Tanecikler yerinden kalkamıyor, şekil sabit kalıyor
Bir önceki ünitede moleküller arası çekim kuvvetlerini tanıdın. Şimdi o kuvvetlerin en açık sonucunu göreceksin: çekim yeterince güçlü olduğunda tanecik yerinden ayrılamaz, yalnızca titreşir. Sonuç belirli bir şekil, belirli bir hacim ve sıkıştırılamayan bir madde. Bu ünitede önce amorf–kristal ayrımını, sonra kristal katıların dört türünü ve o türlerin ölçülebilir özelliklerini işleyeceğiz.
“Katı, maddenin en düşük enerjili ve en düzenli hâlidir. Tanecikler arası çekim kuvveti katılarda son derece güçlüdür ve tanecikler sadece titreşim hareketi yapar. Katılar belirli bir şekle, hacme sahiptir ve ısıtıldığında genleşir. Tanecikleri arasındaki boşluklar yok denecek kadar az olduğu için sıkıştırılamaz.”
Bu tek paragrafta katının bütün gözlenebilir özellikleri var ve hepsinin tek sebebi aynı: tanecikler arası çekim kuvveti o kadar güçlü ki tanecik komşusunu bırakıp gidemiyor. Aşağıdaki dört kutu, sebepten sonuca giden yolu ayırıyor.
Tanecik yerinden ayrılamadığı için komşuluk ilişkisi değişmiyor. Sıvıda tanecikler birbiri üzerinden kayar (şekil kabın şeklini alır), katıda kayamaz.
Boşluk “yok denecek kadar az”. Sıkıştırmak için taneciklerin arasındaki boşluğu küçültmek gerekir; ortada küçültülecek boşluk yok.
Öteleme (yer değiştirme) ve dönme yok; tanecik bulunduğu yerde ileri geri sallanıyor. Katının “hareketsiz” olması bu yüzden bir yanılsama.
Isı verilince titreşimin genliği büyür; tanecik daha geniş bir alanda sallanır ve ortalama komşu uzaklığı artar. Katı büyümez, salınım alanı büyür. (Titreşim–genleşme bağlantısı ders kitabında ayrı ayrı geçiyor, burada birleştirildi.)
Kaydırağı çek: sıcaklık arttıkça taneciklerin titreşim genliği büyüyor. Tanecikler yerlerini terk etmiyor — düzen bozulmuyor, yalnızca herkes daha geniş sallanıyor. Kaydırağı sonuna kadar çekersen genlik düzeni taşıyamayacak kadar büyür ve erime başlar.
“Katılar temelde amorf ve kristal olmak üzere ikiye ayrılır. Amorf katıları oluşturan tanecikler düzensiz bir yapıya sahiptir ve belirli bir geometrik düzen göstermez. Bu nedenle amorf katılar belirli bir erime ve donma noktasına sahip değildir. Cam, lastik, plastik, mum, tereyağı gibi maddeler amorf katılara örnek verilebilir.”
“Katıyı oluşturan tanecikler aynı şekilde tekrarlayan düzenli bir yapı oluşturur. Bu nedenle kristal katılar belirli bir geometrik şekle sahiptir. Bu katıların belirli bir erime ve donma noktası vardır. Kristal katıyı oluşturan tanecikler üç boyutlu bir kristal örgü içerisinde belirli bir düzene göre dizilir. Bütün bir örgünün tüm özelliklerini gösteren en küçük örgü parçası birim hücre olarak adlandırılır. Günlük hayatta karşılaşılan katıların çoğu kristal katılardır.”
İki katıyı karşılaştır. Solda taneciklerin dizilişi, sağda ısıtıldığında sıcaklığın zamanla değişimi çizilir. Kristal katıda erime boyunca sıcaklık düz bir çizgi hâlinde sabit kalır — belirli erime noktası budur. Amorf katıda öyle bir düzlük yok: madde geniş bir aralıkta yavaş yavaş yumuşar.
Cam amorf, kuvars kristal örneğidir. Oysa ikisinin de yapı taşı aynı: silisyum ve oksijen. Fark dizilişte: kuvarsta silisyum–oksijen ağı tekrarlayan düzenli bir örgü kurar, camda aynı ağ düzensiz donmuştur. (Camın neden amorf olduğu ders kitabında yazmıyor; ayrım anlaşılsın diye eklendi.)
Buradan çıkan sınav cümlesi: aynı maddeden hem amorf hem kristal katı elde edilebilir. Belirleyici olan taneciğin türü değil, diziliş düzeni.
Aynı sebeple şeker amorf değildir: toz şeker kristal yapılıdır. Şekeri eritip hızlıca soğutursan (karamel, pamuk şeker) amorf hâlini elde edersin. Amorf listesinde şeker yok — listede cam, lastik, plastik, mum, tereyağı var.
Tanım çok kısa ama önemli: “Bütün bir örgünün tüm özelliklerini gösteren en küçük örgü parçası.” Yani bir kristali anlamak için tamamına bakmak gerekmiyor; tek bir birim hücreyi anlamak yeterli, gerisi onun tekrarı.
Duvar kâğıdı deseni gibi düşün: desenin tekrarlayan en küçük parçasını bilirsen bütün duvarı bilirsin.
Kristal katılar “katıyı oluşturan birime dayalı olarak” dörde ayrılır. Yani tek soru var: örgünün köşelerinde ne var? İyon mu, molekül mü, kovalent bağlı atom mu, yoksa metal katyonu ve elektron denizi mi? Cevap, o katının bütün özelliklerini belirliyor.
Bir tür seç: örgüsü çizilir, örgü noktalarında ne durduğu ve taneciklerini ne tuttuğu gösterilir; altta tanımı ve örnekleri yazılır.
| Tür | Örgü noktasında | Tutan kuvvet | Fiziksel özellikler | Örnekler |
|---|---|---|---|---|
| İyonik katı | İyonlar (katyon + anyon) | İyonik bağ (elektrostatik kuvvet) | Yüksek erime noktası · sertlik · kırılganlık · yalıtkanlık | NaCl, KI, CaF₂, MgO, ZnS |
| Moleküler katı | Moleküller | Dipol-dipol, hidrojen bağı, London kuvveti | Düşük erime noktası · yumuşaklık · yalıtkanlık | I₂, P₄, NH₃, CO₂, SO₂, H₂O, C₆H₁₂O₆, naftalin (C₁₀H₈) |
| Kovalent katı | Kovalent bağlı atomlar | Kovalent bağ | Yüksek erime noktası · sertlik (genellikle) · yalıtkanlık | Elmas (C), grafit (C), kuvars |
| Metalik katı | Elektron denizi + metal katyonları | Metalik bağ | Düşük veya yüksek erime noktası · yumuşaklık veya sertlik · parlaklık · iletkenlik | Zn, Al, Ca, Fe, Cu |
Tabloda gözden kaçmaması gereken tek satır metalik katılar: “düşük veya yüksek erime noktası”, “yumuşaklık veya sertlik”. Metaller tek bir tarife sığmaz — sodyum bıçakla kesilir (97,8 °C’ta erir), tungsten 3400 °C’a kadar dayanır. Metalleri ayırt eden şey erime noktası değil, parlaklık ve katı hâlde iletkenlik.
Tabloda ilginç bir satır var: grafit kovalent katı olarak veriliyor ama elektrik iletkenliği 3,5×10⁵ S/m yazıyor — kovalent katıların “yalıtkanlık” tarifine aykırı görünüyor. Sebep şu: elmasta her karbon dört komşuya bağlanır ve tek bir elektron bile serbest kalmaz; grafitte her karbon üç komşuya bağlanır, arta kalan elektronlar katmanlar arasında serbestçe dolaşır. (Bu açıklama ders kitabında yok; tablodaki sayı açıklanmadan bırakılamayacağı için eklendi.)
Aynı element (karbon), aynı bağ türü (kovalent), bambaşka iki katı: elmas 10 Mohs sertliğinde ve yalıtkan, grafit 1,5 Mohs sertliğinde ve iletken. Katının özelliğini belirleyen şey atomun kendisi değil, nasıl bağlandığı.
Ders kitabının s.164’teki tablosu, her satıra hangi türe girdiği eklenerek. “iyonik”, “metalik”, “iletmez” gibi bir şey aratabilirsin. Erime noktasına göre sıralı duruyor.
Mohs sertlik skalasında 1’den 10’a kadar değerler yer alır ve en sert mineralin değeri 10’dur. Bu göreli bir sıralamadır: 10, 5’in iki katı sert demek değildir. Young katsayısı (E) ise elastik şekil değiştirme için maddeye uygulanması gereken kuvveti belirtir. (Mohs’un göreli olduğu ders kitabında yazmıyor, eklendi.)
Bir özellik seç: on bir katı o özelliğe göre çubuk grafikte karşılaştırılır ve türlerine göre renklenir. Erime noktasında iyonik ve kovalent katıların nasıl tepede toplandığını, elektrik iletkenliğinde ise sahnenin nasıl sadece metallere (ve grafite) kaldığını gör.
Erime noktası aslında tek bir şeyin ölçüsü: örgüyü dağıtmak için ne kadar enerji gerekiyor? Sıralama doğrudan kuvvetin gücünü veriyor:
Grafit 3927 °C
Elmas 3550 °C
Kuvars 1785 °C
CaO 2572 °C
NaCl 801 °C
KI 681 °C
Al 660 °C
Mg 650 °C
Na 97,8 °C
Buz 0 °C
Kuru buz −78,5 °C
Son kutu bir önceki üniteyle bu ünitenin buluştuğu yer: buzu ve kuru buzu bir arada tutan şey bağ değil, moleküller arası etkileşim. Onun için erime noktaları ötekilerin binde biri mertebesinde. CaO ile kuru buz arasındaki fark 2650 derece.
Etkinlik-2.16’nın on iki katısı. Her satırda tek hücre işaretle, sonra Denetleye bas. (Cam kristal değildir; onun için “amorf” sütunu var.)
Dallanmış ağaçtaki on beş önerme. Bir önerme seç: doğru mu yanlış mı görürsün, gerekçesiyle. (Ders kitabı cevap anahtarı vermiyor; cevaplar kendi tanımlarından çıkarıldı.)
Ders kitabının s.167’deki dokuz katısı: kuvars · sodyum · buz · sodyum klorür · kuru buz · cam · elmas · potasyum iyodür · alüminyum. Sorular ders kitabının, cevaplar onun kendi tanımlarından çıkarıldı. (Ders kitabı katıları kutu numarasıyla adlandırıyor; numaralar sütun boyunca basıldığı için burada katı adları kullanıldı.)
1. Tanecikleri düzensiz dizilen katı?
Cam — tek amorf katı.
2. Anyon–katyon elektrostatik etkileşimiyle tutulanlar?
Sodyum klorür, potasyum iyodür — iyonik katılar.
3. Kuvarsla aynı gruptakiler?
Elmas — ikisi de kovalent katı.
4. Tanecikleri arasında hidrojen bağı, dipol-dipol veya London bulunanlar?
Buz, kuru buz — moleküler katılar.
5. Ametal atomları arasındaki bağlarla tutulanlar?
Kuvars, elmas — kovalent katılar.
6. Katı hâlde elektrik iletkenliği yüksek olanlar?
Sodyum, alüminyum — metalik katılar.
(Grid’de yok ama grafit de iletir.)
Karışık sırayla gelen katılar. Türünü seç, anında açıklamasını al. Soruların bir kısmı doğrudan katının adını, bir kısmı ise özelliğini veriyor — asıl beceri ikincisinde.
Buzdolabından yeni çıkan tereyağı bıçağı kırar, tezgâhta yarım saat bekleyince ekmeğe sürülür. Bir erime noktası geçilmiyor; tereyağı amorf katı olduğu için yumuşama geniş bir aralığa yayılıyor. Buz olsaydı 0 °C’a kadar taş gibi durur, sonra bir anda su olurdu.
Ekran camı amorf bir katı: kırıldığında düzgün geometrik parçalara değil, rastgele çatlaklara ayrılıyor. Kristal bir katı ise örgüsünün düzlemleri boyunca kırılır. Elmas kesicilerin işi tam olarak bu düzlemleri bulmak.
Sofra tuzunu büyüteçle bak: taneler küp şeklinde. Kimse onları kesmedi — NaCl’nin birim hücresi küp olduğu için kristal büyüdükçe küp olarak büyüyor. “Belirli geometrik şekle sahiptir” cümlesi elle tutulur hâle geliyor.
Kalem ucu grafit. Kâğıda sürtünce iz bırakması, grafit katmanlarının birbirinin üzerinden kayabilmesi sayesinde. Aynı karbon atomu elmasta 10 Mohs sertliğinde; grafitte 1,5. Fark tek şeyde: bağların düzeni.
Kargoyla gelen dondurmanın yanındaki tüten beyaz parça kuru buz (katı CO₂). Erime noktası −78,5 °C — bu yüzden hiç ıslatmadan doğrudan gaza dönüşüyor. Moleküler katının ne kadar zayıf tutulduğunu bundan iyi gösteren örnek az.
Metal saplı tencerenin sapı yanar, plastik saplı yanmaz. Alüminyumun ısı iletkenliği 237 W/m·K, tablodaki en yüksek ikinci değer. Isıyı taşıyan şey metalik katıdaki elektron denizi.
Dolaba konan naftalin (C₁₀H₈) topu zamanla küçülüp kaybolur. Moleküler katı olduğu için molekülleri yalnızca zayıf kuvvetlerle tutuluyor ve oda sıcaklığında bile tek tek ayrılabiliyorlar. Moleküler katı örnek listesinde naftalin var.
Mum yanarken önce yumuşar, sonra akar; belirli bir erime noktası göremezsin. Amorf listesindeki maddelerden biri de bu. Aynı sebeple mumu tekrar tekrar eritip şekillendirebilirsin — kristal örgüsü yok ki bozulsun.
Üç soru yeter: (1) Düzenli mi? Değilse amorf, iş bitti. (2) Örgü noktasında ne var? İyon → iyonik, molekül → moleküler, kovalent bağlı atom → kovalent, metal katyonu + elektron denizi → metalik. (3) Emin değilsen erime noktasına bak: çok düşükse moleküler, çok yüksekse kovalent ya da iyonik.
48 soruluk test · katı hâlin özellikleri, amorf–kristal ayrımı, birim hücre, dört kristal katı türü ve özellik tablosundaki sayısal değerler
Katı, maddenin en düşük enerjili ve en düzenli hâlidir.
Tanecikler arası çekim son derece güçlüdür, tanecikler sadece titreşir.
Belirli şekil ve hacim vardır, ısıtılınca genleşir, boşluk yok denecek kadar az
olduğu için sıkıştırılamaz.
Amorf: tanecikler düzensiz, geometrik düzen yok, belirli erime ve donma noktası
yok. Cam, lastik, plastik, mum, tereyağı.
Kristal: tekrarlayan düzenli yapı, belirli geometrik şekil, belirli erime ve
donma noktası var, üç boyutlu kristal örgü.
Birim hücre: bütün örgünün tüm özelliklerini gösteren en küçük örgü parçası.
Günlük hayatta karşılaşılan katıların çoğu kristaldir.
İyonik: örgüde iyonlar, elektrostatik kuvvet — NaCl, CaO.
Moleküler: örgüde moleküller; hidrojen bağı, dipol-dipol, London — buz, kuru buz.
Kovalent: örgüde kovalent bağlı atomlar — elmas, grafit.
Metalik: örgüde elektron denizi ve metal katyonları — Na, Mg.
İyonik: yüksek erime noktası, sert, kırılgan, yalıtkan.
Moleküler: düşük erime noktası, yumuşak, yalıtkan.
Kovalent: yüksek erime noktası, genellikle sert, yalıtkan.
Metalik: düşük ya da yüksek erime noktası, yumuşak ya da sert, parlak ve
iletken.
Grafit 3927 °C · elmas 3550 °C · CaO 2572 °C · kuvars 1785 °C ·
NaCl 801 °C · KI 681 °C · Al 660 °C · Mg 650 °C ·
Na 97,8 °C · buz 0 °C · kuru buz −78,5 °C.
Elektrik ileten dört katı: grafit (3,5×10⁵ S/m), Na (2,1×10⁷),
Al (3,8×10⁷), Mg (2,3×10⁷ S/m). Diğer yedisi iletmez.
Cam ↔ kuvars: aynı yapı taşı, farklı düzen; biri amorf biri kristal.
Elmas ↔ grafit: aynı element, farklı bağ düzeni; biri yalıtkan biri iletken.
Buz ve kuru buz ikisi de moleküler katıdır.
Naftalin kovalent değil moleküler, ZnS metalik değil iyonik
katıdır.
Şeker amorf değil, kristal (moleküler) katıdır.