Kimya madde ve onun değişimleriyle ilgilenen bir bilim dalıdır. Fizikokimya ise, kimyanın matematik ve fizik kavramlarını dikkate alarak, maddenin özelliklerini araştıran bir kimya dalıdır. Moleküllerin yapıları ve elektron dağılımlarının anlaşılması ve maddenin özelliklerini yapısını oluşturan atomlara bağlamak için yeni spektroskopik tekniklerin geliştirilmesi ve yorumlanması ile ilgili temel bilgileri sağlar.

Fizikokimya, ayrıca kimyasal reaksiyonların oluşumu hakkında ayrıntılı bilgiler verir. Ayrıca bir maddenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini deneysel yöntemlerle veya geliştirdiği teorilerden faydalanarak açıklamaya çalışan bir bilim dalıdır. Bu özelliğinden dolayı, diğer tüm uygulamalı bilimlerde olduğu gibi Fizikokimyada da ölçmenin önemi büyüktür. Ancak burada önemli olan yapılan ölçümün doğru ve duyarlı olmasıdır. Bir ölçümün doğruluğu, ölçülen büyüklüğün gerçek değerine ne kadar yakın olduğuyla ilintiliyken; duyarlılık büyüklüğe ait art arda yapılan ölçümlerden elde edilen değerlerin birbirine yakınlığının bir ölçüsüdür.

Gerçekte fizikokimya, bütün araştırma tekniklerinin temelini, maddenin yapısını ve değişimini anlamak için kullandığımız başlıca ilkeleri anlamamızı sağlayan; yani kimyanın tümünü ilgilendiren bilim dalıdır.

Maddenin Özellikleri

Maddenin makroskopik ve mikroskopik olmak üzere iki tür özelliği vardır. Mikroskopik özellik, atom ve moleküllerin, büyüklükleri, şekilleri, hızları, momentumu ve moleküller arası kuvvetler gibi özellikleridir. Bu bölümde biz maddelerin makroskopik özelliklerini inceleyeceğiz.

Hal Eşitlikleri

Maddenin makroskopik özellikleri iki grup altında toplanır. Bunlar kapasite (extensive) ve şiddet (intensive) özelliğidir. Bir maddenin kütlesi, mol sayısı, ısınma ısısı gibi madde miktarına bağlı özellikleri kapasite; viskozite, yüzey gerilimi, sıcaklık, yoğunluk gibi madde miktarına bağlı olmayan özellikler ise şiddet özelliğidir.

-Kapasite özelliğinin diğer bir kapasite özelliğine bölünmesiyle şiddet özelliği elde edilir.

yoğunluk = kütle/hacim

molar hacim = hacim/mol sayısı

Kapasite özelliğinin şiddet özelliği ile çarpımı kapasite özelliğine eşittir.

Kütle = hacim x yoğunluk

Şiddet özelliğinin diğer bir şiddet özelliği ile çarpımı yine şiddet özelliğine eşittir.
yoğunluk (g cm^-3) x molar hacim (cm3 mol^-1) = mol kütlesi (g mol^-1)

Şiddet özellikleri toplanabilir nitelikte değildir. Örneğin yoğunluk sıcaklığın fonksiyonudur. Yani d = f(T) şeklindedir. Gerçekten, saf ve homojen bir maddenin sadece iki şiddet değişkeni bağımsız olabilir. Geriye kalan değişkenler bu iki değişkenin fonksiyonudur. Tek bir kimyasal yapıya sahip olan madde saf maddedir. Örneğin su, oksijen ve hidrojenin karışımından ibaret değildir. Şiddet özellikleri her tarafında aynı olan maddeler homojendir. Bunun anlamı homojen maddelerin katı, sıvı ve buhar gibi tek bir fiziksel faza sahip olmasıdır.
Bu durum maddenin hal kavramını açıklar. Buna göre saf ve homojen bir maddenin hali, verilen herhangi iki şiddet özelliğinin değeri ile tanımlanır. Bir değişkenin diğer değişkenlere bağımlı olduğu eşitlikler hal eşitliği olarak isimlendirilir. Genelde bağımsız değişken olarak sıcaklık (T) ve basınç (P) seçilir. Örneğin viskozite, basınç ve sıcaklığın fonksiyonu ise ƞ = f (P, T) veya ƞ (P, T) = 0 hal eşitliği ile gösterilir. Maddenin hal eşitliği genel olarak P, V ve T arasındaki ilişkilerle açıklanır.

Ölçüm Birimleri ve SI Birim Sistemi

Bilimsel anlamda ölçüm, standart bir birimin bir sayı ile çarpımı olarak ifade edilir. Birim ise bir niceliği ölçmek için karşılaştırma amacıyla seçilen aynı cinsten büyüklüktür. Örneğin, futbolda bir kalenin iki direği arasındaki uzunluk 7,32 metredir. Yani 1,0 metrelik birimin 7,32 katıdır. Burada birim metre (m)’dir. Bir büyüklüğün ölçülmesiyle, bu büyüklüğün ilgili birimi kaç kez içerdiği veya tekrarladığı belirlenir.

Buna göre, ölçüm = sayı X birim olarak verilebilir.

Günümüzde bilim dünyasında geçerli olan uluslararası birim sistemi SI (Syste me Internationale d’Unites)’dır. SI birimleri, 17. yüzyılın sonlarına doğru bütün dünyaca kabul edilmiş metrik sistemin modernleştirilmiş halidir. SI birim sisteminde; uzunluk birimi metre (m), kütle birimi kilogram (kg), zaman birimi saniye (s), sıcaklık birimi Kelvin (K), hacim birimi metreküp (m3), kuvvet birimi newton (N) ve basınç birimi pascal (Pa)’dır.

Newtonun ikinci yasasına göre; 1 kg’lık bir cismi 1 m s^-2’lik bir ivme ile hareket ettirebilmek için uygulanması gereken kuvvet 1 N’dur. Bu yasa,

F = m x a
N = kg x m s^-2

eşitliği ile ifade edilir. Burada F, m kütleli cisme etkiyen kuvvet ve a cismin ivmesidir.

Basınç, birim alana uygulanan kuvvet olduğundan, pascal birimindeki basıncı newton cinsinden 1 Pa = 1 N m^-2 veya 1 Pa = 1 kg m^-1 s^-2 şeklinde ifade etmek mümkündür.

Benzer olarak, SI biriminde verilmemiş birimlerin SI birimine çevrilmesi de önemlidir.
Örneğin SI enerji birimi Joule (J)’dür ve

1 J = 1 N m = 1 kg m² s^-2

olarak ifade edilir.

Diğer yandan kimyada sıkça kullanılan bir diğer enerji birimi de kalori (cal)’dir ve 1 cal = 4,184 J’dür. Bu yazı dizisi kapsamında atmosfer (atm), torr, mmHg ve bar gibi SI biriminde olmayan basınç birimleri de kullanılacaktır. Bu birimlerin pascal dönüşümleri ise aşağıda verilmektedir

atm = 101325 Pa = 760 torr = 760 mmHg = 1,01325 bar

Gazların Temel Özellikleri

Madde doğada; katı, sıvı, gaz ve süperkritik akışkan olmak üzere dört farklı fiziksel halde bulunabilir. Örneğin, canlıların yaşamlarını sürdürebilmeleri için gerekli olan su (H2O) katı halde buz, sıvı halde su, gaz halde ise su buharı olarak isimlendirilir. Isıtıldıklarında genellikle, katılar sıvı hallerine, sıvılar ise gaz hallerine dönüşürler. Maddenin en basit hali olan gaz haline ve gazlara ilişkin temel özellikler şöyle sıralanabilir.

•Gaz halinde, tanecikler (moleküller veya atomlar) arası uzaklıklar oldukça fazla olduğundan, çarpışma anları dışında tanecikler arasında etkileşim yoktur. Bu nedenle gazlar katılardan ve sıvılardan daha düşük yoğunluğa sahiptirler.
•Gazlar basınç uygulanarak sıkıştırılabilirler ve bu şekilde yoğunlukları artar.
•Gazlar ısıtma ile genleşirler.
•Gazlar, içinde bulundukları kabın duvarlarına veya temas ettikleri herhangi bir yüzeye basınç uygularlar.
•Gazlar sınırsız bir biçimde genişleyebilirler ve içinde bulundukları kabın hacmini alırlar.
•Gazlar kolaylıkla difüzyona uğrarlar. Bu süreç tersinmez olup, karışan gaz taneciklerini birbirinden ayırmak mümkün değildir.

Bir gaz veya gaz karışımının özellikleri sıcaklık (T), basınç (P), hacim (V) ve madde miktarı(n) gibi hal değişkenleri kullanılarak tanımlanabilir. Bu değişkenlerden üçünün bilinmesi diğer değişkenin belirlenebilmesi için yeterlidir.

Doğadaki her sistem hal değişkenlerini birbirine bağlayan bir hal denklemi ile tanımlanabilir. Örneğin gazlara ilişkin P = f (n, T, V) şeklinde yazılabilen bir hal denklemi, herhangi bir gaz için n, T ve V değerlerinin bilinmesi durumunda o gaza ait basınç değerinin de kolaylıkla bulunabileceğini ifade eder.

Bu hal değişkenlerinden basınç (P) ve sıcaklığı (T) daha detaylı inceleyelim.

Basınç

Basınç, birim yüzeye etki eden kuvvet olarak tanımlanır ve matematiksel olarak aşağıdaki gibi ifade edilebilir.

Burada basınç pascal biriminde ifade edilmiştir. Buna göre 1 pascal, 1 metre kareye etki eden 1 newtonluk kuvvet olarak tanımlanır. Bu kuvvet ne kadar büyükse gazın uyguladığı basınç o kadar yüksektir. Bir kap içerisindeki gazın basıncını ölçmeye yarayan aygıta manometre denir. Atmosfer basıncı ise barometre denilen ve Torricelli tarafından icat edilen bir aygıt yardımıyla ölçülür.

Örnek:
30 kg kütleye ve 150 cm2 ’lik taban alanına sahip bir cismin dik olarak temas ettiği yüzeye uyguladığı basıncı Pa, atm, torr ve bar olarak hesaplayınız.

Çözüm:
30 kg’lık cismin temas ettiği yüzeye dik olarak uygulayacağı kuvvet;

F = mg

eşitliği ile ifade edilir. Burada; g yerçekimi ivmesi olup, değeri 9,81 m s^-2’dir. Böylece cismin uyguladığı kuvvet;

F = mg =30 kg x 9,81 m s^-2 = 294,3 N

olur. Bu durumda basınç;

olarak bulunur. İlgili birim dönüşümleri ise aşağıdaki şekilde yapılır.

Sıcaklık

Sıcaklık, madde miktarından bağımsız olan bir hal değişkeni ve bir şiddet özelliğidir. Isı gibi bir enerji türü olmayan sıcaklık, sistemin toplam termal enerjisinin bir ölçüsü veya bir fonksiyonudur. Bir maddenin sıcaklığını değerlendirmek için Fahrenheit (°F), Celsius (°C) ya da Kelvin (K) ölçeklerinden biri kullanılmaktadır. Bu üç ölçek arasındaki fark, suyun donma ve kaynama noktaları referans alındığında ortaya çıkar. Örneğin, suyun donma ve kaynama noktası sırasıyla Celsius ölçeğinde 0°C ve 100°C, Kelvin ölçeğinde 273,15 K ve 373,15 K, Fahrenheit ölçeğinde ise 32°F ve 212°F’dır. 0 K, teorik olarak ulaşılabilecek en düşük sıcaklık olup mutlak sıfır olarak isimlendirilir ve 273,15°C’ye karşılık gelir. Kelvin sıcaklığı (mutlak sıcaklık) ile Celsius sıcaklığı arasındaki bağıntı aşağıdaki gibidir.

T(K) = t (°C) + 273,15 (1.2)

Diğer yandan Celsius derecesi aşağıdaki eşitlik kullanılarak Fahrenheit derecesine çevrilebilir

𝑡 (°F)=95𝑡(°C)+32 (1.3)

Örnek:
İnsan vücudunun sıcaklığı yaklaşık olarak 37 °C’dir. Bunu °F ve K’e çeviriniz.

Çözüm:

𝑡°F=9/5×37+32=98,6 °F
T (K) = 37 + 273,15 = 310,15 K