KARBON KİMYASINA GİRİŞ-1

Karbon Kimyasına Giriş Ünitesi’nde;

• Anorganik ve Organik Bileşikler
• Basit Formül ve Molekül Formülü
• Doğada Karbon Atomu ve Allotropları
• Lewis Formülleri
• Hibritleşme – Molekül Geometrileri

başlıkları yer almaktadır.

ANORGANİK VE ORGANİK BİLEŞİKLER

Organik kelimesi ilk defa Berzelius tarafından ortaya atılmıştır.
Vitalizm: Organik bileşiğin elde edilebilmesi için yaşam gücünün işe karışması gerektiğini söyleyen bir görüştür. Bu görüş Berzelius tarafından ortaya atılmıştır.
Friedrich Wöhler 1828 yılında anorganik bileşiklerden yola çıkarak laboratuvar koşullarında ilk organik bileşiği sentezledi. Wöhler, anorganik bir bileşik olan amonyum siyanatın sulu çözeltisininbuharlaştırılmasıyla organik bir bileşik olan üreyi elde etmiştir. Bu çalışmadan sonra vitalizm düşüncesi geçerliliğini yitirmiştir.

Anorganik ve Organik Bileşiklerin Özellikleri

Erime ve kaynama noktaları düşük, karbon atomu içeren, ana kaynağı genellikle canlılar olan bileşiklere organik bileşik denir.

Organik olmayan bileşiklere anorganik bileşik denir. Erime ve kaynama noktaları organik bileşiklerden daha yüksek olan asit, baz, tuz ve oksit sınıfı bileşikler anorganik bileşiklerdir.

Organik bileşikler: CH₄, CH₃-OH, C₆H₁₂O₆, C₂H₂-NH₂, CCl₄, CH₂O, CH₃COOH vb.
Anorganik bileşikler: HCl, NaCl, HCN, CaCO₃, CO2, H₂CO₃, KMnO₄, Al(OH)₃ vb.

 

Örnek 1:

Organik bileşikler için “O”, anorganik bileşikler için “A” sembolü kullanıldığında hangi bileşik grubunda “O-A-A “sıralaması elde edilir?

A) CH₄-C₂H₅OH-KF
B) NH₄NO₃-CCl₄-CO₂
C) HCOOH-CO-Na₂CO₃
D) H₂CO₃-CH₃NH₂-MgO
E) CH₃-O-CH₃ – KMnO₄-CHCl₃

CEVAP: C

BASİT FORMÜL VE MOLEKÜL FORMÜLÜ

Organik Bileşiklerin Basit ve Molekül Formülleri

Organik bileşiklerdeki elementlerin türünü, atom sayılarının birbirine oranlarını gösteren formüle basit formül (kaba formül) denir.

Bir bileşiğin basit formülünden,
• Bileşiği oluşturan atomların türü,
• Atom sayılarının oranları,
• Elementlerin atom kütleleri biliniyorsa bileşiği oluşturan elementlerin kütleleri oranı ve kütlece yüzde bileşimleri bulunabilir.

Organik bileşiği oluşturan elementlerin gerçek atom sayılarının verildiği formüle o bileşiğin molekül formülü (gerçek formül) denir.

Bir bileşiğin molekül formülü ile,
• Bileşiği oluşturan atomların türü,
• Atom sayıları ve atom sayılarının oranları,
• Elementlerin atom kütleleri biliniyorsa bileşiğin molekül ağırlığı, atomların kütlece yüzde bileşimleri ve elementlerin kütleleri oranı bulunabilir.

Basit formül kütlesi ya da formüldeki her bir atom bir katsayı ile çarpıldığında gerçek formüle ve kütlesine ulaşılır:

n . (Basit formül) = Gerçek formül

Örneğin gerçek formülü  C₆H₁₂O₆ olan şekerin basit formülünü bulmak için C, H ve O en küçük tam sayılarla yazılacak şekilde “6” ile sadeleştirilir.

6 .  (CH₂O) = C₆H₁₂O₆ 

Bir moleküldeki atomların gerçek sayılarının ve bağlanma şekillerinin gösterildiği formüle yapı formülü (açık formül) denir. Örneğin CH4 molekülünün yapı formülü

            şeklindedir.

Örnek 2:

C, H ve O elementlerinden oluşan ve basit formülü CH₂O olan organik bir bileşiğin 0,1 molü 9 g dır. Buna göre bu organik bileşiğin molekül formülünü bulunuz.
(C: 12, O: 16, H: 1)

ÇÖZÜM:

n = m /M_A                                              n . (CH₂O ) = 90
0,1 = 9 / M_A                                         n . (C + 2H+16 ) = 90                  
M_A = 90 g/mol                                 n . (30) = 90    →  n = 3     →  Gerçek formül: C₃H₆O₃

Bileşikteki Elementlerin Kütlece Yüzdesi

Bir bileşikteki elementlerin  kütlece yüzdeleri elementlerin atom kütlelerine bölünerek mol sayıları hesaplanır. Mol
sayıları en küçük tam sayılar şeklinde element sembollerinin altına getirilerek bileşiğin basit formülü yazılır.

          bağıntısıyla hesaplanır.

Örnek 3:

C, H ve O elementlerinden oluşan organik bir bileşiğin analizi sonucunda bileşikte kütlece %27,27 C ve %2,27 H elementlerinin bulunduğu anlaşılmıştır. Bu organik bileşiğin basit formülünü bulunuz.
(C: 12, H: 1, O: 16)

ÇÖZÜM:

m_C + m_H  + m_O  = 100 g
27,27 g + 2,27 g + m_O = 100 g
29,54 g + m_O = 100 g
m_O = 70,26 g bulunur.

Elementlerin kütleleri atom kütlelerine bölünerek mol sayıları bulunur.

n_C = 27,27/12 = 2,27 mol (yaklaşık)
n_H = 2,27/1 = 2,27 mol
n_O = 70,26/16 = 4,39 mol (yaklaşık)

Bileşikteki elementlerin mol sayılarını en küçük tam sayıya çevirmek için, en küçük mol sayısı olan 2,27’ye bölünür ve tam sayı hâline getirilir.

n_C  = 2,27/2,27 = 1
n_H  = 2,27/2,27 = 1
n_O  = 4,39/2,27 = 4 (yaklaşık)

Bu değerlere göre bileşiğin basit formülü CHO₂ bulunur.

Örnek 4:

12,4 g ı yeterli miktarda oksijenle yakıldığında normal koşullarda 8,96 L CO₂ ve 10,8 g H₂O oluşuyor. Bu organik bileşiğin basit formülünü bulunuz. (C: 12, H: 1, O: 16)

ÇÖZÜM:

Soruda verilmeyen O₂ nin mol miktarına ulaşmamız gerekir. Bunun için önce CO₂ nin mol ve kütlesi, H₂O nun ise molü hesaplanır:

nCO₂ = 8,96/22,4
nCO₂ = 0,4 mol 
nH₂O = 10,8/18  → n = 0,6 mol

Bileşenlerin mol sayıları üzerinden X in yapısındaki C, H ve O mol sayıları ve kütleleri bulunur:

nC = 0,4 mol   →  mC = 0,4.12 = 4,8 g
nH = 0,6.2 = 1,2 mol   →  mH = 1,2.1 = 1,2 g

X in toplam kütlesinden C ve H atomlarının kütlesi çıkarılarak O atomunun kütle ve molü bulunur:

mX = mC + mH + mO
12,4= 4,8 +1,2 + mO
mO = 6,4 g  →  nO = 6,4/16 = 0,4 mol

Bu mol sayılarını en tam sayıya çevirmek için 0,4 e bölelim:

nO = 0,4/0,4 = 1
nC = 0,4/0,4= 1
nH = 1,2/0,4= 3     bulunur. O halde X in basit formülü CH₃O olur.

DOĞADA KARBON

Karbon Elementinin Özellikleri

Karbon atomu periyodik tablonun 4A grubunda bulunur ve 4 değerlik elektronuna sahiptir. Karbon atomu bu 4 değerlik elektronunu kullanarak bileşiklerinde 4 bağ yapar. Bir karbon atomu bir başka karbon atomu ile tekli, ikili ve üçlü bağ yapabilir.

Karbon atomları diğer atomlardan farklı olarak sonsuz sayıda birbirine bağlanarak düz zincirli, dallanmış ya da halkalı yapıya sahip çok sayıda bileşik oluşturabilir.

Karbonun Allotropları

Aynı tür atomların farklı sayı ve dizilişte bir araya gelmesiyle oluşan maddelere allotrop denir. Elmas, grafit doğal fulleren ve grafenler yapay  allotropları vardır.

Grafit:

C atomları üst üste yığılmış geniş, yassı levhalar oluşturacak biçimde iki boyutlu düzlemde birbirine bağlanmıştır. İyi bir yağlayıcıdır. Elektriği iletir. Pilde ve elektrolizde elektrot olarak kullanılır.

Elmas:

Kristal bir yapıya sahiptir. Her bir karbon atomu 4 başka karbon atomuna bağlıdır. Elektriği iletmez, tepkimeye girme isteği düşüktür. Erime ve kaynama noktası yüksektir. E.N: 3500 C. Cam kesici, taş yontucu olarak kullanılır. Optik özelliklerinden dolayı değerlidir.

Fullerenler:

Bu yapı bir futbol topu ve belirli jeodezik kubbelere benzediği için fulleren adı verildi. Grafitin lazerle buharlaştırılarak yoğunlaştırılması ile elde edilir. C₁₂ , C₆₀, C₇₀, C₇₄, C₈₂ formüllerine sahip fulleren keşfedildi.

 

Grafen: Grafen, karbon atomlarının altıgenlerden oluşan bal peteği örgü yapısında sıralanmasından elde edilen iki boyutlu düzlemsel yapıların çok nadir örneklerinden birisidir. Bu yapı, grafene olağanüstü özellikler kazandırmaktadır. Saydam olan grafen tabakası elektriği ve ısıyı çok hızlı bir şekilde iletebilir. Grafenin yapısı çelikten 6 kat hafif, yoğunluğu çelikten 6 kat daha düşüktür. Çelikten 6 kat daha sert ama 13 kat daha fazla esneme yeteneğine sahiptir. Tıbbi cihazlar, tabletler, bilgisayar, süperkapasitörler gibi kullanım alanları vardır.

Karbon Nanotüp: Grafite uygulanan özel işlemler sonucu oluşan nanometre boyutundaki silindirik tüplere nanotüp denir. Nanometre metrenin milyarda biridir. Nanotüplerin çapları nanometre, uzunlukları ise milimetre boyutundadır. Çaplarının milyonlarca katı uzunluklara ulaşabilen karbon nanotüpler; sağlamlık, elektrik iletkenliği, ısı iletkenliği gibi özellikleriyle de diğer malzemelere göre daha kullanışlıdır.
En sert doğal madde olarak bilinen elmastan daha sert, aynı kütledeki çelikten daha sağlam yapay bir malzeme olan karbon nanotüpler; bakır ve gümüşten 1000 kat daha fazla elektrik akımı taşıyabilmekte ve yüksek sıcaklıklarda bile özelliklerini koruyabilmektedir. Elektronik nano boyutlu cihazlarda (diyot, transistör, nanoteller vb.), hidrojen pillerinde, şarj edilebilir bataryalarda, organik güneş pillerinde, dokunmatik ekranlarda ve biyosensörlerin yapımında nanoteknolojiden yararlanılmaktadır.