Kütlenin korunumu kanunu: Odun yanınca kütle nereye gider?

Şöminede ya da köy evinin sobasında birkaç kilo odun yanar ve sabah geriye yalnızca bir avuç kül kalır. Öte yandan bahçede yağmur altında unutulan demir bir çivi paslandıkça biraz ağırlaşır. İlk bakışta kütle bir yerde yok oluyor, başka bir yerde yoktan var oluyor gibi görünür. Oysa kimyanın en temel kurallarından biri tam tersini söyler: Kimyasal tepkimelerde kütle korunur. Bu yazıda kütlenin korunumu kanununu, bu kanunun nasıl keşfedildiğini ve yukarıdaki iki gizemin nasıl çözüldüğünü anlatacağız.

Fiziksel değişim ve kimyasal değişim

Önce iki tür değişimi ayıralım.

Fiziksel değişimde maddenin kimliği değişmez; yalnızca şekli, hali ya da görünüşü değişir. Buzun erimesi, kâğıdın yırtılması, şekerin suda çözünmesi fiziksel değişimlerdir. Erimiş buz yine sudur.

Kimyasal değişimde (kimyasal tepkimede) maddeler başka maddelere dönüşür. Yeni maddeler, başlangıçtakilerden farklı özelliklere sahiptir. Odunun yanması, demirin paslanması, keki pişirmek ve sütten yoğurt yapmak kimyasal değişimlerdir.

Bir kimyasal tepkimenin gerçekleştiğini gösteren bazı işaretler:

• Renk değişimi (elmanın kesilince kararması)
• Gaz çıkışı (sirkeye karbonat eklenince köpürme)
• Isı veya ışık açığa çıkması (yanma)
• Çökelti oluşması (iki berrak çözelti karışınca bulanıklık)
• Koku değişimi (bozulan yiyecekler)

Bu işaretler tek başına kesin kanıt değildir, ama bir tepkimeden şüphelenmek için iyi ipuçlarıdır.

Kütlenin korunumu kanunu nedir?

Kütlenin korunumu kanunu, kapalı bir sistemde gerçekleşen kimyasal tepkimede, tepkimeye giren maddelerin toplam kütlesinin, oluşan ürünlerin toplam kütlesine eşit olduğunu söyler:

Bunun nedeni basittir: Kimyasal tepkimelerde atomlar yok olmaz, yoktan da var olmaz. Yalnızca aralarındaki bağlar kopar ve yeni bağlar kurulur. Atomlar yeniden düzenlenir. Lego parçalarıyla bir araba yapıp sonra onu söküp bir ev yaptığınızı düşünün: Şekil değişti, ama parça sayısı ve toplam ağırlık aynı kaldı.

Lavoisier ve kapalı kaplar

Bu kanunun sistemli olarak kanıtlanması, 18. yüzyılda Fransız kimyacı Antoine Lavoisier ile özdeşleşmiştir. Lavoisier’in büyük katkısı, tepkimeleri kapalı kaplarda yapması ve tepkimeden önce ve sonra her şeyi hassas terazilerle tartmasıydı.

Daha önceki bilim insanları açık kaplarda çalıştığı için gazların kaçtığını ya da havadan gaz alındığını fark etmekte zorlanıyordu. Lavoisier, metallerin havada ısıtıldığında kütle kazandığını ve bu artışın havanın bir bileşeninden, sonradan oksijen adını vereceği gazdan kaynaklandığını gösterdi. Bu çalışmalar, yanmanın “flojiston” adlı gizemli bir maddenin kaçması değil, maddelerin oksijenle birleşmesi olduğunu ortaya koydu ve modern kimyanın temellerinden biri oldu. Lavoisier’e atfedilen ünlü özet şudur: Doğada hiçbir şey kaybolmaz, hiçbir şey yaratılmaz, her şey dönüşür.

Gizemleri çözelim

Odun yanınca kütle nereye gider? Odunun büyük kısmı karbon, hidrojen ve oksijen atomlarından oluşan bileşiklerden yapılmıştır. Yanma sırasında bu atomlar havadaki oksijenle birleşerek karbondioksit ve su buharı oluşturur. Bu ürünler gazdır ve bacadan havaya karışır. Geride yalnızca yanmayan mineraller, yani kül kalır. Eğer odunu, havasıyla birlikte devasa kapalı bir kapta yaksaydık ve oluşan bütün gazları da tartabilseydik, toplam kütlenin değişmediğini görürdük. Hatta ürünlerin kütlesi, odunun kütlesinden fazladır, çünkü havadan gelen oksijen de tepkimeye katılır.

Paslanan çivi neden ağırlaşır? Demir, havadaki oksijen ve su ile tepkimeye girerek demir oksit (pas) oluşturur. Çiviye havadan oksijen atomları eklendiği için çivinin kütlesi artar. Kütle yoktan var olmamıştır; havadan gelmiştir.

Tepkime denklemleri ve denkleştirme

Kütlenin korunumu, kimyasal denklemleri yazarken bize bir kural verir: Denklemin iki tarafında her elementten aynı sayıda atom bulunmalıdır.

Hidrojenin yanmasıyla su oluşumuna bakalım. Denkleştirilmemiş hâli:

Solda 2 oksijen atomu, sağda 1 oksijen atomu var. Denkleştirelim:

Şimdi solda 4 hidrojen ve 2 oksijen, sağda da 4 hidrojen ve 2 oksijen var. Denklem dengede.

Kütlelerle kontrol edelim. Yaklaşık atom kütleleri H için 1, O için 16 alınırsa:

• Girenler: $2 \times 2 + 32 = 36$
• Ürünler: $2 \times 18 = 36$

Yani 4 gram hidrojen ile 32 gram oksijen tepkimeye girerse 36 gram su oluşur.

Denkleştirirken dikkat: Yalnızca moleküllerin önündeki katsayılar değiştirilir. Formüldeki küçük alt sayılar değiştirilmez. $\text{H}_2\text{O}$’yu $\text{H}_2\text{O}_2$ yaparsanız artık su değil, hidrojen peroksit yazmış olursunuz.

Sık yapılan yanılgılar

“Yanmada madde yok olur.” Madde yok olmaz; gaz hâline geçip havaya karışır.

“Şeker suda çözününce kaybolur, kütlesi gider.” Şeker çözünmek, fiziksel bir değişimdir. Çözeltinin kütlesi, su ile şekerin kütlelerinin toplamına eşittir. Bunu mutfak tartısıyla kendiniz kontrol edebilirsiniz.

“Gazların kütlesi yoktur.” Gazların da kütlesi vardır. Bir litre hava, oda koşullarında yaklaşık 1,2 gram gelir.

“Kütle korunuyorsa tepkimeden sonra molekül sayısı da aynı kalır.” Korunan, atom sayısı ve kütledir. Molekül sayısı değişebilir: Yukarıdaki örnekte 3 molekülden 2 molekül oluştu.

Ek bir not: Nükleer tepkimelerde, Einstein’ın $E = mc^2$ bağıntısıyla açıklanan ölçülebilir kütle-enerji dönüşümleri olur. Kimyasal tepkimelerde ise bu etki o kadar küçüktür ki hiçbir terazi tarafından ölçülemez. Bu yüzden kimyasal tepkimeler için kütlenin korunumu son derece iyi bir yasadır.

Evde dene: Balonlu şişe

Malzemeler: Küçük bir plastik şişe, bir balon, huni, sirke, karbonat, mutfak tartısı.

1. Şişeye yarım bardak kadar sirke koyun.
2. Huni yardımıyla balonun içine iki çay kaşığı karbonat doldurun.
3. Balonun ağzını, karbonat dökülmeyecek şekilde şişenin ağzına geçirin.
4. Düzeneği tartıya koyun ve kütleyi not edin.
5. Balonu kaldırarak karbonatı sirkeye dökün. Köpürme başlayacak ve balon şişecek.
6. Tepkime bitince düzeneği tekrar tartın.

Kütle neredeyse aynı kalır. Oluşan karbondioksit gazı balonda hapsolmuştur. Şimdi aynı deneyi balonsuz, açık şişeyle tekrarlayın: Gaz havaya kaçtığı için kütle azalır.

Dikkatli gözlemciler için bir ayrıntı: Balon şiştiğinde havayı iter ve havanın kaldırma kuvveti biraz artar. Bu yüzden hassas bir tartı, kapalı düzenekte de çok küçük bir azalma gösterebilir. Bu fark, kütlenin kaybolmasından değil, kaldırma kuvvetinden kaynaklanır.

Özetle

• Fiziksel değişimde maddenin kimliği korunur; kimyasal değişimde yeni maddeler oluşur.
• Kapalı bir sistemde kimyasal tepkimeden önce ve sonra toplam kütle aynıdır.
• Bunun nedeni atomların yok olmaması ve yoktan var olmamasıdır.
• Odun yanınca kütle gazlarla havaya karışır; pas ise havadan oksijen alarak ağırlaşır.
• Tepkime denklemleri, her elementin atom sayısı iki tarafta eşit olacak şekilde denkleştirilir.

Daha fazlası için Fen Bilimleri konularına ve kimya yazılarımıza göz atabilirsiniz.