Atomun Kuantum Modeli Hafta 7

ATOMUN KUANTUM MODELİ MODERN ATOM MODELİ Kuantum mekaniği, bir atomdaki elektronun tam yerinin belirlenemeyeceğini açıklar. Elektron yoğunluğu kavramı, atomun belirli bir bölgesinde bir elektronun bulunma olasılığını verir. Bu bölgelere orbital denir.

Elektronların Orbitallere Yerleşimi Kuantum Sayıları: Orbital ve elektronların durumuyla ilgili yapılan sınıflamalardır. Baş kuantum sayısı, açısal kuantum sayısı ve manyetik kuantum sayısı, atom orbitallerinin ve bu orbitallerde yer alan elektronların belirlenmesinde kullanılır. Spin kuantum sayısı ise, belirli bir elektronun davranışını açıklar. Bu şekilde elektronların bulundukları atomlardaki yerleri ve davranışları tanımlanmış olur.

Baş Kuantum Sayısı (n) 1,2,3,……..gibi tamsayılarla ifade edilir. Baş kuantum sayısı, belirli bir orbitaldeki elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığı ile ilişkilidir. Baş kuantum sayısı ne kadar büyük ise, orbitaldeki elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığı ve bulunduğu orbital o kadar büyük olur.

Açısal Momentum Kuantum Sayısı(l) Açısal momentum kuantum sayısı (l) orbitallerin şekillerini açıklar. Bu kuantum sayısının (l) olabileceği değerler, baş kuantum sayısı n'nin değerlerine bağlıdır. Herhangi bir n değeri için (l)’nin alabileceği değerler 0 ile n - 1 arasındaki tam sayılardır. Örnek: n = 2 olursa, 0 ve 1 olmak üzere (l)’nin alabileceği iki değer vardır. (l)’nin değerleri s, p, d, f... harfleri ile belirtilir. Buna göre, l = 0, s orbitaline; l = 1, p orbitaline vs. karşılık gelmektedir. Aynı n değerine sahip orbitaller topluluğu genellikle kabuk olarak adlandırılır.

Manyetik Kuantum Sayısı (ml) Manyetik kuantum sayısı (ml), orbitalin uzaydaki yönlenmesini gösterir. Bir alt kabuk için (ml)’nin alabileceği değerler açısal momentum sayısı l’nin değerlerine bağlıdır. Verilen bir l değeri için, toplam 2l +1 adet farklı ml’değeri bulunabilir. -l , ( l -1), ......... 0,……..(+l, -1), + l Örnek: l= 0 olursa, ml = 0 olur. l= 1 olursa, durumda -1, 0, +1 değerlerini alan ml ' nin toplam üç adet farklı değeri olacaktır. l = 2 olduğunda ise, 2.2 + 1 = 5 olmak üzere toplam beş adet farklı ml değeri olacaktır. Bu değerler -2, -1, 0, +1, +2’dir.

Elektron Spin Kuantum Sayısı (ms) Elektromanyetik kuramına göre, dönen yüklü bir tanecik manyetik bir alan yaratır ve bu hareket elektronun bir mıknatıs gibi davranmasına neden olur. Şekilde elektronun saat yönü ve tersi yönde olmak üzere iki olası dönmesi gösterilmiştir. Elektronun bu spin hareketlerinin göz önüne alınmasıyla, spin kuantum sayısı (ms) olarak adlandırılan +1/2 ve -1/2 değerleri alabilen, dördüncü kuantum sayısı tanımlanmıştır.

Elektron Spin Kuantum Sayısı (ms) Orbitaller tam olarak tanımlanabilmiş şekillere sahip değildirler. Çünkü orbital özelliği gösteren dalga fonksiyonu atom çekirdeğinden itibaren sonsuza kadar uzanır.

Orbitaller Bu bakımdan, her orbitalin neye benzediğinin tam ifade edilmesi zordur. Buna karşın, özellikle atomlar arasındaki kimyasal bağ oluşumlarını açıklarken orbitallerin belirli özgün şekillere sahip olduklarını varsaymak çok yararlıdır. İlke olarak, bir elektronun her yerde bulunabilmesine karşın, çoğunlukla çekirdeğe oldukça yakın bulunduğu bilinmektedir.

Orbitaller s Orbitalleri: s orbitalleri küreseldir. Tüm s orbitalleri, farklı büyüklüklerden küresel şekillere sahiptir ve kuantum sayısı arttıkça orbitalin büyüklüğünde artmaktadır.

Orbitaller p Orbitalleri: n = 2 ve l= 1 durumunda, 2px , 2py ve 2pz olmak üzere üç tanep orbitali ortaya çıkar, p orbitalinin alt indisleri, orbitalinin yönlendikleri eksenleri göstermektedir. Bu üç orbitalin enerjileri, büyüklükleri ve şekilleri özdeş olmasına karşın, yönlenişleri farklıdırlar, ml nin p orbitalleri için üç değeri vardır ve bu üç p orbitalinin farklı yönlenmeye sahiptir. ml değerleri ile x, y ve z yönlenmeleri arasında herhangi bir bağıntı yoktur.

Orbitaller p orbitallerinin sınır yüzey diyagramlarından görüldüğü gibi, orbitaller çekirdeğin iki zıt tarafından uzanan iki lop gibi düşünülebilir. s orbitallerinde olduğu gibi p orbitalinin boyutları da 2p den 3p ye, 4p ye vs. baş kuantum sayısı ile artar.

Orbitaller p orbitallerinin sınır yüzey diyagramlarından görüldüğü gibi, orbitaller çekirdeğin iki zıt tarafından uzanan iki lop gibi düşünülebilir. s orbitallerinde olduğu gibi p orbitalinin boyutları da 2p den 3p ye, 4p ye vs. baş kuantum sayısı ile artar.

Orbitaller d Orbitalleri Açısal momentum kuantum sayısı l = 2 olduğunda, beş farklı ml değeri ve buna bağlı olarak beş d orbitali ortaya çıkar, d orbitallerine ilişkin en küçük n değeri 3 tür. Zira l değerinin n - 1 den büyük olmaması nedeniyle; n = 3 iken l= 2 olması durumunda, 3dxy, 3dyz, 3dxz, 3dx2y2 ve 3dz2 olmak üzere beş adet 3d orbitali ortaya çıkar. Tüm 3d orbitallerinin enerjileri özdeştir. Baş kuantum sayısının 3 ten büyük olduğu (4d, 5d, ...) diğer d orbitallerinde de benzer durum söz konusudur.

Elektron Dağılımı Dört kuantum sayısı (n, l, ml ve ms) herhangi bir atomun herhangi bir orbitalindeki elektronu bütünüyle tanımlayabilmemize olanak verir. Dört kuantum sayısı da, bir elektronun atom içindeki adresi olarak kabul edilebilir. Bir orbitalin enerjisi, şekil, büyüklüğü ve yönlenmesi üzerinde ms değerinin etkisi yoktur. Farklı ms değerleri, bir orbitalin içindeki elektronun nasıl yönlendiğini gösterir.

Elektron Dağılımı Hidrojen, tek elektronlu bir atom olduğundan incelenmesi açısından en basit olanıdır. Elektron 1s orbitalinde (temel hal) ya da daha yüksek enerjili orbitallerinden birinde (uyarılmış hal) bulunabilir. Temel haldeki bir hidrojen atomunda, elektronun 1s orbitalinde yer alması gerekir.

Pauli Dışarılama İlkesi Çok elektronlu atomların elektron dağılımlarını belirtmek için Wolfgang Pauli'nin adıyla anılan Pauli dışarılama ilkesi kullanılır. Pauli dışlama ilkesine göre, bir atom herhangi iki elektron, aynı dört kuantum sayısına sahip olmaz. Bir atomun iki elektronu da aynı n, l ve ml değerlerine sahip olsalar bile, ms değerleri mutlaka farklı olacaktır. Bunun anlamı, aynı orbitali sadece iki elektronun işgal edebileceği ve bu elektronların da zıt yönlü spinlerde olması zorunluluğudur. 1s "bir s kare" olarak değil, "bir s iki" olarak okunur.

Paramanyetik Diyamanyetik Elementler belirli sayıda eşleşmemiş elektrona sahipse mıknatıs tarafından çekilebilirler. Bu tür elektron dağılımına sahip olan taneciklere paramanyetik denir. Lityum atomunda bir adet eşleşmemiş elektron bulunur ve bu nedenle lityum metali paramanyetiktir. Diyamanyetik Elektron spinleri eşleşmiş olmaları durumunda manyetik etkileri birbirini yok eder. Buna göre, eşleşmemiş elektronu bulunmayan ve mıknatıs tarafından etkilenmeyen taneciklere diyamanyetik denir. Berilyum atomunda eşleşmemiş elektron bulunmadığından berilyum metali diyamanyetiktir.

Hund Kuralı Hund (Frederick Hund) kuralına göre, bir alt kabuktaki elektronların en kararlı dağılımı, paralel (aynı)spinin en fazla olduğu haldir. Buna göre, eşit enerjili orbitallere elektronlar aynı spinle dolarlar. Hund kuralı, 2p elektronlarının tamamını paralel spinlere sahip olacağını ve azot atomunun üç adet eşleşmemiş elektron içereceğini öngörmektedir.

Hund Kuralı Hidrojen atomunun en kararlı hali, elektronun 1 s orbitalinde yer aldığı temel haldir. Bir orbitalde yer alan elektron, çekirdeğe en yakın konumda bulunduğundan çekirdek tarafından en sıkı şekilde tutulacaktır. Elektron 2s, 2p ya da daha yüksek enerjili orbitallerde bulunuyorsa, hidrojen atomu uyarılmış haldedir. Hidrojen dışındaki çok elektronlu atomlara ilişki enerji tablosu daha karmaşıktır. Bu tür atomlardaki elektronların enerjileri, baş kuantum sayısının yanı sıra açısal momentum kuantum sayısına da bağlıdır.

Hund Kuralı Çok elektronlu atomlarda 3d enerji düzeyi 4s orbitalinin enerji düzeyinden yüksektir. Bir atomun toplam enerjisi sadece orbital enerjilerinin toplamına bağlı değil, aynı zamanda bu orbitallerde yer alan elektronlar arası itme kuvvetlerine de bağlıdır. Buna göre, bir atomda 4s orbitalinin 3d orbitalinden önce doldurulması toplam enerjinin daha düşük olmasına neden olacaktır.

Çok elektronlu atomlarda orbitallerinin doldurulması Çok elektronlu atomlarda alt kabukların doldurulması 1s orbitalinden başlayarak aşağıya doğru oklar yönünde hareket edilir. Buna göre, sıralama: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f şeklindedir.

Aufbau Kuralı Aufbau kuralı: Temel haldeki elektron dizilişini yapmak için elektronlar çekirdeğe en yakın olan, en düşük enerjili orbitalden başlanarak sıra ile doldurulur. Belirli bir n değerindeki alt kabuk ve orbitallerde yer alabilecek en fazla elektron sayısını belirlemek için bazı kurallar verilebilir: Baş kuantum sayısı n olan her kabuk, n tane alt kabuğa sahiptir. Örneğin n = 2 ise açısal momentum kuantum sayısı l= 0 ve l = 1 olan iki alt kabuk vardır. Açısal momentum kuantum sayısı l olan her kabukta 2l + 1 tane orbital vardır. Örneğin l = 1 ise üç tane p orbitali vardır. Her orbitalde en fazla iki elektron yerleştirilebilir. Bir atomun n ana kabuğuna alabileceği maksimum elektron sayısı 2n2 dir.

Alıştırma 1. Atomun temel hal elektron dizilişinde 4p orbitalinde 4 elektron bulunmaktadır. Buna göre, elementin atom numarası nedir. A) 16 B) 18 C) 34 D) 38 E) 52 2.

Küresel Simetri Bir alt enerji seviyesindeki orbitallerin dolu ve yarı dolu olması haline küresel simetri denir. Bu şekildeki elektron dizilişine sahip olan atomlar küresel simetri yük dağılımına sahiptir. Çekirdek, elektron bulutlarını her yönde eşit düzeyde ve daha dengeli çeker. Bu tür atomlar diğerlerine göre daha düşük enerjili olup daha kararlıdır. Buna göre elektron dağılımları; s¹, p³, d⁵, f ⁷ ile sonlanan atomlar yarı kararlı, s², p⁶, d¹⁰, f¹⁴ ile sonlanan atomlar ise tam kararlı olup her iki durumda da küresel simetri özelliği gösterirler. Not: Atomların kararlı olma isteğinden dolayı temel halde elektron dizilimleri ns² (n-1)d⁴ ve ns² (n-1)d⁹ sonlanan atomların elektron dizilişleri; ns¹ (n-1)d⁵ ve ns¹ (n-1)d¹⁰ şeklinde olur.

Küresel Simetri Yandaki her bir orbitalin yarı ya da tam dolu olması durumudur.

Örnek: X atomunun temel elektron dizilişinde; d orbitallerinde 5 elektron, p orbitallerinde 12 elektron vardır. Buna göre, X atomu için aşağıdaki yargıların hangileri kesinlikle doğrudur? I. Temel hal elektron dizilişi, 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 şeklindedir. II. Elektron dizilişi küresel simetriktir. III. s orbitallerinde toplam 8 elektron vardır. A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) II ve III E) I, II ve III

İyon Atom Taneciklerinin Elektron Dağılımları Atomlardan elektron koparılırken öncelikle enerji seviyesi büyük olan orbitalden koparılır. Enerji düzeylerinin aynı olması durumunda ise elektron koparılış sırası f, d, p, s orbitalleri şeklinde olur. Atomlar elektron alırken öncelikle enerjisi düşük olan boş orbitaller doldurulur. Enerji düzeylerinin aynı olması durumunda ise elektron yerleştirme sırası s, p, d, f orbitalleri şeklinde olur. Örnek: ₂₆Fe⁺²: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁴ (hatalı) ₂₆Fe⁺²: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁰ 3d⁶ (doğru) ₂₆Fe⁺²: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ (doğru) ₂₉Cu⁺¹: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁰ 3d¹⁰ ₂₉Cu⁺²: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁰ 3d⁹ ₂₆Fe⁺³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d³ (hatalı) ₂₆Fe⁺³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁰ 3d⁵ (doğru) ₂₆Fe⁺³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ (doğru) ₁₅P⁻³ : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ ₃₅Br⁻¹: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ ₂₄Cr⁺³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹ (hatalı) ₂₄Cr⁺³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d² (hatalı) ₂₄Cr⁺³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁰ 3d³ (doğru)

Uyarılmış Atomlarda Elektron Dizilişi Temel haldeki atomların elektronlarının enerji alarak yüksek enerji düzeylerine geçmesi olayına uyarılma denir. ₆C : 1s² 2s² 2p² temel hal ₆C : 1s² 2s¹ 2p³ uyarılmış hal ₂₀Ca : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² temel hal ₂₀Ca : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶4s¹ 3d¹ uyarılmış hal

Değerlik Elektronu Değerlik elektron (ya da Valens elektron), bir atomun en dış kabuğunda -baş kuantum sayısına göre- (valens yörüngesi) bulunan elektronlara verilen isimdir. Valans elektronları bir elementin diğer elementler ile kimyasal olarak nasıl etkileştiğini kararlaştırması açısından önemlidir. Örnek: H: 1s1 : 1 değerlik elektronu var 6C:1s22s22p2: 4 değerlik elektronu ₂₆Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s2 3d⁶ : Değerlik Elektronu