Kimya

Kimya, maddenin yapısını, özelliklerini, birleşimlerini, etkileşimlerini, tepkimelerini araştıran ve uygulayan bilim dalıdır. Kimya bilmi daha kapsamlı bir ifadeyle maddelerin özellikleriyle, sınıflandırılmasıyla, atomlarla, atom teorisiyle, kimyasal bileşiklerle, kimyasal tepkimelerle, maddenin halleriyle, moleküller arası ve moleküler kuvvetlerle, kimyasal bağlarla, tepkime kinetiğiyle, kimyasal dengenin prensipleriyle vb konularla ilgilenir. Kimyanın en önemli dalları arasında analitik kimya, anorganik kimya, organik kimya, fizikokimya ve biyokimya sayılır.
Kimya sözcüğünün kökeni
"Kimya" sözcüğüyle simya sözcüğünün aynı kökten geldiği tahmin edilmektedir. On yedinci yüzyılda "kimya" ve "simya" sözcükleri aynı bilimsel disiplini tanımlamak için ayırt edilmeksizin kullanılmışlardır. Ancak 18'inci yüzyılda bu iki sözcük arasında bir ayrım gözetilmeye başlanmış, "simya" daha çok metalden altın yapmakla ilgili uğraşları tanımlamak için kullanılmıştır. "Simya" sözcüğünün Arapça "al kimya" () sözcüğünden türediği, bu Arapça sözcüğün de Grekçe'de "himya" (metal eritmek anlamına gelen χημεία ya da χημία) sözcüğünden türetildiği de iddia edilmektedir.
Tarihi
Kimyanın tarihi "simya öncesi dönem", "simya dönemi", "geleneksel kimya ve "modern kimya" dönemleri olmak üzere 4 ana başlık altında toplanarak incelenir.
Simya öncesi
Kimyanın bilinen tarihi Antik Mısır döneminde başlamıştır. M. Ö. 2000'li yıllarda Mısırlılar'ın kimyasal yöntemler kullanarak kozmetik tozlar ürettikleri iddia edilmektedir. Kral Hammurabi döneminde (MÖ 1792-1750) Babiller altın, gümüş, cıva, kurşun, demir ve bakır gibi metalleri tanımlamış ve bu metallere semboller vermiştir. Erken Yunan felsefeciler (Sokrates öncesi düşünürler) doğal olayları doğaüstü olmayan nedenlerle açıklamaya çalışmışlar, bunun sonucunda da bu dönemde simya öncesi kimya biliminin temelleri atılmıştır. Miletli Tales (MÖ 624 MÖ 546) maddenin prensiplerini araştırmış ve suyun evrenin temel maddesi olduğunu öne sürmüştür. Bir diğer Miletli Anaksimandros (MÖ 610- MÖ 546) suyun karşıtı olan ateşin nasıl oluştuğunu sorgulamıştır. Empedokles (MÖ 490-430) evrenin 4 temel element ateş, hava, su ve topraktan oluştuğunu iddia etmiştir.
Empedokles'in tanımına göre toprak katı maddeleri, su sıvı maddeleri ve metalleri, hava gazları ifade etmekteydi. Bununla beraber ateşi de bir süreçten çok sıvı, gaz ve katı gibi maddenin bir hali olarak tanımlamıştır. Demokritos'un hocası Leukippos evrenin iki çeşit elementten oluştuğunu (boşluk ve katı) ifade etmiş, boşluğun ve katılığın evrendeki tüm elementleri oluşturduğunu ifade etmiştir. Democritus (MÖ 460-370) Leukippos ile birlikte atomcu teoriyi geliştirmiştir. Maddelerin yapı taşı olarak daha küçük parçalara ayrılamayan atomlar Leucippus ve Democritus'un geliştirdiği bir felsefe sistemi olarak kabul edilmesine rağmen Platon bu atomculuk teorisine bölünemezlik prensibini eklemiştir. Plato evreni oluşturan 4 temel elementin geometrik katılardan oluştuğunu bu katıların da üçgen yüzeylerden oluştuğunu iddia etmiştir. Aristoteles (MÖ 384-323) elementlerin özellikleri düşüncesini geliştirmiştir. Farklı elementlerin farklı özellikleri olduğunu ve bunun çeşitli nicel değişkenlere bağlı olduğunu ifade etmiştir. Bu nicel özellikleri değiştirildiğinde bir elementin başka bir elemente dönüştürülebileceğini ve maddelerin değişim halinde olduğunu iddia etmiştir.
Simya dönemi
Aristoteles'in fikirlerinden etkilenen simyacılar (yaklaşık M. Ö. 320-MS 300) yılları arasında Yunanca konuşulan Akdeniz kıyılarında, Mısır'da, İran'da Aristoteles ve diğer Yunan filozofların teorilerini pratiğe geçirmeye başlamışlardır.
Yine bu dönemde ilk defa simyacılar ucuz metallerden altın elde etmeyi mümkün kılması düşünülen felsefe taşını üretmeye çalışmışlardır.
13. yüzyıla gelindiğinde simya tüm Avrupa kıtasında yaygın bir hale gelmiş, örneğin dönemin önemli bilim adamlarından Raymundus Lullus İngiltere kralı tarafından İngiltere'ye basit metalden altın üretmesi için davet edilmiştir. 13. yüzyılın başlarında dönemin ünlü simyacıları Roger Bacon (1214/12201292), Albertus Magnus ve Raymundus Lullus basit metalden altın üretme yöntemleri dışında simyanın diğer alanlarına yönelip, simyanın günümüz kimyasına yaklaşmasına öncü olmuşlardır.
14. yüzyılda Katolik Kilisesi simya karşıtı taraf olmuş ve 1317 yılında Papa John XXII simyacılığı yasaklamıştır.
17. yüzyıla gelindiğinde simya göreceli olarak az da olsa hala varlığını sürdürmekteydi. 17. yüzyılın etkin bilim adamlarından Robert Boyle 1661 yılında döneminde büyük yankı uyandıran eseri ''The Sceptical Chymisti yayımlamıştır. Aristoteles'in 4 element teorisini ret eden bu kitap aynı zamanda simyanın döneminin de sona erdiğini işaret etmekteydi. Simya döneminde simyacıların araştırmaları ve deneyleri vasıtasıyla birçok laboratuvar tekniği geliştirilmiş ve çeşitli bileşik ve elementler keşif edilmiştir.
Geleneksel kimya
Geleneksel kimya dönemi, 17'inci yüzyılın sonlarından başlayarak 19'uncu yüzyılın başlarına kadar sürmüştür. Alman bilim insanı Johann Joachim Becher, 17. yüzyıl ortalarında yanma ile ilgili Phlogiston teorisini geliştirdi. Bu teoriye göre; her yanıcı madde, "phlogiston" adı verilen kokusuz, renksiz, tatsız ve ağırlıksız bir içeriğe sahipti ve bu içerik yanma gerçekleştiğinde yanıcı madde tarafından ortama salınmaktaydı.
Bu teori daha sonra Georg Ernst Stahl tarafından daha popüler bir hale getirilmiş, 18. yüzyılın büyük bir kısmında genel kabul görmeye devam etmiştir. 1785 ile 1787 yılları arasında Fransız fizikçi Coulomb günümüzde "Coulomb yasası" olarak adlandırılan benzer yüklü maddelerin birbirini ittiği, karşıt yüklülerin de birbirini çektiği ve bu çekim ya da itim kuvvetinin hesaplanması için gerekli denklemi de içeren kanunu bulmuştu. Phlogiston teorisi, 18. yüzyılın sonlarına gelindiğinde Lavoisier tarafından çürütüldü. Daha önceden Phlogiston teorisine göre de-phlogiston maddesi olarak adlandırılan maddenin oksijen olduğu keşfedildi. 1803 yılında İngiliz bilim insanı John Dalton, atom teorisini ortaya attı. Bu teoriye göre; farklı elementlerin atomları, farklı ağırlıklara sahiptir. Bu teorinin bazı ilkeleri;
Bütün maddeler atomlardan meydana gelmektedir.
Atomlar daha küçük parçalara ayrılamazlar.
Aynı elementin bütün atomları birbirinin aynısıdır.
Farklı elementler farklı atomlara sahiptir.
Atomların yeniden düzenlenmesi sonucu kimyasal tepkimeler meydana gelir.
Bileşikler elementlerden meydana gelirler.
şeklinde özetlenebilir. John Dalton'un teorisiyle modern kimyanın temelleri de atılmış oldu.
Modern kimya
19. yüzyıldan itibaren gelen sürece "modern kimya dönemi" adı verilir. Heinrich Geißler (1814-1879) 1854 yılında suyun en yüksek yoğunluğa 3.8 C ulaştığını kendi icat ettiği bir mekanizmayla göstermiştir (daha sonra bu sıcaklığın 3.98 C olduğu bulunmuştur). Daha sonra Geisslerin icat ettiği vakum tüpüyle William Crookes atom teorisinde ilerlemeler kaydetmiş ve katot ışınını keşfetmiştir.
Eugene Goldstein (1850-1930)'ın çalışmaları protonun varlığını ispatlamıştır. J. J. Thomson (1856 1940) kendi atom modelini geliştirmiş ve 1906 yılında Nobel fizik ödülünü kazanmıştır. Mendeleyev periyodik tabloyu 1869 yılında Kimyanın Prensipleri adlı eserinde yayımlamıştır. Bu periodik tabloda bilinen 63 elementi atom ağırlıklarına ve benzer özelliklerine göre sıralamıştır. Marie Curie (1867 1934) radyoaktiviteyi ve sonrasında Polonyum ve Radyum'u keşetmiştir. 1911 yılında Nobel kimya ödülünü kazanmıştır. Ernest Rutherford 3 çeşit radyoaktifliği alfa parçacığı (+), beta parçacığı (-) ve gama ışınını keşfetmiştir. Bu gelişmelerin sonrasında ve öncesinde daha birçok bilim insanının katkısıyla kimya bilimi günümüze ulaşmıştır. 2011 yılı Birleşmiş Milletler tarafından uluslararası kimya yılı ilan edilmiştir.
Temel kavramlar ve konular
Asitler ve bazlar
Antik Yunanistan ve Antik Mısır'da belli başlı asitler ve bazlar halihazırda sınıflandırılmışlardı. Yunanlar ekşimsi tat veren sirke gibi maddeleri ὀξύς (ekşi) olarak adlandırmışlar, daha sonra bu sözcük Latinceye acere olarak geçmiş ve Avrupa dillerindeki anlamı da latinceden türeyerek bu dillere geçmiştir. Oksijen elementinin adı da Antoine Lavoisier'in oksijeni (asid üreten anlamında) hatalı tanımlamasından kaynaklanmaktadır. Asit ve bazların farklı tanımları mevcuttur.
Arheniusun tanımına göre;
Asit, suda çözüldüğünde çözeltiye H+ bırakan maddelerdir.
Baz ise, OH- bırakan maddelerdir.
Bronsted-Lowry tanımına göre;
Asit, proton (H+) bırakan maddelere denir.
Baz, proton kabul eden maddelerdir.
Lewis Teorisine göre;
Asit, H+ iyonu gibi, çözeltiden elektron eksilten maddelerdir.
Baz ise, elektron veren maddelerdir. Diğer tanımlardan farklı olarak sadece elektron alışverişi üzerine kurulmuş bir tanımlamadır.
Asit-baz tepkimeleri
Asit ve baz etkileşim halinde bırakıldıklarında, tuz üreterek bir diğerini nötrleştirme eğilimi gösterirler. HCl ve NaOH'ın tepkimesi NaCl bileşiği (tuz) ve su üretir.
HCl + NaOH - NaCl + H2O
Atomun yapısı
1803-1808 yılları arasında öğretmenlik mesleğini yerine getirmekte olan John Dalton kimyanın iki temel yasası olan kütlenin korunumu ve sabit oranlar'ı kullanarak temel atom teorisini tanımlamıştır. Dalton'un atom teorisi üç ana önermeyi içermekteydi. Bunlar;
Her kimyasal element küçük, bölünemeyen atom olarak adlandırılan parçacıklardan oluşmaktadır.
Aynı elementin atomları birbirine ağırlık ve özellikleri bakımından benzerdirler, fakat farklı elementlerin atomları birbirinden farklıdırlar.
Herhangi bir bileşik oluşurken, farklı elementler basit bir sayısal oranda birleşirler. Örneğin A atomu B atomuyla birleşip AB bileşiğini oluşturuyorsa, 2AB bileşiğini oluşturmak için 2A 2B'ile tepkimeye girmek zorundadır.
Dalton'un atom teorisini tanımlamasından yaklaşık yüzyıl sonra atomun temel parçacıkları keşif edilmiştir. 1897 yılında elektron, 1909 yilinda proton ve 1932 yilinda nötron keşif edilmiştir.
Atom'un temel parçacıkları keşif edildikten sonraki dönemde birçok isim atom teorisine kayda değer katkılar sağlamıştır. Bu isimlerden bazıları Einstein, De Broglie, Schrodinger ve Heisenberg'dir. Kuantum teorisi elektronların parçacık olmakla birlikte, aynı zamanda dalga özelliklerine sahip olduğunu göstermiştir. Modern atom teorisine göre atom etrafı olasılık bulutlarıyla (orbital) çevrili atom çekirdeğinden oluşmaktadır. Bu olasılık bulutları da elektronların en olası bulundukları yerleri ifade etmektedir. Dalga denklemleri kullanılarak bu orbitallerin şekli ve büyüklüğü hesaplanabilmektedir.
Moleküllerin yapısı
Molekül birbirine bağlı bir grup atomun oluşturduğu kimyasal bileşiklerin en küçük temel yapısına verilen addır. Diğer bir ifadeyle bir molekül bir bileşiği oluşturan atomların eşit oranlarda bulunduğu en küçük birimdir. Moleküller yapılarında birden fazla atom içerirler. Bir molekül aynı iki atomun bağlanması sonucu ya da farkı sayılarda farklı atomların bağlanması sonucu da oluşabilirler. Bir su molekülü 3 atomdan oluşur; iki hidrojen ve bir oksijen. Bir hidrojen peroksit molekülü iki hidrojen ve iki oksijen atomundan oluşur. Diğer taraftan bir kan proteini olan gamma globulin 19996 sayıda atomdan oluşmakla birlikte sadece 4 çeşit farklı atom içerir; hidrojen, karbon, oksijen ve nitrojen. Molekülleri oluşturan kimyasal bağlara Moleküler bağlar denir. Bunlar kovalent, iyonik ve metalik bağlardır.
Moleküler bağlar
Bir molekülün atomları arasında oluşan bağlardır. Moleküller arası bağlardan daha kuvvetlidirler. Bir su molekülünün atomlarını bir arada tutan bağ moleküler bağlara örnektir. Öte yandan su moleküllerini buz halindeyken bir arada tutan bağlar ise moleküller arası bağlara örnektir. Moleküler bağlar kovalent, iyonik ve metalik bağlardır.
Moleküller arası kuvvetler
Moleküller arası kuvvetler, bir bileşiğin molekülleri arasında bulunan çekim kuvvetleridir. Bu kuvvetler bir bileşiğin katı, sıvı ya da gaz halinde bulunmasında, kaynama ve erime noktalarının değerinde ve çözünürlüğünde önemli rol oynar. Moleküller arası kuvvetler Van der Waals kuvvetleri ve hidrojen bağıdır.
Bileşikler
Su, amonyak, karbonmonoksit ve karbondioksit gibi aşina olduğumuz maddeler aslında kimyasal bileşiktir. Bunların yanında daha az aşina olduğumuz sakkaroz (çay şekeri), asetilsalisilik asit (aspirin) ve askorbik asit (C vitamini) de kimyasal bileşiklere örnek teşkil etmektedirler. Bütün bu bileşiklerin ortak özelliği her birinin iki ya da daha fazla elementten oluşuyor olmalarıdır. Öyleyse, kimyasal bileşik iki ya da daha fazla elementin atomlarının oluşturduğu aynı özelliklere sahip moleküllerin oluşturduğu maddelerdir. Kimyasal bileşikler, moleküler bileşik ve iyonik bileşik olmak üzere ikiye ayrılır.
Bileşik çeşitleri
;
1. Moleküler bileşik moleküllerden oluşmaktadır. Bu moleküller genel olarak metal olmayan birbirine kovalent bağla bağlı atomlardan oluşmaktadırlar. Moleküler Bileşikler kimyasal formüllerle ifade edilirler. Bu formüller de bileşiğin içerdiği elementleri ve bu elementlerin birbirine orantılı sayılarını vermektedir. Formül çeşitleri;
Empirik formül molekül hakkında çok fazla bilgi vermemekle birlikte sadece elementlerin orantısal sayılarını vermektedir. Örneğin, CH2O empirik formülü hem C2H4O2 hem de C6H12O6 molekülleri için aynıdır.
Moleküler formül molekülü oluşturan elementlerin sayılarını vermektedir. C6H12O6 moleküler formüle örnektir.
Yapısal formül ise molekülün içerisindeki bağlarıda göstermektedir.
2. İyonik bileşik pozitif ve negatif iyonların elektrostatik çekimle birleşimi sonucu oluşan bileşiklerdir.
Çözeltiler
Çözelti, bir ya da daha fazla maddenin (solute) moleküler düzeyde başka bir maddenin (solvent) içine karışıp, oluşturduğu homojen karışımdır. Bazı yaygın çözeltilere hava (02, N2 ve diğer bazı gazlar), doğalgaz (CH4, C2H6 ve diğer birçok madde), deniz suyu (su, tuz vs.), sirke (su ve asetik asit) ve pirinç (kalay, kurşun gibi çözeltiler örnek olarak verilebilir.
Çözünürlük
Çözünürlük, bir maddenin bir solvent içerisinde çözünme miktarını ifade etmek için kullanılır. Genellikle çözünen maddenin miktarının (solute) solventin hacmine bölünmesiyle elde edilir. Çözünürlüğü etkiyen faktörler;
Sıcaklık
Çözen ve çözülen maddelerin doğası
Basınç
olarak sıralanabilinir.
Elektrokimya
Elektrokimya elektrik ve kimyasal değişimler arasındaki ilişkileri inceler. Kendiliğinden gelişen birçok kimyasal tepkime sonucunda elektrik akımı oluşmaktadır. Öte yandan elektrik akımı kendiliğinden gelişmeyen birçok tepkimenin gerçekleştirilmesinde kullanılmaktadır. Elektroliz süreciyle elektrik enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülebilmektedir.
Kimyasal bağlar
Kimyasal bağ farklı atomların elektronlarının etkileşimi sonucu oluşur ve atomları bir arada tutar. Kimyasal bağ atomlar arası elektron alışverişi sonucu oluşuyorsa iyonik bağ, eğer ortak paylaşım sonucu oluşuyorsa kovalent bağ olarak adlandırılır. Elektronların metal atomları arasında paylaşımı sonucu oluşuyorsa da buna metalik bağ denir.
Kinetik
Kimyasal kinetik, kimyasal tepkimeleri tepkime hızı, değişkenlerin tepkimeye etkileri, atomların yeniden dizilişi ve ara ürünlerin oluşumu gibi açılardan ele alır.
Stokiyometri
Stokiyometri, kimyasal bir tepkimede bulunan reaktanların ve ürünlerin miktarlarının birbirleriyle olan sayısal ilişkilerini inceler. Dengedeki bir kimyasal tepkime ifadesinde, katsayılar kaç mol reaktanın bir diğer bir reaktanla tepkimeye girmek için gerekli olduğunu ve bu tepkimeden kaç mol ürün elde edileceğini ortaya koymada kullanılan metottur. Dengede olan bir tepkimede reaktanların ve ürünlerin miktarları arasında bölen ve bölünen kısımlarında pozitif tam sayılar içeren bir orantı oluştumaktadır. Örneğin metan'ın oksijen'le tepkimesinde, 1 molekül karbondioksit ve 2 molekül su oluşması için 1 molekül Metan 2 molekül oksijen ile tepkimeye girmelidir.
+ 2 - 1 + 2
Termodinamik Termodinamik''', enerji, ısı, entropi ve ekserji gibi fiziksel kavramlarla ilgilenen bilim dalı. Termodinamik her ne kadar sistemlerin madde ve/veya enerji alış-verişiyle ilgilense de, bu işlemlerin hızıyla ilgilenmez. Bundan dolayı aslında termodinamik denilirken, denge termodinamiği kastedilir. Zamana bağlı termodinamik olaylarla, denge halinde olmayan termodinamik ilgilenir.
Kimyanın temel kanunları
Avogadro yasası
Boyle yasası
Charles yasası
Gay-Lussac yasası
Enerjinin korunumu yasası
Kütlenin korunumu yasası
Dalton yasası
Sabit oranlar yasası
DulongPetit yasası
Faraday'ın elektroliz yasası
Gay-Lussac yasası
Graham difüzyon yasası
İdeal gaz yasası
Katlı oranlar yasası
Peryodik tablo yasası
Kimyanın ana bilim dalları
Kimya'nın ana alt dalları şöyle sıralanabilinir ;
Analitik kimya
Anorganik kimya
Organik kimya
Fizikokimya
Termodinamik
Spektroskopi
Kimyasal kinetik
Teorik kimya
Biyokimya