Kütlenin Korunumu Kanunu: Kütle Nasıl Hesaplanır?

Kütlenin korunumu kanununun tanımı

Kütlenin korunumu kanunu, kapalı bir sistemde gerçekleşen kimyasal tepkimede giren maddelerin toplam kütlesinin ürünlerin toplam kütlesine eşit olduğunu söyler. Tepkime sırasında maddeler başka maddelere dönüşür; fakat sistemdeki toplam kütle korunur.

Bunun nedeni, kimyasal tepkimede atomların ortadan kaybolmaması veya dışarıdan yeni atomların gelmemesidir. Atomlar arasındaki bağlar kopabilir, yeni bağlar oluşabilir ve atomların dizilişi değişebilir. Örneğin bir tepkimede 12 g ve 8 g kütleli iki madde tamamen tepkimeye giriyorsa oluşan ürünlerin toplam kütlesi 20 g olmalıdır. Ürünlerin biri katı, diğeri gaz olsa bile sistem kapalı olduğu sürece toplam kütle bu değere eşit kalır.

Kapalı sistem koşulu

Kapalı sistem, tepkime sırasında maddelerin sistemin dışına çıkmadığı ve dışarıdan sisteme madde girmediği düzenektir. Kütlenin korunumu eşitliği bu koşulda doğrudan uygulanır; çünkü tepkimeye giren ve oluşan tüm maddeler aynı sistem içinde kalır. Sistemin ısı alışverişi yapıp yapmaması, bu temel kütle eşitliğini tek başına değiştirmez.

Örneğin ağzı kapatılmış bir kapta iki madde tepkimeye sokulup kap tepkimeden önce ve sonra tartılırsa, ölçülen toplam kütle aynı olmalıdır. Buna karşılık kap açıkken oluşan gaz ortamdan uzaklaşırsa kapta kalan maddelerin kütlesi daha az ölçülebilir. Bu durum kütlenin yok olduğu anlamına gelmez; gaz sistemin dışına çıktığı için yalnızca kabın içindeki kütle azalmıştır. Benzer şekilde, ortamdan bir gazın tepkimeye katılması ve kabın açık olması da kapta ölçülen kütleyi artırabilir.

Tepkime öncesi ve sonrası toplam kütle ilişkisi

Bir kimyasal tepkimede tepkime öncesindeki tüm giren maddelerin kütleleri toplanır. Tepkime sonrasında oluşan tüm ürünlerin kütleleri de toplanır. Kapalı sistem koşulunda bu iki toplam birbirine eşittir: tepkime öncesi toplam kütle = tepkime sonrası toplam kütle.

Örneğin bir tepkimede giren maddelerin kütleleri 15 g ve 25 g ise toplam giren kütlesi 40 g olur. Ürünlerden biri 18 g, diğeri bilinmeyen kütledeyse ürünlerin toplamı da 40 g olmalıdır. Bu durumda bilinmeyen ürün kütlesi 22 g bulunur. Burada önemli olan, tek tek maddelerin kütlelerinin aynı kalmasını beklememektir; korunan büyüklük, girenlerin ve ürünlerin toplam kütlesidir.

Atomların korunumu ile kütlenin korunumu arasındaki ilişki

Kimyasal tepkimelerde atom türleri ve her türden atom sayısı korunur; atomlar yalnızca farklı biçimde bir araya gelir. Bu nedenle tepkime öncesinde bulunan atomların toplam kütlesi, tepkime sonrasında bu atomlardan oluşan ürünlerin toplam kütlesine karşılık gelir. Kütlenin korunumu kanununun temelindeki düşünce budur.

Örneğin su oluşurken hidrojen ve oksijen atomları yeni bir madde oluşturacak şekilde düzenlenir; hidrojen atomları yok olmaz, oksijen atomları da başka bir elemente dönüşmez. Kimyasal formüllerdeki atom sayıları tepkimenin iki tarafında eşit olduğunda atom korunumu gösterilmiş olur. İyonik bileşiklerde de bileşiğin formülündeki atomların kütleleri, atomların kütleleri toplanarak değerlendirilir; elektronların kütleye katkısı çoğu temel hesapta ihmal edilecek kadar küçüktür.

Tepkimelerde eksik kütleyi bulma yöntemi

Eksik kütleyi bulmak için önce tepkime öncesindeki bilinen giren kütleleri veya tepkime sonrasındaki bilinen ürün kütleleri toplanır. Ardından kütlenin korunumu eşitliği yazılır ve bilinmeyen tek başına bırakılır. Bilinmeyen giren kütlesi aranıyorsa ürünlerin toplamından bilinen girenler çıkarılır; bilinmeyen ürün kütlesi aranıyorsa girenlerin toplamından bilinen ürünler çıkarılır.

Örneğin kapalı bir sistemde 24 g ve 16 g kütleli maddeler tepkimeye girsin. Ürünlerden birinin kütlesi 30 g, diğerinin kütlesi x olsun. Önce toplam giren kütlesi hesaplanır: 24 + 16 = 40 g. Sonra 30 + x = 40 yazılır ve x = 10 g bulunur.

Ters yönde de aynı yöntem kullanılır. Ürünlerin toplam kütlesi 75 g, bilinen giren maddenin kütlesi 28 g ise bilinmeyen giren maddenin kütlesi 75 - 28 = 47 g olur. Hesaplamadan önce verilen kütlelerin aynı tepkimenin tüm giren veya tüm ürünlerine ait olduğundan ve sistemin kapalı kabul edildiğinden emin olunmalıdır.

Kimyasal denklem ve kütlenin korunumu ilişkisi

Kimyasal denklem, bir tepkimede hangi maddelerin giren, hangilerinin ürün olduğunu ve atomların nasıl yeniden düzenlendiğini gösterir. Denklemin iki tarafındaki her elementin atom sayısı eşit olmalıdır; böylece atom korunumu sağlanır ve buna bağlı olarak toplam kütlenin de korunması beklenir. Denklemi denkleştirme yöntemlerinin ayrıntıları ayrı bir konudur.

Örneğin hidrojen ve oksijenden su oluşumunu gösteren denklemde hidrojen ile oksijen atomlarının iki tarafta da aynı sayıda bulunması gerekir. Katsayılar, maddelerin miktar oranını ve atom sayılarını düzenler; maddenin kimliğini değiştirmek için formülün alt indisleri değiştirilmez. Kütle hesabında ise denklemin tüm giren ve ürün kütleleri birlikte değerlendirilir.

Mol ve kütle arasındaki temel fark

Kütle, maddenin gram gibi birimlerle ölçülen miktarıdır; mol ise taneciklerin miktarını ifade eden farklı bir ölçü birimidir. Kütlenin korunumu kanunundaki temel eşitlik doğrudan kütleler üzerinden kurulur.

Gaz oluşan tepkimelerde ölçülen kütle

Gaz oluşan veya gazın ortamdan ayrıldığı açık bir tepkimede kabın içindeki kütle azalıyor gibi görünebilir. Gaz kapalı kapta tutulursa toplam kütle korunur; açık kapta ise dışarı çıkan gaz ölçüme dâhil edilmez. Bu nedenle kapalı sistem koşulu özellikle gazlı tepkimelerde önemlidir.

Günlük yaşamdan basit tepkime örnekleri

Mumun yanması, yemek pişerken yeni maddelerin oluşması ve bazı temizlik ürünlerinin tepkimeye girmesi kimyasal değişimlere örnek verilebilir. Mum yanarken oluşan gazlar açık ortama yayıldığı için mumun ve kabın kütlesi tek başına izlenirse azalma görülebilir; tüm ürünler kapalı bir sistemde toplansaydı toplam kütle korunurdu.