KİMYA 10 ÜNİTE-1: ATOMUN YAPISI I. BÖLÜM: Atom ve Elektrik II. BÖLÜM: Atom Modellerinin Tarihsel Gelişimi III. BÖLÜM: Kuantum (Dalga) mekaniğinin Tarihsel Gelişimi IV. BÖLÜM: Atomun Kuantum Modeli V.BÖLÜM: Bağıl Atom Kütlesi ve Mol Kavramı
I.BÖLÜM: Atom ve Elektrik I.BÖLÜM: Atom ve Elektrik I. Bölüm Konu Başlıkları: 1. Elektriklenme Deneyimlerinden Atoma 2. Faraday ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar 3. Elektronun Keşfinin Tarihsel Gelişimi 4. Elektronun Kütlesi ve Yükünün Bulunması. (Miliikan ın Yağ Damlası Deneyi) 5. Atomda Elektronun Yükü ile Pozitif Yükler Arasındaki İlişki 6. Atomun Proton Sayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi
1. Elektriklenme Deneyimlerinden Atoma Elektrik yükü ilk kez antik dönem insanları tarafından ağaç reçinesinin fosilleşmesiyle oluşan kehribarın ipek ya da yüne sürtüldüğünde küçük cisimleri çekmesi ile gözlemlenip belirlenmiştir. Aynı olayı, de plastik bir tarağı saçınıza sürttüğünüzde tarağın saçınızı çekmesinden anlayabilirsiniz. Saçımızı tararken yün kazağımızı çıkarırken çıtırtılar duyulur. Otomobilden inerken kapı kolu ile el arasında elektrik akışı olur. Bu ve benzeri örneklerdeki olayların nedeni elektriklenmedir.
Sürtünme ile Elektriklenme: Sürtünme ile elektriklenmede birbirine sürtünen cisimlerden biri diğerine elektron verir ve kendisi pozitif (+) yükle yüklenir. Elektron alan cisim üzerinde ( ) yük fazlalığı oluşacağı için negatif ( ) yükle yüklenir. Alınan yük verilen yüke eşit olduğu için yük miktarı eşittir. Cam çubuk ipek kumaşa sürtülürse, camdan ipeğe elektron geçişi olur. Cam çubuk (+), ipek kumaş ise ( ) yükle yüklenir. Plastik çubuk yünlü kumaşa sürtülürse, çubuk yünlü kumaştan elektron alır ve ( ) yükle yüklenir. Yünlü kumaş elektron verdiği için (+) yükle yüklenir. Alınan ve verilen yük miktarları eşittir.
ETKİNLİK-1: Etkinliğin Amacı: Farklı elektrik yüklerinin varlığını ayırt edebilme. Gözlem sonuçlarını tartışınız, sonuçları yanda verilen boşluğa yazınız? Bu olayın fiziksel yada kimyasal olay olup olmadığını tartışınız?
2. Faraday ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar 2. Faraday ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar Elektriklenmenin çeşitli maddelere etkisi üzerinde ilk önemli çalışmaları fizik profesörü Alessandra Volta (Alessandra Volta) olmuştur. Volta, metal çiftler arasındaki etkileşimle oluşan elektriklenme olayından yararlanarak kendi adını taşıyan pili geliştirmiştir. 1800 yılında Volta, volta pili yada esinlendiği kişiden dolayı Galvanik Pil denilen pili buldu. Volta pilinde elektriği üreten şey, maddenin yapısında oluşan kimyasal değişmedir.
Düzenekte, metaller bir birlerine bağlandıklarında devreden akım geçtiği gözlenmektedir. Bu akım, maddelerin yapısında bulunan elektronların diş devreden anottan katoda doğru hareket etmesinden kaynaklanmaktadır.
ETKİNLİK-2: Etkinliğin Amacı: Volta pilinde bazı kavramların kavratılması a. Anot neresidir? b. Katot neresidir? c. Elektronlar dış devrede nereye doğru akar? d. Hangi elektrot çözünür e. Hangi elektrodun kütlesi arter? f. Yükseltgenen hangisidir? g. İndirgenen hangisidir? h. İndirgen hangisidir? i. Yükseltgen hangisidir? j. Yükseltgenme yarı pil tepkimesini yazınız. k. İndirgenme yarı pil tepkimesini yazınız. l. Net pil tepkimesini yazınız. m. Standart başlangıç pil potansiyeli kaç volttur? n. Katotta açığa çıkan madde devreden geçen yük miktarıyla nasıl değişir? Tartışınız?
Michael Faraday, (1791, 1867) Londra'da bulunan Kraliyet Enstitüsü'nde kimyacı Sir Humphrey Davy tarafından verilen kimya konferanslarına katılma olanağı buldu. Konferanslarda tuttuğu notları ciltleyerek iş isteyen bir mektupla birlikte Davy'ye gönderdi ve 1813'te Davy'nin desteğiyle kimya asistanı oldu. 1820'de Davy'nin yanından yardımcılık görevinden ayrıldı. 1825'te laboratuvar müdürlüğüne getirildi. 1833'te enstitüye ders verme mecburiyeti olmaksızın kimya profesörü olarak tayin edildi. Michael Faraday, 1832 ve 1833'te elektrolizin iki temel kanununun formüllerini buldu
Elektrik enerjisi ile, kimyasal tepkimelerin oluşumunu sağlayan düzeneklere, elektrolitik pil; bu olaya da elektroliz denir. Asit, baz ve tuzlar sıvı halde ya da çözeltileri elektrik akımını iletirler. Elektrik akımını ileten bu sıvılara elektrolit denir. Elektrolit maddelerden, elektrik akımı geçirilirse bunların çözeltilerinde bulunan katyonlar indirgenerek katot elektrodunda, anyonlar yükseltgenerek anot elektrodunda toplanırlar.
YORUM: Devreye akım verildiğinde anoda ( ) yüklü iyon (anyon) gider, elektron vererek ve yükseltgenir. Anoda verilen elektronlar dış devreden katoda doğru hareket eder. Katoda giden (+) yüklü iyonlar anottan gelen elektronları alarak indirgenir. Yukarıdaki olayda anottan Cl2 gazı çıkarken, katotta Na(k) toplanır.
Faraday Elektroliz Kanunları: 1. Elektrolizde elektrotlarda açığa çıkan madde miktarı, devreden geçen yük miktarına bağlıdır. (96500 coulomb =1 faradaylık yük= 1 mol elektron yükü=1 eşdeğer gram ) 2. Elektroliz kaplarından aynı elektrik miktarı geçirildiğinde, elektrotlarda toplanan maddelerin eşdeğer gram sayıları birbirine eşittir. (Devreden 1 mol elektron geçirildiğinde, anotta ve katotta 1 eşdeğer gram madde toplanır. (A/e)) I : Akım şiddeti (amper) t : Süre (saniye) A : Metalin mol kütlesi n : Metalin değerliği
Örnek: Ergimiş NaCI tuzu 9,65 amperlik akımla 500 saniye elektroliz yapılıyor. Buna göre, katotta kaç gram Na toplanır? (Na=23) A) 2,3 B) 1,15 C) 1,05 D)0,55 E) 0,27
ÖRNEK: Seri elektroliz kaplarında elektroliz edilen Na, Mg, Al tuzları için devreden 2F lık akım geçtiğinde katotta; a. Kaç gram Na b. Kaç gram Mg c. Kaç gram Al toplanır?
Yandaki seri bağlı elektroliz devresinde a kabının katodunda 3,2 gram Cu toplandığında, b kabının katodunda kaç gram Al toplanır? (Cu: 64, Al: 27) ÇÖZÜM
Örnek: Seri bağlı elektroliz düzeneğinde ergimiş XCI2 ve YCI3 elektroliz ediliyor. Birinci kabın katodunda 0,3 mol X toplanırken ikinci kabın katodunda 5,4 gram Y toplanmıştır. Buna göre, Y nin atom ağırlığı kaç g/mol dür? ÇÖZÜM
NOT: NOT: Devreden geçen elektron yük miktarı, katotta belli miktar maddenin açığa çıkmasına sebep oluyorsa, bu maddelerin elektronları alarak serbest hale geçtikleri kesindir. Öyle ise elektronlar, maddenin yapısında olan yükseltgenme olayında ortama salındığı gibi, indirgenme olayında da maddenin yapısına giren taneciklerden başka bir şey değildir. Bu düşünceler bilim adamlarını elektronla ilgili çalışmalara yöneltti. Maddenin iç yapısına yönelik çalışmalar bundan sonra hız kazanmıştır.
KAPLAMACILIK: Kaplanmak istenilen madde katot elektrot olarak hazırlanır, kaplamak istediğimiz maddenin çözeltisi hazırlanır ve elektroliz işlemi başlatılır. Demir kaşığın gümüşle kaplanması olayını düzeneğe bakarak tartışınız? Gerekli anot ve katot tepkimelerini yazınız?
KATOT IŞINLARI Hava ve diğer gazlar, normal durumlarda yalıtkandırlar. Ancak basınç 0,01 mmhg gibi çok küçük bir değere düşürülüp, gerilim 10.000 volt gibi yüksek bir değere çıkartılırsa, gazlar ışık yayarak elektriği iletir. Katottan anoda doğru dik doğrultuda yayılan bu ışınları 1859 da J.Plucker gözlemledi. 1869 Alman fizikçi Hittorf bu ışınların manyetik alanda pozitif kutba doru kaydığını gördü. 1897 yılında J.J. Thomson, katot ışınlarının elektriksel alanda pozitif kutba yöneldiğini gördü. Bu yönelmeden yararlanarak yük/kütle oranını belirledi. (e/m=-1,7588.108 coul/g). Hızlarını ölçtü ve elektronların tüm atomların yapısında olduğunu kanıtladı.
Katot Işınları Katot ışınları negatif yüklü taneciklerin, bir sağanağıdır. Gazın cinsi ne olursa olsun yayılan ışının özellikleri aynıdır. Katot ışınlarını oluşturan tanecikler, hem maddenin ve hem de elektriğin ortak maddesidir.
4. Elektronun Kütlesi ve Yükünün Bulunması 1858 de Julius Plücker (Julyüs Plüker), katot tüpünün yakınına bir mıknatıs getirerek oluşan katot ışınlarını gözlemleyip bu ışınların manyetik alandaki davranışlarını ilk kez inceleyen bilim insanıdır. Katottan çıkan elektronlar anota doğu hareket eder. Anotta şekildeki gibi bir delik açılırsa elektronlar delikten geçerek floresan boya ile kaplı yüzeye B noktasında çarpar. Böylece ışıklı bir nokta görülmesine neden olur. Tüpe, elektriksel alan uygulanırsa yani tüpün altına ve üstüne zıt elektrikle yüklenmiş levhalar (saptırıcı levhalar) konursa elektronların artı yüklü levhaya doğru saptığı ve yüzeye A noktasında çarptığı görülür. Yüklü bir parçacığın elektriksel alanda sapma miktarı, parçacığın elektrik yükü ile doğu orantılıdır. Diğer taraftan kütlesi ile ters orantılı olması gereği de açıktır. Çünkü büyük kütleli bir parçacık, yüklü levhaların oluşturduğu elektrostatik çekimden daha az etkilenecektir. Elektriksel alana dik olacak şekilde bir manyetik alan uygulanırsa elektronlar eğimli bir yol çizerek tüpün yüzeyinde C noktasına çarpar. Thomson, deneylerinde elektriksel alana dik belli bir şiddetle manyetik alan uygulayarak elektron demetinin sapmasını ölçmüştür. Ayrıca elektriksel alan da uygulayarak sapmayı durdurmuş yani B noktasına getirmiştir.
Özetlersek; Tüpün anot tarafında küçük bir delik açılarak katot ışınlarının geçmesi sağlanıyor. Geçen elektron sağnağı doğrusal olarak ilerleyip B noktasına düşüyor. Tüpe elektriksel alan uygulandığında, ışınların + yüklü kutpa doğru kayıp A noktasına düştüğü gözleniyor. Elektriksel alana dik olacak şekilde bir manyetik alan uygulanırsa elektronlar eğimli bir yol çizerek tüpün yüzeyinde C noktasına çarpıyor. Thomson; Elektriksel ve manyetik alanların şiddetlerinden yararlanarak elektronlar için e/m (yük/kütle) oranını; -1,7588 x 1011 Coulumb/kg (e/m=-1,7588.108 coul/g) olarak bulunmuştur. Bu konuda hesaplamalara girilmeyecektir.
Elektron yükü 1908 de Rabert Andrews Millikan (Rabıt Endruv Milikan) tarafından ölçülmüştür. Elektrik yükü şekildeki düzenek ve e/m değeri kullanılarak hesaplanmıştır. Deneyde pülverizatör (püskürteç) den püskürtülen küresel yağ damlacıkları, kabın üst bölümüne gönderilir. Sis halinde dağılmış küçük yağ damlacıkları, üst levhadaki delikten aşağı inerken bu damlacıklara X-ışınları gönderilir. Bu ışınların ortamdaki havayı oluşturan (N2 ve O2) moleküller ile çarpışarak kopardığı elektronlar, yağ damlacıkları tarafından tutulur ve damlacıklar negatif yüklenir. Üst plaka pozitif (+), alt plaka negatif(-) yüklenirse negatif yüklü yağ damlacıklarının düşmesi durdurulabildiği gibi damlacıkların yukarıya hareket etmesi de sağlanabilir. Damlacığın davranışları ve düşme hızı, elektriksel alan yokluğunda (akım uygulanmadığında), mikroskopta gözlemlenerek bulunabilir.
Millikan, bir elektron yükünü - 1,6022x1019 Coulomb olarak belirledikten sonra homsonun e/m değerinden faydalanarak elektronun ütlesini hesaplamıştır. Damlacığın düşüşünü durdurmak için uygulanacak yük miktarı bilinirse her damla üzerindeki yük de hesaplanabilir. Milikan deneyi tekrarladığında yağ damlacıkları üzerindeki yükün en büyük ortak böleninin (ebob) daima -1,6022x1019 coulomb değerini verdiğini görmüştür. Bunun sonucunda, yağ damlalarının birden fazla elektron taşıdıkları ve bir yağ damlası üzerindeki yükün tek bir elektron yükünün katları olması gerektiği sonucuna varmıştır.
3. Elektronun Keşfinin Tarihsel Gelişimi Dalton öncesi kuramlarda atom, maddenin en küçük taneciği olarak kabul edilmiştir. Dalton da atomu maddenin en küçük yapı taşı olarak kabul etmiştir. Pillerin yapısının açıklanması, elektronun kaynağının madde olduğunu gösteriyordu. Ardından elektroliz olayının anlaşılması, elektronun varlığı hakkındaki delilleri daha da güçlendirdi.
Ardından elektroliz olayının anlaşılması, elektronun varlığı hakkındaki delilleri daha da güçlendirdi. Faradayın çalışmalarına dayanarak George Johnstone Stoney (Stoney) atomlarda elektrik yüklü birimlerin ulunduğundan söz etti ve 1891 de bunlara elektron adının verilmesini önerdi. Stoney in elektron adını verdiği negatif yüklü bu taneciklerden her maddede farklı miktarlarda vardır. Maddenin nötr olması için bu negatif yüklere eş sayıda da pozitif yük bulunması gerektiğinden bahsetti.
Elektronların varlığına dair ilk kanıt, 1870 lerde İngiliz fizikçi William Crooks (Vilyım Kruks) tarafından bulundu. Crooks geliştirdiği vakumlu tüp içerisinde gazların elektrikle etkileşim sonucu ortaya çıkan davranışlarını inceledi. Crooks tüpleri olarak da bilinen bu tüpler televizyon tüplerinin öncüleri olmuştur. Ardından 1897 yılında J.J. Thomson un katot ışınlarının sırrının çözdü ve elektronların yüklü tanecikler olduğunu açıkladı. Thomson elektronun yük/kütle oranını hesaplamıştır.
Ardından Milikan deneyi; elektronun yükünün hesaplanmasını sağladı. (-1,6021.10-19 coulump). Thomson un daha önce bulduğu; yük/kütle oranından yararlanarak elektronun kütlesi de böylece hesaplanmış oldu. Bu gün bu negatif yüklü taneciklere elektron diyoruz.
5. Atomda Elektronun Yükü ile Pozitif Yükler Arasındaki ilişki Katot ışınları tüp içinde yol alırken, çarptıkları atom ya da moleküllerden elektron koparırlar. Bu elektron sağanağının oluşturduğu bu pozitif iyonlar, katot yönüne geçerler. Tüpün ortasından kanallar açılarak görülebildiğinden dolayı bu ışınlara kanal ışınları ya da pozitif ışınlar denilmiştir. Kanal ışınları, katot ışınlarının tam tersi yönde hareket ettiklerine göre, bu ışınlar üzerine yapılan çalışmalar daha kısa sürede tamamlandı. 1898 de Alman fizikçi W. Wien, kanal ışınlarının pozitif elektrik yüklü olduğunu gördü. Kanal ışınlarının yük/ kütle oranını kabaca hesapladı. Bu oran tüpteki gazın cinsine göre değişiyordu. Bunun sebebi; tüpte bulunan gazın cinsine göre farklı iyonların oluşmasıydı.
Pozitif ışınlarla ilgili sonuç alıcı çalışmaları 1906 yılında Thomson açıkladı. Buna göre; Tüp içersine H2 gazı konulduğunda yük/kütle oranı: 9.5791.104 coul/g pozitif yüklü taneciklerin oluştuğu görülüyordu. Elektronunu kaybetmiş olan bu en küçük hidrojen taneciğine, proton adı verildi. Protonun yükü elektronun yükü ile eşit ama zıt işaretlidir. Yük yerine, pozitif elektronun yükü konulduğunda; Buna göre, protonun kütlesi ise, bir elektronun kütlesinin yaklaşık 1840 olduğu görülmüş oldu.
X-ışınları: X ışınlarına; 1895 yılında Prof. Röntgen katot ışınlarının etkilerini araştırırken bulduğu ancak ne olduğunu anlayamadığı için x-ışınları demiştir. Çekirdeğe en yakın enerji düzeyindeki elektrona, hızlı elektronlar çarptığında (katot ışınları), bu elektronlar yerinden oynar ve üst enerji düzeyine sıçrar. Boşalan bu yere üst enerji düzeyinden bir elektron iner. Bu sırada ortaya bir enerji yayılır bu enerjiye x-ışıması diyoruz. Ya da çekirdeğe en yakın iç elektronların uyarılmış durumdan, temel enerji duruma inerken ortama saldıkları yüksek enerjil ışınlardır. X ışınları; Yüksek enerjili (frekanslı) (3.10 10 cm/sn hızla) Manyetik ve elektriksel alanda sapmazlar.( Elektro manyetik) Görünmez Giriciliği çok yüksek ışınlardır.
6. Atomun Proton Sayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi MOSELEY DENEYLERİ: x-ışınları üzerine çalışmalar yapan Mosoley, anottaki metal değiştikçe, oluşan x-ışının frekansının da değiştiğini, her elementin kendine özgü bir x-ışını yaydığını gördü. Ancak anotta bulunan metalin x-ışınları vere bilmesi için, anota gelen elektronların belli bir hızla çarpışması gerekmektedir. Ayrıca bu hız da her metal için farklı farklıydı. Metalden çıkan x-ışınları, o metale özgü bir x-ışını serisi veriyor, her serinin de kendine özgü bir frekansı bulunuyordu. Bu seriler K,L,M,N serisi olarak bilinir. Atom numarası 30 a kadar olan elementlerde yalnızca K serisi vardı, daha sonrakilerde L, ağır metallerde de M serisi gözleniyor.
Atom ağırlığı arttıkça, yayılan x-ışınlarının da frekansının arttığı özleniyordu. Ancak, kullanılan elementinin atom ağırlığının, onların çıkarttıkları x-ışınları frekanslarının kare kökü arasında bir grafik çizildiğinde bazı sapmaların olduğunu gördü. O zamana kadar, elementlerin kimyasal özelliklerinin, atom ağırlıklarıyla değiştiği düşünülüyordu. Moseley, atom ağırlı yerine çekirdek yükü alındığında bu sapmaların ortadan kalktığını gördü. Ayrıca moseley, periyodik tabloda alüminyumdan - altına kadar 38 elementin, x-ışınları tayfını inceledi. Bu incelemeler 1932 ye kadar uranyuma kadar uzatıldı.
Moseley yaptığı deneylerde; Moseley, atomun çekirdeğinde bulunan bu + yüklü taneciklere proton adını vermiştir. Moseley; X-ışınları tayflarına dayanarak, atom numaralarını doğru olarak hesaplamayı başarmıştır. Moseley; Kimyasal değişmelerde, çekirdek yükünün korunduğunu ispatlamıştır. Moseley; Elemente kimyasal özelliğini kazandıran taneciğinde çekirdek yükü nün olduğunu ispatladı. Moseley; Çekirdek yüküne, atom numarası dedi. Moseley; Nötral atomlarda çekirdek yükü, elektron sayısı na eşittir. Moseley; o güne kadar periyodik tabloda eksik olan elementlerin atom numaralarını tespit etmiştir.
Thomson Atom Modeli 1897 yılında Joseph John Thomson, katot ışınlarıyla yaptığı deneylerde, yüksek voltaj uygulanan katot ışınlarının, negatif kutup tarafından iletildiğini ve pozitif kutba doğru çekildiğini belirledi. Bu deney sonucuna göre, katot ışınları negatif olmalıydı. Negatif yüklü bu taneciklere elektron denildi. Thomson, yapmış olduğu deneyler sonucuna göre elektronun yükünü ve kütlesini hesaplayamamış, ancak yük/kütle oranını hesaplamıştır. Elektronun kütlesi çok küçük olduğuna göre, atomun kütlesi pozitif yüke bağlı olmalıydı. Öyle ise atomun hacminin büyük bölümünü pozitif yük oluşturmalıydı. Ona göre atom; çapı yaklaşık 10-8 cm olan, içi dolu, çok küçük küreciklerdi. Bu küreciğin ana gövdesi, pozitif yüklerden oluşuyor, elektronlar ise düzenli bir şekilde bu küreciğin içinde dağılmıştı.
Thomson yapmış olduğu deneylerin sonucuna göre; Atom, yarıçapı 10-8 cm olan içi dolu, nötr, küreciklerdir. Pozitif yükler, bu küreciğin gövdesini oluşturmaktadır. Bu küre içersinde elektronlar, kararlı bir elektrostatik düzen oluşturacak şekilde dağılmışlardır. Bu dağılım, üzümün kek içinde dağılımına benzetilmiştir. Üzümler (-) yüklü elektronları, kekin hamur kısmı da (+) yükü temsil etmektedir. Atomlarda pozitif yük sayısı kadar negatif yük vardır. Dolayısıyla atomlar nötrdür. Elektronların kütlesi, atomun kütlesi yanında ihmal edile bilecek kadar küçüktür. Atomun ağırlığını büyük ölçüde pozitif yükler teşkil etmektedir.
Thomson Atom Modelinin yanlışları: Bu gün biliyoruz ki atomların gövdesi, pozitif yüklü taneciklerden oluşmamaktadır. Elektronlar atom üzerinde rastgele dağılmamışlardır. Nötron hakkında bilgi yoktur.
Başarılar dilerim. M.T.