Vakum Tüpüyle Yapılan Deneylerle Katot Işınlarının Keşfi:

Transkript

1 ATOM VE ELEKTRİK (Ünite-1) Maddenin Elektriksel Yapısı: Sürtünme ile elektriklenmede iki tür yükün (+) ve (-) olduğunu keşfeden ilk kişi Benjamin Franklin dir. Ebonit çubuk bir kumaş parçasına sürtüldüğünde elektrikle yüklenir. Bu elektriğin türü (-) negatif yük olarak kabul edilmiştir. Cam çubuk ipek kumaşa sürtüldüğünde oluşan elektrik yükü (+) pozitiftir. Sürtünmede önce maddeler nötr yapıdadır. Bu durumda bir madde elektrikle yüklenmediği sürece maddede (+) ve (-) elektrik yükler eşittir. Aynı tür elektrik yükler birbirini iter, farklı tür elektrik yükleri birbirini çeker. Ebonit çubuk kumaş parçasına sürtülürse (-) elektrik yüklenir. Cam çubuk ipek kumaş parçasına sürtülürse (+) elektrik yüklenir. Michael Faraday ın Maddenin Elektrikli Yapısı İle İlgili Çalışmaları: ( ) Faraday ın yaptığı elektroliz deneylerine göre devreden geçen yük miktarı ile elektrotlarda toplanan madde miktarı orantılıdır. Elektrotlarda açığa çıkan madde miktarı; Q= I.tve m: Elektrotlarda toplanan madde miktarı (gram) M A : Atom kütlesi (gram/mol) I: Akım şiddeti (amper) t: zaman (saniye) e: Tesir (etki) değeri Q: I.t (Elektrik yük miktarı). Birimi coulomb (kulon) dur. Faraday ın çalışmalarına dayanarak 1874 yılında Stoney atomlarda elektrik yüklü birimlerin bulunduğunu ileri sürdü, ve 1891 de de bu yüklü birimlere elektron adı verilmesini önerdi. Vakum Tüpüyle Yapılan Deneylerle Katot Işınlarının Keşfi: bağıntıları ile bulunur. Vakum tüpleri, içindeki havanın büyük bir kısmı boşaltılarak basıncı azaltılmış tüplerdir. Gazların elektrik akımını iletmediği bilinir. Ancak yeterli gerilim uygulandığında gazlar da elektrik akımını iletir. Bu olaya flüoresan lambalar ve televizyon tüpleri örnek olarak verilebilir yılında Julius Plücker vakum tüpleri ile yaptığı deneylerde katot ışınlarını buldu. Katot ışınları elde etmek için havası boşaltılmış cam tüpün uçlarına iki elektrot yerleştirilir. Bu elektrotlara yüksek gerilim uygulandığında katot adı verilen negatif elektrottan ışınlar (katot ışınları) çıkar. Bu ışınlar negatif yüklüdür ve doğrusal izler. Ayrıca bu ışınlar katodun karşısındaki tüp çeperlerinin ışık saçmansa neden olur. Katot ışınları tüpünde, katottan doğrusal olarak yayılan ışınlar manyetik alan içersinden geçirilirse manyetik alanın pozitif ucuna doğru sapma gösterirler de J.J.Thomson katot ışınlarının vakum tüpündeki gazın türüne ve katot olarak kullanılan maddelerin türüne bağlı olmaksızın oluştuğunu ispatlayarak, her defasında oluşan bu parçacıkların her bakımdan özdeş olduğunu ortaya koydu. Thomson bütün elementleri oluşturan temel taneciklerden birinin (-) yüklü tanecikler olduğunu ileri 1

2 sürerek, katot ışınlarının aslında ışın olmayıp (-) yüklü parçacıklar olduğunu belirledi. Bu (-) yüklü tanecikler daha önce Stoney önerdiği gibi elektron olarak adlandırıldı. Elektronlar (-) yüklü tanecikler olduğu için elektriksel alanda (+) kutba doğru saparlar. Bu sapmalar; Taneciğin yükü (e) ile doğru orantılı olarak gerçekleşir. Taneciğin kütlesi (m) ile ters orantılı olarak gerçekleşir. Yükün kütleye oranı (e/m), elektriksel alan içersinde elektronların doğrusal yoldan ne kadar sapacağını gösterir. Thomson yaptığı deneyler sonucunda elektron için e/m değerini saptayarak, bu değeri e/m=1, coulomb/gram olarak belirledi. Robert Millikan 1909 yılında, Thomson tarafından bulunan e/m değerinden faydalanarak yaptığı deneylerle elektronun yükü ve kütlesini bulmuştur. Millikan, yağ damlası deneyinde, paralel metal levhalar arasına sis halinde dağılmış çok küçük yağ damlacıklarını püskürtür. Metal levhalara yapışan yağ zerrecikleri üzerine X-ışınları gönderilir. X-ışınları havadaki gaz taneciklerine çarparak oluşturduğu elektronlar, yağ damlacıkları tarafından tutulur ve onların (-) yükle yüklenmense sebep olurlar. Paralel haldeki metal levhalara elektrik akımı uygulanarak üst levha (+), alt levha (-) yükle yüklendirilerek, (-) yüklü yağ zerreciklerinin düşmesi durdurulur. Yağ zerreciğinin kütlesi ve yağ zerreciğini dengede tutmak için levhalara uygulanan gerilim bilindiğinde, her damla üzerindeki yük miktarı hesaplanır. Deney her tekrarlandığında yükün -1, coulombun katları olduğu belirlendi. Buna göre elektronun yükü, e= -1, coulomb dur. Bulunan bu değer Thomson tarafından bulunan e/m değerinde yerine konulduğunda elektronun kütlesi hesaplanır. Buna göre elektronun kütlesi: g/elektron Protonun Keşfi: Atomun yapısında (-) yüklü elektronlar bulunduğuna göre bu elektronların yükünü dengeleyecek (+) yüklerin de bulunması gerekir. Kanal ışınları bu düşünceyi doğrulamıştır. Bir vakum tüpü alınarak tüpün ortasına gözenekli bir katot yerleştirilir. Vakum tüpünün elektrotları arasına yüksek gerilim uygulanırsa; katottan çıkan ve tüpün ikinci yarısında, katot ışınlarına ters yönde yayılan, (+) yüklü ışınlara rastlanır. Bu ışınlara kanal ışınları denir. Kanal ışınları da elektronlar gibi tanecik yapıdadır ve manyetik alanda saparlar. Ancak bu ışınlar (+) yüklü olduklarından, katot ışınlarına göre ters yönde ve daha az saparlar. Bu taneciklerin sapma açısı tüpün içindeki gazın türüne bağlıdır. Vakum içersinde hidrojen gazı varken, kanal ışınlarının elektrik yükleri, elektron yüküne eşit fakat zıt işaretlidir. Hidrojen atomları tek elektronludur. Hidrojen atomundan, bir elektron koparılınca geriye artı yüklü tanecik kalır. Artı elektriğin en küçük temsilcisi kabul edilen bu taneciğe proton denir. Kanal ışınları protondan ibarettir. Bu deneylerle, bütün atomların yapısında elektronların yanı sıra protonların da varlığı belirlendi. Elektronlarda olduğu gibi, protonun da e/m oranı, daha sonra yükü ve kütlesi hesaplanmıştır. Buna göre protonun elektrik yükü, elektronun yüküne eşit ancak zıt yüklü (+) olup 1, coulomb dur. Protonun kütlesi ise, 1, gram olarak hesaplanmıştır. Bu kütle, elektronun kütlesinin 1840 katıdır. Kütle spektrometresi: Atom ve moleküllerin kütlelerinin belirlenmesi kütle spektrometresi yapılır. Kütle spektrometresi gaz halindeki örneğin, yüksek enerjili elektronlarla bombardımanı ile gerçekleşir. 2

3 Gaz halindeki atom ve moleküller, yüksek enerjili elektronlarla çarpıştığında atom veya moleküllerden elektron kopararak (+) yüklü iyonlar oluşur. Bu (+) yüklü iyonlar, zıt yüklü plakalar arasından geçerken hızlanırlar. Hızlanan bu (+) yüklü iyonlar manyetik alan içersine gönderilir. Belirli hızlardaki iyonlar, manyetik alan tarafından dairesel yol alacak şekilde yönlenirler. İzlenen yolun yarıçapı e/m oranına bağlı olarak değişir. e/m oranı küçük olan iyonlar geniş dairesel yol izlerken e/m oranı büyük olan iyonlar daha dar dairesel yol izler. Böylelikle yükleri aynı fakat kütleleri farklı olan iyonlar birbirinden ayrılırlar. Sapmanın büyüklüğüne bakılarak her bir iyonun dolaysıyla çalışılan atom ya da molekülün kütlesi belirlenir. ÖRNEK:¹H, ⁴He ve ²⁰Ne gaz örnekleri kütle spektrometresinde yüksek enerjili elektron demetiyle iyonlaştırıp elde edilen iyonlar manyetik alan içersinden geçirildikten sonra fotoğraf filmi üzerine düşürülüyor. Buna göre X, Y ve Z maddeleri H, He ve Ne gazlarından hangileridir. ÇÖZÜM: Kütle spektrometresinde kütlesi küçük olan ve yükü büyük olan iyonların manyetik alan içersinde sapma açıları daha büyüktür. Buna göre kütlesi en küçük olan ¹H nin sapma açısı fazla, kütlesi en büyük olan ²⁰Ne nin sapma açısı en azdır. X=H, Y=He, Z=Ne SORU: Kütle spektromesine gönderilen gazlarla ilgili, Yüklü taneciklerden yükü büyük olan gazın sapma açısı daha küçüktür. I. Molekül kütlesi olan gazın sapma açısı daha küçüktür. II. Sapma açısının büyüklüğüne bakılarak gazın atom ya da molekül kütlesi hesaplanabilir. yargılarından hangileri doğrudur. Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) I ve III E) I, II ve III (D) SORU: Aşağıdaki kütle spektromesine gönderilen madde çiftleri verilmiştir. 1 2 I. Buna göre 1. de verilenlerden hangilerinin sapmaları 2. de verilenlerin sapmalarından daha fazladır. II. III. A)Yalnız I B) Yalnız II C) Yalnız III D) I ve II E) II ve III (A) 2-ATOM MODELLERİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ 17. yüzyılda Antoine Lavoisier kimyasal tepkimelere giren ve kimyasal tepkimelerden çıkan maddelerin kütlelerini karşılaştırmıştır. Yaptığı deneyler sonucunda elementlerin tepkimeye girerek bileşik oluşturduğunda toplam kütlenin değişmediği belirlenmiştir. Bunun sonucunda kütle korunum yasasını ortaya koymuştur. Aynı dönemde Joseph Proust yaptığı çalışmalar sonucunda bir bileşiği oluşturan elementlerin kütleleri arasında sabit bir oranın bulunduğu belirlenmiştir. Bunun sonucunda Sabit oranlar yasasını ortaya koymuştur. Bu bilim adamlarını takip eden John Dalton, iki element birden çok bileşik yaptığında, elementlerden birinin eşit miktarıyla birleşmiş olan diğer elementin değişen 3

4 miktarı arasında katlı bir oran olduğunu belirlemiştir. Bunun sonucunda Katlı oranlar yasasını ortaya koymuştur. Bu alandaki bilgi birikiminden yararlanan John Dalton, Democritus tan yaklaşık 2000 yıl sonra 1803 yılında, bilimsel gerçeklere dayanan ilk atom modelini ortaya koymuştur. THOMSON ATOM MODELİ Atomlar çapları yaklaşık 10-8 cm olan kürelerdir. Elektronların kütlesi protonların kütlesinden çok küçük olduğundan, atomların kütlesini protonlar oluşturur. Pozitif yükler atomun içine homojen olarak yayılmıştır. Elektronlar, pozitif yükü nötrleştirecek sayıda, küre içine dağılmıştır. Thomson atom modeli üzümlü keke benzetilir. Kek atomun artı yüklü bölümü, gövde içindeki üzüm taneleri ise elektronlara karşı gelmektedir. RUTHERFORD ATOM MODELİ 1911 yılında Rutherford atomun yapısını belirlemek için alfa ışınları (pozitif yüklü tanecikler) ile bir dizi araştırma yaptı. Rutherford, çok ince altın levha üzerine alfa ışınlarını gönderip bunların saçılmasını inceledi. Rutherford a göre, Ra dan çıkan yüksek enerjili alfa ışınları ince altın levhadan yönünü değiştirmeden geçebilmeliydi. Oysa bu deneyde alfa ışınlarının çoğu levhadan geçerken, bir kısmı yolundan saptı ve çok azı da geriye döndü. Alfa ışınları, ancak kendisinden daha büyük kütle ve elektrik yüklerine çarpınca yolundan sapar veya geri dönerler. Ruherford un deney sonuçlarına göre; Alfa ışınlarının çoğu ince levhadan geçtiğine göre atomda büyük boşluluklar vardır. Atom kütlesinin tamamına yakını ve pozitif yüklerin tamamı çekirdekte toplanmıştır. Çekirdeğin hacmi çok küçüktür. Çekirdekteki (+) yükün miktarı elementten elemente değişir. Çekirdek kütlesinin yaklaşık yarısını protonlar oluşturur. Çekirdek dışında, pozitif yüke eşit sayıda elektron bulunur. Rutherford, kütlesi yaklaşık protonun kütlesine eşit ve yüksüz bir taneciğin varlığını önermiştir. Ancak bu yüksüz taneciğin özelliklerini Chadwick ortaya koymuş ve nötron adın vermiştir. Rutherford a göre atom; merkezde kütlesi çok büyük bir çekirdek ve etrafında belirli yörüngelerde dolanan elektronlardan oluşmuştur. Çekirdekli atom modelini ilk öneren kişi Rutherford dur. Ancak Rutherford Atom Modeli atomların yaydığı spektrumları açıklamasında yetersiz kalması nedeniyle kısa zamanda terk edilmiştir. 3-KUANTUM MEKANİĞİNİN GELİŞİMİ BOHR ATOM MODELİ Atomun elektronik yapısı ile ışığın yapısı arasında bir ilişki olduğundan, Bohr atom modelini anlaşılabilmesi için ışığın yapısının bilinmesi gerekir. Işığın Yapısı: Işık, manyetizma ve elektriksel özelliklere sahip dalgalardan ibarettir. Bu nedenle ışık, bir elektromanyetik dalgadır. Dalganın Özellikleri: Boşlukta doğrusal yayılırlar. Hızları ışık hızına eşittir. Geçtikleri ortama enerji aktarırlar. 4

5 boyunun çarpımıdır. (Dalga hızı: ν.λ) Boşlukta bütün dalgalar aynı hızla hareket eder. Bu hız ışık hızına eşit cm/sn dir. Işık hızı c ile gösterilir.c: ν.λ Dalga Hızı: B ir dalganı n frekansı ile dalga ÖRNEK: Bir metal buharı lambasından yayılan ışığın dalga boyu 4, cm dir. Buna göre, bu ışığın frekansı kaç hertz (1/s) dir. Işık hızı (c) : cm/sn ÇÖZÜM: Işığın hızı (c), dalga boyu (λ) ve frekansı (ν) arasındaki ilişki şu şekildedir. c:. c: cm/s cm/s = ν. 4, cm : 4, ν: 6, hertz ν:? SORU: Sodyum buhar lambasından yayılan ışığın frekansı yaklaşık /sn. Buna göre, bu ışığın dalga boyu kaç cm dir. Işık hızı (c) : cm/sn ( ) SORU: Dalga boyu olan kırmızı ışığın frekansı kaç hertz dir. (4, ) Atom Spektrumları: Bir ışık dalgası, akkor metalin yayınladığı dalgalar, radyo transistor ünün yaydığı dalgalar, X-ışınları, gama ışınları, mikrodalga köken olarak aynıdır. Ancak frekans veya dalga boyları farklıdır. Elementler, katı ya da gaz durumunda iken dışarıdan yeteri kadar enerji alırsa, belli dalga boylarında ışınlar yayarlar. Bir ışığın cam prizmadan geçirilerek kendisini oluşturan farklı dalga boylarında ışınlara ayrışmasına spekturum ya da tayf denir. 5

6 Elektromanyetik dalganın, dalga boyu ve genliği onu yayan kaynağa bağlıdır. Kızgın katıların yaydığı ışık prizmadan geçirilirse kırmızıdan mora doğru uzanan sürekli bir renk dizisi elde edilir. Bu tayfın renkleri arasında bir kesiklik yoktur. Katıların yaydığı bu ışığın tayfına kesiksiz tayf ya da kesiksiz spektrum denir. Gözümüz, spektrumun dalga boyu cm olan kırmızı ışık ile dalga boyu 4, cm olan mor ışık arasındaki kısmını görür. Büt ün ışıkl ar kesiksiz spektrum vermez. Bazı ışıklar kesikli spektrum verir. Seyreltilmiş gazların yaydığı ışıklar prizmadan geçirilirse renkler şerit biçiminde değil ince çizgiler biçiminde olur. Bu çizgiler arasında siyah boşluklar bulunur. Bu şekildeki spektruma çizgi veya kesikli spektrum denir. Hidrojen çizgi spektrumunun Balmer serisinde yalnızca biri çıplak gözle görülebilen dört çizgi bulunur. Buna ek olarak, mor ötesi bölgede çok yakın çizgiler vardır. Bu dört çizgiler yukarıdaki çizimde gösterilmiştir. Işık bir enerji çeşididir ve foton denilen küçük paketler halinde yayılır. Fotonun enerjisi, frekansı ile doğru orantılıdır. E:h.ν E: Fotonun enerjisi h: Planck sabiti (değeri 6, j.sn) ν: ışının frekansı Fotonun frekansı büyüdükçe enerjisi de artar. Işık enerji taşıyan dalgalardan oluşmuştur. Başka bir ifade ile ışık çeşitli dalga boyu, frekansı ve enerjisi olan ışınlardan oluşur. Elektrik ampulü ya da kızdırılmış ağır bir metalin yaydığı ışık, prizmadan geçirilirse, dalga boyları farklı olan ışınlar, değişik açılarla kırılarak ışık spektrumunu oluştururlar. Gözümüz spektrumun dalga boyu cm olan kırmızı ışık ile, dalga boyu 4, cm olan mor ışık arasındaki kısmını görür. Bu alanın dışında kalan ışınları gözümüz görmediği için, bu ışınlar özel araçlarla incelenir. Prizmadan geçerken kırılarak sağdaki fotoğraf filmi üzerine spektrum oluşturuyor. Eğer ışık kaynağında akkor halinde kızdırılmış bir metal (tungsten) varsa sürekli spektrum olur ve kırmızıdan mora kadar bütün renkleri gösterir. Işık kaynağında hidrojen gazı varsa spektrumda belli çizgiler görülür. Bu çizgilerin bir kısmı görünür bölgede bulunur. Bir kısmı ise mor ötesi bölgede bulunur. Kızdırılmış tungstenin verdiği ışık spektrumunda çeşitli dalga boylarına karşı gelen kesiksiz ışınlar vardır. Kızgın bir metalin yaydığı ışınları, içinde hidrojen gazı bulunan tüpten geçirildiğinde hidrojen gazının içinden geçmiş bu 6

7 ışınlar prizmadan geçirilip, spektrum yeniden incelendiğinde belirli dalga boylarına karşılık gelen ışınların yok olduğu yani gaz tarafından soğurulduğu görülür. Bu tür spektrumlara soğurma ya da absorpsiyon spektrumu denir. Absorpsiyon spektrumu tüpe konula gazın cinsine göre değişir. Her gazın kendine özgü soğurma spektrumu vardır. Hidrojen gazının bulunduğu bir deşarj tüpünün verdiği ışığa spektroskopla bakıldığında renkli çizgiler görülür. Böyle spektrumlara yayınım ya da emisyon spektrumu denir. Hidrojen gazının soğurma spektrumundaki çizgilerin dalga boyları ile hidrojen gazının yayınım spektrumundaki dalga boyları aynıdır. Hidrojenin görünür bölgedeki spektrumu dört çizgiden oluşur. En parlak çizgi (656,3 nm) kırmızı olup gaza uygulanan yüksek gerilim anında gaz bu hakim rengi alır. Bununla birlikte 486,1 nm de yeşilimsi mavi, 434,0 nm de menekşe ve 410,1 nm de mor renk görülür. (1 nm = 10-9 m) Raydberg eşitliği ile hidrojen spektrum çizgilerini oluşturan ışımaların dalga boyları hesaplanabilmektedir. R = 1, /m n 3,4,5.. gibi spektrum çizgilerine denk gelen tam sayılardır ve elektronların yer değiştirdiği enerji seviyelerini gösterir. n = 3 olduğunda = 656 nm (spektrumda kırmızı ışıma) n = 4 olduğunda = 486 nm (spektrumda yeşil ışıma) n = 5 olduğunda = 434 nm (spektrumda mavi ışıma) n = 6 olduğunda = 410 nm (spektrumda mor ışıma) ışımalarının dalga boyları bulunur. Hidrojen spektrumundaki görünür bölgede bulunan bu ışımalar Balmer serisi olarak adlandırılan ışımalara aittir. Soğurma (absorpsiyon) ve yayınım (emisyon) spektrumundaki çizgilerin dalga boylarının aynı olması, hidrojenin ancak belirli enerjilerdeki ışınları soğurarak enerjisini artırdığını gösterir. Aynı şekildeki belli dalga boylarındaki ışınları yayarak enerjisini azaltabildiğini göstermektedir. Absorpsiyon ve emisyon spektrumlarından yararlanılarak birçok madde tanınır veya saflıkları saptanır. Hidrojen gazının spektrumunun atom modelinin gelişimine önemli katkısı olmuştur. Hidrojen atomu bir proton ve bir elektrondan oluşmuştur. Elektronun çekirdek etrafında dönme hareketi nedeni ile bir kinetik enerjisi ve çekirdek tarafından çekilmesi nedeniyle bir potansiyel enerjisi vardır. Elektronun enerjisi bu iki enerjinin toplamına eşittir. Elektron çekirdeğe en yakın halde iken en kararlı haldedir. Yani en düşük potansiyel enerjiye sahiptir. Yüksek elektrik gerilimi etkisinde kalan hidrojen atomlarının elektronları enerji alarak protondan uzaklaşırlar ve kararsız hale gelirler. Yeniden kararlı hale dönerken aldıkları enerjiyi geri verirler. Verilen bu enerji emisyon spekturumundaki çeşitli fotonların enerjileridir. Fotoelektrik Olay: Bazı metallerin yüzeylerine, eşik frekans olarak adlandırılan bir minimum frekanstan ışık düşürüldüğü zaman, metal yüzeyinden elektron çıkışı olayına fotoelektrik olay denir. Einstein, ışık demetinin gerçekte bir parçacık seli olduğunu söylemiştir. Günümüzde bu ışık parçacıkları foton olarak adlandırılmaktadır. Einstein, Planck ın kuantum kuramından yola çıkarak, frekansı ν olan her fotonun E=h.ν enerjisine sahip olduğunu belirtti. Elektronların metal içinde bulunmalarını çekim kuvvetleri sağlar. Elektronların metalden ayrılarak serbest hale geçmeleri için, frekans yeterince yüksek bir ışık gereklidir. Eğer bu fotonların h.ν değeri, elektronları metale bağlayan enerjiye eşit ise, ışık enerjisi metalden elektron koparmak için yeterli olacaktır. Metal yüzeyine daha yüksek 7

8 enerjili ışık gönderilirse, elektronların kopmaları yanı sıra, bir miktar kinetik enerjiye sahip olmalarına sebep olur. Fotonun enerjisi ne kadar büyük ise, metalden kopan elektronun kinetik enerjisi o kadar büyük olur. Metal yüzeyine, şiddetleri farklı, ancak frekansları aynı olan iki ışın demeti düşürüldüğünde, daha yüksek şiddetteki ışık demetinde foton sayısı daha fazla olacağından, metal yüzeyinden daha fazla elektron kopması sağlanır. Buna göre, bir metal hedefe düşen ışığın şiddeti ne kadar fazla ise, metalden yayınlanan elektron sayısı o kadar fazla olur. Işığın frekansı ne kadar yüksek ise kopan elektronların kinetik enerjisi de o kadar büyük olur. Metalden elektron koparabilmek için ışının belirli bir frekansının olması gerekir. Örneğin; potasyum metalinden elektron koparabilmek için düşük frekanslı mavi ışık yeterli gelirken, bakır metalinden elektron koparabilmek için mor ötesi frekansa sahip ışık gereklidir. Bohr Atom Modeli Bir atomdaki elektronlar çekirdek çevresinde, çekirdekten belli uzaklıkta, dairesel, belirli enerji düzeylerinde (yörünge veya orbital) bulunabilirler.elektronlar bir enerji seviyesinde iken kararlı olup enerji yaymazlar.bu enerji seviyeleri atom çekirdeğinden itibaren sırasıyla, 1,2,3,4,.n ile gösterilip her bir seviyenin enerjisi tek elektronlu atom veya iyonlar (H, He +, Li +2 ) için belirli bir enerjisi vardır. Bir atomda; elektronlar düşük enerjili seviyeden daha yüksek enerjili seviyeye çıkabilmek için seviyeler arasındaki fark kadar enerjiyi dışarıdan almaları gerekir. Aynı şekilde, bir atomda elektronlar yüksek enerji seviyesinden, düşük enerjili seviyeye düştüklerinde, iki seviyenin farkına eşin bir enerjiyi ışık olarak yayarlar. Açığa çıkan ya da absorblanan ışığın dalga boyu (λ) veya frekansı (ν) aşağıdaki formüller yardımı ile hesaplanabilir. Z (Atom numarası ya da çekirdek yükü) Herhangi bir enerji seviyesindeki elektronun enerjisi aşağıdaki bağıntılar yardımı ile hesaplanır.,, Enerji seviyeleri arsındaki enerji farkı ise aşağıdaki bağıntılar yardımı ile hesaplanır. ΔE = E dış E iç ΔE = h.ν h= Planck sabiti (6, j.sn) ]R = 1, /m, ]c =ν.λ (Hidrojen için) (Hidrojen için) (Hidrojen için) ÖRNEK: Hidrojen atomunun 2. enerji düzeyinden 1. enerji düzeyine düşen elektron için ; a) Yaydığı enerji kaç jouledir. b) Yayınladığı ışığın frekansı kaç hertz (titreşim/s) dir. c) Yayınladığı ışığın dalga boyu kaç cm dir. ( Planck sabiti (h): joule.s, Işık hızı (c): cm/s ) Çözüm: a) ΔE = E dış E iç ΔE = -5, (-2, ) ΔE = 1, joule enerji yayılır. b)δe = h.ν 1, = = 2, hertz 8

9 c) c =ν.λ = 2, = 1, cm SORU: Hidrojen atomunun elektronu 4.enerji düzeyinden 3.enerji düzeyine düşerse açığa çıkan ışının enerjisi kaç joule olur. (1, jolule) SORU: Hidrojen atomunun 2.enerji düzeyinden 3.enerji düzeyine sıçrayan elektron için; a) Aldığı (absorblanan) enerji kaç joluedir. b) Aldığı (absorblanan) ışığın frekansı kaç titreşim/s (hertz) dir. c) Aldığı (absorblanan) ışığın dalga boyu kaç cm dir. ( Planck sabiti (h): joule.s, Işık hızı (c): cm/s) ( a) , b) 4, , c) 6, ) SORU: Hidrojen atomuna ait elektron aşağıdaki enerji düzeyleri arasında geçiş yapmaktadır. I. 5. enerji düzeyinden 4. enerji düzeyine II. 4. enerji düzeyinden 3. enerji düzeyine III. 5. enerji düzeyinden 3. enerji düzeyine Buna göre, açığa çıkan ışının enerjisi aşağıdakilerin hangisinde doğru karşılaştırılmıştır. A) I>II>III B) I>III>II C) II>III>I D) II>I>III E) III>II>I (E) SORU:H atomuna ait elektron aşağıda belirtilen enerji düzeyleri arasında geçiş yapmaktadır. Bu geçiş sırasında yayımlanan ışının frekansları ν 1, ν 2 ve ν 3 ile gösterilmiştir. I. 2. enerji düzeyinden 1. enerji düzeyineν 1 II. 3. enerji düzeyinden 2. enerji düzeyine ν 2 III. 3. enerji düzeyinden 1. enerji düzeyine ν 3 Buna göre, ν 1, ν 2 ve ν 3 arasındaki ilişki aşağıdakilerin hangisinde doğrudur. A) ν 1 > ν 2 > ν 3 B) ν 1 > ν 3 > ν 2 C) ν 3 > ν 2 > ν 1 D) ν 3 > ν 1 > ν 2 E) ν 2 > ν 3 > ν 1 (D) Atomlarda Enerji Düzeyleri: Hidrojen gazının yüksek sıcaklıkta verdiği ışınların spektrumları incelendiğinde görünür ve görünmeyen bölgelerde çizgiler oluşturduğu saptanmıştır. Görünen bölgedeki çizgiler 1885 yılında Balmer tarafından incelenmiştir. Balmer bu çizgiler arasında uzaklıkların matematiksel bir seri şeklinde ifade edilebileceğini belirtmiştir. Diğer enerji düzeylerinden 2. Enerji düzeyine dönüş sırasında hidrojen atomlarından elde edilen spektrum çizgilerinin oluşturduğu seriye Balmer serisi denir. Daha sonra hidrojen atomu için görünmeyen bölgelerdeki diğer seriler de bulunmuştur. Hidrojen atomunda elektronların bulundukları enerji düzeylerinden 1., 2., 3., 4. ve 5. Enerji düzeylerine dönüşü sırasında oluşan spektrum çizgileri; Lyman serisi : Elektronun 1.enerji düzeyine dönüşü sırasında oluşan spektrum çizgileri Balmer serisi : Elektronun 2.enerji düzeyine dönüşü sırasında oluşan spektrum çizgileri Paschen serisi: Elektronun 3.enerji düzeyine dönüşü sırasında oluşan spektrum çizgileri Bracket serisi : Elektronun 4.enerji düzeyine dönüşü sırasında oluşan spektrum çizgileri Pfund serisi : Elektronun 5.enerji düzeyine dönüşü sırasında oluşan spektrum çizgileri 9

10 ÖRNEK: Şekildeki hidrojen atomuna ait bazı enerji düzeyleri arasındaki geçişler gösterilmiştir. Bu geçişlerden yayınlanan spektrum çizgilerinden hangileri Paschen serisinde yer alır. Çözüm: Elektronun diğer enerji düzeylerinde 3.enerji düzeyine düşmesi sırasında yayıla ışınlara Paschen serisi denir. b ışını 5.enerji düzeyinden, f ışını 4.enerji düzeyinden 3.enerji düzeyine düşmektedir. Bu nedenle b ve f ışınları Paschen serisinde yer alır. SORU:Şekilde hidrojen atomuna ait elektronun bazı enerji düzeyleri arasındaki geçişler gösterilmiştir. Bu geçişlerde yayınlanan spektrum çizgileri için aşağıdaki soruları cevaplayınız. a) Hangi spektrum çizgileri Lyman serisinde yer alır. b) Hangi spektrum çizgileri Balmer serisinde yer alır. c) Hangi spektrum çizgileri Paschen serisinde yer alır. d) Hangi spektrum çizgileri Bracket serisinde yer alır. SORU: Hidrojen atomunda elektronun bazı enerji düzeylerine geçişleri sembollerle gösterilmiştir. Geçiş serisisembolü Lyman serisi L Balmer serisi B Paschen serisi P Bu geçişlerin enerjisi aşağıdakilerin hangisinde doğru karşılaştırılmıştır. A) L>B>P B) B>P>L C) L>B>P D) P>B>L E) P>L>B (A) DALGA MEKANİĞİNİN GELİŞİMİ De Broglie Hipotezi: 1924 yılında Lois De Broglie maddenin de ışık gibi hem tanecik özelliğe hem de dalga özelliğine sahip olduğunu ileri sürerek, madde dalgalarını matematiksel terimlerle ifade etti. Bir ışık fotonunu enerjisi; ışığın frekansı ile Planck sabitinin çarpımına eşittir. E = h. Işık hızı; ışığın dalda boyu ile o ışığın frekansının çarpımına eşittir. c =. Her iki bağıntı birleştirilirse, yandaki bağıntı elde edilir. Bu bağıntıdaki enerji yerine Eisntein nin E=mc 2 bağıntısındaki mc 2 yerine konursa; bağıntısı elde edilir. Bağıntı sadeleştirilir ve dalga boyu için düzenlenirse yandaki bağıntı elde edilir. Lois De Broglie ye göre bu eşitliğe benzeyen bir eşitlik bir elektronun dalga boyu için kullanılabilir. λ: Elektronun dalga boyu m: Elektronun kütlesi h: Planck sabiti ϑ: Elektronun hızı Örnek:Bir tenis topunun en hızlı servis sırasındaki hızı yaklaşık 65 m/s dir. Kütlesi kg olan bu tenis topunun en hızlı durumdaki dalga boyu nedir. (h = 6, j.s) Çözüm: Örnek:Dalga boyu olan mavi ışık için; a) Enerjisi kaç joule dir. b) Frekansı kaç 1/saniye dir. (h:6, j.s, c: cm) 10

11 Çözüm: a) b)e = h. 4, = 6, = 7, /saniye Soru: Dalga boyu olan kırmızı ışık için; a) Enerjisi kaç joule dir. b) Frekansı kaç 1/saniyedir. a) 2, , b) 4, /s Soru: Sarı ışığın dalga boyu 5, cm, mavi ışığın dalga boyu cm dir. Buna göre aşağıdaki ifadelerin hangileri doğrudur. I. Sarı ışığın frekansı daha büyüktür. II. Mavi ışığın enerjisi daha fazladır. III. Mavi ışık, metalden daha kolay elektron koparır. A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) II ve III E) I, II ve III (D) Örnek:: Frekansı /s lan bir fotonun etkisi ile temel haldeki Lİ 2+ iyonundan iyonlaşarak ayrılan elektronun kinetik enerjisini hesaplayınız. (Li un çekirdek yükü; Z:3) Çözüm: = /s E 2 = h. E = 6, E 2 = 3, joule(fotonun sahip olduğu enerji) E 1 = -1, joule Fotondan elektrona aktarılan enerjinin fazlası kinetik enerjiye dönüşür. ΔE = E 2 - E 1 = 3, joule - 1, joule ΔE = 1, joule. Heisenberg Belirsizlik İlkesi: Elektronun herhangi bir andaki yeri ve hızı aynı anda belirlenemez. Örneğin; ucuna bir taş bağlanmış bir ip hızla çevrilirse ve çevirme hızı sürekli değişirse taşın nerede olduğu kesin bilinemez. Heisenberg belirsizlik ilkesi aşağıdaki bağıntı ile ifade edilir. x: uzanım (Δx: elektronun konumundaki değişim) h: Planck sabiti ϑ: hız (Δϑ: elektronun hızındaki değişim) m: elektronun kütlesi Δx. Δϑ h / 4πm Heisenberg e göre elektronları yörüngelerde sabit hızla dönen olarak düşünmek hatalıdır. Elektronu, aldığı enerji ile hızı ve buna bağlı olarak kütlesi değişen bir nicelik olarak düşünmek daha doğrudur. Bohr Atom Modeli Neden Yetersizdir: Bohr atom teorisinde elektronun ikili karakteri (dalga-tanecik) hesaba katılmamıştır. Bohr atom modeli çok elektronlu atomların spektrumlarını açıklayamamıştır. Bohr atom modelinde atom çekirdeğinin çevresinde çember yörüngeler öngörülmüştü. Ancak De Broglie hipotezi ve Heisenberg belirsizlik ilkesi bu öngörünün doğrulamasını imkansız hale getirmiştir. Bohr, kütle olarak sadece protonun kütlesini dikkate almıştır. Oysa elektronun kütlesini de dikkate alarak indirgenmiş kütleyi düşünememiştir. İndirgenmiş kütle: Proton ve elektronun kütlelerinin çarpımının proton ve elektron kütleleri çarpımına oranıdır. Bohr, kinetik enerjiyi klasik fizikte uygulamıştır. Oysa elektronun hızı çok büyük olduğu için rölativistik düşünmesi gerekirdi. Rölativistik kinetik enerji: Cismin hızı ışık hızına yaklaştığında sahip olduğu kinetik enerjiye rölativistik kinetik enerji denir. Rölativistik kinetik enerji: E = Δm.c 2 = ( m - m 0 ) c 2 Cismin hızı ışık hızına göre çok düşük ise cismin rölativistik kütlesi (m), durgun kütlesine (m 0 ) eşittir v<<< c ise m = m 0 m = m 0 olduğu zaman cismin kinetik enerjisine klasik kinetik enerjisi denir. E K = 1/2m 0 v 2 11

12 4-ATOMUN KUANTUM MODELİ MODERN ATOM MODELİ Kuantum mekaniği, bir atomdaki elektronun tam yerinin belirlenemeyeceğini açıklar. Elektron yoğunluğu kavramı, atomun belirli bir bölgesinde bir elektronun bulunma olasılığını verir. Bu bölgelere orbital denir. Kuantum Sayıları: Baş kuantum sayısı, açısal kuantum sayısı ve manyetik kuantum sayısı, atom orbitallerinin ve bu orbitallerde yer alan elektronların belirlenmesinde kullanılır. Spin kuantum sayısı ise, belirli bir elektronun davranışını açıklar. Bu şekilde elektronların bulundukları atomlardaki yerleri ve davranışları tanımlanmış olur. Baş Kuantum Sayısı (n): 1,2,3,..gibi tamsayılarla ifade edilir. eşitliğindeki kuantum sayısına karşılık gelir. Baş kuantum sayısı, belirli bir orbitaldeki elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığı ile ilişkilidir. Baş kuantum sayısı ne kadar büyük ise, orbitaldeki elektronun çekirdeğe olan ortalama uzaklığı ve bulunduğu orbital o kadar büyük olur. Açısal Momentum Kuantum Sayısı(l): Açısal momentum kuantum sayısı (l)orbitallerin şekillerini açıklar. Bu kuantum sayısının (l) olabileceği değerler, baş kuantum sayısı n'nin değerlerine bağlıdır. Herhangi bir n değeri için (l)nin alabileceği değerler 0 ile n - 1 arasındaki tam sayılardır. Eğer n = 2 olursa, 0 ve 1 olmak üzere (l)nin alabileceği iki değer vardır, (l)nin değerleri s, p, d, f... harfleri ile belirtilir. Buna göre, l = 0, s orbitaline; l = 1, p orbitaline vs. karşılık gelmektedir. Aynı n değerine sahip orbitaller topluluğu genellikle kabuk olarak adlandırılır. Aynı n ve l değerlerine sahip bir veya daha fazla sayıdaki orbitaller ise altkabuk olarak adlandırılır. Manyetik Kuantum Sayısı ( m l ) : Manyetik kuantum sayısı ( m l ), orbitalinin uzaydaki yönlenmesini gösterir. Bir alt kabuk için ( m l ) nin alabileceği değerler açısal momentum sayısı l nin değerlerine bağlıdır. Verilen bir l değeri için, toplam 2 l +1 adet farklı m l değeri bulunabilir.-l, ( l -1),... 0,..(+l, -1), + l l= 0 olursa, m l = 0 olur. l= 1 olursa, durumda -1, 0, +1 değerlerini alan m l ' nin toplam üç adet farklı değeri olacaktır. l = 2 olduğunda ise, = 5 olmak üzere toplam beş adet farklı m l değeri olacaktır. Bu değerler-2, -1, 0, +1, +2 dir. Elektron Spin Kuantum Sayısı (m s ): Elektromanyetik kuramına göre, dönen yüklü bir tanecik manyetik bir alan yaratır ve bu hareket elektronun bir mıknatıs gibi davranmasına neden olur. Şekilde elektronun saat yönü ve tersi yönde olmak üzere iki olası dönmesi gösterilmiştir. Elektronun bu spin hareketlerinin göz önüne alınmasıyla, spin kuantum sayısı (m s ) olarak adlandırılan +1/2 ve -1/2 değerleri alabilen, dördüncü kuantum sayısı tanımlanmıştır. Orbitaller tam olarak tanımlanabilmiş şekillere sahip değildirler. Çünkü orbital özelliği gösteren dalga fonksiyonu atom çekirdeğinden itibaren sonsuza kadar uzanır. Bu bakımdan, her orbitalin neye benzediğinin tam ifade edilmesi zordur. Buna karşın, özellikle atomlar arasındaki kimyasal bağ oluşumlarını açıklarken orbitallerin belirli özgün şekillere sahip olduklarını varsaymak çok yararlıdır. İlke olarak, bir elektronun her yerde bulunabilmesine karşın, çoğunlukla çekirdeğe oldukça yakın bulunduğu bilinmektedir. 12

13 Orbitaller s Orbitaileri: s orbitaileri küreseldir. Tüm s orbitaileri, farklı büyüklüklerden küresel şekillere sahiptir ve kuantum sayısı arttıkça orbitalin büyüklüğünde artmaktadır. p Orbitaileri: n = 2 ve l= 1 durumunda, 2p x, 2p y ve 2p z olmak üzere üç tanep orbitali ortaya çıkar, p orbitalinin alt indisleri, orbitalinin yönlendikleri eksenleri göstermektedir. Bu üç orbitalin enerjileri, büyüklükleri ve şekilleri özdeş olmasına karşın, yönlenişleri farklıdırlar, m l nin p orbitalleri için üç değeri vardır ve bu üç p orbitalinin farklı yönlenmeye sahiptir.m l değerleri ile x, y ve z yönlenmeleri arasında herhangi bir bağıntı yoktur. Şekilde verilen p orbitallerinin sınır yüzey diyagramlarından görüldüğü gibi, orbitaller çekirdeğin iki zıt tarafından uzanan iki lop gibi düşünülebilir. s orbitallerinde olduğu gibi p orbitalinin boyutları da 2p den 3p ye, 4p ye vs. baş kuantum sayısı ile artar. d Orbitalleri: Açısal momentum kuantum sayısı l = 2 olduğunda, beş farklı m l değeri ve buna bağlı olarak beş d orbitali ortaya çıkar, d orbitallerine ilişkin en küçük n değeri 3 tür. Zira l değerinin n - 1 den büyük olmaması nedeniyle; n = 3 iken l= 2 olması durumunda, 3d,xy, 3d yz, 3d xz, 3d x 2 y 2 ve 3d z2 olmak üzere beş adet 3d orbitali ortaya çıkar. Tüm 3d orbitallerinin enerjileri özdeştir. Baş kuantum sayısının 3 ten büyük olduğu (4d, 5d,...) diğer d orbitallerinde de benzer durum söz konusudur. Elektron Dağılımı: Dört kuantum sayısı (n, l, m l ve m s ) herhangi bir atomun herhangi bir orbitalindeki elektronu bütünüyle tanımlayabilmemize olanak verir. Dört kuantum sayısı da, bir elektronunatom içindeki adresi olarak kabul edilebilir. Bir orbitalin enerjisi, şekil, büyüklüğü ve yönlenmesi üzerinde m S değerinin etkisi yoktur. Farklı m S değerleri, bir orbitalin içindeki elektronun nasıl yönlendiğini gösterir. Hidrojen, tek elektronlu bir atom olduğundan incelenmesi açısından en basit olanıdır. 1s orbitalinde (temel hal) ya da daha yüksek enerjili orbitallerinden birinde (uyarılmış hal) bulunabilir. Temel haldeki bir hidrojen atomunda, elektronun 1s orbitalinde yer almasıgerekir. Pauli Dışlama İlkesi: Çok elektronlu atomların elektron dağılımlarını belirtmek için Wolfgang Pauli'nin adıyla anılan Paulidışlama ilkesi kullanılır. Pauli dışlama ilkesine göre,bir atom herhangi iki elektron, aynı dört kuantum sayısına sahip olmaz. Bir atomun iki elektronu da aynın, l ve ml değerlerine sahip olsalar bile, m s değerleri mutlaka farklı olacaktır. Bunun anlamı, aynı orbitali sadece iki elektronun işgal edebileceği ve bu elektronların da zıt yönlü spinlerde olması zorunluluğudur. 1s "bir s kare" olarak değil, "bir s iki" olarak okunur. Paramanyetik; maddeler belirli sayıda eşleşmemiş elektrona sahipse mıknatıs tarafından çekilebilirler. Bu tür elektron dağılımına sahip olan taneciklere paramanyetik denir.lityum atomunda bir adet eşleşmemiş elektron bulunur ve bu nedenle lityum metalinin atomu paramanyetiktir 13

14 Diyamanyetik; Elektron spinleri eşleşmiş olmaları durumunda manyetik etkileri birbirini yok eder. Buna göre, eşleşmemiş elektronu bulunmayan ve mıknatıs tarafından etkilenmeyen taneciklere diyamanyetik denir.berilyum atomunda eşleşmemiş elektron bulunmadığından berilyum metalinin atomu diyamanyetiktir. Hund Kuralı: Hund (Frederick Hund) kuralına göre, bir alt kabuktaki elektronların en kararlı dağılımı, paralel spinin en fazla olduğu haldir. Buna göre, eşit enerjili orbitallere elektronlar aynı spinle dolarlar. Hund kuralı, 2p elektronlarının tamamını paralel spinlere sahip olacağını ve azot atomunun üç adet eşleşmemiş elektron içereceğini öngörmektedir. Hidrojen atomunun en kararlı hali, elektronun 1 s orbitalinde yer aldığı temel haldir. Bir orbitalde yer alan elektron, çekirdeğe en yakın konumda bulunduğundan çekirdek tarafından en sıkı şekilde tutulacaktır. Elektron 2s, 2p ya da daha yüksek enerjili orbitallerde bulunuyorsa, hidrojen atomu uyarılmış haldedir. Hidrojen dışındaki çok elektronlu atomlara ilişki enerji tablosu daha karmaşıktır. Bu tür atomlardaki elektronların enerjileri, baş kuantum sayısının yanı sıra açısal momentum kuantum sayısına da bağlıdır. Çok elektronlu atomlarda 3d enerji düzeyi 4s orbitalinin enerji düzeyinden yüksektir. Bir atomun toplam enerjisi sadece orbital enerjilerinin toplamına bağlı değil, aynı zamanda bu orbitallerde yer alan elektronlar arası itme kuvvetlerine de bağlıdır. Buna göre, bir atomda 4s orbitalinin 3d orbitalinden önce doldurulması toplam enerjinin daha düşük olmasına neden olacaktır. Çok elektronlu atomlarda orbitallerinin doldurulması aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Çok elektronlu atomlarda alt kabukların doldurulması1s orbitalinden başlayarak aşağıya doğru oklar yönünde hareket edilir. Buna göre, sıralama 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f dir. Temel haldeki elektron dizilişini yapmak için elektronlar çekirdeğe en yakın olan, en düşük enerjili orbitalden başlanarak sıra ile doldurulur. Buna Aufbau kuralı denir. Belirli bir n değerindeki alt kabuk ve orbitallerde yer alabilecek en fazla elektron sayısını belirlemek için bazı kurallar verilebilir. Baş kuantum sayısı n olan her kabuk, n tane alt kabuğa sahiptir. Örneğin n = 2 ise açısal momentum kuantum sayısı l= 0 ve l = 1 olan iki alt kabuk vardır. Açısal momentum kuantum sayısı l olan her kabukta 2l + 1 tane orbital vardır. Örneğin l = 1 iseüç tane p orbitali vardır. Her orbitalde en fazla iki elektron yerleştirilebilir. Bir atomun n ana kabuğuna alabileceği maksimum elektron sayısı 2n 2 dir. Örnek: Atomun temel hal elektron dizilişinde 4p orbitalinde 4 elektron bulunmaktadır. Buna göre, elementin atom numarası nedir. A) 16 B) 18 C) 34 D) 38 E) 52 Küresel Simetri: Bir alt enerji seviyesindeki orbitallerin dolu ve yarı dolu olması haline küresel simetri denir. Bu şekildeki elektron dizilişine sahip olan atomlar küresel simetri yük dağılımına sahiptir. Çekirdek, elektron bulutlarını her yönde eşit düzeyde ve daha dengeli çeker. Bu tür atomlar diğerlerine göre daha düşük enerjili olup daha kararlıdır. 14

15 Buna göre elektron dağılımları; s¹, p³, d⁵, f ⁷ ile sonlan atomlar yarı kararlı, s², p⁶, d¹⁰, f¹⁴ atomlar tam kararlı olup her iki durumda da küresel simetri özelliği gösterirler. ile sonlanan Not: Atomların kararlı olma isteğinden dolayı temel halde elektron dizilimleri ns² (n-1)d⁴ ve ns² (n-1)d⁹ sonlanan atomların elektron dizilişleri; ns¹ (n-1)d⁵ ve ns¹ (n-1)d¹⁰ şeklinde olur Örnek:X atomunun temel elektron dizilişinde; d orbitallerinde 5 elektron, p orbitallerinde 12 elektron vardır. Buna göre, X atomu için aşağıdaki yargıların hangileri kesinlikle doğrudur. I. Temel hal elektron dizilişi, 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5 şeklindedir. II. Elektron dizilişi küresel simetriktir. III. S orbitallerinde toplam 8 elektron vardır. A) Yalnız I B) Yalnız II C) I ve II D) II ve III E) I, II ve III İyon Atom Taneciklerinin Elektron Dağılımları: Atomlardan elektron koparılırken öncelikle enerji seviyesi büyük olan orbitalden koparılır. Enerji düzeylerinin aynı olması durumunda ise elektron koparılış sırası f, d, p, s orbitalleri şeklinde olur. Atomlar elektron alırken öncelikle enerjisi düşük olan boş orbitaller doldurulur. Enerji düzeylerinin aynı olması durumunda ise elektron yerleştirme sırası s, p, d, f orbitalleri şeklinde olur Örnek: ₂₆Fe+²: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁴ (hatalı) Örnek: ₂₆Fe+²: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁰ 3d⁶ (doğru) ₂₉Cu+¹: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁰ 3d¹⁰ ₂₆Fe+²: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ (doğru) ₂₉Cu+²: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁰ 3d⁹ ₂₆Fe+³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d³ (hatalı) Örnek: ₂₆Fe+³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁰ 3d⁵ (doğru) ₁₅P ³ : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ ₂₆Fe+³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵ (doğru) ₃₅Br ¹: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ Örnek: ₂₄Cr+³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹ (hatalı) ₂₄Cr+³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d² (hatalı) ₂₄Cr+³: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s⁰ 3d³ (doğru) Uyarılmış Atomlarda Elektron Dizilişi: Temel haldeki atomların elektronlarının enerji alarak yüksek enerji düzeylerine geçmesi olayına uyarılma denir. ₆C : 1s² 2s² 2p² temel hal ₆C : 1s² 2s¹ 2p³ uyarılmış hal ₂₀Ca : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² temel hal ₂₀Ca : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶4s¹ 3d¹ uyarılmış hal 5-BAĞIL ATOM KÜTLESİ YAKLAŞIMI VE MOL KAVRAMI Atomun kütlesi içerdiği elektron, proton ve nötron sayılarına bağlıdır. Elektronun kütlesi, proton ve nötronun kütlesinin 1/1840 katı olduğundan, proton ve nötronun kütlesinin yanında ihmal edilir ve hesaplamalara katılmaz. Uluslar arası kabullere göre atom kütlesinin birimi, atomik kütle birimi (akb) olarak ifade edilir. Atomik kütle birimi, tam olarak C-12 atomunun kütlesinin 1/12 sine eşittir. C-12, karbon atomunun izotopu olup 6 proton ve 6 nötron içerir. Buna göre; protonun kütlesi ile nötronun kütlesi birbirine çok yakın olduğundan m p = m n kabul edilip, elektronun kütlesi ihmal edildiğinden, 1 protonun kütlesi 1 akb 1 nötronun kütlesi 1 akb 1 elektronun kütlesi akb olarak kabul edilir. C-12 izotopunun kütlesinin 12 akb olarak kabul edilmesi, diğer elementlerin kütlelerinin buna göre ölçülmesini sağlar. 15

16 Ortalama Atom Kütlesi: Doğada bulunan elementlerin birden fazla izotopunun bulunmasından dolayı elementlerin kütleleri; izotoplarının ortalama kütlesi hesaplanarak belirtilir Örnek:Klor elementinin 35 CI ve 37 CI izotoplarının doğadaki bulunma yüzdeleri % CI ve % CI dir. Örnek: 12 C ve 13 C izotoplarının doğadaki bulunma yüzdeleri sırasıyla % 99 ve % 1 dir. Mol Kavramı: Kimyada atom, iyon ve molekül sayılarını göstermek için mol birimi kullanılır. Latince de büyük yığın anlamına gelir. 1 mol, 12 gram C-12 izotopundaki atom sayısıdır. Bu sayı yaklaşık 6, tür ve Avogadro sayısı olarak adlandırılır. N ile gösterilir. (N:6, ) Buna göre tek bir karbon atomunun kütlesi; 6, tane Karbon atomu 12 gram ise 1 tane Karbon atomu x gram dır x = = 1, gram dır. 1 mol atom 6, tane atomdur. 1 mol molekül 6, tane moleküldür. 1 mol iyon 6, tane iyondur. 1 mol proton 6, tane protondur 1 mol nötron 6, tane nötrondur 1 mol elektron 6, tane elektrondur 1 mo C atomu: 6 mol proton, 6N tane proton içerir. 6 mol nötron, 6N tane nötron içerir. 6 mol elektron, 6N tane elektron içerir. Toplam 18 mol tanecik, 18N tane tanecik içerir. 1 proton 1 akb = gram, 1 nötron 1 akb = gram 1 akb = gram 1N akb = 1 gram 1 tane H atomu: 1 akb = gram, 1 tane C atomu: 12 akb = gram, 1 tane O atomu: 16 akb = gram, 2 tane O atomu: 32 akb = gram 1 mol atom 6, (N) tane atom içerir 1 mol molekül 6, (N) tane atom içerir 1 mol H atomu: 6, (N) tane H atomu içerir 1 mol C atomu: 6, (N) tane C atomu içerir 2 mol C atomu: 2.6, (2N) tane C atomu içerir 1 mol O atomu: 6, (N) tane O atomu içerir 3 mol O atomu: 3.6, (3N) tane O atomu içerir 1 mol H atomu: 1.N akb = 1 gram 1 mol C atomu: 12.N akb = 12 gram 2 mol C atomu: 24.N akb = 24 gram 1 mol O atomu: 16.N akb = 16 gram 2 mol O atomu: 32.N akb = 32 gram 16

17 1 tane O 2 molekülü: 32 akb = gram, 2 tane O 2 molekülü: 64 akb = gram 1 mol O 2 molekülü: 6, (N) tane O 2 molekülü içerir. 2 mol O 2 molekülü: 2.6, (2N) tane O 2 molekülü içerir. 1 mol O 2 molekülü: 2.6, (2N) tane O atomu içerir. 2 mol O 2 molekülü: 4.6, (4N) tane O atomu içerir. 1 mol O 2 molekülü: 32.N akb = 32 gram 2 mol O 2 molekülü: 64.N akb = 64 gram 1 tane P 2 O 5 molekülü: 2 tane P atomu + 5 tane O atomu = 7 tane atom içerir. 3 tane P 2 O 5 molekülü: 6 tane P atomu + 15 tane O atomu = 21 tane atom içerir. 1 mol P 2 O 5 molekülü: 2 mol P atomu + 5 mol O atomu = 7 mol atom içerir. 3 mol P 2 O 5 molekülü: 6 mol P atomu + 15 mol O atomu = 21 mol atom içerir. 1 mol N 2 O 4 molekülü: 2 mol N atomu + 4 mol O atomu = 6 mol atom içerir. 1 mol N 2 O 4 molekülü: 1 mol N 2 molekülü, 2 mol O 2 molekülü içerir. 2 mol N 2 O 4 molekülü: 2 mol N 2 molekülü, 4 mol O 2 molekülü içerir. Mol Kütlesi: 1 mol atom ya da 1 mol molekülün gram ya da kilogram cinsinden değeridir. Bir elementin mol kütlesi 1 mol atomunun kütlesidir. Örnekler: 12 C için; C nun mol kütlesi 12 gram/mol 16 O için; O nin mol kütlesi 16 gram/mol CO 2 in mol kütlesi (1 molünün kütlesi, molekül kütlesi): 12 + (2.16) = 44 gram/mol 2 mol CO 2 in kütlesi : 2.44= 88 gram H 2 O nun mol kütlesi(1 molünün kütlesi, molekül kütlesi): (2.1) + 16 = 18 gram/mol 3 mol H 2 O nun kütlesi : 3.18 = 54 gram H 2 SO 4 mol kütlesi(1 molünün kütlesi, molekül kütlesi): (2.1)+32+(4.16) = 98 gram/mol 4 mol H 2 SO 4 : 4.98 = 392 gram C 6 H 12 O 6 nin mol kütlesi (1 molünün kütlesi): (12.6)+(1.12)+(16.6) = 180 gram/mol 3 mol C 6 H 12 O 6 : = 540 gram Al 2 (SO 4 ) 3 in mol kütlesi(molekül kütlesi): (27.2) + [32 + (16.4)].3 = 342 gram/mol 2 mol Al 2 (SO 4 ) 3 : = 684 gram Tek bir atomun kütlesi: ( ) Tek bir molekülün kütlesi: ( ) Mol Sayılarının Hesaplanması Tanecik sayısı ve mol sayısı ilişkisi: Avogadro sayısı kadar tanecik (atom, molekül, iyon) 1 mol dür. 17

18 Mol sayısı Kütle mol sayısı ilişkisi: Bir taneciğin (atom, molekül, iyon) molekül kütlesi 1 molünün kütlesidir. Mol sayısı Hacim mol sayısı ilişkisi: 1 atmosfer (atm) basınç, 0 C sıcaklık koşullarına normal koşullar denir. Normal koşullarda (NK) 1 mol gaz 22,4 litre hacim kaplar. 1 atmosfer (atm) basınç, 25 C sıcaklık koşullarına oda koşulları denir. Oda koşullarında 1 mol gaz 24,5 litre hacim kaplar Sıcaklığı ve basıncı eşit olan koşullara aynı koşullar denir. Aynı koşullarda gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda molekül bulunur. (Avogadro Hipotezi) Mol sayısı Örnek:Normal koşullardaki 0,64 gram CH 4 gazı için; a) Kaç moldür. b) Kaç moleküldür. c) Kaç molatom içerir. d) Kaç tane atom içerir. e) Kaç litre hacim kaplar. ( N:6, , C:12 gram/mol, H:1 gram/mol ) Çözüm: a)1 mol CH 4 : 12+(1.4)= 16 gram = = 0,04 mol 16 gram CH 4 1mol ise 0,64 gram CH 4 x mol x = = 0,04 mol b) 1 mol CH 4 N tane molekül içerirse 0.04 mol CH 4 x tane molekül içerir. x = 0,04.N tane molekül içerir. N 0 = 0,04 N c)1 mol CH 4 5 mol atom içerirse 0,04mol CH 4 x mol atom içerir. x = 0,2 mol atom içerir. d)1 mol CH 4 5N tane atom içerirse 0,04mol CH 4 x tane atom içerir. x = 0,2N tane atom içerir. e)1 mol CH 4 NK da 22,4 litre ise 0,04 molch 4 x litre x = 0,896 litre V= 0,896 litre Soru:NK da hacmi 6,72 litre ola SO 3 gazı; a) Kaç mol dür. b) Kaç gramdır. c) Kaç tane molekül içerir. d) Kaç tane atom içerir. (S:32 g/mol, O:16 g/mol) Örnek:3, tane oksijen atomu içeren N 2 O 5 molekülü kaç gram azot atomu içerir. (N:14 g/mol, O:16 g/mol) Çözüm: = 0,5 mol O atomu içerir 5 mol O içeren N 2 O 5 molekülü 1 mol ise 0,5 mol O içeren N 2 O 5 molekülü x mol dür. x = 0,1 mol N 2 O 5 18

19 1 mol N 2 O 5 molekülü 28 gram N atomu içerirse 0,1 mol N 2 O 5 molekülü x gram N atomu içerir. x = 2,8 gram N atomu Karışım ve Mol Sayısı: Karışım problemlerinde yeterli bilgi varsa genellikle iki bilinmeyenli denklem kurularak problem çözümüne gidilir. Örnek:CH 4 ve C 3 H 4 gazlarından oluşan karışımın 0,5 molü 15,2 gramdır. Karışımdaki CH 4 gazı kaç moldür. (H:1, C:12) Çözüm:m 1 + m 2 = 15,2 CH 4 = x mol ve C 3 H 4 = 0,5-x mol n 1 M A.n 2 M A = 15,2 16.x + 40.(0,5-x) = 15,2 x = 0,2 Sorular: 1- Eşit kütlede C içeren C 2 H 4 ve C 3 H 8 bileşiklerinin oluşturduğu karışımın toplam kütlesi 3,44 gramdır. Buna göre C 2 H 4 gazı kaç moldür. (C:12, H:1) Cevap: 0,6 mol 2- NH 3 ve CH 4 gazlarının oluşturduğu bir karışımın NK da 8,96 litresi 6,55 gramdır. Karışımda kaç gram hidrojen atomu vardır. (C:12, N:14) Cevap: 1,45 gram Atom Kütlelerinin Hesaplanması: Bir bileşikte bilinmeyenin atom kütlesini hesaplamak için önce bileşiğin 1 molünün kütlesi (molekül kütlesi) bulunur ve atom kütleleri toplamından bilinmeyen hesaplanır. Örnek:0,02 mol NX 3 1,42 gramdır. X in atom kütlesi nedir.(n:14) Çözüm:0,02 mol NX 3 1,42 gram ise 1 mol NX 3 M A gramdır. M A =71 g/mol 71 = 14 +(3x) x = 19 Soru: 2 gram X metali yeteri kadar HCI ile X (k) + HCI (s) XCI 2(aq) + H 2(g) denklemine göre tepkimeye girdiğinde 0,1 gram H 2 gazı oluşmaktadır. Buna göre X in mol kütlesi (atom kütlesi) gram/mol dür. (CI:35, H:1) Çözüm: X (k) + HCI (s) XCI 2(aq) + H 2(g) 2 gram H 2 1 mol 0,05 mol 0,05 mol 0,1 gram H 2?mol? = 0,05 mol H 2 Bileşiklerin Yüzde Bileşimi 0,05 mol X 2 gram ise 1 mol X?gram? = 40 gram n: 1 mol bileşik içersindeki mol sayısı Örnek: Karbon elementinin glikoz ( C 6 H 12 O 6 ) içersindeki yüzde oranı nedir. (H:1, C:12, O:16) Çözüm: C 6 H 12 O 6 : (6.12)+(1.12)+(6.16) = 180 g/mol = % 40 Basit ve Molekül Formülün Bulunması: Molekül formülündeki atomların mol sayılarının en küçük tam sayılarla gösteridiği formüle basit formül denir. Molekül Formülü = (Basit formül).n Molekül Formülün kütlesi = (Basit formülün kütlesi).n Örnek: C ve H elementlerinin oluşturduğu bir bileşik analiz edildiğinde 0,024 gram C ve 0,004 gram H içerdiği tespit edilmiştir. Bu bileşiğin basit formülü nedir. (C:12, H:1) 19

20 Çözüm: n C = n H = CH 2 Basit formül Örnek: N ve O elementlerinin oluşturduğu bir bileşik analiz edildiğinde 0,14 gram N ve 0,32 gram O içerdiği tespit edilmiştir. Bileşiğin mol kütlesi 92 gram olduğuna göre, bu bileşiğin molekül formülü nedir. (N:14, O:16) Çözüm: NO 2 Basit formül Molekül Formülü = (Basit formül).n M A = (NO 2 ).n 92 = (14+32).n n = 2 Molekül Formülü N 2 O 4 Tepkimelerde Hesaplamalar: Örnek:5,6 gram CO gazı oksijenle tepkimeye girerek CO 2 gazı oluşturmaktadır. Tam verimle gerçekleşen tepkimede kaç gram CO 2 oluşur ve kaç gram oksijen gazı harcanır. (C:12, O:16) Çözüm: 1.yol 2CO (g) + O 2(g) 2CO 2(g) 2CO (g) + O 2(g) 2CO 2(g) ,6? = 8,8 gram 5,6? = 3,2 gram 2.yol 2CO (g) + O 2(g) 2CO 2(g) 2CO (g) + O 2(g) 2CO 2(g) 2 mol 2 mol 2 mol 1 mol 0,2 mol? = 0,2 mol 0,2 mol? = 0,1 mol 8,8 gram 3,2 gram Sınırlayıcı Madde Ve Tepkime Verimi: Tepkimede tamamen tükenen maddeye sınırlayıcı madde denir. Tepkime problemlerinin sınırlayıcı madde üzerinden çözülmesi problemin çözümüne kolaylık sağlar. Örnek: C (k) + O 2(g) CO 2(g) tepkimesine göre 6 gram karbon ile 8 gram oksijen tepkimeye sokuluyor. En fazla kaç gram CO 2 oluşur. (C:12, O:16) Çözüm: C (k) + O 2(g) CO 2(g) 12 g 32 g44 g(tepkimeye göre) 6 g 8 g (var olan) 3 g 8 g ( giren) 11 g 3 g artar tükenir(sınırlayıcı) Örnek: N 2(g) +2O 2(g) N 2 O 4(g) tepkimesini oluşturmak üzere 42 gram N 2 gazı ile 64 gram O 2 gazı tepkimeye sokuluyor. 23 gram N 2 O 4 gazı oluştuğuna göre tepkimenin verimi % kaçtır. Çözüm:N 2(g) + 2O 2(g) N 2 O 4(g) 28 g 64 g 92 g (tepkimeye göre) Tepkimenin verimi: 42 g (var olan) 64 g (var olan) g (harcanan) 16 g (harcanan) 23 g (oluşan) 100? = % g (artan) 48 g (artan) 20

21 PERİYODİK SİSTEM (Ünite-2) Elementleri özelliklerinin benzerliklerine göre sınıflayan tabloya periyodik cetvel veya periyodik tablo denir. Periyodik cetvelin yatay sıralarına periyot denir. Periyotlar enerji seviyelerini temsil ederler. Temel elektron dizilişinde enerji seviyeleri eşit olan elementler, atom numaralarının artışına göre sıralanarak periyotları oluşturur. Periyodik cetvelin düşey sütunlarına grup denir. Gruplar değerlik elektron sayılarını temsil ederler. A ve B olmak üzere iki tür grup içerir. Periyodik cetvel periyotlar ve gruplar dışında dört ana bloğa ayrılmıştır. Bunlar; s, p, d, f bloklarıdır. Temel elektron dizilişleri s ile biten elementler s bloğunda (He) hariç, p ile biten elementler p bloğunda, d ile biten elementler d bloğunda, f ile biten elementler f bloğunda yer alırlar. s ve p bloklarındaki elementler A gruplarını, dve f bloğundaki elementler B gruplarını oluşturur. Temel elektron dizilişindeki en yüksek baş kuantum sayısı (dizilişteki en son s orbitalinin katsayısıdır) periyot numarasını, değerlik elektron sayısı grup numarasını verir. Değerlik orbitalleri de grup türünü verir. Şöyle ki; temel elektron dağılımı s ve p ile sonlana elementler A grubunda, d ile sonlanan elementler B grubunda bulunurlar. Grup numarasının tespitinde diğer bir yöntem ise şöyledir: Temel elektron dizilişinde en son s orbitali ve sonraki orbitallerdeki elektronların toplamı grup numarasını verir. Bu toplam 10 sayısından büyük ise, toplamdan 10 sayısı çıkarılır ve kalan sayı grup numarasını verir. nedir. Örnek: Y nin nötron sayısı 14 ve kütle numarası 27 olduğuna göre, periyodik cetveldeki periyot ve grubu Çözüm: Kütle no: p + n 27 = p +14 p = 13 13X : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3. Periyot, 3A grubu Örnek: X atomunun kütle numarası 56 dır. Nötron sayısı proton sayısından 4 fazla olduğuna göre X in periyodik cetveldeki periyot ve grubu nedir. Çözüm: Kütle numarası: proton + nötron 56 = p + n 56 = p + p = 2p p = 26 26X : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 4. Periyot, 8B grubu Periyotlar ve Özellikleri: Bir elementin değerlik elektronlarının bulunduğu enerji düzeyini gösterir ve 7 tanedir. Periyot numaraları n gösterilir ve aynı zamanda baş kuantum sayısıdır. 1.periyot hariç her periyot bir metalle başlar. 7.peryot hariç bir soy gaz ile biter. Gruplar ve Özellikleri: Gruplar değerlik elektron sayısını ve değerlik orbitallerin türünü temsil eder. Bir gruptaki elementlerin kimyasal özellikleri birbirine benzer. Bunun nedeni en dış enerji seviyesindeki elektron sayısının ve dağılımının benzerliğidir. Bu ilkeye Hidrojen elementi uymaz. 1.A grubu elementlerine alkali (bazik) metaller denir. Ancak bu grupta bulunan Hidrojen elementi metal değildir ve özellikleri bu gruptaki elementlerin özelliklerine benzemez. Başladığı Bittiği Element PERİYOT 2.A grubu elementlerine toprak alkali metaller, Element Element Sayısı 3.Agrubu elementlerine toprak metalleri, 1.periyot 1H 3He 2 4.Agrubu elementlerine karbon grubu, 2.periyot 3Li 10Ne 8 5.Agrubu elementlerine azot grubu, 3.periyot 11Na 16Ar 8 6.Agrubu elementlerine oksijen grubu, 4.periyot 19K 36Kr 18 7.Agrubu elementlerine halojenler, 5.periyot 37Rb 54Xe 18 8.Agrubu elementlerine soy gazlar, 6.periyot 55Cs 86Rn 32 Bgrubu elementlerine geçiş elementleri denir. 7.periyot 87Fr

22 ÖZELLİKLERDE PERİYODİK DEĞİŞİM Atom Hacmi: Atom yarıçapı; temel elektron dizilişine sahip atomun son yörüngesinin yarıçapıdır. Metallerde yan yana duran iki metal atomun çekirdekleri arasındaki uzaklığın yarısıdır. Ametallerin oluşturduğu O 2 gibi moleküllerde iki atomun çekirdekleri arasındaki uzaklığın yarısıdır. Periyodik cetvelin bir periyodunda soldan sağa doğru gidildikçe atom yarıçapı ve buna bağlı olan atom hacmi küçülür.çünkü; bir periyotta soldan sağa doğru gidildikçe atom çekirdeği büyüdüğünden, elektron başına düşen çekirdeğin çekim kuvveti artmaktadır. Periyodik cetvelin bir grubunda yukarıdan aşağıya doğru inildikçe atom yarıçapı ve atom hacmi artar. Çünkü; bir grupta yukarıdan aşağı doğru inildikçe atom çekirdeğinin büyümesine karşın atomun yörünge sayısı da artmaktadır. Bu da elektronların belli bölgelerde bulunma zorunluluğunu ortaya koyar ve çekirdeğin artan çekim kuvvetini etkisiz kılar. Bir atom elektron verdiği zaman çekirdeğin çekim kuvveti değişmezken elektron sayısı azalır ve elektron başına düşen çekim kuvveti artar. Bu da atom hacminin küçülmesine neden olur. Bir atom elektron aldığı zaman çekirdeğin çekim kuvveti değişmezken elektron sayısı artar ve elektron başına düşen çekim kuvveti azalır. Bu da atom hacminin büyümesine neden olur. Aynı atomun iyonlarının yarıçaplarının değişimi; > X -3 > X -2 > X -1 > X > X +1 > X +2 > X +3 > şeklindedir. Örnek: 3 X, 9 Y, 11 Z elementlerini atom yarıçaplarına göre sıralayınız. Çözüm:X 2.periyot, 1A grubu Y 2.periyot, 7A grubu Z 3.periyot, 1A grubu Z > X > Y Örnek: 14 X, 17 Y, 9 Z elementlerini atom yarıçaplarına göre sıralayınız. Çözüm:X 3.periyot, 4A grubu Y 3.periyot, 7A grubu Z 2.periyot, 9A grubu X > Y > Z İyonlaşma Enerjisi:Gaz fazındaki nötr bir atomun en yüksek enerji düzeyinden bir elektron koparmak için atoma verilmesi gereken minumum enerji miktarına iyonlaşma enerjisi (1.iyonlaşma enerjisi) denir. X (g) + E 1 X +1 + e - E 1 1.iyonlaşma enerjisi (iyonlaşma enerjisi) X +1 (g) + E 2 X +2 + e - E 2 2.iyonlaşma enerjisi X +2 (g) + E 3 X +3 + e - E 3 3.iyonlaşma enerjisi Atomdan bir elektron koparıldığında; çekirdeğin çekim kuvveti değişmezken elektron başına düşen çekim kuvveti artar. Bundan dolayı atom hacmi küçülür elektron koparmak zorlaşır. Bu durumda E 1 < E 2 < E 3 < E 4 <..olur. Atomun değerlik elektronlarının hepsi koparıldıktan sonra tekrar elektron koparılmak istendiğinde iyonlaşma enerjisindeki artış, daha önceki artışlara göre aşırı (en az 4 kat) olur. Bu aşırı artıştan yararlanılarak A gruplarındaki bir elementin değerlik elektron sayısı, dolaysıyla grup numarası belirlenebilir. Örnek: Yandaki tabloda X, Y, Z ve L elementlerinin ilk beş iyonlaşma enerjileri k.kal/mol olarak verilmiştir. Buna göre hangileri aynı gruptadır ve hangilerinin değerlik elektron sayıları 3 tür. Element 1.İE 2.İE 3.İE 4.İE 5.İE X Çözüm: İyonlaşma enerjisindeki aşırı artıştan daha önceki iyonlaşma Y enerjisi sayısı grup numarasını verir. Buna göre: X elementi; 2A Z grubunda, Y elementi; 3A grubunda, Z elementi; 1A grubunda, L L elementi; 2A grubundadır. Y nin değerlik elektron sayısı 3 tür. Birinci iyonlaşma enerjisi periyodik cetvelin bir periyodunda soldan sağa doğru gidildikçe genellikle artar. Küresel simetri elektron dizilişine sahip olan 2A ve 5A gruplarının birinci iyonlaşma enerjisi, ardından gelen grupların birinci iyonlaşma enerjisinden yüksektir. Buna göre aynı periyotta bulunan elementlerin birinci iyonlaşma enerjileri; 1A < 3A < 2A < 4A < 6A < 5A < 7A < 8A şeklindedir. 22

23 Birinci iyonlaşma enerjisi periyodik cetvelin bir grubunda yukarıdan aşağıya doğru inildikçe azalır. Aynı gruptaki iyonlaşma enerjisi değişimi; 1.periyot > 2.periyot > 3.periyot >.şeklindedir. Örnek: 7 X, 12 Y, 8 Z ve 5 T nin birinci iyonlaşma enerjilerini küçükten büyüğe doğru sıralayınız. Çözüm: X 2.periyot, 5A grubu Y 3.periyot, 2A grubu Z 2.periyot, 6A grubu Z 2.periyot, 3A grubu Y < T < Z < X Elektron dağılımının küresel simetri olması nedeniyle 5A > 6A dır. Elektron İlgisi:Gaz fazındaki atoma bir elektron eklendiği zaman açığa çıkan enerjidir. Elektron ilgisi bir fazladan bir elektronun bir atoma ne derece sıkı bağlandığının bir ölçüsüdür. İyonlaşma enerjisinde olduğu gibi, elektron ilgileri de atom büyüklüğündeki değişmeye paralellik gösterir. Genellikle elektron ilgisi periyotlarda soldan sağa doğru artış gösterirken, gruplarda yukarıdan aşağıya azalır. 8A grubunun elektron ilgisi yoktur. Buna göre elektron ilgisi en büyük elementin klor (CI) ve flor (F) dur. F (g) + e - F - (g) + 78,4 kkal (Ekzotermik) O (g) + e - O - (g) + 33,8 kkal (Ekzotermik) CI (g) + e - CI - (g) + 83,4 kkal (Ekzotermik) Br (g) + e - Br - (g) + 77,6 kkal (Ekzotermik) Bir grupta yukarıdan aşağıya doğru inildikçe elektron ilgisi azalır. Sadece 9 Fve 17 CI elementleri düzensizlik gösterir. 6A grubu elementlerinin değerlik p orbitallerinin tam dolu olabilmesi için iki elektron alması gereklidir. Ancak bir elektron alarak -1 yüklü anyon haline gelen element ikinci elektronu alırken negatif yükün anyonun ikinci elektronu itmesinden dolayı -2 yüklü anyon durumuna geçebilmesi için dışarıdan enerji verilmesi gerekir. Örnek: O (g) + e - O - (g) kj/mol (Ekzotermik) O - (g) + e kj/mol O -2 (g) (Endotermik) Elektronegatiflik: Elektron ortaklığı sonucu aralarında kovalent bağ oluşturan elementlerin bağ oluşumunda kullandıkları elektronları kendine doğru çekme kuvvetidir. Periyodik cetvelde, bir periyotta soldan sağa doğru artış gösterirken, bir grupta yukarıdan aşağıya doğru azalır. 8A grubunun elektronegatiflik değeri yoktur. Apolar bir kovalent bağı, polar bir kovalent bağdan ayırt etmemize yardımcı olan özellik elektronegatifliktir. Elektronegatifliği yüksek olan elementler, elektronegatifliği düşük olan elementlere göre bağ yapan elektronları daha fazla kendilerine çekme eğilimindedirler. Elektronegatiflik iyonlaşma enerjisi ile ilişkilidir. Elektronegatifliği yüksek olan elementlerin iyonlaşma enerjilerinin de yüksek olması beklenir. Element Elektronegatiflik F 4,0 O 3,5 N 3,0 CI 3,0 Br 2,8 Metalik ve Ametalik Dağılım: B gruplarının tamamı metaldir. A gruplarında ise; Grup numarası, periyot numarasından büyük olan elementler ametaldir. 8A grubu elementleri soy gazdır. Genellikle 4A, 5A, 6A, 7A grubu elementleri ametaldir. Grup numarası, periyot numarasından küçük veya eşit olan elementler metaldir. Bu kurala 1 H elementi uymaz. 1 H elementi ametaldir. Genellikle 1A, 2A, 3A grubu elementleri metaldir. Periyodik cetvelin bir periyodunda soldan sağa doğru metalik özellik azalırken, ametalik özellik artar. Periyodik cetvelin bir grubunda yukarıdan aşağıya doğru metalik özellik artarken, ametalik özellik azalır. 23

24 Örnek: 7 X, 13 Y, 16 Z ve 22 L elementlerinin hangileri metal, hangileri ametaldir. Çözüm: 7 X : 1s 2 2s 2 2p 3 2.periyot, 5A grubu (ametal) 13Y : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 3.periyot, 3A grubu (metal) 16Z : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 3.periyot, 6A grubu (ametal) 22L : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2 4.periyot, 4B grubu (metal) Oksit Bileşikleri: Metal oksitlere asit oksitler,ametal oksitlere baz oksitler denir. Asit oksitler bazlar ile, baz oksitler de asitler ile tepkime verirler. Örneğin: Na 2 O ve MgO baz oksittirler ve asitler ile tepkime verirler. Na 2 O (k) + 2HCI (suda) 2NaCI (suda) + H 2 O (s) MgO (k) + 2HCI (suda) MgCI 2(suda) + H 2 O (s) Örneğin: SO 3 ve P 4 O 10 asit oksittirler ve baz ile tepkime verirler. SO 3(g) + 2NaOH (suda) Na 2 SO 4(suda) + H 2 O (s) CO 2(g) + 2NaOH (suda) Na 2 CO 3(suda) + H 2 O (s) Not: Al, Zn, Sn, Pb, Cr gibi metallere amfoter metaller denir. Oksitlerine de amfoter oksitler denir. Hem asitlerle hem de bazlarla tepkime verirler. Örneğin: Al 2 O 3, ZnO, SnO, PbO ve Cr 2 O 3 Not: CO, NO, N 2 O gibi tek oksijenli oksitlere nötr oksitler denir. Nötr oksitler asit ya da bazlar ile tepkime vermezler. Periyodik cetvelde periyotlarda soldan sağa doğru metalik karakter azalıp ametalik karakter arttığından elementlerin oksitlerinin bazlık özelliği azalırken asit özelliği artar Hidroksit Bileşikleri: Elementlerin OH - ile oluşturduğu bileşiklere hidroksit bileşikleri denir. Genellikle metallerin hidroksit bileşikleri baz özelliği, ametallerin hidroksit bileşikleri asit özelliği gösterirler. MOH bileşiği için; M herhangi bir 3.periyot elementi. M-OH bağının kopması ile OH iyonu verir ve baz özelliği gösterirler. MO-H bağının kopması ile H iyonu verir ve asit özelliği gösterirler. Örnek: Bazik hidroksitler; Asit hidroksitler; NaOH Na-OH H 3 PO 2 (hipofosforöz asit) H 3 PO 3 (fosforöz asit) H 3 PO 4 (fosforik asit) Mg(OH) 2, OH-Mg-OH Periyodik sistemde bir periyotta, soldan sağa doğru elementlerin hidroksit bileşiklerinin bazik özelliği azalır, asidik özelliği artar. Periyodik sistemde bir grupta, yukarıdan aşağıya doğru elementlerin hidroksit bileşiklerinin bazik özelliği artar, asidik özelliği azalır. Bu tanımlar genellemedir, istisnalar olabilir. ELEMENTLERİN ÖZELLİKLERİ Metalik, Ametalik ve Yarı Metalik Özellikler: Periyodik sistemde elementler, metaller, ametaller ve yarı metaller olarak sınıflandırılabilirler. Metal: Elektriği ve ısıyı iletir, metalik parlaklığı vardır, dövülebilir ve haddelenebilir(şekillendirilebilir). 24

25 Ametal: Elektriği ve ısıyı iletmez, dövülemez ve haddelenemezler. Yarı metal: Görünüş ve bazı özellikleri açısından metale benzeseler de kimyasal olarak bir ametal gibi davranır. Oda sıcaklığında gaz olan tüm elementler ametaldirler. Metaller ile yarı metaller ve yarı metaller ile ametaller arasında ayırım çok kesin değildir. Fakat yarı metal dendiğinde genelde Si, Ge, As, Sb, Te ve Po anlaşılır. Blokların Özellikleri s-bloku Elementleri: Düşük iyonlaşma enerjisine sahiptirler. 1.grup elementleri (+1), 2.grup elementleri (+) yüklü iyonlar oluştururlar. Metalik özelliği en az olanı Berilyum (Be) dur. Be hariç s bloku elementlerinin bileşikleri iyoniktir. Bazik oksit oluşturan aktif metallerdir. Hidrojen (H) s blokunda olmasına rağmen metal değildir ve metalik özellikleri göstermez. p-bloku Elementleri: Genelde p bloku elementlerinin iyonlaşma enerjileri biraz yüksektir. Hidrojen hariç ametaller, yarı metaller ve soy gazlarbu blokta yer alır. Bu blokta bulunan Al, Pb ve Sn metaldir. Soy gazlar hariç elektron alarak değerlik orbitallerini doldururlar ve (-) yüklü iyon oluştururlar. Kendi aralarında moleküler bileşikler, metaller ile iyonik bileşikler oluştururlar. d-bloku Elementleri: Bütün elementleri metaldir. Geçiş metalleri olarak adlandırılırlar. Erime ve kaynama noktaları yüksektir. Özellikleri s ve p bloku elementleri arasındadır. f-bloku Elementleri: Elektron dağılımları 4f orbitali ile bitenlere lantanitler, 5f orbitali ile bitenlere aktinitler denir. Kimyasal özellikleri birbirine benzer. Aktinitler radyoaktif elementlerdir. Geçiş metalleri olarak da adlandırılırlar. Alkali Metaller: Bu grup Li, Na, K, Rb, Cs ve Fr elementlerinden oluşur. Alkali metallerin oksitlerinin ve hidroksitlerinin sulu çözeltileri baziktir. Değerlik elektron sayıları 1 dir ve bileşikte +1 değerlik alırlar. Birinci iyonlaşma enerjileri düşük, yükseltgenme potansiyelleri büyüktür. Aktif olduklarından oda sıcaklığında su, hava, halojenler ve asitler gibi maddeler ile kolay tepkime verirler. Bu sebeple doğada saf element halinde değil, Element 1.İ.Enerjisi Yük. Pot. E. Nok. K. Nok. Li 124 kkal/mol 3,05 volt 180,5 C 0,53 C Na 119 kkal/mol 2,71 volt 97,8 C 0,97 C K 100 kkal/mol 2,93 volt 63,7 C 0,86 C Rb 96 kkal/mol 2,93 volt 38,9 C 1,53 C Cs 89 kkal/mol 2,92 volt 28,0 C 1,87 C Fr ,0 C ---- bileşik halinde bulunurlar. Sertlikleri, erime-kaynama noktaları ve yoğunlukları metallerin ortalama değerlerinden düşüktür. K (k) + ½CI 2(g) KCI (k) 2Li (k) + ½O 2 Li 2 O (k) 2Na (k) + 2H 2 O (s) 2NaOH (aq) + H 2(g) K (k) + HCI (aq) KCI (k) + ½H 2(g) Toprak alkali Metaller: Bu grup Be, Mg, Ca, Sr, Ba ve Ra elementlerinden oluşur. Bu elementler toprakta bulunur ve baziktir. Değerlik elektron sayıları 2 dir ve bileşikte +2 değerlik alırlar. Aktif olduklarından oda sıcaklığında su, hava, halojenler ve asitler gibi maddeler ile kolay tepkime verirler. Bu sebeple doğada saf element halinde değil, bileşik halinde bulunurlar. Element 1.İ.E. Yük. Pot. E. Nok. K. Nok. Be 215 kkal 1,85 volt 1285 C 1,85 C Mg 176 kkal 2,36 volt 650 C 1,74 C Ca 141 kkal 2,87 volt 840 C 1,53 C Sr 131 kkal 2,89 volt 770 C 3,58 C Ba 120 kkal 2,91 volt 710 C 3,59 C Ra 123 kkal 2,92 volt 700 C 5,00 C Ba (k) + 2HCI (aq) BaCI 2(k) + H 2(g) Ca (k) + CI 2(g) CaCI 2(k) Mg (k) + ½O 2 MgO (k) Ca (k) + 2H 2 O (s) Ca(OH) 2(aq) + H 2(g) (Be bu tepkimeyi vermez) Halojenler: Bu grup F, CI, Br, I ve At elementlerinden oluşur. Ametallerin en aktif grubudur. Bu grub elementlerini elektron ilgileri ve 1.iyonlaşma enerjileri yüksektir. Halojenlerin atom numarası arttıkça erime-kaynama noktası, atom çapı ve öz kütle artar. Doğada iki atomlu moleküller ya da bileşikler halinde bulunurlar. Oda koşullarında F 2 ve CI 2 gaz, Br 2 sıvı, I 2 ve At katıdır. 25

26 Element 1.İ.Enerjisi Elektron ilgisi E. Nok. K. Nok. Özkütle İnd. Pot. F 402 kkal/mol -78,4 kkal/mol -220 C -188 C 1,51 g/cm 3 2,86 volt CI 300 kkal/mol -83,4 kkal/mol -101 C -34 C 1,66 g/cm 3 1,36 volt Br 273 kkal/mol -77,6 kkal/mol -7 C 59 C 3,12 g/cm 3 1,09 volt I 241 kkal/mol -70,6 kkal/mol 114 C 185 C 4,95 g/cm 3 0,54 volt At ,0 kkal/mol 300 C 350 C Değerlik elektron sayıları 7 dir ve bileşikte arasında değerlik alırlar. Ancak Flor bileşiklerinde sadece -1 değerlik alır. At doğada az bulunan radyoaktif bir elementtir. Daha çok radyoaktif tepkimeler sonucu oluşur. Aktiflikleri grupta yukarıdan aşağıya doğru azalır. İndirgenme potansiyelleri yüksektir. Halojenlerin hidrojenli bileşikleri (hidrürleri) asittir ve halojenin çapı arttıkça asit kuvveti artar. HF < HCI < HBr < HI şeklindedir. Halojenlerin oluşturduğu oksijenli asitlerde de (oksi asitler) oksijen sayısı arttıkça asitlik kuvveti artar. HCIO < HCIO 2 < HCIO 3 <HCIO 4 şeklindedir. HCIO:Hipoklorikasit HCIO 3 : Klorat asiti HCIO 2 : Klorik asit HCIO 4 : Perklorat asit Soy Gazlar:Bu grup He, Ne, Ar, Kr, Xe ve Rn Element Atom no Öz kütle Kay. Nok. elementlerinden oluşur. Erime ve kaynama noktaları düşük He 2 0,126 g/cm C olduğundan oda koşullarında gaz halinde bulunurlar. Değerlik Ne 10 1,20 g/cm C orbitalleri tam dolu olduğundan doğada tek atomludurlar. Ar 18 1,40 g/cm C He: Keşif balonlarının doldurulmasında, roket yakıtlarının Kr 36 2,60 g/cm C tazyiklendirilmesinde kullanılır. Xe 54 3,06 g/cm C Ne: İçinden elektrik akımı geçirildiğinde kırmızı parlak ışık yayar. Bu sebeple ışıklı ilan panolarında kullanılır. Rn 86 4,40 g/cm 3-62 C Ar: Ampül tüplerinin doldurulmasında kullanılır. Kr: Havaalanı pistlerinin aydınlatma lambalarında kullanılır. Xe:Otomobil farlarındaki halojen lambalarda ve yüksek hızdaki fotoğraf makinelerinin flaşlarında kullanılır. KİMYASAL TÜRLER VE ETKİLEŞİMLER (Ünite-3) A-KİMYASAL TÜRLER Atomlar: Bir elementin tüm özelliklerini gösteren en küçük parçasına atom denir. Maddelerin büyük çoğunluğu atomların bir araya gelmesinden oluşan molekül ya da iyonlardan oluşur. İyonlar: Pozitif veya negatif yüklü olan atom ya da atom gruplarına denir. Nötr bir atomdan bir ya da çok sayıda elektron koparılması sonucunda pozitif yüklü iyon (katyon) oluşur. Nötr bir atomun elektron sayısındaki artış nedeniyle negatif yüklü iyon (anyon) oluşur. Atomlar bir ya da daha fazla elektron kaybedebilir ya da kazanabilir. Bu tür iyonlara tek atomlu iyonlar denir. Örneğin: Na +1, Mg +2, Fe +3, CI -1, S -2,N -3 gibi. Ayrıca iki yada fazla sayıda atom birleşerek, pozitif ya da negatif yüklü iyonları oluşturabilir. Bunlara çok atomlu ya da poliatomik iyonlar denir. Örneğin: OH -, NH 4 +, SO 4-2, PO 4-3 gibi. Moleküller: Molekül, en az iki atomun belli bir düzende, kimyasal kuvvetlerle bir arada tutulduğu atomlar topluluğudur. Bir molekülde tek bir elementin atomları bulunabileceği gibi, iki veya daha çok sayıda elementin atomları sabit oranlar yasasına uygun olarak bulunabilir. Bileşikler en az iki farklı elementten oluştuklarına göre, her molekül bileşik olmayabilir. Örneğin: H 2, O 2, N 2, CI 2 gibi moleküller element molekülleridir ve diatomik moleküller olarak adlandırılır. H 2 O, NH 3, HNO 3, O 3 gibi moleküller ikiden çok atom içerdikleri için bu moleküllere poliatomik moleküller denir. H 2 O, NH 3, HNO 3 gibi moleküller bileşik tanımına da uyduklarından bileşiktirler. Radikaller: Bazı maddeler tek sayıda değerlik elektronu içerirler ve maddeyi oluşturan atomlardan en az birisi oktetini tamamlayamaz. Tek elektron içeren bu tür yapılara radikal denir. Radikaller genellikle çok reaktiftirler ve kararsızdırlar (kısa ömürlüdürler). Örneğin metil ( CH 3 )ve hidroksil ( OH) radikalleri yedişer değerlik elektronu içermektedir. Etanın yanması sonucu sırasında H 3 C CH 3 H 3 C + CH 3 Karbon-karbon bağındaki elektron çifti, iki tek elektrona ayrılarak radikali oluşturabilir. Radikaller bir çok polimerin yapımında kullanılır. Polimerizasyon tepkimesi bir radikal ile başlatılır. Polimerizasyon tepkimesi, uzun polimer molekülleri oluşuncaya kadar devam eder. 26

27 Otomobillerin sıcak egzos gazlarında, jet motorlarında azot ile oksijenin doğrudan yanması ile oluşan NO de radikaldir. N 2(g) + O 2(g) 2NO (g) Azotmonoksit, doğal olarak nöronlarımızda oluşur ve sinir sinyallerini ileten bir nörotransmitör dür. Kan akışında ve cinsel uyarılarda bu radikal rol oynar. İki tane paylaşılmamış elektron taşıyan radikallere, biradikal denir. Elektronlar farklı atomlar üzerinde olabileceği gibi, bazı durumlarda her iki elektronun aynı atom üzerinde olması da mümkündür. B-KİMYASAL TÜRLER ARASINDAKİ ETKİLEŞİMLER 1.Moleküller arası Kuvvetler: Moleküller arası kuvvetler moleküllerin arasındaki çekim kuvvetleridir ve maddenin yoğun olan sıvı ve katılardaki etkileri çok fazladır. Molekül içi kuvvetler moleküldeki atomları bir arada tutar. Molekül içi kuvvetler molekülün kararlılığını sağlarken, moleküller arası kuvvetler maddenin kaynama ve donma noktası gibi fiziksel özelliklerini belirler. 2.Dipol-Dipol Kuvvetleri: Dipol-dipol kuvvetleri polar moleküller arasındaki çekim kuvvetleridir. Örneğin: HCI-HCI 3.İyon-Dipol Kuvvetleri: Bir iyon ile (katyon veya anyon) polar molekülü arasındaki iyon-dipol kuvvetleridir. Bu etkileşimin kuvveti, iyonun yükü ve büyüklüğü ile polar molekülün dipol momenti ve boyutuna bağlıdır. Katyonlar genellikle anyonlardan daha küçük boyutta olduklarından yük yoğunlukları daha fazladır. Buna göre aynı yüke sahip anyon ve katyonlar karşılaştırıldığında, katyonlar dipollerle daha kuvvetli etkileşirler. Na + ve Mg +2 iyonları yüksek dipol momente sahip olan su molekülü ile etkileşim gösteririler. Mg +2 iyonunun yarıçapı Na + iyonunun yarıçapına göre daha küçük olduğunda, su molekülleri ile daha kuvvetli bir etkileşim gösterir. 4.İndüklenmiş Dipol: Bir atom ya da apolar bir molekülün yanında, bir iyon ya da polar molekül yer aldığında, atomun ya da apolar molekülün elektron dağılımı, iyon veya polar molekül tarafından bozulur. Polar olmayan molekülde geçici bir dipolleşme oluşur. Apolar moleküldeki pozitif ve negatif yüklenme, atomun yakınında bulunan bir iyon yada polar molekülden kaynaklandığından indüklenmiş dipol (geçici dipol) olarak adlandırılır. İyon ile indüklenmiş dipol arasındaki çekime, iyon-indüklenmiş dipol etkileşimi denir. Polar molekül ile indüklenmiş dipol arasındaki etkileşime de dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi denir. 27

28 1-GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER KİMYASAL BAĞLAR Maddeyi oluşturan atomları birarada tutan kuvvetlere kimyasal bağ denir. Kimyasal bağlar,atomların değerlik elektronları tarafından oluşturulur. Kimyasal bağın oluşması ya da kırılması sürecinde atom çekirdekleri değişmez. Kimyasal bağlar oluşurken enerji açığa çıkar. Bir kimyasal bağı kırmak için daima enerji gerekir. Bir kimyasal bağ oluşurken açığa çıkan enerji ile aynı bağı kırmak için harcanan enerji birbirine eşittir. Güçlü etkileşimler; iyonik bağ, kovalent bağ ve metalik bağ olarak sınıflandırılır. Örnek: I. NaCI de, Na + ve CI iyonları arası II. C 2 H 2 de, C 2 H 2 molekülleri arası III. CH 4 de, C ve H atomları arası Yukarıda verilen tanecikler arası çekim kuvvetlerinden hangileri kimyasal bağ tanımına uygun örnektir. Cevap: I ve III Bir kimasal bağ, bağlanan atomların oluşturduğu yeni yapının enerjisi, bağımsız atomların enerjisinden daha az ise meydana gelebilir. Örneğin; hidrojen ve azot atomları amonyak oluşturabilirler. Çünkü amonyak moleküllerinden oluşan gazın enerjisi, aynı sayıda azot ve hidrojen gazları karışımının enerjisinden daha azdır. Eğer iyon oluşumu ile düşük enerjiye ulaşılabiliyorsa, iyonlar oluşur. Düşük enerjiye elektron paylaşımı ile ulaşılabiliyorsa moleküller oluşur. Bağ Kuvvetleri: Bir kimyasal bağın kuvveti, gaz halindeki bir molekülde söz konusu bağ koparıldığı zaman ortaya çıkan enerji değişimi ile ölçülür. Bu değişime bağ enerjisi (entalpisi) denir. ΔΗ ile gösterilir. Örnek: H 2(g) 2H (g) ΔΗ: 104 kkal/mol CI 2(g) 2CI (g) ΔΗ: 59 kkal/mol O 2(g) 2O (g) ΔΗ: 118 kkal/mol I 2(g) 2I (g) ΔΗ: 36 kkal/mol Bu verilere göre, bu moleküllerde atomlar arasındaki bağların kuvveti: O 2 >H 2 >CI 2 >I 2 şeklindedir. Bağ kuvveti; a) Bağ sayısı arttıkça artar. b) Komşu atomdaki ortaklaşmış elektron çifti arttıkça azalır. c) Atomik yarıçaplar arttıkça azalır. Bağ Uzunluğu: Bir kimyasal bağ ile birbirine bağlı iki atomun çekirdekleri arasındaki ortalama uzaklığa bağ uzunluğu denir. Aynı peryotta kovalent tekli bağların uzunluğu soldan sağa doğru azalır. Artan çekirdek yükü elektronları çeker ve bağ uzunluğu azalır. Bir grupta yukarıdan aşağı doğru inildikçe kovalent ve iyonik bağın uzunluğu artar. Değerlik elektronları çekirdeğe daha uzak ve iç elektronlar tarafından daha iyi perdelendiği için komşularına daha fazla yaklaşamazlar. Dolaysıyla uzun ve zayıf bağlar oluştururlar. Aynı atomlar arasında çoklu bağların uzunluğu tekli bağların uzunluğundan daha kısa olur. Örneğin; I. C C II. C C III. C C örneklerinde bağ uzunluğu I > II > III şeklinde olur. Bağ Açısı: Bağları oluşturan atomların çekirdeklerini birleştirilen doğrular arasındaki iç açıdır. Örneğin; İYONİK BAĞLAR Zıt yüklü katyon ve anyonların çekimine iyonik bağ denir. Atomların veya iyonların değerlik elektronları atomun çevresinde noktalar halinde gösterilebilir. Buna Lewis elektron-nokta yapısı denir. Örneğin; 11Na ile 17 CI nin oluşturduğu bileşiğin Lewis elektron-nokta gösterimi aşağıdaki şekildedir. 28

29 Bir atomun bağ oluştururken değerlik elektron sayısını 8 elektrona tamamlayarak, soygaz elektron dizilişine ulaşmalarına oktet kuralı denir. NaCI bileşiğinde her iki iyon da s 2 p 6 soygaz elektron dizilişine ulaşmıştır. Hidrojen( 1 H), Lityum( 3 Li), Berilyum( 4 Be) bu kurala uymazlar. Bu atomlar kimyasal bağ oluştururlarken Helyum( 2 He) benzeri 1s 2 elektron dizilişine ulaşırlar. Bir atomun değerlik elektron sayısını 2 elektrona tamamlayarak Helyum benzeri 1s 2 elektron dizilişi meydana getirmesine dublet kuralı denir. 3Li : 1s 2 2s 1 3Li + : 1s 2 4Be : 1s 2 2s 2 4Be +2 : 1s 2 s ve p bloku metal atomları tüm değerlik elektronlarını kaybederek bileşik oluştururlar. 11Na : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 11Na + : 1s 2 2s 2 2p 6 13Al : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 13Al +3 : 1s 2 2s 2 2p 6 31Ga : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 1 31Ga +3 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 artar. Not: İyonik bağı oluşturan elementlerin elektronegatiflikleri arasındaki fark arttıkça, iyonik bağın karakteri Örnek: I. NaF II. KF III. RbF Yukarıdaki bileşiklerdeki atomlar arası bağları iyonik karakterine göre büyükten küçüğe doğru sıralayınız. ( 11 Na, 19 K, 37 Rb, 9 F) Cevap: III > II > I Not:İyonik bağı oluşturan elementlerin iyon yarıçapları küçüldükçe iyonik bağın kuvveti (şiddeti, sağlamlığı)artar ve bileşiğin erime noktası yükselir. Örnek: I. LiF II. KF III. NaF Yukarıdaki bileşiklerdeki atomlar arası bağları iyonik bağın kuvvetine göre büyükten küçüğe doğru sıralayınız. ( 11 Na, 19 K, 3 Li, 9 F) Cevap: I > III > II Örnek: X, Y, Z elementleri halojendir ve atom numaraları X > Y > Z dir. X, Y ve Z elementlerinin 11Na ile oluşturdukları iyonik bileşiklerin erime noktalarını karşılaştırınız. Cevap: NaZ > NaY > NaX Örnek: 12 X ile 7 Y nin oluşturduğu iyonik bileşik için aşağıdaki yargılardan hangileri doğrudur. I. Formülü X 3 Y 2 dir. II. Bileşikteki iyonlar izoelektroniktir. III. Katı halde elektrik akımını iletir. Cevap: I ve II Örnek: X elementi 3.periyot 1A grubundadır. Y elementi 2.periyot 7A grubundadır. Buna göre, X ile Y nin oluşturduğu kararlı bileşik ve oluşumu için aşağıdaki yargılardan hangileri doğrudur. I. Bileşik oluşumu sırasında X in atom çapı azalır. II. Bileşik formülü XY dir. III. Bileşiğin sulu çözeltisi elektrik akımını iletir. Cevap: I II ve III Örnek: 11 Na ve 16 S elementlerinin oluşturacağı bileşik ile ilgili aşağıdaki yargılardan hangileri doğrudur. I. Elektron-nokta gösterimi ve formülü Na 2 S dir. II. Katı ve sıvı iken elektrik akımını iletir. III. İyonik katıdır. Cevap: I ve III 29

30 KOVALENT BAĞLAR Atomların elektron ortaklığı yaparak oluşturdukları bağlara kovalent bağ, bileşiklere ise moleküler bileşikler veya kovalent bileşikler denir. Kimyasal bağ oluşum eylemine, atomların yalnızca değerlik elektronları katılır. Yarı dolu değerlik orbitalleri, tam dolu olacak şekilde bağ yapmaya çalışır. Her kovalent bağ, zıt spinli elektronlardan oluşur. Zıt spin, atomun molekül içinde daha düşük enerjili ve daha kararlı olmasını sağlar. 1-APOLAR KOVALENT BAĞ Kovalent bağ oluşurken bağı oluşturan elektron çiftinin iki atom tarafında eşit paylaşılmasıdır. Bu durum yük dağılımının homojen olmasını ve molekülün kutupsuz (apolar) olmasını sağlar. Bir bağın apolar olması için bağı oluşturan elektronlar elektronegatiflikleri eşit olan atomlar tarafından kullanılmalıdır. Bu sebeple aynı tür ametal atomları apolar kovalent bağ oluşturur. Buna göre; H 2, F 2, N 2, O 2 gibi aynı tür ametal atomları içeren moleküllerdeki bağlar apolar kovalenttir. Örnek: F 2 molekülünün orbital şeması ile gösterimi. F 2 molekülünün elektron-nokta formülü ile gösterimi Örnek: O 2 molekülünün orbital şeması ile gösterimi. O 2 molekülünün elektron-nokta formülü ile gösterimi 2-POLAR KOVALENT BAĞ Kovalent bağ oluşumunda bağı oluşturan elektron çiftlerinin moleküldeki atomlar tarafından eşit paylaşılmaması sonucu oluşan bağdır. Molekülde elektronegatifliği daha fazla olan atom, elektronların paylaşımında daha fazla pay aldığından kısmen negatif (-) yükle yüklenir. Diğer atom da kısmen pozitif (+) yük alır. Kısaca, polar kovalent bağ elektronegatiflik farkından dolayı kısmi elektrik yüklü olan iki atom arasındaki bağdır. Kısmi yükler bir elektriksel dipol momente yol açar. Buna göre; HCI, HBr, H 2 O, HF, CH 4 gibi farklı tür ametal atomları içeren moleküllerdeki bağlar polar kovalenttir. Örnek: HCI molekülü oluşurken Hidrojen atomunun 1s orbitali ile Flor atomunun 2p orbitali örtüşür Örnek: H 2 O molekülü oluşurken iki hidrojen atomunun 1s orbitali ile Oksijen atomunun iki tane 2p orbitali örtüşür 3- KOORDİNE KOVALENT BAĞ Bazı molekül veya iyonlarda kovalent bağ oluşurken bağ yapımına katılan elektron çifti yalnızca bir atom tarafından karşılanır. Bu tür kovalent bağlara koordine kovalent bağ denir. 30

31 + Örnekler: NH 4 iyonunda hidrojen atomlarından birinin N ile yaptığı bağda elektronu yoktur. Bağ yapımında kullanılan elektron çifti N atomu tarafında karşılanmıştır. (1)numaralı oksijenin S ile yaptığı bağda elektronu yoktur. Bu bağda elektron çifti S atomu tarafından karşılanmıştır. BF 3 molekülünde B atomunun bağ yapmamış değerlik elektronu yoktur. BF 3 molekülü NH 3 molekülü ile N atomunun bağ yapmamış elektron çiftini kullanarak bağ oluşturur. Not: Farklı tür atomlar arasındaki kimyasal bağın kesinlikle iyonik ya da kovalent karakter taşıdığını söylemek doğru değildir. Atomlar arasındaki bağların iyonik ya da kovalent karakterini, atomların elektronegatiflik farkı belirler. Şöyle ki; kimyasal bağı oluşturan atomlar arasındaki elektronegatiflik farkı 1,7 den büyük olan kimyasal bağlar kısmi iyonik karakteri daha fazladır. Kimyasal bağı oluşturan atomlar arasındaki elektronegatiflik farkı 1,7 ise %50 iyonik karakter taşır. Örnek: H 2 H H bağı, aynı elementin atomları bağ yaptığından saf kovalent bağ yani apolardır. OF 2 O F bağı, atomların elektronegatiflik farkı 4,0 3,5 = 0,5 olduğundan az polardır. HCI H CI bağı, atomların elektronegatiflik farkı 3,0 2,1 = 0,9 olduğundan polar kovalenttir. LiBr Li Br bağı, atomların elektronegatiflik farkı 2,8 1,0 = 1,8 olduğundan kısmi iyoniktir. KF K F bağı, atomların elektronegatiflik farkı 4,0 0,8 = 3,2 olduğundan oldukça iyoniktir. METALİK BAĞ Metal olarak tanımlanabilen elementlerin elektron yapılarındaki iki temel özellik; 1. Metal atomlarının iyonlaşma enerjilerinin düşük olmasıdır. Yani atomların değerlik elektronları atomdan kolay uzaklaştırılabilir. 2. Atom yapılarında boş değerlik elektronlarının bulunmasıdır. Örneğin: 3Li : 1s 2 2s 1 2p x 0 2p y 0 2p z 0 20Ca : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 0 4p x 0 4p y 0 4p z 0 Katı halde metal atomlarını metalik bağ bir arada tutar. Metallerdeki atomların değerlik elektronları sadece bir tek atoma ait olmayıp, metali oluşturan bütün atomlara aittir. Hareketli elektronlar, zamanlarının bir kısmını komşu atomlar ile ortaklaşa kullanırlar. Böylece az bir ölçüde de olsa, her metal atomunun oktedi tamamlanmaya çalışılır. Metallerde bir elektron çifti birçok atomu bir arada tutar. Metal bağı modeline göre metal, bir elektron denizine gömülmüş artı yüklü tanecikler topluluğudur. Bir metaldeki bağ elektronları tüm kristal boyunca dağılmıştır. (delokalize) Bu delokalizasyondan kaynaklanan büyük kohezyon kuvveti metalin sertlik ve dayanıklılarını belirler ve bu özellikler metalik bağ elektronlarının sayısı arttıkça artar. Örneğin: 11Na için; değerlik elektron sayısı 1, Na nın erime noktası 97,6 C dir. 13Al için; değerlik elektron sayısı 3, Al nin erime noktası 660 C dir. Delokalize elektronlarının hareketliliği metallerin ısı ve elektriği iyi iletmesini sağlar. Atom yarıçapı küçüldükçe metalik bağın kuvveti artar. Bir metalik katıda katyonlar, muntazam bir düzene göre yerleşmiştir ve elektron bulutuyla çevrilmiş olarak bulunur. Elektronların hareketliliğinden dolayı metallerin karakteristik parlaklıkları vardır. Işın demeti metal yüzeyine çarptığında, ışının oluşturduğu elektriksel alan hareketli elektronları ileri geri hareket ettirir. Bu hareketli elektronlar ışın yayar ve bunu parlaklık olarak görürüz. Metallerin tel ve levha haline gelebilmesi ve dövülebilirliği de elektronların hareketliliği ile ilgilidir. İyonik yarıçap Kovalent yarıçap Metalik yarıçap 31

32 2-ZAYIF ETKİLEŞİMLER Moleküller arası etkileşimler maddenin katı, sıvı ve gaz halinde olmasını belirler. Moleküller bileşiklerde moleküller arasındaki etkileşimlerin gücü katı ve sıvılarda erime ve kaynama noktalarının yüksekliğini belirlerken, gaz halindeki maddelerin ise ideal gaz davranışından sapma miktarını belirler. 1.VAN DER WAALS KUVVETLERİ (LONDON KUVVETLERİ) Bir Atomun veya molekülün elektron bulutunun simetrisi bazı etkiler sonucu bozulur. Elektronların simetrisi bozulunca anlık geçici dipol momentler (kutuplaşma) oluşur. Bunun sonucunda elektronların toplandığı uç kısmen negatif, diğer uç kısmen pozitif kazanır. Farklı atom veya moleküllerin anlık kısmi yükleri birbirini çeker ve böylece moleküller birbirine bağlanır. Soy gaz atomları da anlık küçük dipol momentler oluşturur. Van der Waals kuvvetleri polar ve apolar tüm molekül türleri arasında oluşur. Apolar moleküller arasında etkin olan tek kuvvettir. Yalnızca Van der Waals kuvvetleri bulunduran maddeler; a) Soy gazlar: He, Ne, Ar. b) Moleküler elementler: O 2, N 2, F 2, CI 2, I 2 c) Molekülleri apolar olan bileşikler: CH 4, C 2 H 6, CCI 4, BH 3, CO 2, CS 2 Van der Waals (London) kuvvetleri molekül yada atom büyüdükçe artar. Moleküllerin büyüklüğü, elektron sayısı ve kütle ile paralel gider. Van der Waals kuvvetlerinin şiddeti erime ve kaynama noktalarını belirler. Bu sebeple moleküller büyüdükçe erime ve kaynama noktaları yükselir. 9F, 17 CI, 35 Br, 53 I atomlarından oluşan F 2, CI 2, Br 2 ve I 2 moleküllerinin oluşturduğu maddelerin kaynama noktaları; F 2 < CI 2 < Br 2 < I 2 dir. Bunun nedeni elektron bulutunun artmasıdır. Bununla birlikte molekül kütlelerinin de artığı görülür. Molekül kütlelerindeki artıştan da aynı sonuca varılır. Molekülün yapısı da Van der Waals kuvvetlerinin şiddetini etkiler. Hidrokarbonlarda elektron sayısı ve molekül kütlesi eşit olmasına rağmen izomerlerinin molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri farklıdır. Uzun zincirli bileşiklerin molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri, dallanmanın fazla olduğu bileşiklerin molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinden daha fazladır. Bunun nedeni, uzun zincirli bileşiklerin diğerlerine göre daha büyük yüzeyli olması ve bunun sonucunda da temas yüzeyinin daha fazla olmasıdır. Örnek: Aşağıdaki bileşiklerin, kapalı formülleri, molekül kütleleri ve birer moleküllerindeki elektron sayıları eşittir. Buna göre kaynama noktalarını karşılaştırınız. Cevap:t I > t III > t II Örnek:CF 4, CH 4, CCI 4 maddelerini normal kaynama noktalarına göre sıralayınız. (F:19, H:1, CI:35,5) Cevap: CCI 4 >CF 4 > CH 4 2.DİPOL-DİPOL ETKİLEŞİMLERİ (POLAR ETKİLEŞİM) Bir polar molekülün kısmi yüklerinin, komşu molekülün kısmi yükleri ile etkileşmesine dipol-dipol etkileşimi denir. Bu etkileşim Van der Waals kuvvetlerine ilave bir etkileşimdir. Etkileşimi, Van der Waals etkileşiminden daha fazladır. Dipol-dipol etkileşimlerinin gücü bağ dipollerinin büyüklüğüne ve molekülün şekline bağlıdır. İki atomlu moleküllerde dipol-dipol etkileşiminin gücü molekülü oluşturan atomlar arasındaki elektronegatiflik farkına bağlıdır. Atomlar arasındaki elektronegatiflik farkı arttıkça dipol-dipol etkileşim gücü artar. Molekülde elektron sayısı da arttıkça dipol-dipol etkileşim artma eğilimi gösterir. Polar moleküller, moleküldeki dipol-dipol etkileşimden dolayı çoğu zaman sıvı ya da katıdır. Örnek: I.CH 3 CI II.CH 4 III.CH 2 CI 2 Yukarıda verilen bileşiklerin kaynama noktaları t 1, t 2 ve t 3 tür. Buna göre kaynama noktalarını karşılaştırınız. Cevap: t 3 >t 1 >t 2 32

33 3.HİDROJEN BAĞI Bir dipol-dipol etkileşimidir. Fakat belli bir gücün üzerinde olanıdır. Hidrojen bağının oluşumu belli şartlara bağlıdır. 1. Moleküler bileşiğin molekülleri polar olmalıdır. 2. Bileşiğin molekülü H atomu içermelidir. 3. Bileşiğin molekülleri elektronegatifliği yüksek, küçük boyutlu F, O, N gibi atomlardan en az birini içermelidir. 4. F, O, N atomları H atomlarıyla direkt bağlı olmalıdır. Örneğin:H 2 O, HF, NH 3, CH 3 OH gibi maddelerin molekülleri arasında hidrojen bağı oluşur. CH 3 OCH 3 molekülleri arasında vech 3 F molekülleri arasında hidrojen bağı oluşturmaz. CH 3 OCH 3 CH 3 F CH 3 OH Hidrojen Bağı: 1. Suya olağan üstü özellik kazandırır. 2. Moleküler bileşiklerin molekülleri arasında oluşan bağların içinde en kuvvetli olanıdır. Bazı hallerde buhar fazında dahi bozulmaz. Kovalent bağdan zayıf, Var der Waals ve dipol-dipol etkileşimlerinden kuvvetlidir. 3. Hidrojen bağı ile oluşan bileşikler suda iyi çözünür. Bu tür maddelerin molekülleri, su molekülleri ile hidrojen bağı oluşturur. 4. Hidrojen bağı ile oluşan bileşiklerin kaynama noktaları yüksek olur. Örnek: Kaynama noktaları Örnek:Aşağıda verilen maddelerin hangisinin normal kaynama noktasının en yüksek olması beklenir. A) CH 3 -CH 3 B) CH 3 -CH 2 -CH 3 C) CH 3 -O-CH 3 D) CH 3 -CH 2 -CH 2 -OH E) Cevap: E 33

34 MADDENİN HALLERİ (Ünite-4) GAZLARIN GENEL ÖZELLİKLERİ Maddenin en düzensiz ve en yüksek enerjili halidir. Yunancada kaos anlamına gelir. Bir gazın molekülleri birbirinden çok uzaktır ve gelişigüzel hareket halinde bulunurlar. Bir gazın sıcaklığı ne kadar yükselirse, moleküllerin ortalama hızları da o kadar artar. Belli hacimleri ve şekilleri yoktur. İçinde bulundukları kabın hacmini ve şeklini alır. Gaz taneciklerinin öz hacimleri serbest dolaşabildikleri toplam hacimleri yanında sıfır sayılabilir. Gaz tanecikleri arasındaki çekim kuvveti çok küçüktür. Gaz tanecikleri sürekli hareket halindedir. Titreşim, dönme ve öteleme hareketi yaparlar. Gazlar tanecikleri her oranda ve homojen olarak karışırlar. Bu sebeple gaz karışımları çözeltidir. Gaz tanecikleri bulundukları kabın her yerine aynı basıncı yaparlar. Kolaylıkla sıkıştırılabilen akışkan maddelerdir ve saydamdırlar. Boşlukta diğer gazlar arasında yayılabilirler. Gazlar sıcaklık karşısında, katı ve sıvılara göre daha hızlı genleşirler. Sıcaklıkla genleşme katsayıları gazlar için ayırt edici özellik değildir. Tüm gazların sıcaklıkla genleşme katsayıları eşittir. Gazların öz kütlesi, katı ve sıvıların öz kütlesinden küçüktür. Gazların öz kütlesi, basınç ve sıcaklık koşullarına göre değişir. Gaz halinde soy gazlar ve metaller tek atomlu, diğer ametaller ve ametallerin oluşturduğu bileşikler en az iki atomlu halinde bulunurlar. GAZLARIN ORTAK ÖZELLİKLERİ Gazların fiziksel özelliklerini belirleyen ve birbirini doğrudan etkileyen özelliklerine temel ve ortak özellik denir. Bunlar; gazın basıncı, gazın sıcaklığı, gazın miktarı ve gazın hacmi. 1-Gazın Basıncı: Basınç, birim yüzeye etki eden kuvvettir. Gaz molekülleri düzensiz hareketleri ile yayılırken içinde bulundukları kabın yüzeylerine (çeperlerine) çarparlar ve bu çarpmalar sonucunda bir kuvvet uygularlar. Gaz basıncı; birim zamanda birim yüzeye çarpan taneciklerin uyguladıkları kuvvetlerin toplamıdır ve çarpmanın şiddetine ve çarpmanın sayısına bağlıdır. Basınç kütlenin akış yönünü belirler. Dışarıdan bir etki yapılmadığı sürece, gazlar yüksek basınçlı bir yerden düşük basınçlı bir yere doğru akar. Örneğin; otomobil lastiğindeki basınç dış basınçtan yüksektir. Katıların basıncı P basınç, m kütle, S taban alanı, g yer çekimi ivmesi Sıvıların Basıncı P = d.h.g d özkütle, h yükseklik Gazların basıncı sıvıların basıncı yardımı ile ölçülür. Bundan dolayı gazların basıncının birimi daha çok cıvanın yüksekliği cinsinden ifade edilir. En çok kullanılan basınç birimleri; mmhg, cmhg, atm dir. 760 mmhg = 76 cmhg = 1 atm Atmosfer Basıncının Ölçülmesi: Açık hava basıncı tüp içersindeki cıvanın kütle basıncını dengelemektedir. Açık hava basıncı genellikle P 0, P atm, P hava şeklinde gösterilir. Gaz basınçları ölçümündeki düzeneklerde kullanılan en uygun sıvı öz kütlesi en yüksek olan cıvadır. P h = h cmhg Cam borudaki sıvı yüksekliği sıvının öz kütlesine bağlı olarak değişir. Cıva yerine su kullanılırsa; P su = P cıva h su. d su = h cıva. d cıva h su. 1 g/cm 3 = 76 cm. 13,6 g/cm 3 h su = 1033,6 cm Genel ifade: h sıvı. d sıvı = h cıva.d cıva şeklindedir. Gaz Basıncının Ölçülmesi: Kapalı kaplardaki gazların basıncı manometre ile ölçülür. Manometreler, barometreler örnek alınarak yapılmıştır. Manometre U şeklinde cam borudur. İki tür manometre vardır. 34

35 Kapalı Uçlu Manometre:Bir ucu açık diğer ucu kapalı olan U borusundan ibarettir. Manometrenin açık ucuna basıncı ölçülecek gazın bulunduğu kap bağlanır. Gazın basıncı U borusundaki cıva seviyeleri arasındaki farka eşittir. P gaz = h cmhg Açık Uçlu Manometre: İki ucu da açık olan U borusundan ibarettir. Manometrenin açık uçlarından birine basıncı ölçülecek gazın bulunduğu kap bağlanır. Bu durumda üç konum ortaya çıkar. P gaz = P hava P gaz < P hava P gaz > P hava P gaz = P hava -h P gaz = P hava + h Örnek: Yandaki düzenekte açık hava basıncı 76 cmhg olduğuna göre, X gazının basıncı kaç cmhg dır. Çözüm: P Y = P hava + h P Y = = 90 cmhg P X = P Y + h P X = = 106 cmhg Örnek: Yandaki verilen açık uçlu manometrede cıva ve su bulunuyor. Açık hava basıncı 74 cmhg olduğuna göre, X gazının basıncı kaç cmhg dir. Çözüm:h su. d su = h cıva. d cıva P X < P hava g/cm 3 = h cıva. 13,6 g/cm 3 P X = P hava - 3 h cıva = 5 cm P X = 74 3 = 71 cmhg 2-Gazın Sıcaklığı: Isı, bir maddenin taneciklerinin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır. Sıcaklık, bir maddenin taneciklerinin enerjilerinin ortalamasıdır. Diğer bir ifade ile bir maddenin ısı derecesinin bir ölçüsüdür. Sıcaklık ısının akış yönünü belirler. Isı, yüksek sıcaklıktaki yerden, düşük sıcaklıktaki yere doğru akar. Suyun donma noktasını 0, kaynama noktasını 100 kabul eden ve arasını 100 eşit parçaya bölen sıcaklık birimine santigrat denir ve C ile gösterilir. Suyun donma noktasını 32, kaynama noktasını 212 kabul eden ve arasını 180 eşit parçaya bölen sıcaklık birimine fahrenhayt denir ve F ile gösterilir. Gazların, sıcaklıkları azaldığında hızları da azalır. Her 1 C lik sıcaklık düşüşünde gazın enerjisinin de azaldığı görülür. Teorik olarak -273 C ye ulaşıldığında taneciklerin titreşim, dönme ve öteleme hareketleri durur, kinetik enerjisi sıfır olur. Ulaşılabilecek en düşük sıcaklık olan bu sıcaklık değerine mutlak sıfır veya sıfır kelvin denir. Kelvin sıcaklık birimine ise mutlak sıcaklık denir. T(K) = t( C) Gazın Miktarı: Gazın miktarı mol sayısı olarak belirtilir. Gazın miktarı mol olarak verilmemiş ise aşağıdaki bağıntılar yardımı ile mol olarak hesaplanır. 35 kat

36 4-Gazın Hacmi: Hacim; sıcaklık, basınç ve miktarla değişir. Bir maddenin bir mol gramının kapladığı hacme molar hacim denir. Gazların molar hacmi basınç ve sıcaklıkla değişir. Sıcaklığın 0 C ve basıncın 1 atm olduğu koşullarda (normal koşullar) tüm gazların molar hacimleri 22,4 litredir. Sıcaklığın 25 C ve basıncın 1 atm olduğu koşullarda (oda koşulları) tüm gazların molar hacimleri 24,5 litredir. GAZLARIN KİNETİK TEORİSİ Moleküller arasındaki çekim kuvvetlerinin sıfır kabul edildiği ve moleküllerin kendi hacimlerinin dikkate alınmadığı bir gaza, ideal gaz denir. Böyle bir gaz gerçekte yoktur. Düşük sıcaklık ve yüksek basınç koşullarındaki gaz moleküllerinin kinetik enerjisi azalır ve moleküller arası çekim kuvveti arttığından sıvılaşmaya yaklaşır. Bu koşullardaki gaz ideallikten uzaklaşarak gerçek gaz adını alır. Yüksek sıcaklık ve düşük basınç koşullarındaki gaz moleküllerinin kinetik enerjisi artar ve moleküller arası çekim kuvveti azalır. Bu koşullardaki gaz, ideal gaza yakın davranış gösterir. Kaynama noktası düşük olan maddelerin gaz hali, aynı koşullarda diğer maddelerin gaz hallerine göre daha ideal gaza yakın davranış gösterir. Örnek: Aşağıda verilen gazların hangisinin davranışı, ideal gaz davranışına en yakındır. (H 2 :2, O 2 :32, He:4) a) NK daki H 2 gazı d) 1 atm basınç ve 127 C deki He gazı b) 2 atm basınç ve 127 C deki H 2 gazı e) 1 atm basınç ve 127 C deki H 2 gazı c) 1 atm basınç ve 27 C deki O 2 gazı Cevap: E Örnek: Sıvı NH 3 (amonyak) kaynama noktası -33 C ve sıvı SO 2 (kükürtdioksit) kaynama noktası -10 C dir. Buna göre, aşağıdaki gaz örneklerinden hangisi 25 C de ideal gaza en yakın davranış gösterir. a) 1 atm basınçta NH 3 b) 0,5 atm basınçta NH 3 c) 1 atm basınçta SO 2 d) 0,5 atm basınçta SO 2 e) 2 atm basınçta NH 3 Cevap: B Örnek: Aşağıda verilen gerçek gazlardan hangisi diğerlerine göre ideale daha yakın davranış gösterir. Basınç Sıcaklık a) 0,1 273 C b) 0,1 273 K c) 0,5 0 C d) 0,5 27 C e) K Cevap: A İdeal gazların davranışlarını kurumsal bir model olarak açıklayan teoriye gazların kinetik teorisi denir. B teoriye göre; 1. Bir gaz, sürekli olarak rastgele ve doğrusal hareket halinde olan moleküllerden oluşur. Çarpışmalar sonucu moleküllerin yönü değişir ve moleküller arasında enerji alışverişi olur. Ancak moleküller esnek çarpışmalar olduğundan enerji kaybı olmaz ve dolaysıyla moleküllerin ortalama hızı değişmez. 2. Gaz molekülleri sonsuz küçük boyutludur. Bir gaz molekülünün hacmi bulundukları kabın hacminin yanında önemsenmeyecek kadar küçüktür. 3. Moleküller arası çekim kuvveti önemsenmeyecek kadar küçüktür. Moleküller birbirinden bağımsız olarak davranırlar. Bulundukları kabı tamamıyla doldururlar ve her bölgeye homojen dağılırlar. Bundan dolayı içinde bulundukları kabın her noktasına eşit basınç uygularlar. 4. Belli koşullarda bir gazda bulunan moleküller, farklı hız ve farklı kinetik enerjiye sahiptirler. Bundan dolayı moleküllerin ortalama hızı ve moleküllerin ortalama kinetik enerjisi kullanılır. Bir gazın moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi sadece sıcaklıkla değişir. Moleküllerin ortalama kinetik enerjisi mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. İki farklı gazın mutlak sıcaklığı eşit ise, moleküllerin ortalama kinetik enerjileri de eşittir. T A = T B KE A = KE B dir. 36

37 Aynı koşullarda moleküllerin ortalama hızı molekül kütlesinin karekökü ile ters orantılı ve mutlak sıcaklığın karakökü ile doğru orantılıdır. V moleküllerin ortalama hızı M A mol kütlesi GAZLARIN YAYILMASI (DİFÜZYONU) Bir gazın başka bir gaz içersinde dağılmasına gazların yayılması veya gazların difüzyonu denir. Aynı sıcaklıkta molekül kütlesi küçük olan gazlar daha hızlı yayılır. Aynı sıcaklıkta bulunan farklı iki gazın moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri eşittir. ) (Graham Difüzyon formülü) Bu yasaya göre; farklı gazların yayılma hızlarının oranı mol kütlelerinin kara kökü ile ters orantılıdır. Aynı sıcaklık ve basınç koşullarında, aynı sayıda moleküller aynı hacmi kaplayacağından mol kütlesi yerine öz kütle kullanılabilir. ( P ve T eşit) Gaz moleküllerinin kapalı bir kaptan küçük bir delik aracılığı ile dışarı geçişleri olayına efüzyon denir. Difüzyon için geçerli formüller efüzyon için de geçerlidir. Gazların efüzyon sırasında bir kabı boşaltırken harcadıkları zaman ile efüzyon hızları ters orantılıdır. ( P ve T eşit) t = zaman Örnek: X gazının molekül kütlesi 4 gram dır. X ve Y gazlarının aynı sıcaklıktaki hızlarının oranı olduğuna göre 0,5 mol Y gazı kaç gramdır. Çözüm: 0,5 mol Y = 32 gram dır. Örnek: Şekildeki kaplarda bulunan gazları sıcaklıkları ve basınçları eşittir. A ve B arasında bulunan cam boruda hava bulunmaktadır. M ve N vanaları aynı anda açılıyor. CH 4 ve SO 2 gazları A noktasından kaç cm uzakta karşılaşırlar. (C:12, H:1, S:32, O:16) Çözüm: SO 2 nin aldığı yol x cm ise, CH 4 nin aldığı yol 2x cm olur. x + 2x = 90 cm 3x = 90 x = 30 cm CH 4 nin aldığı yol; 2.30 = 60 cm olur. 37

38 GAZ KANUNLARI 1.Miktar-Hacim İlişkisi (Avogadro Hipotezi): Bir gazın bir molünün kapladığı hacme molar hacim denir. Bütün molar hacimler, gazın cinsine bağlı olmaksızın birbirine eşittir. Gazların molar hacmi sıcaklık ve basınca bağlıdır. Aynı koşullarda gazların eşit hacimlerinde, eşit sayıda molekül bulunur. Bu avogadro hipotezi olarak bilinir. V α n (P ve T sabit) Sabit basınç ve sıcaklıkta bir gazın işgal ettiği hacim, moleküllerinin mol sayısı ile doğru orantılıdır. Soru: 8 gram CH 4 gazının 30 litre kapladığı koşullarda 8 gram SO 3 gazı kaç litre hacim kaplar. Cevap: 6 litre 2.Basınç-Hacim İlişkisi (Boyle Yasası): Miktarı ve sıcaklığı sabit olan bir gazın hacmi azaltıldığında birim hacimdeki molekül sayısı artar. Birim zamanda, birim alana çarpan molekül sayısı artar. Bu da basıncı artırır. Sabit sıcaklıkta belli bir miktar gazın basıncı, hacmi ile ters orantılıdır. Bu Boyle yasası olarak bilinir. ( T ve n sabit) Bir gazın iki durumu yada iki farklı gaz için:p 1.V 1 = P 2.V 2 dir. (T ve n sabit) İkiden fazla gazın karışımında ise; P 1.V 1 + P 2.V = P son.v toplam dir. (T ve n sabit) Örnek: Şekilde verilen I.kaptaki X gazının basıncı 1,2 atm dir. II.kap ise boştur. Sabit sıcaklıkta M musluğu açılıyor ve yeterli süre bekleniyor. Buna göre; son basınç kaç atm olur ve X gazının % kaçı II.kaba geçer. Çözüm: V 1 = 3litre V 2 = 3+2 = 5 litre P 1.V 1 = P 2.V 2 1,2.3 = P 2.5 P 2 = 0,72 atm P 1 = 1,2 atm P 2 =? X gazı her iki kaba da homojen olarak dağılacağından gazın %60 sı I.kaba, % 40 II.kapta bulunur. Örnek: Açık hava basıncının 1 atm olduğu koşulda bulunan II.kapta Y gazı, I. Kapta ise X gazı bulunuyor. Sabit sıcaklıkta M musluğu açılıyor ve yeterli süre bekleniyor. Soldaki manometrenin cıva seviyeleri arasındaki fark kaç cm olur. Çözüm:P Y = P 0 + h P Y = = 120 cmhg 1.Yol: X gazı için; P 1.V 1 = P 2.V = P 2.12 P 2 = 20 cmhg Y gazı için; P 1.V 1 = P 2.V = P 2.12 P 2 = 80 cmhg P T = = 100 cmhg 2.yol: P 1.V 1 + P 2.V 2 = P son.v toplam = P son.12 P son = 100 cmhg 38