Kimyasal Hesaplamalar – Lise 2 Kimya (10.Sınıf) Konuları
KİMYASAL HESAPLAMALAR
Kimyasal hesaplama yapabilmek için;
1- Tepkime denklemi doğru olarak yazılarak eşitlenmelidir. Bir tepkime bize şu bilgileri verir.
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
1 mol 3 mol 2 mol ( Mol sayısı korunmadı)
22,4 litre 3x22,4 litre 2x22,4 litre (N.Ş.A) (Korunmadı)
28 gram 6 gram 34 gram (Kütle korundu)
2 mol atom 6 mol atom 8 mol atom (Atom s. Korundu)
2 litre 3 litre 2 litre ( Sadece gazlar için)
6,02x1023 3x 6,02x1023 2x 6,02x1023
2- Başlangıçta bir maddenin miktarı verilirse o miktar önce mole çevrilir. Tepkime denkleminden faydalanılarak istenilen maddelerin mol sayıları hesaplanır.
3- Hesaplanan mol sayıları istenilen birimlere çevrilir.
Örnek : 3,2 gram CH4 gazı yeteri kadar O2 gazı ile yakılırsa,
A) Kaç mol O2 harcanır ? B) N.Ş.A da kaç litre hava harcanır. ? C) Kaç gram CO2 gazı oluşur ve N.Ş.A da kaç litredir ? D) Kaç tane H2O molekülü oluşur ? ( C=12 H=1 O=16 N=6x1023)
n= m/Ma ise n=3,2/16= 0,2 mol CH4
CH4 + 2O2 --->CO2 + 2H2O
0,2 0,4 0,2 0,4
A) 0,4 mol O2 harcanır. B) 0,4x5x22,4=44,8 litre hava harcanır. (Havanın 1/5 i O2 dir.)
C) 0,2x44=8,8 gram CO2 oluşur. D) 0,4x6x1023 = 2,4x1023 tane H2O oluşur.
Tepkime Çeşitleri :
1- Yanma Tepkimeleri: Yanma hava oksijeniyle (O2) tepkime demektir. 2 çeşit yanma vardır.
A) Yavaş Yanma: Bu tür yanmalarda bir alev yada parlaklık görülmez. Örneğin demirin paslanması, solunum..
B) Hızlı Yanma : Bu çeşit yanmalarda alev yada parlaklık gözükür ve olay kısa sürer. Örneğin mumun yanması, kağıdın yanması..
Bir element yanarsa oksiti, bir bileşik yanarsa bileşikteki elementlerin ayrı ayrı oksitleri oluşur.
Örnek : C + O2 ----->CO2 H2 + 1/2 O2 ------>H2O
CS2 + 3O2 CO2 + 2SO2 CO + 1/2O2 CO2
CO2 + O2 Yanmaz. Soygazlar ( He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rd) yanmazlar.
Asit- Baz Tepkimeleri : Asitlerle bazların tepkimelerinden tuz ve su oluşur.
Asit çözeltisi + Baz çözeltisi Tuz + su
HCl + NaOH------> NaCl + H2O
2H3PO4 + 3Ca(OH)2 Ca3(PO4)2 + 6H2O
Aktif Metallerin Asit Çözeltileriyle Olan Tepkimeleri: Aktif metaller asit çözeltileriyle tepkimeye girerlerse tuz ve H2 gazı oluşur.
Na + HCl ------>NaCl + 1/2H2 Al + 3HNO3 ----->Al(NO3)3 + 3/2H2
Yarı Soy Metallerin Asitlerle Olan Tepkimeleri : Yarı soy metaller ( Cu, Hg, Ag) Soy metaller ise Au ve Pt dir.
Yarı soy metaller yapısında oksijen bulunan kuvvetli ve derişik asit çözeltileriyle tepkime verirler. Tepkime sonunda tuz, asidin yapısından gelen bir oksit ve su oluşur. Bu tür tepkimelerde H2 gazı oluşmaz.
Cu + 4HNO3 Cu(NO3)2 +2 NO2(g) +2 H2O
2Ag +2 H2SO4 Ag2SO4 + SO2 +2H2O
FORMÜL BULMA
Bir molekülü oluşturan atomların bağıl sayılarını veren formüle basit formül (kaba formül), molekülü oluşturan atomların gerçek sayılarını veren formüle de molekül formülü denir.
Molekül formülü basit formülün tam sayılı katlarıdır.
(Basit formül) n= molekül formülü
MADDE BASİT FORMÜL MOLEKÜL FORMÜLÜ
Amonyak NH3
Glikoz CH2O C6H12O6
Eten CH2 C2H4
Basit formül bulunurken;
1- Verilen madde miktarları mole çevrilir.
2- Bulunan sayılar ilgili maddelerin sağ alt köşelerine yazılır.
3- sayılar tam sayı değilse ya içlerindeki en küçük sayıya bölünür yada uygun bir sayıyla genişletilerek sadeleştirilir.
Örnek -1
Bir organik bileşikte 2,4 gram C, 12,04.1022 tane azot (N) atomu, 0,2 mol O atomu ve 0,6 gram H atomu bulunmaktadır. Bileşiğin basit formülü nedir ?
Çözüm :
nC= 2,4/12 = 0,2 mol C nN= 12,04.1022/6,02.1023= 0,2 mol N nO=0,2 mol nH= 0,6/1= 0,6 mol H
C0,2H0,6N0,2O0,2 dir. Sayılar 0,2 ye bölünürse CH3NO olur.
Örnek-2
0,2 molünde 0,4 mol Pb ve 9,6 gram oksijen içeren bileşiğin basit formülü nedir ?( O=16)
Çözüm:
0,2 molünde 0,4 mol Pb varsa 1 molünde 2 mol Pb vardır. 0,2 molünde 9,6 gram O varsa 1 molünde 48 gram O bulunur.
NO= 48/16 = 3 mol O olur. Formül ise Pb2O3 olur.
Örnek-3
C ve H dan oluşan bir bileşiğin kütlece %25 i H dir. Buna göre bileşiğin basit formülü nedir ?(C=12 H=1)
Çözüm : 75 gram C nC= 75/12 = 6,25 mol nH= 25/1= 25 mol
C6,25H25 her ikisi de 6,25 e bölünürse CH4 bulunur.
Örnek-4
C,H ve O içeren organik bir bileşiğin 4,6 gramı oksijenle yakıldığında 8,8 gram CO2 ile 1,8.1023 tane H2O molekülü oluşmaktadır. Bileşiğin formülü nedir ? (C=12 H=1 O=16)
Çözüm :
X + O2 -------> CO2 + H2O
4,6 gram 0,2 mol 0,3 mol
bileşikteki karbon 0,2x12= 2,4 gram, bileşikteki hidrojen 0,3x2=0,6 gramdır. Oksijen ise 4,6 -(2,4+0,6) = 1,6 gramdır.
nC=0,2 nH=0,6 nO=0,1 mol C0,2H0,6O0,1 10 ile çarpılırsa C2H6O bulunur
Örnek-5
11,2 gram A ile 3,2 gram B den oluşan bileşiğin formülü AB dir. 22,4 gram A ve 9,6 gram B den oluşan bileşiğin formülü nedir ?
Çözüm :
11,2 gram bileşikte A ise 22,4 gram A2dir. 3,2 gram B yi gösteriyorsa 9,6 gram B B3 olmalıdır. Yani A2B3 dür.
Örnek-6
44 gram Mn ile N.Ş.A da 8,96 litre O2 gazı artansız tepkimeye giriyor. Oluşan bileşiğin formülü nedir ?
( Mn=55)
Çözüm :
nMn= 44/55 = 0,8 mol nO= 8,96/22,4 = 0,4 mol O2 O= 0,8 mol atom dur.
Mn0,8O0,8 her taraf 0,8 bölünürse MnO dur
RADYOAKTİVİTE
Radyoaktiflik, 1896 da Fransız Kimyacısı Henri Becquerel tarafından bulunmuştur. Becquerel ile Curieler, Jotiot, Saddly, Rutherford gibi kimyacıların araştırmaları; bazı ağır kimyasal elementlerin kararlı olmadıklarını ve ışıma yaptıklarını ortaya koydu. Işınım yapan bu maddelerin atom çekirdeklerinin kararsız oldukları görüldü. Atom numarası küçük olan elementlerin proton sayıları ile nötron sayıları oranı yaklaşık birdir (n/p=1). Atom numarası (z) 20 nin üstünde olan elementlerde nötron/proton oranı gittikçe artar ve çekirdek kararsız hale gelir. Z=83 den yukarıdaki elementlerin hepsi kararsız yapıdadır. Kararlı hale gelebilmek için bu elementler bazı ışımalar yaparak başka elementlere dönüşürler. İlk kez rastlanan bu olaya radyoaktiflik , değişme sürecine de radyoaktif bozunma adı verilir. Radyoaktif maddeler üç çeşit ışın yayarlar. Bunlar alfa, beta ve gama ışınlarıdır.
Bozunma Çeşitleri
1) Alfa Bozunması: kararlı olması ağırlığı nedeniyle olanaksız duruma gelen bir çekirdekten iki proton ve iki nötrondan oluşan bir alfa taneciği atılır.Böylece çekirdek kütle numarasından dört, atom numarasından iki birim kaybeder. Başka bir değişle periyodik cetvelde iki basamak aşağı iner. Yapısal olarak bir alfa parçacığı helyum çekirdeğine benzer.
238 234 4 210 206 4
U Th + He(Po Pb + He(
92 90 2 84 82 2
Alfa bozunması, en ağır doğal elementlerde (Uranyum, Polanyum,Radyum) görülen ortak özelliktir. Ama doğrudan kararlı çekirdek oluşturmaz.
2) Beta Bozunması : Çok nötronlu bir çekirdekte, çekirdekten çıkan bir nötron, bir protonla bir elektrona dönüşür. Bu biçimde çıkan elektrona beta parçacığı denir. Bu durumda beta bozunmasına uğrayan atomun kütle numarası değişmezken , atom numarası bir birim artar.
n p¯ + e ¯ 3 3 0
H He + e
1 2 -1
234 234 0
Th Pa + e
90 91 -1
3) Gama Bozunması : Genelde gama bozulması yalnız başına gelmez, diğer radyoaktif bozunmalara eşlik eder. Gama ışınları çok yüksek enerjili, kısa dalga boylu maddeden geçerken enerjisini yitirir. Radyoaktif bozunma sonucu oluşan yeni çekirdek üzerindeki fazla enerjiyi gama ışıması şeklinde dışarı vererek daha yüksek enerjili duruma geçer.
240 236 4
Pu U + He
94 92 2
236 236
U U +
92 92
4) Pozitiron Bozunması: Pozitron bozunmasına uğrayan bir atomda, bir nötronun protona dönştüğü ve bu esnada özellikleri elektrona benzeyen fakat +1 yüklü olan pozitron oluştuğu kabul edilir. Pozitron bozunması sonucunda kütle numarası değişmez, atom numarası bir birim azalır.
122 122 0
I Te + e
53 52 +1
5) Nötron Bozunması: Nötron bozunması sonucu yeni bir element oluşmaz, ancak bozunmaya uğrayan atomun izotopu meydana gelir.
87 86 1
Kr Kr + n
36 36 0
6) Elektron Yakalama: Çok protonlu bir çekirdek, aynı atomun iç yörüngelerinin birinden bir elektron alarak, bir protonu nötrona çevirir ve X ışını salıp, periyodik çizelgede bir birim alta iner. Bu olaya elektron yakalama denir.
RADYOAKTİF BOZUNMA BAĞINTISI
Bozunma sonunda kararlı S atomuna dönüşen P radyoaktif elementi için meydana gelen bozunma olayı, aşağıdaki şekilde yazılır.
32 32
P S + ¯
16 16
Burada görüldüğü gibi kararsız atom bir parçacığı yayınlayarak kararlı olan atoma dönüşmüştür.
Bir bozunma olayı genel olarak aşağıdaki şekilde ifade edilir.
A atomu B atomu + radyasyon
N sayıda radyoaktif atom olduğu kabul edilirse, dT zaman aralığında dN kadar atom bozulmaya uğrayacaktır. Bir radyoaktif elementin birim zamanda bozulan atom sayısına o atomun aktivitesi denir. Bozunan dN atom, başlangıçtaki N radyoaktif atom sayısı, geçen dT zaman ve bozulma sabiti, ile orantılı olacaktır.
dN = - . N dT (1.1)
Burada (-) işareti dT nin artışıyla Nin azalışını gösterir. (1.1) bapıntısı RADYOAKTİF BOZUNMA TEMEL BAĞINTISIDIR. Parçalanma sabiti, her Radyoaktif element için o elemente ait bir sabit olup zamana bağlı değildir. Bu, belirli bir kararsız atomlar grubunda bozulmamış bir atomun aynı bozunma şansına sahip olduğu anl----- gelir, yani radyoaktif atomların bozunma şansı daima sabittir. (1.1) bağıntısından,
= dN/N dT (1.2)
elde edilir. dT =1 alınırsa (1.2) bağıntısından = dN/N elde edilir ki bu da bozunma saatinin birim zamanda bozunan atomlarının sayısının, kararsız atomların sayısına bölümü olduğunu gösterir.
Bozunmamış radyoaktif atomların sayısını (1.1) bağıntısının integrali verir. T= 0 anında (başlangıç) No radyoaktif atom olduğu t zaman sonra N radyoaktif atom olduğu kabul edilirse, (1.1) bağıntısının integrali,
N=n T=t
dN/N = - dT
N=no T=0
şeklinde yazılır ve buradan aşağıdaki ifade elde edilir:
-t -t
n/no = e n=no e
Bu ifade ise radyoaktif atomların sayısının eksponansiyel olarak azaldığını gösterir.
no t=0 (başlangıç) anında bozunmamış madde miktarı,
n t=t anında bozunmamış madde miktarı,
kaynakta her bir atomun birim zamanda bozunmaya uğrama olasılığı.
YARI ÖMÜR
Radyoaktif maddenin yarı ömür terimi; aktivite veya radyoaktif atomların sayısının yarıya düşmesi için gerekli olan zamanı anlatır.
T yerine T½ ve n yerine no/2 değeri konulursa;
-T½
no/2 = no e
-T½
½ = e T½ = ln2
= 0.693/T½ (1.3) elde edilir.
Bu bağıntı (1.1)bağıntısında yerine konulursa;
-0.693/T½ . t
N = no e
Radyoaktif seriler
Tüm doğal oluşumlu radyoaktif atomlar üç seride toplanır.
9 238
1) Uranyum serisi; yarı ömrü 4.51x 10 sene olan U ile yaratılırlar. Alfa ve beta parçacıklarının yayınımını içerir. Gama ışınlarıda bu dönüşümlerin sonucu olarak ayrıca oluşur.
235 10
2) Aktinyum serisi U den başlar.Yarı ömürleri 7.13x10 senedir.
232 10
3) Throrium serisi; Th ile başlar.Yarı ömürleri 1.39x10 senedir.
Tüm seriler kurşunun kararlı izotoplarında son bulur.
RADYASYON VE ENERJİ
Enerjinin boşlukta yayılabilen bir türü de radyasyondur. Parçacık (partikül) radyasyonu ve elektromanyetik dalga radyasyonu (x ışını, ışını gibi fotonlar) olmak üzere iki grupta incelenebilir.
Parçacık radyasyonu (elektron, proton, nötron, alfa ışını) parçacığın kütlesi ve hızı (kinetik enerjisi) ile belirlenir.Nükleer parçacıkların elektrik alanda hızlandırılmaları sonucu kazandıkları enerji , genellikle elektron volt=(eV) birimi ile ifade edilir. 1 eV, bir elektron yükü taşıyan parçacığın bir voltluk potansiyelle hızlandırılması sureti ile kazandığı enerji miktarıdır.
-19
1 eV, erg cinsinden (1.6x10 J gibi) çok küçük bir değer taşıdığı için pratikte bunun 1000 katı olan kilo elektron volt (keV) veya daha büyük olarak 1keVun 1000 katı olan milyon elektron volt (MeV) birimleri kullanılır.
2
Bir elektronun kütle enerjisi Einsteinin E=mc formülü (E:Enerji, m:kütle,c:ışık hızı) ile 8.1x10 erg veya 0.51 Mev olarak hesaplanır. Bir MeV ise 1mg kütleyi sadece bir milyonda biri kadar yüksekliğe kaldırabilen enerji miktarıdır.
RADYASYON KAYNAKLARI
A) Doğal radyasyon kaynakları:
1) Kozmik ışınlar ve dünya kabuğunda havada ve suda tabi olarak bulunan radyoaktif izotoplar
2) Vücudun tabi bileşenlerinden olan radyoizotoplar (K-40 ve C-14 gibi)
B) Yapay radyasyon kaynakları:
1) Elektron, nötron, proton gibi parçacıkların hızlandırılması ile elde edilen radyasyonlar (x ışını tüplari ve betatron, siklotron gibi yüksek enerjili parçacık hızlandırıcı cihazlar.)
2) Yapay izotoplar:
Kanser tedavisinde yaygın olarak kullanılan radyoizotoplar:
Co-60 (kobalt): Eksternal radyoterapide kullanılır.
Cs-137 (sezyum): Brakiterapide kullanılır.
Sr-90 (stronsiyum): Kontak ışınlama için kullanılır.
İr-192: İnterstisyel implantasyon ve intralüminal brakiterapide kullanılır.
Ra-226: Brakiterapide kullanımı terk edilmiştir.
İ-131: Up-take yapan tiroid kanserinde sistemik yoldan uygulanır.
ELEKTROMANYETİK RADYASYONLAR
X ve gama ışınları elektromanyetik ışınlardır. Bu ışınlar özellikleri bakımından aynıdır aralarındaki tek fark meydana gelişleridir. X ışınları, çekirdek dışında bulunan elektronlar tarafından meydana gelir Gama ışınları ise atom çekirdeğinin içinde oluşur. X ve gama ışınları iki önemli özelliğe sahiptirler. Bunlardan birincisi, bu radyasyonların uzayda dalga hareketi ile yayılmalarıdır. Bu dalgalar herzaman ışık hızında hareket ederler.
C=.
X ve gama ışınlarının ikinci bir özelliği de, herikisi de foton adı verilen enerji paketlerinden oluşmuş olmalarıdır. Herbir fotonun taşıdığı enerji E=hdür.
E fotonun enerjisi, h planck sabiti (=6.625x10 joule/s) ve frekanstır.
A) Gama ışınları:
Gama ışınları kısa dalga boylu elektromanyetik radyasyonlardır. Gama radyasyonu, alfa ve beta yayınımı takiben türev çekirdek tarafından olur. Radyoaktif çekirdekten Alfa ve Beta ışınları yayınlandıktan sonra türev çekirdek uyarılmış halde bulunur. Bu çekirdekte aşırı bir enerji vardır. Çekirdek normal haline geçerken bu aşırı enerjiyi kaybetmesi, çekirdekten bir parçacığın fırlaması şeklinde olmazsa buna İZOMERİK GEÇİŞ denir. Bu sırada bir gama ışını yayınlar.
Yüksek enerjili gama ışınları birkaç santimetre kalınlığındaki kurşundan geçerler. Yüksüz olduklarından elektrik ve manyetik alanlardan etkilenmezler. İyonlaştırıcı özelliğe sahiptirler.
B)Ultraviyole Işınlar :
Diğer bir elektromanyetik radyasyonda ultraviyole radyasyonudur. Bu radyasyon da, en kısa dalga boylu yani en yüksek enerjili bir radyasyondur. Bu radyasyon ancak bir tek atomda iyonlaşmaya yol açabilir. Yani ultraviyole fotonun ancak bir tek primer iyonlaşma yapabilir.
C)X-Işınları:
X-ışınları 1895 yılında Alman Fizikçi Wilhem Canrat Röntgen tarafından
bulunmuştur. X-ışını tüpü, yüksek vakumla havası boşaltılmış cam kılıftan oluşur. Bir ucunda katot diğer ucunda anot bulunur. Bunların herikisi de tüp içinde lehimle sımsıkı mühürlenmiştir.
Katot, ısıtıldığında elektron salan tungsten materyalinden yapılmış bir flamadan ve bu flamaya gerekli akımı sağlayacak negatif odaklayıcı bir kaptan oluşmuştur. Katot kabının görevi flamadan çıkacak elektronları, anoda doğru yönelterek hedefte belirtilen alan ve odak noktaya çarpmalarını sağlamaktır. Odak noktasının büyüklüğü flamanın büyüklüğüne bağlıdır. Flamanın tungstenden seçilmesinin nedeni, yüksek erime noktasına sahip olmasıdır.
Anot ise kalın bir çubuktur ve bu çubuğun sonunda küçük bir tungsten bir hedef bulunur. Hedefin tungsten seçilmesinde temel kriterler; yüksek atom numarasına ve yüksek erime noktasına sahip olmasıdır. Çünkü X- ışını oluşumu olasılığı atom numarasına bağlıdır. Bununla birlikte erime sıcaklığının yüksek bir değer (3370 derece) olması elektronlarla bombardıman edildiğinde oluşacak sıcaklıktan daha az etkilenmesi bakımından da iyi bir seçimdir. Elektronların hedefe çarpması sonucunda anot ısınır, ısının etkin bir şekilde tekrar normale döndürülmesi için çeşitli anot dizaynları vardır.
Anot ve katot arasına yüksek gerilim uygulandığında katottaki flamadan elektron yayınlanır. Bu elektronlar yüksek gerilim altında anota doğru hızlandırılır ve hedefe çarpmadan önce yüksek hızlara ulaşır. X- ışını bu hızlı elektronların hedefe çarptığında tungstenin çekirdeğinin itme kuvvetinden dolayı ani şekilde yön değiştirmesi ya da ivmelenmesinden dolayı oluşur.
X- Işınlarını özellikleri:
1) X- ışınları elektromanyetik dalgalardır.
2) Gözle görülmezler.
3) Işık hızında yayılırlar.
4) Yüksüz olduklarından elektrik ve manyetik alanlarda sapmazlar.
5) İyonlaşma yaparlar.
6) Fotoğraf filmlerini etkilerler
X - ışını oluşumunda iki ayrı olay arastlanır.
1)Bremstrahlung (frenleme) X- ışını
Bremstrahlung işlemi yüksek hızlı elektronlarla atom çekirdeği arasındaki çarpışmada ya da etkileşme sonucunda ortaya çıkar. Yüksek hızlı elektron hedef çekirdeğinin yanından geçerken, coulomb itme kuvvetinin etkisiyle yolundan sapabilir ve enerji kaybeder. Kaybedilen bu enerji boşluğa elektromanyetik alan tarafından yayılır. De Broglie dalga modeline göre elektron kendini eşlik eden elektromanyetik dalga ile çekirdeğin çevresinden geçer ve aniden saçılarak farklı bir yönde ivmelenir. Bu olaylar sonucunda enerjisinin bir kısmını ya da tamamını kaybeder ve bu enerji elektromanyetik radyasyon olarak boşluğa yayılır. Elektron tungsten hedef içinde bir veya birden fazla bremstrahlung etkileşmesine uğrayıp, enerjisini kısmen ya da tamamen yitirir. Dolayısıyla bremstrahlung fotonunun yayılma yönü hedefe düşen elektronların, yönüne bağlıdır. Bu etkileşme sonucu oluşan X- ışınları spektrumu süreklidir.
2) Karakteristik X ışınları
Elektronlar hedefe çarptıklarında ayrıca karakteristik X ışınlarıda oluştururlar.
Elektronlar hedefteki atomun yörünge elektronlarıyla etkileşip bu elektronları atomdan ayırarak atomun iyonlaşmasına neden olurlar. Çarpan elektron, atomu Eo - E enerjisi ile terk eder E enerjisini yörüngeden elektron koparmak için harcar. Bu arada kopan elektronun yerinde bir elektron boşluğu oluşur. Daha yukarıdaki yörüngelerden bir elektron, daha kararlı hale gelmek için alt yörüngedeki boşluğa geçer. Bu geçiş sırasında enerjisiyle orantılı olarak bir ışıma yapar.
X- Işını Spektrumu
X- ışını makinalarında üretilen X fotonlarının enerjisi homojen değildir.X- ışını
spektrumu bremstrahlung X-ışınlarının oluşturduğu sürekli enerji spektrumlarıyla bunun üstüne binmiş karakteristik X- ışınlarının oluşturduğu kesikli enerji spektrumunun toplamıdır.
Filitrasyon işlemi yapılarak spektrum düşük enerjili bileşenleri emilerek, tek dalgaboylu enerjili fotonlarda oluşan daha homojen bir X-ışını demeti elde edilir.
RADYOBİYOLOJİ
İyonlayıcı radyasyonlar, parçacıklardan veya fotonlardan oluşan bir elektromanyetik dalga yayılımıdır ve enerji seviyeli (frekansları) birbirinden farklıdır. İçinden geçtikleri maddelerde iyon çiftleri oluşturma özellikleri vardır ve bu iyon çiftleri (bilhassa su molekülünün hidroksil OH köklerine ayrışması) moleküler seviyede canlı dokular için tahrip edici özellikleri vardır. Hücre içi metabolizma bozuklukları ve hücre zarı bir takım tahribatlar yanında en önemli etki, hücrenin canlılığını ve bölünerek çoğalması kontrollü bir şekilde temin eden hücre çekirdeğinde, yani kromozomlarda meydana gelir.
İyonlayıcı radyasyonlar bu etkileri ile tıp ve biyolojide önemli uygulama alanları bulmuşlardır. Radyoterapi ve nükleer tıpta kanser tedavisi için kullanılan bu iyonlayıcı radyasyonlarda seçici olarak tümör hücreleri tahrip edilirken, sağlam dokuların zarar görmesi mümkün olduğu kadar azaltılmalıdır.
İyonize radyasyonun canlı üzerine etkisi(Biyolojik etkiler zinciri) 4 kademede gelişir:
1)Fiziksel Kademe(ışınlama): İyonlaşma ve uyarılmalar olur. (10-16 sn de)
2)Fiziko-Kimyasal Kademe: Kimyasal bozukluklar gelişir radikaller oluşur. (10-6 sn de)
3)Kimyasal Kademe: Biyo-moleküler bozuklıklar gelişir. Saniye ve saatler sonra belirginleşir.
4)Biyolojik Kademe: Hücre ve doku ölümleri oluşur. Saatler ve yıllar sonra belirginleşir.
Bu kademeler iyonize radyasyonun indirekt etki yolunu gösterir. Direkt etki yolu ise iyonize radyasyonun moleküllerden kopması ve kırılmalar göstermesidir. Örn: DNA kopması direkt etkidir.
İyonize radyasyon ile kanser hücre ölümünde biz en çok indirekt etkiden yararlanırız. Bu oran %80-90 dır. CA hücrelerin ölümü az bir kısmı radyasyonun direkt etkisi ile olur. İyonize radyasyonun etkisi özellikle mitozda, mitoza hazırlık safhasında çok fazladır.1 mm3 de 108109 kanser hücresi vardır.
Tıpta kanser tedavisinde kullanılan iyonlayıcı radyasyonlar 50-400 keV ile 1.25-25 MeV seviyeleri arasındadır ve 2 yöntemle elde edilir.
1) Yapay ya da doğal radyoaktif maddelerin atom çekirdek bozunması sayesinde elde edilen elektronlar, alfa, beta ışınları ve en önemlisi Co-60 ve Cs-137 gibi radyoaktif elementlerden elde edilen ışınları.
2) Nötron, proton, ağır iyonlar ve yaygın olarak kullanılan elektron hızlandırıcıları ile elde edilen yüksek enerjili parçacık ışınları ve en önemlisi hızlandırılan elektronların, tungsten gibi atom ağırlığı yüksek plakalara çarptırılması ile elde edilen yüksek enerjili X-ışınları.
FİZİKSEL ETKİLEŞİM
Yüklü parçacıklar (elektron, proton, ağır iyonlar) hızla ortam içinde geçerken, yakınından geçtikleri elektronlarla etkileşime girer ve iyonizasyon - eksitasyon (iyonlaşma-uyarma) meydana getirirler.Nötron yüksüz bir partiküldür, foton ise (,X ışını) yüksüz olduğu gibi parçacık içermeyen bir elektromanyetik dalgalardır. Ancak bunlarda geçtikleri ortamda aynı fiziksel olaylara(iyonlaşmaya) neden olurlar.Ortamöda ilerlerken fotonlar elektronlarla, nötronlar protonlarla etkileşerek onları harekete geçirirler, bu yükü parçacıkların birbirini itmesi, zıt yüklü parçacıkların birbirini çekmesi sonucunda iyon çiftleri meydana gelir.
1)Elektron Madde Etkileşimi
Primer veya sekonder elektronlar hızla içinden geçtikleri kinetik enerjilerini şu şekilde aktarırlar.
Elektron çarpışması sonucu maddeye enerji transferi gerçekleşir.(Bu olay ikinci olaya nazaran hakim olan olaydır ve ortamda meydana gelen değişikliklerden büyük oranda sorumludur)
Elektron çekirdek yanından geçerken frenleme sonucu X-ışınları meydana gelmesi
2)Ağır Parçacık-Madde Etkileşimi
Proton, ağır iyon gibi kütlesi nispeten büyük olan parçacıklar elektron gibi elektrik yük taşırlar.Yüksüz olan nötronlar ise ortamda ilerlerken çekirdek ile çarpışarak proton ve elektron serbestleştirirler.(özellikle hidrojen içeren su atomlarında) Bu sekonder protonlar ve elektronlar biyolojik etkilerden sorumludur.
3) Foton- Madde Etkileşimi
Gelen foton ortamdaki elektronlarla etkileşime girer.Bu etkiler, elektromanyetik dalga ile elektron etrafındaki elektrik alan içinde, ancak çok kısa mesafelerde meydana gelen şu fizik kuvvetleridir.
Compton Olayı: Yüksek enerjili tedavide hakim olan olaydır.Gelen foton, enerjisinin bir kısmını ortamdan koparttığı bir elektrona (compton elektronu) verir ve enerjisi azalmış ve yönü değişmiş olarak yoluna devam eder. Gelen fotonun enerjisi ne kadar yüksekse, compton olayının kinetik enerjisi de o kadar yüksek olur.
Fotoelektrik Olay : Compton olayından sonra ikinci önemli ve hakim olan olaydır.Gelen foton tüm enerjisini iç yörüngelerden koparttığı bir elektrona aktarır.(Fotoelektron). Elektronu kopan atom içinde elektron yörüngelerinde enerji seviyelerinde meydana gelen yeni düzenleme ile düşük enerjili yeni bir foton ve/veya bir elektron yayımı oluşur.
Radyoterapide meydana gelen daha az önemli diğer 3 olay şunlardır;
Gelen fotonun yön değiştirmesi
Çift oluşumu: Düşük enerji seviyesindeki (1.02MeV) bir foton atom çekirdeği yanındaki yoğun elektrik alanında enerjisini tüketir ve bu enerjinin maddeye dönüşmesi zıt yüklü ve 0.51 MeV enerjili iki elektronun oluşması şeklinde olur. (Negatron, Pozitron) Ancak bu parçacıklar hemen karşı parçacıklar ile birleşerek yok olur ve enerjileri, birbirine zıt yönde ilerleyen iki foton doğmasına neden olur.Yok olma (anhilasyon) fotonları adını alan bu fotonların enerji seviyeleri de 0.51 MeV dir.
Çekirdek Radyasyonu: Çok yüksek enerjili X-ışınlarının çekirdeğe isabet etmesi durumunda tüm enerjisi çekirdeğe aktarılır ve çekirdekten bir nötron fırlatılmasına ve kalan çekirdeğin genellikle radyoaktif olan bir izotopa dönüşmesine neden olur.(Yapay izotoplar)
RADYASYON ÖLÇÜM BİRİMLERİ
İyonlaştırıcı radyasyonlarla yapılan çalışmalarda sonuca ulaşabilmek ve oluşacak zararlı biyolojik etkileri belirleyebilmek için radyasyon miktarının bilinmesi gereklidir. Bu amaçla radyasyon ölçecek bir takım birimlerin tanımlanması gereksinimi vardır.
Radyasyonun ölçülmesinde ilk zamanlarda tanımlanan birimler senslerle birlikte büyük değişikliklere uğramış hatta bunlardan bir kısmı (örneğin PASTİL birimi) tamamen terk edilerek yerlerine yeni birimler getirilmiştir. Daha sonra Uluslararası Radyasyon .Bilimleri Komitesi (ICRU) kullanılan birimleri yeniden inceleyerek aktivite, ışınlama, absorblanmış(soğrulmuş) doz ve doz eşdeğeri için özel birimler tanımlamıştır. Bunlar sırasıyla Curie(Ci), Röntgen®, Rad ve Remdir. Halen kullanılmakta olan bu birimler bugün yavaş yavaş uygulamadan kalkmaktadır. Buna neden, Uluslararası Ölçüler ve Ağırlıklar Bürosu (BIPM) ile Uluslararası Ölçüler ve Ağırlıklar Komitesi (CIPM) nin bütün dünyada kullanılan birimlerin aynın olması gereğini vurgulayarak MKS sistemini esas alan Uluslararası Birimler Sistemi ni (İnternatıonal Sistem of Unıt-SI) 1970li kabul ve ilan etmesidir. Bu kabule göre SI birimlerinin yanı sıra eşdeğeri özel radyasyon birimlerinin belirlenmesinden sonra ise tek başına yazılmaları kararı alınmıştır.
Sağlık Fiziğinde kullanılan birimler aşağıda açıklanmıştır. Bunlar:
Aktivite Birimi(A) : Birim zamanda(t) kendiliğinden oluşan çekirdek çözünmesidir. A=N/t
Özel birim : Curie(Ci)
SI birimi : Becquerel(Bq)
Curie : Bir saniyede 3,7*1010 parçalanma veren radyoaktif madde miktarının aktivitesidir.
Bequerel : Bir saniyade bir parçalanma veren radyoaktif madde miktarıdır.
1 Ci = 3,7*1010 Bq
1 Bq = 2,7*10-11 Ci
Işınlama (Exposure) Birimi (X) : Fotonlar tarafından havada oluşturulaniyonizasyon miktarıdır. Yani havanın birim kütlesi başına fotonlar tarafından açığa çıkarılan bütün elektronlar havada tamamen durdurulduğunda havada oluşan aynı işaretli iyonların toplam yükün mutlak değeridir. X=dQ/dm
Özel birim : Röntgen
SI Birimi :Coulomb/kg Özel bir ad konmamış. (C/kg)
Röntgen : Normal hava şartlarında (00 derecede 760 mmHg basıncında) havanın 1 kg 'ında 2,58*10-4 Coulomb'luk elektirik yükü değerinde +ve - iyonlar oluşturan foton radyasyonu miktarıdır.
C /Kg : Normal hava şartlarında havanın 1kg'ında 1 Coulomb'luk elektrik yükü değerinde + ve - iyonlar oluşturan foton radyasyonu miktarıdır.
1R = 2,58*10-4 C/Kg
1 C/Kg = 3876 R
Işınlama Doz Şiddeti(X/t) : Birim zamanda ortaya çıkan ışınlama dozudur.Birimi (R/s) dir. Radyasyon korunmasında bu birim saniye yerine saat (h) olarak gösterilmektedir.
Absorblanmış Doz(D) : Birim kütleye verilen enerji miktarıdır. D=dE/dm
Özel birim: rad(radiation absorbed dose)
SI birimi: Gray(Gy)
Röntgen fotonlar için tanımlandığından başka radyasyonlar için kullanılamaz. Halbuki fotonlardan başka alfa, beta, nötron, proton vs gibi parçacık radyasyonlarda geçtikleri ortama , ortamın özelliğine bağlı olarak enerji verirler.Bu nedenle radyasyon cinsinden , enerjisinden ve soğurucu ortamın özelliğinden bağımsız yeni bir birime gerek duyulmuştur. (1953 yılında)
rad : ışınlanan maddenin 1kg'ına ,001Joule'lük enerji veren radyasyon miktarıdır.
Gray: ışınlana maddenin 1kg'ına 1 Joule'lük enerji veren radyasyon miktarıdır.
1Gy= 1 J/kg=100 rad
Eşdeğer Doz(H): Absorblanmış doz ile boyutsuz olan radyasyon ağırlık faktörünün çarpımıdır.
H=D*WR WR=Radyasyon ağırlık faktörü
Özel birim: rem (röntgen *****alent man)
SI birimi : Sievert(Sv)
Farklı radyasyonların insan dokusundaki hasarları farklı olacağından , güvenlik standartlarının temel dozimetrik değeri olan soğrulan doz , radyasyon korunması amaçları için tam tatmin edici olmamaktadır. Bu nedenle; dokudaki soğrulan dozun , sağlık etkisine yol açan radyasyonun türüne bağlı olarak saptanmış olan radyasyon ağırlık faktörü ile çarpılması gerekmektedir.
1Sv= 1 J/kg= 100 rem
GAZLAR
01. Gazların Özellikleri:
Gazlar moleküller arası çekim kuvvetleri en az olan maddelerdir. Gaz molekülleri birbirinden bağımsız hareket ederler. Aralarındaki çekim kuvveti ancak ve sadece London çekim kuvvetidir. Büyük basınç ve düşük sıcaklıklarda sıvılaştırılabilirler. Gaz molekülleri bulundukları yeri her tarafına eşit oranda yayılarak doldururlar. Sonsuz oranda genişleyebilirler. Basınç altında yüksek oranda sıkıştırılabilirler. Yüksek basınçtan alçak basınca doğru çabucak akarlar. Sıcaklık ile basınç doğru orantılıdır. Düşük yoğunlukları vardır.
Gazların fiziksel davranışlarını dört özellik belirler. Bunlar; Basınç (P), sıcaklık (T) ve hacim (V) gazların durumunu değiştirebilen etkenlerdir. Gazlar genellikle kokusuz ve renksizdirler. Bazılarının kokusu, rengi ve zehirliliği en belirgin özelliğidir. Br2 kahverengimsi kırmızı, I2 mor renkli, NO2 ve N2O3 kahve renkli, F2 ve C12 yeşilimsi sarı, NH3 keskin kokulu, oksijen, azot ve asal gazlar dışındakiler zehirlidirler.
Basınç: Basınç, bir yüzeye uygulanan kuvvetin, o yüzeyin alanına bölünmesiyle bulunur.
P(Pa) = F(N)/ A(m2)
Atmosfer basıncı barometre ile ölçülür. Bir barometredeki civa yüksekliğine barometre basıncı denir. Atmosfer koşulları ve yükseklikle değişir. Standart atmosfer (atm), civa civa yoğunluğu 13,5951 g/cm3 (0 oC ) ve yerçekimi ivmesi g = 9,80665 ms-2 olduğu durumda, 760 mm yükseklikteki bir civa sütununun oluşturduğu basınç olarak tanımlanabilir.
1 atm = 760 mm Hg
1 atm= 760 torr
1 atm = 101,325 N/ m2
1 atm = 101,325 Pa
1 atm = 1,01325 bar
02. Basit Gaz Yasaları
Boyle Yasası: Sabit sıcaklıkta, sabit miktardaki gazın hacmi, basıncı ile ters orantılıdır.
P a 1/V yada PV = a (a sabit )
Orantı işareti (a) yerine eşitlik ve orantı sabitini koyarsak, sabit bir sıcaklık ve miktardaki gazın basınç ve hacim çarpımı bir sabite eşittir. Bu sabit değerde gazın miktarı ve sıcaklığına bağlıdır.
Örnek : 30 litre bir gazın, basıncı 6 atmosferden 3 atmosfere düşürüldüğünde hacmi ne olur?
Çözüm: Gazın sadece bir P1, V1 hali belli olması PxV sabitini bulmaya yeterlidir.
P1 = 6 atm, V1 = 30 L
P1.V1 = P2V2
6 (atm) x 30 (L) = 3 atm x V2
V2 = 180 L atm / 3 (atm)
V2 = 60 L bulunur.
Charles Yasası: Sabit basınçtaki, gazın hacmi sıcaklıkla doğru orantılıdır.
V a T veya V = bT (b Sabit) T (K) = t (oC) + 273,15
Örnek:. 25°C de 50 cm3 gaz 0°C ye soğutulursa hacmi ne olur?
Çözüm: Sıcaklık mutlaka mutlak sıcaklık cinsine çevrilmelidir:
bağıntısı kullanılarak ve V1 = 50 cm3, T1 = 25°C + 273 = 298 K, T2 = 0°C + 273 K alınarak
50/293 =V2 (cm3) / 273 V2 = 46,6 cm3 elde edilir.
Normal (ideal ) Basınç ve sıcaklık : Gazların özellik olarak sıcaklık ve basınca bağlı olması nedeniyle, normal sıcaklık ve basınç kavramları kullanılır. Gazlar için normal sıcaklık 0oC =273.15 K ve normal basınç 1 atm =760 mmHg dır.
Avagadro Yasası: Sabit sıcaklık ve basınçta, bir gazın hacmi miktarı ile doğru orantılıdır.
Bu kuram iki farklı şekilde ifade edilir.
1. Aynı basınç ve sıcaklıkta, farklı gazların eşit hacimleri aynı sayıda molekül içerir.
2. Aynı basınç ve sıcaklıkta, farklı gazların aynı sayıdaki molekülleri eşit hacim kaplar.
V a n veya V = c.n
Normal koşullarda bir gazın 22.414 Lsi 6,02x1023 molekül ya da 1 mol gaz bulunur.
1mol gaz = 22.4 L gaz (normal koşullarda)
Birleşen Hacimler Yasası: Sıcaklık ve basıncın sabit olduğu tepkimelerde gazlar tamsayılarla ifade edilen basit hacim oranlarıyla birleşirler.
2 CO (g) + O2 (g) 2CO2 (g)
2L CO (g) + 1L O2 (g) 2 L CO2 (g)
03. İdeal Gaz denklemi
Basit gaz yasalarından yararlanarak, hacim, basınç, sıcaklık ve gaz miktarı gibi dört gaz değişkenini içeren tek bir denklemde birleştirilerek ideal gaz denklemi elde edilir.
1. Boyle yasası, Basıncın etkisini tanımlar, P a 1/V
2. Charles yasası, Sıcaklık etkisini tanımlar, V a T
3. Avagadro Yasası, gaz miktarının etkisini tanımlar, V a n
Bu gaz yasalarına göre, bir gazın hacmi, miktar ve sıcaklık ile doğru orantılı, basınç ile ters orantılıdır. Yani V a nT/P ve V= RnT/P
Pv = nRT
İdeal gaz denklemine uyan bir gaza idael veya mükemmel gaz ismi verilir.
İdeal gaz denkleminde gaz sabitinin değeri ideal şartlardaki birimlerden yararlanarak bulunur.
R = PV/ nT = 1 atm x 22,4140 L / 1 mol x 273,15K = 0,082057 L atm/mol K = 0,082057 L atm mol-1 K-1 elde edilir.
SI sistemine göre
R = PV/ nT = 101,325 Pa x 2,24140.10-2 m3 / 1 mol x 273,15K = 8.3145 m3 Pa mol 1 K-1
R = 8,3145 J mol-1 K-1
Örnek: 800 ml bir kapta 275 oC de 0.2 mol O2 nin oluşturduğu basınç ne kadardır ?
PV = nRT
P x 0,800 L = 0,2 x 0,082 L atm mol-1 K-1 x (273 + 275) K
P = 11,2 atm
Genel Gaz Denklemi:
Bazı durumlarda gazlar iki farklı koşulda tanımlanır. Bu durumda ideal gaz denklemi, başlangıç ve son durum olmak üzere iki kere uygulanır.
PiVi = ni R Ti R = PiVi / ni Ti
PsVs = ns R Ts R = PsVs / ns Ts
PiVi / ni Ti = PsVs / ns Ts bağıntısına genel gaz denklemi denir.
Mol kütlesi tayini :
Bir gazın sabit sıcaklık ve basınçta kapladığı hacim bilinirse, gaz miktarı