Katılar

Bir tuz tanesine büyüteçle bakın: kenarları düz, köşeleri keskin, küçük bir küptür. Kırılmış bir şeker kristali de düzgün yüzeyler gösterir. Kırık bir pencere camının parçalarına bakın ise: kenarlar kıvrımlı, yüzeyler düzensizdir; cam hiçbir zaman küp biçiminde kırılmaz. Tuz da cam da katıdır, ikisi de sert ve biçimini korur. Ama biri ısıtıldığında belirli bir sıcaklıkta birden erir, öteki yavaş yavaş yumuşar, sünerek bükülür ve ancak sonra akar. Bu farkın nedeni, katının içinde taneciklerin nasıl dizildiğidir. Önceki modülde atomları ve molekülleri bir arada tutan etkileşimleri inceledik. Bu modül maddenin hallerine geçiyor ve ilk olarak katıları, taneciklerinin dizilişine ve onları bir arada tutan kuvvetlere göre sınıflandırıyor.

• Katıların genel özelliklerini tanecik modeliyle açıklarsın.
• Kristal ve amorf katıları tanecik dizilişi, erime davranışı ve kırılma biçimiyle ayırt edersin.
• İyonik, moleküler, kovalent ağ ve metalik kristalleri tanecikleri ve aralarındaki etkileşimlerle sınıflandırırsın.
• Kristal türlerinin erime noktası, sertlik ve iletkenlik gibi özelliklerini karşılaştırırsın.

Katının tanecik modeli

Maddenin hâli, tanecikler arasındaki çekim ile taneciklerin hareket enerjisi arasındaki dengeye bağlıdır. Katılarda çekim baskındır. Tanecikler birbirine çok yakındır, aralarındaki boşluk azdır ve belirli konumlarda tutulurlar. Yer değiştiremezler; yalnız bulundukları yerin çevresinde titreşirler. Sıcaklık arttıkça bu titreşim şiddetlenir.

Bu modelden katıların tanıdık özellikleri çıkar. Katıların belirli bir şekli ve belirli bir hacmi vardır; konuldukları kabın biçimini almazlar. Tanecikler arasında boşluk az olduğu için katılar neredeyse sıkıştırılamaz. Tanecikler yer değiştiremediği için katılar akmaz.

Kristal ve amorf katılar

Katılar taneciklerinin dizilişine göre ikiye ayrılır.

Kristal katılarda tanecikler düzenli, üç boyutta tekrar eden bir dizilim oluşturur. Bu iç düzen dışarıya da yansır: kristaller düz yüzeyler ve belirli açılarla birleşen kenarlar gösterir. Sofra tuzu, şeker, buz, kuvars, elmas ve metaller kristal katılardır. Kristal bir katının her yerinde tanecikler aynı biçimde tutulduğu için hepsini serbest bırakmak aynı enerjiyi ister; bu yüzden kristal katılar belirli bir sıcaklıkta, keskin bir erime noktasında erir.

Amorf katılarda tanecikler belirli bir düzen olmadan, sıvılardaki gibi gelişigüzel yerleşmiş ama yerinde donmuştur. Cam, birçok plastik, kauçuk ve zift amorf katılara örnektir. Taneciklerin bazıları daha gevşek, bazıları daha sıkı tutulduğu için amorf katılar belirli bir erime noktası göstermez; ısıtıldıkça bir sıcaklık aralığında yumuşar ve giderek akışkanlaşır. Cam ustalarının camı ısıtıp yumuşatarak biçim verebilmesi bu özellik sayesindedir. Amorf katılar kırıldığında da düzgün yüzeyler değil, kıvrımlı ve düzensiz yüzeyler oluşur.

Aynı madde, iki biçim

Bir maddenin kristal mi amorf mu olacağı yalnız maddenin kendisine değil, nasıl katılaştığına da bağlıdır. Taneciklerin düzenli bir dizilime yerleşebilmesi için zamana ihtiyaç vardır. Erimiş bir madde yavaş soğutulursa tanecikler yerlerini bulur ve kristal oluşur; çok hızlı soğutulursa tanecikler bulundukları gelişigüzel konumlarda donup kalır ve amorf bir katı oluşur. Silisyum dioksit doğada düzenli kuvars kristalleri hâlinde bulunur; aynı madde eritilip hızla soğutulduğunda amorf bir cam elde edilir. Şeker de buna benzer: kesme şeker kristaldir, ama erimiş şeker hızla soğutularak yapılan akide şekeri amorf bir katıdır ve kırıldığında cam gibi düzensiz yüzeyler verir.

Kristal türleri

Kristal katılar, kristali oluşturan taneciklerin türüne ve onları bir arada tutan etkileşime göre dört gruba ayrılır. Bu gruplar, bir önceki modülde gördüğümüz etkileşim türleriyle bire bir örtüşür.

İyonik kristaller. Tanecikler artı ve eksi iyonlardır ve aralarında iyonik bağ vardır. Sofra tuzu, kalsiyum florür ve magnezyum oksit bu gruptadır. Erime noktaları yüksektir, sert ve kırılgandırlar; katıyken elektriği iletmezler, eriyik hâlde iletirler.

Moleküler kristaller. Tanecikler moleküllerdir; moleküller birbirine moleküller arası zayıf çekimlerle, kimi zaman da hidrojen bağlarıyla tutunur. Buz, katı karbon dioksit (kuru buz), iyot, naftalin ve şeker moleküler kristallerdir. Moleküller arası etkileşimler zayıf olduğu için erime noktaları genellikle düşüktür ve çoğu yumuşaktır; elektriği iletmezler. İyot ve kuru buzun ısıtılınca sıvı olmadan doğrudan gaza dönüşebilmesi de bu zayıf etkileşimlerin bir sonucudur.

Kovalent ağ kristalleri. Tanecikler atomlardır ve bütün kristal boyunca kovalent bağlarla birbirine bağlıdır; kristalin tamamı dev tek bir molekül gibidir. Elmas, kuvars (SiO₂) ve grafit bu gruptadır. Bu katıları eritmek sayısız kovalent bağı birden koparmayı gerektirir; bu yüzden binlerce derecelik sıcaklıklar ister. Elmas çok serttir ve elektriği iletmez. Grafit ise aynı karbon atomlarından oluştuğu hâlde katmanlı bir yapıya sahiptir; katmanlar birbirinin üzerinden kolayca kayar ve grafit elektriği iletir. Kurşun kalemin kâğıda iz bırakması, bu kayan katmanlardan kaynaklanır.

Metalik kristaller. Tanecikler metal iyonlarıdır; aralarındaki ortak değerlik elektronları onları bir arada tutar. Bakır, demir, alüminyum ve altın bu gruptadır. Katıyken elektriği ve ısıyı iletirler, parlaktırlar, dövülebilirler. Erime noktaları cıvanınki gibi çok düşükten tungsteninki gibi çok yükseğe uzanan geniş bir aralıktadır.

Karşılaştırma

Bir katının türünü belirlemek için önce hangi elementlerden oluştuğuna bakılır: metal ile ametal birlikteyse iyonik, yalnız metalse metalik kristal beklenir. Yalnız ametallerden oluşuyorsa, katının ayrı moleküllerden mi yoksa dev bir ağdan mı oluştuğu düşünülür; kuvars ve elmas gibi çok sert ve çok yüksek sıcaklıkta eriyen katılar ağ kristalidir, buz ve şeker gibi kolay eriyenler moleküler kristaldir.

Katıdan sıvıya

Bir kristal ısıtıldıkça tanecikleri daha şiddetli titreşir. Erime noktasına gelindiğinde titreşim, taneciklerin düzenli konumlarını terk edip birbirinin üzerinden kayabileceği kadar büyür; kristal düzen bozulur ve madde sıvıya geçer. Erime sırasında verilen ısı sıcaklığı artırmaz, düzeni dağıtmaya harcanır. Sıvıların özellikleri ve bu geçişlerin grafiklerle gösterimi modülün sonraki derslerinde ele alınacaktır.

Örnek 1 — Kristal mi, amorf mu?

Soru: Isıtıldığında belirli bir sıcaklıkta erimeyen, giderek yumuşayan ve kırıldığında düzensiz yüzeyler veren bir katı hangi gruptadır?

• A) İyonik kristal
• B) Metalik kristal
• C) Amorf katı
• D) Kovalent ağ kristali
• E) Moleküler kristal

Çözüm: Belirli bir erime noktası olmaması ve düzensiz kırılma, taneciklerin düzenli dizilmediğini gösterir. Cevap: C.

Örnek 2 — İyot

Soru: Katı iyot hangi kristal türüne girer?

• A) İyonik kristal
• B) Kovalent ağ kristali
• C) Metalik kristal
• D) Amorf katı
• E) Moleküler kristal

Çözüm: İyot kristali I₂ moleküllerinden oluşur; moleküller birbirine zayıf dağılma kuvvetleriyle bağlıdır. Cevap: E.

Örnek 3 — Erime noktası

Soru: Buz, sofra tuzu ve elmastan hangisi en yüksek, hangisi en düşük sıcaklıkta erir?

• A) Buz en yüksek, elmas en düşük
• B) Elmas en yüksek, buz en düşük; sofra tuzu arada
• C) Üçü yaklaşık aynı sıcaklıkta erir
• D) Sofra tuzu en yüksek, elmas en düşük
• E) Buz ile elmas aynı sıcaklıkta erir

Çözüm: Moleküler buz zayıf etkileşimlerle, iyonik tuz güçlü iyonik bağlarla, elmas ise sayısız kovalent bağla bir arada durur. Cevap: B.

Örnek 4 — İletkenlik

Soru: Aşağıdaki katılardan hangisi katı hâldeyken elektriği iyi iletir?

• A) Bakır
• B) Sofra tuzu
• C) Buz
• D) Elmas
• E) Şeker

Çözüm: Bakır metalik bir kristaldir; ortak değerlik elektronları katı hâlde de hareket edebilir. Cevap: A.

• Her katıyı kristal sanmak. Cam, plastik ve kauçuk amorftur.
• Amorf katıların belirli bir erime noktası olduğunu düşünmek. Amorf katılar bir sıcaklık aralığında yumuşar.
• Elmas ile grafitin özelliklerini aynı saymak. İkisi de karbondur ama dizilişleri farklıdır; grafit iletir, elmas iletmez.
• Moleküler kristallerin erime noktasını yüksek sanmak. Moleküller arası etkileşimler zayıftır.
• Bütün metallerin yüksek sıcaklıkta eridiğini sanmak. Metaller arasında oda sıcaklığında akan da var, binlerce derecede eriyen de.