içerik - emre yalamaç webpage
advertisement
Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ PERİYODİK ÇİZELGE VE ELEKTRON KONFİGÜRASYONU Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ İÇERİK • • • • • • • • • • • Periyodik Tablo Çok Elektron Atomlarının Karakteristikleri Dışlama (Pauli) İlkesi Elektrostatik Etkiler ve Enerji Seviyesileri Perdeleme Girinim (Nüfuz) Elektron Dağılımı Periyot Elementlerinin Orbital Diyagramları Atom Çap Büyüklükleri İyonlaşma Enerjisi Elektron İlgisi Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Periyodik Tablo Rus kimyager D. Mendeleev 1870 yılında 65 elementli bir periyodik tablo oluşturmuş ve davranışlarını periyodik kurallarla özetlemiştir. Atomlar kütlelerine göre ayarlandığında elementler benzer özelliklerini yenilenen bir periyot göstermişlerdir. İlginçtir, Rus Mendeleev ve Alman Meyer birbirlerinden bağımsız olarak eş zamanlı aynı organizasyona ulaşmışlardır. Mendeleev kimaysal özelliklerini, Meyer fiziksel özelliklerini dikkate almışlardır. Günümüz periyodik tablosu Mendeleev’in çalışmasını esas almakta sadece değişiklik olarak atom numarasını sıralamada dikkate almaktadır. D. Mendeleev (1834-1907) Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Çok Elektron Atomlarının Karakteristikleri Çok elektron atomları için, Bohr modeli dışında Schröndinger denklemi çok yakın bir tahmimsel sonuç verir. Çok elektronlu atomlar için de H atomu için kullanılan kuantum sayıları kullanılır. Fakat birde çok elektronun mevcutiyeti hidrojen atomunun durumuyla ilişkili olmayan üç özelliğide düşünmeyi getirir. 1. Dördüncü bir Kuantum sayısına ihtiyaç 2. Verilen bir orbitalde sınır sayıda elektron 3. Orbitaller için daha kompleks set enerji seviyeleri Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Elektron Spin Kuantum Sayısı Elektronun kendisine has özelliğini tanımlıyan ve orbitalden bağımsız kuantum sayısına spin denir. Birden fazla elektron olduğunda önemlidir. Elektron sanki dünyanın kendi ekseni etrafında dönüşüne benzer şekilde döndüğü varsayılır. Dolayısıyla ufak bir manyetik alan yaratır Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Kuantum Sayısıları H atomunun Elektron yapısının dört kuantum sayısı ile gösterimi: Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Dışlama (Pauli) İlkesi Aynı atomdaki iki elektron aynı 4 kuantum sayısına sahip olamazlar. Başka bir değişle, bir orbitalde yalnızca iki elektron bulunabilir ve bu elektronlar zıt spinlere sahiptir. Zıt spinli iki elektron, bir birini söndüren zıt manyetik alanlara sahiptirler. Bunun sonucu olarak elektron çiftlerinde net manyetik alan söz konusu değildir. Kuantum sayıları ve Stadyum tribünleri Dolayısıyla He atomunda 1s orbitali dolu oldugu için H atomu örneğinde olduğu gibi He atomu demetinde bir ikiye ayrılma olmaz. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Elektrostatik Etkiler ve Enerji Seviyesileri Çok elektron atomlarında elektrostatik etkiler enerji seviyesinin belirlenmesinde çok önemli rol oynarlar. Hidrojen atomunun enerji seviyesini sadece baş kuantum sayısı ile belirlenir yani tüm alt kabuklar (2s ve 2p) aynı enerji seviyesindedir. Çünkü sadece elektron ile çekirdek arasında bir elektrostatik etkileşim vardır. Fakat çok elektronlu atomlarda enerji seviyeleri sadece elektron-çekirdek arasındaki çekim değil, elektronelektron arasındaki etkileşimdende kaynaklanır. Dolayısıyla, çok elektronlu atomlarda orbital enerjileri orbitalin türüne bağlıdır ve bir baş kabuktaki farklı l kuantum sayısına sahip orbitaller eşenerjili değildir. Örneğin; Lityum atomunda ilk iki elektron 1s orbitalini doldurur diğer elektron 2. seviyede yer alır burada 2s ve 2p alt kabukları mevcuttur. 2s, 2p’den daha az enejilidir. Nedeni: 1. Çekirdek Yükü 2. Elektron itmeleri 3. Orbital şekli Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Çekirdek ile Elektron Arasındaki Çekim Kuvveti Çok elektron atomlarında çekirdek ile elektron arasındaki çekim kuvveti, çekirdek yükünün artmasıy ile artar. Çünkü Coulomb yasasına göre yüksek yükler düşük yüklerden daha fazla çekim yapar. Bunun sonucu olarak atom numarası arttıkça orbital enerjileri azalır, yani negatiflik artar. Orbital Enerjisi Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Perdeleme Çekirdeğe daha yakın orbitallerde bulunan elektronlar, daha uzakta bulunan elektronlar ile çekirdek arasında bir perde veya kalkan işlevi görür. Perdeleme işlevi gören elektronlar, çekirdekten daha uzakta bulunan elektronlar üzerindeki çekim etkisini azaltırlar. İç baş kabuk elektronları, dış baş kabuk elektronlarını (n) aynı baş kabukta olup farklı alt kabukta (s,p,d) olan elektronlara göre daha fazla perdeler. Başka elektronların etkisi olmadığı zaman bir elektronla etkileşen çekirdek yükü, atom numarası Z ile aynıdır. Çekirdeğin bir elektron üzerinde etkili olan yükü, diğer elektronların işe karışmasıyla ile azalarak bir Zet değerine iner ve buna etkin çekirdek yükü denir. He 2+ 2372 kJ/mol e- He+ 2+ 5250 kJ/mol e- Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Girinim (Nüfuz) Lityum atomunda 3’üncü elektron neden 2s orbitalinde bulunur da 2p orbitalinde bulunmaz? İlk bakışta elektronun 2p orbitaline girmesi gerekir çünkü onun çekirdeğe 2s orbitaline göre daha yakın radya olasılığı olduğu söylenebilinir. Fakat, 2s’nin az bir kısmı radyal olasılık dağılımı olarak 1s bölgesinin içindedir. Dolayısıyla, 2s orbitalindeki elektron bir kısım zamanını girinim yaparak çekirdeğe çok yakın olarak geçirir. Yüklerin çekimi birbirine yakın olduğunda daha güçlü olur. Sonuç olarak 2s elektronu tarafından girinim olayı çekirdek tarafından toplam çekimi 2p elektronuna göre arttırır. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Kuantum Mekanik Modeli ve Periyodik Tablo Elektron dağılımları yazmada aufbau işlemi (inşa etmek) kullanılır. Atom numarası artarken elektron dağılımının nasıl “inşa” edileceğini gösterir. Bir atomdan hemen sonra gelen atomun çekirdeğindeki proton sayısı bir, nötron sayısı bir veya daha fazla artar. Bu durumda ilave edilecek elektronun hangi orbitale gireceğinin belirlenmesi gerekir. = Birinci He elektronu İkinci He elektronu Orbital ve Elektronların gösteriminde iki yaygın yol vardır. • Elektron Dağılımı • Orbital Diyagramı Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Elektron Dağılımı Elektronlar orbitallere, atomun enerjisini en aza indirecek şekilde yerleşirler. Elektronlar eşenerjili orbitallere öncelikle birer birer yerleşirler. Elektron Dağılımının gösterimi : Örnek: ve Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ 2. ve 3. Periyot Elementlerinin Orbital Diyagramları Alt kabuk gruplarında elektron ve spin gösterimi Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Orbital Diyagramları Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ ÖRNEK Flor (F) atomunun 3. ve 8. elektronları için kuantum sayılarını ifade ediniz? Cevap: 3. Elektron : 1s2 2s1 n : 2, l : 0, ml : 0 ve ms : +1/2 8. Elektron : 1s2 2s2 2p4 n : 2, l : 1, ml : -1 ve ms : -1/2 Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ 3. Periyot Elementlerinin Kısmi Orbital Diyagramları ve Elektron Dağılımları Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Gruplardaki Elektron Dağılımı Periyodik çizelgenin aynı grubunda yeralan elementler, benzer elektron dağılımına sahiptir. Grup 1A daki atomlar (alkali metaller) en dış kabuğun s orbitalinde tek elektrona sahiptirler, yani ns1 yapısındadır. Grup 7A daki atomlar (Halojenler) en dış kabukta ns2np5 şeklinde yedi elektrona sahiptirler. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ 4. Periyot İnşası ve İlk d-orbital Geçişi 4s orbital 3d orbitalden once doldurulur çünkü nüfuz(girinim) ve perdeleme etkileri orbitallerin öncelik sırasını değiştirir. n=1 ve n=2 orbitalleri tarafından 3d elektronları perdelenir. Fakat buna karşılık 4s elektronları girinim yani zamanlarının önemli bir kısmını çekirdeğe daha yakın geçirmeleri nedeniyle büyük bir çekirdek çekimine sahiptirler. Dolayısıyla 4s orbitali 3d orbitaline göre daha düşük enerji seviyesindedir. Benzer şekilde: E5s< E4d & E6s< E5d Ens< E(n-1)d Bakır (Cu) ve Krom (Cr) elementlerinin elektron dağılımı diğer 4. periyot elementlerinden istisnayi olarak 4s orbitalleri yarım dolu orbital olarak bulunur. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ 4. Periyot Elementlerinin Kısmi Orbital Diyagramları ve Elektron Dağılımları Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Elektron Dağılımlarında Genel İlkeler Aynı grup içinde bulunan elementler aynı kimyasal özelliklere sahiptirler çünkü aynı dış elektron dağılımına sahiptirler. Temel grup elementleri (A Grup) dış elektron dağılımı s-blok ve p-blok’dan oluşur. Geçiş elementlerinde (B grup) bazı varyasyonlar mevcuttur. Elementler inşa edilirken kabuk ve alt kabuk seviyelerini enerjilerini arttırarak doldururlar, yani periyodik çizelgeyi soldan sağa okuduğumuzda kabuk ve alt kabuk enerji sıralamasını verir. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Periyodik çizelgedeki elementlerin kısmi temel-durum elektron dağılımı Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Grup ve Periyot Numaraları : 1. Temel grup elementlerinde (A grub) grup numarası dış elektron sayısına eşittir. Örnek: Cl (Grup 7A) 7 dış elektron, Te (Grup 6A) 6 dış elektrona sahiptir. 2. Periyot numarası en yüksek enerji kabuğu(n) değeridir. Örnek: Periyot 2’nin kabuk değeri(n=2) dir. 3. Kabuk değerinin karesi alındığında, enerji kabuklarındaki toplam orbital sayısı bulunur. Enerji kabuğundaki maksimum elektron sayısını 2n2 belirtir. Örnek: n=3 için 9 orbital ve maksimum 18 elektron olur. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Elektron Katagorileri : Elementler üç katagoride elektronlara sahiptir. 1. İç elektronlar : Bu elektronlar elementten önce gelen soy(nobel) gaz elektronları ve tamamlanmış geçiş serileridir. 2. Dış elektronlar : Bunlar en yüksek enerji kabuklarındadır. Zamanlarının büyük bir çoğunluğunu çekirdekten çok uzakta geçirirler. 3. Değerlik elektronları : Bunlarda bileşik yapmakla ilgili elektronlardır. Temel grup elementlerinde, değerlik elektronları dış elektronlardır. Geçiş elementlerinde (n-1)d elektronları değerlik elektronları olarak sayılır çünkü bazısı ya da hepsi bağla ilgilidir. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ ÖRNEK Periyodik çizelgeyi kullanarak tam, yoğun elektron dağılımları ve elektron değerliğini gösteren kısmi orbital diyagramını ve iç elektron sayısını aşağıdaki element için yapınız? Potasyum (K; Z=19) tam elektron dağılımları : yoğun elektron dağılımları : elektron değerliğini gösteren kısmi orbital diyagramlarını iç elektron sayısı : 18 iç elektron Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Atom Çap Büyüklükleri Şimdiye kadar atomun elektronlarının %90 zamanın harcadığı küre şeklinde olduğundan bahsedilmişti. Fakat atomik boyut bir atomun bir diğer atoma ne kadar yakın durabildiğini tanımlar. Pratik olarak aynı elementin iki atomunun çekirdekleri arasındaki mesafe ölçülür ve ikiye bölünerek bulunur. Atom boyutu yaptığı bileşiğe göre yani maddeden maddeye hafif değişir. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Temel Grup ve Geçiş Elementlerinin Atomik Çapları Temel grup elementlerinin çapları hem gruba hem de periyoda göre değişir. Bu değişimlerin nedeni iki zıt etkidir: 1. n içindeki yük: temel kuantum numarası arttıkça dış elektronların zamanlarını çekirdekten çok uzakta harcama süreleri artar ve atom büyür 2. Etkin çekirdek yükü (Zet) : pozitif yük elektron tarafından hissedilir ve dış elektronlar çekirdeğe doğru çekilir atom küçülür. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Temel Grup ve Geçiş Elementlerinin Atomik Çapları 1. Grupta aşağıya doğru inildikçe ilk durum (n) çapı belirlemede etkili olur çünkü perdeleme ön plana çıkar. Dolayısıyla atom çapı gruplarda yukarıdan aşağıya doğru artar. 2. Bir periyot boyunca ise Zet ikinci durum çapı belirlemede etkili olur. Çünkü aynı periyotta eklenen elektron aynı enerji kabuğuna gelir ve dolaysıyla burda perdeleme etkili olmaz Zet dış elektronlara önemli derecede etkieder. Dolayısyla Periyodik çizelgede atom çapı soldan sağa doğru azalır. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Geçiş Elementlerinin Atomik Çapları Temel gruplar için iyi uyum sağlayan bu durum geciş elementlerinde çok tutarlı değildir. Soldan sağa doğru giderken boyut ilk üç element için küçülür çünkü çekirdek yükü artar Fakat bundan sonra boyut göreceli olarak sabit kalır, çünkü iç d elektronları tarafından perdeleme etkin çekirdek yükü Zet artışına karşı olur. Örneğin Vanadyum(4. periyot 3. element) rV = rZn Çinko (4. periyot son element) Perdeleme Grup 2A’dan Grup 3A’ya doğru (d elektronlarından kaynaklanan) ciddi bir boyut küçülmesine sebep olur bu iki temel grup geçiş elementlerini çevrelemektedir. Boyut azalması 4., 5. ve 6. periyotlarda (geçiş elementleri dahil) periyot 3 (geçiş elementleri hariç) çok daha büyüktür. Çünkü np orbitallerindeki elektron (n-1)d orbitallerindeki elektronlardan daha fazla girinim yaparlar. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Elementlerinin Atom Çapları Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ İyon Çapları Katyonlar oluştukları atomlardan daha küçüktürler. İzoelektronik katyonlardan iyon yükü daha büyük olanın iyon yarıçapı daha küçüktür. Anyonlar kendilerini oluşturan atomlardan daha büyüktürler. İzoelektronik anyonlarda iyon yükü arttıkça iyon yarıçapı artar. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ İyonlaşma Enerjisi İyonlaşma Enerjisi (IE) 1 mol elektronun 1 mol gaz atomu ve ya iyonundan tamamen koparılması için gerekli enerjidir (kJ). Elektronu atomdan ayırmak için enerji gerekir ve bu enerji sistemin içine doğru olduğu için yani endotermik reaksiyondur (H>0). İlk iyonlaşma enerjisi en dış elektronun (en yüksek enerjili alt kabuk) gaz atomunundan koparılmasıdır. İlk iyonlaşma enerjisi elementin kimyasal reaktivitesi için anahtar etkendir. Çünkü kimyasal reaksiyonda düşük IE1 katyon ve yüksek IE1 anyon durumunda olur. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Elementlerinin İlk İyonlaşma Enerjileri Elementlerinin ilk iyonlaşma enerjileri atom boyutu ile karşılaştırıldığında tam ters bir ilişki gösterir. Yani atom boyutu küçüldükçe, elektronu koparmak için daha büyük enerjiler gerekir. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Temel Grup Elementlerinin İlk İyonlaşma Enerjileri 1. Bir grup boyunca (temel gruplarda) n değeri ve dolayısıyla atom artar ve elektron çekirdekten uzaklaşır sonuç olarak daha kolay kopar. İyonlaşma enerjisi genel olarak bir grupta aşağıya doğru düşer. Sadece önemli bir istisnayi durumu Grup 3A gösterir atom boyutu etkisinden dolayı Boron’dan sonra Al ve devamında ciddi bir düşüş görülmez. 2. Periyot boyunca: orbital(n) aynı kalır Zet artar ve atom boyutu düşer. Çekirdek ve dış elektronlar arası çekim artar dolayısıyla iyonlaşma enerjisi genel olarak periyot boyunca artar. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Örnekler Periyodik Tabloyu kullanarak aşağıdaki temel grup elementlerini atom boyutlarını büyükten küçüğe doğru sıralayınız? Ca, Mg, Sr Periyodik Tabloyu kullanarak aşağıdaki elementlerin iyonlaşma enerjilerini büyükten küçüğe doğru sıralayınız? K, Ca, Rb Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Elektron İlgisi Elektron ilgisi (EI) 1 mol elektronun 1 mol gaz atomu ve ya iyonuna eklenmesi sırasındaki enerji (kJ) değişimidir. İlk elektron eklendiğinde çoğunlukla enerji çıkışı olur, çünkü elektron Atomun çekirdek yükü tarafından çekime uğrar. EI genelde negatif ekzotermik reaksiyondur. Diğer yandan ikinci elektron ilgi enerjisi EI2 pozitifitr çünkü elektrostatik itmeleri yenmek ve yeni bir elektron eklemek için enerjinin emilmesi gerekir. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Periyodik Çizelgeye Göre Üç Atom Özelliğindeki Eğilim Elektron ilgisi, atom boyutu ve iyonlaşma enerjisi gibi özelliklere göre periyodik cetvelde çok düzenli bir değişim göstermez. Grup 8A yok Fakat düzensizliklere rağmen, elektron ilgisi ve göreceli iyonlaşma incelendiği zaman üç anahtar nokta ortaya çıkar. Yrd.Doç.Dr. Emre YALAMAÇ Temel Grup Elementlerinin Elektron İlgisi 1. Reaktif ametaller : Grup 6A ve Grup 7A elementleri yüksek iyonlaşma enerjisine ve yüksek elektron ilgisine sahiptirler. Bu elementler çok zor elektron kaybeder fakat çok güçlü elektron çekerler. Dolayısıyla iyon bileşiklerinde negatif iyon olurlar. 2. Reaktif metal : Grup 1A ve Grup 2A elementleri düşük iyonlaşma enerjilerine ve az bir elektron ilgisine sahiptirler. Her iki grupta elektron kaybetmeye hazırdırlar fakat elektronlara karşı zayıf çekim uygularlar. İyon bileşiklerinde pozitif iyon olurlar. 3. Soy gazlar: Grup 8A çok yüksek iyonlaşma enerjisine ve çok az pozitif elektron ilgisine sahiptirler.
