Fiziksel ve kimyasal değişimler

Mutfakta bir sabah: buzdolabından çıkan tereyağı tavada erir, ocaktaki su kaynamaya başlar, çaya atılan şeker kaybolur. Aynı tavada bir yumurta pişer, ekmek kızarır, kesilip bekletilen elma kararır. İlk üç olayda maddeler biçim ya da hâl değiştirir ama kendileri olarak kalır: erimiş tereyağı soğuyunca yine tereyağıdır, buharlaşan su yoğunlaşınca yine sudur, çaydaki şeker çay buharlaşınca geri elde edilir. Son üç olayda ise geri dönüş yoktur; pişmiş yumurta soğuyunca çiğ yumurtaya dönmez. Bu iki tür olay arasındaki farkı anlamak, kimyanın en temel ayrımlarından biridir. Bu modül boyunca atomları birbirine bağlayan güçlü bağları ve tanecikleri bir arada tutan zayıf etkileşimleri inceledik. Bu ders, bir değişimin hangi tür etkileşimlere dokunduğuna bakarak onun fiziksel mi kimyasal mı olduğunu ayırt etmeyi öğretiyor.

• Fiziksel ve kimyasal değişimi, yeni madde oluşup oluşmadığına göre ayırt edersin.
• Her değişim türünde hangi etkileşimlerin koptuğunu ve oluştuğunu açıklarsın.
• Kimyasal bir değişimin gözlenebilir belirtilerini sayar, gündelik olayları sınıflandırırsın.
• Tuzun çözünmesi gibi sınırdaki örnekleri ve geri döndürülebilirliğin bir ölçüt olarak sınırını yorumlarsın.

Temel ölçüt: yeni madde var mı?

Bir maddenin biçimi, büyüklüğü ya da hâli değişir ama kimliği aynı kalırsa bu değişime fiziksel değişim denir. Erime, donma, buharlaşma, yoğuşma ve süblimleşme gibi hâl değişimleri, kırılma, yırtılma, öğütülme ve çözünme fiziksel değişimlere örnektir. Bu değişimlerden sonra madde aynı maddedir; formülü değişmez.

Bir madde başka bir maddeye ya da maddelere dönüşür ve farklı özelliklerde yeni maddeler oluşursa bu değişime kimyasal değişim, ya da kimyasal tepkime, denir. Yanma, paslanma, çürüme, pişme, mayalanma, fotosentez ve sindirim kimyasal değişimlerdir. Bu değişimlerden sonra ortaya çıkan maddelerin formülü başlangıçtaki maddelerinkinden farklıdır.

Gündelik dilde iki türü ayırmak için çoğu zaman sezgiye başvurulur; kimyada ise ölçüt açıktır. Bir olayı sınıflandırırken sorulacak soru tektir: olaydan sonra yeni bir madde oluştu mu? Yanıt evetse değişim kimyasal, hayırsa fizikseldir.

Hangi etkileşimler değişir?

Bu modülde gördüğümüz iki etkileşim grubu, iki değişim türüyle doğrudan ilişkilidir.

Fiziksel değişimlerde çoğunlukla zayıf etkileşimler kopar ya da yeniden kurulur. Kaynayan suda moleküller birbirinden kopup uzaklaşır; her molekül ise iki hidrojenini ve bir oksijenini bir arada tutmayı sürdürür. Buz erirken, iyot süblimleşirken, mum eriyip yeniden katılaşırken de durum aynıdır: moleküller birbirinden uzaklaşır ya da yaklaşır, ama kendileri bozulmaz.

Kimyasal değişimlerde ise güçlü bağlar kopar ve yeni güçlü bağlar oluşur. Hidrojen oksijenle yandığında H–H ve O=O bağları kopar, yeni O–H bağları kurulur ve su oluşur. Atomlar yok olmaz; kütlenin korunumu dersinde gördüğümüz gibi yalnız yeniden düzenlenir.

Güçlü bağların koparılması çok daha fazla enerji gerektirdiği için kimyasal değişimlerde alınan ya da verilen enerji, fiziksel değişimlerdekinden genellikle çok daha büyüktür. Bir odunun yanarken verdiği ısı, aynı kütlede suyun buharlaşırken aldığı ısıdan çok fazladır.

Kimyasal değişimin belirtileri

Bir değişimin kimyasal olduğu çoğu zaman gözlenebilir işaretlerden anlaşılır:

• Gaz çıkışı: Karbonata sirke döküldüğünde köpürerek karbon dioksit çıkar.
• Renk değişimi: Kesilen elmanın kararması, demirin kızıl kahverengi pasa dönüşmesi.
• Çökelti oluşumu: İki berrak çözelti karıştırıldığında bulanık, katı bir maddenin oluşması.
• Isı ve ışık: Yanan bir kibrit ya da mum.
• Koku değişimi: Sütün ekşimesi, yiyeceklerin bozulması.

Bu belirtiler güçlü ipuçlarıdır ama tek başına kesin kanıt değildir. Suyun kaynamasında da kabarcıklar çıkar, ama çıkan gaz yine su buharıdır; ampulün ışık vermesi de kimyasal bir değişim değildir. Asıl ölçüt her zaman yeni bir maddenin oluşup oluşmadığıdır.

Sınırdaki örnek: tuzun çözünmesi

Sofra tuzu suda çözünürken iyonik kristal dağılır; Na⁺ ve Cl⁻ iyonları birbirinden ayrılarak su molekülleriyle sarılır. Burada güçlü sayılan iyonik çekimler bozulur. Buna rağmen tuzun çözünmesi fiziksel değişim kabul edilir, çünkü yeni bir madde oluşmaz: su buharlaştırılınca aynı sofra tuzu geri kazanılır. Bu örnek, "fiziksel değişimde yalnız zayıf etkileşimler kopar" kuralının bir genelleme olduğunu, belirleyici ölçütün ise yine maddenin kimliği olduğunu gösterir.

Geri döndürülebilirlik bir ölçüt mü?

Fiziksel değişimlerin çoğu kolayca geri döndürülebilir: eriyen buz dondurulabilir, buharlaşan su yoğunlaştırılabilir. Kimyasal değişimlerin çoğu ise kolayca geri döndürülemez: yanan kâğıt yeniden kâğıda dönüşmez. Ama bu bir eğilimdir, kesin bir ölçüt değildir. Kırılan bir bardak, değişim fiziksel olduğu hâlde eski hâline kolayca döndürülemez. Bazı kimyasal tepkimeler ise uygun koşullarda tersine işletilebilir; suyun elektrolizle hidrojen ve oksijene ayrılması ve bu iki gazın yeniden su oluşturması gibi. Bu yüzden sınavda bir olay sınıflandırılırken geri dönüp dönmediğine değil, yeni madde oluşup oluşmadığına bakılmalıdır.

Bir olayı sınıflandırma sırası

Sınavda verilen bir olayı sınıflandırırken şu sıra işe yarar. Önce olaydan önceki ve sonraki maddeler adlandırılır: buz ve su, odun ve kül ile duman, demir ve pas gibi. Sonra bu maddelerin aynı madde olup olmadığı, yani formüllerinin değişip değişmediği sorulur; değişmişse olay kimyasaldır. Bu karar verilemiyorsa gözlenen belirtilere bakılır: gaz, renk, çökelti, ısı ya da koku yeni bir maddenin ipucu olabilir. Son olarak enerji düşünülür; çok büyük bir ısı ya da ışık açığa çıkıyorsa güçlü bağların değiştiği tahmin edilir. Bu adımlarda belirtiler ve enerji yalnız yol gösterir; son söz her zaman maddenin kimliğine aittir.

Üçüncü bir tür: nükleer değişim

Fiziksel ve kimyasal değişimlerde atomların çekirdekleri hiç değişmez; elementler korunur. Bazı olaylarda ise atomun çekirdeği değişir ve bir element başka bir elemente dönüşür. Bu tür olaylara nükleer değişim denir; radyoaktif bozunma ve nükleer santrallerdeki tepkimeler buna örnektir. Nükleer değişimlerde açığa çıkan enerji kimyasal değişimlerdekinden de çok daha büyüktür. Bu değişimler fizik ve kimyanın AYT konuları arasında ayrıntılı olarak işlenir.

Gündelik örneklerin sınıflandırılması

Örnek 1 — Sınıflandırma

Soru: Aşağıdaki olaylardan hangisi kimyasal bir değişimdir?

• A) Buzun erimesi
• B) Camın kırılması
• C) Suyun buharlaşması
• D) Demirin paslanması
• E) Şekerin suda çözünmesi

Çözüm: Paslanmada demir, havadaki oksijenle birleşerek yeni bir madde olan demir oksidi oluşturur. Ötekilerde maddenin kimliği değişmez. Cevap: D.

Örnek 2 — Belirti

Soru: Yemek sodasının üzerine sirke dökülünce köpürerek gaz çıkıyor. Bu gözlem için hangisi doğrudur?

• A) Fiziksel bir değişimdir; yalnız hâl değişmiştir.
• B) Hiçbir değişim olmamıştır.
• C) Kimyasal bir değişimdir; yeni bir madde olan gaz oluşmuştur.
• D) Sirke buharlaşmıştır.
• E) Soda erimiştir.

Çözüm: Çıkan gaz başlangıçta bulunmayan karbon dioksittir; yeni bir madde oluşmuştur. Cevap: C.

Örnek 3 — Tuz

Soru: Tuzun suda çözünmesinde iyonik çekimler bozulduğu hâlde bu olay neden fiziksel değişim sayılır?

• A) Çözünme sırasında ısı açığa çıkmadığı için
• B) Su bir element olduğu için
• C) Tuz suda hiç çözünmediği için
• D) İyonlar yok olduğu için
• E) Yeni bir madde oluşmadığı, su buharlaştırılınca aynı tuz geri kazanıldığı için

Çözüm: Belirleyici ölçüt maddenin kimliğidir; çözünmeden sonra da madde sodyum klorürdür. Cevap: E.

Örnek 4 — Bağlar

Soru: Katı iyot ısıtılınca doğrudan mor bir buhara dönüşüyor. Bu sırada hangi etkileşimler değişir?

• A) I₂ molekülleri arasındaki dağılma kuvvetleri
• B) Molekül içindeki I–I kovalent bağı
• C) İyot atomlarının çekirdekleri
• D) Atomlar arasındaki bütün bağlar
• E) Hiçbir etkileşim değişmez

Çözüm: Süblimleşme fiziksel bir değişimdir; I₂ molekülleri birbirinden ayrılır ama her molekül bütün kalır. Cevap: A.

• Gaz çıkışını her zaman kimyasal değişim saymak. Kaynayan suyun kabarcıkları da gazdır ama yine sudur.
• Geri döndürülemeyen her olayı kimyasal sanmak. Kırılan cam geri dönmez ama değişim fizikseldir.
• Çözünmeyi kimyasal değişim saymak. Şekerin ya da tuzun çözünmesinde yeni madde oluşmaz.
• Kaynamada kovalent bağların koptuğunu düşünmek. Yalnız moleküller arası etkileşimler kopar.
• Hâl değişimini kimyasal sanmak. Erime, donma, buharlaşma ve süblimleşme fizikseldir.