Temel Kimya

Elementler ve Bileşikler

Sadece etrafınıza bakarak bile görebileceğiniz gibi, dünya pek çok farklı maddeden oluşmuştur. Yüz binlerce farklı madde bilinmektedir. Muhtemelen daha bilinmeyenler de vardır. Kimya, maddenin çeşitli türlerinin atomların farklı yollarla birleşmesinden meydana geldiğini söyler. Burada yalnızca temel kimya bilgisine değinilecektir.

Bu kadar çok maddeye rağmen, yalnızca yaklaşık 100 farklı atom türü vardır. Bazı maddeler yalnızca tek bir atom türünden oluşur. Bu maddelere element denir. Örneğin demir, bir elementtir. Tüm demir, yalnızca demir atomlarından oluşur. Oksijen bir elementtir ve yalnızca oksijen atomlarından oluşur. Yaklaşık 100 kadar farklı element olduğu için, bunların kombinasyonlarıyla oluşan maddeler sayıca çok fazladır.

Çoğu madde, iki ya da daha fazla elementin sabit oranlarda birleşmesiyle oluşur. Bu tür maddelere bileşik denir. Örneğin su, hidrojen ve oksijen elementlerinden oluşan bir bileşiktir. Suda her oksijen atomuna karşılık iki hidrojen atomu bulunur. Bir maddenin element mi yoksa bileşik mi olduğunu sadece gözlemleyerek anlamanın bir yolu yoktur. Ancak kimyasal tepkimeler sonucunda bileşikler bileşenlerine ayrıştırılabilir. Örneğin karbon dioksit, karbon ve oksijene ayrılabilir. Ancak oksijen ve karbon elementtir, başka bir şeye ayrıştırılamaz. Kimyacılar, elementlere özel isimler ve semboller verirler. Bu semboller, kimyasal tepkimelerde elementleri ifade etmek için kullanılır.

Aşağıdaki tablo, biyolojik süreçlerde önemli olan bazı elementleri, sembollerini ve atom numaralarını listeler:

Maddenin atomlardan oluştuğu fikri oldukça eskiye dayanır; antik Yunan filozoflarına kadar gider. İlk atom kavramı, atomun hiçbir şekilde bölünemeyen küçük bir parçacık olduğuydu. Ancak 20. yüzyılda yapılan araştırmalar, atomların çok küçük parçalardan oluştuğunu ve hayal edilenden daha karmaşık yapılar içerdiğini göstermiştir.

Her atomun çok küçük bir merkezi vardır; buraya çekirdek denir. Çekirdek pozitif yüklü protonları ve yüksüz nötronları içerir. Bu parçacıklara nükleonlar denir. Elektronlar, atomun çekirdeği çevresinde belirli enerji seviyelerinde hareket eder. Atomlar birleşerek bileşik oluştururken bu elektronlar yer değiştirir veya paylaşılır.

Elektronların taşıdığı yük negatif, protonlarınki pozitif, nötronlarınki ise yüksüzdür.

Her elektronun yükü, bir birim negatif elektrik yüküne sahiptir. Bu nedenle genellikle “-1 birim” olarak tanımlanır. Benzer şekilde protonların pozitif yükü “+1 birim”dir. Nötronların yükü yoktur ama kütleleri hemen hemen protonlara eşittir. Elektronlar ise çok daha hafiftir (yaklaşık 1/2000 oranında).

Atom Numarası

Bir atomun çekirdeğinde bulunan proton sayısı, o atomun atom numarasıdır. Farklı elementler farklı sayıda protona sahiptir. Örneğin hidrojenin atom numarası 1’dir; çünkü çekirdeğinde yalnızca 1 proton vardır. Oksijenin atom numarası 8’dir, çünkü çekirdeğinde 8 proton vardır. Her atom, aynı zamanda proton sayısına eşit sayıda elektrona sahiptir. Yani oksijenin 8 protonu ve 8 elektronu vardır. Pozitif ve negatif yükler birbirini dengelediği için, atom elektriksel olarak nötr kabul edilir.

 

İzotoplar

Bir elementin farklı atomlarının çekirdeklerinde aynı sayıda proton, fakat farklı sayıda nötron olabilir. Bir elementin atomları farklı sayıda nötrona sahip olduğunda, bunlara izotop denir. Örneğin, hidrojenin çekirdeğinde genellikle yalnızca bir proton bulunur. Ancak bazı hidrojen atomları bir nötrona da sahiptir ve diğerleri ise iki nötrona sahiptir. Bu atomlar tamamen aynı değildir, ancak kimyasal olarak aynı şekilde davranırlar. Bu durum, atomların kimyasal özelliklerinin proton sayısına ve dış yörüngedeki elektronlara bağlı olmasından kaynaklanır. Bu nedenle, bu hidrojen atomlarının hepsi hidrojen olarak kabul edilir. Hidrojenin bu çeşitlerine, hidrojenin izotopları denir.

Tüm elementlerin izotopları vardır. Örneğin, oksijenin en yaygın formu çekirdeğinde 8 nötron içerir. Ancak doğada 9 ve 10 nötron içeren diğer çeşitleri de vardır; 6, 7, 8, 9 ve 11 nötron içeren diğer oksijen izotopları da yapay olarak üretilmiştir.

Atomik Kütle

Protonların ve nötronların yaklaşık olarak aynı kütleye sahip olduğunu ve bu kütlenin bir elektronunkinden yaklaşık 2.000 kat daha büyüktür. Protonlar ve nötronlar çekirdekte bir araya toplandıkları için, bir atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdeğindedir. Her bir proton ve nötronun bir birim kütleye sahip olduğunu düşünürsek, bir atomun kütlesi onun proton ve nötronlarının toplamı olur. Bu toplam, atomun atomik kütlesi ya da kütle numarası olarak adlandırılır. 9 proton ve 10 nötron içeren bir atomun kütle numarası 19’dur. Aynı elementin izotopları aynı proton sayısına sahiptir, fakat farklı kütle numaralarına sahiptirler. Hidrojenin üç izotopu 1, 2 ve 3 kütle numaralarına sahiptir. Oksijenin üç doğal izotopu 16 (8 + 8), 17 (8 + 9) ve 18 (8 + 10) kütle numaralarına sahiptir.

 

İzotopların Sembolleri

İzotopların keşfinden önce, bir elementin sembolü o elementin herhangi bir atomunu temsil etmek için kullanılırdı. Aynı elementin tüm atomları neredeyse tamamen aynı göründüğü için, bu yöntem onları tanımlamak için yeterli görülüyordu. Örneğin, O sembolü genellikle bir oksijen atomunu temsil etmek için kullanılıyordu. Bu, oksijenin hangi izotopu kastedilirse kastedilsin hâlâ yapılmaktadır. Ancak, yalnızca bir izotopu tanımlamak gerektiğinde, elementin sembolünün yanına küçük bir sayı yerleştirilir; bu sayı izotopun kütle numarasını gösterir. Sayı genellikle sembolün sağına, biraz yukarısına yerleştirilir. Örneğin, ¹⁸O oksijen-18’i temsil eder, yani kütle numarası 18 olan izotop.

Son yıllarda, sayı sembolün sol üstüne yerleştirilmeye başlanmıştır. Elementin adı yazıyla yazıldığında, izotop genellikle tire ile ayrılmış kütle numarasıyla belirtilir. Örneğin, ¹⁸O izotopu oksijen-18 olarak yazılır.

Radyoaktif İzotoplar

Bazı izotoplar kararsızdır. Yani zamanla parçalanırlar ve daha kararlı izotoplara dönüşürler. Bu izotoplar radyoaktif olarak adlandırılır. Parçalanma sırasında enerji açığa çıkar. Bazen bu enerji canlı dokulara zarar verebilir. Bu yüzden radyoaktif maddeler dikkatli bir şekilde kullanılmalıdır. Radyoaktif izotoplar, kanser hücrelerini yok etmek, tiroid hastalıklarını teşhis etmek, yaş tayini yapmak (örneğin fosillerin yaşı) ve biyokimyasal yolları izlemek gibi birçok tıbbi ve bilimsel amaçla kullanılır.

 

Bir radyoaktif izotop, belirli bir oranda parçalanır. Örneğin karbon-14 izotopu her 5.730 yılda bir, yarı miktarına düşecek şekilde parçalanır. Bu özelliğe yarı ömür denir. Radyoaktif izotoplar, organizmalar içinde izlenerek bazı süreçlerin anlaşılmasına yardımcı olur. Örneğin, karbondioksitteki radyoaktif karbon, fotosentez sırasında bir bitki tarafından kullanıldığında, bilim insanları karbonun bitki içinde nasıl hareket ettiğini gözlemleyebilir.