram su oluşturur. Reaksiyon öncesindeki kütle toplamı, reaksiyon sonrasındaki kütle toplamıyla aynıdır.
Sabit Oranlar Kanunu (Joseph Proust-1779)
Sabit Oranlar Kanunu, 1799 yılında Fransız kimyager Joseph Proust tarafından formüle edilen ve kimyanın en temel yasalarından biri olan bir kanundur. Bu yasaya göre bir kimyasal bileşiği oluşturan elementler, her zaman sabit kütle oranlarında birleşir. Yani bir bileşiğin içindeki elementler hangi kaynaktan elde edilirse edilsin veya nasıl sentezlenirse sentezlensin, belirli ve değişmez kütle oranlarında bir araya gelirler.
Proust'un Deneyleri ve Gözlemleri
Joseph Proust, bu kanunu keşfetmek için yaptığı deneylerde farklı kaynaklardan elde edilen aynı kimyasal bileşiklerin her zaman aynı element kütle oranlarına sahip olduğunu gözlemledi. Örneğin, bakır karbonat (CuCO₃) üzerinde yaptığı çalışmalarda doğal yollardan elde edilen bakır karbonat ile laboratuvarda sentezlenen bakır karbonatın her zaman aynı bakır, karbon ve oksijen oranına sahip olduğunu belirledi. Bu gözlemler sonucunda her bileşiğin belirli ve sabit kütle oranlarında birleşen elementlerden oluştuğu sonucuna vardı.
Proust, bu deneylere dayanarak, kimyasal bileşiklerde elementlerin belirli sabit oranlarda birleştiğini ileri sürdü. O dönemde bazı kimyagerler bileşiklerin farklı oranlarda oluşabileceğini iddia etse de Proust'un deneyleri bu sabitliği net bir şekilde kanıtladı.
Matematiksel İfade
Bir bileşikte bulunan elementlerin kütle oranı şu şekilde hesaplanabilir:
- Element A’nın kütlesi / Element B’nin kütlesi = Sabit bir oran
Bu oran, aynı bileşik için her zaman sabit kalır. Yani bileşiği hangi koşullarda üretirsek üretelim, bu oran değişmez.
Örnek: Su Molekülü (H₂O)
Su, her zaman iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşur. Kütle açısından bakıldığında suyun kütlesinin yaklaşık %11,2'si hidrojen, %88,8'i ise oksijendir. Bu oran sabittir ve su dünyanın neresinde ya da hangi yöntemle elde edilirse edilsin aynı kalır.
Suyun (H₂O) bileşimindeki hidrojen ve oksijenin kütle oranı: Oksijenin kütlesi / Hidrojenin kütlesi = 16/2 = 8
Bu, oksijen ve hidrojenin her zaman 8:1 oranında bir araya geldiğini gösterir.
Katlı Oranlar Kanunu (John Dalton-1804)
Katlı Oranlar Kanunu, 1804 yılında İngiliz kimyager John Dalton tarafından keşfedilen bir yasadır. Bu yasa, birden fazla bileşik oluşturan aynı iki elementin farklı oranlarda birleşebileceğini, ancak bu oranların her zaman basit ve tam sayılarla ifade edilebileceğini belirtir.
Katlı Oranlar Kanunu’na göre iki element birden fazla bileşik oluşturduğunda bu elementlerden birinin sabit miktarı ile diğerinin kütleleri arasındaki oranlar, her zaman küçük ve tam sayılarla ifade edilebilir. Bu, aynı elementlerin farklı oranlarda birleşerek farklı bileşikler oluşturabileceğini ve bu bileşiklerin kütle oranlarının her zaman belirli bir matematiksel düzende olduğunu gösterir.
Örnek 1: Karbon ve Oksijen Bileşikleri
Karbon ve oksijenin oluşturduğu iki önemli bileşik vardır: karbon monoksit (CO) ve karbon dioksit (CO₂). Bu iki bileşik, aynı elementlerin farklı oranlarda birleşmesiyle oluşur.
- Karbon monoksit (CO): 1 atom karbon, 1 atom oksijen ile birleşir.
- Karbon dioksit (CO₂): 1 atom karbon, 2 atom oksijen ile birleşir.
Bu bileşiklerin kütle oranlarını incelediğimizde:
- Karbon monoksitte, 12 g karbon 16 g oksijenle birleşir. Yani karbon ve oksijenin kütle oranı 12:16 (veya 3:4) olur.
- Karbon dioksitte, 12 g karbon 32 g oksijenle birleşir. Yani karbon ve oksijenin kütle oranı 12:32 (veya 3:8) olur.
İki bileşikte de karbonun miktarı sabit tutulduğunda, oksijenin kütlesinin birbirine oranı 16:32 (veya 1:2) olur. Bu oranlar, küçük ve tam sayılarla ifade edilebilen basit bir orandır. Bu durum, Katlı Oranlar Kanunu’nun işleyişini gösterir.
Örnek 2: Azot ve Oksijen Bileşikleri
Azot (N) ve oksijen (O) elementleri de birden fazla bileşik oluşturabilir. Örneğin, azot dioksit (NO₂) ve dinitrojen monoksit (N₂O) gibi bileşiklerde azot ve oksijenin farklı oranlarda birleştiği görülür.
- Dinitrojen monoksit (N₂O): 28 g azot, 16 g oksijen ile birleşir. Yani azot ve oksijenin kütle oranı 28:16 (veya 7:4).
- Azot dioksit (NO₂): 14 g azot, 32 g oksijen ile birleşir. Yani azot ve oksijenin kütle oranı 14:32 (veya 7:16).
Bu iki bileşikte, sabit miktarda azot bulunduğunda, oksijenin kütleleri arasındaki oran 16:32 (veya 1:2) olacaktır. Bu da yine küçük tam sayılarla ifade edilebilecek basit bir oran olduğunu gösterir.
Sabit Hacimler Kanunu
Sabit Hacimler Kanunu, daha yaygın olarak Gay-Lussac Kanunu olarak bilinir ve gazların sıcaklık ve basınç ilişkisini açıklayan bir gaz yasasıdır. Bu yasa, sabit hacimli bir kap içinde bulunan bir gazın basıncının, gazın mutlak sıcaklığıyla doğru orantılı olduğunu ifade eder. Diğer bir deyişle gazın hacmi sabit tutulursa gazın sıcaklığı arttıkça basıncı da artar; sıcaklık azaldıkça basıncı da azalır.
Sabit Hacimler Kanunu (Gay-Lussac Kanunu) şu şekilde ifade edilebilir:
- Bir gazın hacmi sabit tutulduğunda basıncı (P) ile mutlak sıcaklığı (T, Kelvin cinsinden) arasında doğrusal bir ilişki vardır. Bu ilişki matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir: P1/T1=P2/T’
Burada:
- P1 ve P2 gazın ilk ve son basınçlarıdır,
- T1 ve T2 gazın ilk ve son mutlak sıcaklıklarıdır (Kelvin cinsinden).
Matematiksel İfade
Sabit hacimdeki bir gaz için basınç ve sıcaklık arasındaki ilişki şu şekilde formüle edilir:
- P∝T
Bu, basıncın sıcaklıkla doğru orantılı olduğu anlamına gelir. Eğer sıcaklık artarsa basınç da aynı oranda artar. Sıcaklık Kelvin cinsinden ölçülmelidir, çünkü mutlak sıfır (0 K) noktasından itibaren sıcaklık değişimleri basınç üzerinde doğrusal bir etkiye sahiptir.
Örnek: Sabit Hacimli Bir Gazın Basıncı
Bir gaz sabit hacimli bir kapta tutulduğunda ve sıcaklığı 300 K'dan 600 K'ya artırıldığında gazın basıncı da iki katına çıkar. Örneğin, başlangıçta gazın basıncı 1 atm ise sıcaklık iki katına çıktığında basınç 2 atm olur.
Başlangıç sıcaklığı ve basıncı şu şekilde ifade edebiliriz:
- İlk durumda: P1=1 atm, T1=300
- İkinci durumda: T2=600 K
Kanuna göre:
- P1/T1=P2/T2
- 1/300=P2/600
Buradan, P2=2 atm çıkar. Bu, sıcaklık iki katına çıktığında basıncın da iki katına çıktığını gösterir.
Gay-Lussac Kanunu'nun Uygulama Alanları
- Basınçlı gaz tankları: Sabit hacimli kaplarda saklanan gazların sıcaklık değişimlerinin, kap içindeki basıncı nasıl etkilediği bu yasayla açıklanır. Örneğin, sıcaklık artarsa gazın basıncı artar ve bu durum tankın patlama riski oluşturabilir.
- Lastikler: Araba lastiklerinin sıcak havalarda basıncının artması ve soğuk havalarda basıncının düşmesi, sabit hacimli bir sistemde basınç ve sıcaklık arasındaki bu ilişkiyle açıklanabilir
Birleşen Hacim Oranları Yasası
Birleşen Hacim Oranları Yasası, Fransız kimyager Joseph Louis Gay-Lussac tarafından 1808 yılında keşfedilen bir yasadır. Birleşen Hacim Oranları Yasası'na göre, aynı sıcaklık ve basınç koşullarında kimyasal bir tepkimeye giren gazların hacimleri, birbirleriyle ve oluşan ürün gazların hacimleriyle basit tam sayılar oranında birleşir. Bu yasa, sadece gazlar için geçerlidir ve gazların hacimlerinin kütlelerinden bağımsız olarak belli oranlarda birleştiğini gösterir.
Bu yasa, gazların davranışlarını anlamada önemli bir adım olmuş ve daha sonra Avogadro Yasası’nın gelişimine katkıda bulunmuştur.
Örnek 1: Hidrojen ve Oksijenin Su Oluşturması
Gay-Lussac'ın Birleşen Hacim Oranları Yasası’na bir örnek olarak, hidrojen (H₂) ve oksijenin (O₂) su (H₂O) oluşturmak için birleşmesi gösterilebilir:
- 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g)
Bu tepkimede, aynı sıcaklık ve basınç koşullarında:
- 2 hacim hidrojen (H₂),
- 1 hacim oksijen (O₂) ile birleşerek,
- 2 hacim su buharı (H₂O) oluşturur.
Bu örnekte görüldüğü gibi birleşen gazların hacimleri (2:1 oranında hidrojen ve oksijen), basit tam sayılar oranında birleşir.
Örnek 2: Azot ve Hidrojenin Amonyak Oluşturması
Bir başka örnek olarak, azot (N₂) ve hidrojenin (H₂) birleşerek amonyak (NH₃) oluşturması verilebilir:
- N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
Bu tepkimede:
- 1 hacim azot (N₂),
- 3 hacim hidrojen (H₂) ile birleşerek,
- 2 hacim amonyak (NH₃) oluşturur.
Bu tepkimede de görüldüğü gibi gazlar arasındaki hacim oranları yine küçük tam sayılarla ifade edilebilir (1:3:2 oranı).
