Periyodik tablo, elektron kabukları ve orbitaller

Megaturks

 
Kurucu
Katılım
7 Tem 2020
Mesajlar
332
Tepkime puanı
14
Kimya derslerinize çalışırken bazı tekniklerden yararlanarak elementlerin ismini ezberlemiş olabilirsiniz. Bu oldukça etkileyici bir yetenek sayılır.

Peki, tüm elementlerin isimlerini ezberlediniz diyelim. Bu yeteneğiniz bir daha hiçbir zaman periyodik tabloya ihtiyacınız olmayacağı anlamına gelir mi? Maalesef, hayır. Çünkü periyodik tablo sadece bütün elementleri barındıran sıkıcı bir kaynaktan çok, bir dosyalama sistemi niteliğindedir. Elementlerin periyodik tablodaki yerleri, o elementlerin yapıları, özellikleri ve kimyasal tepkimelerdeki davranışları hakkında bilgi verir. Örneğin, bir elementin periyodik tablodaki yeri, o elementin elektron dizilimini, yani elektronların elementin çekirdeği etrafında nasıl sıralandıklarını bulabilmenize yardımcı olur. Atomlar kimyasal tepkimelere girmek için elektronlarını kullanırlar; bu sebeple, bir elementin elektron dizilimini bilmek, o elementin reaktifliğini (diğer atomların elementleriyle etkileşim kabiliyetini) bilmenize olanak sağlar.

Bu bölümde, periyodik tabloya, atomların elektronlarını nasıl düzenlediklerine ve bu bilgilerin elementlerin reaktifliklerini tahmin edebilmemiz için sağladığı yararlara daha detaylı bakacağız.

Periyodik Tablo

Elementler periyodik tabloda sıralanır. 1869'da Rus kimyager Dimitri Mendeleyev (1834-1907) tarafından oluşturulan bu tablo, elementleri çeşitli özelliklerin paylaşıldığı sütunlara (gruplara) ve satırlara (periyotlara) yerleştirir. Bahsi geçen bu özellikler, elementlerin oda sıcaklığındaki fiziksel hallerini (gaz, katı veya sıvı) ve kimyasal reaktifliğini (diğer atomlarla kimyasal bağ kurabilme yeteneğini) belirler.

Periyodik tablo elementlerin atom numaralarını sıralamaya ek olarak, aynı zamanda bir elementin bağıl atom kütlesini (elementin doğada bulunan izotoplarının ortalama kütlesini) de gösterir. Mesela hidrojene bakalım. Sembolü (H\text{H}Hstart text, H, end text) ve elementin adı, atom numarası (1) ve bağıl atom kütlesi (1,01) periyodik tablonun sol üst köşesine yerleştirilmiştir.


Elementlerin periyodik tablosu

Elementlerin periyodik tablosu
Görselin uyarlandığı kaynak: OpenStax Biology

Elementlerin kimyasal reaktifliğindeki farklar, elektron sayılarına ve dağılımlarına bağlıdır. Eğer iki atom birbirini tamamlayan elektron dizilimlerine sahipse, bu atomlar tepkimeye girebilir ve bir bileşik veya molekül oluşturmak üzere kimyasal bağlar kurabilirler. Aşağıda göreceğimiz üzere, periyodik tabloda elementler sayılarını ve elektronlarının dizilişlerini yansıtacak şekilde sıralanır. Böylece, bir elementin reaktifliği ve hangi elementlerle ne şartlarda bağ kurmaya yatkın olduğu tahmin edilebilir.

Elektron Kabukları ve Bohr Atom Modeli

İlk atom modellerinden biri, 1913'te Danimarkalı bilim insanı Niels Bohr (1885-1962) tarafından oluşturuldu. Bohr Atom Modeli, atomu protonlara ve elektronlara sahip olan merkezi bir çekirdek olarak gösterir. Bu modele göre elektronlar, tıpkı Güneş'in etrafında dönen gezegenler gibi, dairesel elektron kabuklarında çekirdeğe belirli uzaklıklarda yerleştirilmişlerdir. Her bir elektron kabuğunun farklı enerji seviyesi bulunur: Çekirdeğe yakın olan kabukların enerji seviyeleri, çekirdeğe uzak olanlara göre daha azdır. Genel olarak, tüm kabuklar kendilerine özel bir sayıya ve "n" sembolüne sahiptirler. Örneğin, çekirdeğe en yakın olan elektron kabuğunun ismi "1n"dir. Bir elektronun kabuklar arasında geçiş yapabilmesi için, geçiş yapacağı kabuklar arasındaki enerji farkına eşdeğer olan miktarda enerji almalı veya vermelidir. Örneğin, eğer bir elektron bir fotondan enerji alırsa uyarılmış duruma geçebilir ve bir üst kabuğa yerleşebilir; veya tam tersine, alt bir kabuğa yerleşebilir ve böylece enerji vermiş olur (çoğunlukla ısı biçiminde enerji verir).


Atomun Bohr modeli enerji seviyelerini çekirdeği merkez alan iç içe geçmiş çemberlerle gösterir. Bir elektronu dışarıdaki daha yüksek enerji seviyesine taşımak için enerji eklenmesi gerekir ve bir elektron yüksek enerji seviyesinden merkeze daha yakın bir yere düşerken de enerji açığa çıkar.

Görselin uyarlandığı kaynak: OpenStax Biology

Atomun Bohr modeli enerji seviyelerini çekirdeği merkez alan iç içe geçmiş çemberlerle gösterir. Bir elektronu dışarıdaki daha yüksek enerji seviyesine taşımak için enerji eklenmesi gerekir ve bir elektron yüksek enerji seviyesinden merkeze daha yakın bir yere düşerken de enerji açığa çıkar.


Tıpkı fizik kurallarına dahil olan diğer şeyler gibi, atomlar da en az enerjili ve en kararlı elektron dizilişini sağlamaya çalışırlar. Böylece, elektronlar bir atomun elektron kabuklarına içten dışa doğru dizilir. Öncelikle çekirdeğe en yakın olan az enerjili kabuklara yerleşir, daha sonra yüksek enerjili kabukları doldururlar. Çekirdeğe en yakın olan kabuk "1n", iki elektron taşıyabilir. "2n" 8 adet, "3n" ise 18 adet elektron taşıyabilme kapasitesine sahiptir.

Bir atomun en dış kabuğundaki elektron sayısı, atomun reaktifliğini yani diğer atomlarla kimyasal bağ kurabilme yatkınlığını yansıtır. En dıştaki bu kabuğa değerlik kabuğu, bu kabukta bulunan elektronlara da değerlik elektronları denir. Genellikle atomlar, en dış kabukları dolu olduğunda en kararlı hallerini alırlar ve reaktiflikleri en azdır. Biyolojide önemli kabul edilen çoğu element, kararlı halde olmak için en dış kabuklarında 8 elektrona ihtiyaç duyar. Bu kurala oktet kuralı adı verilir. Bazı atomların değerlik kabukları 18 elektron taşıyabilen 3n kabuğu olsa da oktetle kararlı durumda olabilirler. Bu durumun sebeplerini birazdan elektron yörüngelerini tartışırken inceleyeceğiz.

Bazı nötr atomlara örnekler ve bu atomların elektron dizilişleri aşağıda gösterilmektedir. Tabloda helyumun ilk ve tek elektron kabuğu olan "1n" kabuğunda iki elektron bulunduğu görülebilir. Benzer şekilde, neon da 8 elektron taşıyan dolu "2n" kabuğuna sahiptir. Bu elektron dizilişleri helyumu ve neonu oldukça kararlı yapar. Argon her ne kadar tamamıyla dolu bir dış kabuğa sahip olmasa da (çünkü "3n" kabuğu 18 elektron alabilir), tıpkı neon ve helyum gib kararlıdır çünkü "3n" kabuğunda 8 elektron barındırır ve oktet kuralına uyar. Buna karşın, klorun en dış kabuğunda 7, sodyumun en dış kabuğunda ise yalnızca 1 elektron bulunur. Bu dizilişler, klor ve sodyumun en dış kabuğunun dolu olmadığını veya bu iki elementin oktet kuralına uymadığını gösterir. Böylece klor ve sodyum reaktif elementler olarak kabul edilir, yani daha kararlı bir dizilişe geçebilmek için elektron almaya veya vermeye hazırdırlar.

Çeşitli elementlerin Bohr diyagramları

Çeşitli elementlerin Bohr diyagramları
Görsel hakları: OpenStax Biology
 

Megaturks

 
Kurucu
Katılım
7 Tem 2020
Mesajlar
332
Tepkime puanı
14
Elektron Dizilişleri ve Periyodik Tablo
Elementler, periyodik tabloda atom numaralarına (proton sayıları) göre sıralanmışlardır. Nötr bir atomda, elektron sayısı proton sayısına eşittir; böylece elektron sayısı atom numarasından kolaylıkla bulunabilir. Ayrıca, bir elementin periyodik tablodaki konumu (hangi grupta ve periyotta olduğu), o elementin elektron dizilişi hakkında bilgi verir.
Periyodik tabloda, yaşam için önemli olan elementlerin bulunduğu ilk üç periyoda bakalım. Her bir sıra yani periyot, farklı bir elektron kabuğunun doldurulduğuna işaret eder. Örneğin, helyum ve hidrojen elektronlarını "1n" kabuğuna yerleştirir. İkinci periyottaki elementlerden Li, "2n" kabuğunu doldurmaya başlar. Üçüncü periyottaki elementlerden Na ise "3n" kabuğunu doldurur. Benzer şekilde, bir elementin grup numarası, o elementin değerlik elektron sayısı ve reaktfliği hakkında bilgi verir. Genellikle, aynı gruptaki elementlerin değerlik elektron sayıları eşittir. Periyotlarda ise soldan sağa gidildikçe değerlik elektron sayısı artar. 1. gruptaki elementlerin 1 adet değerlik elektronları bulunurken, 18. grup elementlerinin 8 değerlik elektronu bulunur (helyum hariç; helyumun toplamda iki elektronu vardır). Dolayısıyla, grup numarası, elementlerin reaktiflik seviyesini tahmin edebilmek için yararlı bir araçtır:
  • Helyum (He\text{He}Hestart text, H, e, end text), neon (Ne\text{Ne}Nestart text, N, e, end text) ve argon (Ar\text{Ar}Arstart text, A, r, end text) 18. grup elementleridir. Dış elektron kabukları tamamen doludur veya oktet kuralına uyarlar. Bu özellikleri onları oldukça kararlı yapar. Kararlı yapılarından ötürü, bu elementler soygaz veya asal gaz olarak adlandırılırlar.
  • Hidrojen (H\text{H}Hstart text, H, end text), lityum (Li\text{Li}Listart text, L, i, end text) ve sodyum (Na\text{Na}Nastart text, N, a, end text) 1. grup elementleridir. Dış elektron kabuklarında sadece 1 elektron bulundururlar. Tekil atom halinde oldukça kararsızdırlar, ancak değerlik elektronlarından birini vererek veya paylaşarak kararlı hale geçebilirler. Eğer bu elementler bir elektronlarını tamamen kaybederlerse (lityum ve sodyumda olduğu gibi), pozitif yüklü iyonlar haline gelirler: Li+\text{Li}^+Li+start text, L, i, end text, start superscript, plus, end superscript ve Na+\text{Na}^+Na+start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript.
  • Flor (F\text{F}Fstart text, F, end text) ve klor (Cl\text{Cl}Clstart text, C, l, end text) 17. grup elementleridir. En dış kabuklarında yedi elektron bulunur. Kararlı oktet durumuna geçebilmek için başka atomlardan bir elektron alma eğilimindedirler. Böylece negatif iyon halini alırlar: F−\text{F}^-F−start text, F, end text, start superscript, minus, end superscript ve Cl−\text{Cl}^-Cl−start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript
  • Karbon (C\text{C}Cstart text, C, end text) 14. grup elementidir. Dış kabuğunda 4 elektron bulunur. Karbon, dolu bir değerlik kabuğunu elde edebilmek için pek çok diğer atomla bağ kurarak elektronlarını paylaşır.
Örneklerde de görüldüğü üzere, grup numaraları elementlerin değerlik kabuklarındaki elektron sayılarını belirtir. Bu bilgi de, o elementin reaktiflik seviyesini anlamaya yardımcı olur.

Alt Kabuklar ve Yörüngeler
Bohr Modeli birçok elementin reaktifliğini ve kimyasal bağlarını açıklamak için yeterlidir, ancak elektronların çekirdeğin etrafındaki boşluğa nasıl yayıldıklarını tam anlamıyla göstermeyebilir. Elektronlar aslında çekirdeğin etrafında daireler çizmezler. Bunun yerine, zamanlarının büyük bir bölümünü elektron yörüngeleri adı verilen, çekirdeğin etrafındaki boşlukta bulunan ve bazen karmaşık şekillerde olan bölgelerde geçirirler. Bir elektronun anlık olarak bulunduğu yeri tahmin edebilmemiz mümkün değildir, ancak elektronun büyük ihtimalle içinde bulunduğu boşluğun (vaktinin %90'ını geçirdiği yerin) hacmini matematiksel olarak hesaplayabiliriz. Bu muhtemel bölge aslında bir yörüngeyi oluşturur ve her bir yörünge 2 elektron barındırabilir.
Peki, matematiksel olarak tanımlanan bu yörüngeler Bohr Atom Modeli'ndeki elektron kabuklarıyla nasıl bir bağlantı içinde? Her bir elektron kabuğunu, bir veya daha fazla yörüngeden oluşan alt kabuklara ayırabiliriz. Alt kabuklar ssss, pppp, dddd ve ffff harfleriyle gösterilir; her bir harf farklı bir şekli belirtir. Örneğin, ssss alt kabukları küre şeklindedir ve bir adet yörüngeleri vardır. pppp alt kabukları ise birbirine dik halterler şeklinde yörüngeler içerir. Biyoloji biliminin merkezinde olan ve karbon içeren bileşiklerle uğraşan organik kimyada, çoğu kez ssss ve pppp alt kabuklarında bulunan elektronlar arasındaki etkileşimler görülür. Bu yüzden ssss ve pppp alt kabukları en yakından tanınması gereken alt kabuklardır. Ancak, fazla elektrona sahip olan atomlar elektronlarından bazılarını dddd ve ffff alt kabuklarına yerleştirebilirler. dddd ve ffff alt kabukları daha karmaşık şekillere sahiptir ve sırasıyla 5 ve 7 yörünge bulundururlar.

Dairesel 1s ve 2s yörüngelerinin ve halter şekilli 2p yörüngelerinin 3 boyutlu diyagramı. Toplamda üç 2p yörüngesi mevcut ve birbirlerine dik açıyla duruyorlar.

Görselin uyarlandığı kaynak: OpenStax Biology

Dairesel 1s ve 2s yörüngelerinin ve halter şekilli 2p yörüngelerinin 3 boyutlu diyagramı. Toplamda üç 2p yörüngesi mevcut ve birbirlerine dik açıyla duruyorlar.


İlk elektron kabuğu olan "1n", tek bir 1s1s1s1, s yörüngesine denk gelir. 1s1s1s1, s yörüngesi çekirdeğe en yakın yörüngedir ve elektronlarla dolmaya başlayan ilk yörüngedir. Hidrojenin sadece bir elektronu bulunur, bu yüzden 1s1s1s1, s yörüngesinde sadece bir yeri doludur. Bu açıklamalar kısaltılmış bir biçimde elektron dizilimiyle şu şekilde gösterilebilir: 1s11s^ 11s11, s, start superscript, 1, end superscript. Bu gösterim incelendiğinde, ssss'nin üzerindeki 1'in, 1s1s1s1, s yörüngesindeki tek elektronu gösterdiği anlaşılabilir. Öte yandan, helyumun iki elektronu bulunur. Böylece 1s1s1s1, s yörüngesini iki elektronu ile doldurabilir. Bu durum da 1s21s^ 21s21, s, squared dizilimiyle gösterilir. Az önce olduğu gibi, ssss'nin üzerindeki 2, helyumun 1s1s1s1, s yörüngesinde bulunan iki elektronu temsil eder. Periyodik tabloda ilk periyotta (satırda) sadece hidrojen ve helyum bulunur. Bu da, onların sadece ilk elektron kabuklarında elektronları bulunduğunu gösterir. Hidrojen ve helyum, nötr yani yüksüz hallerinde yalnızca 1s1s1s1, s yörüngesinde elektron bulundurabilen elementlerdir.

İkinci elektron kabuğu olan "2n", bir adet küre şeklinde ssss yörüngesi ve üç adet halter şeklinde pppp yörüngesine sahiptir. Yörüngelerin her biri, daha önce de bahsedildiği üzere, iki elektron taşıyabilir. 1s1s1s1, s yörüngesi dolduktan sonra ikinci elektron kabuğu dolmaya başlar. Elektronlar öncelikle 2s2s2s2, s yörüngesini, daha sonra üç adet bulunan pppp yörüngelerini doldururlar. Periyodik tablonun ikinci periyodunda bulunan elementler elektronlarını hem "2n" kabuğuna, hem de "1n" kabuğuna yerleştirirler. Örneğin, lityum (Li\text{Li}Listart text, L, i, end text) üç elektrona sahiptir. Bunlardan iki tanesi 1s1s1s1, s yörüngesini doldurur, üçüncüsü ise 2s2s2s2, s yörüngesine yerleşir. Böylece lityumun elektron dizilimi 1s21s^ 21s21, s, squared 2s12s^ 12s12, s, start superscript, 1, end superscript şeklinde olur. Öte yandan, neonun (Ne\text{Ne}Nestart text, N, e, end text) toplamda 10 elektronu bulunur. İki tanesi en içteki 1s1s1s1, s yörüngesine yerleşir; geriye kalan sekiz elektron da ikinci kabuğu doldurur: 2s2s2s2, s yörüngesinde ve üç pppp yörüngesinde ikişer elektron bulunur. Neonun elektron dizilişi de böylece şu şekilde gösterilir: 1s21s^ 21s21, s, squared 2s22s^ 22s22, s, squared 2p62p^62p62, p, start superscript, 6, end superscript. Neonun "2n" kabuğu tamamıyla dolu olduğu için, enerjik olarak kararlıdır ve diğer atomlarla kimyasal bağ kurma eğiliminde değildir.

Üçüncü elektron kabuğu "3n", bir adet ssss yörüngesine ve üç adet pppp yörüngesine sahiptir. Periyodik tabloda üçüncü periyottaki elementler elektronlarını bu yörüngelere yerleştirirler (tıpkı ikinci periyottaki elementlerin "2n" kabuğuna elektron yerleştirmeleri gibi). "3n" kabuğu aynı zamanda bir dddd yörüngesini bulundurur. Ancak bu yörünge, 3s3s3s3, s ve 3p3p3p3, p yörüngelerine göre çok daha yüksek enerjilidir ve periyodik tablonun dördüncü periyoduna kadar dolmaya başlamaz. Üçüncü periyot elementlerinin (örneğin argon) sadece sekiz adet değerlik elektron ile kararlı durumda olabilmelerinin sebebi de budur: "3n" kabuğu tamamen dolu olmamasına rağmen ssss ve pppp alt kabukları tam doludur.
Elektron kabukları ve yörüngeler birbiriyle yakın ilişki içindedir. Bu noktada yörüngeler bir atomun elektron dizilişi hakkında daha isabetli fikirler verebilirler çünkü yörüngeler, elektronların bulunduğu alanın şeklini ve konumunu da belirtirler.