GENEL KİMYA ATOMLAR ve ATOM KURAMI Doç. Dr. Mutlu sarIKAYA Travnİk ünİversİtesİ 2014

Giriş Bütün maddelerin atomlardan oluştuğunu öne süren hipotez 2000 yıldır var olmasına karşın, atomların tek tek görüntülenebilmesini sağlayan teknikler ancak son yıllarda geliştirilmiştir. Şekil; Taramalı geçirgenlik elektron mikroskobu (STEM) kullanılarak görüntülenen, birbirinden 78 pm uzaklıkta silisyum atomları.

Kimyada İlk Buluşlar ve Atom Kuramı Kimya, çok eskiden beri uygulaması yapılan, ilkelerinden çok uygulaması ile ilgi çeken bir bilimdir. Kimya, yanma olayı açıklığa kavuşturuluncaya değin bugünkü anlamıyla ortaya konamamıştır.

Kütlenin Korunumu Yasası Tepkimeden çıkan ürünlerin kütleleri toplamı tepkimeye giren maddelerin kütleleri toplamına eşittir. Şekilde (a) bir beher içerisinde yer alan gümüş nitrat çözeltisi ile bir mezür içerisinde yer alan potasyum kromat çözeltisinin toplam kütlesi 104,50 g olarak görülmektedir. (b) Bu iki çözelti karıştırıldığında bir kimyasal tepkime meydana gelmekte ve gümüş kromat (kırmızı çökelek) ve potasyum nitrat oluşmaktadır. Toplam kütlenin değişmediğine ve yine 104,50 g olarak kaldığına dikkat ediniz.

Kütlenin Korunumu Yasası Diğer bir deyişle, maddenin korunumu yasası; maddenin bir kimyasal tepkimede yoktan var olamayacağını, var olan bir maddenin de yok olamayacağını ortaya koymaktadır.

Kütlenin Korunumu Yasası Soru: 0,382 g magnezyum örneği 2,655 g azot gazı ile tepkimeye girmekte ve ürün olarak sadece magnezyum nitrür elde edilmektedir. Tepkime sonrası artan azot 2,505 g'dır. Oluşan magnezyum nitrür'ün kütlesi nedir?

Sabit Oranlar Yasası Bir bileşiğin bütün örnekleri aynı bileşime sahiptir. Yani, bileşenler kütlece sabit bir oranda birleşirler. Su, bir oksijen (O) atomu başına iki hidrojen (H) atomu taşır ve H2O şeklinde simgelenir. Bu simgeye kimyasal formül denir. 10 g su kütlece 1,119 g H (%H=11,19) ve 8,881 g O (%O=88,81)'den oluşur. 27 g su'da 3,021 g H (%H=11,19) ve 23,979 g O (%O=88,81)'den oluşur.

Sabit Oranlar Yasası Soru: 0,455 g magnezyumun 2,315 g oksijen ile tepkimesinden 0,755 g magnezyum oksit elde edilmektedir. 0,500 g magnezyum oksit örneğindeki magnezyum kütlesini bulunuz?

Dalton Atom Kuramı İngiliz eğitmen John Dalton 1803-1808 tarihleri arasında kütlenin korunumu yasası ve sabit oranlar yasasından yararlanarak atom kuramını geliştirdi. Dalton'un atom kuramı 3 varsayıma dayanır; 1- Her bir element atom adı verilen çok küçük ve bölünemeyen taneciklerden oluşmuştur. Atomlar kimyasal tepkimelerde oluşamazlar ve bölünemezler. 2- Bir elementin bütün atomlarının kütlesi ve diğer özellikleri aynıdır. Fakat bir elementin atomları diğer bütün elementlerin atomlarından farklıdır. 3- Kimyasal bir bileşik iki ya da daha çok sayıda elementin basit sayısal bir oranda birleşmesiyle oluşur. Örneğin; bir atom A ve bir atom B (AB) ya da bir atom A ve iki atom B (AB2) gibi.

Katlı Oranlar Yasası Dalton atom kuramı katlı oranlar yasasını anlamamızı da sağlar. Eğer iki element birden fazla bileşik oluşturursa, bu elementlerden herhangi birinin sabit miktarıyla birleşen diğer elementin kütleleri arasında küçük tamsayılarla ifade edilen bir oran vardır. Örneğin; Karbonun iki oksidi (oksit, bir elementin oksijenle verdiği bileşiktir). Bütün bilmemiz gereken, ikinci oksidin birincisinden oksijence iki kat daha zengin olduğudur. Eğer birinci oksit CO ise, ikincisi için olabilecek oksitler; CO2, C2O4, C3O6 vb.'dir. CO ve CO2 molekülleri ile katlı oranlar yasasının gösterilişi.

Elektronlar ve Atom Fiziğinde Diğer Buluşlar Bazı cisimler pozitif (+) ya da negatif (-) elektrik yükü taşırlar. Her ikisi negatif ya da pozitif yüklü iki cisim birbirini iterken, pozitif ve negatif yük taşıyan iki cisim birbirlerini çeker. Bütün maddeler yüklü parçacıklardan oluşur. Elektriksel olarak nötür bir cisim eşit sayıda pozitif ve negatif yüklü parçacığa sahip olup, net yük içermez. Şekil; Manyetik alanın yüklü parçacıklara etkisi.

Elektronların Keşfi İlk katot ışını tüpü Micheal Faraday (1791-1867) tarafından, yaklaşık olarak 150 yıl önce yapılmıştır. Faraday, havası büyük oranda boşaltılmış bir cam borudan elektrik akımı geçirdiği zaman, negatif uç veya katot tarafından yayılan katot ışınlarını keşfetmiştir. Gerçekte katot ışınları gözle görülemezler. Ancak çarptıkları bir yüzeyden yaydıkları ışıkla görülebilirler. Katot ışını tüpünün ucu ışıldayabilen maddelerle boyanır ve böylece katot ışınları görünebilir hale gelir (Yüksek enerjili bir ışının bir madde yüzeyine çarpmasıyla ışık yayılmasına floresans denir).

Elektronların Keşfi-Katot Işını Tüpü

Elektronların Keşfi-Katot Işını Tüpü Katot ışınlarının önemli bir özelliği, elektrik ve manyetik alanlardaki davranışlarıdır. Bu ışınlar elektrik alanda, tıpkı negatif yüklü parçacıklar gibi sapmaya uğrarlar.

Elektronların Keşfi-Katot Işını Tüpü J. J. Thomson (1856-1940) katot ışınlarının elektrik ve manyetik alan özelliklerinden yararlanarak katot ışınlarının kütlesinin (m) yüküne (e) oranını, yani m/e değerini hesaplamıştır. Bu değer; -5,6857x10-9 g/C'dur. Yine Thomson, katot ışınlarının, bütün atomlarda bulunan, negatif yüklü temel parçacıklar olduğunu ileri sürmüştür. Katot ışınlarının özellikleri katodun bileşiminden bağımsızdır. Bundan sonra katot ışınlarına elektron adı verildi. Robert Millikan (1868-1953) 1906-1914 yılları arasında bir dizi yağ damlası deneyi yaparak elektron yükünü (e) tayin etmiştir. Elektronun yükü 1,6022x10-19 C'dur. Bu değer, elektronun kütle/yük bağıntısında yerine konursa, kütle (m) için, 9,1094x10-28 g değeri bulunur.

Elektronların Keşfi Thomson'a göre, nötür bir atomda eksi yükü dengeleyecek artı yükler bulunmalıdır ve bu artı yükler bulut şeklinde olmalıdır. Elektronlar bu pozitif yük bulutu içinde yüzmelidir.

X-ışınları ve Radyoaktiflik 1895'de Wilhelm Roentgen (1845-1923) katot ışını ile çalışırken, katot ışını tüpü dışında bulunan bazı maddelerin bir ışıma yaptığını ya da floresans ışık yaydığını fark etti ve bu floresansın, katot ışını tüpünün yaydığı ışından ileri geldiğini gösterdi. O zaman bu ışığın niteliği bilinmediğinden, Roentgen buna X-ışını adını verdi. Antoine Becquerel (1852-1908) doğal floresans maddelerin x-ışınları yayıp yaymadıklarını merak etti ve bu sayede radyoaktifliği keşfetti. Ernest Rutherfor (1871-1937) radyoaktif maddelerin yaydığı ışınlardan ikini, alfa (α) ışını ve beta (β) ışınını buldu. Radyoaktif maddelerin yaydığı üçüncü ışın olan gama (γ) ışını ise 1900 yılında Paul Villard buldu.

X-ışınları ve Radyoaktiflik Rutherford ve Frederick Soddy başka bir çarpıcı buluş daha yaptılar ve bunu şöyle ifade ettiler; Radyoaktif bozunmaya uğrayan bir elementin kimyasal özellikleri değişir. Bu buluşa göre radyoaktiflik, atom altı düzeyde meydana gelen temel değişimlerdir. Yani, radyoaktif bozunmada bir element başka bir elemente dönüşür ve işlem dönüşüm olarak bilinir.

Atom Çekirdeği 1909'da Rutherford ve yardımcısı Hans Geiger, atomun içyapısını ortaya çıkarmak için, alfa parçacıklarından yararlanarak bir dizi araştırma başlattılar. Bunun için Thomson'un atom modelini temel aldılar.

Atom Çekirdeği

Atom Çekirdeği 1- Alfa parçacıklarının çoğu doğrultularından sapmazlar. 2- Elektronlara yakın yol izleyen alfa parçacıkları hafif sapmaya uğrarlar. 3- Çekirdeğe yakın yol izleyen alfa parçacıkları şiddetli saparlar. 4- Çekirdeğe tam karşıdan yaklaşan bir yol izleyen alfa parçacıkları geriye yansırlar. 1- Bir atomun kütlesinin çok büyük bir kısmı ve pozitif yükün tümü, çekirdek denen çok küçük bir bölgede yoğunlaşır. Atomun büyük bir kısmı boş bir uzay parçasıdır. 2- Pozitif yükün büyüklüğü atomdan atoma değişir ve elementin atom ağırlığının yaklaşık yarısıdır. 3- Çekirdeğin dışında, çekirdek yüküne eşit sayıda elektron bulunur. Atomun kendisi elektrik yükü bakımından nötürdür.

Proton ve Nötronların Keşfi Rutherford'un atom modeline göre, atomların çekirdeklerinde pozitif yüklü tanecikler vardır. Rutherford'un kendisi havadaki azot atomları tarafından saçılan alfa parçacıklarını incelerken (1919) bu parçacıkları keşfetmiş ve bunlara protonlar adını vermiştir. Ayrıca bu tarihte Rutherford çekirdek içinde elektrik bakımından nötür temel taneciklerin de bulunacağını tahmin etmiştir. James Chadwick 1932'de nötür parçacıklardan meydana gelmiş, yeni bir delici ışın keşfetti. Nötron adı verilen bu parçacıklar atom çekirdeğinden geliyordu.

Proton, Nötron ve Elektronların Özellikleri Bir atomda bulunan proton sayısına atom numarası (Z) ya da proton numarası denir. Nötür bir atomun elektron sayısı proton sayısına, yani Z değerine eşittir. Atomun kütlesi ise, çekirdeğinde bulunan proton ve nötron sayısının toplamıdır. Buna kütle numarası, A denir. Atomdaki nötronların sayısına da nötron sayısı denir ve Z-A kadardır. Elektron, 1 atom yük birimi negatif yük, proton 1 atom yük birimi pozitif yük taşır. Nötron ise yüksüzdür.

Proton, Nötron ve Elektronların Özellikleri Atom kütle birimi, karbon-12 kütlesinin tam 1/12'si kadardır ve akb ile gösterilir. Üç Temel Taneciğin Özellikleri Elektrik Yükü Kütlesi SI (C) Atom SI (g) Atom (akb) Proton +1,6022x10-19 +1 1,6726x10-24 1,0073 Nötron 1,6749x10-24 1,0087 Elektron -1,6022x10-19 -1 9,1094x10-28 0,00054858

Kimyasal Elementler Proton sayıları aynı olan bütün atomlar aynı elemente aittir. Elementlerin atom numaraları Z = 1 ve Z = 112'ye kadar değişmektedir. Çoğu elementin kimyasal simgesi, İngilizce adının bir kısaltmasıdır ve bir ya da iki harf içerir. Örneğin; Karbon (C), Oksijen (O), Azot (N), Kükürt (S), Neon (Ne), Silisyum (Si) vb. Çok eskiden beri bilinen kimi elementlerin simgeleri Latince adlarına göre verilmiştir. Örneğin; Demir (Fe), Kurşun (Pb) vb. Uranyumdan (Z = 92) daha büyük atom numaralı elementler doğada bulunmazlar.

İzotoplar Belirli bir atomun bileşimini belirtmek için, atomda bulunan proton (p), nötron (n) ve elektron (e) sayısını tam olarak göstermeliyiz. 𝑝 𝑠𝑎𝑦𝚤𝑠𝚤+𝑛 𝑠𝑎𝑦𝚤𝑠𝚤 𝑝 𝑠𝑎𝑦𝚤𝑠𝚤 𝑍 𝐴 𝐸 elementin simgesi Örneğin; 13 27 𝐴𝑙 Çekirdeğinde 13 proton ve 14 nötron, çekirdek dışında 13 elektron taşımaktadır.

İzotoplar Bir elementin bütün atomları aynı kütleye sahip olmak zorunda değildir. Örneğin; Bütün Neon atomları çekirdeklerinde 10 proton ve büyük çoğunluğu yine çekirdeklerinde 10 nötron taşırlar. Fakat bir kısım neon atomlarında 11 ve bazı neon atomlarında ise 12 nötron bulunur. 10 20 𝑁𝑒 10 21 𝑁𝑒 10 22 𝑁𝑒 Aynı atom numarasına (Z), fakat farklı kütle numarasına (A) sahip atomlara izotoplar denir. Bazı elementler doğada tek tip atomlardan oluşmuştur ve doğal izotop içermezler. Örneğin; Alüminyum bunlardan bir tanesidir.

İyonlar Kimyasal tepkimeler sonucunda elektron veren ya da elektron alan atomlar, iyon adını alır ve net bir yük taşırlar. Elektronlar negatif yük taşıdığından, nötür bir atom elektron aldığında negatif yüklü iyon haline gelir. Elektron uzaklaştırılması sonucunda ise pozitif yüklü iyon oluştururlar. İyon haline gelen atomun proton sayısı kesinlikle değişmez. Örneğin; 20 𝑁𝑒+ 22 𝑁𝑒 2+ Bunlardan birincisi 10 proton 10 nötron ve 9 elektron taşır. İkincisi ise 10 proton 12 nötron ve 8 elektron içerir. 16 𝑂 2− Bu iyonda 8 proton (Z = 8), 8 nötron (A-Z = 16-8 = 8) ve 10 elektron (8+2) vardır.

Atom Kütlesi Atom kütleleri için tam 12 standart alındığı halde, atom kütlelerini gösteren çizelgede karbonun atom kütlesi 12,011 olarak verilmektedir. Bu fark nerden kaynaklanır? Standart olarak alınan karbon atomları yalnızca karbon-12 atomlarıdır. Oysa doğal karbonda ayrıca karbon-13'de bulunur. Bu iki izotopun varlığı gözlenen atom kütlesinin 12'den büyük olmasını sağlar. Bir elementin atom kütlesi, izotopların doğada bulunma oranlarına göre, ağırlıklı atom kütlelerinin ortalamasıdır. Karbon-12 doğada karbon-13'e göre daha bol bulunduğundan, ağırlıklı atom kütlesi 12'ye daha yakındır. Elementin Atom Kütlesi = (İzotop 1'in bolluk kesri x İzotop 1'in kütlesi) + (İzotop 2'in bolluk kesri x İzotop 2'in kütlesi) + …

Atom Kütlesi Karbonun kütle spektrumu, karbon atomlarının %98,93'nün tam 12 akb'lik kütle ile karbon-12 olduğunu; geri kalan yüzdenin ise 13,0033548378 akb'lik bir kütle ile karbon-13 olduğunu göstermiştir. Bu yüzden; Karbonun Atom Kütlesi = 0,9893x12 akb + (1-0,9893)x13,0033548378 akb = 12,0107 akb Elementlerin doğadaki bolluk yüzdeleri örnekten örneğe pek değişmez. Örneğin; karbon-12 ve karbon-13 oranları saf karbonda (elmas), karbon dioksit gazında ya da kalsiyum karbonat minerali olan kalsitte hep aynıdır. Periyodik cetvelden çıkarsamalar.

Atom Kütlesi Soru: Potasyumun doğal 3 izotopu 39K, 38,963707 akb, 40K, 39,963999 akb ve 41K'dır. 39K ve 41K'nın doğada bolluk yüzdeleri sıra ile %93,2581 ve %6,7302'dir 41K izotopunun kütlesini bulunuz?

Periyodik Çizelgeye Giriş Bir elementi, bütün elementlerden gözlenebilen belirli fiziksel özellikleriyle ayırt edebiliriz. Örneğin; sodyum (Na) 0,970 g/cm3 yoğunluğa ve 97,81 0C erime noktasına sahiptir. Diğer hiçbir element bu özelliklerin her ikisine birden sahip değildir. Potasyumun (K) yoğunluğu 0,862 g/cm3, erime noktası ise 63,65 0C'dir. Her ikisi de ısı ve elektriği iyi iletmeleri ve su ile şiddetli tepkimeye girip hidrojen gazı çıkarmaları açısından birbirine benzerler. Diğer yandan altının (Au) yoğunluğu 13,32 g/cm3 ve erime noktası 1940 0C'dir. Bu değerler sodyum ve potasyumdan çok yüksektir ve altın su ile ya da sıradan asitlerle bile tepkime vermez. Bu sınırlı verilerle bile, yararlı olabilecek bir sınıflandırma çizelgesi yapabiliriz. Elementler için yapılacak olan bu çizelgeye periyodik çizelge denir.

Periyodik Çizelge

Periyodik Çizelgenin Özellikleri Periyodik çizelgede elementler sol üst köşeden başlanarak atom numaralarının artışına göre yatay olarak sıralanmışlardır. Bu düzenlemede benzer elementler dikey gruplarda ya da sınıflarda yer alırlar. Her element çizelgedeki kutuların ortasına simgeleri yazılarak sıralanır. Elementin atom numarası (Z) bu simgenin üstünde gösterilir ve ağırlıklı ortalama atom kütlesi simgenin altında yer alır. Plütonyum, Pu (244), gibi atom kütleleri parantez içerisinde verilen elementler sentetik olarak elde edilirler. Buradaki kütle numarası en kararlı izotopunun kütle numarasıdır. Gruplardan bazıları, grup elementlerinin önemli bir özelliğinden dolayı, özel olarak adlandırılırlar. Örneğin; grup 17 (7 A grubu) elementleri halojenler, grup 18 (8A grubu) soygazlar olarak bilinirler.

Periyodik Çizelgenin Özellikleri Elementler genel olarak metaller ve ametaller diye iki büyük sınıfa ayrılırlar. Metaller oda sıcaklığında (civa hariç, sıvıdır) katıdır. Şekil verilerek ince plaka veya tel haline getirilebilirler. Isı ve elektriği iyi iletirler. Ametaller ise metallerin tam tersi özelliktelerdir. Çizelgedeki yatay sıralar periyot olarak adlandırılır. 6. periyot 32 üyeli uzun bir periyottur. En fazla 18 element alacak şeklide düzenlenen bu çizelgeye 32 elementi yerleştirmek için bu periyodun 14 üyesi çizelgenin altına konmuştur. 14 element içeren bu seri, lantan (Z = 57) elementini izlediğinden lantanitler diye adlandırılmaktadır.

Periyodik Çizelgenin Özellikleri 7. periyot henüz tamamlanmamıştır. Fakat burada da 6. periyoda benzer şekilde 14 element çizelgenin altına alınmıştır. Bu serideki elementler aktinyumu (Z = 89) izlediğinden aktinitler diye adlandırılır. Grup 3-12 elementleri geçiş elementleridir ve hepsi de metal olduğundan geçiş metalleri diye adlandırılır. Grupların numaralanması iki şekildedir; 1; 1A-8A ve 1B-8B, 2; Grup 1-18

Mol Kavramı ve Avogadro Sayısı Sayılamayacak çokluktaki tek çeşit bir maddenin miktarı SI birim sisteminde mol birimi ile ifade edilir. Bir mol, tam 12 g karbon-12'de bulunan karbon-12 atomlarının sayısı kadar tanecik içeren madde miktarıdır. Atom ve molekül gibi taneciklerin bir mollerinin içerdiği tanecik sayısına Avogadro sabiti, NA denir. NA = 6,02214179x1023 mol-1 Avogadro sayısının değeri, hem bir tanım ve hem de bir ölçüm temeline dayanır. Bir mol karbon-12, 12 g olarak tanımlanır.

Mol Kavramı ve Avogadro Sayısı Eğer bir madde tek bir izotopun atomlarından ibaretse, şöyle yazılabilir; 1 mol 12C = 6,02214x1023 1 mol 12C atomu = 12,0000 g 1 mol 16O = 6,02214x1023 1 mol 16O atomu = 15,9949 g Elementlerin çoğu iki ya da daha çok izotopun bir karışımıdır. Örneğin; 1 mol karbonun çoğu karbon-12 atomu, ama bir miktarı da karbon-13'tür. 1 mol C = 6,02214x1023 1 mol C atomu = 12,0107 g 1 mol O = 6,02214x1023 1 mol O atomu = 15,9994 g Bir mol atomun kütlesine mol kütlesi, M denir. Mol kütlesinin birimi g/mol'dür. Örneğin; Li'un mol kütlesi 6,941 g Li/mol Li'dur.

Hesaplamalarda Mol Kavramının Kullanılışı 1 mol S = 6,022x1023 = 32,065 g S Soru: 4,07 g kükürt (S) örneğinde (a) kaç mol kükürt bulunmaktadır ve (b) toplam kükürt atomlarının sayısı nedir?

TEŞEKKÜRLER