GENEL KİMYA
ATOMUN ELEKTRON YAPISI
Bohr atom modelinde elektronun bulunduğu yer için yörünge tanımlaması kullanılırken, kuantum mekaniğinde bunun yerine orbital tanımlaması kullanılır. Orbital, elektronun kuantum sayıları ile belirlenen dalga fonksiyonudur. Her orbitalin kendine özgü bir elektron yoğunluğu ve enerjisi vardır. Atomdaki elektronun bulunabileceği enerji düzeyleri ve dalga fonksiyonları kuantum sayıları ile ifade edilir.
Bohr atom kuramına göre, elektron çekirdek etrafında belirli enerji düzeylerinde dolaşmaktadır. Bu enerji düzeyleri kuantum sayıları ile belirtilebilir. Kuantum mekaniğinde atomlardaki elektron dağılımlarını açıklayabilmek için kuantum sayısı gereklidir. Dalga Mekaniğinde, birden çok elektron içeren bir atomda elektronlar kabuklara dağıtılmıştır. Kabukların bir veya daha fazla alt kabuktan, alt kabuklarında bir veya daha fazla orbitalden oluştuğu var sayılır. Atomun her elektronu, kabuk, alt kabuk, orbital ve elektronu gösteren 4 kuantum numarasıyla tanımlanır.
Kuantum sayıları ; 1. Baş kuantum sayısı (n) (büyüklüğü belirtir) 2. Açısal momentum kuantum sayısı (l) (şekli belirtir) 3. Manyetik kuantum sayısı (m ) (uzaydaki yönlenmeyi belirtir.) 4. Spin kuantum sayısı (m s ) Kuantum sayıları atom orbitallerinin ve bu orbitallerde yer alan elektronların belirlenmesinde kullanılır. Çekirdekten uzaklaştıkça elektronun enerjisi de artar. Elektronlar, bulundukları enerji seviyesinin enerjisine sahiptir. Enerji seviyeleri atom çekirdeğine yakınlığına göre n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 gibi tamsayılarla veya K, L, M, N, O, P, Q gibi harflerle ifade edilirler.
1. Baş kuantum sayısı (n: 1,2,3,..); Baş kuantum sayısı elektron bulutunun çekirdeğe olan uzaklığı ile ilgilidir. n ile gösterilir, sıfırdan büyük tamsayılardır. n=1,2,3,4..gibi tam sayılarla gösterildiği gibi,elektron kabuklarını ifade etmek üzere K,L,M,N,O gibi harflerle gösterilir. Elektronun ait olduğu kabuğu ya da enerjiyi belirtir. Bu enerji seviyelerine elektron kabukları da denir. Yörünge numarası olarak ta bilinir.
Baş kuantum sayısının değeri ne kadar büyükse elektron bulutu çekirdekten o kadar uzaktır. Elektronun potansiyel enerjisi o kadar büyüktür. n=1: 1s n=2: 2s 2p n=3: 3s 3p 3d n=4: 4s 4p 4d 4f n=5: 5s 5p 5d 5f 5g
2. Orbital Açısal Momentum Kuantum Sayısı (l=0,1,2,3,.,n-1) : Elektron bulutlarının şekillerini ve şekil farkı nedeni ile enerji seviyelerinde nasıl ayrılmanın olabileceğinin belirtmek üzere yan kuantum sayısı kullanılır. Buna orbital kuantum sayısı da denir. l harfi ile gösterilir. Baş kuantum sayısına bağlı olarak sıfırdan (n-1 ) e kadar pozitif sayılarla ifade edildiği gibi s, p, d, f.. gibi harflerle de gösterilebilir.
n=1 alt kabuk sayısı 1, n=2 alt kabuk sayısı 2, n=3 alt kabuk sayısı 3 tür. Bir kabuktaki her alt kabuk bir orbital açısal momentum kuantum sayısı (l) ile tanımlanır. l =0,1,2,3 (n-1).
n=1 ise l sadece 0 değerini alır; n=1 için sadece 1 alt kabuk vardır. l =0 değerini aldığında elektron s orbitalinde bulunur. n=2 ise l sırasıyla 0, 1 değerini alır; n=2 için sadece 2 alt kabuk vardır. l =1 değerini aldığında elektron p orbitalinde bulunur. n=3 ise l sırasıyla 0, 1, 2 değerini alır; n=3 için sadece 3 alt kabuk vardır. l =2 değerini aldığında elektron d orbitalinde bulunur. n=4 ise l sırasıyla 0, 1, 2, 3 değerini alır; n=4 için sadece 4 alt kabuk vardır. l =3 değerini aldığında elektron f orbitalinde bulunur. Her yörüngede yörünge numarası kadar orbital türü (alt-kabuk) bulunur.
İlk beş elektron kabuğu için alt kabuklar n 1 2 3 4 5 0 0, 1 0, 1, 2 0, 1, 2, 3 0, 1, 2, 3, 4 l s s, p s, p, d s, p, d, f s, p, d, f, g
l = 0, 1, 2, 3,.(n-1) s p d f s sharp (keskin) p principal (asıl, baş) d diffuse (yayılmış) f fundamental (temel) sıfatlarının baş harfleridir. Bundan sonra harfler alfabetik sırayı takip eder.
Elektronların çekirdek etrafında bulunma olasılıklarının yüksek olduğu enerji bölgelerine orbital denir. Atom çekirdeği çevresinde s, p, d ve f olmak üzere 4 ayrı tip orbital vardır. Bu orbitallerin alabileceği maksimum elektron sayısı sırasıyla 2, 6, 10 ve 14 tür.
s orbitali: Tek tip olup küreseldir. Bir orbitalden oluşur. Küresel olduğundan manyetik bir alan bir s elektronun enerjisine etki etmez. Bir küre nasıl çevrilirse çevrilsin belirli bir referans noktasına göre küre aynı görünür.
p orbitali: p orbitalleri px, py ve pz olmak üzere üç özdeş orbitalden oluşur. p orbitali küresel değildir. p-alt-kabuklarından her biri yöneltileri değişik olan 3 orbitalden oluşmuştur. Her bir p orbitali mağnetik alan içinde kuvvet çizgilerine göre farklı durumlar gösterir. Ancak her 3 p orbitali enerji bakımından eşittirler.
d orbitali: d orbitalleri dxy,dxz, dyz, d x2-y2 ve d z2 olmak üzere beş özdeş orbitalden oluşur.
f orbitali: f orbitalleri z 3, xz 2,xyz, x(x 2-3y 2 ), yz 2, z(x 2 -y 2 ), y(3x 2 -y 2 ) olmak üzere yedi özdeş orbitalden oluşur.
3. Manyetik kuantum Sayısı (m l = -l, (-l+1),.,-2,-1,0,1,2,.,(l-1),+l); Manyetik kuant sayısı manyetik alan etkisinde kalan orbitallerin uzaydaki yönelim biçimini ve alt enerji düzeyinde kaç orbital olduğunu gösterir. Alt enerji düzeyindeki orbital sayısı m l = 2l + 1 bağıntısı ile hesaplanır. Belli bir alt kabukta bulunan her orbital bir manyetik kuant sayısı (m) ile tanımlanır. Herhangi bir alt kabuk için m nin alabileceği değerler; m = -l, (-l+1),.,-2,-1,0,1,2,.,(l-1),+l
Enerji Seviyeleri 4S 3S 2S 3P 2P 1S
4. Spin kuantum Sayısı (ms); Elektron çekirdek etrafında dönerken aynı zamanda kendi ekseni etrafında da döner. Elektronun kendi ekseni etrafında dönme hareketine spin denir. Pauli dışlama ilkesine göre bir orbitalde bulunan iki elektron için birbirinin tersi olan +1/2 ve -1/2 olmak üzere iki değer alır. Dönmekte olan bir yük magnetik alan oluşturur. Bundan dolayı her elektronun dönmesinden oluşan ve kendisine ait olan bir manyetik momenti vardır. Ters yönde dönen 2 elektronun manyetik momentleri bir birini yok eder. Bu yüzden her bir orbital spinleri zıt olan 2 elektron bulundurabilir.
Bir enerji seviyesinde barınabilen maksimum elektron sayısı 2 n 2 ile hesaplanabilir.
Elektron Dağılımları (Yerleşimi, Dizilişi, Konfigürasyonu) 1) Elektronlar orbitale atomun enerjisini en aza indirecek şekilde yerleşir.
2) Bir atomda dört kuantum sayısı da aynı olan iki elektron bulunamaz (Pauli dışlama ilkesi). Bir orbitalde yalnızca iki elektron bulunabilir ve bu elektronlar zıt spinli olmalıdırlar.
3) Elektronlar eşenerjili orbitallere öncelikle birer birer yerleşirler. Hund kuralı.
Aufbau İşlemi En yüksek baş kuantum sayısına sahip elektron kabuğunda (en dış kabuk veya değerlik kabuğu) bulunan elektronlara değerlik elektronları denir. Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 [Ne] 3s 1 [Ne]: asal gaz göbeği denir. Ca: [Ar] 4s 2
Elektron Dağılımları ve Peryodik Çizelge Periyodik çizelgenin aynı grubunda yer alan elementler, benzer elektron dağılımına sahiptir.
*1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 elektron dağılımına sahip element hangisidir? Toplam elektron sayısı= 17 *[Ar] 3d 10 4s 2 4p 3 elektron dağılımına sahip element hangisidir?
* Civanın elektron dağılımı nasıldır? Hg: [Xe] 6s 2 4f 14 5d 10 Hg: [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2
Küresel simetri Bir atomun elektron dizilişindeki en son orbital tam dolu yada yarı dolu ise atom küresel simetri özelliği gösterir ve küresel simetrik yük dağılımına sahiptir. Küresel simetri gösteren atomlarda elektronlar çekirdek tarafından simetrik çekilirler. Simetrik çekilen elektronu koparmak daha güçtür ve fazla enerji gerektirir. Küresel simetri kararlılık halidir. Bir atomun elektron dizilişi s1,s2, p3,p6, d5, d10, f7, f14 ile bitiyorsa o atom küresel simetri özelliği gösterir. Tam dolu hali: s2 p6 d10 Yarı dolu hali: s1 p3 d5 * I- 15X II- 13Y III- 25Z atomlarından hangisi yada hangileri küresel simetri gösterir?
15X: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 (p3 ile bittiği için küresel simetri) 13Y : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 (p1 ile bittiği için küresel simetri değil) 25Z : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 (d5 ile bittiği için küresel simetri) 24Cr: 1s2 2s2 2p6 3s2 4s1 3d5, 29Cu: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 elektron dizilişlerinde düzensizliğin nedeni, atomun küresel simetrik yük dağılımına ulaşmak için 4s orbitalinden bir elektronu 3d orbitaline göndermesidir. Aynı cins orbitallerde eşit sayıda elektron bulunması, atoma simetrik yük dağılımı sağlayıp, daha kararlı olmasını sağlar. 6B ve 1B grubu elementleri kendi iç bünyesindeki enerjinin bir kısmını kullanarak daha kararlı bir yapıya ulaşmak için elektron dağılımlarında s orbitalinden 1 elektron d orbitaline geçer. Küresel simetri yapısına ulaşmış olur. Bu olay uyarılma değildir. Çünkü dışarıdan enerji alınmamış ve daha kararlı yapıya ulaşılmıştır.
24Cr: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4 24Cr: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 (yanlış) (doğru) 29Cu: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9 29Cu: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 (yanlış) (doğru) * 42Mo elementinin elektron dağılımını yapınız. [Kr] 5s1 4d5
Uyarılma: Bir atoma bir miktar enerji vererek son yörüngesindeki elektronların daha yüksek enerji düzeyindeki orbitallere aktarılması olayına uyarılma denir. Kararsızlık halidir. Enerji verme olayı kesilirse yüksek enerji düzeyine çıkan elektron aldığı enerjiyi vererek temel enerji düzeyine geçer. Uyarılmış haldeki bir elektron temel hale geri dönerken, almış olduğu enerjiyi belirli bir frekansta ışık olarak dışarıya yayar. 1H: 1s1temel enerji düzeyi 1H: 2s1uyarılmış hal 6C: 1s2 2s2 2p2 temel enerji düzeyi 6C: 1s2 2s1 2p3 uyarılmış hal 11Na: 1s2 2s2 2p6 3s1 temel enerji düzeyi 11Na: 1s2 2s2 2p6 4s1 uyarılmış hal 15P: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 temel enerji düzeyi 15P: 1s2 2s2 2p6 3s1 3p3 3d1uyarılmış hal Grup ve periyot temel enerji düzeyindeki elektron dağılımına göre yapılır.
İyonların Elektron Dizilişi Elektron almış veya vermiş atoma iyon denir. Nötr bir atom elektron alarak eksi yükle yüklenirse, bu eksi yüklü atoma anyon denir. Eğer nötr bir atom elektron vererek artı yükle yüklenirse, bu artı yüklü atoma katyon denir. Anyonların Elektron Dizilişi Anyonlarda elektron dizilişi, elementin aldığı elektron sayısı nötr haldeki elektron sayısına eklenerek yapılır. 9F: 1s 2 2s 2 2p 5 (nötr) 9F - : 1s 2 2s 2 2p 6 (anyon) Katyonların Elektron Dizilişi Katyonlarda elektron dizilişi, elementin verdiği elektron sayısı nötr haldeki elektron sayısından çıkarılarak yapılır. Atomun elektron vermesi yani atomdan elektron koparmak baş kuantum sayısı en büyük olan orbitalden başlanarak gerçekleştirilir. Atomun en yüksek enerjili orbitali s veya p ise elektronlar sırasıyla önce p orbitalinden sonra s orbitalinden kopar.
11Na: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 11Na + : 1s 2 2s 2 2p 6 (nötr) (katyon) Bir atom elektron verdikçe atomun hacmi azalır. 21Sc: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 1 21Sc + : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 1 21Sc +2 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 21Sc +3 : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6