ATOMUN YAPISI VE PERİYODİK TABLO
*ATOM
l Atom hakkındaki ilk görüşler, yaklaşık 2000 yıl süreyle, deneylere değil, yalnız düşünceye dayanmış, ve bilim adamları kitaplarında görüşlerini açıklamışlardır:
l Bir atom kuramı önerilmesi ve böylece kimyanın gelişmesine en önemli katkı J. Dalton (1766-1844) tarafından yapılmıştır.
l Dalton atom kuramı, zamanında bilinen deneylere ve kimya yasalarına dayanır, ancak temelleri günümüzde de geçerlidir.
l Elementler atom denilen küçük taneciklerden oluşmuşlardır.
l Bir elementin bütün atomları özdeştir.
l Bir elementin atomları, başka bir elementin atomlarından farklıdır.
l Bir elementin atomları, diğer bir elementin atomları ile birleşerek bileşikleri meydana getirebilir.
l Kimyasal işlemlerde (reaksiyonlarda) atomlar bölünmez. Yani, kimyasal reaksiyonlarda atomlar oluşmaz veya parçalanmaz. Bir kimyasal reaksiyon, atomların gruplanmalarının değişmesidir.
l Dalton atom teorisindeki 2. madde olarak verilen “bir elementin bütün atomları özdeştir” görüşü bugün için geçerli değildir.
l Ayrıca, 5. madde de belirtilen görüş, kimyasal reaksiyonlar için doğru, çekirdek reaksiyonları için doğru değildir.
l Çekirdek reaksiyonlarında atomun parçalandığı kabul edilir.
l Dalton atom teorisinde elementlerin atomlardan meydana geldiği belirtilmiş, ancak atomun yapısı hakkında yorum yapılmamıştır.
l Bundan sonraki araştırmalar, atomun iç yapısını aydınlatmaya yönelik olmuştur.
2.1 MADDENiN ELEKTRiKSEL YAPISI, ELEKTRON
l M. Faraday, 1834'te, kimyasal bileşiklerin sulu çözeltilerinden elektrik akımı geçirilerek kimyasal yapıda değişiklik sağlandığını göstermiş ve maddenin elektriksel yapısı hakkında ipuçları elde etmiştir.
l Bir elementin çeşitli bileşiklerinin ayrı kaplardaki çözeltilerinden elektrik akımı geçirilirse ayrılıp toplanan element miktarının geçen akıma bağlı olarak arttığı ve diğer taraftan, çeşitli elementlerin bileşiklerinin çözeltilerinden elektrik akımı geçirilirse, toplanan elementlerin miktarları arasında bir düzenlilik olduğu gözlenmiştir.
l 1874'te JJ.Stoney, elektriğin taneciklerden ibaret olduğunu ve bu taneciklerin atomun yapısında da bulunduğunu önermiş, ve 1891'de bunları, elektronlar olarak adlandırmıştır.
l Elektronlar hakkında daha ayrıntılı bilgi, 19. yüzyılın sonlarında, gaz boşalma tüplerinde elektrik akımı üzerinde yapılan çalışmalarla elde edilmiştir. Bu tüpler, her iki ucunda birer elektrot bulunan ve havası boşaltılabilen tüplerdir (Şekil 3.1.1) .
l Tüpün havası kısmen boşaltılır (10-2 atmosfere kadar) ve elektrotlar arasına bir gerilim (10 000-20 000 volt kadar) uygulanırsa bir elektrik akımı gözlenir ve tüpteki hava renkli bir ışıldama yapar.
l Tüp içinde, hava yerine çoğunlukla bir gaz, örneğin neon kullanılır ve ışıldamanın rengi gazın çeşidine bağlıdır.
l Eğer elektrotlar arasına, üzerine fluoresan boya (örneğin çinko sülfür veya fosfor) sürülmüş, bir ekran yerleştirilirse, ekranın negatif elektrot (katot) karşısına gelen tarafında ışıldama görülür.
2.1 MADDENiN ELEKTRiKSEL YAPISI, ELEKTRON
Tüpteki gaz tamamen boşaltılırsa (10-6 atmosfere kadar) renkli ışık görülmez, fakat elektrik akımı geçmeye devam eder ve tüpün çeperlerinde bir ışıldama görülür.
Ekran delikli ise, pozitif elektrot (anot) tarafında deliğin karşısına gelen yerler, fakat katot tarafında her yer ışıldar.
l Bu gözlemler, katottan anota doğru bir elektrik akımı olduğunu gösterir ve katottan anota doğru hareket eden bu elektrik yüküne katot ışınları denir.
l Katot ışınları üzerindeki daha ileri araştırmalar, bunların a) bir doğru boyunca yol aldıklarını, b) elektrotlar arasına konan bir metal levhayı ısıttıklarını,c) özelliklerinin elektrot olarak kullanılan maddeye bağlı olmadığını d) tüpteki gaza bağlı olmadığını e) negatif elektrikle yüklü olduklarını gösterecek şekilde elektriksel ve magnetik alanda saptıklarını göstermiştir.
l O halde katot ışınları, hızlı akan elektronlardır.
l JJ. Thomson, 1897'de, katot ışınlarının magnetik ve elektriksel alanda sapmalarını gözleyerek, elektronlar için yük/kütle, e/m oranını ölçmüştür; fakat Thomson yöntemi ile e ve m'nin değerleri tek tek ölçülemez.
l Bunun için kullanılan düzenek Şekil 3.1.2' de gösterilmiştir.
l Katot ışınları tüpünde katotta oluşturulan elektronlar, anottaki delikten geçerek, fluoresan boya ile kaplı yüzeye çarparlar ve ışıklı bir nokta görülür.
l Tüpe elektriksel alan uygulanırsa, yani tüpün altına ve üstüne zıt elektrikle yüklenmiş levhalar (saptırıcı levhalar) konursa, elektronların artı yüklü levhaya doğru saptığı ve yüzeye A noktasında çarptıkları görülür.
l Bu sapma, parçacığın negatif elektrik yükü ile doğru orantılıdır.
ž Diğer taraftan kütlesi ile ters orantılı olması gereği de açıktır; çünkü büyük kütleli bir parçacık, elektrostatik çekmeden daha az etkilenecektir.
ž Sonuçta, gözlenen sapma parçacığın e/m oranının değerine bağlıdır.
ž Elektriksel alana dik bir magnetik alan uygulanırsa, elektriksel alan yokluğunda, elektronlar eğri (dairesel) bir yol çizerler ve tüpün yüzeyine B noktasında çarparlar.
ž (Elektronların magnetik alan içinde hangi yönde sapacağı Fleming'in sol el kuralı* uygulanarak bulunabilir.)
ž Thomson, deneylerinde, tüpe dik ve belli şiddette bir magnetik alan uygulayarak elektron demetinin sapmasını ölçmüş, ve sonra elektriksel alan da uygulayarak sapmayı orijinal yerine, C noktasına getirmiştir.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON
l Elektriksel ve magnetik alanların şiddetlerinden yararlanarak elektronlar için e/m oranı -1,7588 x 10 8 C/g bulunmuştur.
l Katot ışınları tüpünde gazın basıncının düşürülmesiyle önce renkli bir ışık görülmesini ve sonra daha düşük basınçlarda ışığın kaybolarak ışıldamanın ortaya çıkmasını açıklayalım:
l Her şeyden önce, tüpün havası boşaltılmadığı durumda, elektrik akımı olmayacaktır; çünkü elektronlar, gaz moleküllerine çarparak dağılacaklardır.
l Basınç 10 -2 atmosfere düşürülürse elektronlar hızlanabilir ve gaz molekülleri ile çarpışarak onlardan da elektronlar koparabilirler.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-7)
l Böylece oluşan gaz iyonları ve elektronlar, elektriğin katottan anota akmasını sağlarlar.
l Çarpışma sırasında daha yüksek enerji düzeyine geçen (uyarılan) gaz molekülleri de temel durumlarına dönerken almış oldukları fazla enerjiyi, ışık halinde yayarlar ve ışığın rengi gazın türüne bağlıdır.
l Basınç, daha fazla, 10-6 atmosfere düşürülürse, elektron akımı, gaz molekülleri ile çarpışma hemen hemen olmayacağından çok hızlanır.
l Bu durumda gazın yaydığı ışık kaybolacak ve elektronlar tüpün çeperlerinde veya elektrotlar arasına konan ekranda veya anot delikli ise deliğin karşısına gelen yerlerde ışıldama yapacaklardır.
l Elektronun yükü 1908'de R.A. Millikan tarafından ölçülmüştür.
l Kullanılan düzenek basitçe Şekilde gösterilmiştir.
l Şekil 3.1.3: Milikan'ın yağ damlası deneyi düzeneği.
l Bir sıvı, özellikle bir yağ, paralel metal levhalar arasına çok küçük damlacıklar halinde püskürtülür ve üst levhadaki delikten aşağı inerken X-ışınları ile ışınlandırılırlar.
l X ışınlarının gaz atomlarından fırlattığı elektronlar, yağ damlacıkları tarafından tutularak onları negatif yükler.
l Üst levha, artı, alt levha eksi yüklenirse, negatif yüklü yağ damlacıklarının düşmesi durdurulabilir (ve hatta damlacık geri yukarıya da çıkarılabilir).
l Damlacığın kütlesi (damlacığın, elektriksel alan yokluğunda düşme hızını gözleyerek bulunabilir) ve damlacığı durdurmak için levhalar üzerine uygulanacak yük bilinirse, her damla üzerindeki elektriksel yük hesaplanabilir.
l Milikan deneyi tekrarladığı zaman yağ damlacıkları üzerindeki yükün daima -1,60022 x 10-19 C' un katları olduğunu görmüştür.
3.1 MADDENiN ELEKTRiKSELYAPISI,ELEKTRON(D-11)
l Buradan, yağ damlalarının bir, iki, üç veya daha fazla sayıda elektron taşıdıkları ve bir yağ damlası üzerindeki yükün tek bir elektron yükünün katları olması gerektiği sonucuna varmıştır.
l O halde bir elektron yük -1,6022x10-19 C'dur.
l Daha önce ölçülen e/m oranının değerinden yararlanarak elektronun kütlesi 9,1096 x 10-28 g bulunur.
2.2 POZİTİF PARÇACIKLAR, PROTON
l Gaz boşalma tüplerinde negatif parçacıklar gözlendiğine göre, maddenin nötral elektriksel yapısı nedeniyle pozitif yüklü parçacıkların da bulunması gerekir.
l Eğer tüpte üstünde delikler bulunan bir katot kullanılırsa, tüpün katot arkasında kalan yüzeyinde, yüzey fluoresan boya ile kaplanmışsa ışıldama görülür.
l Çünkü tüpte elektron akımı sırasında, katottan fırlayan elektronlar, nötral gaz atomları ile çarpışarak onların elektron kaybetmesine ve pozitif yüklü parçacıklar (pozitif iyonlar) haline gelmesine yol açarlar.
l Bu iyonlar katot tarafından çekilir ve bir kısmı deliklerden geçerek tüpün yüzeyine çarparlar.
l Bunlara pozitif ışınlar veya kanal ışınları denir, ilk olarak E. Goldstein tarafından 1886'da gözlenmiştir (Şekil 3.2.1).
l Pozitif ışınların elektriksel ve magnetik alanda sapmaları W. Wien (1898) ve J.J. Thomson (1906) tarafından çalışılmış ve bu ışınları oluşturan pozitif iyonlar için e/m değerleri bulunmuştur
l Pozitif iyonlar için e/m değeri, iyonun yüküne (bu da gaz atomlarının kaybettikleri elektron sayısına bağlıdır) ve kütlesine bağlıdır.
l Aynı pozitif yüklü iyonlar için e/m değeri, iyonun kütlesi küçüldükçe artar.
l Gaz boşalma tüpünde hidrojen varsa, pozitif iyonlar için gözlenen en büyük e/m değeri elde edilir.
l Katot ışınları tüpündeki kullanılan metodun benzeri kullanılarak e/m değeri 9,5791 X 104 C/g olarak bulunmuştur.
l Proton adı verilen bu tanecikler( kanal ışınları), bütün atomların bir bileşenidir. Protonun yükü de elektronun yüküne eşit fakat ters işaretlidir. Protonun kütlesi elektronun kütlesinin 1836 katı olup yukarıda verilenlerden hesaplanabilir.
l e/m= 9,5791 X 104 C/g
l 1,6022x10-19 C 9,5791x104 C/g
m
m = 1,6726x10-24 g
2.3 Nötron
l Atomlar elektrik yükü bakımından nötral olduklarından bir atomda elektron sayısı ile proton sayısı birbirine olmalıdır. Atomların toplam kütlelerini açıklayabilmek için 1920 yılında Rutherford atomda yüksüz taneciğin olduğunu savunmuştur. Bu tanecik yüksüz olduğundan bunu tanımlamak zordu. 1932’ de Chadwick nötronun varlığını kanıtlayan çalışmalarını yayınladı ve nötronların oluşturduğu bazı nüklüer tepkimelerin verilerinden nötronun kütlesini hesapladı. Bu kütle protonun kütlesinden biraz daha büyüktür. 1,6749x10-24 g
2.4 ATOM MODELLERİ
2.4.1 Thomson Atom Modeli
2.4.1 Thomson Atom Modeli
l Katı bir maddenin bir molünde 6,02x1023 tanecik vardır. Bir katının 1 molünün hacmini 6,02x1023 ‘e bölersek bir taneciğin hacmini hesaplamış oluruz. Bu hacim ≈ 10-24 cm 3’tür. Atom küre şeklinde ise, bir atomun çapı ≈10-8 cm kadar olmalıdır. Elektronların kütlesinin protonların kütlesinden çok küçük olduğundan bunu ihmal edildiğini görmüştük. Thomson 1904’ de elektronlar ile protonların homojen dağıldığı ≈10-8 cm bir küre olarak kabul etmiştir. Thomson’a göre, nötr bir atomda eksi yükü dengeleyen artı yükler bulunmalı ve bu artı yükler bulut şeklinde olmalı. Elektronlar bu pozitif yük bulutu içinde yüzmelidir.
l Thomson, atomu “üzümlü keke” veya “karpuza” benzetmiştir. Bu modelle, elektronların atomdan kolayca kopabileceği ( pozitif yüklü iyon oluşabileceği) ve notral bir atomun dışarıdan elektron alabileceği ( negatif bir iyon oluşabileceği) açıklanabilmişti. Thomson atom modeli bir çok konularda başarılı olmasına rağmen, 1911’ de E. Rutherford ve arkadaşları tarafından yapılan bir deneyin sonuçlarına ters düşmüştü.
3.3 ATOM ÇEKİRDEĞİ
l Atomun yapısı hakkındaki bilgimize en önemli katkılardan biri 1911'de. E. Rutherford tarafından yapılmıştır.
l O zamana dek J.J. Thomson'un atom modeli geçerliydi ve bu modelde atomun yaklaşık 10-8 m çaplı bir küre olduğu, artı yükün atomun kütlesi içine düzgün yayıldığı ve elektronların bu yükü nötralleştirecek şekilde artı yüklü gövde içinde serpiştirilmiş bulunduğu kabul ediliyordu.
l Rutherford, Thomson'un atom modelinin doğruluk derecesini anlamak için yaptığı deneyler sonucunda yeni bir atom modeli geliştirmiştir.
l Rutherford'un α-ışınları saçılması deneyinde radyoaktif α -ışınları ince metal levhalar üzerine gönderilmiş ve büyük bölümü levhadan geçtiği halde bazı α -parçacıklarının yollarından saptığı, hatta geriye döndükleri gözlenmiştir (Şekil 3.3.1). Deney, α -ışınları kaynağı, demet yapıcı kurşun levha ve hedef metal levha, havası boşaltılmış ve iç yüzüne fluoresan boya sürtülmüş bir kap içine alınarak yapılmıştır, böylece α-ışınlarının nasıl saptıkları yaptıkları ışıldamalar ile anlaşılır.
3.3 ATOM ÇEKİRDEĞİ (D-2)
l α -ışınları, iki elektron kaybetmiş helyum atomlarından ibaret radyoaktif ışınlardır.
l Bu α -parçacıkları, radyoaktif çekirdeklerden yaklaşık 104 km s-1 hızla fırlatılırlar.
l Deneyde, α –ışınları, delikli bir kurşun levhadan geçirilerek ince bir demet halinde, çok ince (yaklaşık 0,0004 cm) altın, platin, gümüş, ve bakır levhalar üzerine yollanmıştır.
l Rutherford, gözlemlerini, ancak atomun çok küçük fakat yoğun artı yüklü bir çekirdek içerdiği ve bütün protonların ve atomun yaklaşık tüm kütlesinin burada bulunduğu sonucuna vararak açıklayabilmiştir.
l Elektronlar ise atomun toplam hacminin içinde ve çekirdeğin dışında hareket halindedirler.
l Atomlar, Thomson modeline uygun olsaydı, α-parçacıklarının hiçbir sapmaya uğramadan metal levhadan geçmeleri gerekirdi;
l çünkü artı yüklü tanecikler atomun her tarafında aynı şekilde itilecekler, fakat yeterli kinetik enerjileri olduğundan yollarını değiştirmeden metal levhadan geçeceklerdi (Şekil 3.3.2(a)).
l Rutherford'un α-ışınları saçılması deneyinde, pozitif yüklü α -parçacığı, pozitif yüklü çekirdeğe yakın geçerse metal levhadan geçmekte, fakat çarparsa geri dönmektedir, çekirdeğe yakın geçerse yolundan sapma gözlenmektedir (Şekil 3.3.2(b).
3.3 ATOM ÇEKİRDEĞİ (D-3)
l Şekil 3.3.2: (a) Thomson' un atom modeli doğru olsaydı α -parçacıkları metal levhadan geçerdi (b) Gerçek sonuçlar: α -parçacıkları atom çekirdeğine yakın geçmezse metal levhadan geçer (1) yakın geçerse yolundan sapar (2) ve çarparsa geriye itilir (3).
l Atom çekirdeğinin yapısı ve kararlılığı Bölüm 5'te incelenecektir.
l Rutherford, protonların, atom çekirdeğinin kütlesinin yaklaşık yarısını oluşturduğu gözlemiştir.
l Diğer taraftan, atomlar elektrikçe nötral olduklarından, bir atomun aynı sayıda elektron ve proton içermesi gereği de açıktır.
l Bundan dolayı, E. Rutherford, 1920'de yüksüz, fakat kütlesi protonun kütlesi ile hemen hemen aynı olan bir parçacığın varlığını ortaya atmıştır.
l Fakat yüksüz olduğundan parçacığı bulmak ve özelliklerini belirtmek zordu.
l 1932'de J. Chadwick, nötronun varlığını kanıtlayan çalışmalarını yayınlamış ve nötron oluşturan bazı çekirdek tepkimelerinden kütlesini hesaplamıştır.
l Nötronun kütlesi yaklaşık protonun kütlesi kadardır, 1,67 x 10 -24g. (Gerçekte, nötronun ve protonun daha duyarlıklı kütleleri sırasıyla 1,6749x10-24 g ve 1,6726xl0 -24 g'dır.)
l Bu sonuçlara göre yeni bir atom modeli düşünmek gerekiyordu. Rutherford atom modeline göre (çekirdekli atom modeli) atomun hemen bütün kütlesi atomun merkezinde bulunan ve çok küçük yer kaplayan çekirdek denen pozitif yüklü bir birimde toplanmış ve çekirdeğin yükünü nötralleştirecek sayıda elektron çekirdeğin etrafında büyük bir hacim içinde dolanıp dururlar.
2.4.3 Atomun Yapısı ve Işık Sppektrumu
l Işıkla ilgili olaylar ışığın tanecikli yapıda olduğu düşünülerek açıklanmaya çalışılmıştır. Işığın taneciklerine foton denir. Kırınım ve girişim olayları tanecik yapıyla açıklanamamıştır. Bu olaylar ışığın dalga özelliği ile açıklanmıştır. O halde ışık hem tanecik hem de dalga özelliği taşımaktadır.
l Vakumda bütün dalgalar gibi ışıkta dalga boyuna bağlı olmaksızın aynı hızla hareket ederler ve bu sabit hıza, Işık hızı(c) denir (c=2.9979x108 m/s).
l Şekilde görüldüğü gibi iki tepe arasındaki uzaklığa dalga boyu (λ ), bir dalgadaki maksimum yüksekliğe veya minumum derinliğe genlik (α) denir. Belirli noktadan bir saniyede geçen dalga sayısına frekans (v) denir.
l E=h.v=h.c/ λ k eşitliği vardır.
l E= enerji
l h=planck sabiti (6,626 x 10-34 Js (veya h=6,626xl0-27 ergs.s).
l v= frekans
l Bir ışığın şiddetinin artması fotonlarının sayısının artması ile olur. Bu durumda ışığın frekansı ve tek fotonun taşıdığı enerji değişmez. 25 ve 100 waat’lık iki ampulün yaydıkları ışıkları karşılaştıralım. Her ikiside aynı frekansta ışık yayar ve fotonlarının her birinin enerjileri aynıdır. Ancak 100 W ampulden yayılan foton sayısı dolayısıyla fotonların toplam enerjileri daha fazladır.
l Çeşitli dalga boylarını içeren ışığa polikromatik ışık denir.
l Tek dalga boyundan oluşan ışığa monokromatik ışık denir.
l Beyaz ışık çeşitli dalga boylarını içeren polikromatik bir ışıktır. Beyaz ışık bir prizmadan geçirilirse kendi meydana getiren dalga boylarına göre ayrılarak bir spektrum oluşturur ve buna elektromanyetik spektrum denir. Bu kesintisiz her dalga boyunu içeren sürekli spektrumdur.
l Isıtılarak, elektrikle veya başka yolla ışık yayar hale gelen getirilen maddenin yaydığı ışık prizmadan geçirilerek elde edilen spektruma ışıma spektrumu denir. Örneğin hidrojen gazı yüksek sıcaklığa getirilip ışık yayar hale getirilir. Bu ışık prizmadan geçirilirse değişik renkte dört çizgiden oluşan bir ışıma spektrumu verir.
l Kimyasal tepkimeler sırasında atomlar değil, çekirdeği çevreleyen elektronlar etkileşirler.
l Bundan dolayı, elementlerin özellikleri, elektronların düzenine bağlıdır; atom çekirdeği, nötral bir atom oluşturacak elektron sayısını belirler.
l Elementlerde elektronların düzenini bulmaya yarayan en iyi yöntem, atom spektrumlarının incelenmesidir.
l Bir Elektromagnetik ışın demeti, bir prizmadan geçirilirse, ışın demetinin yolundan saptığı görülür.
l Prizmada kırınım, ışımanın dalga boyuna bağlıdır; kısa dalga boylu ışımalar daha çok kırınıma uğrar.
l Beyaz ışık önce dar bir demet yapıcı bir yarıktan ve sonra bir prizmadan geçirilirse, görünür bölgede mordan kırmızıya kadar değişen bütün renkleri içeren bir kesiksiz (sürekli) spektrum (Şekil 3.9.1) elde edilir.
3.9 ATOM SPEKTRUMLARI(D-1)
l Elementler, gaz veya buhar halinde, gerekli yüksek sıcaklığa kadar ısıtılırsa, bir ışıma yayımlanır; fakat ışımanın prizmadan geçirilmesi bir kesikli spektrum(çizgi spektrumu) verir (gözlenen spektrumdaki çizgiler, yarığın görüntüsüdür).
l Örneğin, ışıma kaynağı olarak, hidrojenle dolu bir gaz boşalma tüpü kullanılırsa Şekil 3.9.2'deki çizgi spektrumu elde edilir; görüldüğü gibi, hidrojenin yayınladığı görünür bölge ışıması, beyaz ışıkta gözlenen tüm dalga boylarını değil, hidrojene özgü bir bölümünü içerir.
l Her elementin kendine özgü belirgin bir çizgi yayınma spektrumu vardır.
l Şekil 3.9.2'de hidrojen spektrumunda, spektrumun, yalnız görünür bölgesinde ortaya çıkan çizgiler gösterilmiş, ve karşılık gelen dalga boyları yazılmıştır.
l Hidrojen, aynı zamanda mor ötesi ve kırmızı ötesi bölgelerde de ışıma yayınlar.
l 1885'te Balmer, hidrojenin görünür bölgedeki spektrum çizgilerinin dalga boylarının veya frekanslarının, oldukça basit bir eşitlik yardımıyla hesaplanabileceğini göstermiştir:
l Güneş ışığının kesiksiz spektrumunda görülen siyah çizgilere Fraunhofer çizgileri denir, bunlar güneş yüzeyindeki gaz elementlerin ışığın bazı dalga boylarını soğurmaları nedeniyle oluşur.
l Hidrojenin yayınma ve soğurma spektrumları oldukça basittir, fakat atomlar büyüdükçe spektrumların açıklanması güçleşir.
l Elektromagnetik ışının madde ile (atomlar ve moleküller) etkileşmesini konu alan bilim dalına spektroskopi,
l bu etkileşmenin incelendiği aletlere spektroskop ve spektrumların kaydedildiği aletlere Spektrofotometre veya kısaca spektrometre denir.
l Atomların yayınma ve soğurma spektrumlarının nasıl oluştuğu aşağıda açıklanmıştır.
l Alkali ve toprak alkali metaller ve tuzları, Bunsen beki alevinde ısıtılırsa, alev, metale özgün bir renge boyanır.
l Metallerin, buhar halinde, elektronları ısı enerjisiyle uyarılır ve oluşan yayınma spektrumlarının çizgilerinin bir bölümü görünür bölgede bulunur.
l Örneğin, sodyum ve tuzları sarı ışık, potasyum ve tuzları, mor ışık, lityum ve tuzları kırmızı ışık, kalsiyum ve baryum tuzları yeşil ışık yayımlar.
l Alkali ve toprak alkali metallerin bu yolla analizi alev analizi olarak bilinir.
l Sodyumun sarı ışığı, spektroskopta incelenirse, kesikli spektrumda 5890 A° ve 5896 A° de iki sar çizgi gözlenir (Sodyumun D çizgileri); bu yolla sodyumun yayınma spektrumu oluşur.
l Beyaz ışık, sodyum buharı içinden geçirildikten sonra, spektroskopta incelenirse, beyaz ışığın kesiksiz spektrumu üzerinde, aynı dalga boylarında iki siyah çizgi gözlenecektir; bu yolla sodyumun soğurma spektrumu oluşur.
l Metallerin, buhar halinde, elektronları ısı enerjisiyle uyarılır ve oluşan yayınma spektrumlarının çizgilerinin bir bölümü görünür bölgede bulunur.
l Işıma spektrumu her bir element için için parmak izi gibi farklıdır.
l Her çeşit dalga boyunu içeren bir ışık bir madde ortamı içinden geçirilerek prizmadan geçirilerek elde edilen spektruma soğurma spektrumu denir.
2.4.4 Atomda Enerji Düzeyleri
l Elektriksel, Manyetik veya kütlesel kuvvetler gibi çekme ve itme kuvvetlerinin olduğu her yerde potansiyel enerji vardır. Elektronlar ile protonların birbirlerini çekmelerinden dolayı atomda bir potansiyel enerji vardır. Bunun büyüklüğü çekirdeklerle elektronlar arasındaki uzaklığa bağlıdır.
l Hidrojen atomunun elektronu çekirdekten r1 uzaklığında bulunsun ve bu enerjiye PE1 diyelim. Elektronu çekirdekten biraz daha uzağa götürdüğümüzü düşünelim ve bu uzaklığa r2 diyelim bu durumdaki potansiyel enerji PE2 olsun.
l r1
l PE1
l r2 PE2
l PE2 > PE1
l Elektronu r1 den r2 ye götürmek için aradaki çekme kuvvetini yenmek üzere dışarıdan enerji vermek gerekir. O halde PE2 > PE1 Elektron çekirdekten uzaklaştıkça elektronun potansiyel enerjisi artar.
l Elektron r2’ den r1 uzaklığına düştüğünde ise bu enerji ışık halinde yayılır. Bu olaya Termik ışıma denir. Yayılan ışığın frekansı açığa çıkan enerjiye, yani potansiyel enerji farkına bağlıdır.
l Yüksek sıcaklığa kadar ısıtılmış hidrojen gazının yaydığı ışığın renkleri her seferinde aynı olduğuna göre frekans ve enerjileri aynı olmalıdır.
l Bu elektronun bir r2 konumundan r1 konumuna gelmesinden ileri gelmiştir. Buna göre r2-r1 geçiş her zaman aynı değerdedir.
2.4.5 BOHR ATOM KURAMI
l E. Rutherford ve diğer bilim adamları, elektronların çekirdek etrafında dairesel yörüngelerde hareket ettiklerini ileri sürmüşlerdir.
l 1913'te N. Bohr, atomların elektron yapıları için, Rutherford' un çekirdek modeline, Planck' in (Einstein tarafından geliştirilmiş) kuantum kuramına ve hidrojenin atom spektrumuna dayanarak bir atom kuramı önermiştir.
l Atom spektrumlarını, Rutherford atom modelini ve çekirdek etrafında dönen elektronları göz önüne alarak açıklama girişimleri tam bir başarısızlıkla sonuçlanmıştı.
l Çünkü bu modele göre elektron, çekirdek etrafında dairesel bir yörüngede dolanmalıdır, aksi halde atomdan ayrılması gerekir.
l Fakat elektrodinamik yasalarına göre, yüklü bir parçacık olan elektronun çekirdeğin çekimini yenebilmek için hızla dönmesi, onun Elektromagnetik ışıma ile enerji kaybetmesine ve gittikçe daha hızlı dönerek ve spiraller çizerek çekirdeğe yaklaşmasına ve sonuçta çekirdeğe düşmesine yol açar.
l Rutherford atom modelinde, elektronların çekirdek çevresinde ne şekilde bulundukları hakkında herhangi bir bilgi bulunmamaktadır.
l Bir atomdaki elektronların, tıpkı bir gezegenin güneş etrafındaki yörüngesel hareketi gibi, hareket halinde oldukları düşünüldü.
l 1913 yılında Hollandalı Fizikçi Niels Bohr klasik fizik ve kuantum kuramının ilginç bir sentezini yaparak hidrojen atomu için yeni bir model ileri sürdü.
l Spektroskopik gözlemlerde, yayılan ışımanın, atomlarda elektronların yer değiştirmelerinden ileri geldiği düşünülmüştür.
l Hidrojenin çizgi spektrumu. ışının belli miktarlar (kuantumlar) halinde yayıldığını gösterir.
l O halde hidrojenin elektronunun enerjisi kuantlanmıştır ve elektron, yüksek enerjili bir düzeyden daha düşük enerjili bir düzeye geçerken, enerji farkı, ışıma kuantumu olarak yayılmakta ve yayınma spektrumundaki bir çizgiye karşılık gelmektedir.
l .
l Hidrojen elektronunun yüksek enerjili düzeye geçmesi, daha önce açıklandığı gibi bir gaz boşalma tüpünde sağlanabilir.
l Bohr kuramına göre, hidrojen elektronu, çekirdek etrafında belirli dairesel yörüngelerde dolanabilir, bunlara enerji düzeyleri denir.
l Bu düzeylerde, elektron, belli miktarlarda yani kuantlanmış enerjiye sahiptir
l Bu modelde yer alan görüşler, şu şekilde özetlenebilir:
l 1. Elektron, çekirdek etrafında, dairesel yörüngelerde hareket etmektedir. Bu yörüngelere esas enerji düzeyleri veya enerji kabukları denir. Enerji düzeylerinin ortak merkezi çekirdek olup K, L, M, N, O,…. gibi harflerle veya 1, 2, 3, 4, 5, 6, …… gibi bir n değeri ile gösterilir.
l 2. Elektronun hareket edebildiği yörüngelerin belli enerji değerleri vardır. Elektron, bu belli enerjiye sahip yörüngelerde bulunduğu sürece enerji yaymaz.
l Elektron belirli bir yörüngede dönerken kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamı bir enerjiye sahiptir. Çekirdeğe yakın olan K düzeyinde elektron mümkün olan en küçük enerjiye sahiptir. Çekirdekten uzaklaştıkca enerji düzeyinin yarıçapı artarken o enerji düzeyinde bulunan elektronunda enerjisi artar.Enerji düzeyi müsaade edilen enerji düzeyleri arasında bir değerde olmaz.
l 3. Elektron bir üst enerji düzeyinden (yörüngeden), alt enerji düzeylerine düştüğünde ışıma şeklinde enerji yayar. Bu olaya termik ışıma denir. Yayımlanan ışık fotonunun enerjisi E = hn’dür.
l 4. Bir atomda elektronlar çekirdeğe mümkün olabildiği kadar yakınsa, temel haldedir ve enerjisi en düşüktür. Elektron belirli büyüklükteki enerjiyi soğurarak daha yüksek enerjili bir düzeye geçebilir. Bu durumda atom uyarılmış haldedir.
l 5. Belirli bir yörüngede her bir elektron çekirdeğin elektriksel kuvveti ile merkezkaç kuvvetinin etkisi altındadır.
l Hidrojen atomunda, yayılan bütün ışınların frekansları aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir.
2.4.6 Modern Atom Teorisi
l Dalga mekaniğine göre bir elektronun çekirdek etrafında bulunacağı yer Bohr tarafından önerilen dairesel yörüngelerden çok farklıdır. Bu U.W. Heisenberg tarafından ortaya konulan belirsizlik ilkesinin bir sonucudur. Hareketli bir parçacığın yolunun belirlenmesi için aynı zamandaki yerinin ve hızının tespit edilmesi gerekir. Bu elektronlar için mümkün değildir. Heisenberg belirsizlik kuramına göre aynı anda elektronların yerini ve hızını aynı anda tespit etmek imkansızdır. O halde buna göre Bohr atom kuramındaki yörüngelerin bir önemi kalmamaktadır.
l Buna göre Bohr teorisi yeni bir teoriyle değiştirmek gerekir. 1924 yılında Louis de Broglie, hareket eden küçük taneciklerin de dalga özelliği gösterebileceğini ileri sürdü.
l De Broglie, elektronun tanecik özelliğinden başka dalga özelliğine de sahip olduğunu düşündü.
l De Broglie bu düşüncesini, bir elektron demetini kristal üzerine gönderdiğinde tıpkı X-ışınlarında olduğu gibi kırınıma uğraması ile deneysel olarak kanıtladı.
Dalga-Tanecik İkiliği
l Elektronların dalga özelliğinin keşfi ile, elektron mikroskobunun yapılabilirliği gerçekleşti.
l Elektron mikroskobu bilimde devrim yaptı.
l Günümüzde, modern elektron mikroskopları sayesinde biyolojik dev moleküller gerektiği gibi incelenebilmektedir.
l De Broglie’ye göre bir elektronun dalga boyu aşağıdaki eşitlikle ifade edilir.
Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi
l Heisenberg’e göre, elektron gibi çok küçük taneciklerin yeri ve momentumu (hızı) aynı anda hassas bir şekilde belirlenemez.
l Yeri hassas olarak belirlenmeye çalışıldığında, momentumunda belirsizlik artar.
Bohr Atom Modelindeki Yanlışlıklar
l De Brogli’ye göre, elektron dalga özelliğine de sahiptir.
l Heisenberg ise elektronun yerinin hassas bir şekilde belirlenemeyeceğini ileri sürmektedir.
l Bu görüşlerin ışığında, Bohr atom modeline yeniden bakıldığında, bu modelin kısmen yanlış olduğu görülmektedir.
l De Broglie ve Heisenberg’in görüşleri doğru ise (doğruluğu kabul edilmektedir) atomda elektronların kesin yörüngeler üzerinde hareket ettiğini söylemek yanlıştır.
l Yani, elektronun çekirdek etrafında dairesel yörüngelerde hareket ettiği görüşü günümüzde geçerli değildir (Bohr atom modelindeki 1. madde).
Dalga Mekaniği Atom Modeli (Modern Atom Kuramı)
l 1927 yılında Erwin Schrödinger, elektronların dalga özelliğine sahip olduğu gerçeğinden hareket ederek, elektron gibi çok küçük taneciklerin üç boyutlu uzaydaki hareketini tanımlayan bir denklem ileri sürdü.
Modern Atom Kuramı
Schrödinger Denklemi :Y (psi) : dalga fonksiyonu E : toplam enerji x, y, z : uzay koordinatları V : potansiyel enerji
m : elektronun kütlesi
l Schrödinger denkleminin çözümünden, n, l, ml şeklinde üç kuantum sayısı bulunur.
l Bu kuantum sayılarının üçünün belli değerleri, elektronların bulunma ihtimalinin yüksek olduğu yerlere karşılık gelir.
l Elektronun bulunma ihtimalinin yüksek olduğu yerlere “orbital” denir.
l Orbitallerin kesin sınırları olmamakla beraber, elektronun zamanının %90-95’ini geçirdiği bölgeye orbital denmektedir.
l Schrödinger denkleminin çözümüyle elde edilen hidrojen atomuna ait bilgilerde artık yörünge kavramı tamamen çürütülmüştür.
l Yeni atom modelinde, elektron, kesin yörüngeler üzerinde değil, orbital adı verilen uzay parçalarında hareket etmektedir.
2.4.7 Kuantum Sayıları
l Atomik özelliklerin periyodikliğini ve kimyasal bağların yapısını anlayabilmek için atomdaki elektronların davranışlarını bilmek gerekir. Bu nedenle de bazı kuantum sayılarını kabul etmek gerekir. Atomdaki bir elektron için 4 kuantum sayısı verilmesi gerekir. Atomdaki bir elektron için 4 kuantum sayısı verildiğinde bu elektron diğer elektronlardan ayrı olarak belirtilmiş olur. Pauli perensibine göre bir atomda bütün özellikleri aynı olan 2 elektron bulunamaz. Bunlardan en az biri farklıdır.
2.4.7.1 Baş kuantum sayısı (n):
l Bir atomdaki enerji düzeyleri baş kuantum sayısı n ile gösterilen esas enerji düzeylerine ayrılmıştır.
l Enerji düzeylerini ve elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığını gösterir.
l n = 1, 2, 3, 4, ……∞ kadar pozitif tamsayılı değerler alır. Bunlar harfler ilde sembolize edilir. (n= K(1), L(2), M(3), N(4)…….). n’ nin değeri esas enerji düzeylerinin enerjisini gösterir. n küçüldükçe enerji düzeyi küçülür. Elektron çekirdekten ne kadar uzakta enerjisi o kadar büyük olur. Bu elektronu koparmak için gerekli olan enerji değildir. Uzaklığa bağlı potansiyel enerjidir.
2.4.7.2 Açısal kuantum sayısı (l)
l Bu sayı, orbital türünü belirler. Alabildiği değerler; l = 0, 1, 2, 3, ….(n-1). Bu alt kabuklar rakamla gösterilebileceği gibi s(0), p(1), d(2), f(3), g(4), … gibi harflerle gösterilebilir. Açısal kuantum sayıları elektron kabukları içinde bulunan elektron bulutlarını ifade eder.
l n = 1 l = 0 haline karşılık gelen orbital s
l n = 2 l = 1 haline karşılık gelen orbital p
l n = 3 l = 2 haline karşılık gelen orbital d
l n = 4 l = 3 haline karşılık gelen orbital f
2.4.7.3 Magnetik kuantum sayısı (ml):
l Atom etrafında dolanan elektrolar, bir telden geçen elektrik akımı gibi düşünüldüğünde manyetik alan oluştururlar. Atom dış bir manyetik alana yerleştirildiğinde dış manyetik alanın etkisiyle her bir alt kabuktaki orbitaller enerji yönünden farklılaşır. Dış manyetik alan olmadığında her alt kabuktaki orbiatallerin enerjileri birbirine eşittir. Bu kuantum sayısı manyetik alanda orbitallerin yönelişi ile ilgilidir. Magnetik kuantum sayısı, orbitallerin sayısı ve uzaydaki yönelişlerini belirler.
l ml = -l, …., 0, …., +l kadar değer alır.
l Örneğin:l = 1 ise ml = -1, 0, +1
l Bu kuantum sayısı açısal kuantum sayısı ile belirlenen her bir alt kabukta kaç tane orbitalin olduğunu gösterir. m harfi ile gösterilir. -l ‘ den başlayarak +l’ ye kadar 0 dahil tam sayılı değerler alabilir. ( m= -l,….0, ………+l). Her bir l değeri için 2l+1 kadar m değeri yani orbital vardır. s alt kabuğunda 1 orbital p alt kabuğunda 3 orbital , d alt kabuğunda 5 orbital , vb. bulunur.
Kuantum Sayıları
l Baş kuantum sayısı n’ye kabuk, açısal kuantum sayısı l’ye ise alt kabuk da denir.
l Her bir kabukta (yani enerji düzeyinde) n2 tane orbital vardır.
l Her bir alt kabuk (2l + 1) tane orbital içerir.
Atomik Orbitaller
l Atomik orbitaller; s, p, d ve f rotasyonları kullanılarak gösterilir.
l Bütün s-orbitalleri küresel yapılıdır.
l p-Orbitalleri üç tane olup eş enerjilidir. Bu orbitaller; x, y ve z eksenleri üzerinde yer alıp, ikişer lob’a sahiptir.
l x-Ekseni üzerinde yer alan orbitale px, y-ekseni üzerinde bulunan orbitale py ve z-ekseni üzerinde bulunan orbitale ise pz orbitali denir.
d-Atomik Orbitalleri
l d-Orbitalleri dörder lob’lu olup, eksenler üzerinde ve eksenler arası bölgelerde bulunurlar.
l dx2-y2 ve dz2 exenler boyunca; dxy, dyz ve dzx orbitalleri ise eksenler arası bölgelerde yönlenirler.
f-Atomik Orbitalleri
l 7 tane f-orbitali olup, bunlar altışar lob’lu dur.
l Dışardan herhangi bir magnetik etki olmadıkça, bütün f-orbitalleri eş enerjilidir.
2.4.7.4 Spin Kuantum Sayısı (ms)
l Elektronun çekirdek çevresinde yaptığı hareketten başka, bir de kendi ekseni etrafında yaptığı dönme hareketi vardır.
l Kendi ekseni etrafındaki bu dönme hareketine, spin hareketi denir.
l Bu spin hareketi de kuantlaşmış olup, spin kuantum sayısı (ms) ile tanımlanmaktadır. Bu dönme saat yönünde veya tersi yönünde olabilir. Spin kuantum sayısı bir yöndeki dönme için +1/2 ve diğer yöndeki için -1/2 değerini alır. Buda bir orbitalde en fazla iki elektronun bulunacağı anlamına gelir. Elektronların biri saat yönünde dönerken diğeri saat yönünün tersine döner.
l Spin hareketi, saatin dönme yönünde ve tersi yönünde olmak üzere iki türlüdür.
l Bu nedenle, spin kuantum sayısı ms = ± ½ şeklinde iki değer almaktadır.
Orbitallerin enerji Sırası
l Çok elektronlu atomlarda orbitallerin enerjisi, baş kuantum sayısı (n) ve açısal kuantum sayısı (l)’ye göre tespit edilir.
l Orbitallerin enerjisi (n + l) toplamına göre düzenlenir.
l (n + l) toplamı büyük olan orbitalin enerjisi büyük, küçük olanının enerjisi küçüktür.
l (n + l) toplamı eşit olan atomik orbitallerin enerjisi, baş kuantum sayısı n’ye göre belirlenir.
l n’si küçük olan atomik orbitalin enerjisi küçük, n’si büyük olan orbitalin enerjisi büyüktür.
l Orbital n l n + l
l 1s 1 0 1
l 2s 2 0 2
l 2p 2 1 3
l 3s 3 0 3
l 3p 3 1 4
l 3d 3 2 5
l 4s 4 0 4
l 4p 4 1 5
l 4d 4 2 6
l 4f 4 3 7
l Orbitallerin enerji sırasını bulmada kullanılan pratik bir yol çapraz tarama olarak bilinen yoldur.
l Bu yöntemde, sol üst orbitalden başlayıp hiçbir orbital atlamadan çapraz olarak tüm orbitaller taranır.
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s <
4d < 5p <6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < 7p
2.4.8 Elektronların Orbitallere Yerleştirlmesi.
l Bir atomda elektronların düzenlenme şekline atomun elektronik yapısı denir.
l Elektronlar, orbitalleri üç kurala uyarak doldururlar. Bunlar:
l Elektronlar, orbitalleri en az enerjili orbitalden başlayarak doldururlar. Düşük enerji seviyeli bir orbital tamamen dolmadan, bir üst seviyedeki orbitale elektron giremez (Aufbau İlkesi).
Elementlerin Elektronik Yapıları
l Bir orbitale en fazla ters spinli iki elektron girebilir (Pauli İlkesi).
l Atom içerisinde elektronların girebileceği aynı (eş) enerjili birden fazla boş orbital varsa, elektronlar bu orbitallere önce paralel spinlerle tek tek girerler.
l Böylece, eş enerjili orbitallerin tamamı yarı dolmuş (yani tek elektronlu) duruma geldikten sonra, gelen elektronlar, zıt spinlerle bu yarı dolmuş orbitalleri doldururlar (Hund Kuralı)
Elementlerin Elektron Konfigurasyonları (Dağılımları)
l Atomik orbitaller, çoğu zaman bir kare, daire yada yatay bir çizgi ile gösterilirler.
l Elektronlar ise çift çengelli oklar ile temsil edilirler.
Aufbau İlkesinden Sapmalar
l Çoğu element için Aufbau Yöntemine göre öngörülen elektron dağılımları deneysel olarak da doğrulanmıştır.
l Birkaç elementin elektron dağılımı, bazı ufak sapmalar gösterir.
l Bu değişiklikler, dolu ve yarı dolu orbitallerin kararlılığı ile açıklanır (küresel simetri).
Magnetik Özellikler
l Atomlar, iyonlar ve moleküller; magnetik alanda farklı davranış gösterirler.
l Eşleşmemiş elektronlar içeren maddeler, paramağnetik özellik gösterirler.
l Paramağnetik maddeler, mağnetik alan tarafından kuvvetle çekilirler.
l Na atomu, hidrojen atomu veya oksijen molekülü (O2) paramanyetik özellik gösterir.
l Bir maddenin bütün elektronları eşleşmişse, o madde diamagnetik özellik gösterir.
l Diamagnetik maddeler, magnetik alan tarafından zayıf bir kuvvetle itilirler.
l Mg ve Ca atomları, diamagnetik özellik gösterip, magnetik alan tarafından zayıf bir kuvvetle itilirler.
l Bazı maddeler de magnetik alan tarafından kuvvetle itilirler.
l Bu tür maddelere, ferromagnetik maddeler denir.
l Fe, Co ve Ni, bu özelliğe sahip maddelere örnek teşkil eder.
Grup ve Peryot Bulunması
l Atom numarası verilen elementin elektron dağılımı yapılır.
l Orbital katsayısı en yüksek olan sayı, elementin peryot numarasını verir.
l Son elektron s veya p orbitalinde bitmişse, element A grubundadır.
l s-Orbitali üzerindeki sayı doğrudan A grubunun numarasını verir.
l Elementin elektron dağılımı p orbiatli ile bitmişse, p’nin üzerindeki sayıya 2 ilave edilerek grup numarası bulunur.
Örnekler:
l 11Na: 1s2 2s2 2p6 3s1 3. Peryot, 1A Grubu
l 17Cl: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 3. Peryot, 7A Grubu
l En son elektron d orbitalinde bitmişse, element B grubundadır.
2.4.9 Periyodik Tablo
l Elementler artan atom numaralarına göre sıralanırsa, benzer özellikleri periyotlu olarak ortaya çıkar.
l Mendeleev' in hazırladığı periyotlu dizge atom numaralarına değil, atom kütlelerine dayanıyordu.
l Fakat bu durumda dahi elementlerin başarılı ve yararlı bir dizilişini vermiştir; çünkü atom numaraları ve atom kütleleri, üç ayrıcalıklı element (K, Ni ve I; atom kütlelerine göre dizilişte K, Ar' dan, Ni, Co' dan ve I, Te' den önce gelmeliydi) dışında birbirlerine paralel olarak artarlar.
l Mendeleev, periyotlu dizgesini, benzer özellikler taşıyan elementleri ardı ardına dizerek hazırlamış, zamanında bilinmeyen elementlerin yerini boş bırakmıştır.
l Fakat önerdiği sisteme dayanarak zamanında bilinmeyen bazı elementlerin (örneğin, Sc, Ga ve Ge) varlığını belirtmiş ve özelliklerini de tahmin edebilmiştir.
l Mendeleev' in periyotlu dizgesi üzerinde daha ileri çalışmalar, gözlenen periyotlu özelliklerin atom kütlesine değil, fakat başka bir atom özelliğine bağlı olması gerektiği sonucunu vermiştir.
l Bu özelliğin, o zamanlar, elementlerin yalnız periyotlu dizgede bulundukları yere verilen sıra numarası olarak gözüken atom numarası olabileceği üzerinde durulmuştur.
l Sorunun çözümü ise 1914'te H.G.J. Moseley tarafından başarılmıştır.
l Moseley, denel gözlemlerini, zamanında henüz yayınlanmış olan Bohr kuramına dayanarak açıklamıştır.
l Moseley, X-ışınları (Roentgen ışınları) üzerinde yaptığı çalışmalarda, yüksek enerjili katot ışınlarını, anot olarak kullanılan çeşitli metal hedefler üzerine göndererek oluşan X-ışınları spektrumlarını incelemiştir.
l Moseley atom numaraları 13 (Al) ve 79 (Au) arasında olan 39 elementin X-ışınları spektrumlarını incelemiş, ve elementlerin X-ışınları spektrumunun uygun bir çizgisinin frekansının karekökü ile elementin atom numarası arasında çizgisel bir bağıntı bulmuştur
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA(D-3)
l (Şekil 3.11.2); (3.11.1)
l burada a ve b sabitlerdir (a = 5,0 x 107 ve b = 1,0). O halde X-ışınları frekansının karekökü, elementlerin atom numaralarının artmasıyla orantılı olarak artmaktadır.
l Elementin atom numarası ile oluşturduğu X-ışını frekansı arasındaki bağıntı, atom numarasının basitçe bir sıra numarası değil, atomun temel özelliklerinden biri olduğunu gösterir
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA
l
l Moseley, bu bağıntı yardımıyla atom kütlelerine (atom ağırlıklarına) göre düzenlenmiş, periyotlu dizgedeki ayrıcalıkların (yukarıda da açıklandığı gibi Ar-K, Co-Ni ve Te-I) dizgedeki düzeni değiştirmeyeceğini göstermiştir.
l Çünkü periyotlu dizge, atom kütlelerine değil, atom numaralarına göre oluşmaktadır.
l Örneğin Ar' un atom numarası K' dan daha küçüktür, atom kütlesi daha büyük olsa dahi periyotlu dizgede Ar, K' dan önce gelmelidir ve bu sorun Moseley' in X-ışınları spektrumuna dayanarak elementlerin doğru atom numaralarını bulmasıyla çözülmüştür.
l Moseley, aynı zamanda atom numaraları 42 ve 44 olan Mo ve Ru arasında atom numarası 43 olan bir elementin bulunması gerektiğini belirtmiştir; ancak bu element 1937'de ve radyoaktif olduğu için güçlükle bulunabilmiş ve Tc olarak adlandırılmıştır.
l Moseley yasasının önemini gösteren bir diğer örnek, La ile Hf arasında 14 elementin varlığını bildirmiş olmasıdır.
l Çünkü, La ve Hf un atom numaraları, X-ışınları spektrumlarına göre 57 ve 72'dir.
l Beklenen bu elementler (61 atom numaralı olanı dışında) yer kabuğunda bulunmuş ve lantanitler adı altında -hepsi tek bir yere konamayacağı için-periyotlu dizgenin altında yer verilmiştir.
l Aktanitlerde aynı şekilde tahmin edilerek buardaki 14 element de bulunmuştur.
3.11 ATOM NUMARALARI VE PERİYOTLU YASA(D-7)
l X-ışınları, katot ışınlarının, anot elementi atomlarının iç enerji düzeylerindeki elektronları fırlatmaları ve dış enerji düzeylerindeki elektronların bu boş düzeylere düşerken aradaki enerji farkını elektromagnetik ışıma olarak yaymaları ile oluşur.
l Yayılan fotonlar yüksek enerjili, yani yüksek frekanslı ve kısa dalga boylu X-ışınlarıdır.
2.4.9.1 Atom Hacmi
l Bir elementin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirleyen faktörlerden biride Atomun hacmidir. Ancak atomun hacmini ölçmek kolay değildir. Bu nedenle atom yarıçapı birbirlerine bağlı atomların çekirdekleri arasındaki uzaklıktan faydalanarak ölçülür.
l Etkin çekirdek yükü atom çaplarının, dolayısıyla atom hacimlerinin karşılaştırılmasında kullanılan bir büyüklüktür. En dış enerji düzeyinde bulunan elektron iç enerji düzeyinde bulunan elektronlar tarafından perdelenirler. Bu nedenle dıştaki elektronlar çekirdek tarafından daha az çekilirler.
l Bu nedenle çekirdek en dış enerji düzeyindeki elektronu çekebileceğinden daha az bir kuvvetle çeker. Bu çekime etkin çekirdek yükü (Z*) denir. Atomda etkin çekirdek yükünün artması, çekirdeğin dış enerji düzeyindeki elektronları çekme gücünü artıracağından atomun çapı küçülür. Atom hacminin değişimi periyotlarda ve gruplarda olmak üzere iki şekilde incelenir.
l 1. Periyodik tabloda aynı periyotta soldan sağa doğru gidildikçe atomun hacmi küçülür. Çünkü , bir elementten diğerine geçerken farklılaştırıcı elektron aynı enerji düzeyine girdiğinden, aynı enerji düzeyindeki elektronlar etkin bir perdeleme yapamazlar. Bu nedenle soldan sağa doğru gidildikçe, etkin çekirdek yükünün artmasıyla atom hacimleri küçülür.
l 2. Periyodik tabloda yukarıdan aşağı inildikçe atom hacmi artar. Çünkü bir atomdan diğerine geçerken yeni bir elektron kabuğu eklenir. Bu nedenle çapı artar.
2.4.9.2 İyonlaşma Enerjileri
l Gaz fazındaki bir atom veya iyona bir elektron verilmesi gereken enerjiye iyonlaşma enerjisi denir. Atom hacminin küçülmesiyle iyonlaşma enerjisi artar.
l Periyotlarda soldan sağa doğru gidildikçe atomun çapı küçülmekte ve bu nedenle elektron çekirdeğe daha çok yaklaşacağı için iyonlaşma enerjisi artar. Atomun elektron dağılımında, yarı dolu veya tam dolu küresel simetri olması durumunda kendinden bir sonra gelen elementten daha zordur. Gruplarda yukarıdan aşağı doğru ilerledikçe, her periyotta yeni bir elektron kabuğunun eklenmesiyle atom hacminin büyümesinden dolayı elektronlar çekirdekten uzaklaşmakta ve bu nedenle iyonlaşma enerjileri azalmaktadır.
l Bir sonraki elektron bir öncekinden daha çok enerji ile kopar. Koparılan elektronlar aynı kabuktaki elektronlar ise aralarındaki enerji çok azdır, farklı kabukta ise aralarındaki enerji daha fazladır. Bu fark çekirdeğe yaklaştıkça daha da artar.
l Kimyasal reaksiyonlarda verilecek elektron sayısı değerlilik elektron sayısına eşittir. Elektron koparılmalarında bir sonraki elektron koparken büyük enerji atlamaları oluyorsa o ana kadar kopanlar elementin değerlilik elektronlarıdır.
l Elementin değerlilik elektronları koptuktan sonra geriye kararlı bir soy gaz yapısı kaldığından bu yapıda elektronların uzaklaştırılması son derece güçtür. Bu nedenle çok büyük enerji atlamaları soy gaz yapısında olduğunu gösteri.
l Geçiş elementlerinde elektronlar d orbitallerinden önce bir üst kabuktaki s orbitallerine girerler. D ve f orbitallerine elektron girmeye başlayınca enerjileri azalır ve s orbitallerinin altına düşer. Elementlerde elektron koparılırken yüksek enerjili orbitallerden , son d ve f girmesine rağmen önce s den koparılır.
2.4.9.3 Elektron İlgisi
l Gaz fazında temel halde izole edilmiş bir atoma veya iyona elektron katılması işlemi ile ilgili olan enerji değişimine elektron ilgisi veya affinitesi denir. Gaz fazında temel halde bulunan izole edilmiş bir atoma bir elektron katılması işlemi ile ilgili olan enerji değişimine birinci elektron ilgisi denir. Elementlerin birinci birinci elektron ilgililerinin büyük çoğunluğu ekzotermiktir. Bir elektron alan element negatif yüklü iyona dönüşmüştür. Bu iyona ikinci bir iyon katılması işlemindeki enerji değişimine ikinci elektron ilgisi denir.
l Negatif bir iyona ikinci bir iyon katılmak istendiğinde negatif yüklü iyon ile elektron birbirini iteceğinden bu işlemin sonunda enerji açığa çıkmaz. Bu işlemin olması için için enerji vermemiz gerekir.
l O(g) +e- O- (g) ∆H = - 140 kJ/mol
l O-(g) +e- O-2 (g) ∆H = 702 kJ/mol
l Periyotlarda soldan sağa ve gruplarda yukarı doğru gidildikçe elektron ilgisi artar. Soldan sağa gidildikçe etkin çekirdek yükünün artması , elektronların çekirdek tarafından daha çok çekilmesine sebeb olur. Buda elektron ilgisinin arması demektir.
2.4.9.4 Elektronegatiflik
l Elektronegatiflik, bir kimyasal bağı oluşturan atomların bağın elektron çiftini çekebilme yeteneğinin bağıl ölçüsüdür. Bu nedenle elektronegatiflik atom tek başına olduğu zaman bir anlam taşımaz. Elementlerin elektronegatiflik değerleri Pauling elektronegatiflik ölçeğine göre hesaplanır. Polar bağların enerjileri beklenenden büyük olmaktadır. Ölçülen ve beklenen enerji arasındaki fark, bağın polarlığı artıkça artmaktadır. Pauling bu enerji farkını elementlerin elektronegatifliklerinin hesaplamasında kullanmıştır. Standart değer olarak F’ un değerini 4 almıştır.
l Küçük atomlarda bağ elektronları çekirdeğin etkisine girdiğinden bağ elektronları daha fazla çekilir. Dolayısıyla atom hacminin küçülmesi elektronegatifliği artıran bir etkidir. Periyodik tabloda solda sağa gidildikçe atom hacminin küçülmesiyle elektronegatiflik artar. Aşağıdan yukarı çıkıldıkça atom hacminin küçülmesiyle elektronegatiflik artar.
2.4.9.5 Metalik ve Ametalik Özellikler
l Metalik özellik kolay elektron verebilme , ametallik ise kolay elektron alabilme ile ölçülür. Periyotlarda solda sağa ve gruplarda yukarı doğru ilerledikçe iyonlaşma enerjilerinin artmasıyla atomlardan elektron koparmak zorlaştığından ametallik özellik artarken, metal özellik azalır. Benzer şekilde soldan sağa ve aşağıdan yukarı metallerin aktifliği azalırken ametallerin aktifliği artar.
l Periyotlarda soldan sağa ve guruplarda aşağıdan yukarı doğru ilerledikçe metalik bağın kuvvetinin artmasıyla metallerin sertlikleri ve kaynama noktaları artar.
2.4.10 Atomlardan İyon Oluşumu ve İyon
l Bir atomda belirli sayıda proton bulunur ve atom numarası (Z) proton sayısına eşittir (Z=p) . Atom çekirdeklerinde belirli sayıda proton ve nötron bulunur. Atomlarda iyon oluşumunda proton ve nötron sayılarında bir değişiklik olmaz. Prooton ve nötron sayılarının toplamı atomun kütle numarasını (A) verir (A= p+n). Aynı tür elemente ait bazı elementin atom kütleleri farklıdır. Bir elementin farklı kütle numaralarına sahip atomlarına izotop atomlar denir. Başka ifadeyle atom numaraları aynı proton sayıları farklı. Nötral bir atomda proton sayısına eşit saıda elektron vardır (p=e).
l Bir atomda iyon denilen yüklü bir birimin oluşabilmesi için, nötral bir atoma bir elektron eklenmeli veya nötral bir atomdan elektron uzaklaştırılmalıdır. Böyle bir atomda proton sayısı değişmeyeceğine göre , yük dengesi bozulmuş olur (p≠e).
l Nötral bir atom elektron aldığı zaman , çekirdeğin çevresindeki elektron sayısı proton sayısında fazla olacaktır (e>p). Bu durumda negatif yüklü iyon oluşur ve buna anyon denir. Oluşan anyonun hacmi nötral atomdan daha büyük olur. Çünkü, pozitif değişmemiş ve fazladan elektron eklenmiştir. Bu nedenle çekirdeğin en dış elektronlara uyguladığı çekim azalaı ve hacim artar.
l Nötral bir atomdan elektron uzaklaştırıldığında çekirdek çevresindeki elektron sayısı çekirdeğin proton sayısından az olacaktır. (p>e). Bu durumda pozitif yüklü bir iyon oluşur ve buna katyon denir. Oluşan katyonun hacmi nötral atomdan daha küçük olur. Çünkü çekirdekteki pozitif yük değişmemiş elektron sayısı azalmıştır. Bu nedenle çekirdeğin en dışdaki elektronlara uyguladığı çekim artar ve hacim küçülür.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder