Genel Elementler , Atoımlar ve İyonlar Element adı Grek ve Helenistik dönemden gelen bir ad ve kavramdır. O dönemde maddenin hava, su, toprak ve ate ş olmak üzere dört temel elementden meydana geldi ğine inanılmı ştır. Zaman içinde a ğaç da elementler listesine eklenmi ş fakat element anlayı şı de ği şmemi ştir. Bugünkü element kavramı, 1600'lü yıllardan sonra olu şmu ştur. Gazlarla ilgili çalı şmalarıyla tanınan Boyle (1627-1691) ne kadar çok element olaca ğı konusunda fikir yürütmemekle birlikte elementi; "iki veya daha çok maddeye ayrılamayan her madde elementtir” şeklinde tarif etmi ştir. Örne ğin; hava Helenistik döneme göre element olmasına ra ğmen Boyle’ye göre element de ğildir. Çünkü Boyle, havanın bir kaç saf maddeye ayrılabildi ğini deneylerle gözlemi ştir. Boyle'nin tarifi kabul gördükçe elementlerin listesi artmaya ba şlamı ş ve Helenistik dönemin dört temel element kavramı tarihe karı şmı ştır. Daha önce belirtildi ği gibi do ğadaki her şey elementlerden meydana gelmi ştir. Nasıl ki okuma yazma ö ğrenen bir insan önce harfleri tanır ve cümlelerin hangi harflerden meydana geldi ğini anlarsa ve daha sonra cümleler yazarsa kimya ö ğrenmek için de öncelikle elementlerin adlarının ve sembollerinin Ö ğrenilmesi gerekir. 3.1. ELEMENTLER Bugün bilinen 119 element vardır ve hepsinin do ğada bulunma bollu ğu aynı de ğildir. Yeryüzünde (toprak ve suda) ve havada 18 elementin bulunma bollukları a şa ğıda verilmi ştir. Element Kütlece % Element Kütlece % Oksijen 49.2 Titanyum 0.58 Silisyum 25.7 Klor 0.19 Alüminyum 7.50 Fosfor 0,11 Demir 4.71 Mangan 0,09 Kalsiyum 3.39 Karbon 0.08 Sodyum 2.63 Kükürt 0.06 Potasyum 2.40 Baryum 0.04 Magnezyum 1,93 Azot 0.03 Hidrojen 0.87 Flor 0.49 Di ğerleri 0.49 Çizelgeden de görülebilece ği gibi, toplam kütlenin yakla şık %50’si oksijenden ve %98’i dokuz elementten olu şmaktadır. Oksijen yeryüzü atmosferinde yakla şık %20 oranındadır ve O 2 molekülleri şeklinde bulunur. Suda, H 2 O molekülünün kütlesinin ço ğunu olu şturan oksijen atomudur. ELEMENTLER ATOMLAR ve İYONLAR Çizelge 3.1: Yerkabu ğunda (toprak ve suda) ve havada 18 elementin bulunma bollukları 2 Ayrıca kumda, kayalarda ve toprakta di ğer elementlerle bile şik yapmı ş olarak bulunur. Jeolojik bir terim olan kum, aslında silisyum ve oksijen atomlarının bir araya gelmesinden olu şur. Canlılarda elementlerin bulunma oranı yukarıda Çizelge 3.1’de verilen de ğerlerden çok farklıdır. Çizelge 3.2’de insan vücudunda elementlerin kütlece bulunma yüzdeleri görülmektedir. Biyolojik olarak önemli moleküller daha çok oksijen, karbon, hidrojen ve azottan meydana gelmi ştir. Çizelge 3.2: İnsan vücudunda elementlerin bollukları Temel elementler Kütlece % İz miktarda bulunanlar Oksijen 65.0 Arsenik Karbon 18.0 Krom Hidrojen 10.0 Kobalt Azot 3.0 Bakır Kalsiyum 1. 1 Flor Fosfor 1.0 Klor Magnezyum 0,50 Mangan Potasyum 0.34 Molibden Kükürt 0.26 Nikel Sodyum 0.14 Selenyum Klor 0,14 Silisyum Demir 0.0004 Vanadyum Çinko 0.0003 Bazı elementler vücutta çok az miktarda bulunur. Onlara iz (çok dü şük oranda) bulunan elementler denir. İz elementler, çok az miktarda bulunmalarına ra ğmen canlılık için büyük öneme sahiptirler. Örne ğin krom, vücudun şekeri enerji kayna ğı olarak kullanmasına yardım eder. 3.1.1. Elementlerin Sembolleri Elementlerin adları de ği şik kaynaklardan gelir. Bir elementtin adı bazen o elementin özelli ğini tarif eden Grekçe, Latince veya Almanca bir kelimeden gelir. Örne ğin Altın'a aurum denir ve Latince’de bu kelimenin anlamı parlaktır. Kur şun plumbum’dur ve a ğır demektir. Klor veya iyodun adları, onların renklerini tarif eden Grekçe kelimelerdir. Ayrıca, bazı elementlere ilk ke şfedildikleri yerin adları verilmi ştir. Fransiyum, germanyum, kaliforniyum ve amerikyum gibi. Kimyacılar elementlerin her zaman adlarını yazmak yerine onları sembollerle göstermi şlerdir. Bu durum, bir yere uyru ğumuzu yazarken Türkiye Cumhuriyeti 3 yazmak yerine TC yazmaya veya Türkiye Büyük Millet Meclisi yazmak yerine TBMM yazmaya benzer. Çizelge 3.3. Yaygın olarak bulunan bazı elementlerin adları ve sembolleri Element Sembol Element Sembol Alüminyum Al Lityum Li Antimon (Stibium) Sb Magnezyum Mg Argon Ar Mangan Mn Arsenik As Cıva (Hyarayum) Hg Baryum Ba Neon Ne Bizmut Bi Nikel Ni Bor B Azot (Nitrojen) N Brom Br Oksijen O Kadmiyum Cd Fosfor (Phosphorus) P Kalsiyum Ca Platin Pt Karbon C Potasyum (Kalyum) K Klor Cı Radyum Ra Krom Cr Silisyum Si Kobalt Co Gümü ş; (Argentium) Ag Bakır (Cuprum) Cu Sodyum (Natriyum) Na Flor F Stronsiyum Sr Altın (Aurum) Au Kükürt (Sülfür) S Helyum He Kalay (Stannum) Sn Hidrojen H Titan Ti İyot I Tungsten (Wolfram) W Demir (Temim) Fe Uranyum U Kur şun (Plumbum) Pb Çinko (Zinc) Zn Elementlerin sembolleri genellikle adlarının ilk harfinden olu şur. İlk harfleri aynı olan elementler durumunda da adının ilk iki harfinden olu şur. İki harfle sembolize etme durumunda ilk harf büyük ikinci harf küçük yazılır. Örne ğin; Element adı Sembolü Flor F Osijen O Karbon (carbon) C Neon Ne Silisyum Si Elementlerin adlarında ilk iki harf aynı oldu ğu zaman üçüncü ve dördüncü harfler kullanılır. Örne ğin, 4 Çinko (Zinc) Zn Klor(Chlorine) Cl Kadmiyum (cadmium) Cd Platin Pt Elementlerin sembollerinin ve adlarının yer aldı ğı periyodik tablo, bu bölümüm ileriki sayfalarında verilmi ştir. 3.2. ELEMENTLER İN DOĞADA BULUNU ŞLARI Birçok element oldukça reaktiftir (bile şik olu şturma e ğilimleri fazladır) ve di ğer elementlerle bile şik yapmı ş olarak do ğada bulunur. Bu nedenledir ki, elementlerin hemen hemen ço ğu do ğada bile şikleri halinde bulunur. Ancak bu duruma uymayan elementler vardır. Örne ğin platin, altın ve gümü ş elementleri do ğada hem elementel halde (bile şik yapmamı ş olarak) hem de bile şikleri halinde bulunabilirler ve bunlara soy metaller denir. Do ğada bile şik yapmamı ş olarak bulunan di ğer elementler ise 8A grubu elementleri olan ve soy gazlar denilen elementlerdir. Bunlar: Helyum, neon, argon, kripton, ksenon ve radon’dur. Soy gazlardan olan helyum, do ğal gazda ve argon ise havada bulunur. Bulunma durumlarından da anla şıldı ğı gibi soy gazlar denilen elementlerin hepsi, do ğada atomları halindedirler (diyagram a). Havada azot ve oksijen gazları da vardır. Ancak bu gazlarda azot ve oksijen tek tek atomları halinde de ğil, iki şer atomlarının bir araya gelmesiyle olu şmu ş molekülleri halinde bulunurlar (diyagramlar b ve c). Böyle, iki atomdan meydana gelmi ş moleküllere diatomik moleküller denir. Do ğada diatomik halde bulunan di ğer bir element hidrojendir (H 2 ). Gazlar genellikle çelik tüplerde toplanır, ta şınır ve ihtiyaç duyuldu ğu zaman o tüplerden kullanılır. Bir helyum gazı tüpünden söz edildi ği zaman bu tüpte tek tek helyum atomlarının oldu ğu anla şılır. Çünkü daha önce belirtildi ği gibi soy gazlar do ğada atomları halinde bulunurlar. Ancak bir tüpteki hidrojen, oksijen veya azot gazlarından söz N N N N N N O O O O O O Ar a) b) c) Ar Ar Ar Ar 5 edildi ği zaman, iki hidrojen atomunun, iki azot atomunun veya iki oksijen atomunun bir araya gelerek molekülleri olu şturdu ğu ve bu moleküllerin topluluklarının da hidrojen, oksijen ve azot gazlarını olu şturdu ğu anla şılır. Ancak şurası unutulmamalıdır ki hidrojen, oksijen ve azot do ğada sadece serbest halde bulunmazlar. Di ğer elementlerle bile şik yapmı ş olarak da bulunurlar. Örne ğin suda (H 2 O) ve amonyakta (NH 3 ) sırasıyla hidrojen ve oksijen; azot ve hidrojen atomları bir araya gelerek bu bile şikleri olu şturmu şlardır. Do ğada serbest halde iken diatomik molekülleri halinde bulunan elementler a şa ğıda verilmi ştir. Çizelge 3.4: Do ğada moleküler halde bulunan elementler Element 25°C deki Hali Molekül Formülü Hidrojen Renksiz gaz H 2 Azot Renksiz gaz N 2 Oksijen Soluk mavi gaz O 2 Flor Soluk sarı gaz F 2 Klor Sarı-ye şil gaz Cl 2 Brom Kırmızı-kahverengi sıvı Br 2 İyot Parlak, kovu mor katı I 2 Yukarıda söylenenler özetlenecek olursa, 8A grubu elementleri denilen elementler, do ğada bile şikleri halinde de ğil sadece atomları halinde bulunurlar ve 25 °C da bu atomların meydana getirdi ği madde gazdır. 25 °C da gaz olup da do ğada elementel halde bulundu ğu zaman diatomik molekülleri şeklinde bulunan elementler de vardır (H 2 , N 2 , O 2 , F 2 , Cl 2 ). Ayrıca, 25 °C da ve elementel halde sıvı olan brom (Br 2 ) ile katı olan iyot da (I 2 ) diatomik molekülleri seklinde bulunurlar. Ancak elementel halde iken diatomik molekülleri seklinde bulunan bu elementlerin hepsi do ğada di ğer elementlerle bile şik yapmı ş olarak da bulunurlar. Platin, altın ve gümü ş elementleri do ğada hem elementel halde hem de bile şikleri halinde bulunurlar. Çevremizde gördü ğümüz maddelerin bir ço ğu elementlerin birbirleriyle birle şerek meydana getirdikleri bile şiklerin karı şarak olu şturdu ğu karı şımlardır. Karı şımlar kendilerini olu şturan bile şiklere ayrılabilir ve sonra, uygun kimyasal reaksiyonlarla bu bile şikler elementlerine ayrılabilir ve böylece saf elementler elde edilir. Örne ğin; günlük hayatta sıkça kullanılan demir, bakır, alüminyum ve çinkodan yapılmı ş malzemeler; do ğadaki demir, bakır, alüminyum ve çinko cevherlerinden teknik i şlemlerle demir, bakır, alüminyum ve çinko metallerinin elde edilmesi ve onların da teknik i şlemlerle amaca uygun hale getirilmeleri ile elde edilirler. Do ğada bile şikleri halinde bulunan metaller bile şiklerinden ayrılıp elementel hale getirildi ği zaman, bu katı metallerde çok sayıda metal atomu bir araya gelerek istiflenirler ( Şekil 3.1). Bu atomları bir arada tutan kuvvete metalik ba ğ denir ve metalik ba ğ daha sonra incelenecektir. 6 Şekil 3.1: Metalik örgü diyagramı Katı ametallerin yapısı metallerden biraz farklıdır. Örne ğin karbon do ğada dört farklı şekilde bulunabilir. Bunlar : Grafit, elmas, C 60 ve tüpdür . Bu dört elementel halde de karbon atomları arasında ba ğlar vardır ve bu ba ğlar, metal atomlarını bir arada tutan metalik ba ğdan çok farklıdır. Daha sonra incelenece ği gibi bu ba ğa kovalent ba ğ denir. Karbonun bu dört elementel halinin özellikleri birbirinden çok farklıdır. Çünkü grafit, elmas, C 60 ve tüp de karbon atomlarının birbirine ba ğlanı ş biçimi çok farklıdır. Şekil 3.2: Karbonun allotroplarının molekül modelleri Burada oldu ğu gibi bir elementin atomlarının farklı ba ğlanı şları sonucu olu şan ve o elementin do ğada elementel halde bulunma biçimlerine o elementin allotropları denir. Buradan da anlatılaca ğı gibi elmas, grafit, C 60 ve tüp karbonun dört allotropudur. Elmas Fulleren (C 60 ) Tüp Grafit 7 Allotrop denilebilmesi için elementin katı halde bulunması gerekmez. Oksijen do ğada elementel halde oksijen gazı [O 2 (g)] halinde bulunur. Ancak, oksijen do ğada üç atomunun biraraya gelmesiyle olu şan ozon molekülleri (O 3 ) seklinde de bulunur. Ozon moleküllerinin bir araya gelmesiyle de ozon gazı [O 3 (g)] olu şur. Oksijen ve ozon gazları allotroplardır. 3.3. DALTON'UN ATOM TEOR İS İ VE ATOM 1803 yılında Dalton, bakır ve kükürtün reaksiyonunu incelerken iki elementten kaçar gram alarak reaksiyona sokaca ğını bilmiyordu. Rasgele miktarlar almı ş fakat her seferinde ya bakırdan ya da kükürtten bir miktarının reaksiyona girmeden kaldı ğını gözlemi ştir. Sonunda deneme-yanılma yoluyla 2 birim bakırla 1 birim kükürt aldı ğı zaman hiç artan olmadı ğını görmü ş ve benzer deneyleri di ğer elementler için de yapmı ştır. Birle şme oranlarının (kütlece) demirle kükürdün birle şmesinde demir/kükürt = 7/4, hidrojenle oksijenin birle şmesinde ise hidrojen/oksijen = 1/8 oldu ğunu belirlemi ştir. Elde etti ği sonuçları da; “ İki veya daha çok madde reaksiyona girerek yeni bir madde olu ştururken reaksiyona giren bu maddelerin birle şme oranları daima sabittir" ifadesiyle açıklamı ştır. Bu kanun bugün sabit oranlar kanunu olarak bilinen kanundur. Dalton, 2 gram kükürdün 4 gram bakırla ve 3,5 gram demirle birle şmesini, maddenin görünen bütünsel yapısıyla açıklayamayınca 2 gram kükürtte, 4 gram bakırda ve 3,5 gram demirde görülemeyen fakat gerçekte var olan bir şeyler (parçacıklar) oldu ğunu dü şünmü ştür. Görülemeyen bu parçacıklara da Helenistik dönemden gelen atom (zerre) adını vermi ştir. Böylece elementlerin atomlardan meydana geldi ğini ifade eden atom teorisini ortaya atmı ştır. Zamanın kimyacıları elementler birbiriyle birle şip yeni maddeler meydana getirirken, daima her ikisinin de birer atomu birle şirse ancak o zaman bu oranın sabit olaca ğı görü şünü ortaya atmı şlardır. Dalton bu görü şleri, iki element birden fazla bile şik meydana getiriyorsa, elementlerden birinin sabit miktarı ile birle şen di ğer elementin miktarları arasında katlı bir oran olaca ğı şeklinde açıklamı ştır. Karbonun o gün için karbon monoksit ve karbon dioksit gibi iki bile şi ği oldu ğu biliniyordu. Dalton bir miktar karbon alarak önce karbon monoksite dönü ştürmek için kullandı ğı oksijenin miktarını bulmu ştur. Daha sonra yine aynı miktar karbon alarak karbon dioksite dönü ştürmü ştür. Karbondioksit olu şturmak için kullandı ğı oksijen miktarının karbon monoksit olu şturmak için kullandı ğı oksijen miktarının iki katı oldu ğunu göstermi ş ve böylece katlı oranlar kanunu kimyadaki yerini almı ştır. Daha sonraki yıllarda bilinen birçok bile şi ğin reaksiyonu incelenerek bile şiklerin de belirli oranlarda reaksiyona girdi ği tespit edilmi ştir. Yukarıda verilen sonuçlara dayanarak kimyacılar, elementlerin atomlardan ve bile şiklerin de atomların olu şturdu ğu taneciklerden meydana geldi ğini kabul ederler. Çünkü maddenin 8 görünen bütünsel yapısıyla yukarıdaki iki kanunu açıklamak mümkün de ğildir. Bugün kimyacılar, bu kanunların geçersiz oldu ğunu do ğrulayacak hiçbir bulguya sahip de ğildir. Dalton'un atom teorisi 5 ba şlık allında toplanabilir. 1. Elementler atom denilen küçük parçacıklardan olu şmu şlardır. 2. Bir elementin bütün atomları özde ştir. 3. Bir elementin atomları ba şka bir elementin atomlarından farklıdır. 4. Bir elementin atomları di ğer bir elementin atomları ile birle şerek bile şikleri meydana getirebilir. 5. Kimyasal i şlemlerde (de ği şmelerde) atomlar bölünmez. Yani, kimyasal reaksiyonlarda atomlar olu şmaz veya parçalanmaz. Bir kimyasal reaksiyon atomların gruplanmalarının de ği şmesi şeklinde gerçekle şir. Dalton'un teorisinde 2. madde olarak verilen "bir elementin bütün atomları özde ştir” kuralı bugün için geçerli de ğildir. Bu husus izotoplar ba şlı ğı altında tartı şılacaktır. Ayrıca, Dalton’un teorisinde 5. madde olarak verilen kuralda kimyasal de ği şmelerde elementlerin atomlarının parçalanamayaca ğı belirtilmi ştir. Kimyasal i şlemlerde elementin atomlarının parçalanmadı ğı do ğrudur. Fakat, çekirdek reaksiyonları da bir de ği şmeyle sonuçlanır ve bugün çekirdek reaksiyonlarında atomun parçalandı ğı kabul edilir. Di ğer bir husus; Dalton'un teorisinde elementlerin atomlardan meydana geldi ği belirtilmi ş fakat, atomun yapısı hakkında yorum yapılmamı ştır. Bilim adamları, elementlerin atomlardan meydana geldiği fikrine katılmı şlar fakat atomun içi dolu kürecik mi yoksa içi bo ş kürecik mi oldu ğunu uzun yıllar tartı şmı şlardır. 3.4. ATOMUN YAPISIYLA İLG İL İ ÇALI ŞMALAR Galvani'nin kurba ğa baca ğındaki gözleminden sonra Volta, kendi adıyla anılan pili hazırlamı ş ve volta pilleri birçok bile şi ğin ayrı ştırılmasında kullanılmı ştır. 1850 yıllarında Plücker, havası bo şaltılmı ş ve iki ucuna elektrot ba ğlanmı ş bir cam tüpten elektrik akımı geçirdi ği zaman elektri ğin negatif ucunun ba ğlı oldu ğu elektrottan (katot) ı şınlar yayıldı ğını gözlemi ştir. Katottan yayıldı ğı için de Katot ı şınları adını vermi ştir Daha sonraki yıllarda birçok bilim adamı tarafından Katot ı şınları incelenmi ş ve ı şınların, katot olarak kullanılan metalin cinsine ba ğlı olmadı ğı ve hangi metal kullanılırsa kullanılsın, katottan ı şın yayıldı ğı tespit edilmi ştir. I şınların varlı ğı, anot tarafına, cam tüpün içine çinko sülfür sürülmü ş küçük ekran yerle ştirilerek 9 do ğrulanmı ştır, Çünkü çinko sülfür, üzerine ı şın dü ştü ğü zaman floresan ı şık yayar ( Şekil 3.3). Şekil 3.3: Katot ı şınları tüpü Daha sonraki deneylerde katot ı şınları tüpüne dı ştan bir elektrik alan uygulandı ğı zaman ı şınların yolunu de ği ştirdi ği gözlenmi ştir ( Şekil 3.4). I şınların elektrik alanda, elektrik alanın pozitif kutbuna do ğru sapmasına dayanarak bu ı şınların - yüklü oldu ğu sonucu çıkarılmı ştır. Stoney (1891), ı şınların katot metali tarafından yayınlandı ğını, dolayısıyla atomların yapısında eksi yüklü parçacıkların oldu ğunu ve bunlara elektron denilmesini önermi ştir. Şekil 3.4: Katot ı şınlarının elektrik alanda sapmasının şematik gösterimi Katot ı şınlarının elektrik alandaki sapmalarının bilinmesinden sonra elektrik yüklü levhalar yerine mıknatıslar kullanılarak katot ı şınlarının manyetik alandaki sapmaları incelenmi ştir. Bu amaçla da katot ı şınları tüpünün dı şına zıt kutupları kar şılıklı gelecek şekilde iki mıknatıs yerle ştirilmi ş ve katot ı şınlarının N kutuplu mıknatıs tarafından çekildi ği tespit edilmi ştir Daha sonra hem elektrik hem de manyetik alan uygulandı ğında, alanların saptırma etkilerinin bir birlerini yok etti ği gözlenmi ştir. Bu gözlemlerden faydalanan J. T. Thomson 1897 yılında katot ı şınları tüpüne manyetik alan uygulayarak ı şınları saptırmı ş ve aynı tüpe manyetik alanın saptırmasını dengeleyecek kadar ve Katot Anot Elektrik yüklü levhalar Çinko sülfürle kaplanmı ş ekran 10 manyetik alana dik do ğrultuda elektrik alan uygulayarak ı şınların do ğrusal olarak anot üzerine dü şmesini sa ğlamı ştır ( Şekil 3.5) Elektrik alanda yüklü cisimlerin yüklerinin büyüklü ğü ile do ğru ve kütleleri ile ters orantılı olarak saptı ğı bilindi ği için Thomson uyguladı ğı elektrik alanın gücünden elektronun yük/kütle (e/m) oranını hesaplamı ştır. Bu de ğer; m e = -l,7588xl0 8 coul/g’dır. Rohert A. Millikan 1909 yılında katot ı şınlarının havayı olu şturan moleküllerden elektron koparmasından ve kopan elektronları alarak eksi yükle yüklenen ya ğ damlalarının bir elektrik alandan geçerken sapmasından faydalanarak elektronun yükünü hesaplamı ştır. Bu de ğer; e = -l,6022x10 -19 coul’dur. Daha önce elektronun e/m de ğeri tespit edilmi ş oldu ğu için elektronun kütlesi hesaplanmı ştır. m e e m = => g 10 x 096 , 9 g / coum 10 x 7588 , 1 coul 10 x 6022 , 1 m 28 8 19 - - = - - = Katot ı şınları tüpünde de ği şik gazlar kullanıldı ğı zaman de ği şik tür + iyonların meydana geldi ği 1886 yılında Goldstein tarafından tespit edilmi ştir. Bu tür tüplerde dü şük deri şimlerde gaz bulundu ğu zaman + yüklü ı şınlar meydana gelir ve bu tüplere de şarj tüpü denir. Bu ı şınlar + yüklü oldu ğu için anota do ğru de ğil, katota do ğru hareket eder. 1906 yılında J.J.Thomson daha önce elektronun e/m oranını hesaplamak için uygulanan aynı i şlemleri pozitif ı şınlara uygulayarak m e = + 9,5791x10 4 coul/g de ğerini elde etmi ştir. Katot Anot Elektrik yüklü levhalar Mıknatıs Vakum pompası Voltaj kayna ğı Çinko sülfürle kaplanmı ş ekran Şekil 3.5: Elektrik ve manyetik alan birlikte uygulandı ğında katot ı şınlarının durumunun şematik gösterimi 11 De şarj tüpünde de ği şik gazlar kullanıldı ğı zaman, de ği şik tür artı yüklü iyonlar olu ştu ğu için de ği şik e/m de ğerleri bulunmu ştur. Ancak hidrojen gazı kullanıldı ğında en büyük e/m de ğerine sahip + yüklü ı şınlar elde edilmi ştir. Daha önce Cannizora'nın ba ğıl kütleleri hesaplarken bir hidrojen molekülünü 2 birim ve dolayısıyla bir hidrojen atomunu 1 birim almasına dayanarak + yüklü olan ı şına proton denilmi ştir. Yükü de elektronun yükünün ters i şaretlisi kabul edilmi ştir. e = + 1,6022x10 -19 coul e/m oranı da bilindi ği için kütlesi; g 10 x 6726 , 1 g / coul 1010 x 5791 , 9 coul 10 x 6022 , 1 m 24 4 19 - - = - = olarak hesaplanmı ştır. Yukarıda anlatılan bilgileri birle ştiren William Thomsan (Lord Kelvin), atom için üzümlü kek modelini ortaya atmı ştır. Bu modele göre kekin ana kısmını + yükler olu şturmaktadır ve + yükleri dengeleyecek kadar - yük keke gömülmü ş üzümler tarafından temsil edilir ( Şekil 3.6). Şekil 3.6: W. Thomson’ın atom için üzümlü kek modeli Atomun üzümlü kek modeli, 1911 yılında Ernest Rutherford'un (1871-1937) yeni bulgularından sonra tamamen de ği şmi ştir. Rutherford'un çalı şma alanı, radyoaktif elementlerin yayınladı ğı ? parçacıklarıdır ve bu parçacıkların havada yayılı şını gözlerken havada bazı parçacıkların yayılma do ğrultularının de ği şti ğini izlemi ştir. Bu gözlem onu hayrete dü şürmü ştür ve gözlemlerini do ğrulayabilmek için bir deney tasarlamı ştır. İnce bir metal folyo alarak bunun çevresine, üzerine ? tanecikleri dü ştü ğü zaman parıltı yayacak bir maddeyle kaplı bir dedektör yerle ştirmi ştir Metal folyoya ? tanecikleri yollamı ş ve bu taneciklerin ço ğunun metal levhadan geçti ğini ve çok az parçacı ğın da geni ş açılarla saptı ğını veya tam geri döndü ğünü gözlemi ştir ( Şekil 3.7). Küresel pozitif yük bulutu Elektronlar 12 Ruthetford bu durumu, roketle bir ka ğıda mermi atılmasına benzetmi ştir. Bir ka ğıda mermi atıldı ğı zaman mermilerin ka ğıdı delip geçme yerine ka ğıda çarpıp geri gelmesi kadar şa şırtıcı oldu ğunu belirtmi ştir. Rutherford, ? parçacıklarının bir elektrik alanda, elektrik alanın negatif (-) kısmı tarafından çekildi ğini ve dolayısı ile + yüklü parçacıklar oldu ğunu biliyordu. Dolayısı ile + yüklü parçacıkların ço ğunun, yollarını de ği ştirmeden metal levhadan geçmelerinin atom için önerilen üzümlü kek modeli ile ba ğda şamayaca ğını dü şünmü ştür. Çünkü model do ğru olsaydı + yüklü ? parçacıkların bazılarının şekil (a) daki gibi yolunu biraz de ği ştirerek folyodan tamamen geçmeleri gerekti ğini halbuki Şekil (b) de görüldü ğü gibi bazı ı şınların büyük sapma açıları ile sapmalarının ancak atomda pozitif yük merkezlerinin oldu ğunu kabul ederek açıklanabilece ğini ileri sürmü ştür. Ayrıca ? parçacıklarının ço ğunun do ğrudan geçmesini de atomda bo şlukların olmasıyla açıklamı ştır. Sapan ? parçacıklarını atomdaki pozitif merkeze yakın geçenler, büyük sapma açıları ile geri dönenleri ise pozitif merkeze do ğrudan çarpanlar şeklinde dü şünerek bir nükleer atom modeli önermi ştir ( Şekil 3.8). b) a) - - - - - - - - - - - - - Pozitif yük Da ğılmı ş elektronlar Folyadan geçen parçacıklar Metal folyo Saçılan ? taneciklerini izlemeye yarayan dedektör ? tanecikleri demeti Saçılan ? tanecikleri Şekil 3.7: Rudherford’un deney düzene ğinin şematik gösterimi 13 Önerdi ği nükleer atomda; pozitif yük bir merkezde toplanmı ş (çekirdek) ve onun etrafında elektronlar bo şluklar bırakacak şekilde da ğılmı ş haldedir. Rutherford, çekirde ğin, elektronların negatif yükünü dengeleyecek kadar pozitif yük ta şıdı ğını ve bu pozitif yüklerin çok küçük olup yo ğun bir şekilde çekirdekte toplandı ğını kabul etmi ş ve bu pozitif yüklere proton adını vermi ştir. Şekil 3.8: Rutherford’un nükleer atom modeli Daha sonraki deneysel çalı şmaları ile Rutherford bir hidrojen atomunun bir proton ile bir elektrondan meydana geldi ğini, protonun, atomun merkezinde ve elektronun da proton etrafında ve ondan uzak bir mesafede hareket etti ğini ileri sürmü ştür. Ayrıca, di ğer atomların çekirdeklerinin birçok protondan meydana gelmesi gerekti ğini açıklamı ştır. Daha sonraki yıllarda (1932) James Chadwick, birçok çekirde ğin nötral parçacıklar olan nötronlar da ta şıdı ğını göstermi ştir. Bu parçacıklar yüksüz fakat protonla aynı kütleye sahip parçacıklardır. Thomson ve Rutherford’un atomun yapısı ile ilgili ilk çalı şmalarının ardından atom spektrumları alınarak bir atomda elektronların çekirde ğin etrafında ve çekirdekten farklı mesafelerde bulunabilecekleri ve X ı şınları kullanılarak da çekirdekteki protonların sayısının tespiti gibi birçok çalı şma yapılarak atomik yapı ile ilgili bugünkü model olu şturulmu ştur. Bugünkü atom modeline göre atom yarıçapı yakla şık 10 -13 cm olan küresel bir çekirde ğe sahiptir ve elektronlar çekirdek etrafında yarıçapı yakla şık 10 -8 cm olan küresel bir hacim içinde hareket ederler. Bu durumu hayal etmek için çekirde ğin bir nohut tanesi kadar oldu ğunun dü şünüldü ğü durumda, elektronlar çekirde ğin etrafında ve 1 km’lık bir mesafede hareket ediyor olacaklardır. Protonun yükünün elektronun yüküne e şit fakat i şaretinin elektronunkinin zıttı oldu ğu kabul edilmi ştir. Elektronun yükü -1 alındı ğı için de protonun yükü +1 alınır. Çekirdekte pozitif (+) yüklü protonlar ile yüksüz nötronlar bulunur. Bir protonun yükü bir elektronun yüküne e şit fakat zıt i şaretlidir. Bir protonun kütlesi bir elektronun kütlesinin 1836 katına e şittir. Ayrıca bir nötronun kütlesi yakla şık protonun kütlesine e şittir. Bugün için nötronların çekirdekteki i şlevleri tam olarak anla şılmı ş de ğildir. Fakat pozitif yüklü protonların birbirlerini itmesini dengeleyerek onların çekirdekte bir arada durmasını sa ğladı ğı kabul edilir. Bu kar şıla ştırmada keyfi olarak elektronun kütlesi 1 olarak alınmı ştır. Elektron bulutu Çekirdek 14 Çizelge 3.5. Elektron, proton ve nötronun kütleleri ve yükleri Atomdaki parçacık Ba ğıl kütlesi Ba ğıl Yükü elektron 1 -1 proton 1836 +1 nötron 1839 0 3.4.1. Atomdaki Çekim Kuvvetleri Atomun yapısı ço ğunlukla güne ş sistemine benzetilir. Güne ş sistemi ile atomik yapı arasında ba şka farklar da olmasına ra ğmen en temel farklardan biri güne ş sisteminde gezegenler kütle çekimi esasına göre bir arada bulunurlarken atomda, çekirdek ve elektronları bir arada tutan kuvvetin elektrostatik çekim kuvvetleri olmasıdır. Buradaki elektrostatik kelimesinin anlamı durgun elektrik yüküdür. Elektrostatik çekim kuvveti ise durgun yükler arasındaki çekim kuvveti demektir. Elektrostatik çekim kuvvetleri günlük hayattaki birçok olayda görülebilir. Bir plastik çubu ğu saçınıza veya yün elbiseye sürttü ğünüz zaman bu çubu ğun kâ ğıt parçalarını çekti ği görülür. Buradaki, bir elektrostatik çekim kuvvetidir. Atomdaki kuvvetler de aynı kuvvetlerdir. Plastik çubuk saça sürtülmekle elektronların saçtan çubu ğa geçmesi sa ğlanır. Plâstik, iletken olmadı ğı için geçen elektronlar belirli bir bölgede kalırlar ve dolayısıyla statik yük durumundadırlar. Bu çubuk, kâ ğıt parçalarına uzatıldı ğı zaman ka ğıdı meydana getiren element atomlarının çekirdeklerindeki pozitif yük ile plâstik çubuktaki statik elektronlar arasında bir çekim kuvveti do ğar ve plâstik çubuk kâ ğıt parçalarını çeker. Yüklü ve yüksüz tanecikler arasındaki etkile şimler a şa ğıda sembolize edilmi ştir. Yüksüz tanecikler Biri yüklü biri yüksüz tanecik Zıt yüklü tanecikler Zıt yüklü tanecikler Aynı yüklü tanecikler Aynı yüklü tanecikler + + - - + + + -- Aynı yüklü tanecikler birbirini iter. Zıt yüklü tanecikler birbirini çeker. 15 Atomlarda protonlar + yüklü, elektronlar - yüklü oldu ğuna göre aralarında bir çekim kuvveti vardır. Ancak, elektronlar arasında da itme vardır. Elektronlar arasındaki itmeden dolayıdır ki bir atomdaki bütün elektronlar çekirde ğe aynı uzaklıkta de ğillerdir ( Şekil 3.9). Ayrıca, bütün elektronların çekirde ğe tam yapı şmamasından onların çekirdek etrafında hareket etti ği ve bunun sonucu olu şan merkezkaç kuvvetin çekirde ğin çekim kuvvetini dengeledi ği sonucu çıkarılır. Bu anlatılanların ı şı ğında bir atom a şa ğıdaki gibi sembolize edilir. Burada şöyle bir soru sorulabilir. Bütün atomlar elektron, proton ve nötrondan olu şmu şsa niçin farklı elementlerin atomları farklı özelli ğe sahiptir? Bunun cevabı her bir elementin çekirde ğindeki proton, elektron ve nötron sayılarının farklı olmasıdır. Her bir elementin atomlarında proton ve elektron sayısı farklı oldu ğuna göre elektronların çekirde ğin etrafında bulundukları bölgeler farklı olacaktır. Çünkü zıt yükler birbirini çekti ği için çekirdekteki proton sayısı arttıkça o atomun elektronlarının çekirde ğe uzaklıkları ve dolayısı ile potansiyel enerjileri farklı olacaktır. Sonuç olarak, element atomları birbirinden: 1. çekirdeklerindeki proton sayısı bakımından, 2. elektron sayıları bakımından, 3. elektronların çekirde ğe uzaklı ğı ve enerjileri bakımından, 4. büyüklükleri (atom yarıçapları) bakımından, 5. kütleleri ve nötron sayılan bakımından (izotoplar durumunda kütleler ve nötron sayıları e şit olabilir. Bu durum a şa ğıda incelenecektir.) farklıdır. Çizelge 3.6: Bazı elementlerin atomlarının proton ve elektron sayıları Element Proton sayısı Atom Numarası Elektron sayısı Hidrojen 1 1 1 Helyum 2 2 2 Karbon 6 6 6 Oksijen 8 S 8 Sodyum 17 M 11 Klor 17 17 17 Kur şun 82 82 82 Şekil 3.9: Bir atomda elektronların çekirdek etrafında da ğılım modeli. Koyu kısımlar elektronların daha çok bulundu ğu hacimleri ifade eder. 16 Demir atomuyla altın atomunun yukarıda verilen özellikler yönünden farklı olması, demir elementini altın elementinden farklı yapmaktadır. Ayrıca, herhangi iki elementten e şit miktarda alındı ğı zaman bu miktarlardaki atom sayıları e şit olmayacaktır. 3.4.2. İzotoplar Yukarıda incelendi ği gibi atomlar çekirdeklerindeki protonlardan dolayı pozitif yüklü bir çekirde ğe ve bu çekirdek etrafında ve çekirdekten oldukça uzak mesafelerde hareket eden negatif yüklü elektronlara sahiptir. Bir atomda pozitif ve negatif yükler birbirini dengeledi ği için bir atomun net yükü sıfırdır. Örne ğin bir sodyum atomunun çekirde ğinde 11 protonu vardır ve atom nötr oldu ğuna göre 11 de elektronu vardır. Bu nedenle sodyum atomunda çekirdek etrafında 11 elektron hareket etmektedir. Do ğadaki bütün sodyum atomlarında 11 proton ve 11 elektron vardır. Ancak do ğadaki bütün sodyum atomlarının çekirdeklerinde aynı sayıda nötron bulunmaz. Dalton'un atom teorisinde "bir elementin bütün atomları özde ştir" kuralı bu yönüyle geçerli de ğildir. Bu durum bize, teorilerin zamanla yeni bulgular elde edildikçe de ği şebilece ğini gösterir. Dalton'un atom teorisindeki o cümlenin "bir elementin bütün atomları proton ve elektron sayısı bakımından özde ş, fakat, nötron sayısı bakımından özde ş de ğildir" şeklinde ifade edilmesi gerekir. O nedenledir ki, bir elementin proton ve elektron sayısı e şit fakat nötron sayısı farklı atomlarına o elementin izotopları denir. Bir elementin çekirde ğindeki proton ve nötron sayısının toplamına o elementin kütle numarası denir. Ayrıca bir elementin atomunun çekirde ğindeki proton sayısına da o elementin atom numarası denir. Bu durum X gibi bir element için gösterilecek olursa, Burada: X; elementin sembolüdür. A: elementin bir atomunun çekirde ğindeki proton ve nötron sayılarının toplamı olan kütle numarasıdır. Z: elementin bir atomunun çekirde ğindeki protonların sayısı olan atom numarasıdır. X A Z 17 Kütle numarası = proton sayısı + nötron sayısı A = Z + nötron sayısı A — Z = nötron sayısı Bu formüllerden faydalanarak bir elementin nötron sayısı kolayca bulunabilir. 24 11 Na de 24 - 11 = 13 nötron 24 11 Na de 23 - 11 = 12 nötron vardır. Çizelge 3.7: Klorun izotoplarının elektron, proton, nötron sayıları ile kütle ve atom numaraları Atom proton sayısı nötron sayısı elektron sayısı atom numarası (z) kütle numarası (A) A B 17 17 18 20 17 17 17 17 35 37 Do ğada elementler izotoplarının bir karı şımı halinde bulunur. Örne ğin C 12 6 (Karbon 12); C 13 6 (Karbon 13); C 14 6 (Karbon 14) H 1 1 (Hidrojen, H); H 2 1 (Döteryum, D); H 3 1 (Trityum. T) Soru: Yukarıdaki izotopların, proton, nötron ve elektron sayıları ile atom ve kütle numaralarını bir tablo halinde gösteriniz. Bir Elementin İzotoplarının Kütlelerinin Belirlenmesi Bir elementin izotoplarının kütlelerinin belirlenmesi, o elementin pozitif ı şınlarının kütlelerinin belirlenmesi prensibine dayanır ve Şekil 3.10 da şematik olarak gösterilen kütle spektrometresi ile belirlenir. Daha önce tartı şıldı ğı ve katot ı şınları tüpünde pozitif ı şınların olu şturulmasında oldu ğu gibi atomlarının kütlesi belirlenecek olan elementin bir miktarı buharla ştırılarak bir katot ısınları de şarj tüpü hazırlanır. Katot ı şınlarının etkisi ile iyonlaşan atomların olu şturdu ğu pozitif iyonlar, bir yarıktan geçirilerek elektrik alana ula şması sa ğlanır. Elektrik alan pozitif ve negatif elektrikle yüklü iki levhadan olu şur. Elektrik alana ula şan pozitif ı şınlar yükleri ile do ğru ve kütleleri ile ters orantılı olarak elektrik alanda negatif levha Na 23 11 Na 24 11 Elementin sembolü Kütle numara Atom numarası Kütle numarası Atom numarası 18 tarafından çekilirler. Ayrıca, çekilme durumlarına ba ğlı olarak elektrik alandan çıkı ş hızları da farklıdır. Dolayısı ile geni ş bir banddan olu şan bir ı şın demeti olarak elektrik alandan çıkarlar. İkinci yarıktan geçerek elektrik alandan çıkan ı şın demeti güçlü bir elektro manyetin kutupları arasından geçer. Bu alan elektrik alan düzlemine diktir. Manyetik alana ula şan ı şınlar elektrik alandaki sapmalarına dik do ğrultuda saptırılırlar. Elektrik alan ve manyetik alan uygun şekilde ayarlanarak aynı yük/kütle oranına sahip bütün ı şınların tek bir çizgi halinde dedektör (foto ğraf plakası) üzerine dü şmesi sa ğlanır. Dedektör üzerine dü şen ı şına kar şılık gelen hızlandırma voltajının (elektrik alan) de ğerinden ı şını olu şturan pozitif iyonunun kütlesi hesaplanır. Bu teknik kullanılarak bir karbon 12 atomunun kütlesi 1,9926x10 -23 g olarak hesaplanmı ştır. Bu i şlemin yapıldı ğı cihaza kütle spektrometresi denir. Şekil 3.10: Kütle spektrometresinin şematik gösterimi Kütle spektrometresi ile incelenmesi sonucu birçok elementin tek cins atomdan meydana gelmedi ği görülmü ştür. 3.5. ELEMENTLER İN PER İYOD İK TABLOSU Herhangi bir kimya laboratuvarına girildi ği zaman duvarda asılı olan veya kullandı ğınız kimya kitaplarının kapak arkalarında yer alan bir periyodik tablo görürsünüz. Bu tabloda, bilinen bütün elementler yer alır ve bize elementler hakkında bilgi verir. Elementlerin periyodik tablosu sayfa 70 de verilmi ştir. Bu tablodaki her kutuda bir veya iki harf vardır. Daha önce belirtildi ği gibi bu harfler elementlerin sembolleridir. Yine her kutuda sembollerin üzerinde rakamlar vardır. Bu rakamlar o elementin bir atomunun çekirde ğinde bulunan proton sayısını, di ğer bir ifadeyle atom numarasını ve aynı zamanda elektron sayısını gösterir. Dedektör Kütlesi fazla iyonlar Kütlesi dü şük iyonlar Manyetik alan Hızlandırılmı ş iyon demeti İyon hızlandırıcı elektrik alan Yarıklar Numune buharla ştırma kısmı Pozitif iyonlar Numune Elektron demeti 19 Görüldü ğü gibi elementler periyodik tabloya artan atom numaralarına göre yerle ştirilmi şlerdir. Sembollerin altındaki rakamlar ise yine bir elememin bir atomunun kütlesinin atomik kütle birimi cinsinden (akb) de ğeridir. Do ğadaki karbon atomlarının hepsi 12 C den olu şmadı ğı ve 13 C, I4 C gibi izotopları da bulundu ğu için yukarıda bahsedilen izotopların do ğada bulunma bolluklarına göre ortalama bir karbon atomu kütlesinden bahsedilebilir. Dolayısı ile bir karbon atomunun ortalama kütlesi 12,01 akb ve bir kur şun atomunun ortalama kütlesi 207,2 akb dir. Periyodik tablonun elementlerin artan atom numarasına göre düzenlenmesinin sebebi, benzer özellikte olanlarının periyodik tabloda alt alta gelmesini sa ğlamak içindir. Örne ğin; florla, klorun reaktif gazlar oldu ğu ve benzer bile şikler olu şturdu ğu ayrıca, sodyumla potasyumun kimyasal reaksiyonlarda benzer davranı şlar sergiledi ği bilinmektedir. Periyodik tabloda dikey sütunlara grup, yatay sütunlara da periyot denir. Bir grupta yer alan elementler bir element ailesini olu şturur ve ailenin üyeleri benzer kimyasal özelliklere sahiptir. Periyodik tabloda bazı gruplarda bulunan element ailelerinin özel adları vardır. Örne ğin; 1A grubu elementlerine alkali metaller, 2A grubu elementlerine toprak alkali metaller, 7A grubu elementlerine halojenler ve 8A grubu elementlerine de soy gazlar denir. 2A ile 3A arasındaki gruplar B gruplarıdır ve bunlara da geçi ş metalleri denir. Elementlerin ço ğu metaldir ve metallerin; - Isıyı ve elektri ği iletebilme, - Dövülerek levha haline getirilebilme, - Çekilerek tel haline getirilebilme gibi özellikleri vardır. Periyodik tablonun sa ğ üst tarafında bulunan çok az element metallerden farklı özelliklere sahiptir ve onlara ametaller denir. Oda sıcaklı ğında cıva hariç bütün metallerin katı olmasına ra ğmen azot, oksijen klor ve neon gibi bazı ametaller gazdır. Brom sıvıdır. Karbon, fosfor ve kükürt gibi bazı ametaller katıdır. Metallerle ametaller arasında bulunan bor, silisyum, germanyum, arsenik, antimon ve tellür elementleri hem metalik hem de ametalik özellikler gösterir ve bunlara yarı metaller veya metalloidler denir. 6 C 12,01 82 Pb 207,2 20 ELEMENTLER İN PER İYOD İK TABLOSU 21 3.6. ATOMLARDAN İYON OLU ŞUMU VE İYON Yukarıda tartı şıldı ğı gibi her elementin atomunun çekirdeğinde belirli sayıda proton vardır ve proton sayısına e şit sayıda elektron çekirde ğin etrafında küresel bir hacimde hareket halindedir. Yani, bir atomda pozitif ve negatif yük dengelenmi ştir. Bu nedenle bir atom nötrdür denir. Bir atomdan iyon denilen yüklü bir birim olu şturulabilir. Bunun için bir atoma ya elektron eklenmeli veya atomdan bir elektron uzakla ştırılmalıdır. Örne ğin bir sodyum atomunun çekirde ğinde 11 protonu ve çekirdek çevresinde de 11 elektronu vardır. E ğer elektronlardan biri uzakla ştırılırsa çekirdekte hâlâ 11 proton olmasına ra ğmen 10 elektron kalacaktır. Bu durumda net yükü 1+ olan bir iyon meydana gelecektir. (11 + ) + (10 -) = 1+ dır. 1 elektron kaybı (11-) (10-) 11+ 11+ Sodyum atomu Sodyum 1+ iyonu Bu durum yukarıdaki gibi gösterilir veya kısaca Na › Na + + e - olarak yazılabilir. Burada; Na: sodyum atomunu, Na + : (1+) yüklü sodyum iyonunu ve e - ise ayrılan bir elektronu sembolize eder. Na + gibi pozitif (+) yüklü iyonlara katyon denir ve katyonlar, atomlar elektron kaybettikleri zaman olu şurlar. Sodyum atomunun bir elektron kaybetmesi ile Na + katyonunun meydana geldi ği gibi magnezyum atomu da 2 elektron kaybedince Mg 2+ katyonu meydana gelir. Çünkü bazı atomlar ikinci elektronlarını da kolayca verebilirler. 2 elektron kaybı (12-) (10-) 12+ 12+ Magnezyum atomu Magnezyum 2+ iyonu 22 Mg › Mg 2+ + 2 e - Aynı şekilde alüminyum da üç elektronunu kaybederek Al 3+ iyonunu meydana getirir. - + + ? ? ? ?› ? e 3 Al Al İYONU ALÜM İNYUM 3 KAYBI ELEKTRON 3 ATOMU ALÜM İNYUM Atomların elektron kazanması ile negatif yüklü iyonlar olu şur ye bu iyonlara anyon denir. Bir atom dı şardan bir elektron alırsa 1- yüklü bir iyon meydana gelir. 1 elektron kazancı (17-) (18-) 17+ 17+ Klor Atomu Klor 1- İyonu Görüldü ğü gibi anyonda 18 elektron ve 17 proton var ve (18-) + (17+) = -1 F + e - › F - (florür iyonu) O+2 e - › O 2- (oksit iyonu) S + 2 e - › S 2- (sülfür iyonu) Unutulmaması gereken bir husus, iyon olu şumunda atomun çekirde ğindeki proton sayısının asla de ği şmedi ğidir. Bir atomdan ne tip bir iyonun olu şaca ğını tahmin etmede periyodik tablo son derece yararlıdır. 1A grubu elementler 1+ yüklü, 2A grubu elementler 2+ yüklü ve 3A grubu elementler de 3+ yüklü iyonlar olu ştururlar. B grubu elementleri olan geçi ş metalleri pozitif yüklü de ği şik iyonlar olu şturabilirler. Bu metallerin meydana getirece ği iyonun yükünün kaç olaca ğını tahmin etmek zordur. Yalnız şurasını kesinlikle söyleyebiliriz ki, bütün metaller daima pozitif (+) yüklü iyonlar olu ştururlar. Çünkü metalik karakter denilince kimyasal açıdan ilk akla gelen, bir metalin kolayca elektron verece ğidir. 23 Di ğer taraftan, ametaller genellikle elektron alarak negatif yüklü iyonlar olu ştururlar. 7A grubu ametaller bir elektron alarak 1- yüklü iyonlar ve 6A grubu ametaller de iki elektron alarak 2- yüklü iyonlar olu ştururlar.Her bir elementin atomumun çekirde ğindeki proton sayısı farklı oldu ğundan, metallerden katyon olu şturmak için verilmesi gereken enerjinin farklı olaca ğı kolayca anla şılabilir. Bu enerjiye o elementin iyonla şma enerjisi denir. Gaz fazındaki bir ametal atomuna bir elektron eklenmesi için gerekli enerjiye o elementin elektron ilgisi denir.ve ametallerin elektron ilgileri birbirinden farklıdır. Burada, yaygın olarak kar şıla şılan bir yanlı ş kavramayı tartı şmak yerinde olacaktır. Soy gaz yapıları kararlı yapılardır ve elementler soy gaz düzenine ula şacak şekilde ba ğ yaparlar bilgisinden; elementler son kabuklarındaki elektronları vererek veya elektron alarak soy gaz düzenine ula şırlar ve soy gaz düzeni de daha dü şük enerjili hal oldu ğuna göre o halde elementlerin iyonları elementlerden daha dü şük enerjilidir gibi bir sonuç çıkarılmaktadır. Gerçekte durum böyle de ğildir. E ğer öyle olsaydı elementlerin iyonla şma enerjilerinin ve elektron ilgilerinin her zaman negatif olması gerekirdi. Di ğer bir ifadeyle, e ğer iyonlar daha dü şük enerjili olsaydı elementlerden elektron uzakla ştırmak için enerji verilmesi gerekmezdi veya bütün elementler elektron aldıkları zaman çevreye enerji verilmesi gerekirdi. Elementlerin iyonla şma enerjilerinin pozitif olması; bir elementin + yüklü iyonunun enerjisinin, o elementin atomunun enerjisinden iyonla şma enerjisinin de ğeri kadar yüksek oldu ğunu gösterir. O halde; elementlere kararlılık kazandıran, soy gaz düzenine ula şmak için elektron alıp vermeleri de ğil, onların soy gaz düzenine ula şacak şekilde elektron alı ş veri şi yapmaları sonucu olu şan zıt yüklü iyonların bir birini çekmesi nedeniyle dı şarıya verilen enerjinin atomlardan iyon olu şurken alınan enerjiden daha fazla olmasındandır. Bu durum, kimyasal ba ğ konusu (Bölüm 4) incelenirken daha geni ş olarak incelenecektir. 3.7. ATOMLARIN BA ĞIL KÜTLELER İ VE MOL KAVRAMI Atomların kütleleri günlük hayatta kullanılan hiç bir tartı aletiyle ölçülemeyecek kadar küçüktür ve o nedenle de atom kütleleri daha önce belirtildi ği gibi kütle spektroskopisi tekni ği kullanılarak hesaplama yöntemiyle bulunur. Atom kütlelerinin böyle küçük olması maddelerle kimyasal reaksiyon yaparken onları tartarak i şlem yapmamızı imkansızla ştırmaktadır. Bu nedenle de atom kütlelerinden bahsedilirken onların kütlesinin gram cinsinden de ğerinden de ğil bir standarda göre ba ğıl kütlelerinden bahsedilir. Ba ğıl kütle denilmesinden, kütlelerin kıyaslanaca ğı anla şılmalıdır. Ancak, nesneler arasında kıyaslama yapılırken önce bir standard seçilmesi gerekti ği ve di ğer nesnelerin bu standarda göre daha uzun, daha kısa, daha a ğır gibi kıyaslanması gerekti ği açıktır. Standard olarak seçilen büyüklü ğe bir ad verilerek ve di ğer nesnelerin bu standard nesnenin kaç katı oldu ğu ölçülerek 24 standard nesnenin birimi cinsinden ifade edilir. Örne ğin 1 m ve 1 kg gibi standard birimler seçilmemi ş olsaydı 5 kg ve 5 m ölçülemezdi ve algılanamazdı. Atomların kütleleri tartılamayacak kadar küçük oldu ğuna göre, elementlerden birinin atomunu standard atom kabul edilip di ğer atomların standard atomla kıyaslanması gerekir. Zaman içinde oksijen ve hidrojen atomları standard atom olarak kullanılmı şlardır ancak daha sonra karbon 12 atomu ( C 12 6 ) standard atom olarak kullanılmaya ba şlamı ştır. Bir karbon 12 atomunun kütlesi 12 atomik kütle birimi (akb) olarak kabul edilmi ş ve karbon 12 atomunun 1/12 sine 1 atomik kütle birimi (1 akb) denilmi ştir. Atomik kütle birimi sembolü "U"dur. Di ğer atomların kütleleri, kütle spektrometresi kullanılarak ve kütleleri karbon 12 atomunun kütlesiyle kıyaslanarak bulunmu ştur. 1 hidrojen atomunun kütlesinin, karbon atomunun kütlesinin 1/12 i oldu ğu görülmü ştür. Di ğer elementler için de aynı k ıyaslamalar yapılarak, bütün elementlerin bir atomunun bir karbon 12 atomunun kaç katı oldu ğu tespit edilmi ştir. Magnezyum atomunun kütlesi karbon atomunun kütlesinin 2 katı denildi ği zaman magnezyum atomunun kütlesinin 24 U oldu ğu kolayca bulunabilir. Sonuç olarak, periyodik tabloda elementlerin sembollerinin altında verilen ve kütle numarası denilen rakamlar, o elementin bir atomunun karbon 12 atomunun 12 de birinin kaç katı oldu ğunu gösterir. İyonların, element atomlarının elektron alması veya vermesi sonucu olu ştu ğu ve ayrıca elektronun kütlesinin proton ve nötronun kütlesinin yanında ihmal edilebilecek kadar küçük oldu ğu dü şünülürse, bir Na + iyonunun kütlesinin bir Na atomunun kütlesine e şit alınabilece ği görülür. Daha önce izotopların kütlelerinin belirlenmesinde açıklandı ğı gibi kütle spektrometresi kullanılarak bir karbon 12 atomunun kütlesi hesaplanmı ş ve 1,9926x10 -23 gram oldu ğu bulunmu ştur. Buradan da görülebilece ği gibi bu miktar, günlük hayatta kullanılan tartım cihazlarıyla tartılamayacak kadar küçük bir de ğerdir. Kimyacılar kimyasal maddelerin tartılabilen miktarları ile işlem yaparlar. Ancak, tartarak aldıkları bir miktar maddede o maddeyi meydana getiren taneciklerden kaç tane oldu ğunu da bilmek isterler. Çünkü kimyasal reaksiyonlarda elementler ve bile şikler belirli oranlarda birle şerek yeni bile şikleri olu ştururlar. Kimyacılar madde miktarını mol olarak ifade ettikleri için, belirli bir maddenin belirli bir kütlesi esas alınarak bir mol maddenin tarif edilmesi ve o miktar içindeki tanecik sayısının hesap edilmesi gerekti ği açıktır. Standard madde olarak karbon 12 atomlarından olu şmu ş madde ve miktar olarak da karbon 12’nin 12 gramı esas alınarak bir mol tarifi yapılmı ştır. Buna göre 12 gram karbon 12 de bulunan kadar taneci ğe sahip madde miktarı 1 moldür. O halde 12g karbon 12 de kaç tane karbon atomu oldu ğunun bilinmesi her hangi bir maddenin 1 molünün kütlesinin bilinmesini sa ğlayacaktır. Bir karbon atomunun kütlesinin kütle spektrometresi ile tayin edildi ği ve 1,9926x10 -23 gram oldu ğu belirtilmi şti. Buradan 12 gram karbonda bulunan tanecik sayısı hesaplanmı ştır. 25 1 mol karbondaki tanecik sayısı= 23 10 x 9926 , 1 12 - = 6,02x10 23 E şitli ğe tersinden bakarak bu durumu şöyle de ifade edebiliriz. Bir maddenin 6,02x10 23 taneci ğini içeren madde miktarı 1 mol dür. Yani, 6,02x10 23 tane demir atomundan olu şan demir miktarı 1 moldür. Bu sayıya Avogadro sayısı denir. Ölümünden çok sonra Avogadro'ya saygı için sayıya bu ad verilmi ştir. Çünkü Avogadro, gazlarla ilgili deneyler yapıp aynı şartlardaki bütün gazların e şit hacimlerinde e şit sayıda tanecik oldu ğunu ilk defa ortaya koyarak daha sonraki bilimsel geli şmelerin sürükleyicisi olmu ştur. Do ğada 12 C’ nin bulunma oranı %98,9 ve 13 C’ün bulunma oranı %1,1 dir. Bunun anlamı, do ğadaki her 1000 karbon atomundan 989 tanesi 12 C atomu ve 11 tanesi de 13 C atomudur. 5 gram karbon içindeki karbon atomlarının sayısı bulunacak oldu ğu zaman bu miktar bir karbon 12 nin kütlesine veya bir karbon 13’ün kütlesine bölünse de 5 gram karbon içindeki karbon atomlarının sayısı do ğru olarak bulunamaz. Bunun için öncelikle a ğırlıklı ortalama karbon atomu kütlesinin bulunması gerekir. A ğırlıklı ortalama kütle, izotopların do ğada bulunma yüzdeleri ile kütleleri çarpımının toplamıdır. A ğırlıklı Ortalama kütle = 01 , 12 100 1 , 1 x 13 100 9 , 98 x 12 = + Bu de ğer, izotoplar karı şımı olarak bulunan karbon atomlarının ortalama kütleleridir. Di ğer elementler için de durum aynıdır. O nedenledir ki periyodik tabloda kütle numaraları tam sayı de ğildir. Hesaplamalarla ilgili i şlemlerde karbon atomunun kütlesi 12U olarak alınır. Bir karbon atomunun a ğırlıklı ortalama kütlesi 12U oldu ğuna göre, 1 mol karbonun kütlesi kaç U dur. Bunu bulabilmek için bir mol karbonda 6,02x10 23 tanecik oldu ğunu bilmek yetecektir ve 1 mol karbon 6,02x10 23 x 12U dur. Ayrıca,1 mol karbon 12g oldu ğuna göre 6,02x10 23 x 12U = 12g dır. Buradan; 6,02x10 23 x U = 1g sonucuna ula şılır. Di ğer bir ifadeyle, 1 mol U = 1g’dır. Bunun anlamı: a ğırlıklı ortalama atom kütlesi yakla şık 1U olan hidrojen atomunun 1 molünün 1g olması demektir. Sonuç olarak: Periyodik tabloda bir elementin üzerinde kütle numarası olarak verilen rakam, hem o elementin bir atomunun akb (U) cinsinden a ğırlıklı ortalama kütlesine hem de o elementin 6,02xl0 23 taneci ğinin (1 molünün) gram cinsinden kütlesine yani mol kütlesine e şittir. Bu nedenledir ki bir elementin kütlesi verilirken ya bir atomunun a ğrlıklı ortalama kütlesi akb cinsinden veya bir molünün kütlesi gram cinsinden ifade edilir. Örne ğin; Pb: 208U veya Pb: 208 g / mol