Kimyasal Denklemler ve Denkleştirme Yöntemleri

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste madde miktarı açısından nasıl değiştiğini sayısal olarak gösteren bir dil öğreneceğiz: kimyasal tepkime ve kimyasal denklem. Bir olayda hangi maddelerin girdiğini, hangi maddelerin çıktığını ve bu değişimin neden denklem adıyla bir eşitliğe dönüştürüldüğünü açıklayacağız.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor:

• Kazanım 1: Kimyasal tepkime ile fiziksel değişimi olay örnekleriyle ayırt eder.
• Kazanım 2: Kimyasal denklemin iki temel korunum ilkesini açıklar.
• Kazanım 3: Verilen sözel anlatımı denklem biçimine yazar ve denklemler.
• Kazanım 4: Denkleştirilmiş denklemden madde miktarı oranlarını çıkarır.
• Kazanım 5: Denklemi atom sayısıyla denetler ve denkleştirme hatasını bulur.

Ön bilgi: bundan önce gördüğümüz

Bu konunun dayanağı iki yerde duruyor. Birincisi madde miktarı kavramı: bir bileşiğin kaç gramının bir moleküle karşılık geldiğini anlatan mol kütlesi. İkincisi element ve bileşik ayrımı: hangi maddelerin sembollerle, hangilerin formüllerle yazıldığı. Bir tepkime denklemi yazarken bu iki bilgiyi kullanırız.

Ön bilginin ikinci parçası molekül kavramıdır. Denklemde yazdığımız katsayı, bir molekül sayısını değil çok büyük sayıda molekülü temsil eden bir oranı ifade eder. Bu yüzden katsayıları küçük tam sayılara indirmek bir tercih değil, zorunluluktur.

• Maddenin Sınıflandırılması ve Atom Sayısı Kavramı — denklemde atom sayısını denetlerken kullanılır.
• Periyodik Özellikler: Atom Yarıçapı, İyonlaşma Enerjisi ve Elektronegatiflik — hangi elementlerin birbirine ilgi duyduğunu tahmin etmeyi kolaylaştırır.

Kimyasal Tepkime Nedir?

Kimyasal tepkime, iki veya daha çok maddenin birbirleriyle etkileşerek yeni maddeler oluşturmasıdır. Bu süreçte madde miktarı korunur; çünkü tepkime sırasında madde yoktan var edilmez, yalnızca yeniden düzenlenir. Demirin havadaki oksijenle birleşerek pas oluşturması, hidrojenin oksijenle su vermesi veya bitkinin şeker üretmesi birer kimyasal tepkimedir.

Kimyasal tepkime ile fiziksel değişim arasındaki fark, denklem yazılıp yazılmadığında görülür. Suyun kaynayarak buhara dönüşmesi fizikseldir: su yine sudur, yalnızca hâli değişmiştir, denklem yazılmaz. Buna karşılık suyun hidrojen ve oksijene parçalanması kimyasaldır: artık su maddesi yoktur, iki farklı madde vardır, denklem yazılır.

Bir olayın kimyasal olup olmadığını anlamanın pratik bir yolu vardır: geri dönüşü olmayan yeni bir madde oluşuyorsa tepkime kimyasaldır. Pas, kül, pişmiş ekmek ve yanık dokusu geri dönüşsüz olarak oluşan yeni maddelerdir. Buna karşılık buzun erimesi ve şekerin suda çözünmesi fizikseldir; çünkü maddelerin kendisi değişmemiştir.

Kimyasal Denklem ve Denklem Yazmanın Kuralları

Kimyasal denklem, tepkimenin hangi maddelerle hangi maddelere dönüştüğünü gösteren kısa bir sembolik anlatımdır. Denklemde ok (→) tepkimenin yönünü gösterir; okun soluna reaktifler (girenler), sağına ürünler (çıkanlar) yazılır. Element adları denklemin hiçbir yerinde yazılmaz, yalnızca sembolleri kullanılır.

Denklem yazarken uyulması gereken beş kural vardır. Birincisi, denkleştirme yapılana kadar hiçbir katsayı yazılmaz; çünkü katsayılar denkleştirme sırasında bulunur. İkincisi, denklem denge işaretiyle de yazılabilir; bu yazım iki tarafın eşit olduğunu vurgular.

Üçüncüsü, bileşiklerin katsayısı 1 ise katsayı yazılmaz; tek molekülü olan bir bileşik denklemde sayı almaz. Dördüncüsü, katsayılar küçük tam sayılar hâlinde yazılır; 2/3 gibi kesirli katsayı kullanılmaz. Beşincisi, denklem bir bütündür; bütün maddeler aynı satırda yazılır.

Denkleştirme Yöntemleri

Denkleştirme, denklemin iki tarafında da her element atomunun sayısı eşit olana kadar katsayıları ayarlamaktır. En güvenilir yöntem tek tek deneme yöntemidir: önce en karmaşık bileşiğin katsayısını 1 kabul eder, bu moleküldeki atomların toplamını diğer tarafta karşılayacak sayıları bulur ve ilerler.

İkinci yöntem tek çift katsayı yöntemidir: birbiriyle ilgisi en az iki elementin katsayılarını birlikte seçer. Örneğin su molekülü varsa hidrojen ve oksijen katsayıları çift olarak bulunur. Bu yöntem hızlıdır ancak tek çift kalırsa sonunda bütün katsayılara ortak çarpan uygulamak gerekebilir.

Üçüncü yöntem tek değişkenli denklem yöntemidir. Burada katsayılar yerine geçici bir değişken konur, denklem bir cebirsel denklem gibi çözülür ve sonuç kesirli çıkarsa tüm denklem uygun bir çarpanla çarpılarak tam sayılara dönüştürülür. Bu yöntem çok atomlu bileşiklerde güçlüdür, ancak yazımı uzundur.

Dördüncü yöntem elektron alma verme yöntemidir. Oksidasyon basamağı değişen elementlerin elektron sayıları eşitlenir; böylece hem elektron hem atom sayısı korunmuş olur. Bu yöntem, oksijenli ve hidrojenli asitlerin nötrleşmesinde olduğu gibi yüksek oksidasyon basamakları içeren tepkimelerde hız kazandırır.

Atom Sayısı Denetimi: Denkleştirmenin Kontrolü

Denkleştirmenin bittiğinden emin olmanın tek yolu atom sayısı denetimidir. Bu denetimde denklemin solundaki ve sağındaki her element için atom sayıları ayrı ayrı yazılır ve karşılaştırılır. İki taraftaki bütün sayılar eşitse denklem doğrudur; tek bir sayı bile farklıysa denklem eksiktir.

Örnek olarak 2H₂ + O₂ → 2H₂O denklemini denetleyelim. Hidrojen için sol tarafta 2 × 2 = 4 atom vardır. Oksijen için sol tarafta 2 × 1 = 2 atom vardır. Bu iki sayının sağ taraftaki karşılıkları da 4 ve 2 olduğu için denklem doğrudur. Oksijen için sağ tarafta farklı bir sayı çıksaydı denklem yanlış olurdu.

Denetimde korunum ilkeleri de sınanır. Birinci ilke atom sayısının korunması, ikinci ilke kütle korunmasıdır. İki ilke aslında aynı sonucu verir; çünkü atom sayıları korunduğunda atomların toplam kütlesi de korunmuş olur. Bu yüzden atom sayısı denetimi tek başına yeterlidir.

Mol Oranı ve Sınırlayıcı Bileşen

Denklemden elde edilen katsayılar aynı zamanda madde miktarı oranıdır. Denklem tam sayılara indirildikten sonra katsayıların oranı, o tepkimede tüketilen ve oluşan maddelerin mol oranına eşittir. Denklem yalnızca bir kayıp değildir; laboratuvarda ne kadar ürün elde edileceğini önceden söyleyen bir plan aracıdır.

Madde miktarları karşılaştırıldığında sınırlayıcı bileşen bulunur. Sınırlayıcı bileşen, kendi katsayısına oranla en az madde miktarı bulunan bileşendir; o bitince tepkime durur ve artık kalan bileşenler kullanılmamış olarak kalır. Sınırlayıcı bileşeni bulmadan ürün miktarı hesaplamak, hep en çok ürünü üretmiş gibi bir sonuç verir.

Örneğin 2H₂ + O₂ → 2H₂O denkleminde elimizde 5 mol hidrojen ve 4 mol oksijen varsa, hidrojenin tamamı için gereken oksijen 5 ÷ 2 = 2,5 mol olur. Elimizde 4 mol oksijen bulunduğundan oksijen fazladır. Sınırlayıcı bileşen hidrojendir ve oluşabilecek su miktarı 5 mol ile sınırlıdır.

Basit örnek

Hidrojenin oksijenle su oluşturduğu tepkimeyi denkleyiniz. Sözel anlatım şudur: Hidrojen, oksijenle tepkimeye girerek su oluşturur. Denklemde hidrojen H₂, oksijen O₂, su H₂O olarak yazılır; ilk hâliyle denklem H₂ + O₂ → H₂O biçimindedir.

Oksijen atomu sağ tarafta tek, sol tarafta ise iki molekül başına iki oksijen olarak geldiği için önce oksijene 2 katsayısı verilir: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Bu hâlde sağ taraftaki iki su molekülünde 2 × 2 = 4 hidrojen atomu vardır. Sol taraftaki hidrojen katsayısı da 2 olduğu için atom sayıları eşitlenmiş ve denklem tam sayılara indirilmiş hâliyle tamamlanmıştır.

İleri örnek

Alüminyumun sülfürik asitle tepkimesi daha karmaşıktır. Sözel anlatım: Alüminyum, sülfürik asitle tepkimeye girerek alüminyum sülfat ve hidrojen oluşturur. Burada alüminyum (Al), sülfürik asit (H₂SO₄), alüminyum sülfat (Al₂(SO₄)₃) ve hidrojen (H₂) dört farklı madde vardır.

Karmaşık bileşik Al₂(SO₄)₃'ün katsayısı 1 kabul edilir. Bu molekülde 2 alüminyum, 3 sülfür ve 3 × 4 = 12 oksijen atomu vardır. Alüminyum 2 olduğu için alüminyumun katsayısı 2 olur. Sülfür 3 olduğu için sülfürik asidin katsayısı 3 olur ve bu asitteki 3 × 2 = 6 hidrojen, sağdaki hidrojenin katsayısının 3 olmasını gerektirir. Sonuç 2Al + 3H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3H₂ olur.

Adım adım çözülmüş örnek

Demirin oksijenle tepkimesinde oluşan bileşiğin demir oksit olduğu biliniyor. Tepkimeyi denkleştiriniz: Fe + O₂ → Fe₂O₃.

Adım 1: En karmaşık bileşik olan Fe₂O₃'ün katsayısını 1 bırakın ve sağ taraftaki atom sayılarını yazın. Sağda 2 × 2 = 4 demir atomu ve 2 × 3 = 6 oksijen atomu bulunur.

Adım 2: Demiri eşitleyin. Sol tarafta tek demir atomu yazılı olduğundan demirin katsayısı 4 olur. Artık sol tarafta 4 demir vardır ve sağdaki sayı ile eşleşir.

Adım 3: Oksijeni eşitleyin. Sağda 6 oksijen atomu vardır ve O₂ molekülünde 2 oksijen bulunduğundan oksijenin katsayısı 3 olur. Bu aşamada denklem 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ olur; çünkü sağdaki demir oksidin katsayısı da 1'den 2'ye çıkmıştır.

Adım 4: Son denetim yapın. Sağdaki demir sayısı 2 × 2 = 4 olur ve sol taraftaki 4 demirle eşleşir. Oksijen sayısı sağda 2 × 3 = 6, sol tarafta ise 3 × 2 = 6 olur. İki tarafta da bütün elementlerin atom sayıları eşittir, denklem tamamlanmıştır.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Hata: Denklem denkleştirilmeden önce katsayı yazmak: Öğrenci katsayıları tahmin edip yazdıktan sonra denetlemeye başlar. Doğrusu önce katsayısız denklemi yazmak, sonra katsayıları bulmaktır.
• Hata: Bileşik adını denkleme yazmak: Denklemde H₂O yerine su yazılırsa denklem okunamaz. Doğrusu yalnızca sembol ve formül kullanmaktır.
• Hata: Katsayıları en küçük tam sayılara indirmeyi atlama: 2H₂ + 2O₂ → 2H₂O yazıldığında denklem yanlıştır. Doğrusu her katsayıyı en büyük ortak çarpana bölerek 2H₂ + O₂ → 2H₂O hâline getirmektir.
• Hata: Yalnız son elementi eşitlemek: Denklemde tek bir element eşitlenince denkleştirme bitmiş sayılır. Doğrusu bütün elementler için atom sayısı ayrı ayrı denetlenmelidir.
• Hata: Parantez içindeki atom sayısını görmezden gelmek: (SO₄)₃ içinde oksijen sayısı 4 değildir. Doğrusu parantezin dışındaki çarpanla içteki sayı çarpılır.
• Hata: Sınırlayıcı bileşeni sormadan ürün miktarı hesaplamak: Fazla olan madde kullanılmış gibi sonuç yazılır. Doğrusu önce her bileşen için elde bulunan miktarı katsayısına bölüp en küçük sonucu bulmaktır.
• Hata: Katsayı ile madde miktarını aynı sayı sanmak: Denklemdeki 2 sayısı 2 gram değildir. Doğrusu katsayıyı mol oranı, madde miktarını ise mol olarak yorumlamaktır.
• Hata: Ok yönünü tersten yazmak: Ürünler sola, reaktifler sağa yazılırsa denklem yanlış olur. Doğrusu okun solunda giren, sağında çıkan madde bulunması kuralına uymaktır.

Özet

Kimyasal denklem, tepkimenin hangi maddelerden hangi maddelere dönüştüğünü gösteren sembolik bir kayıttır; okun solunda reaktifler, sağında ürünler bulunur. Denklem yazarken katsayılar önce yazılmaz, denkleştirme sırasında bulunur ve en küçük tam sayılara indirilir. Denkleştirmenin amacı, iki tarafta da her elementin atom sayısının eşit olmasıdır. Bunu denetlemek için her elementin sol ve sağdaki atom sayısı ayrı ayrı yazılır. Denklem denetlendikten sonra katsayılar madde miktarı oranı olarak kullanılır. Hangi bileşenin önce tükendiğini bulmak için madde miktarları katsayılara bölünür ve en küçük sonucu veren bileşen sınırlayıcı bileşen olarak adlandırılır. Toplam kütle korunduğu için denklem, bir tepkimeden beklenen ürün miktarını önceden hesaplamayı sağlar.

Kendini dene

Üç çalışma sorusu hazırladık. Birincisi için amonyak yapımı denklemini yazıp denetleyin. İkincisi için kireç taşının kırılması tepkimesini denkleştirin. Üçüncüsü için katsayısız yazılmış bir denklemde sınırlayıcı bileşeni bulun ve gerekçesini yazın. Her soru için puanlama şöyledir: denklemin doğru kurulması 4 puan, denetimin atom sayısıyla yapılması 3 puan, katsayıların küçük tam sayıya indirilmesi 2 puan, açıklamanın düzenli olması 1 puan; toplam 10 puan.

İlgili konular

Bu konuyu öğrenirken ilgili olduğumuz başka konular şunlardır. Ön bilgi olarak verdiğimiz Maddenin Sınıflandırılması ve Periyodik Özellikler konuları, denklemde kullanacağınız element bilgisini verir. Sonraki konu olan Tepkimelerde Hız ve Hızı Etkileyen Faktörler ise yazdığımız denklemin hangi hızda gerçekleştiğini ele alır. Denklemden madde miktarı hesabı yaptığınız için Asitler, Bazlar ve pH Hesabı konusundaki çözelti hesapları da bu konunun devamı niteliğindedir.