SABİT ORANLAR VE KATLI ORANLAR YASASI VE BU YASALARA ÖRNEK SORULAR VE ÇÖZÜMLERİ

SABİT ORANLAR VE KATLI ORANLAR YASASI

Sabit ve katlı oranlar yasasını incelemeden önce, Atomla ilgili bilimsel çalışmaların tarihi seyri hakkında kısa bilgi sunmak daha aydınlatıcı olacaktır.

19. yy’a gelindiğinde fizikçilerin ilgi alanı hala kuvvet, itim ve çekimdi. Yani fizikçilerin atoma pek gereksinimi yoktu. Ya kimyacılar? Kimyasal tepkimeleri anlamaya çalışan kimyacılar atom daha çok ilgi duyuyordu. Gerçekten 19. yy’da atom kuramının canlanmasını sağlayanlar kimyacılardı.

Şöyle soralım: Dalton, 19. yy başında,1803’te, “atomun varlığı”nı ileri sürerken kanıt olarak neleri göstermiştir? Bunu kavrayabilmek için kimyanın temel birleşme yasalarını anımsamalıyız. Çünkü John Dalton (1766-1844) “atomun varlığının kanıtları” olarak bu yasaları göstermiştir. Bunlar kütlenin korunumu,sabit oranlar ve katlı oranlar yasası adıyla bilinir.

19. yüzyıl, aslında atomla açıldı. John Dalton, 1803-8 arasında atomun varlığının kanıtlarını açıkladı ve bilimsel anlamdaki ilk atom kuramını geliştirdi. Dalton, kimyasal tepkimelerdeki kütlenin korunumu (Lavoisier ve Lomonosov), bileşiklerin oluşmasında sabit kütle oranının varlığı (Joseph Proust), katlı oran yasası(John Dalton) gibi denel sonuçları başarıyla yorumladı ve bu sonuçların (yasaların) ancak atomun varlığıyla kavranabileceğini gösterdi.

Joseph Proust ise 1799’da yaptığı bir yayında kimyanın diğer büyük bir yasasını açıkladı. Buna kimyacılar, sabit kütle oranları yasası der. Bu yasa şöyle der: Belirli bir bileşiği oluşturan elementler, daima belirli ve sabit olan bir kütle oranında birleşir. Örneğin su oluşurken diyelim 30 gram hidrojen ile 70 gram oksijen ya da başka bir oran değil;ama daima kütlece yüzde 11.19 hidrojen ve yüzde 88.81 oksijenden oluşur.

1803’te John Dalton, katlı oranlar yasası denen yasayı buldu. Bu yasa sabit oranlar yasasının atomik oran düşüncesine daha kesin bir destek veriyordu. Çünkü iki element arasında iki ve daha çok bileşik oluşuyorsa,elementlerden birinin kütlesi sabit tutulduğunda onunla birleşen ikinci elementin kütleleri arasında basit tam sayılı bir oran vardı. Buradaki kütle terimleri atomları anlatıyordu. “Basit, tam sayılar” atomların oranıydı. İşte Dalton’un vardığı sonuçlar:

Her element atom adı verilen çok küçük ve bölünemeyen taneciklerden oluşmuştur. Atomlar kimyasal tepkimelerde oluşamazlar ve bölünemezler. “Atomu parçalayacak adam yoktur” diye de ekleyivermişti. Kimyacıların da hata yaptıkları bir gerçektir!

Bir elementin bütün atomlarının kütlesi (ağırlığı) ve diğer özellikleri aynıdır. Fakat bir elementin atomları diğer bütün elementlerin atomlarından farklıdır.

Kimyasal bir bileşik iki ya da daha çok sayıda elementin basit sayısal bir oranda birleşmesiyle oluşur. Örneğin bir atom A ve bir atom B, AB ya da bir atom A ile iki atom B yani AB2.

18.yy kimyacılarının en büyük başarılarından biri, atmosferin homojen bir ortam olmadığını, oksijen ,azot (nitrojen), su buharı ve belki de başka şeylerin oluşumundan oluştuğunu keşfetmeleriydi. Ama atmosferin değişmez bir bileşim olduğu anlaşılınca,bütünlüğü ve kalıcılığına ilişkin sorular anlamsızlaşıyordu. Bununla birlikte.Dalton, atmosferin yoğunlukları farklı olan üç ya da daha fazla esnek akışkandan oluştuğunu öne sürünce,aynı orular yeniden ele alınabilirdi.

En yoğun gaz üstte ve en seyrek gaz altta olmak üzere niçin ayrı düzeyler oluşmuyordu? Bir Newtoncu olan Dalton, Principia’yı açtı ve orada Newton’ın ‘atmosfer,birbirini iten küçük parçacıklar ya da atomlardan oluşur’ dediğini gördü. Dalton buna ‘bir atom kendi türünden olan atomu itmez, başka tür atomları iter’ varsayımını ekledi. Zafer kazanmış tavrıyla sonuca varıyordu: “ Bu, gazların spesifik çekimleri ne olursa olsun bir gazın diğerinin içine işlemesi içindir.”

Dalton, atom kuramına asıl özgün katkısını henüz yapmamıştı. Bunlar yine belirli bir bilimsel sorundan ötürü ortaya çıkıyordu. Geleneksel atomcular ,atomun biçimi ve boyutları üzerinde yoğunlaşmaya eğilimliydiler. Ne var ki bunun,şu soruyu sorarken Dalton’a pek yardımı dokunmayacaktı: “Niçin su diğer gazlar gibi kütlesini kabul etmiyordu? “ Niçin su,örneğin azot oksiti,nitrojen ya da hidrojenden daha fazla miktarlarda içine alıyordu? Dalton’a göre bunun nedeni tepkimenin, ‘çeşitli gazların temel parçacıklarının sayısına ve ağırlığına bağlı olmasıydı’,en hafif olan en az soğurulabilendi. Bu, Dalton’I atım ağırlıklarıyla ilgilenmeye yöneltmeye yetmişti. Dalton, önceki birkaç varsayıma dayanarak,oksijen ve hidrojen elementlerinin görece ağırlık oranlarının 7:1 olduğu sonucuna vardı ve bu temele dayanarak kimyasal bileşimin temel yasaları üzerinde çalışmaya başladı.

Buna karşın atomculuk, kimyacılar arasında bile dikkate değer bir direnişle karşılaştı. Birçok bilgin,kimyager ve filozof,algılanamaz ve bölünemez parçacıkların varlığını kabul edemiyordu.William Whewell, Philolosophy of the Inductive Science ( 1840) çalışmasında bunun bilimin, kimyasal deneyimin sonucu değil, metafiziğin sonucu olduğunu iddia ediyordu:

“ Ama eğer atomik kuram öne sürülecekse.. ki buna göre kimyasal elemetler bölünemeyen parçacıklardan oluşmaktadır,şunu belirtmeden geçemeyiz ki, kimyasal araştırma bunu kanıtlamamıştır ve hatta hiçbir doyurucu kanıt ortaya koyamamıştır.”

Benzer biçimde büyük kimyacı F.A. Kekule 1867’de şöyle direnebiliyordu: “Atomların varolup olmadığı sorusu kimyasal bakış açısıyla hiçbir önem taşımamaktadır;bu tartışma metafiziğe ait bir tartışmadır.”

Kimyagerlerin atomculuğa olan bu açık kayıtsızlıklarının bir nedeni de kimyasal tepkimeleri açıklamanın,kimyasal denklemlerin dili gibi başka yollarının da olmasıydı. Dönemin ders kitaplarında örneğin denklem tabloları şöyle sunuluyordu:” Kimyasal denklemler yalnızca birbirine bağlanan maddelerin göreli niceliklerini temsil eder.” Ya da bir bilim sözlüğünde açıklandığına göre şöyleydi: “ Nesnelerin,bileşimindeki yerleri değiştirildiği zaman eşit olabildikleri söylenmektedir.”

Örneğin:” Deneyler sonucunda… Çeşitli metallerin değişik ama belirli ağırlıklarının birbirinin yerine geçebildikleri anlaşılmıştır. Cıva ağırlığından 100 ölçü,31.7 bakır, 32.5 çinko ve 1 ölçü hidrojen 35.5 ölçü klorla yaptıkları bileşimde birbirlerinin yerine geçme durumundadırlar.”

Böylece Dalton ve diğer atomcular ikili bir bileşik olan suyu,bir hidrojen atomu ve ondan yedi kat daha ağır bir oksjen atomunun oluşturduğunu düşünürken,diğerleri oksijen ağırlığında yedi birimin bir birim hidrojenle birleşerek birim su oluştuğunu düşünüyorlardı. Belki de kolaylık olsu diye oksijen ve hidrojen atomlarından söz edilebilirdi ama ısrar edildiğinde bunun yalnızca kimyasal deneylerden söz etmenin daha kolay bir yolu olduğunu söylerlerdi.

Sabit Oranlar Yasası

1799 yılında Proust elementler birbirleri ile bileşik oluştururlarken belli oranda birleştiklerini buldu. Bugün sabit oranlar yasası olarak bilien yasaya göre “bir element başka bir elementle birleşerek bileşik oluşturduklarında bileşik içindeki elementlerin kütleleri oranı sabittir”.  Buna göre; bir bileşik örneğin suyun 18 gramında 16 gram oksijen varken geri kalan 2 gramı hidrojendir. 9 gram su alınırsa bunun 8 gramı oksijen ve 1 gramı hidrojendir. Bu oran suyun ne şekilde elde edilmiş olura olsun kesinlikle değişmez.

Özetle: Bir bileşiği oluşturan atomların ağırlıkları arasında değişmez bir oran vardır.Bu orana göre fazla olan miktar tepkimeye girmeyip artar.Sabit oranlar yasası bir bileşiğin ağırlıkça % yüzde bileşimi sabittir diye de tanımlanır. Başka bir ifadeyle, Bir bileşiği oluşturan atomların ağırlıkları arasında değişmez bir oran vardır.Bu orana göre fazla olan miktar tepkimeye girmeyip artar.Sabit oranlar yasası bir bileşiğin ağırlıkça % yüzde bileşimi sabittir diye de tanımlanır.

Bileşik	Atom sayısı olarak birleşme oranı	Kütlece birleşme oranı	Ağırlıkça % bileşim
H2O	2:1	1:8	% 11,1 H
			% 88,9 O
C3H4	3:4	9:1	% 90 C
			% 10 H

Örnek:

Karbon ve hidrojenden oluşmuş bir bileşiğin 0.058537 g karbon ve 0.019512 g hidrojen olarak belirlenmiştir. Eğer aynı bileşikten alınan yeni örnek içerisinde 0.12 gram karbon bulunduğuna göre hidrojen kütlesinin ne kadar olmasını beklersiniz?

  

Çözüm :

Sabit oranlar kanununa göre bileşik içindeki elementlerin kütleleri oranları korunacağına göre0.12 g. karbon kütlesine karşın bileşik içindeki hidrojen kütlesi;

Örnek: 

Sodyum klorürün 0.243 g. gramlık örneğinde 0.1491 g. klor bulunduğu görülmüştür. 0.595 gram örnek kullanılmış olsaydı. Bileşik içindeki klor ve sodyum miktarının ne kadar olacağını hesaplayınız.

Çözüm :

Katlı Oranlar Yasası

Yasa 1804 yılında John Dalton bulmuştur. Bileşiklerde elementler arasındaki kütle oranının korunmasına karşın bazen aynı elementlerin birbirleriyle birleştiklerinde farklı özellikler gösteren bileşikleri oluşturduğu gözlenmiştir. Örneğin karbon ve oksijenin birleşmesiyle özellikleri tamamen birbirinden farklı karbondioksit ve karbonmonooksit diye adlandırlan iki farklı ürün meydana gelir. Karbonmonoksit oldukça zehirli bir gazken karbondioksit soluk alıp verirken dışarı attığımız zehirli olmayan bir gazdır ve yeşil bitkilerin yaşamını sürdürmesi için gereken en temel elemanlardan biridir. Aslında oksijen ile hidrojenin birlikte oluşturdukları birbirinden farklı 2 form vardır. Biri bildiğimiz su, diğeri hidrojenperoksittir.

Hidrojenperoksidin yaklaşık %3 lük su ile seyreltilerek hazırlanmış çözeltisi eczanelerde oksijenli su olarak satın aldığımız ticari üründür. Ve özellikleri kesinlikle sudan çok farklıdır. Yalnızca karbon ve hidrojenden oluşmuş bileşiklerin sayısını ise tam olarak söylemek çok kolay değildir. Bütün bu karmaşaya karşın Dalton şunu fark etti. “Eğer bir element bir başka element ile birden fazla bileşik oluşturabiliyorsa elementlerden birinin sabit miktarı ile diğer elementtin değişen miktarları arasında basit ve tam sayılarla ifade edilebilen bir oran vardır.” Örneğin karbondioksit-karbonmonoksit örneğine geri dönersek, 44 karbondioksitte 12 gram karbon ve32 gram oksijen vardır. Karbonmonooksidin 28 gramında ise 12 gram karbon ve 16 gramoksijen vardır. Heriki bileşikteki karbon miktarı 12 gramı için birinde 32 diğerinde 16 gramoksijen vardır. Birinci bileşikteki oksijen kütlesinin ikinci bileşiktekine oranı 32/16=2 dir. Bu dalton’a Kendi adıyla anılan Dalton Atom Teorisi fikrini verdi.

Özetle: İki element birden fazla bileşik yapıyorsa;birini aynı miktarı ile birleşen diğer elementin miktarları arsında tam sayılarla belirtilen bir oran vardır.Katlı oranlar kanunun en önemli sonucu kimyasal tepkimelerde atomun parçalanmamasıdır.  Başka Bir ifadeyel İki element birden fazla bileşik yapıyorsa;birini aynı miktarı ile birleşen diğer elementin miktarları arsında tam sayılarla belirtilen bir oran vardır.Katlı oranlar kanunun en önemli sonucu kimyasal tepkimelerde atomun parçalanmamasıdır.

Örnek:

Kükürdün florla birbirinden farklı iki bileşiği için aşağıdaki sonuçlar bulunmuştur. Bu verilere göre bu iki bileşiğin katlı oranlar kanununa uyup uymadığını tartışınız.

	I. BİLEŞİK	II. BİLEŞİK
Kükürt Kütlesi	0.447 g	0.438 g
Flor Kütlesi	1.06 g	1.56 g.

Çözüm :

 Bu bileşiklerin katlı oranlar kanununa uyup uymadığını tespit etmek için II. Bileşiği 0.447 gramkükürt içeren örneğinin kaç gram flor içeriği;

0.447 g kükürt içeren I. Ve II. Bileşik içindeki flor kütleleri oranı;

 

Bu iki bileşiği daha sonra SF4 ve SF6  formülleri ile göstereceğiz.

Silisyum klorür bileşiklerinde sırasıyla % 83.36, % 78.98 ve % 76.97 O bulunmaktadır. Bu bileşiklerin katlı oranlar yasasına uyduğunu gösteriniz.

Çözüm : 100 gramlık Silisyumun 3 farklı klorürlü bileşiği için aşağıdaki tobloyu düzenleyebiliriz.

	I. Bileşik	II. Bileşik	III. Bileşik
Silisyum Klorür	16.64 g.	21.02 g.	23.03 g.
Oksijen Kütlesi	83.36 g.	78.98 g.	76.97 g.

II. ve III. Örneklerin 16.64 g. Silisyum bulunduran  örneklerdeki oksijen kütlesi;