Bölüm 2: Atomlar ve Atom Teorisi

... konulu sunumlar: "Bölüm 2: Atomlar ve Atom Teorisi"— Sunum transkripti:

1 Bölüm 2: Atomlar ve Atom Teorisi

2 İçerik İlk kimyasal bulgular Elektronlar ve atom çekirdeği
Kimyasal elementler Atom kütleleri Mol kavramı

3 İlk Keşifler Democritus (MÖ 470-400)
Democritus bir antik Yunan düşünürüdür. Fiziksel dünyanın doğasına ait zamanının en gelişmiş teorisini ortaya atmıştır. Democritus’a göre; Doğadaki her şey atomlardan meydana gelmiştir. Atomlar duyularla algılanamayacak kadar çok küçük parçacıklardır. Hepsi aynı maddeden yapılmışlardır fakat farklı büyüklük, şekil ve ağırlıklara sahiptirler. Atomlar herhangi bir şeyden oluşturulamaz, bölünemez ve yok edilemez parçacıklardır.

4 İlk Keşifler Lavoisier 1774 Kütlenin Korunumu Kanunu
Proust 1799 Sabit Oranlar Yasası Dalton Dalton Atom Teorisi

5 Kütlenin Korunumu Kanunu
Lavoisier, Kimya’nın kurucusu olarak bilinir. Tepkimeye giren reaktiflerin kütleleri toplamı, tepkimeden çıkan ürünlerin toplamına eşittir. Reaktifler Ürünler Gümüş nitrat ve potasyum kromat Gümüş kromat ve potasyum nitrat

6 Su molekülü %11,19 Hidrojen ile %88,81 Oksijen’den oluşur.
Sabit Oranlar Yasası Bir bileşiğin bütün örnekleri aynı bileşime sahiptir. Yani, bir bileşikte bileşenler sabit bir oranda birleşirler. Proust 1799 Fransız Kimyacı Buna Sabit Oranlar Yasası denir Su molekülü %11,19 Hidrojen ile %88,81 Oksijen’den oluşur.

7 Dalton Atom Teorisi Elementler atom denilen çok küçük parçacıklardan meydana gelmiştir. Bir elementin bütün atomları büyüklük, kütle ve kimyasal özellikler bakımından birbirinin aynıdır. Bir elementin atomları, diğer bütün elementlerin atomlarından farklıdır. Bileşikler birden fazla elementin atomlarından meydana gelmiştir. Herhangi bir bileşikte, herhangi iki elementin atomlarının sayılarının birbirlerine oranı basit ve sabit bir orandır. Bir kimyasal reaksiyon sadece atomların birbirlerinden ayrılmalarını, birleşmelerini veya yeniden düzenlenmelerini içerir. Kimyasal reaksiyonlarda atomların oluşmaları veya yok olmaları söz konusu değildir. John Dalton ( )

8 Yüklü Taneciklerin Davranışları
Atomun Yapısının Elektrik ve Manyetizmanın Kullanımıyla Keşfedilmesi Atomun yapısını incelerken elektrik ve manyetizma arasındaki ilişki ile ilgili bir miktar önbilgiye gereksinim vardır. Yüklü Taneciklerin Davranışları Tüm maddeler yüklü taneciklerden oluşur. Nötr Pozitif yüklü Negatif yüklü İtme ve çekme kuvveti, F, yük miktarı (Q1 ve Q2) ile doğru, yükler arası mesafenin karesi (r2) ile ters orantılıdır. Bu kuvvete Coulomb kuvveti denir. Aynı yüklü tanecikler birbirlerini iterler. Zıt yüklü tanecikler birbirlerini çekerler. Yüklü tanecikler manyetik alanda saparlar. k:Coulomb sabiti

9 Yüklü Taneciklerin Davranışları
Doğrusal yönde ilerleyen yüklü tanecikler, manyetik alandan geçerken sapma gösterirler. Bu sapma, Manyetik alan yüklü tanecikler üzerine geliş doğrultularına dik bir kuvvet uygulamasından kaynaklanır. Manyetik alan çizgilerinin kuzeyden güneye yöneldikleri varsayılır.

10 Elektronun Keşfi CRT olarak bilinen televizyon ve bilgisayar ekranları katot ışınları tüpü denen bir düzenek içerir. Bu tüp ilk kez Michael Faraday ( ) tarafından yapılmıştır. Havası boşaltılmış tüpte katot’tan çıkan ışınların anoda doğru gittiği görülmüştür. Bu ışınlar - yüklü olup ZnS’lü yüzeyde flüoresans yaparlar.

11 Katot Işınlarının Özellikleri
1897’de J.J. Thompson şekildeki düzeneği kullanarak elektronun kütlesine oranını hesaplamıştır ve katot ışınlarının aslında bütün atomlarda bulunan negatif yüklü tanecikler olduğunu ortaya koymuştur. Bundan sonra katot ışınlarına elektron adı verilmiştir. Katot ışınları yani elektronlar elektrik ve manyetik alanda saparlar. Elektron için m/e = x 10-9 g/coulomb

12 Millikan’ın Yağ Damlası Deneyi
Millikan yüklü yağ damlacıklarının yerçekimi etkisiyle aşağı doğru olan hareketlerinin plakalar tarafından uygulanan elektrik alan ile dengelenebildiğini gözlemiştir. Robert Millikan ( ) Millikan Yağ Damlası deneyi ile bir elektronun yükünün değerini ölçmüştür. Thompson tarafından ölçülen m/e değerini kullanılarak elektron kütlesini de bulmuştur. e = 1,6022 x C me = 9,1094 x g

13 Thompson’un Atom Modeli
Elektronların keşfinden sonra Thompson bir atom modeli öne sürdü. Bu modele göre, nötr bir atomda eksi yükü dengeleyen artı yükler bir bulut şeklinde atom içerisine dağılmış olmalıdır. Eksi yükler ise atomun belli yerlerinde bulunurlar (Üzümlü kek modeli). Thompson atom modeline göre He atomu ve iyonları

14 X-Işınları ve Radyoaktiflik
1895’de Wilhelm Roentgen bazı maddelerin katot ışınlarıyla etkileştiklerinde ışıma yaptıklarını keşfetti ve o zamana dek bilinmeyen bir ışıma olduğu için bunlara X-ışınları adını verdi. Ernest Rutherford, radyoaktif maddelerden yayılan alfa ve beta ışınlarını, Paul Villard ise gama ışınlarını buldu.

15 Antoine Becquerel ise uranyum ile yaptığı bir dizi deneyler sonucunda bu maddenin katot ışınlarıyla etkileşmeden kendiliğinden ışıma yaptıklarını bularak radyoaktifliği keşfetti. 1900’lü yılların başında, Marie ve Pierre Curie pek çok radyoaktif element keşfettiler. Bu elementlerin en önemlileri Ra ve Po’dur Atom çekirdeğinin tanecikler veya elektromanyetik ışımalar yayarak kendiliğinden parçalanmasına Radyoaktivite(Işın etkinlik) denir. Radyoaktif bozunmaya uğrayan radyoaktif bir elementin kimyasal özellikleri değişir. Yani bir element başka bir elemente dönüşür.

16 X-Işınları ve Radyoaktiflik
Alfa tanecikleri: İki temel pozitif yük birimi taşıyan ve helyum kütlesine sahip olan tanecikleridir ve +2 yüklüdürler. Beta tanecikleri: radyoaktif atomların çekirdeğinde meydana gelen değişmeler sonucu ortaya çıkan negatif yüklü taneciklerdir. Elektronlarla aynı özellikleri taşırlar. Gama ışınları: deliciliği çok fazla olan elektromanyetik ışınlardır. Alfa ve beta tanecikleri yüklü oldukları için elektrik alanda saparlar. Ancak yüksüz gama ışınları elektrik alanda sapmazlar.

17 Atom Çekirdeği Altın yaprak deneyi 1909’da Rutherford ve Geiger alfa-parçacıklarının altın levha (yaprak) tarafından saçılması deneyini yaptılar ve aşağıdaki sonuçları elde ettiler.

18 Atom Çekirdeği Bu sonuçlar Thompson atom modeli ile açıklanamaz.
Altın yaprak deneyinden elde edilen sonuçlar Metal yaprağa gelen alfa parçacıklarının büyük çoğunluğu sapmaya uğramadan geçerler. Bazı alfa parçacıkları çok az sapmaya uğrar. Birkaç tanesi (yaklaşık ’de biri) metal yaprağı geçerken önemli miktarda sapar. Yine birkaç tanesi yaprağı geçemez ve geri döner. Tomson atom modeline göre alfa taneciklerinin olası sapmaları Bu sonuçlar Thompson atom modeli ile açıklanamaz.

19 Atom Çekirdeği Rutherford’un atom modeli
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. Pozitif yükün büyüklüğü atomdan atoma değişir ve elementin atom ağırlığının yaklaşık yarısıdır. Çekirdeğin dışında, çekirdek yüküne eşit sayıda elektron bulunur. Atomun kendisi elektrik yükü bakımından nötürdür.

20 Atom Çekirdeği Rutherford’un atom modeli
Rutherford 1919 yılında havadaki azot atomlarından saçılan alfa parçacıklarını incelerken atom çekirdeğindeki pozitif yüklü tanecikleri keşfetmiş ve bunlara proton adını vermiştir. 1932 yılında ise James Chadwick atom çekirdeğinden gelen ve nötr parçacıklardan oluşan nötronları keşfetmiştir. Atom çekirdeğinde bulunan proton ve nötron taneciklerine nükleon adı verilir. Rutherford’un atom modeli

21 Atomu oluşturan Temel Tanecikler
Elektron (e) bir atom birimi negatif yük taşır. Proton (p) bir atom birimi pozitif yük taşır. Nötron (n) ise yüksüzdür. Atomik kütle birimi: Karbon-12 atomunun kütlesinin 1/12’sine (on ikide birine) eşittir ve akb ile gösterilir. Bir atomun çekirdeğindeki proton sayısına atom numarası (Z), atomun kütlesine yani çekirdekteki proton ve nötron sayısına kütle numarası (A) denir.

22 Nötür bir atomda:

23 Atom skalasında sıkça kullanılan birimler:
En ağır atomun kütlesi sadece 4.32 x g’dır ve bu atom çapı sadece 5 Å’dur. Atom skalasında sıkça kullanılan birimler: 1 akb (atomik kütle birimi) = x kg 1 pm (pikometre) = 1 x m 1 Å (Angstrom) = 1 x m = 100 pm = 1 x 10-8 cm Tipik C-C bağ uzunluğu 154 pm (1.54 Å) Moleküler modellerde genellikle 1 cm 0.4 Å’ü gösterir.

24 Kimyasal Elementler Bir elementin bütün atomları aynı atom numarasına (Z) sahiptir. Şu anda bilinen elementlerin atom numaraları Z=1’den Z=109’a kadar değişir. Her bir elementin bir adı ve simgesi vardır. Çoğu elementin kimyasal simgesi, İngilizce adının bir kısaltmasıdır ve bir ya da iki harf içerir. Çok eskiden beri bilinen bazı elementlerin simgeleri Latince adlarına göre verilmiştir. Uranyumdan (Z=92) daha büyük atom numaralı elementler doğada bulunmazlar. Bunlar parçacık hızlandırıcılar yardımıyla elde edilen yapay elementlerdir.

25 Element Simge Karbon Oksijen Nitrojen Sülfür Neon Silisyum C O N S Ne Si Ferrium Plumbum Natrium Kalium Fe Pb Na K

26 Kimyasal Elementler proton sayısı + nötron sayısı Yük (p-e) Proton sayısı Elementin simgesi Dalton, bir elementin tüm atomlarının aynı kütleye sahip olacağını ileri sürmüştü ancak bugün biliyoruz ki, bir elementin tüm atomlarının aynı kütleye sahip olmak zorunda değildir. Aynı atom numarasına (Z), fakat farklı kütle numaralarına (A) sahip iki ya da daha çok atoma izotop atomlar denir.

27 Örnek: Bütün Ne atomları çekirdeklerinde 10 proton ve bunların büyük çoğunluğu 10 nötron taşırlar. Fakat bir kısmının 11 ve bir kısmı ise 12 nötronu vardır. İzotop: %90,9 %0,3 %8,8 Doğada bulunma yüzdeleri

28 Kimyasal Elementler Elektron veren ya da elektron alan atoma iyon denir ve net bir elektron yükü taşır. İyon haline gelen atomun proton yükü kesinlikle değişmez. Birinci neon iyonu 10p, 10n, 9e içerir. (+1 yüklü) İkinci neon iyonu 10p, 10n, 8e içerir. (+2 yüklü) I. iyon II. Örnek: ‘deki proton, nötron ve elektron sayılarını bulunuz. Örnek: 29 proton, 34 nötron ve 27 elektron içeren taneciğin simgesini yazınız.

29 İzotop Kütleleri Atomların kütleleri nasıl bulunur?
Tek bir atomun kütlesini, yalnızca temel taneciklerinin kütlelerini toplayarak bulamayız. Çünkü, bir atom çekirdeği, proton ve nötronlardan oluşurken, kütlenin bir miktarı enerjiye dönüşür ve bu enerjinin açığa çıkması sayesinde çekirdeği oluşturan tanecikler bir arada tutulur. Çekirdekteki tanecikleri bir arada tutan bu enerjiye bağlanma enerjisi denir ve miktarı önceden kesin olarak bilinemez. Atomların kütleleri nasıl bulunur? Uluslararası kabule göre, C-12 izotopunun kütlesi tam 12 akb’dir. Diğer element atomlarının kütleleri bu standarda göre belirlenir. Bu iş için kullanılan sisteme kütle spektroskopisi adı verilir.

30 Kütle spektroskopisi Gaz halindeki bir iyon demeti aşağıdaki düzenekten geçerken, elektrik ve manyetik alanlar yardımıyla ayrılırlar. Ayrılan iyonlar fotoğraf plakası üzerinde kütleleri ve yükleri ile orantılı olarak çizgiler oluştururlar. Bu çizgiler C-12 çizgilerine oranlanarak iyonların kütleleri elde edilir.

31 Kütle spektroskopisi Örnek: Kütle spektrumu verilerine göre, 16O kütlesinin 12C kütlesine oranı 1,33291 olarak bulunmuştur. Bir 16O atomunun kütlesi nedir? Kütlelerin oranı 16O / 12C =1,33291 demek, 16O kütlesi 12C kütlesinin 1,33291 katı demektir. Buna göre; 16O kütlesi = 1,33291 x 12,00000 akb =15,9949 akb Soru: Kütle spektrumu verilerine göre, 16O kütlesi 15N kütlesinin 1,06632 katı olarak bulunmuştur. Bir 15N atomunun kütlesi kaç akb’dir? 16O kütlesi = 1,06632 x 15N kütlesi 15N kütlesi = 15,9949 akb / 1,06632 =15,00009 akb

32 Atom Kütleleri Atom kütleleri için 12 standart alınmasına rağmen, elementlerin periyodik tablosunda karbonun atom kütlesi 12,011 olarak verilir. Bu farkın sebebi nedir? Standart olarak alınan karbon atomları yalnızca 12C izotopudur. Oysa doğal karbonda 13C ve 14C izotopları da bulunmaktadır. Bu iki izotopun varlığı karbonun gözlenen atom kütlesinin 12’den büyük olmasını sağlar.

33 Elementin Atom Kütlesi İzotop 1’in bulunma yüzdesi İzotop 1’in kütlesi
Atom kütlesi (ağırlığı): İzotoplarının doğada bulunma oranlarına göre, ağırlıklı atom kütlelerinin ortalamasıdır. Ağırlıklı atom kütlesi şöyle hesaplanır: Elementin Atom Kütlesi = İzotop 1’in bulunma yüzdesi x İzotop 1’in kütlesi + İzotop 2’nin bulunma yüzdesi İzotop 2’nin kütlesi + ….

34 Atom Kütleleri Karbonun Atom Kütlesi 12C’nin bulunma yüzdesi
12C kütlesi: 12,00000akb; doğada bulunma oranı: %98,892 13C kütlesi: 13,00335akb; doğada bulunma oranı: %1,108 Buna göre C atomunun ortalama kütlesi: Karbonun Atom Kütlesi 12C’nin bulunma yüzdesi 13C’nin bulunma yüzdesi 12C’nin kütlesi 13C’nin kütlesi = x + x Karbonun Atom Kütlesi = Karbonun Atom Kütlesi = 12,011 akb

35 Mol Kavramı ve Avagadro Sayısı
Atomlar çok küçük olduklarından ve kimyada çalışılan örneklerde sayılamayacak kadar çok atom olduğundan atomların tek tek kütlelerinin ölçülebilmesi mümkün değildir. Bu nedenle belli sayıda atomları içeren bir birim geliştirilmiştir. Bu birime mol denir. Mol’ün tanımı: tam olarak 12,00g 12C izotopu örneğinde bulunan 12C atomu sayısı kadar parçacık içeren (atom, molekül veya diğer parçacıklar) madde miktarına denir. Bir İtalyan kimyacı olan Avagadro bu sayının deneysel olarak belirlenmesini sağlamıştır: 1 mol = 6,02214 x 1023 tane atom, molekül, vb.

36 Mol Kavramı ve Avagadro Sayısı
12,00g 12C = 1mol 12C atomu = 6,022x1023 tane 12C atomu 12,00g 12C örneği 1,993 x 10-23g = 1 tane 12C atomunun kütlesi 6,022 x 1023 tane 12C atomu 1 tane 12C atomu = 1,993 x 10-23g 1,661 x 10-24g 1 tane 12C atomu = 12akb 1akb = 1,661 x 10-24g > 1g = 6,022 x 1023akb

37 1g 6,022 x 1023 Oksijen: 16 akb 6,022 x 1023 akb 1 mol
Oksijen = 16g/mol Elementlerin atomik kütleleri (yani 1 atomun kütlesi) ile mol kütleleri (yani 6,022 x 1023 tane atomun kütlesi) sayısal olarak aynıdır fakat birimleri farklıdır: 1 tane oksijen atomu = 16 akb 1 mol oksijen = 16 g

38 F-19 Cl-35,37 Pb-207,206,208,204 Mg-24,26,25

39 Mol Kavramı ve Avagadro Sayısı
Örnek: Potasyum-40 (40K) izotopu küçük atom nolu birkaç doğal radyoaktif izotoptan biridir. Doğada 0.012% bolluktadır mg K içeren sütün içinde kaç 40K atomu içilmiş olur? K= 39,1 mK(mg) x (1g/1000mg)  mK (g) x 1/MK (mol/g)  nK(mol) nK = (371 mg K) x (10-3 g/mg) x (1 mol K) / (39,10 g K) = 9,49 x 10-3 mol K nK(mol) x NA  atoms K x 0.012%  atoms 40K atoms 40K = (9.49 x 10-3 mol K) x (6.022 x 1023 atoms K/mol K) x (1,2 x K/K) = 6,9 x K atomu içilmiş olur.