CHE1001 · 1. hafta · SOME BASIC CONCEPTS IN CHEMISTRY.

Ölçüm, birimler, anlamlı basamak ve mol kavramı

SI birimleri, anlamlı basamak kuralları, boyut analiziyle birim çevirme, mol ve formül hesapları. Dersin geri kalanındaki her soru bu araçlarla çözülür.

SI unitssignificant figuresprecisionaccuracydimensional analysisconversion factordensitymoleAvogadro's numbermolar masspercent compositionempirical formulamolecular formulahydrate

Kimya bir sayı dersi. Vizedeki soruların büyük kısmı “şu kadar gram verildi, şu kadar ne oluşur” tipinde ve hepsi bu haftanın üç aracına dayanıyor: birim çevirme, anlamlı basamak ve mol. Bunları bir yazılımcının tip sistemine bakışı gibi düşün: her sayının bir birimi var, birimler uyuşmuyorsa hesap yanlış.

Altın kurallar:

  1. Birimi asla düşürme. Her sayıyı birimiyle yaz, birimleri sadeleştir. Sonda kalan birim istenen birim değilse hesap yanlış.
  2. Gram ile atom arasında köprü moldür. Gram → mol → tane. Mol olmadan stoikiometri yapılmaz.
  3. Anlamlı basamak sonucun dürüstlüğüdür. Hesap makinesinin verdiği 12 haneyi yazma.
  4. Formülü oku: Ca(NO3)2\mathrm{Ca(NO_3)_2}‘de 2 N, 6 O var. Parantez dışındaki indis içindeki her şeyi çarpar.

SI birimleri ve önekler

Uluslararası birim sistemi (SI units) yedi temel birime dayanır. Kimyada en çok kullandıkların:

NicelikBirimSembol
uzunluk (length)metrem
kütle (mass)kilogramkg
zaman (time)saniyes
sıcaklık (temperature)kelvinK
madde miktarı (amount of substance)molmol

Hacim türetilmiş birimdir: m3\text{m}^3. Ama laboratuvarda litre kullanılır: 1 L=1 dm3=1000 cm31\ \text{L} = 1\ \text{dm}^3 = 1000\ \text{cm}^3 ve 1 mL=1 cm31\ \text{mL} = 1\ \text{cm}^3.

ÖnekSembolÇarpan
kilok10310^{3}
centic10−210^{-2}
millim10−310^{-3}
microµ10−610^{-6}
nanon10−910^{-9}
picop10−1210^{-12}

Sıcaklık ölçekleri arasında çeviri toplama içerir, çarpma değil:

T(K)=t(∘C)+273.15t(∘C)=(t(∘F)−32)×59T(\text{K}) = t(^\circ\text{C}) + 273.15 \qquad t(^\circ\text{C}) = \big(t(^\circ\text{F}) - 32\big)\times\tfrac{5}{9}

Gaz yasalarında ve termodinamikte her zaman kelvin kullanılır. Bu kural 4. haftada sana çok puan kazandıracak.

Belirsizlik: precision ve accuracy

Her ölçümün bir belirsizliği (uncertainty) vardır. İki terimi karıştırma:

  • Precision (kesinlik): tekrarlanan ölçümlerin birbirine ne kadar yakın olduğu.
  • Accuracy (doğruluk): ölçümlerin gerçek değere ne kadar yakın olduğu.

Gerçek değer 10.00 g olsun. 9.51, 9.50, 9.52 g ölçen terazi precise ama accurate değil (sistematik hata var). 9.8, 10.3, 10.0 ölçen terazi ortalamada doğru ama dağınık.

Anlamlı basamaklar (significant figures)

Bir ölçümde kesin bilinen basamaklar artı tahmin edilen son basamak anlamlıdır. Sayma kuralları:

KuralÖrnekAnlamlı basamak
Sıfır olmayan rakamlar hep sayılır4.563
İki rakam arasındaki sıfır sayılır1.0074
Baştaki sıfırlar sayılmaz0.00322
Ondalık noktası varsa sondaki sıfır sayılır2.5004
Ondalık noktası yoksa sondaki sıfır belirsiz15002, 3 ya da 4

Belirsizliği bilimsel gösterimle (scientific notation) çöz: 1.50×1031.50\times10^3 üç anlamlı basamaktır.

Kesin sayılar (exact numbers) sonsuz anlamlı basamaklıdır: sayılan nesneler (3 molekül), tanımlar (1 in = 2.54 cm, 1 km = 1000 m). Bunlar sonucu sınırlamaz.

Hesaplarda kurallar

  • Çarpma ve bölme: sonuç, en az anlamlı basamağa sahip sayı kadar anlamlı basamak taşır.
  • Toplama ve çıkarma: sonuç, en az ondalık basamağa sahip sayı kadar ondalık taşır.
4.52 × 0.031  = 0.14012   → 0.14       (0.031 iki anlamlı basamaklı)
15.02 + 9.1   = 24.12     → 24.1       (9.1 bir ondalıklı)
13.0 - 10.0   = 3.0       → 2 anlamlı basamak! (çıkarma basamak yer)

TUZAK · ara adımda yuvarlama. Çok adımlı hesaplarda ara sonuçları tam tut, sadece en sonda yuvarla. Her adımda yuvarlarsan son basamak kayar.

Boyut analizi (dimensional analysis)

Birim çevirmenin tek güvenilir yolu: çevirme faktörü (conversion factor) ile çarpmak. Çevirme faktörü değeri 1 olan bir kesirdir, örneğin 2.54 cm1 in\frac{2.54\ \text{cm}}{1\ \text{in}}. Atmak istediğin birim paydada, istediğin birim payda olacak şekilde yazarsın.

Örnek 1. 1.75 ft kaç cm?

1.75 ft×12 in1 ft×2.54 cm1 in=53.3 cm1.75\ \text{ft} \times \frac{12\ \text{in}}{1\ \text{ft}} \times \frac{2.54\ \text{cm}}{1\ \text{in}} = 53.3\ \text{cm}

12 ve 2.54 tanım olduğu için kesindir; sonucu 1.75’in üç anlamlı basamağı belirler.

Örnek 2. 55.0 mi/h kaç m/s? (1 mi = 1609.344 m)

55.0 mih×1609.344 m1 mi×1 h3600 s=24.6 m/s55.0\ \frac{\text{mi}}{\text{h}} \times \frac{1609.344\ \text{m}}{1\ \text{mi}} \times \frac{1\ \text{h}}{3600\ \text{s}} = 24.6\ \text{m/s}

Örnek 3 (kare ve küp birimler). 3.20 g/cm³ kaç kg/m³?

3.20 gcm3×1 kg1000 g×(100 cm1 m)3=3.20×103 kgm33.20\ \frac{\text{g}}{\text{cm}^3} \times \frac{1\ \text{kg}}{1000\ \text{g}} \times \left(\frac{100\ \text{cm}}{1\ \text{m}}\right)^3 = 3.20\times10^{3}\ \frac{\text{kg}}{\text{m}^3}

TUZAK · küpü unutmak. 1 m3=1003 cm3=106 cm31\ \text{m}^3 = 100^3\ \text{cm}^3 = 10^6\ \text{cm}^3, 100 değil. Faktörün tamamını parantez içine al ve üssünü uygula.

Yoğunluk (density)

d=mVd = \frac{m}{V}

Yoğunluk kütle ile hacim arasında bir çevirme faktörüdür. 250.0 mL etanolün (d=0.789d = 0.789 g/mL) kütlesi:

250.0 mL×0.789 g1 mL=197 g250.0\ \text{mL} \times \frac{0.789\ \text{g}}{1\ \text{mL}} = 197\ \text{g}

Örnek 4 (su taşırma). 18.7 g’lık bir metal parçası dereceli silindire atılıyor, su seviyesi 10.0 mL’den 13.0 mL’ye çıkıyor. Hacim 13.0−10.0=3.013.0 - 10.0 = 3.0 mL (iki anlamlı basamak). Yoğunluk 18.7/3.0=6.218.7 / 3.0 = 6.2 g/mL. Hesap makinesi 6.233 der ama çıkarma bir anlamlı basamak yedi.

Mol kavramı

Atomlar tek tek tartılamayacak kadar küçük. Kimyacılar bu yüzden bir “paket” birimi kullanır: mol. Bir mol, 6.022×10236.022\times10^{23} tane parçacıktır. Bu sayıya Avogadro sayısı (Avogadro’s number, NAN_A) denir.

Mol kullanışlı, çünkü bir elementin molar kütlesi (molar mass, MM, g/mol) periyodik tablodaki atom kütlesiyle aynı sayıdır. Karbonun atom kütlesi 12.011 u, yani 1 mol C 12.011 g.

Bir bileşiğin molar kütlesi, formüldeki atomların kütleleri toplamıdır:

M(H2SO4)=2(1.008)+32.06+4(15.999)=98.07 g/molM(\mathrm{H_2SO_4}) = 2(1.008) + 32.06 + 4(15.999) = 98.07\ \text{g/mol}

Üç temel dönüşüm:

n=mMN=n×NAm=n×Mn = \frac{m}{M} \qquad N = n \times N_A \qquad m = n \times M

   gram  --(÷ M)-->  mol  --(× N_A)-->  tane (molekül/atom)
   gram  <--(× M)--  mol  <--(÷ N_A)--  tane
   formüldeki indis: mol bileşik → mol atom

Örnek 5. 50.0 g H2SO4\mathrm{H_2SO_4} içinde kaç mol, kaç molekül, kaç O atomu var?

n=50.0 g×1 mol98.07 g=0.510 moln = 50.0\ \text{g} \times \frac{1\ \text{mol}}{98.07\ \text{g}} = 0.510\ \text{mol}

Nmoleku¨l=0.5098 mol×6.022×1023 mol−1=3.07×1023N_{\text{molekül}} = 0.5098\ \text{mol} \times 6.022\times10^{23}\ \text{mol}^{-1} = 3.07\times10^{23}

NO=3.070×1023×4=1.23×1024N_{\text{O}} = 3.070\times10^{23} \times 4 = 1.23\times10^{24}

Bileşikler ve formülleri

  • Moleküler formül (molecular formula): molekülde gerçekten kaç atom olduğu. Glukoz C6H12O6\mathrm{C_6H_{12}O_6}.
  • Ampirik formül (empirical formula): atomların en basit tam sayı oranı. Glukoz için CH2O\mathrm{CH_2O}.
  • İyonik bileşiklerde molekül yoktur; formül birimi (formula unit) yazılır: NaCl\mathrm{NaCl}, CaCl2\mathrm{CaCl_2}.

Yüzde bileşim (percent composition)

% element=(formu¨ldeki atom sayısı)×(atom ku¨tlesi)Mbiles¸ik×100\%\,\text{element} = \frac{(\text{formüldeki atom sayısı}) \times (\text{atom kütlesi})}{M_{\text{bileşik}}} \times 100

Fe2O3\mathrm{Fe_2O_3} için M=159.69M = 159.69 g/mol: %Fe=2(55.845)159.69×100=69.94%\%\mathrm{Fe} = \frac{2(55.845)}{159.69}\times100 = 69.94\%.

Yüzdeden ampirik formüle

Tarif: 100 g varsay, yüzdeler gram olur. Grama mol’e çevir, en küçük mol sayısına böl, tam sayıya yuvarla.

Örnek 6. Bir bileşik kütlece %26.58 K, %35.35 Cr, %38.07 O içeriyor.

K : 26.58 g / 39.098 g/mol = 0.6798 mol   ÷ 0.6798 = 1.000
Cr: 35.35 g / 51.996 g/mol = 0.6799 mol   ÷ 0.6798 = 1.000
O : 38.07 g / 15.999 g/mol = 2.380 mol    ÷ 0.6798 = 3.501
oran 1 : 1 : 3.5  → hepsini 2 ile çarp → 2 : 2 : 7

Ampirik formül K2Cr2O7\mathrm{K_2Cr_2O_7} (potasyum dikromat).

İPUCU · yarım ve üçte birler. Oran 1.5 çıkarsa ×2, 1.33 ya da 1.67 çıkarsa ×3, 1.25 çıkarsa ×4. 3.501’i “3” diye yuvarlama; 0.1’den büyük sapmalar çarpılacak demektir.

Ampirik formülden moleküler formüle

Molar kütle verilirse: k=Mmoleku¨lMampirikk = \dfrac{M_{\text{molekül}}}{M_{\text{ampirik}}} tam sayısını bul, ampirik formüldeki her indisi kk ile çarp. Ampirik formülü CH\mathrm{CH} (13.02 g/mol) olan, molar kütlesi 78.1 g/mol olan bileşik için k=6k = 6, formül C6H6\mathrm{C_6H_6}.

Yanma analizi (combustion analysis)

C, H (ve O) içeren bir madde fazla oksijende yakılır. Bütün C, CO2\mathrm{CO_2}‘ye; bütün H, H2O\mathrm{H_2O}‘ya gider. Kütlelerden geriye gidersin:

  • mol C=mol CO2\text{mol C} = \text{mol CO}_2
  • mol H=2×mol H2O\text{mol H} = 2 \times \text{mol H}_2\text{O}
  • O varsa: mO=mnumune−mC−mHm_{\mathrm{O}} = m_{\text{numune}} - m_{\mathrm{C}} - m_{\mathrm{H}}

O’yu ürünlerden hesaplama: yanmada dışarıdan O2\mathrm{O_2} eklendiği için ürünlerdeki O sadece numuneden gelmez.

Hidratlar (hydrates)

CuSO4⋅5H2O\mathrm{CuSO_4\cdot 5H_2O} gibi kristaller yapısında su tutar. Isıtınca su uçar; kaybedilen kütle sudur. Mol su / mol susuz tuz oranı formüldeki x’i verir.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
0.0032’de 4 anlamlı basamak var2; baştaki sıfırlar sayılmaz
Toplamada anlamlı basamak sayısına bakToplamada ondalık sayısına bakılır
Ara adımları yuvarlaAra adımda tam tut, sonda yuvarla
1 m3=100 cm31\ \text{m}^3 = 100\ \text{cm}^3106 cm310^6\ \text{cm}^3; faktör küplenir
°C ile gaz hesabıHep kelvin: T=t+273.15T = t + 273.15
Ca(NO3)2\mathrm{Ca(NO_3)_2}‘de 3 O var6 O ve 2 N; parantez dışı indis içeriyi çarpar
Molekül sayısı = atom sayısıAtom için formüldeki indisle çarp
Ampirik oran 3.5’i 3’e yuvarla2 ile çarp: 7
Yanma analizinde O’yu CO2\mathrm{CO_2}‘den hesaplaO, numune kütlesinden farkla bulunur

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

How many significant figures are in the measurement 0.004050 g?

  1. 2
  2. 3
  3. 4
  4. 7
Cevabı göster
4

Baştaki sıfırlar (0.00) sadece virgülün yerini gösterir, sayılmaz. 4, ortadaki 0, 5 ve sondaki 0 (ondalık noktadan sonra geldiği için) sayılır: 4 anlamlı basamak.

Soru 2kolay

Report the result of 12.37 g+1.2 g12.37\ \text{g} + 1.2\ \text{g} with the correct number of significant figures.

Cevabı göster
13.6 g

Toplama/çıkarmada ondalık basamak sayısı belirler. 1.2 bir ondalık basamaklı, o yüzden sonuç bir ondalık: 13.57 → 13.6 g.

Soru 3orta

Evaluate 3.40×2.10.0500\dfrac{3.40 \times 2.1}{0.0500} and report it with the correct number of significant figures.

  1. 142.8
  2. 143
  3. 1.4 × 10^2
  4. 140.0
Cevabı göster
1.4 × 10^2

Çarpma/bölmede en az anlamlı basamaklı sayı belirler. 3.40 (3), 2.1 (2), 0.0500 (3). En azı 2. Hesap 142.8, 2 anlamlı basamağa yuvarlanınca 1.4×1021.4 \times 10^2. "140" yazmak belirsizdir, bilimsel gösterim kullan.

Soru 4kolay

A car travels at 65.0 mi/h. What is its speed in m/s? (1 mi = 1.609 km)

Cevabı göster
29.1 m/s

65.0 mih×1.609 km1 mi×1000 m1 km×1 h3600 s=29.06 m/s65.0\ \tfrac{\text{mi}}{\text{h}} \times \tfrac{1.609\ \text{km}}{1\ \text{mi}} \times \tfrac{1000\ \text{m}}{1\ \text{km}} \times \tfrac{1\ \text{h}}{3600\ \text{s}} = 29.06\ \text{m/s}65.0 üç anlamlı basamaklı: 29.1 m/s.

Soru 5kolay

A metal cube has an edge length of 2.50 cm and a mass of 42.2 g. What is its density in g/cm³?

Cevabı göster
2.70 g/cm³

Hacim V=(2.50 cm)3=15.6 cm3V = (2.50\ \text{cm})^3 = 15.6\ \text{cm}^3. Yoğunluk d=m/V=42.2/15.625=2.701d = m/V = 42.2 / 15.625 = 2.701. Üç anlamlı basamak: 2.70 g/cm³ (alüminyuma yakın).

Soru 6orta

The ignition temperature of paper is about 451 °F. Express it in °C and in K.

Cevabı göster
233 °C, 506 K

tC=(tF−32)×59=(451−32)×59=232.8t_C = (t_F - 32) \times \tfrac{5}{9} = (451 - 32) \times \tfrac{5}{9} = 232.8, yani 233 °C. Kelvin: T=tC+273.15=505.9T = t_C + 273.15 = 505.9, üç anlamlı basamakla 506 K.

Soru 7kolay

How many moles of water are in 25.0 g of H₂O?

  1. 0.720 mol
  2. 1.39 mol
  3. 2.78 mol
  4. 450 mol
Cevabı göster
1.39 mol

M(H2O)=2(1.008)+15.999=18.015M(\mathrm{H_2O}) = 2(1.008) + 15.999 = 18.015 g/mol.n=25.0 g×1 mol18.015 g=1.388→1.39n = 25.0\ \text{g} \times \tfrac{1\ \text{mol}}{18.015\ \text{g}} = 1.388 \to 1.39 mol.

Soru 8orta

How many oxygen atoms are in 10.0 g of calcium carbonate, CaCO3\mathrm{CaCO_3}?

Cevabı göster
1.81 × 10^23 O atoms

M(CaCO3)=40.078+12.011+3(15.999)=100.086M(\mathrm{CaCO_3}) = 40.078 + 12.011 + 3(15.999) = 100.086 g/mol.10.0 g×1 mol CaCO3100.086 g×3 mol O1 mol CaCO3×6.022×10231 mol=1.81×102310.0\ \text{g} \times \tfrac{1\ \text{mol CaCO}_3}{100.086\ \text{g}} \times \tfrac{3\ \text{mol O}}{1\ \text{mol CaCO}_3} \times \tfrac{6.022\times10^{23}}{1\ \text{mol}} = 1.81\times10^{23}Tuzak: 3 ile çarpmayı unutursan formül birimi sayısını bulursun, atom sayısını değil.

Soru 9orta

What is the mass percent of nitrogen in ammonium nitrate, NH4NO3\mathrm{NH_4NO_3}?

  1. 17.5%
  2. 35.0%
  3. 46.7%
  4. 60.0%
Cevabı göster
35.0%

Formülde iki N var (biri NH4+\mathrm{NH_4^+}'te, biri NO3−\mathrm{NO_3^-}'te). M=80.043M = 80.043 g/mol.%N=2(14.007)80.043×100=35.0%\%\mathrm{N} = \tfrac{2(14.007)}{80.043} \times 100 = 35.0\%. 17.5% tek N saymanın sonucu.

Soru 10zor

Complete combustion of 1.000 g of a compound containing only C, H and O gives 1.998 g CO2\mathrm{CO_2} and 0.8179 g H2O\mathrm{H_2O}. What is its empirical formula?

Cevabı göster
C2H4O

Bütün C, CO2\mathrm{CO_2}'ye; bütün H, H2O\mathrm{H_2O}'ya gider.
C: 1.998/44.009=0.045401.998 / 44.009 = 0.04540 mol C → 0.54530.5453 g.
H: 0.8179/18.015×2=0.090800.8179 / 18.015 \times 2 = 0.09080 mol H → 0.091530.09153 g.
O: farktan, 1.000−0.5453−0.0915=0.36321.000 - 0.5453 - 0.0915 = 0.3632 g → 0.022700.02270 mol.
En küçüğe böl: C 2.00, H 4.00, O 1.00 → C2H4O\mathrm{C_2H_4O}.

Soru 11kolay

Express 2.50 L in cubic meters.

  1. 2.50 × 10^-3 m³
  2. 2.50 × 10^3 m³
  3. 2.50 × 10^-6 m³
  4. 0.250 m³
Cevabı göster
2.50 × 10^-3 m³

1 L=1 dm3=10−3 m31\ \text{L} = 1\ \text{dm}^3 = 10^{-3}\ \text{m}^3. O halde 2.50 L=2.50×10−3 m32.50\ \text{L} = 2.50\times10^{-3}\ \text{m}^3. Küp birimde çevirme faktörü de küplenir: (10−1 m)3=10−3 m3(10^{-1}\ \text{m})^3 = 10^{-3}\ \text{m}^3.

Soru 12zor

A 2.500 g sample of the hydrate CuSO4⋅xH2O\mathrm{CuSO_4 \cdot x H_2O} is heated until all water is driven off; 1.598 g of anhydrous CuSO4\mathrm{CuSO_4} remains. Find x.

Cevabı göster
5

Kalan CuSO4\mathrm{CuSO_4}: 1.598/159.60=0.010011.598 / 159.60 = 0.01001 mol.
Uçan su: 2.500−1.598=0.9022.500 - 1.598 = 0.902 g, 0.902/18.015=0.050070.902 / 18.015 = 0.05007 mol.
Oran 0.05007/0.01001=5.000.05007 / 0.01001 = 5.00 → CuSO4⋅5H2O\mathrm{CuSO_4 \cdot 5H_2O}.

Doğrulama: Bütün sayısal cevaplar node ile hesaplandı (verify/CHE1001/01.mjs). Molar kütleler IUPAC standart atom kütlelerinden (H 1.008, C 12.011, O 15.999 ...), N_A = 6.022×10^23 /mol, 1 mi = 1609.344 m.

Deftere not kartı

SI: m, kg, s, K, mol, A, cd. 1 L = 1 dm3 = 1000 cm3 = 10^-3 m3 1 mL = 1 cm3 Önekler: k 10^3, c 10^-2, m 10^-3, µ 10^-6, n 10^-9 T(K) = t(°C) + 273.15 t(°C) = (t(°F) - 32) × 5/9 Anlamlı basamak: baştaki 0 sayılmaz, aradaki sayılır, ondalıktan sonraki sondaki 0 sayılır × ÷ → en az ANLAMLI BASAMAK + − → en az ONDALIK BASAMAK Tam sayılar ve tanımlar (1 in = 2.54 cm, 12 in = 1 ft) sonsuz kesin Boyut analizi: istenen birim üstte, atılacak birim altta; küpte faktörü de küple d = m / V n = m / M N = n × 6.022×10^23 % kütle = (atom sayısı × atom kütlesi) / M × 100 Ampirik formül: % → g (100 g varsay) → mol → en küçüğe böl → tam sayı yap (1.5 ise ×2) Moleküler formül = (M / ampirik formül kütlesi) × ampirik formül Yanma analizi: C → CO2, H → H2O, O farktan