Simyadan kimyaya

Yüzyıllar boyunca birçok insan, karanlık atölyelerde kurşunu altına çevirmenin yolunu aradı. Kaplar ısıtıldı, sıvılar damıtıldı, tozlar karıştırıldı; kimi zaman ölümsüzlük veren bir iksirin peşine düşüldü. Kurşun hiçbir zaman altına dönmedi. Ama bu arayışın sonunda elde başka bir şey kaldı: maddeleri ayırmanın, saflaştırmanın ve dönüştürmenin yüzlerce yöntemi, bunlar için tasarlanmış cam ve toprak kaplar, ve en önemlisi, maddeyle sabırla uğraşmanın bir alışkanlığı. Simya böyle bir şeydi: amacına hiç ulaşamamış ama kimyanın doğacağı toprağı hazırlamış bir uğraş. Önceki derslerde kimyanın dilini öğrendik. Bu ders, o dilin ve onu konuşan bilimin nasıl ortaya çıktığını anlatıyor: simyanın ne olduğunu, ne bıraktığını, ve onu bir bilime dönüştüren adımları.

• Simyanın amaçlarını ve yöntemini tanımlar, onu bir bilim olmaktan uzak tutan özellikleri açıklarsın.
• Simyanın kimyaya bıraktığı işlemleri ve araçları sayarsın.
• Cabir bin Hayyan, Ebu Bekir er-Razi, Robert Boyle ve Antoine Lavoisier'in kimyanın gelişimindeki yerini eşleştirirsin.
• Kimyanın tanımını yapar, kütlenin korunumu yasasını basit örneklerde uygularsın.

Simya nedir?

Simya, maddeleri dönüştürmeye çalışan eski bir uğraştır. Simyacıların en bilinen iki amacı, kurşun gibi değersiz metalleri altına çevirmek ve insana uzun ömür ya da ölümsüzlük verecek bir iksir bulmaktı. Metalleri altına dönüştüreceğine inanılan efsanevi maddeye felsefe taşı denirdi.

Simyacılar çok sayıda deney yaptı, ama çalışmaları bugünkü anlamda bilimsel değildi. Deneylerin çoğu deneme ve yanılmaya dayanıyordu; sonuçlar ölçülmüyor, kaydedilse bile çoğu zaman gizli ve sembolik bir dille yazılıyordu. Bir deneyin başka biri tarafından tekrarlanıp aynı sonucun alınması, yani tekrar edilebilirlik, aranmıyordu. Gözlemleri bir araya getirip sınanabilir bir açıklama kuran bir kuram da yoktu. Simyayı bilimden ayıran şey deney yapmaması değil, deneyini sistemli bir ölçüm ve kuramla bağlamamasıydı.

Simyanın mirası

Amacına ulaşamasa da simya, laboratuvarın temel işlemlerini geliştirdi. Damıtma ile sıvıları kaynama noktalarına göre ayırmak, süzme ile katıyı sıvıdan ayırmak, buharlaştırma ve kristallendirme ile çözünmüş katıyı geri kazanmak, süblimleştirme ile bazı katıları saflaştırmak simyacıların atölyelerinde uygulanan işlemlerdir. Damıtmada kullanılan imbik gibi araçlar da bu dönemden kalmadır. Ayrıca boya, ilaç, cam, seramik ve metal işleme gibi alanlarda biriken pratik bilgi, simyacıların deneyimiyle zenginleşti.

İslam dünyasında simya

Sekizinci yüzyıldan başlayarak İslam dünyasında simya, deneye verilen önemle öne çıktı. Bu geleneğin en çok anılan adlarından Cabir bin Hayyan, deneyin ve uygulamanın önemini vurgulayan bir simyacı olarak bilinir. Damıtma ve kristallendirme gibi işlemlerin tanımlanması ve altını çözebilen kral suyu gibi güçlü karışımların hazırlanması, ders kitaplarında ona atfedilir. Ona mal edilen yazıların bir kısmının sonraki yüzyıllarda başka yazarlarca kaleme alındığı da tartışılır; bu yüzden bu katkılar tek bir kişiye kesin olarak bağlanamaz.

Hekim ve kimyager Ebu Bekir er-Razi ise maddeleri kökenlerine göre hayvansal, bitkisel ve mineral olarak sınıflandırmasıyla bilinir. Laboratuvar araçlarını ve işlemlerini ayrıntılı biçimde tarif etmesi, ve tıpta kullanılmak üzere bazı maddeleri damıtma yoluyla hazırlaması da ona atfedilir. Er-Razi'nin yaklaşımı, maddeleri gözlenebilir özelliklerine göre düzenleme fikrinin erken bir örneğidir.

Dört elementten deneysel elemente

Antik Yunan'dan miras kalan yaygın bir görüşe göre her şey dört temel öğeden, yani toprak, su, hava ve ateşten oluşuyordu. Bu görüş yüzyıllarca kabul gördü, çünkü deneyle sınanması düşünülmemişti.

On yedinci yüzyılda Robert Boyle, kimyanın simyanın gizemli dilinden kurtulması gerektiğini savundu. Boyle'a göre bir maddenin element olup olmadığı akıl yürütmeyle değil, deneyle belirlenmeliydi: deneyle daha basit maddelere ayrılamayan saf madde element sayılmalıydı. Boyle aynı zamanda gazlar üzerinde çalıştı ve sabit sıcaklıkta belirli miktardaki bir gazın basıncı ile hacmi arasındaki ters orantıyı ortaya koydu; bu ilişki bugün onun adıyla anılır. Boyle, deneyin ve gözlemin kimyanın temeli olması gerektiği fikrini yerleştirenlerden biridir.

Lavoisier ve terazi

On sekizinci yüzyılda Antoine Lavoisier, kimyaya hassas ölçümü getirdi. Lavoisier deneylerinde terazi kullanarak tepkimeye giren ve çıkan maddelerin kütlelerini dikkatle ölçtü. Kapalı kaplarda yaptığı deneylerde, bir tepkimeden önceki toplam kütle ile sonraki toplam kütlenin eşit olduğunu gösterdi. Bu sonuç kütlenin korunumu yasası olarak bilinir: kimyasal bir tepkimede madde yoktan var olmaz, var olan da yok olmaz.

Lavoisier yanmayı da yeniden açıkladı. Yanan bir maddenin havadaki bir gazla, bugün oksijen dediğimiz gazla birleştiğini gösterdi. Bu açıklama, açık havada paslanan demirin neden ağırlaştığını da anlatır: demir havadan oksijen alır. Nicel ölçümü ve kütlenin korunumunu kimyanın merkezine koyduğu için Lavoisier'e çoğu zaman modern kimyanın babası denir.

Kütlenin korunumu: nasıl uygulanır?

Kütlenin korunumunu uygularken en önemli soru, sistemin kapalı olup olmadığıdır. Kapalı bir kapta tepkimeye giren maddelerin toplam kütlesi ürünlerin toplam kütlesine eşittir: 4 gram hidrojen ile 32 gram oksijen tamamen tepkimeye girerse 36 gram su oluşur. Açık bir kapta ise gaz ürünler havaya karışabilir ya da havadaki gazlar tepkimeye katılabilir. Açıkta yanan bir odunun kalan külü, odundan hafiftir; çünkü karbon dioksit ve su buharı havaya karışmıştır. Bu durum yasaya aykırı değildir; hesaba katılmayan maddeler sistemin dışına çıkmıştır. Önceki derste denklemlerin denkleştirilmesi için kullandığımız atomların korunumu ilkesi, bu yasanın atom düzeyindeki karşılığıdır.

Bugünkü kimya

Bu gelişmelerin sonunda kimya, maddenin yapısını, özelliklerini, birbirine dönüşümünü ve bu dönüşümler sırasındaki enerji değişimlerini inceleyen bir bilim hâline geldi. Simyadan farkı, gözlemi ölçümle, ölçümü kuramla birleştirmesi, sonuçlarını açık bir dille yazması ve başkalarının tekrar edebileceği biçimde paylaşmasıdır. Kimyacının izlediği yol, öteki doğa bilimlerininkiyle aynıdır: bir olay gözlenir, ondan bir soru çıkarılır, soruya sınanabilir bir yanıt önerilir, bu yanıt ölçümlü bir deneyle denenir ve sonuç kaydedilip açıkça paylaşılır; başkaları aynı deneyi kurup sonucu sınayabilir. Simyacının atölyesinde eksik kalan halka, tam da önerilen yanıtın ölçümle sınanması ve sonucun herkesin tekrarlayabileceği biçimde yazılmasıydı. Bir sonraki ders, bu geniş bilimin bugün hangi alt dallara ayrıldığını ele alacak.

Örnek 1 — Simya mı, kimya mı?

Soru: Aşağıdaki çalışmalardan hangisi simyadan çok bilimsel kimyanın özelliğini taşır?

• A) Felsefe taşını aramak
• B) Ölümsüzlük iksiri hazırlamaya çalışmak
• C) Bir tepkimeden önce ve sonra kütleleri ölçüp sonucu başkalarının tekrar edebileceği biçimde yayımlamak
• D) Sonuçları gizli sembollerle yazmak
• E) Kurşunu altına çevirmeye çalışmak

Çözüm: Nicel ölçüm ve tekrar edilebilir, açık paylaşım bilimsel kimyanın özellikleridir. Cevap: C.

Örnek 2 — Kütlenin korunumu

Soru: Kapalı bir kapta 4 gram hidrojen ile 32 gram oksijen tamamen tepkimeye girerek su oluşturuyor. Oluşan suyun kütlesi kaç gramdır?

• A) 28
• B) 32
• C) 4
• D) 128
• E) 36

Çözüm: Kapalı kapta tepkimeye girenlerin toplam kütlesi ürünlere eşittir: 4 + 32 = 36 gram. Cevap: E.

Örnek 3 — Kişi ve katkı

Soru: Bir maddenin element olup olmadığının deneyle belirlenmesi gerektiğini savunan ve gazlarda basınç ile hacim ilişkisini inceleyen bilim insanı kimdir?

• A) Lavoisier
• B) Robert Boyle
• C) Er-Razi
• D) Cabir bin Hayyan
• E) Aristoteles

Çözüm: Element kavramını deneye dayandırma çağrısı ve basınç–hacim ilişkisi Boyle'un adıyla anılır. Cevap: B.

Örnek 4 — Açık kap

Soru: Açık havada bırakılan bir demir çivinin paslandıktan sonra kütlesi artıyor. Bunun nedeni nedir?

• A) Demir havadan oksijen alarak yeni bir maddeye dönüşmüştür.
• B) Kütlenin korunumu yasası geçersizdir.
• C) Demir buharlaşmıştır.
• D) Çivinin hacmi küçülmüştür.
• E) Tartım hatalıdır.

Çözüm: Paslanma, demirin havadaki oksijenle birleşmesidir; sisteme dışarıdan katılan oksijen kütleyi artırır. Cevap: A.

• Simyayı deneysiz bir uğraş sanmak. Simyacılar çok deney yaptı; eksik olan ölçüm, tekrar edilebilirlik ve kuramdı.
• Simyanın hiçbir şey bırakmadığını düşünmek. Damıtma, süzme, kristallendirme gibi işlemler ve araçlar ondan kalmıştır.
• Kişileri ve katkıları karıştırmak. Kütlenin korunumu Lavoisier'in, deneysel element tanımı ve basınç–hacim ilişkisi Boyle'un adıyla anılır.
• Açık kaptaki kütle değişimini yasaya aykırı saymak. Gaz ürünler ya da havadan katılan gazlar hesaba katılınca kütle korunur.
• Atfedilen katkıyı kesin bilgi gibi sunmak. Cabir'e mal edilen eserlerin yazarlığı tartışmalıdır.