PERĐYODĐK ÇĐZELGE. Yrd.Doç.Dr. İbrahim İsmet ÖZTÜRK

PERĐYODĐK ÇĐZELGE Yrd.Doç.Dr. İbrahim İsmet ÖZTÜRK

8.1. PERĐYODĐK ÇĐZELGENĐN GELĐŞMESĐ 8.2. ELEMENTLERĐN PERĐYODĐK SINIFLANDIRILMASI Katyon ve Anyonların Elektron Dağılımları 8.3.FĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERDEKĐ PERĐYODĐK DEĞĐŞĐMLER Etkin Çekirdek Yükü Atom Yarıçapları Đyon Yarıçapı 8.4. ĐYONLAŞMA ENERJĐSĐ 8.5. ELEKTRONĐLGĐSĐ 8.6. BAŞ GRUP ELEMENTLERĐ VE SOYGAZLARIN KĐMYASAL ÖZELLĐKLERĐ

8.1. PERĐYODĐK ÇĐZELGENĐN GELĐŞMESĐ Đlk olarak 1864 yılında Đngiliz kimyacı John Newlands, bilinen elementlerin atom kütlelerine göre sıraya dizildiklerinde, her 8 elementin benzer özelliklere sahip olduğunun farkına vardı fakat ortaya koyduğu bu yasanın kalsiyumdan sonraki elementler için yetersiz olduğu ortaya çıktı. Beş yıl sonra Rus kimyacı Dimitri Mendelyev ve Alman kimyacı Lothar Meyer, birbirlerinden bağımsız olarak, elementler için çok geniş ve kapsamlı bir çizelge önerdiler. Mendelyev in sınıflandırması, iki nedenden ötürü Newlands ın kine göre daha üstündü. Birincisi, Mendelyev elementleri özelliklerine göre çok doğru şekilde gruplandırmıştı. Đkincisi ise, henüz keşfedilmemiş bazı elementlerin özelliklerini tahmin etmişti.

8.2. ELEMENTLERĐN PERĐYODĐK SINIFLANDIRILMASI Periyodik çizelge hidrojenle başlar ve alt kabuklar sırayla dolar. Dolmaya başlayan alt kabuğun tipine göre elementler; baş grup elementleri, soy gazlar, geçiş elementleri, lantanitler ve aktinitler gibi sınıflara ayrılırlar. Baş grup elementleri 1A ve 7A grubuna kadar olan elementleri içerir ve bu elementlerin hepsinde, en yüksek baş kuantum sayısının s ve p alt kabukları tam olarak dolmamıştır. Helyumu saymazsak, soy gazların hepsinde (8A grubu) p alt kabuğu tam olarak dolmuştur. Geçiş metalleri yada geçiş elementleri 1B deki ve 3B den 8B ye kadar olan elementlerdir. Bunlar ya tam dolmamış ya da iyonlarında tam dolmamış d alt kabuğu taşırlar. 2B grubu elementleri Zn, Cd ve Hg dır. Bunlar ne baş grup elementi nede geçiş metalidir. Lantanitler ve aktinitler f alt kabukları tam dolu olmadığı için, f-bloğu geçiş elementleri olarak adlandırılırlar.

1A grubu elementlerinin her biri bir soy gaz çekirdeğine ve bir ns 1 dış elektron dağılımına sahiptir. Benzer şekilde 2A metalleri de bir soy gaz çekirdeğine ve bir ns 2 dış elektron dağılımına sahiptir. Bir atomun dış elektronları genellikle değerlik elektronları adını alır.

Katyon ve Anyonların Elektron Dağılımları Bir çok iyonik bileşik, tek atomlu anyonlar ve/veya katyonlardan oluşur. Đyonların elektron dağılımını yazmak istediğimizde nötür atomlar için kullandığımız yöntemi biraz değiştirmemiz gerekir. Đyonları iki grupta inceleyebiliriz. Baş Grup Elementlerinden Türemiş Đyonlar Bu elementlerin nötür atomlarından bir katyon oluşurken, en yüksek n sayısına sahip tabakadan bir yada daha fazla elektron uzaklaşır.

Anyon oluşumunda ise, en yüksek n sayısına sahip elektron tabakasına bir yada daha fazla elektron gelir. Aynı sayıda elektrona sahip atomlar ile iyonlar veya aynı sayıda elektrona sahip olan iyonların temel haldeki elektron dağılımları aynıdır. Elektron sayıları eşit olan bu gibi atom veya iyonlara izoelektronik denir. Örneğin F -, Na + ve Ne izoelektroniktir.

Geçiş Metallerinden Türemiş Katyonlar Bir önceki derste ilk sıradaki geçiş metallerinde, 3d orbitallerinden önce daima 4s orbitallerinin dolduğunu gördük. Mangan elementini göz önüne alırsak, elektron dağılımı [Ar]4s 2 3d 5 dir. Mn 2+ iyonu oluştuğu zaman, oluşan iyonun elektron dağılımının [Ar]4s 2 3d 3 olacağını bekleriz. Halbuki, Mn 2+ iyonunun elektron dağılımı [Ar]3d 5 dir. Mn da 3d orbitallerinden önce daima 4s orbitalleri doluyor olmasına karşın, Mn 2+ iyonu oluşurken 3d orbitali 4s orbitalinden daha kararlı olduğu için, elektronlar 3d orbitalinden değil, 4s orbitalinden uzaklaşır. Bu nedenle, bir geçiş metali atomundan bir katyon oluştuğu zaman elektronlar daima önce ns orbitalinden ve daha sonra (n-1)d orbitalinden uzaklaşır.

8.3.FĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERDEKĐ PERĐYODĐK DEĞĐŞĐMLER Etkin Çekirdek Yükü Bir önceki konuda, çok elektronlu atomlarda çekirdeğe yakın elektronların dış kabuk elektronları üzerine perdeleyici etkileri olduğunu belirtmiştik. Perdeleyici elektronların varlığı, çekirdekteki pozitif yüklü protonlarla dış elektronlar arasındaki elektrostatik çekimi zayıflatır. Etkin çekirdek yükü (Z etkin ), bir elektron tarafından hissedilen yüktür ve formülü ile verilir. Burada Z gerçek çekirdek yüküdür yani elementin atom numarasıdır ve σ (sigma) perdeleme sabiti olarak bilinir. Perdeleme sabiti sıfırdan büyük Z den küçüktür. Atom Yarıçapları Atomun yarıçapı, komşu iki metal atomunun çekirdekleri arasındaki uzaklığın yarısıdır.

Etkin çekirdek yükü arttığında çekirdeğin elektronlar üzerine uyguladığı kuvvet de artar ve atom yarıçapları küçülür. Örneğin Li dan F a kadar olan elementleri göz önüne alalım. Soldan sağa doğru ilerlediğimizde çekirdek yükü artarken iç kabuktaki (1s 2 ) elektron sayısının sabit kaldığı görülür. Artan çekirdek yükü nedeniyle çekirdeğe eklenen elektronlar aynı kabukta olduklarından, birbirlerini etkin bir şekilde perdelemezler. Sonuç olarak baş kuantum sayısı sabit kalırken etkin çekirdek yükü düzenli olarak artar. Etkin çekirdek yükü artarken de doğal olarak atom yarıçapı düzenli birşekilde azalır.

Bir grup içerisindeki elementlerde atom numarası arttıkça atom yarıçapıda artar. 1A grubundaki alkali metallerde en dıştaki elektronlar ns orbitalinde bulunurlar. Artan baş kuantum sayısı n ile birlikte, orbital hacimleride arttığı için Li dan Cs a doğru metal atomlarının hacmi de artar. Hacminin artmasıda atom yarıçapının artması demektir.

Đyon Yarıçapı Đyon yarıçapı; bir katyon veya bir anyonun yarıçapıdır. Nötür bir atom bir iyona dönüştüğünde hacminin değişmesi beklenir. Eğer atomdan bir anyon oluşursa yarıçapı artar, çünkü çekirdek yükü aynı kalırken gelen elektron veya elektronların neden olduğu itme kuvvetleri elektron bulutunun hacmini genişletir. Diğer taraftan, atomdan bir veya daha fazla elektron uzaklaşırsa, elektron itmesi azalır, ancak çekirdek yükü aynı kaldığından elektron bulutu büzülür ve katyonun hacmi atomdan daha küçük olur. Farklı gruplardaki elementlerden türemiş olan iyonlar, eğer izoelektronik iseler, hacimleri karşılaştırılabilir. Đzoelektronik iyonlarda katyonlar anyonlardan daha küçük hacme sahiptir. Örneğin Na + iyonu F - dan daha küçüktür. Bu iyonların her ikisi de aynı sayıda elektrona sahiptir fakat Na + (Z = 11), F - (Z = 9) dan daha fazla protona sahiptir. F - un yarıçapının büyük olmasının nedeni Na + nın sahip olduğu büyük etkin çekirdek yüküdür.

8.4. ĐYONLAŞMA ENERJĐSĐ En dıştaki elektronların kararlılığı doğrudan atomun iyonlaşma enerjisi ile bağlantılıdır. Đyonlaşma enerjisi, gaz halindeki bir atomun temel halinden bir elektronu uzaklaştırmak için gerekli olan minimum enerjidir. Atomlar gaz fazında olması gerekir. Çünkü gaz halindeki atomlar çevresindeki komşu atomlardan ve moleküller arası kuvvetlerden hemen hemen hiç etkilenmezler. Bu koşullarda ölçülen enerji miktarı iyonlaşma enerjisidir. Đyonlaşma enerjisinin büyüklüğü atomdaki elektronun ne kadar sıkı tutulduğunun bir ölçüsüdür. Đyonlaşma enerjisi yüksek ise elektronu atomdan uzaklaştırmak son derece zordur. Çok elektronlu bir atomda, atomun temel halinden ilk elektronu uzaklaştırmak için gerekli olan enerjinin miktarı birinci iyonlaşma enerjisi (I 1 ) olarak tanımlanır.

Đkinci iyonlaşma enerjisi (I 2 ) ve üçüncü iyonlaşma enerjisi (I 3 ) aşağıdaki eşitlikte gösterilmiştir. Bir atomdan bir elektron uzaklaştığı zaman, kalan elektronlar arasında itme kuvveti azalır. Çekirdek yükü sabit kaldığından, pozitif yüklü iyondan başka bir elektronu uzaklaştırmak için daha fazla enerji gerekir. Bu nedenle, iyonlaşma enerjisi yandaki sırayla değişir. Đyonlaşma daima endotermik (ısı alan) bir işlemdir. Elementlerin birinci iyonlaşma enerjilerinin bir periyotta atom numarasıyla birlikte arttığına dikkat edilmelidir. Bunun nedeni, etkin çekirdek yükünün soldan sağa doğru artmasıdır. Etkin çekirdek yükünün büyük olması, dış elektronun çok sıkı tutulduğu anlamına gelir. Soy gazların iyonlaşma enerjileri çok yüksektir ve sebebi temel haldeki elektron dağılımlarının çok kararlı olmasıdır.

1A grubu elementlerinin birinci iyonlaşma enerjileri çok düşüktür. Bu elementler birer değerlik elektronuna sahiptir ve bu elektron tamamen dolu olan iç kabuklardaki elektronlar tarafından etkili bir şekilde perdelenir. Bu nedenle, dış kabuktaki bu elektron, kolayca uzaklaştırılabilir ve atom tek pozitif yüklü iyona dönüşür.

8.5. ELEKTRON ĐLGĐSĐ Elektron ilgisi, gaz halindeki bir atomun bir elektron alarak anyona dönüştüğünde meydana gelen enerji değişimi, olarak tanımlanır.đşareti negatiftir. Gaz halindeki bir flor atomunun bir elektron almasıyla oluşan tepkimeyi inceleyecek olursak; Florun elektron ilgisinin değeri +328 kj/mol olarak gösterilir. Bir elementin elektron ilgisinin değeri çok pozitif ise elektron kabul etme eğilimi büyük demektir. Elektron ilgisi bir başka şekilde de; anyondan bir elektron koparmak için gerekli olan enerji miktarı olarak tanımlanır. Florür için aşağıdaki denklem yazılabilir;

Đyonlaşma enerjisinin değerinin yüksek olması, atomdaki elektronun çok kararlı olduğunu, elektron ilgisinin değerinin pozitif olması da, negatif iyonun çok kararlı olduğunu, yani atomun elektronu almaya karşı çok istekli olduğunu belirtir. Periyod boyunca soldan sağa doğru elektron ilgisinin arttığı görülmektedir. Grup içerisinde elektron ilgilerinin değişimi genellikle küçüktür. 7A grubu elementleri, yani halojenler, en yüksek elektron ilgisine sahiptir. Çünkü halojen atomu bir elektron kazandığında hemen sağındaki soy gazın kararlı elektron dağılımına sahip olur. Oksijen atomunun elektron ilgisi pozitiftir (141 kj/mol), yani ekzotermik bir tepkimedir. Tepkimenin denklemişöyle yazılabilir: Diğer yandan O - iyonunun elektron ilgisi son derece negatiftir (-780 kj/mol) ve tepkime denklemi;

O 2- iyonu bir soy gaz olan Ne ile izoelektronik olmasına rağmen, endotermiktir. Bu tepkime gaz fazında oluşmaya yatkın değildir, çünkü ilave olarak gelen elektronla, mevcut elektron arasındaki itme sonucu meydana gelen kararsızlık, soy gaz yapısına ulaşmakla kazanılan kararlılıktan daha büyüktür. O 2- gaz fazında kararsız olmasına karşın, katı iyonik bileşiklerde, örneğin, Li 2 O, MgO vb. oldukça kararlı bir iyondur. Katı bileşiklerdeki O 2- iyonu komşu katyonlar tarafından kararlı hale getirilir.

8.6. BAŞ GRUP ELEMENTLERĐ VE SOYGAZLARIN KĐMYASAL ÖZELLĐKLERĐ Hidrojen (1s 1 ) Periyodik çizelgede hidrojen için uygun bir konum yoktur. Hidrojen geleneksel olarak 1A grubunda gösterilse de, aslında kendi başına bir grup olabilir.

1A Grubu Elementleri (ns 1, n 2) Bu grup elementler alkali metaller olarak bilinir. Đyonlaşma enerjileri düşüktür. Yaptıkları bileşiklerin büyük çoğunda 1+ yüklü iyonlar oluştururlar. Doğada asla saf halde bulunmazlar. Suyla tepkimeye girerek hidrojen gazı ve karşılık gelen metal hidroksitleri verirler. Hava ile temas ettikleri zaman oksijenle birleşerek oksitlerini oluştururlar.

2A Grubu Elementleri (ns 2, n 2) Toprak alkali metalleri olarak bilinirler. Alkali metallere göre etkinlikleri biraz azdır. Birinci ve ikinci iyonlaşma enerjileri Berilyumdan Baryum a doğru azalır. Toprak alkali metaller M 2+ iyonlarını oluşturma eğilimindedirler. Berilyum su ile tepkimeye girmezken, magnezyum su buharı ile tepkimeye girer. Buna karşılık kalsiyum, stronsiyum ve baryum soğuk suda bile tepkimeye girer. Toprak alkali metallerin oksijene karşı olan etkinlikleri Berilyum dan Baryum a doğru artar.

3A Grubu Elementleri (ns 2 np 1, n 2) 3A grubunun ilk üyesi olan Bor yarı metal, diğer üyeleri metaldir. Bor ikili iyonik bileşikler oluşturmaz, oksijen gazı ve su ile tepkime vermez. Aluminyum havada bırakıldığında kolayca aluminyum oksit bileşiğini oluşturur. Aluminyum yalnızca 3+ yüklü iyonlar oluşturur. 3A grubunun diğer elementleri ise hem 1+ hem de 3+ yüklü iyonlar oluşturur.

4A Grubu Elementleri (ns 2 np 2, n 2) Karbon bir ametaldir. Silisyum ve Germanyum ise yarı metaldir. Kalay ve Kurşun ise metaldir. 4A grubu elementleri hem 2+ hem de 4+ yükseltgenme basamağına sahip bileşikleridir.

5A Grubu Elementleri (ns 2 np 3, n 2) Azot ve fosfor ametal, arsenik ve antimon yarı metal, bizmut ise metaldir. Bu yüzden grup içinde elementlerin özelliklerinde büyük değişimler beklenebilir.

6A Grubu Elementleri (ns 2 np 4, n 2) Oksijen, Kükürt ve Selenyum ametal, Tellür ve Polonyum yarı metaldir. Oksijen iki atomlu bir gazdır. Elementel kükürt ve selenyumun molekül formülleri S 8 ve Se 8 dir. Tellür ve Polonyum kristal yapılar oluştururlar. Polonyum radyoaktif bir element olduğu için laboratuarda çalışılması zordur.

7A Grubu Elementleri (ns 2 np 5, n 2) 7A grubu elementleri halojenürlerdir ve tümü ametaldir. X 2 genel formülü ile gösterilirler. Etkinlikleri çok yüksek olduğundan doğada asla element halde bulunmazlar. 7A grubunun son elementi olan Astatin rodyoaktif bir elementtir ve özellikleri hakkında çok az şey bilinmektedir. Halojenlerden türeyen anyonlar halojenürlerdir.

8A Grubu Elementleri (ns 2 np 6, n 2) Soy gazlar olarak bilinirler. Tamamı tek atomlu halde bulunur. Atomlarında ns ve np alt kabukları tamamen doludur ve bu doluluk kararlı olmalarını sağlar. 8A grubunun iyonlaşma enerjileri bütün elementler arasında en yüksek değerlere sahiptir.