Kimya Mühendisliği 3 Atom ve periyodik özellikler 2.1. I Ş I Ğ IN YAPISI (Elektromanyetik spektrum) Blackbody Radiation:E = h ? = h. ? c h: Planck sabiti olup, 6,63.10 -27 erg.s. (6,63.10 -34 J.s ) dir. c: I ş k h z , 300 000 km/s ( 3.10 10 cm/s) ? : frekan s, E: ş k kuantum enerjisi 1 erg = 1 dyne cm = 1 g·cm 2 /s 2 (CGS) 1 erg = 10 - 7 J 1 Joule = 1 Newton · 1 Metre = 1 N · 1 m 1 Joule = 1 Watt · 1 Saniye = 1 W · 1 s 1 Joule = 1 Coulomb · 1 Volt = 1 C · 1 V 1 Joule = 100.000 Dyn · 100 cm = 10.000.000 Erg. (MKS)Soru: A ş a ğ daki ş klar n (elektromanyetik dalga) enerjilerini hesaplay n z. K rm z a) Mor b) Radyo dalgalar c) E = h ? = h. ? c a) E = h ? =6,63.10 -27 erg.sn nm s km 700 / 300000 = 6,63.10 -27 erg.s nm s km x 700 / 10 3 5 = 6,63.10 -27 er g.s cm x s cm x 7 10 10 700 / 10 3 ? = 2,84.10 -12 erg b) E = h ? =6,63.10 -27 erg.sn nm s km 400 / 300000 = 6,63.10 -27 erg.s nm s km x 400 / 10 3 5 = 6,63.10 -27 erg.s cm x s cm x 7 10 10 400 / 10 3 ? = 4,97.10 -12 erg b) E = h ? =6,63.10 -27 erg.sn m s km 3 10 / 300000 = 6,63.10 -27 erg.s m s km x 3 5 10 / 10 3 = 6,63.10 -27 erg.s m s m x 3 8 10 / 10 3 = 1,989 .10 - 21 erg Fotoelelektrik olay Belli frekansl bir radyasyonun temiz bir metal ü zerine g ö nderilmesi halinde, metalden elektron kopmas na “fotoelektrik olay” denir. h. ? = w + m.v 2 m: elektronun k ü tlesi, v : elektronun h z , w: elektronun metalden kopar lmas i ç in harcanan enerjidir h. ? = h. ? 0 + m.v 2 m.v 2 = h ( ? - ? 0 ) ? 0 , metalin cinsine ba ğl olup “e ş ik frekans Ö rnek (2-1): Potasyumun ç k ş i ş i 2,24 eV dur. 2537 o A dalga boylu bir ş kla olu ş turulan fot o elektronlar n kinetik enerjisini ve h z n hesaplay n z. Çö z ü m: Gelen fotonun enerjisi i ç in, E = h. ? = h ? c = 6,63.10 -27 erg.sn cm 2537.10 cm/sn 3.10 8 10 ? yaz labilir. Buradan, E = 7,84.10 -12 erg elde edilir. 1 eV = 1,6 10 -12 erg oldu ğundan, eV 4,9 = 10 . 6 , 1 7,84.10 = E 12 - -12bulunur. h. ? = h. ? 0 + m.v 2 m.v 2 = h. ? - h. ? 0 m: elektronun k ü tlesi olup 9,1.10 -28 gramd r. 2,24 - 4,9 = m.v 2 1 2 = 2,66 eV = 2,66. 1,6.10 -12 = 4,26.10 -12 erg cm/sn 9,68.10 9,1.10 10 . 4,26 . 2 v 7 28 12 ? ? ? ?ATOM MODELLER İ DALTON ATOM MODEL İ • Madde, atom denilen i ç leri dolu b ö l ü nemeyen taneciklerden olu ş mu ş tur. Ayn elementin atomlar b ü y ü kl ü k y ö n ü nden birbirinin ayn , farkl elementlerin atomlar tamamen birbirinden farkl d r. T epkimelerde atomlar korunur. Atomlar n birle ş meleri sonunda molek ü ller olu ş ur. THOMSON ATOM MODEL İ • Thomson , maddenin d ü zg ü n olarak da ğ t lm ş po zitif y ü kler ve aralar na serpi ş tirilmi ş negatif y ü klerden olu ş tu ğunu ifade etmi ş tir. Bu y ö n ü yle madde atomu ü z ü ml ü keke benzetilebilir. Kek pozitif y ü k, ü z ü mler ise elektronlard r. RUTH ERFORD ATOM MODEL İ • Merkezde k ü tlesi ç ok b ü y ü k bir ç ekirdek ve etraf nda belirli y ö r ü ngelerde dolanan elektronlardan olu ş mu ş tur. Bu g ö r üşü n yetersizli ği ise; Elektronun neden ç ekirde ğe d üş medi ği yada atomdan f rlay p gitmedi ği sorusunun cevaps z kalmas d r. BOHR ATOM MODEL İ • Bohr atom modeli, elektronlar n ç ekirdekten herhangi bir uzakl kta bulunan tek bir y ö r ü ngede de ğil, belirli y ö r ü ngede oldu ğunu belirtir. Bir elektronun bulundu ğu yer elektronun sahip oldu ğu enerjiye ba ğl d r. Bu enerji d ü zeyleri ç ekirde ğe yak n olandan uza ğa do ğru 1,2,3.... gibi numaralar verilerek g ö sterilir. Enerji d ü zeylerinin enerjisi ç ekirde ğe yakla ş t k ç a azal r, uzakla ş t k ç a artar. KUANTUM TEOR İ S İ NE G Ö RE ATOM MODEL İ Atomun kuantum modelini Bohr, de Broglie, Heisenberg ve Schr ö dinger gibi bilim adamlar atomun bug ü n kabul edilen modelinin geli ş mesinde temel rol oynad lar. Bu teoriye g ö re proton ve n ö tronlardan olu ş an atom ç ekirde ği atomun merkezinde bulunur. Elektron lar ise ç o ğunlukla varl klar ve ş ekilleri matematiksel olarak hesaplanan orbitallerde atom ç ekirde ğinin etraf nda dalga karakterinde bir hareketle dola ş rlar. 2.2.2. Atomu Olu ş turan Tanecikler elektron (e) (-) Atomun yap s nda elektronlar n varl ğ ile ilgili ilk bilgiler, 1832-1833 de Michael Faraday ’ n kimyasal elektroliz ile bile ş ikleri ayr ş t rma ç al ş malar sonucunda ortaya ç km ş t r. Bu incelemeler, 1 e ş de ğer gram maddeyi a ç ğa ç karmak i ç in 96500 coulomb ’ a e ş it bir elektrik y ü k miktar na ih tiya ç oldu ğunu ortaya koymu ş tur. Bu bilgilerin ş ğ nda ve 1 mol atomda 6,02.10 23 tane atom oldu ğu g ö z ö n ü ne al nd ğ nda, 1 de ğerli ger ç ek bir iyonun ta ş d ğ y ü k miktar , 19 23 10 . 6 , 1 10 . 02 , 6 96500 ? ? coulomb 1897 y l nda J.J. Thomson, bu ş nlar n elektriksel alanda sapt klar n bulmu ş tur. Thomson, katot ş nlar n n elektrik alanda (+) y ü kl ü plakaya do ğru sapt klar n g ö zlemi ş tir. The cathode ray (blue line) was deflected by the electric field (yellow). 1,7588. m e ? ? 10 8 coulomb/gram Millikan ya ğ damlas ı deneyi Metot Ba ş lang ı çta ya ğ damlalar ı elektrik alan olmad ığı için plakalar aras ı ndan dü ş er. Bu ya ğ damlalar ı k ı sa sürede odac ı k içindeki hava molekülleri ile sürtünerek terminal bir h ı za ula ş ı r. Daha sonra elektrik alan olu ş turulur ve de ğ eri yeteri kadar büyük ise yüklü olan damlac ı klardan baz ı lar ı yükselmeye ba ş lar. Bunun nedeni yukar ı do ğ ru olan FE elektrik kuvvetinin a ş a ğı do ğ ru olan W kuvvetinden daha b üyük olmas ı d ı r. Dü ş mesi muhtemel olan bir ya ğ damlas ı seçilir ve di ğ er tüm damlalar dü ş ene kadar alternatif olarak voltaj kapat ı larak alan ı n ortas ı nda tutulur. Sonra deneye bu tek damla ile devam edilir. Damlan ı n dü ş mesine izin verilir ve elektrik alan yokken terminal h ı z ı hesaplan ı r. Damla üzerine etkiyen sürüklenme kuvveti Stokes kanunu uygulanarak incelenebilir: Millikan ’ n ya ğ deneyi ve belirtilen hesaplamalar sonunda bir elektronun y ü k ü , Faraday kanunlar ndaki de ğere uygun olarak, e = - 1,6022 . 10 -19 coulomb e/m de ğeri bilindi ğine g ö re elektronun k ü tlesi, m = 8 -19 1,7588.10 - 1,6022.10 - = 9,1096.10 -28 gram proton (p) (+) n ö tron (n) (N ö tr)ak b karbon 12 atomunun k ü tlesinin 1/12 si olarak kabul edilir ve rakamsal olarak 1,66054 x 10 -24 grama e ş ittir. Atomun Elektron Yap sKuantum Sa y lar Sembol İsim Alabilece ği De ğerler Ö zelli ği n Ba ş kuantum say s 1,2,3,..... Orbitalin Enerji ve B ü y ü kl ü ğ ü n ü Belirler l Yan kuantum say s Alt Kabuk 0,1,2,3,......,n-1 Orbitalin Şeklini Belirler m Manyetik kuantum say s 1,-1,+1,....0,1,-1 Orb italin Y ö nelmesini Belirler s Spin kuantum say s +1/2,-1/2 Elektronun D ö nme Y ö n ü n ü Belirler 1. Ba ş Kuantum Say s (n) 1,2,3,..... 1s 2 / 2 s 2 , 2 p 6 /3s 2 , 3p 6 /4s 2 , 3d 10 ,4p 6 /5s 2 , 4d 10 , 5p 6 /6s 2 ,4f 14 ,5d 10 ,…. Bu say elektronun ait oldu ğu enerji d ü zeyini veya kabu ğunu belirler. 2. Yan Kuantum Say s ( l ) l=0,1,2,3…..(n-1) de ğerlerini almaktad r. n=1 ise sadece bir alt enerji d ü zeyi vard r ve bu da l=0 ’ d r. n=2 ise iki alt enerji d ü zeyi vard r. Bunlar; l=0 ve l=1 ’ dir. l=0 (s) l=1 (p ) l=2 (d) l=3 (f) 3. Manyetik Kuantum Say s (m) m= -l,.….0……,+l ’ ye kadar tam say lar alabilir. 4. D ö nme (spin) Kuantum Say s (s) +1/2 veya -1/2 de ğerini almaktad r. Sonu ç olarak bir atomdaki herbir elektron d ö rt kuantum say s ; n, l, m l , s ile g ö sterilebilir. Ö rnek: A ş a ğ da kuantum say lar verilmi ş olan orbitalleri simgesel olarak yazarak, bu kuantum say lar na sahip orbitallerin alabilece ği elektron say s n belirtiniz. n=4; l = 1 a) n=4; l = 0; m=0 b) n=2; l = 1; m=-1 c) n=3; l = 2; m=+1 d) Pauli kural na g ö re, bir atomda b ü t ü n ö zellikleri birbirinin ayn olan iki elektron bulunmaz. Di ğer bir deyimle, bir atomda d ö rt kuantum say s ayn olan iki elektrona rastlanamaz. Elektronlar n atom orbitallerine yerle ş mesine ait kurallar a ş a ğ daki gibi ö zetlemek m ü mk ü nd ü r. a- Bir atomda elektronlar ö nce en d üşü k enerji seviyeli orbitale yerle ş irler (Aufbau kural ). b- Elektronlar bir orbitale ö nce tek tek ve p aralel spinli olarak yerle ş irler (Hund kural ). 7 N = 1s 2 / 2s 2 2p 3 Paramagnetik 1s 2 /2s 2 , 2p 6 /3s 2 , 3p 6 /4s 2 , 3d 10 ,4p 6 /5s 2 , 4d 10 , 5p 6 /6s 2 ,4f 14 ,5d 10 ,…. Ç apraz kural .s , p, d, f bloku elementleri PER İ YOD İ K S İ STEM1869, Dimitri Mendeleev Lother Meyer PER İ YOD İ K Ö ZELL İ KLER Atomik Ç apİ yonla ş ma Enerjisi Gaz halinde n ö tral bir atomdan bir elektron uzakla ş t rmak i ç in verilmesi gerekli enerjiye iyonla ş ma enerjisi denir. X (g) X + (g) + e - Mg(g) › Mg+(g) + e - I E 1 = 738 kJ Mg+(g) › Mg2+(g) + e - I E 2 = 1451 kJElektron İ lgisi X (g) + e - › X - F(g) + e - › F - (g) EA = -328 kJ F(1s 2 2s 2 2p 5 ) + e - › F - (1s 2 2s 2 2p 5 ) Li(g) + e - › Li - (g) EA = -59.6 kJ Elektron ilgileri.K İ MYASAL BA Ğ LAR İ yonik Ba ğlar Lewis yap lar İ yonik bile ş iklerKovalent Ba ğ Koordinatif Kovalent Ba ğPolar Kovalent Ba ğlar Dipol moment ì = q . d Burada, ì : dipol momenti, q : kutuplardaki z t elektrik y ü kleri, d : kutuplar aras uzakl k olmaktad r. HCl molek ü l ü tam iyonik olsayd , H + ve Cl - iyonlar n n birim y ü kleri 1,60.10 -19 coulomb ve H-Cl mo lek ü l ü ndeki ba ğ uzunlu ğu 1,27.10 -10 m oldu ğundan, H + Cl - nin teorik dipol momenti şö yle bulunacakt . ì = (1,60.10 -19 coulomb) (1,27.10 -10 m) = 2,03.10 -29 coulomb . m = 6,08 D Burada D (Debye) nin de ğeri 3,34.10 -30 coulomb . m dir. HCl in deneysel olarak bulunan dipol momenti ise 1,03 D dir. Bu durumda, (1,03 D / 6,08) 100 = 16,9 olur. Yani bu sonuca g ö re H-Cl ba ğ n n %17 iyonik oldu ğu anla ş lmaktad r. (+) (-) Polar molek ü llerin davran ş . Metalik Ba ğ Elektrik alan yok Elektrik alan varMolek ü l Ş ekilleri Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) kural (Valens tab akas elektron ç ifti itme kural ) BeCl 2 BF3 CH4 NH3 B F F F C H H H H N H H H? =0 ?? ? 0SORULAR Problem (2-1): Atom numaras 17 olan bir X elementinin birinci iyonla ş ma enerjisi, atom numaras 35 olan Y elementinin birinci iyonla ş ma enerjisi ile kar ş la ş t r n z. Çö z ü m : 17 X = 1s 2 /2s 2 2p 6 / 3s 2 3p 5 3. periyot, 7A grubu 35 Y = 1s 2 /2s 2 2p 6 /3s 2 3p 6 /4s 2 3d 10 4p 5 4. periyot, 7A grubu İ E x ? İ E y Problem (2-2): Atom numaras 17 olan X elementi ile atom numaras 35 olan bir Y elementi i ç in, a) Elektron d ü ze nlerini yazarak, periyodik sistemdeki yerlerini belirtiniz ve birinci iyonla ş ma enerjilerini mukayese ediniz. b) Elementlerin cinsini belirterek, aralar ndaki ba ğ olu ş umunu nokta sistemiyle g ö steriniz ve ba ğ n t ü r ü n ü belirtiniz. Çö z ü m : a) 17 X = 1s 2 /2s 2 2p 6 /3s 2 3p 5 3. periyot, 7A grubu 35 Y = 1s 2 /2s 2 2p 6 /3s 2 3p 6 /4s 2 3d 10 4p 5 4. periyot, 7A grubu İ yonla ş ma enerjisi gruplarda yuk ar dan a ş a ğ ya azald ğ ndan dolay İ E x ? İ E y olmaktad r. b) Elementlerin her ikisi de halojen olup ametaldir. kovalent ba ğ Problem (2-4): Atom numaras 31 olan X elementi ile atom numaras 35 olan bir Y elementi aras nda bile ş ik olup olmayaca ğ n , elementlerin elektron d ü zenlerini yazarak belirtiniz. Bile ş ik olu ş umunu nokta sistemiyle g ö stererek ba ğ n cinsini belirtiniz. Çö z ü m : 31 X = 1s 2 /2s 2 2p 6 /3s 2 3p 6 /4s 2 3d 10 4p 1 3A grubu-metal 35 Y = 1s 2 /1s 2 2p 6 /3s 2 3p 6 /4s 2 3d 10 4p 5 7A grubu-ametal Y + X Y X Metal ile ametal aras nda bile ş ik olu ş ur ve ba ğlanma iyoniktir. iyonik bile ş ik 2-1: Alt n y ü zeyind en bir elektron koparmak i ç in gerekli fotonun minimum enerjisi 7,72.10 -19 J olmal d r. Bu enerjiye sahip bir ş ğ n frekans ve dalga boyu nedir? c = 3,00.10 8 m/s, h = 6,63.10 -34 J.s olarak verilmi ş tir. h. ? = h. ? 0 + m.v 2 E =h. ? = h . ? 0 = 7,72.10 -19 J E =7,72.10 -19 J = h. ? E =7,72.10 -19 J = 6,63.10 -34 J.s ? E =7,72.10 -19 J = h. ? = h ? c = 6,63.10 -34 J.s ? m/sn 3.10 8 7,72.10 -19 J = 6,63.10 -34 J.s ? m/sn 3.10 8 ? ? J s m s J 19 8 10 . 72 , 7 / 10 . 3 . 10 . 63 , 6 34 ? ? = 2,57.10 -7 m = 25 7 nm 2-2: K ü tlesi 10 ì g olan ve 0,01 m/s h zla hareket eden bir kum tanesinin dalga boyu nedir? h. ? = h. ? 0 + m.v 2 h. ? = m.v 2 h ? c = m.v 2 U ç aklar n dalga hareketi yapmamas X Y Y X Y +3 +2-5: A ş a ğ da verilen atom ve iyonlar n izoelektronik yani benzer elektron dizili ş inde olanlar n bulunuz. O -2 , Ar, Be +3 , Ne, Cl - , He + , Li, S -4 , S -2 , Na + , Mg, P +3 2-11: Na + ve Ne atomlar izoelektroniktir. Ne nun birinci iyonla ş ma enerjisi 2081 kJ/mol ve Na + n n birinci iyonla ş ma enerjisi 4562 kJ/mol d ü r. Bu de ğerler neden ayn de ğildir? 11 Na : 1s 2 /2s 2 , 2p 6 /3s 1 Na + : 1s 2 /2s 2 , 2p 6 /3s 0 Na + : 1s 2 /2s 2 , 2p 6 10 Ne : 1s 2 /2s 2 , 2p 6 2-4: Hidrojen atomunda n = 5 seviyesinden n = 2 seviyesine, bir elektron transferi oldu ğunda a ç ğa ç kan spektral hatt n (elektromanyetik dalga) dalga boyunu hesaplay n z ve rengi ni belir tiniz. (R=1,097.10 7 m - 1 ) ? 1 = R ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 2 2 1 1 1 n n ? 1 = 1,097.10 7 m - 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 2 5 1 2 1 ? 1 = 1,097.10 7 m - 1 ? ? ? ? ? ? ? 25 4 4 25 x ? 1 = 2303700 m - 1 4.34 x10 -7 m x10 9 (Nano) 434 nm