KİMYASAL HESAPLAMALAR

Atom Kütlesi

Bir atomun kütlesi, o atomu oluşturan parçacıkların tümünün toplamıdır. Çekirdekte bulunan nötron ve protonlarla, çekirdeğin çevresinde bulunan elektronların toplamı atom kütlesini verir.

Buna göre Lityum; 3 proton, 4 nötron ve 3 elektrondan ibarettir ve bu parçacıkların kütleleri göz önüne alınarak Lityum' un atom kütlesi 1.169x10^-23 g bulunur. Buna benzer olarak hesaplanan civanın atom kütlesi de 3.36 x 10^-22 g bulunacaktır.

Ancak çekirdek kimyası ile radyoaktiflik konularında incelenecek olan bu ayrı ayrı parçacıkların bir araya gelerek atomu oluşturması esnasında bir miktar kütle kaybı olur bu da E = mc² bağıntısıyla enerjiye dönüşür. Bu nedenle gerçek kütleler hesaplanan kütlelerine göre çok daha küçük bulunur.

Atom kütlelerinin on üzeri eksi yirmilerle ifadesi pek kullanışlı olmamaktadır. Bu nedenle atomların birbirlerine göre göreceli kütlelerini kullanırız. Bunun için önceleri bir hidrojen atomu 1 atomik kütle birimi (akb) olarak seçilmişti.

Böylece helyum 4 akb, lityum 7 akb, oksijen 16 akb kütleye sahip olarak kabul edildi.

Ancak bazı bilim adamları da izotoplar karışımı halinde bulunan doğal oksijen atomunu 16 akb seçtiler. Bu yüzden atom kütlelerinde karışıklıklar ortaya çıktı.

1961 yılında karbon-12 izotopunun 12.0000 akb olduğu kabul edildi. Buna göre 1 akb için 12C atomunun onikide biri olarak kesin tanım yapıldı. Bütün diğer atomların kütleleri 12C atomunun kütlesine oranlanarak hesaplandı.

Elementlerin atomlarının kütlelerinin 12C atomunun kütlesine oranları kütle spektrometresi cihazında bulunur ve bu oran 12 ile çarpılarak o elementin atom kütlesi hesaplanır.

Elementlerin çoğu izotoplarının bir karışımı halinde bulunurlar. Elementin hangi izotoplarından ne kadar içerdiği de kütle spektrometresi cihazı yardımıyla bulunabilmektedir. Tek tek saf izotopların kütleleri de büyük kesinlikte belirlendiği için bugün kullanılan atom kütleleri ortalama bir atom kütlesidir. Ancak bu ortalama değer izotop oranları sabit olduğundan hiç bir yanlışlığa yol açmaz.

Örnek: Berilyumun kütlesinin 12C' nin kütlesine oranı 0.751015 olarak bulunmuştur. Berilyumun atom kütlesini hesaplayınız.

Bir Be atomunun bağıl kütlesi / Bir ¹²C atomunun bağıl kütlesi = 0.751015

Bir Be atomu = 0.751015 . 12 = 9.01218

Örnek: Magnezyum tabiatta %78.7 ²⁴Mg (kesin atom kütlesi 23.98 akb), %10.1 ²⁵Mg (kesin atom kütlesi 24.98 akb) ve %12.2 ²⁶Mg (kesin atom kütlesi 25.98 akb) izotoplarının karışımı halinde bulunur. Buna göre magnezyumun ortalama atom kütlesini hesaplayınız.

Mol Kavramı

1971 yılında yapılan uluslararası tartılar ve ölçüler genel konferansında bir mol; 0.012kg ¹²C elementinde bulunan atom sayısı kadar parçacık içeren madde miktarı olarak tanımlanmıştır.

0.012 ¹²C' de (NA) Avogadro sayısı kadar, yani 6.022x10²³ tane atom bulunur.

O halde bir mol elementte (NA) kadar atom bir mol bileşikte (NA) kadar molekül bulunur. 6.022x10²³ tane parçacık (atom, molekül, iyon, elektron) içeren madde miktarı mol tartısı, mol kütlesi olarak ifade edilir.

1 mol BaCl₂ molekülünde ise;

6.022*10²³ tane BaCl₂ molekülü içerir.

6.022*10²³ tane Ba²⁺ iyonu içerir.

2 * 6.022*10²³ tane Cl^- iyonu içerir.

1 akb veya Sl simgesi ile 1u, bir tane ¹²C atomunun kütlesinin 1/12' dir ve bir tane ¹²C atomunun kütlesi 12u' dur. Bu standartta göre 1 atom O 16u' dur ve 1 mol O(eski deyimle 1 atom gram O) 16 gr' dır.

1 mol atomun (elementin kütlesi, gram cinsinden atomkütlesine eşittir. Benzer şekilde, 1 mol O₂' nin (eski deyimle 1 molekül-gram O₂ veya 1 mol-gram O₂) kütlesi 32 gr' dır.

1 Mol molekülün kütlesi, gram cinsinden molekül kütlesine eşittir. O halde örneğin CCl₄' ün molekül kütlesi 12u + 4 x 35.5u = 154u olduğuna göre mol kütlesi 154 g' dır. Mol kütlesi g/mol birimiyle verilir.

Kimyasal Formüllerin Bulunması

Bileşiklerin kimyasal formülleri,

1. element bileşimi,
2. içerdiği elementin bağıl atom sayıları,
3. içerdiği elementlerin gerçek atom sayıları ve
4. yapıları hakkında bilgi verir.

(i) ve (ii) bilgilerini veren formüllere en basit formül (ampirik formül); (i), (ii) ve (iii) bilgilerini veren formüllere molekül formülü ve (iv) bilgisini de veren formüle yapı formülü denir.

En basit formüle örnek olarak, NaCl, H₂O, CH₂ verilebilir.

H₂O aynı zamanda molekül formülüdür; çünkü 1 molekül suda 2 atom H ve 1 atom O bulunur.

C₂H₄; etilenin molekül formülüdür ve etilenin en basit formülü CH₂' dir. Fakat en basit formülü CH₂ olan diğer bileşikler de vardır, (C₃H₆ gibi). Etilen için verilen C2H4 formülünden yapısı hakkında hiç bir şey anlaşılmaz. Etilen için yapı formülü H₂C=CH₂ şeklindedir.

Asetik asit için yapı formülü  H₃C-COOH şeklindedir. O halde asetik asit için molekül formülü C₂H₄O₂' dir ve en basit formül CH₂O' dur.

En yararlı ve en çok bilgi veren formül yapı formülüdür. En basit formülün bulunması için bileşiğin nicel element analizi sonuçlarının bilinmesi gerekir. Bileşiğin molekül kütlesi veya mol kütlesi (u; g/mol) biliniyorsa molekül formülü bulunabilir.

n * En basit formül = Molekül formül ( n = tam sayı ) veya

n * En basit formül kütlesi = Molekül formül kütlesi

İyonik bileşiklerin gerçek molekül formülü yazılamaz. Sadece en basit formülleri yazılabilir. Çünkü katyonların etrafı çok sayıda anyonla, anyonların etrafı da çok sayıda katyonla sarılarak kristal örgü oluşturur. Örneğin sodyum klorür bileşiğinde klorür iyonları 6 sodyum iyonu ile, sodyum iyonları da 6 klorür iyonları ile sarılı bulunmaktadır. Bu yüzden sodyum klorürün en basit formülü NaCl şeklinde yazılabilir. Aynı şekilde ağ kovalent bağlı bileşikler de, sadece en basit formülle gösterilebilmektedir. Örneğin kuvarz SiO₂ gibi.