Kimyanın Temel Kanunları

Kimyasal olaylarda, tepkimeye giren maddelerin kütleleri toplamı, tepkime sonunda oluşan maddelerin kütleleri toplamına eşittir. Bu olaya "Kütlenin Konumu Kanunu" denir. Kütlenin korunumu kanunu, zaman zaman Lomonosov-Lavoisier kanunu olarak da adlandırılan, kapalı bir sistemde var olan çevrimler ve işlemler ne olursa olsun, kütlenin sabit kalacağını belirten kanundur. Denk bir ifadeyle açıklamak gerekirse kütlenin durumu yeniden düzenlenebilir fakat kütle yaratılamaz veya yok edilemez. Böylece, kapalı bir sistem dahilindeki her türlü kimyasal tepkime ve proseste tepkenlerin (yani reaktantların) kütlesi, ürünlerin kütlesine eşit olmalıdır. Kimyasal tepkimelerde kütle enerjiye dönüşmez. Çekirdek reaksiyonlarında ise kütle E=mc² ye göre enerjiye dönüşebilir.

   Kütlenin Korunumu Yasası

Fizik ve kimya derslerinde sık sık karşılaştığımız bir söz vardır:

    "Var olan şey yok, yok olan da var edilemez."

"Maddenin veya kütlenin korunumu kanunu" olarak bilinen bu ifade, Fransız kimyacısı A. L. de Lavoisier´e aittir. Lavoisier kimyasal bileşiklerdeki kütle miktarlarının değişmezliği konusunda şunları söylemiştir:

    “Hiçbir şey ne yapay ne de doğal işlemlerle yeniden yaratılmaz. Şu temel yasa ortaya atılabilir ki, her bir işlemde madde niceliği işlemden önce ve sonra aynı büyüklüktedir ve temel maddelerin niteliği aynıdır; yalnızca dönüşümler ve değişen biçimler vardır.”

Bu bilgi modern nicel kimyanın temeli olmuş ve daha sonra, kimyasal tepkimelerde “Kütlenin Korunumu Yasası” olarak nitelenmiştir.

Şimdi her tarafı kapalı bir kap düşünelim. İçinde yüzlerce çeşit bileşik bulunsun. Kabımızı tartalım ve ateşin üzerine koyalım. Bunun sonucu olarak da, kabın içinde çok sayıda reaksiyon olduğunu ve bir çok yeni bileşiklerin de teşekkül ettiğini farz edelim. Deney sonunda kabımızı tekrar tarttığımız zaman, ağırlığının aynı kaldığını görürüz. Çünkü, kabımız kapalı olduğundan dışarı madde çıkışı olmamış, yani, mevcut kütle kaybolmamıştır. Dışarıdan da herhangi bir madde girişi olmadığından, yoktan yeni bir kütle meydana gelmemiştir. Dışarıdan içeriye bir şey koysaydık veya içinden bir şeyler alsaydık, kutunun ağırlığında mutlaka bir değişme olacaktı.
Kısaca, kütlenin korunumu, çerçevesi tespit edilmiş bir kapalı sisteme uygulanan ve maddenin dönüşümleri esnasındaki ağırlıkla ilgili münasebetleri gösteren bir kanundur. Ansiklopedilerden Lavoisier´in biyografisini okuduğumuz zaman, O´nun, kimyada teraziyi ilk kullanan ilim adamı olduğu görülür. Buradan da o kimyacının, söz konusu ifade ile maksadının ne olduğu açıkça anlaşılmaktadır. Kütlenin korunumu prensibinin geçerli olmadığı bazı gerçek fiziki olaylar da mevcuttur. Mesela, bu gün maddenin enerjiye dönüştüğü bilinmektedir. Einstein´ın en önemli buluşu olan E = mc2 formülünden, m kütlesi kadar azalmanın enerji karşılığı, c ışık hızının karesiyle çarpılması sonucu bulunmaktadır. Bu uygulamaya misal olarak bir atomun çekirdeğini teşkil etmek üzere bir araya gelen nötron ve protonların toplam kütlelerinin azalmasını verebiliriz. 35/17 CI şeklinde gösterilen klor atomu çekirdeği kütlesinin, 18 nötron ve 17 protonun toplam kütlesine, yani 172.007277+ 182.008665 = 35.289005 atomik kütle birimine eşit olması gerekir. Burada 1.007277 bir protunun, 1.008665 de bir nötronun kütlesidir. Fakat çok hassas deneyler sonucunda bir klor atomu çekirdeğinin 34.96885 atomik kütle birimi olarak, yani, 0.32016 daha az bulunmuştur. Aradaki kütle farkı, enerjiye dönüşmüş, madde aleminden yok olmuştur.

Örnek: Lavoiser, HgO bileşiğini ısıtıyor. HgO bileşiği Hg ve 1/2O2 şeklinde bileşenlerine ayrılıyor. Dolayısıyla başlangıçta aldığı madde sadece bileşenlerine arışmış oluyor. Ortaya çıkan O2 gazı uzaydan başka bir yere gidemeyeceğine göre. Kimyasal olaylarda kütle mutlaka korunur.

Yürürlükteki kurama göre, yanma, yanan nesnenin "flojiston" denen, ama ne olduğu bilinmeyen, gizemli bir madde çıkarması demekti. Odun kömürü gibi yandığında geriye en az kül bırakan nesneler flojiston bakımından en zengin nesnelerdi. Lavoisier yaptığı bir deneyde şu sonuca varır. Cıva oksidin ısı altında cıvaya dönüşmesiyle kaybettiği ağırlık ile çıkan gazın ağırlığı denkti. Bunun anlamı şuydu: yanma, yanan nesnenin flogiston salmasıyla değil, havanın etkili bölümüyle (yani oksijenle) birleşmesiyle gerçekleşmektedir.
Lavoisier´i unutulmaz yapan bir özelliği de nesnelerin kimyasal değişimlerini ölçmede gösterdiği olağanüstü duyarlılıktı. Bu özelliği ona "Kütlenin Korunumu Yasası" diye bilinen çok önemli bilimsel bir ilkeyi ortaya koyma olanağı sağlar. Lavoisier kimi kez kendi adıyla da anılan bu ilkeyi şöyle dile getirmiştir:

    “Madde yoktan var edilemediği gibi, vardan da yok edilemez. Sadece birinden ötekine dönüşebilir.”

Tarihçe
Kütlenin korunumu kanunun ilk kez NasîrüddinTûsî tarafından 13. yüzyıl ortaya atılmışsa da bu ilk sürümde eksiklikler mevcuttu; Maddenin yapısının değişebileceğini fakat yok olamayacağını yazmaktaydı.
Kütlenin korunumu kanunun ilk kez net bir şekilde tanımlanması 1789 tarihinde Lavoisier tarafından başarılabilmiştir. Nitekim bu sebepten ötürü bazen kendisinin modern kimyanın babası olduğu da söylenir. Bununla birlikte, MikhailLomonosov aslında benzeri fikirleri 1748´de ortaya atmış ve çeşitli deneyler sonucu kanıtlamıştı. Lavoisier´in çalışmasının öncülleri bununla da sınırlı değildir ve şu isimler daha erken tarihlerde benzeri fikirleri ortaya atmıştır: Joseph Black, Henry Cavendish ve Jean Rey.

AntoineLaurent Lavoisier (1743-1794) metal oksitlerinin, daha önce Joseph Priestley (1733-1804) ve Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) tarafından keşfedilmiş bulunan oksijen ile metallerin verdiği bileşikler olduğunu kanıtlayıp, yanma ve oksitlenme olaylarının bugün bile geçerli olan açıklamasını yaparak kimyada devrim yaratmış; kimyasal adlandırma konusunda son derece değerli çalışmalarda bulunmuş; maddeye gerçek anlamını vererek elementin nicel tanımını yapmış; kapalı kaplarda yaptığı deneylerde, kimyasal tepkimeler sırasında kütlenin değişmediğini saptayarak kütlenin korunumu yasasını sunmuştur. Kimyaya nicel yöntemleri yerleştiren Lavoisier´in 1789´da yayınladığı "TraitéÉlémentaire de Chimie" (Temel Kimya İncelemesi) adlı yapıtı, fizikte Newton´un Principia´sına eşdeğer biçimde kimyada devrime yol açmıştır.

 Sabit Oranlar Kanunu

Maddeleri bir birleriyle birleşme oranlarını tam olarak hesaplama işini; Joseph LouısProust(1754-1826) Fransız Kimyacı; Claude Louis Berthollet (1748-1821)Fransız Kimyacı; JeremiasBenjaim Richter (1762-1807) başardılar. Bu bilginler stokiyometrinin ilk prensiplerini ortaya koyan kişi olarak bilinirler. Yaptıkları çalışmalarda bileşikleri oluşturan elementlerin hep belli bir oranda birleştiklerini tespit ettiler. Bu şekilde “sabit oranlar kanunu” olarak bildiğimiz kanun bulunmuş oldu. Fakat henüz atom kavramı tam olarak bulunmadığı için ortaya atılan düşünceler biraz varsayım ve teoriden ibaretti. Ancak bizler bu gün biliyoruz ki; Bir bileşik hangi yolla elde edilirse edilsin, bileşiği oluşturan maddelerin( atomların) kütleleri arasında basit tam sayılarla ifade edilen sabit bir oran vardır. Bu orana "sabit oranlar kanunu" denir.

  Katlı Oranlar Kanunu 

J.Dalton, yaptığı çalışmalarda  Joseph Proust´un sabit oranlar kanunundan yararlanarak iki farklı atom bir araya geldiğinde hep aynı bileşikleri mi oluşur sorusuna aradığı cevapta katlı oranlar kanununa ulaşır.Karbon elementiyle oksijenin oluşturduğu iki bilşik vardır bunlar karbon mono oksit ve karbon di oksit Karbon mono oksit bileşiğinde bir karbon atomu ile bir oksijen atomu birleşirken , Karbon di oksit bileşiğinde bir karbon atomu ile iki oksijen atomu birleşir.Her iki bileşikte karbon atom sayıları sabit tutulduğunda oksijen atomları arasında 1/2oranının olduğu gözlenir.Dalton´un  ulaştığı sunuca göre “iki element aralarında birden fazla bileşik oluşturuyorsa, bunlardan birinin sabit miktarıyla birleşen ikincisinin değişen miktarları arasında  basit tam sayılı bir oran bulunur.” Bu şekilde  “Katlı Oranlar Kanunu” olarak bildiğimiz yasa bulunmuş oldu.

Dalton atom kuramı, kütlenin korunumu ve sabit oranlar yasalarına ve diğer deneysel gözlemlere dayanılarak önerilmiştir.

Dalton kuramının postulatları aşağıdaki gibi sıralanabilir:

• Elementler, görünmeyen ve atom denilen bölünmeyen parçacıklardan oluşmuştur..
• Bir elementin bütün atomları özdeş olup aynı, kütleye, büyüklüğe ve kimyasal özelliklere sahiptir ve diğer bir elementin atomlarından farklı özelliklere sahiptir.
• Kimyasal tepkimeler, atomların düzenlenme türünün, birleşme seklinin değişmesinden ibarettir. Atomlar kimyasal tepkimede oluşamaz ve parçalanamazlar
• Bileşikler birden çok elementin atomlarından oluşmuşlardır. Herhangi bir bileşikteki iki elementin atom sayılarının oranı bir tam sayı ya da basit tam sayılı kesirdir.

Dalton kuramı, iki açıdan başarılıdır.

• Birincisi, kütlenin korunumu yasasını açıklar. Bir kimyasal tepkime, atomların yeniden düzenlenmesinden ibarettir ve sistemden hiçbir atom kaybolmuyorsa, tepkime sırasında toplam kütle sabit kalacaktır (Kütlenin korunumu)
• İkincisi, bir elementin tüm atomlarının kütlesi ve özelliği aynıdır. Eğer bir elementin tüm atomları kütlece aynı ise Bileşik nasıl elde edilirse edilsin. bileşiğin kütlece yüzde bileşimi aynıdır. (sabit oranlar)

   Sabit Hacimler Kanunu 

 Kimyasal reaksiyonlara giren maddelerim kütleleri arasında sabit bir oranın bulunduğunu inceledik.Benzer şekilde bu maddeleri hacimleri arasında da sabit bir oran vardır.Sadece gazlara uygulanan ve GayLussac tarafından önerilen Hacim Oranları Kanunu şu şekilde tanımlanabilir.

"Kimyasal reaksiyona giren gaz halindeki element ya da bileşiklerin aynı basınç ve sıcaklık şartlarında hacimleri arasında tam sayılarla gösterilen bir oran vardır.Reaksiyon ürünü de gaz halinde ise ürünün reaksiyona giren gazlardan herhangi birinin hacmi arasında da sabit bir oran vardır."

   AmedeoAvagadro ;

“Aynı sıcaklık ve basınçta, gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda atom ve molekül içerir.” diyerek,  Avagadro hipotezini ortaya attı. Avagadro gaz halinde bulunan atomların 2 atomlu halde yani moleküler halde olabileceğini savundu. Dolayısıyla kimya tarihine bu şekilde “molekül” kavramı da girmiş oldu.

 AmedeoAvagadro´ya göre

           1- Aynı sıcaklık ve basınçta, farklı gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda atom veya molekül vardır.

           2-  Aynı sıcaklık ve basınçta, farklı gazların eşit sayıdaki molekülleri eşittir